Kỹ thuật và quản lý hệ thống nguồn nước ( Đại học Quốc gia Hà Nội ) - Chương 12 doc

Các biện pháp phi công trình được thiết kế để làm giảm nhẹ khả năng thiệt hại của các phương tiện vĩnh cửu và dự phòng để làm giảm thiệt hại khả năng trong một sự kiện lũ lụt.. Bảng 12.

Chương

12

Các Hệ thống quản lý

đồng bằng ngập lũ

Lũ lụt do các điều kiện thủy văn và địa hình ở các bãi sông ngập lũ gây

ra khi dòng chảy đủ lớn để chảy tràn qua các bờ của lòng dẫn gây ra dòng chảy tràn bờ, nó có thể mở rộng trên khắp đồng bằng ngập lụt Với các trận

lũ lớn, bãi sông ngập lũ đóng vai trò là thành phần vận chuyển cũng như là khu trữ tạm thời cho dòng chảy lũ Lòng dẫn chính thường là một lòng dẫn xác định có thể uốn khúc qua đồng bằng ngập lụt mang theo các dòng chảy chậm Dòng chảy tràn bờ thường là nông khi so sánh với dòng chảy trong lòng dẫn và cũng thường là các dòng chảy có tốc độ chậm hơn nhiều so với tốc độ dòng chảy trong lòng dẫn

Mục đích của kiểm soát lũ là làm giảm hoặc làm nhẹ bớt các hậu quả tiêu cực của lũ lụt Các phương pháp lựa chọn để giảm nhỏ dòng chảy lũ thường có liên quan tới các phương tiện kiểm soát lũ và bao gồm các công trình hoặc các biện pháp chỉnh trị Việc xây dựng các phương tiện kiểm

soát lũ, cũng liên quan đến các biện pháp công trình, được thiết kế để xem

xét các đặc trưng lũ bao gồm các hồ chứa, các công trình chuyển nước, các

đê và các chỉnh sửa lòng dẫn Các biện pháp kiểm soát lũ lụt để giảm nhẹ

thiệt hại của các đồng bằng ngập lụt thường liên quan đến các biện pháp

phi công trình và có thể yêu cầu các công trình kỹ thuật nhỏ hơn Các biện

pháp phi công trình được thiết kế để làm giảm nhẹ khả năng thiệt hại của các phương tiện vĩnh cửu và dự phòng để làm giảm thiệt hại khả năng trong một sự kiện lũ lụt Các biện pháp phi công trình bao gồm phòng chống lũ, cảnh báo lũ và kiểm soát sử dụng đất Các biện pháp công trình thường đòi

hỏi số vốn đầu tư cơ bản lớn Quản lý đồng bằng ngập lụt xem xét quan

điểm tổng hợp của tất cả các biện pháp công trình, phi công trình và chính quyền để quản lý (giảm thiểu) các tổn thất do lũ lụt trên quy mô toàn diện

12.1 5 ác lựa chữn Hiểm ứễát lũ

Bảng 12.1.1 tổng kết một vài biện pháp giảm nhẹ thiệt hại và các quan

hệ thông số được cải tiến Các quan hệ hàm cơ bản đã yêu cầu để đánh giá

các lựa chọn làm giảm thiệt hại do lũ được thể hiện trên hình 12.1.1 Các

quan hệ thiệt hại - mực nước định rõ tính khốc liệt của lũ dưới dạng chi

phí thiệt hại đối với các mực nước khác nhau Các quan hệ thiệt hại - mực nước, cũng liên quan đến các đường cong lưu lượng, được cải tiến bằng các lựa chọn kiểm soát lũ khác nhau Các quan hệ tần suất dòng chảy lũ (đã mô tả trong mục 10.4) định rõ tính xuất hiện lại dưới dạng độ lớn của lũ Các lựa chọn kiểm soát lũ được thiết kế để làm giảm các đặc trưng lũ nhờ làm giảm một hoặc nhiều các quan hệ kể trên Các loại công trình kiểm soát lũ chính là các hồ chứa, các công trình phân lũ, các đê và các chỉnh sửa lòng dẫn Mỗi một trong các công trình này được thảo luận dưới đây bằng cách

định rõ các thay đổi kết quả trong các quan hệ cơ bản

Bảng 12.1.1

ảnh hưởng của các biện pháp quản lý đồng bằng ngập lụt (Hiệp hội Kỹ sư Quân đội Hoa

Kỳ, 1988)

Quan hệ ảnh hưởng Mực nước -

lưu lượng

Mực nước - thiệt hại

Lưu lượng - thiệt hại

Lưu lượng - tần suất

Thiệt hại - tần suất

* Các viết tắt dưới đây áp dụng đối với bảng ở trên

NC = không thay đổi quan hệ thông số

M = thay đổi quan hệ thông số

+ Các ảnh hưởng thời hạn dài do thay đổi chế độ dòng chảy gây bởi các biện pháp này có thể làm ảnh hưởng đến quan hệ dòng chảy - mực nước cơ bản và vì vậy, ảnh hưởng đến các quan hệ nhận được khác tại một số ngày trong tương lai

