Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi đông bắc việt nam tt

Cách ti p c n vƠ ph ng pháp nghiên c u Để đ t được mục tiêu đề ra, luận án đã thu thập các tài liệu cần thiết, nghiên cứu tổng quan những biến động về mưa lũ, các phương pháp tính lũ thi

B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O B NỌNG NGHI P VÀ PTNT

DOÃN TH N I

NGHIÊNăC UăS ăBI NăĐ NGăC AăM AăLǛ VÀăĐ ăXU Tă

C ăS ăKHOAăH CăTệNHăLǛăCHO CÔNG TRÌNH GIAO

THÔNG VÙNGăNÚIăĐỌNGăB CậVI TăNAM

Chuyên ngành: Th yăvĕnăh c Mƣăsốăchuyên ngành: 62-44-02-24

TịM T T LU N ÁN TIẾN SĨ KỸ THU T

HÀăN I, NĔMă2016

Côngătrìnhăđ ợcăhoƠnăthƠnhătạiăTr ng Đ i h c Th y l i

Ng iăh ớngădẫnăkhoaăh că1: PGS.TS Ngô Lê Long

Ng iăh ớngădẫnăkhoaăh că2: PGS.TS Hoàng Thanh Tùng

Ph năbi nă1:ăGS.TS Trần Th c, Vi năKHKTV&BĐKH

Ph năbi nă2:ăPGS.TS Trần Đình Nghiên,ăChuyênăgiaăđ căl p

Ph năbi nă3:ăTS Nguy n L p Dân,ăVi năĐ aăLỦ,ăVi năHàn Lâm KHVN

Lu năánăs ăđ ợcăb oăv ătr ớcăH iăđồngăch mălu năánăh pătại………… - vào lúc gi ăăăăăăăăngƠyăăă tháng nĕm

Cóăthểătìmăhiểuălu năánătạiăth ăvi n:

- Th ăvi n Quốc gia

- Th ăvi năTr ngăĐại h c Th y lợi

M Đ U

1 Tính c p thi t c a đ tài

Giao thông là huyết m ch của mỗi quốc gia, muốn phát triển đất nước cần ph i hoàn thiện và hiện đ i hệ thống giao thông Hàng năm, nhà nước đã đầu tư rất nhiều kinh phí cho đầu tư xây mới, nâng cấp và m rộng hệ thống giao thông

để đ m b o giao thương kinh tế văn hóa các vùng trên c nước và quốc tế Với trên 2/3 diện tích là địa hình đồi núi, đư ng miền núi chiếm hơn 70% tổng

km chiều dài đư ng bộ c nước Đư ng miền núi chủ yếu thuộc lo i cấp III-V, các h ng mục công trình thoát nước (cầu, cống, rãnh) chưa được chú trọng trong thiết kế và xây dựng, các tính toán thủy văn, thủy lực còn h n chế Dưới nh hư ng của khí hậu nhiệt đới gió mùa, với chế độ mưa lũ khắc nghiệt, mức độ ngày càng tăng đã làm cho các công trình giao thông bị hư hỏng nặng

nề Một trong những nguyên nhân gây tác động đáng kể tới độ bền vững của công trình gây s t l ta luy dương, âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ…thì những tác động của mưa, lũ trong đó việc tính toán lũ thiết kế chưa đúng hoặc chưa phù hợp là nguyên nhân chính

Trong TCVN 9845:2013 (viết dựa trên cơ s của QP.TL C-6-77) đã giới thiệu một số phương pháp tính lũ thiết kế từ mưa như: Cư ng độ giới h n, Xokolopxky có nguồn gốc của các tác gi iên Xô (cũ), có nhiều thông số chưa phù hợp với điều kiện Việt am, khó xác định, vì vậy khi áp dụng vào tính toán kết qu tính có thể chưa phù hợp với thực tế d n tới kh u độ các công trình thoát nước chưa đáp ứng được yêu cầu

Việc thiếu tài liệu quan trắc mưa và dòng ch y, đặc biệt là tài liệu quan trắc

th i đo n ngắn cũng gây khó khăn khi tính toán lũ thiết kế cho các công trình

Với tất c lí do trên, luận án“Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất

cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc Việt Nam” mà CS lựa chọn là hết sức cấp thiết