++ Loại trừ lượng đáng kể trữ trên đồng bằng ngập lụt có thể gây ra các ảnh hưởng đến quan hệ tần suất - dòng chảy ở hạ lưu

Đ

ảnh hưởng đã chỉ ra có thể xuất hiện với một điều kiện tương lai khi không có biện pháp

Hình 12.1.1

Các quan hệ hàm đánh giá lũ lụt (Nguồn: Cục Công binh Hoa Kỳ - Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn)

Các hồ chứa kiểm soát lũ được sử dụng để trữ nước lũ rồi xả nước sau

sự kiện lũ, làm giảm độ lớn của lưu lượng đỉnh Các hồ chứa làm biến đổi

đường cong tần suất dòng chảy lũ Đường cong này được giảm thấp hơn do

sự giảm của lưu lượng đỉnh của một sự kiện riêng biệt hình 12.1.2 minh họa ảnh hưởng của các hồ chứa kiểm soát lũ Các ảnh hưởng thời hạn dài của lượng trữ trong hồ chứa làm thay đổi chế độ dòng chảy sông và có thể dẫn đến sự phát triển hoặc suy thoái của lòng dẫn tại các vị trí phía hạ lưu nhờ biến đổi đường cong lưu lượng

Hình 12.1.2

ả nh hưởng của hồ chứa (Nguồn: Cục Công binh Hoa Kỳ - Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn)

Các công trình phân lũ được sử dụng để chuyển lũ bằng đường khác

hoặc làm đường đi vòng cho các dòng chảy lũ từ các trung tâm thiệt hại để làm giảm các dòng chảy đỉnh tại các trung tâm thiệt hại Các công trình phân lũ được thiết kế để làm giảm nhỏ (hạ thấp) đường cong tần suất để độ lớn của dòng chảy đối với một sự kiện riêng biệt tại trung tâm thiệt hại được hạ thấp xuống hình 12.1.3 minh họa ảnh hưởng của việc phân chuyển nước

đến các quan hệ hàm số Các quan hệ thiệt hại - mực nước và lưu lượng - mực nước vẫn giữ giống hệt như khi chưa bị gây bởi các ảnh hưởng khác Các ảnh hưởng thời hạn dài của việc chuyển nước có thể gây ra sự phát triển

hoặc suy thoái tại các vị trí phía hạ lưu và dẫn đến sự bồi lắng bùn cát trong các lòng dẫn đi vòng

Hình 12.1.3

ả nh hưởng của việc chuyển nước (Nguồn: Cục Công binh Hoa Kỳ - Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn)

Các đê – bối được sử dụng để giữ cho các dòng chảy lũ tách khỏi các

diện tích ngập lũ có thể xảy ra thiệt hại Đê làm giảm thấp về cơ bản ba quan hệ hàm số ảnh hưởng của đê là làm giảm thiệt hại trong các diện tích

đã được bảo vệ khỏi các cấp mực nước trong sông hoặc trong lòng chính

ảnh hưởng này đã cắt quan hệ thiệt hại - mực nước cho tất cả các mực nước thấp hơn cao trình thiết kế đê như đã minh họa trên hình 12.1.4 ảnh hưởng của việc ngăn chặn các dòng chảy lũ từ các phần của đồng bằng ngập lũ ở bên ngoài các con đê làm dòng chảy co hẹp vào một diện tích vận chuyển nhỏ hơn gây ra sự tăng mực nước đối với các lưu lượng khác nhau Sự thay

đổi hướng lên này của quan hệ lưu lượng - mực nước được thể hiện trong hình 12.1.4 Việc co hẹp dòng chảy vào bên trong các đê làm giảm lượng trữ tự nhiên của sóng lũ bằng cách gây ra sự tăng các lưu lượng đỉnh phía hạ lưu ảnh hưởng này làm tăng lưu lượng đối với các tần suất vượt quá khác nhau nhờ thay đổi tần suất theo hướng đi lên như thể hiện trong hình 12.1.4 Các ảnh hưởng thời hạn dài của đê có thể gây ra sự phát triển hoặc suy thoái lòng dẫn trong các đoạn sông phía hạ lưu Cho dù đê cốt là để nhằm mục

đích bảo vệ tài sản và tính mạng nhưng chúng cũng vẫn tiềm ẩn các tai họa nghiêm trọng khi lưu lượng thiết kế vượt quá và các diện tích bị tràn ngập

đang được coi như là an toàn

Hình 12.1.4

Tác dụng của đê (Nguồn: Cục Công binh Hoa Kỳ - Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn)

Các chỉnh sửa lòng dẫn được thực hiện để cải thiện các tính chất vận

chuyển của một lòng dẫn sông Sự vận chuyển được cải thiện làm hạ thấp các mực nước đối với các lưu lượng khác nhau có ảnh hưởng đến việc hạ thấp quan hệ lưu lượng - mực nước như đã minh họa trong hình 12.1.5, Các lưu lượng đỉnh đối với các sự kiện lũ được chuyển qua tại các mực nước thấp hơn làm giảm bớt hiệu quả trữ của thung lũng tự nhiên trong thời gian