4 Cách ti p c n vƠ ph ng pháp nghiên c u

Để đ t được mục tiêu đề ra, luận án đã thu thập các tài liệu cần thiết, nghiên cứu tổng quan những biến động về mưa lũ, các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông trong nước và trên thế giới từ đó lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp, mang tính kế thừa, đ m b o tính sáng t o trong nghiên cứu

Các phương pháp sử dụng trong luận án: i) phương pháp phân tích, thống kê,

kế thừa có chọn lọc các nghiên cứu liên quan; ii) phương pháp phân tích nh viễn thám, GIS phục vụ mô phỏng lưu vực trong các mô hình toán và xây dựng các b n đồ chuyên đề làm cơ s khoa học cho các phương pháp tính lũ kiến nghị; iii) phương pháp mô hình toán, tính toán thử nghiệm làm cơ s cho việc kiến nghị các phương pháp tính lũ thiết kế phù hợp cho các công trình giao thông khu vực Đông Bắc, Việt am

5 Ý nghĩa khoa h c và th c ti n

Kết qu nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao vì đã gi i quyết một phần khó khăn hiện nay trong tính toán thủy văn cầu đư ng Việc nghiên cứu biến động của mưa lũ khu vực Đông Bắc và xác lập cơ s khoa học tính lũ thiết

kế cho các công trình giao thông có ý nghĩa khoa học trong việc tiếp cận với những phương pháp tính toán hiện đ i làm tiền đề cho việc xây dựng một quy trình tính toán phù hợp với điều kiện của Việt am

6 Nh ng đóng góp mới c a lu n án

- uận án đã hoàn thiện phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông

có xét đến biến động mưa lũ và đặc điểm tự nhiên khu vực Đông Bắc, trên cơ

s ứng dụng mô hình toán thủy văn và GIS

- uận án đã bước đầu xây dựng được phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nước trên đư ng giao thông

7 C u trúc c a lu n án

goài phần M đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 3 chương:

Ch ng 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông

Ch ng 2: Xây dựng cơ s khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng

núi Đông Bắc-Việt am

Ch ng 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phương pháp tính lũ cho công trình

giao thông vùng núi Đông Bắc-Việt am

T NG QUAN V NGHIÊN C U TệNH LǛ THI T K

CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

1.1 T ng quan v tính lǜ thi t k

1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Việc tính lũ thiết kế đã tr i qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa

và phát triển nhằm chính xác và hiện đ i hóa phục vụ xây dựng các công trình

an toàn trong mùa mưa lũ, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay Một số nghiên cứu về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến như nghiên cứu của Chow và Shaw (1964), Chow và Maidment (1988), Vijay (2002), Raghunath (2006), và nhiều nghiên cứu khác Về cơ b n, các phương pháp tính toán đều dựa trên lý thuyết căn nguyên dòng ch y và các cách chuyển đổi mưa hiệu qu thành dòng ch y Tuy nhiên, từ hai thập kỷ tr l i đây với sự phát triển vượt bậc của công nghệ máy tính, kỹ thuật viễn thám và GIS đã cho phép các nhà

khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật những công nghệ hiện đ i nhằm chính xác hóa các tham số mà các phương pháp trước đây chưa xây dựng được

1.1.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam

Các nghiên cứu tính lũ thiết kế Việt am được đề cập trong nhiều tài liệu, tiêu chu n, quy chu n, giáo trình, đề tài, luận án như QP.T C-6-77 (1977); Giáo trình Thủy văn Công trình của Đỗ Cao Đàm và nnk (1990), ATS nghiên cứu về mưa, lũ cực h n cho Việt am của ê Đình Thành (1997); Giáo trình guyên lý Thủy văn và Tính toán thủy văn thiết kế của PGS.TS ê Văn ghinh (2000 & 2003); báo cáo CKH cấp Bộ đề tài “ ghiên cứu c nh báo dự báo lũ vượt thiết kế-Gi i pháp tràn sự cố” của GS.TS Ph m gọc Quý và nnk (2005), Giáo trình Thủy văn Công trình của GS.TS Hà Văn Khối và nnk (2012); ĐTKH cấp hà nước “ ghiên cứu cơ s khoa học đề xuất các tiêu chu n thiết kế lũ, đê biển trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng Việt am và gi i pháp phòng tránh, gi m nhẹ thiệt h i” do PGS.TS gô ê ong làm chủ nhiệm Các nghiên cứu này đã trình bày các phương pháp tính lũ thiết kế hiện nay, các các mô hình thủy văn tính toán dòng ch y, xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế hay đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế cho các công trình hồ chứa có xét tới tác động của biến đổi khí hậu