đi qua của một sóng lũ ảnh hưởng này dẫn đến các lưu lượng đỉnh ở phía hạ lưu cao hơn các lưu lượng đỉnh sẽ xảy ra khi không có các chỉnh sửa lòng dẫn nhờ gây ra sự thay đổi hướng lên của đường cong tần suất như đã minh họa trong hình 12.1.5, Các ảnh hưởng thời hạn dài của việc chỉnh sửa lòng dẫn có thể gây ra sự phát triển hoặc suy thoái các đoạn lòng dẫn phía hạ lưu Các chỉnh sửa lòng dẫn thường là các lựa chọn để bảo vệ cục bộ nhưng có thể được tích hợp với các lựa chọn kiểm soát lũ khác để cung cấp một hệ thống kiểm soát lũ hiệu quả hơn

Các biện pháp phi công trình được sử dụng để làm giảm nhẹ thiệt hại khả năng của các công trình và các phương tiện lâu dài để giảm bớt tính nhạy cảm của lũ lụt nhằm làm giảm các thiệt hại khả năng Các biện pháp phi công trình bao gồm chống lũ, cảnh báo lũ và các loại lựa chọn kiểm soát sử dụng đất khác nhau Các biện pháp này được đặc trưng bởi giá trị của chúng trong việc làm giảm việc sử dụng đồng bằng ngập lụt thiếu thận trọng tương lai hoặc khả năng Trong số các biện pháp phi công trình đã kể

ở trên, chỉ có chống lũ là biện pháp có khả năng làm giảm khả năng thiệt hại hiện tại

Hình 12.1.5

Tác động của việc chỉnh sửa lòng dẫn (Nguồn: Cục Công binh Hoa Kỳ - Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn)

Chống lũ bao gồm một loạt các biện pháp phi công trình thiết kế để

giảm bớt thiệt hại khả năng của các công trình riêng biệt nhạy cảm với thiệt hại do lũ lụt Các biện pháp này bao gồm các công trình nâng cao, các tường chống nước bên ngoài và việc sắp xếp lại không gian làm việc của công trình Chống lũ được yêu cầu nhiều nhất đối với các phương tiện mới Chống lũ chỉ làm thay đổi quan hệ thiệt hại - mực nước như đã minh họa trên hình 12.1.6 nhờ thay đổi quan hệ theo hướng đi lên

Hình 12.1.6

Tác dụng của chống (Nguồn: Cục Công binh Hoa Kỳ - Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn)

Cảnh báo lũ cung cấp lời báo trước thời gian hướng dẫn cho những người cư ngụ ở đồng

bằng ngập lụt cốt để làm giảm thiệt hại khả năng (xem mục 13.1) Thời gian hướng dẫn cung cấp cơ hội để nâng nao bề mặt công trình, để thực hiện chống lũ nhỏ hơn và để di chuyển tài sản

dễ bị ảnh hưởng trước lũ Giá trị lớn nhất của cảnh báo lũ là để làm giảm hoặc loại trừ tổn thất về tính mạng Cảnh báo lũ đòi hỏi dự báo lũ thời gian thực và các phương tiện thông tin để báo cho dân cư đồng bằng ngập lụt biết

Kiểm soát sử dụng đất liên quan đến nhiều hoạt động chính quyền và hoạt động khác

nhằm làm thay đổi việc sử dụng đất để việc sử dụng tương hợp với nguy cơ lũ lụt khả năng Các kiểm soát này bao gồm phân vùng và xây dựng các quy định khác, hướng dẫn thu nhận đất đai

và tài sản, xây dựng các mã, bảo hiểm lũ lụt và các chương trình thông tin bởi các cơ quan địa phương, bang và liên bang

12.2 ọánh giá thiỳ t hĐi - ễ lũ

Các thiệt hại do lũ thường được báo cáo là thiệt hại trực tiếp về tài sản,

mà thực tế đó chỉ là một trong năm loại thiệt hại theo kinh nghiệm, bao gồm: các thiệt hại trực tiếp, các thiệt hại gián tiếp, các thiệt hại thứ cấp, các

thiệt hại không sờ thấy được và các thiệt hại bất định Các thiệt hại trực

tiếp gây bởi tổn thất do công việc và phục vụ, chi phí làm giảm các gian

khổ, chuyển giao thông đi bằng đường khác và các thiệt hại liên quan khác

Các thiệt hại thứ cấp gây bởi các ảnh hưởng bất lợi do những thứ mà

người phụ thuộc vào đầu ra của tài sản bị thiệt hại hoặc việc phục vụ bị gây

trở ngại Các thiệt hại không sờ thấy được bao gồm chất lượng môi trường, sức khoẻ cộng đồng và các giá trị thẩm mỹ Các thiệt hại bất định

gây bởi tính không chắc chắn hiện tại - mãi mãi của lũ lụt

Các kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng để tính toán trực tiếp các thiệt hại Grigg và Helweg (1975) đã sử dụng ba loại kỹ thuật: các công thức kết hợp; các đường cong thiệt hại lịch sử và các đường cong thiệt hại - độ sâu kinh nghiệm Một trong những công thức kết hợp quen thuộc nhất là công thức do James đề xuất:

hA UM K

C D  D s (12.2.1) trong đó: C D là chi phí thiệt hại do lũ lụt đối với một sự kiện lũ lụt riêng biệt; K D là thiệt hại do lũ cho mỗi ft độ sâu ngập lụt tính bằng đô la theo giá trị trên thị trường của công trình; U là phần của vùng đồng bằng ngập lụt trong sự phát triển đô thị; M s là giá trị trên thị trường của công trình đã

bị ngập tính bằng đô la cho mỗi mẫu Anh phát triển; h là độ sâu ngập lụt trung bình trên khắp diện tích đã bị ngập tính bằng ft và A là diện tích ngập lụt tính bằng mẫu Anh Eckstein (1958) đã đưa ra phương pháp đường cong thiệt hại lịch sử trong đó, các thiệt hại lịch sử của lũ lụt đươc vẽ thành đồ thị với mực nước lũ