1.2 T ng quan tính lǜ thi t k cho công trình giao thông

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Tính lũ thiết kế cho công trình giao thông trên thế giới được tổng hợp trong các tài liệu hướng d n và tiêu chu n thiết kế: hật trong Hướng d n tính thủy văn thủy lực - Hướng d n và tiêu chu n kỹ thuật cho các dự án thiết kế (phần kiểm soát lũ); Anh trong Hướng d n thiết kế cầu đư ng-Tiêu chu n kỹ thuật của Cơ quan đư ng bộ quốc gia; Mỹ trong các tài liệu Hướng d n tính thoát nước trên đư ng (AASHTO); Tài liệu giới thiệu mô hình toán thủy văn HEC; Thủy văn đư ng bộ (FHWA); Hướng d n kỹ thuật (TR55) hay các tiêu chu n thiết kế; Columbia trong tài liệu ''Hướng d n và tiêu chu n thiết kế cầu'';

Nga trong Quy trình BCH 63 - 67 - Quy trình kh o sát và thiết kế công trình vượt sông trên đư ng sắt và đư ng ô tô và nhiều tài liệu khác

Hình 1.1 Các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao

thông trên thế giới

1.2.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam

Tính lũ thiết kế cho giao thông Việt am được tổng kết và đề cập trong TCVN 9845:2013 - Tiêu chu n tính toán đặc trưng dòng ch y lũ; trong Sổ tay tính toán thủy lực thủy văn cầu đư ng (2006) của Bộ GTVT; trong các nghiên cứu của Mai Anh Tuấn (2003), Trần Đình ghiên (2003), guyễn Quang Chiêu & Trần Tuấn Hiệp (2004), guyễn Xuân Trục (2009), Đoàn hư Thái Dương (2012), guyễn Tiến Cương (2012), và gần đây nhất là trong ATS của guyễn Anh Tuấn (2014)

Các phương pháp tính lũ thiết

kế Việt am phụ thuộc vào

diện tích, tình tr ng số liệu

thủy văn và mức độ quan

trọng của công trình (cấp công

trình), có thể phân thành hai

nhóm: i) nhóm phương pháp

phân tích thống kê và ii) nhóm

phân tích nguyên nhân hình

thành (hình 1.2)

Hình 1.2 Các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông Việt am

i) hóm phương pháp thống kê xác suất sử dụng khi có nhiều số liệu đo đ c lũ Hiện nay, có nhiều phần mềm vẽ đư ng tần suất được xây dựng để tính các tham số thống kê nhằm tăng độ chính xác và tiện dụng Tuy vậy, các công trình giao thông trong khu vực nghiên cứu phần lớn đều có vị trí t i các sông, suối không có số liệu lũ thực đo để ứng dụng phương pháp này ii) hóm phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành, gồm các công thức kinh nghiệm theo Liên Xô cũ và các công thức kinh nghiệm xây dựng cho từng vùng

1.3 Nh ng hạn ch trong tính lǜ thi t k cho giao thông Vi t Nam

Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá cho thấy tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông Việt Nam còn một số h n chế sau:

- Hiện nay, việc chọn tần suất mới dựa vào cấp đư ng mà chưa xét đến các điều kiện bất lợi khác như điều kiện tự nhiên và khí tượng thủy văn của vùng xây dựng công trình d n đến tình tr ng công trình không đủ năng lực và gặp nhiều sự cố

- Việc tính lũ thiết kế mới chú trọng đỉnh lũ mà chưa xét đến tổng lượng lũ (W)

d n đến tổng lượng nước đổ dồn vào công trình, không kịp thoát (kh u độ nhỏ),

t o hiện tượng tích nước thượng lưu đối với các công trình, t o áp lực khí gây hỏng mố cầu cống hay đuôi cống, mặt đư ng bị phá hai bên thân cống

- Các b ng tra là cơ s khoa học của các phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông hiện t i đã cũ, chủ yếu sử dụng các nghiên cứu iên Xô cũ

và được xây dựng từ số liệu rất h n chế Việt am (b n đồ tỉ lệ nhỏ, chuỗi số liệu quan trắc ngắn), kh năng hỗ trợ trong tính toán còn theo cách truyền thống, chưa cập nhập các công cụ hiện đ i nên kết qu không tránh khỏi những sai số không mong muốn và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm ngư i tính

1.4 H ớng ti p c n vƠ ph ng pháp nghiên c u

Từ những h n chế trong tính lũ cho giao thông Việt am, tính ưu việt trong một số phương pháp tính lũ thiết kế đang được sử dụng các nước Phương

Tây, hật và Mỹ, tác gi lựa chọn hướng tiếp cận như minh họa trong hình 1.3 bao gồm:

i) ) ghiên cứu lựa chọn các phương pháp, điều kiện ứng dụng và yêu cầu số liệu và cơ s khoa học của các phương pháp

ii) Nghiên cứu đặc trưng mưa: biến động của mưa lũ qua thống kê và đánh giá các hình thế th i tiết gây mưa lũ trong khu vực; sự biến động của mưa lũ theo không gian và th i gian, trong đó a) phương pháp Mann-Kendall và Sen được

sử dụng để đánh giá sự biến động của mưa theo th i gian; phương pháp phân tích tần suất, xây dựng các bộ đư ng cong IDF cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực cũng như chi tiết hóa (chuyển đổi) mưa ngày thành mưa th i

đo n ngắn; b) kỹ thuật viễn thám và GIS được sử dụng để cập nhập các số liệu mới từ nh vệ tinh và phân tích không gian để đánh giá sự biến động của mưa theo không gian và xây dựng các b n đồ đẳng trị về biến đổi lượng mưa, hệ số biến đổi lượng mưa Cv theo không gian trong khu vực nghiên cứu

iii) ghiên cứu phân tích điều kiện mặt đệm của khu vực Đông Bắc bao gồm phân tích các đặc trưng hình thái của tiểu lưu vực thoát nước qua cầu, xây dựng

b n đồ chỉ số C , b n đồ hệ số dòng ch y C, b n đồ hệ số nhám Manning và các b ng tra phụ trợ, kỹ thuật Viễn thám và mô hình phân tích không gian trong GIS được sử dụng để tận dụng ưu điểm của dữ liệu không gian và kh năng cập nhật nhanh những dữ liệu này khi áp dụng thực tế

iv) Tính toán thử nghiệm, đánh giá kết qu : phân tích cơ s và các điều kiện áp dụng từng phương pháp lựa chọn để đề xuất các phương pháp phù hợp cho từng lo i công trình và phù hợp với đặc điểm của vùng nghiên cứu

v) Xây dựng chương trình tính nhằm tích hợp tất c các kết qu đ t được cùng với quy trình hướng d n tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông thuộc khu vực vùng núi Đông Bắc với mong muốn chương trình này gi i quyết được một số h n chế trong tính toán hiện nay, đồng th i để m để các nhà nghiên cứu tiếp tục cập nhật và hoàn thiện

Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu

1.5 T ng quan v khu v c nghiên c u

Khu vực Đông Bắc, Việt am (hình 1.4) phía bắc và phía đông tiếp giáp với Trung Quốc, phía đông nam trông ra vịnh Bắc Bộ, phía nam được giới h n b i dãy núi Tam Đ o và vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng Đây là khu vực có địa hình đồi núi dốc cao, vực thẳm, chia cắt m nh, nằm trong những tâm mưa lớn Mùa mưa lũ, tình tr ng s t trượt núi, cắt đứt đư ng, làm trôi cầu giao thông x y ra khá nghiêm trọng Hai tỉnh ng Sơn và Bắc C n thuộc vùng núi Đông Bắc với 80% diện tích đồi núi, là vùng đầu nguồn của các con sông lớn với độ dốc phức t p; là nơi có các tâm mưa lớn của c nước như tâm mưa Bắc