Việc sử dụng các đường cong thiệt hại - độ sâu kinh nghiệm (đang là phương pháp thường dùng nhất) yêu cầu một khảo sát cả về tài sản vùng

đồng bằng ngập lụt và cả đánh giá kết hợp của các đường cong thiệt hại - độ sâu (mực nước) đối với các công trình, đường xá, cây trồng, vật dụng,… có trong đồng bằng ngập lụt Khi đó, đường cong thiệt hại - mực nước này có liên quan tới quan hệ đối với lưu lượng - mực nước để nhận được quan hệ lưu lượng - thiệt hại rồi sau đó, được sử dụng song song với quan hệ tần suất - lưu lượng để nhận được đường cong tần suất - thiệt hại như đã minh họa trong hình 12.2.1,

Các bảng và đường cong thiệt hại - độ sâu khác nhau đã được công bố bởi các cơ quan khác nhau, ví dụ: Grigg và Helweg (1975) đã đưa ra các

đường cong thiệt hại - độ sâu đối với các loại công trình nhà ở khác nhau dựa trên các số liệu từ các cơ quan khác nhau Corry và cộng sự (1980) đã trình bày các đường cong thiệt hại - độ sâu trong hình 12.2.2, Bảng 12.2.1 cho thấy: số phần trăm thiệt hại đối với các cây trồng khác nhau là một hàm của thời đoạn và độ sâu ngập lụt

12.2.2 Các thiệt hại khả năng

Chi phí thiệt hại khả năng hàng năm E D bằng diện tích bên dưới

đường cong tần suất thiệt hại như thể hiện trong hình 12.2.1e Nó có thể

được biểu diễn bằng:

         d

q d d

d q

q D D E

c c

j j

q F q F q D q D D

E

1

1 1

2 , đối với q c q1 q2  q n  

(12.2.3) trong đó: q j là lưu lượng đã rời rạc hoá trong khoảng q c, 

Ví dụ 12.2.1 Một cầu được thiết kế đi ngang qua sông Leaf tại Hattiesburg,

Mississipi Độ mở của cầu đang được xem xét là 280 ft và cao trình trên mực cơ sở của đường đắp cao là 147 ft Tại vị trí cầu, có một trạm đo dòng chảy sông đã được hoạt động bởi UGS từ năm 1939 đến năm 1981, Dựa trên các kết quả phân tích tần suất lũ, các lưu lượng đỉnh đối với các thời kỳ xuất hiện lại khác nhau được thể hiện trong các cột (1) và (2) của bảng 12.2.2, Các cột (3) và (4) ghi các cao trình mặt nước trung bình có hoặc không có cầu đã

được xác định bằng một phân tích đường mặt nước

Vì đường quốc lộ đi ngang qua lấn lên trên đường tràn lũ tự nhiên nên thiệt hại về tài sản thượng lưu được cộng thêm vào do hiệu ứng nước vật có thể xảy ra Để đánh giá thiệt hại tài sản khả năng đó, các công trình xây dựng nhà ở trong đồng bằng ngập lụt bị ảnh hưởng khả năng bởi cầu được xác

định Bảng 12.2.3 liệt kê số ngôi nhà, các cao trình sàn ban đầu của chúng

và tổng các giá trị tài sản tăng thêm Giả thiết rằng tất các công trình xây

dựng đều có nền móng, hãy đánh giá thiệt hại tài sản do hiệu ứng nước vật

với các lưu lượng khác nhau được thể hiện trong bảng 12.2.4 Nửa bên trên của bảng bao gồm số phần trăm thiệt hại đối với các tài sản của các cao trình

tầng thứ nhất dưới các điều kiện lưu lượng khác nhau Các số phần trăm thiệt hại nhận được từ hình 12.2.2, Ví dụ: đối với lưu lượng 54200 ft 3 /s, cao trình mặt nước trung bình là 146,97 ft thì độ sâu bằng 146,97 - 148 = - 1,03

ft Độ sâu này tương ứng với 1 ft ở bên dưới cao trình tầng thứ nhất Từ hình 12.2.2 đối với một nhà ở có móng, thiệt hại là 7% Đối với một lưu lượng đã cho, tổng thiệt hại tương ứng có thể được tính bằng tổng các tích của giá trị tài sản và số phần trăm thiệt hại đối với tất cả các ngôi nhà trên vùng đồng bằng ngập lụt