T ng quan các tƠi li u, các nghiên c u, các bƠi báo

- Cư ng độ mưa IDF

- ượng mưa thiết kế

- Đư ng cong lũy tích mưa 24h

Xây dựng và phân tích lưu vực và đặc trưng lưu vực

Xây dựng

b n

đồ chỉ

số

CN

Xây dựng

b n

đồ hệ

số dòng

ch y

C

Xây dựng

b n

đồ hệ

số nhám

1.6 K t lu n ch ng I

Các phương pháp tính lũ thiết kế trên thế giới và Việt am đều chia thành hai nhóm: nhóm phương pháp trực tiếp (có số liệu thực đo) và gián tiếp từ mưa và mặt đệm (không có số liệu thực đo) Các phương pháp hiện nay Việt am (TCV 9845:2013) còn có nhiều vấn đề tồn t i, gây khó khăn trong việc tính toán cũng như tính hợp lý của kết qu Do đó, cần thiết nghiên cứu tiếp cận các phương pháp đang sử dụng các nước tiến tiến cùng với sự hỗ trợ của công nghệ máy tính, tư liệu viễn thám và công nghệ GIS nhằm chi tiết và chính xác hóa cơ s dữ liệu để áp dụng các phương pháp đã lựa chọn tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông

Hình 1.4 B n đồ khu vực nghiên cứu (vùng

Đông Bắc)

XÂY D NG C S KHOA H C TệNH LǛ THI T K

ch y theo lũ đơn vị SCS Số liệu đầu vào của phương pháp bao gồm: lượng mưa, lo i đất, địa hình, độ m, hiện tr ng sử dụng đất Sơ đồ tính hình 2.2

2.1.2 Phương pháp mô hình quan hệ (Rational Method)

Phương pháp mô hình quan hệ (hay là Q = C.I.A) được đề cập trong hầu hết các tiêu chu n thiết kế công trình giao thông các nước trên thế giới, dựa trên mối quan hệ giữa dòng ch y và các đặc trưng cơ b n của lưu vực, cư ng độ mưa trung bình và diện tích lưu vực Công thức tính đỉnh lũ thiết kế có d ng:

QmaxP = (C.I.A)/3,6 (2-9) Trong đó: QmaxPlà lưu lượng đỉnh lũ thiết kế (m3/s); C là hệ số dòng ch y; I là

cư ng độ mưa ứng với th i gian tập trung dòng ch y (mm/h); A là diện tích lưu vực (km2

) Các bước tính toán của phương pháp mô hình quan hệ được tóm tắt trong sơ đồ hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ tính lưu lượng tk theo

pp mô hình quan hệ

Hình 2.2 Sơ đồ tính lưu lượng thiết kế theo

pp SCS-CN

2.1.3 Phương trình hồi quy vùng

Phương trình hồi quy vùng là một trong những phương pháp thư ng được sử dụng trong quy ho ch hoặc tính toán thiết kế sơ bộ cho các công trình thoát nước vùng không có số liệu Cơ s khoa học của phương pháp là tổng kết các đặc trưng lưu vực, mặt đệm, mưa thiết kế để xây các phương trình hồi quy vùng dưới d ng quan hệ giữa mô đun hay lưu lượng đỉnh lũ với diện tích lưu vực cho các khu vực khác nhau trên lãnh thổ (ví dụ

2.2 C s d li u c a các ph ng pháp tính lǜ thi t k

Để ứng dụng của các phương pháp lựa chọn (mục 1.5 và 2.1) cần xây dựng cơ

s dữ liệu về mưa và mặt đệm như sau:

2.2.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mưa

Mưa là đặc trưng quan trọng quyết định sự hình thành dòng ch y trên lưu vực ghiên cứu về mưa gồm: ượng mưa, th i gian mưa, cư ng độ mưa, phân bố (biến động) mưa theo không gian và th i gian uận án đã thống kê các hình thế th i tiết gây mưa lớn khu vực nghiên cứu, biến động của mưa theo không gian và th i gian, chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn, xây dựng

bộ đư ng cong ''Cư ng độ mưa -Th i gian mưa - Tần suất mưa (IDF)'', xây dựng các b n đồ biến thiên lượng mưa, các đư ng cong tích lũy mưa cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên cứu Một số kết qu điển hình được minh họa tóm tắt trong các hình và b ng sau:

B ng 2.3 Kết qu kiểm định xu thế lượng mưa ngày lớn nhất

Độ dốc theo Sen (mm/năm)