Các số phần trăm thiệt hại và tổng thiệt hại khi có cầu có thể được đánh giá một cách tương tự Các thiệt hại này được cho trong nửa dưới của bảng 12.2.4, Trong cột cuối cùng, các thiệt hại gia tăng thêm giữa các điều kiện có cầu và không có cầu được tính toán bằng cách đem tổng thiệt hại trong trường hợp có cầu trừ đi tổng thiệt hại trong trường hợp không có cầu đối với mức lưu lượng đã cho Ví dụ: khi Q = 62000 ft3/s, thiệt hại gia tăng thêm nhận được bằng 540400 $ - 509400 $ = 31000 $

Hình 12.2.2

Phần trăm thiệt hại, các nhà ở hồn hợp (Corry và cộng sự, 1980)

Thiệt hại gia tăng thêm (cho trong cột cuối cùng của bảng 12.2.4) và lưu lượng tương ứng được khôi phục trong các cột (5) và (1) tương ứng của bảng 12.2.5 song song với thời kỳ xuất hiện lại Bảng 12.2.5 được sử dụng để minh họa các tính toán thiệt hại dự tính hàng năm nhờ sử dụng phương trình (12.2.3) do hiệu ứng nước vật Việc áp dụng một phương trình như vậy đồi hỏi việc đánh giá các xác suất vượt quá kết hợp với mỗi lưu lượng lũ đã liệt

kê trong cột (1) của bảng 12.2.5, Nhờ biết thời kỳ xuất hiện lại kết hợp với lưu lượng lũ, xác suất vượt quá hàng năm P trong cột (3) có thể được tính toán bằng: P 1 /T (xem mục 10.4) Nhờ đó, xác xuất không vượt quá hàng năm F trong cột (4) có thể được tính toán một cách dễ dàng bằng: F  1 P

Để đánh giá tổng thiệt hại dự tính hàng năm, các thiệt hại do nước vật trung bình đối với hai thời kỳ xuất hiện lại liên tiếp được tính toán trong cột (6) Tiếp theo, các xác suất gia tăng thêm giữa hai xác suất không vượt quá liên tiếp trong cột (4) được tính toán trong cột (7) Thiệt hại do nước vật gia tăng thêm trong cột (8) có thể nhận được bằng cách nhân các cột (6) và (7) với nhau Tổng các thiệt hại do nước vật trong cột (8) cho tổng chi phí dự tính hàng năm bằng 2784 đô la

Bảng 12.2.2

Các cao trình mặt nước trung bình phía thượng lưu của chỗ xây dựng cầu

Cao trình mặt nước (ft) Lưu lượng

(ft 3

/s)

Thời kỳ xuất hiện lại (năm)

Tóm tắt các cao trình tầng 1 và tổng các giá trị gia tăng thêm đối với các ngôi nhà trong

đồng bằng ngập lụt ở phía thượng lưu của chỗ xây dựng cầu

Cao trình tầng 1 đại diện (ft)* Số ngôi nhà Tổng giá trị gia tăng gần đúng

*

Làm tròn đến phút gần nhất

12.ả ạGi phPn móm phân tích thiỳ t hĐi - ễ lũ lụt ếề5

Gói phần mềm phân tích thiệt hại do lũ lụt (FDA) của Cục Công binh Hoa kỳ - Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn là một hệ thống các chương trình thủy văn, thủy lực và thiệt hại do lũ được liên kết bằng một hệ thống lưu trữ

số liệu để chuyển đổi tự động các số liệu giữa các chương trình Hệ thống lưu trữ số liệu liên quan tới hệ thống lưu trữ số liệu của Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn (HECDSS) (Cục Công binh Hoa Kỳ, 1983) Các chương trình tính khác nhau được thể hiện trong hình 12.3,1 cùng với một mô tả tóm tắt các chương trình trong bảng 12.3,1, Gói FDA bao gồm 3 chương trình thủy văn, thủy lực; 5 chương trình phân tích thiệt hại do lũ lụt; 3 chương trình quản lý

số liệu và một thư viện phần mềm quản lý số liệu

Bảng 12.2.4 Các tính toán thiệt hại đối với ví dụ 12.2.1

% thiệt hại (không có cầu) Lưu

2900K 149’

3960K 150’

3900K 151’

3300K 152’

1320K 153’

600K 154’

180K 155’

Tổng thiệt hại ($K)

8,00 11.00 14,00 22,00 29,00 32,00 35,00 39,50

2,00 6,00 9,00 12.50 25,00 28,00 31,00 35,50

3,00 12.00 19,00 24,00 28,00 31,50

7,00 15,00 19,50 23,00 27,50

10.00 14,00 18,00 23,50

4,50 9,00 13.00 18,50

3,50 7,50 13.00

105,00 509,40 801,00 1177,50 2238,30 3732,60 540,40 - 509,40

4414,20 = 31 5021,70

5785,20

8,37 11.21 14,20 22,20 29,10 32,10 35,10 40,40

2,37 6,21 9,20 12.60 25,20 28,20 31,20 36,40

3,20 12.10 19,10 24,10 28,10 32,40

7,10 15,10 19,70 32,20 28,40

1,50 10.20 14,10 18,10 24,40

4,60 9,20 13.20 19,40

3,60 7,60 13.90

105,00 540,40 819,00 1201,80 2278,00 3754,70 4440,60 5047,00 5938,40

0,00 31,00 18,00 24,30 39,70 22,10 26,40 25,30 153,20

Chi phí do nước vật trung bình (D)

Xác xuất gia tăng thêm (F)

F D

0

0,9000 0,9333 0,9500 0,9600 0,9800 0,9900 0,99375 0,9950 0,9980 1,000

0

31

18 24,3 39,7 22,1 26,4 25,3 153,2 153,2

$ 15,5K 24,5K 21,2K 32,0K 30,9K 24,3K 25,9K 89,3K 153,2K

0,0333 0,0167 0,0100 0,0200 0,0100 0,00375 0,00125 0,0030 0,0020

$ 0,516K 0,409K 0,212K 0,640K 0,309K 0,091K 0,032K 0,268K 0,306K

Hình 12.3.1

Gói phân tích thiệt hại do lũ (Hiệp hội Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ, 1983)

 Các profile mặt nước HEC-2; các tính toán các profile của dòng chảy đều, trạng thái ổn

định; sử dụng để phát triển các đường cong hiệu suất dòng chảy - cao trình

 Mô phỏng các hệ thống kiểm soát lũ lụt và bảo toàn HEC-5; các mô phỏng các hệ thống

hồ chứa phức hợp; sử dụng để phát triển các đường cong tần suất - dòng chảy hiện có, không và có sửa đổi

2 Các chương trình tính phân tích thiệt hại do lũ lụt

 Kiểm kê công trình để phân tích thiệt hại SID (Structure Inventory for Damage analysis): tiến hành kiểm kê các công trình định vị trong đồng bằng ngập lụt; sử dụng để phát triển các quan hệ thiệt hại - cao trình

 Chương trình thu thập và diễn giải kiểm kê công trình để phân tích thiệt hại SIDEDT (Structure Inventory for Damage Analysis Edit Program): thêm bớt kiểm kê công trình và các file hàm thiệt hại sử dụng cho chương trình SID

 Tính toán thiệt hại và trạng thái có thể ảnh hưởng tới thiệt hại DAMCAL (Damage Reach State-Damage Calculation): thực hiện phân tích giống hệt như SID ngoại trừ phân tích dựa trên cơ sở đơn vị địa lý (không gian); sử dụng để phát triển các quan hệ thiệt hại - cao trình

 Tính toán thiệt hại hàng năm khả năng EAD (Expected Annual Damage Computation): tính thiệt hại hàng năm khả năng (hoặc tương đương) và các lợi ích do làm giảm bớt ngập lụt; sử dụng để so sánh các quy hoạch làm giảm bớt thiệt hại do lũ lụt

 Chương trình xử lý - thông báo FDA2PO, HEC-2: tính các cao trình lũ lụt tham khảo tại các công trình và lưu trữ các đường cong hiệu suất dòng chảy - mực nước trong file số liệu HECDSS

3 Các chương trình tiện ích (quản lý dữ liệu) HEC-DSS

 Chương trình đầu vào hàm cặp đôi tương tác PIP (Interractive Paired-Function Input Program): vào trực tiếp các quan hệ hàm cặp đôi đối với một file số liệu DSS, ví dụ quan

hệ thiệt hại - cao trình nhận được bằng tay từ các số liệu thực tế

 Chương trình tiện ích DSSUTL, HEC-DSS: cung cấp các phương tiện thực hiện các hàm tiện ích về số liệu lưu giữ trong file số liệu HEC-DSS, ví dụ liệt kê, chỉnh sửa và xoá số liệu

 Chương trình hiển thị DSPLAY, HEC-DSS: cung cấp các phương tiện để lập bảng kê và

vẽ đồ thị các số liệu lưu giữ trong mọt file số liệu HEC-DSS

HEC-1 có thể được sử dụng để phát triển một quan hệ lưu lượng vượt quá điều kiện cơ bản nhờ một phân tích mưa - dòng chảy bằng cách xác

định biểu đồ quá trình lưu lượng đối với các lượng mưa có tần suất khác nhau Lưu lượng đỉnh và tần suất được sử dụng để xây dựng đường cong tần suất vượt quá - lưu lượng Nếu có một trạm đo ở gần vị trí thiệt hại do lũ thì quan hệ lưu lượng vượt quá điều kiện cơ bản được xác định nhờ một phân tích tần suất

Các đường cong tần suất - lưu lượng đối với các điều kiện thay đổi được phát triển cho mỗi quy hoạch lựa chọn xem xét nhờ sử dụng HEC-5 và/hoặc HEC-1, HEC-1 được sử dụng để nhận được các đường cong tần suất điều kiện thay đổi đối với các quy hoạch ví dụ như các hồ chứa không có cửa Các lưu lượng đỉnh và các biểu đồ thủy văn kết hợp được hoàn thiện cho mỗi mức tần suất HEC-5 được sử dụng theo cách tương tự để mô phỏng các hồ chứa có cửa van HEC-5 không mô hình hoá quá trình mưa - dòng chảy nhưng ngược lại, HEC-1 lại mô hình hoá quá trình mưa - dòng chảy và

được sử dụng chung với HEC-5, Cả HEC-1 và HEC-5 đều chạy trong mô hình “đa tỷ lệ” và “đa quy hoạch” Mô hình đa tỷ lệ sử dụng các tỷ lệ riêng biệt của các tung độ biểu đồ quá trình lượng mưa hoặc biểu đồ quá trình dòng chảy Mô hình đa quy hoạch liên quan đến các lựa chọn công trình xây dựng khác nhau Các quan hệ tần suất - lưu lượng cơ bản và cải tiến

được lưu trữ trong HECDSS

HEC-2 được sử dụng để tính lần lượt trạng thái ổn định, các trắc diện dọc mặt nước và các đường cong lưu lượng (các quan hệ lưu lượng - mực nước) đối với các điều kiện cơ bản HEC-2 có thể được sử dụng để phát triển các quan hệ lưu lượng - mực nước cải tiến đối với các chỉnh sửa lòng dẫn và đê Các đường cong lưu lượng được lưu trữ hoặc trực tiếp trong HECDSS hoặc qua chương trình tiện ích FDA2PO

Các chương trình SID (Structure Iventory Damage) và DAMCAL (Damage Calculation) tính toán các đường cong thiệt hại - cao trình cho mỗi dải thiệt hại DAMCAL được sử dụng song song với các kỹ thuật phân tích số liệu không gian SID được sử dụng cùng với các kiểm kê công trình xây dựng, nơi không có phân tích không gian để thực hiện phân tích thiệt hại do lũ không có công trình Tất cả các dải thiệt hại đều được phân tích tại một thời điểm cho một quy hoạch để cho các việc chạy riêng rẽ được yêu cầu đối với mỗi biện pháp giảm bớt thiệt hại Các đường cong thiệt hại - cao trình tổng quát được lưu trữ trong HECDSS

Các đường cong thiệt hại - độ sâu SID và các kiểm kê công trình được quản lý và thao tác bởi chương trình SIDEDT (SID Editing) FDA2PO là mắt xích giữa các chương trình HEC-1, HEC-2 và HEC-5 và các chương trình phân tích thiệt hại do lũ Các đường cong lưu lượng được lưu trữ trong HECDSS đối với dải thiệt hại đã lựa chọn chỉ rõ các vị trí nhờ sử dụng

FDA2PO tính các cao trình lũ lụt tham khảo tại mỗi công trình trong kiểm

kê SID và tại vị trí đã chỉ rõ

Chương trình thiệt hại hàng năm khả năng EAD (Expected Annual Damage) hợp nhất tất cả các quan hệ tham số cơ bản đã tính toán bởi HEC-

1, HEC-2, HEC-5, SID, DAMCAL và FDA2PO EAD nhận được đường cong thiệt hại - tần suất từ các đường cong tần suất đã tính bởi HEC-1 và HEC-5, các đường cong lưu lượng đã tính bởi HEC-2 và các đường cong thiệt hại - cao trình đã tính bởi SID hoặc DAMCAL EAD tính thiệt hại hàng năm khả năng bằng cách lấy tích phân đường cong thiệt hại - tần suất; thực hiện các tính toán thiệt hại hàng năm tương đương và tính lợi ích do giảm bớt ngập lụt đối với tất cả các quy hoạch và tổng kết thiệt hại hàng năm khả năng theo từng loại, từng dải và từng quy hoạch Gói FDA đã được sửa lại cho phù hợp với máy vi tính ( Hiệp hội Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ, 1988)

12.ô Es hình tTi ưu hễá để quy hễĐch Hiểm ứễát lũ

Mục này mô tả một phương pháp tối ưu để quy hoạch và thiết kế các hệ thống kiểm soát lũ Một mô hình như thế có thể được sử dụng trong việc lựa chọn sơ bộ hình thể kiểm soát lũ xen kẽ nhau Lợi thế của việc sử dụng mô hình tối ưu là một tập hợp đầy đủ các lựa chọn được kiểm tra theo kiểu có

hệ thống, nghiên cứu tự động để được đáp án tối ưu

Xem xét một ví dụ đơn giản của 3 hồ chứa kiểm soát lũ khả năng với các đường tràn có cửa van và 2 kênh dẫn khả năng đầu tư để bảo vệ 2 trung tâm thiệt hại như đã minh họa trong hình 12.4.1 Chi phí hàng năm đầu tư cho kênh dẫn f j Q j được biểu diễn bằng một hàm của lưu lượng đỉnh Q jtại trung tâm thiệt hại j Chi phí hàng năm để trữ lũ f iSTmaxi trong hồ chứa

được biểu diễn bằng một hàm của sức chứa cực đại STmaxi trong hồ chứa i Chi phí cho đường tràn hàng năm f i C i được biểu diễn bằng một hàm của năng lực lưu lượng của đường tràn C i Giữa năng lực hồ chứa, công trình

đường tràn và mức cải tạo kênh dẫn hạ lưu có sự thỏa hiệp về chi phí Ví dụ: đối với một hồ chứa kiểm soát lũ rộng lớn, năng lực đường tràn và mức cải tạo kênh dẫn hạ lưu sẽ được cực tiểu hóa Mặt khác, đối với một hồ chứa kiểm soát lũ nhỏ, năng lực đường tràn và mức độ cải tạo kênh dẫn hạ lưu sẽ lớn hơn

Hình 12.4.1

Hệ thống hồ chứa có tính cách giả thuyết gồm 3 hồ chứa kiểm soát lũ khả năng

Mục đích của mô hình tối ưu là để xác định chi phí tối thiểu cho việc cải tạo kênh dẫn (nghĩa là Q j, nó xác định năng lực của kênh dẫn đã được cải tạo) Mô hình dưới đây có thể giải quyết được đối với sức chứa của các hồ chứa STmaxivà các năng lực đường tràn khác nhau Đối với hệ thống thể hiện trong hình 12.4.1, hàm mục tiêu được biểu diễn bằng:

    i i

j

i j j

Các ràng buộc lượng trữ của hồ chứa nói rõ rằng tại đầu của mỗi thời

đoạn t, lượng trữ của thực tế hồ chứa ST,tphải nhỏ hơn hoặc bằng lượng trữ cực đại của hồ chứa STmaxi, nghĩa là:

Lượng xả bị hạn chế bởi năng lực của đường tràn và lượng trữ trong hồ chứa Biểu diễn lượng xả bằng một hàm của lượng trữ R,tST,t thì ràng buộc lượng xả từ hồ chứa có thể được biểu diễn bằng:

Các ràng buộc cân bằng khối lượng hồ chứa được sử dụng để thực hiện việc diễn toán của một biểu đồ quá trình lũ qua một hồ chứa Chúng được biểu diễn ở dạng một phương trình liên tục, trong đó thể tích dòng chảy vào trung bình trừ đi thể tích dòng chảy ra trung bình đối với một thời đoạn t

phải bằng lượng thay đổi của lượng trữ hồ chứa đối với thời đoạn đó, đó là:

trong đó QI là dòng chảy vào hồ chứa

Việc diễn toán lòng dẫn qua một đoạn kênh dẫn k được thực hiện bằng cách sử dụng các ràng buộc biểu diễn dưới dạng diễn toán Muskingum biểu diễn bằng:

t k k t

k k t k k t

C3 là các hệ số diễn toán Muskingum đối với đoạn k (xem mục 10.3,2)

Các dòng chảy trong kênh dẫn tại các diện tích bảo vệ phải nhỏ hơn hoặc

bằng dòng chảy trong lòng dẫn sông đối với điều kiện lũ thiết kế, biểu diễn

bằng:

j t

QO ,  đối với mọi k, j,t (12.4.6) trong đó QO k ,t là lưu lượng lũ trong đoạn kênh dẫn k tại diện tích bảo vệ j

tại đầu thời đoạn t

Một ràng buộc được yêu cầu để định rõ tính liên tục tại chỗ nối các sông, đó là:







L t t

QI

1 , 1 , (12.4.7) trong đó: QI k,t là dòng chảy vào tới đoạn kênh dẫn kở hạ lưu của chỗ nối;

t

QO1, là dòng chảy ra từ các đoạn sông chảy vào chỗ nối và L là tập hợp các

đoạn sông chảy vào chỗ nối

Biến quyết định Q j định rõ năng lực của lòng dẫn đã cải thiện tại j

được yêu cầu để chứa đựng biểu đồ quá trình lũ Bài toán tối ưu ở trên (các phương trình từ 12.4.1 đến 12.4.7) có thể được giải bằng chương trình tuyến tính nếu các hàm chi phí là tuyến tính Nếu các hàm chi phí là phi tuyến và lồi, phép tuyến tính hoá dần dần có thể được sử dụng Một quy trình của chương trình phi tuyến (chẳng hạn như GRG2, GAMS-MINOS hoặc MINOS) có thể được sử dụng để giải mô hình mà không cần tuyến tính hoá dần dần

12.x Mựa chữn tTi ưu các phưã ng án Hiểm ứễát lũ

Một quy trình để lập quy hoạch kiểm soát lũ được phác thảo trong hình 12.5,1, Các mục tiêu là điển hình để bảo vệ đề phòng lũ có thời kỳ xuất hiện lại 100 năm Các quy trình có thể được sử dụng để xác định thiết kế thời kỳ xuất hiện lại tính cho các thỏa hiệp chi phí giữa các chi phí tăng thêm đối với các dự án lớn hơn (thời kỳ xuất hiện lại dài hơn) và các chi phí thiệt hại giảm bớt đối với các dự án lớn hơn Ví dụ 12.5,1 minh họa các tính toán như thế

Hình 12.5,1

Quy trình quy hoạch kiểm soát lũ (Grigg, 1985)

Ví dụ 12.5.1 Xác định thời kỳ xuất hiện lại thiết kế tối ưu cho một dự án

kiếm soát lũ lụt với các chi phí thiệt hại và các chi phí cơ bản đối với thời kỳ xuất hiện lại tương ứng đãliệt kê trong các cột (5) và (6) của bảng 12.5.1

gia tăng thêm E D trong cột 4 được tính toán nhờ sử dụng quy tắc hình thang như đã giải thích trong phương trình (12.2.3), đó là: