Chương III Kỹ thuật đất và nước

CHƯƠNG 3MƯAMưa bao gồm tất cả các dạng thể lỏng và rắn rơi từ bầu khí quyển xuống bề mặt trái đất. Các dạng thường gặp nhất là mưa, tuyết, mưa tuyết và mưa đá làm cho mưa trở thành một trong các thành phần dễ nhận biết nhất của chu trình thủy văn. Nhận dạng và hoặc dự đoán về cường độ, thời gian và tần suất của các hiện tượng mưa là các khía cạnh quan trọng của hầu hết các ứng dụng kỹ thuật về môi trường.

CHƯƠNG 3 MƯA

Mưa bao gồm tất cả các dạng thể lỏng và rắn rơi từ bầu khí quyển xuống bề mặt tráiđất Các dạng thường gặp nhất là mưa, tuyết, mưa tuyết và mưa đá làm cho mưa trở thànhmột trong các thành phần dễ nhận biết nhất của chu trình thủy văn Nhận dạng và hoặc dựđoán về cường độ, thời gian và tần suất của các hiện tượng mưa là các khía cạnh quan trọngcủa hầu hết các ứng dụng kỹ thuật về môi trường.

3.1 Sự hình thành mưa

Ngưng tụ là quá trình chuyển đổi nước từ thể hơi sang thể lỏng Để quá trình ngưng

tụ xảy ra, không phí phải hạ thấp đến nhiệt độ điểm sương Các cách thức làm lạnh chính chohiện lượng mưa là làm không khí lên thẳng đứng, bao gồm việc giảm nhiệt độ và áp suất độtngột Khi không khí bay lên cao, nó được làm lạnh ở tỷ lệ giảm độ nhiệt đoạn nhiệt khô là1°C/100m Khi ngưng tụ bắt đầu, ẩn nhiệt được tạo ra và nhiệt độ sẽ giảm xuống tới tỷ lệgiảm độ nhiệt là đoạn nhiệt ẩm, nó dao động theo nhiệt độ, áp suất hơi nước và độ cao nhưngthường là bằng khoảng một nửa của tỷ lệ khô (từ 0.5 - 0.7°C/100 m) Việc làm mát cũng cóthể xảy ra bằng cách kết hợp với một bộ phận làm lạnh không khí bằng cách dẫn nhiệt đếnmột bề mặt lạnh hoặc làm giảm áp suất khí quyển

Thông thường, không khí ẩm trong khí quyển tăng lên và được làm lạnh Khi khôngkhí lạnh, khả năng giữ hơi nước sẽ giảm xuống (xem Chương 4 liên quan đến áp suất hơinước bão hòa) Sau khi đủ lạnh, lượng không khí trở nên bão hòa nhưng có thể chưa hìnhthành mưa Để hình thành mưa, các phân tử nước phải được hấp dẫn và tích tụ vào bên trongcác phần tử được gọi là các hạt mây ngưng tụ hoặc CCN (Dingman, 1994) Các nguồn CNN

tự nhiên là các phần tử bị gió cuốn như hạt sét, bùn cát, khói từ các đám cháy, các vật liệu từnúi lửa và muối biển Việc tạo mây đôi khi được sử dụng khi hạn hán để thêm CNN vào bầukhí quyển nhằm thúc đẩy quá trình ngưng tụ Thành phần cuối cùng của hiện tượng mưa lànguồn cung cấp không khí ẩm lân cận đến các tâm bão Nếu tất cả độ ẩm trong bầu khí quyểncủa trái đất được ngưng tụ và rơi xuống thì trên bề mặt trái đất sẽ có khoảng 25 mm nướcmưa (Dingman, 1994) Để các trận bão tạo ra một lượng mưa đáng kể thì cần phải tạo ra mộtdòng không khí ẩm lân cận, chính nó sẽ cung cấp một lượng nước lớn cho các trận mưa Mộttrong những hạn chế lớn nhất để hình thành mây đó là thiếu nguồn không khí ẩm lân cận đểduy trì các trận mưa

Độ ẩm không khí tăng lên là kết quả của sự đối lưu, hội tụ và khu vực địa hình Khilớp đất bề mặt ấm lên rất nhanh thì nhiệt độ của lớp không khí gần kề sẽ tăng lên và mật độcủa nó giảm xuống làm cho không khí nhẹ hơn Không khí nhẹ có thể bay đến một độ cao rấtcao để hình thành các đám mây đen cuồn cuộn Mưa do các đám mây sinh ra từ quá trình nàyđược gọi là mưa đối lưu Các trận mưa kiểu này có cường độ mưa từ thấp đến rất cao

Độ nóng lạnh không đồng đều của bề mặt trái đất làm cho các khối không khí dichuyển Quá trình di chuyển thường có sự kết hợp pha trộn các khối khí áp xuất thấp với cáckhối khí áp suất cao (Hình 3-1) Việc hội tụ các khối khí này gây ra một sự xáo trộn đáng kể

của các Frông không khí (đường biên giữa các khối khí) Sự hội tụ có thể xảy ra hoặc vớiFrông lạnh, Frông ấm, hoặc với Frông không chuyển động Frông lạnh (không khí lạnh hơn

và dày đặc hơn) nâng không khí nóng ẩm lên phía trước Khi không khí bốc lên, nó ngưng tụ

và hình thành các trận mưa nhẹ và các trận mưa lớn có sét Khi Frông ấm (không khí ấm và

ít dày đặc hơn) gặp không khí lạnh, nó sẽ di chuyển lên trên và vượt qua không khí lạnh phíatrước Thông thường Frông ấm di chuyển chậm hơn so với Frông lạnh, khi ngưng tụ diễn rathì thường tạo ra các trận mưa ổn định và lan rộng Đôi khi Frông không chuyển động cũng

có thể làm cho các khối không khí di chuyển chút it Sự không ổn định ở gần Frông gây ralực nâng dọc, làm lạnh và tạo mưa Các trận mưa xuất hiện do quá trình hội tụ của Frôngđược gọi là mưa lốc hoặc mưa Frông

Hình 3.1 (a) Bản đồ thời tiết trong tháng tư cho thấy thời tiết có mây ở phía Đông, mưa ở

Chicago và trời quang mây ở phía Tây Nam, (b) Gió lưu thông quanh trung tâm áp suất cao(chiều kim đồng hồ) ở Tulsa và một trung tâm áp thấp (ngược chiều kim đồng hồ) tại Chicago

Không khí ấm cũng có thể được nâng lên khi nó bắt gặp và di chuyển qua các bề mặtđịa hình cao như các dãy núi Khi đó không khí sẽ được nâng lên cao và làm lạnh khi di

chuyển Ở Mỹ, quá trình này góp phần tạo ra hầu hết các trận mưa chủ yếu cho các dãy núi ởphía tây (Hình 3-2), bởi vì hướng gió thường thổi trong khu vực là từ Tây sang Đông Mưađược tạo ra do sự nâng cao lên phía trên bề mặt địa hình được gọi là mưa địa hình hay mưanúi Một khi khối không khí di chuyển qua núi, nó sẽ rất khô gây ra tình trạng khô cằn chokhu vực theo hướng gió thổi.

Hình 3.2 Lượng mưa trung bình hàng năm và cao độ nước Mỹ dọc theo vĩ tuyến 40 3.2 Các đặc điểm của mưa

Trường hợp thường gặp nhất của hiện tượng mưa là mưa, bởi vì các trận mưa trựctiếp ảnh hưởng đến xói mòn đất nên người ta thường quan tâm đến đặc điểm của các hạtmưa Hạt mưa bao gồm các hạt nước có đường kính lớn 7 mm Kích thước hạt mưa của bất

kỳ một cơn bão nào cũng bao trùm một chuỗi đáng kể và dao động theo cường độ mưa Cáctrận bão có cường độ mưa lớn hơn thường có các hạt mưa có đường kính lớn và đường kínhcác hạt mưa cũng dao động lớn hơn

Hình dạng các hạt mưa không nhất thiết phải là hình cầu vì khi rơi xuống gặp sức cảnkhông khí và thay đổi áp suất, chúng có thể bị biến dạng Các hạt mưa lớn (có đường kínhlớn hơn 5 mm) nhìn chung không ổn định và thường bị phân tán trong không khí Vận tốc rơicủa hạt mưa phụ thuộc vào kích cỡ, hạt mưa lớn hơn sẽ rơi xuống nhanh hơn Khi độ cao rơixuống tăng thì vận tốc chỉ tăng đến một độ cao khoảng 11 m; các hạt mưa sau đó sẽ tiếp cậnmột vận tốc sau cùng, dao động từ khoảng 5 m/s đối với hạt có đường kính 1 mm đến khoảng

9 m/s đối với hạt mưa có đường kính 5 mm Hiện tượng mưa cũng có thể xảy ra ở dạng cáchạt nước đông kết bao gồm tuyết, mưa tuyết và mưa đá Tuyết là sự hội tụ của các tinh thểnước đá Mưa tuyết hình thành khi các hạt mưa rơi xuyên qua các khối không khí có nhiệt độthấp hơn nhiệt độ đóng băng Mưa đá là một dạng tích lũy của nhiều lớp băng đá mỏng baoquanh hạt tuyết Trong các hiện tượng mưa thì mưa và tuyết là những nguồn cung cấp nướclớn nhất cho loài người chúng ta

Hiện tượng ngưng tụ trực tiếp từ bầu khí quyển gần bề mặt trái đất, thường được gọi

là sương, cũng có thể cung cấp nước cho mặt đất Các nghiên cứu về việc hình thành sương

đã chỉ ra rằng mỗi năm có khoảng 30 mm sương ngưng tụ trên các bãi đất trống, 25 mm trêncác thảm thực vật, 15 mm trên lá ngô trong suốt mùa hè và 33 mm ngưng tụ trên các tán láđậu tương Mặc dù sương thường bốc hơi vào các buổi trưa thế nhưng nó giúp giảm tỷ lệ mấtnước trong đất Sương mù cũng là một thành phần quan trọng cung cấp lượng dự trữ nướccho các khu rừng phía tây, sương mù ngưng tụ trên các tán lá và cành cây vào ban đêm sau

đó nhỏ giọt xuống mặt đất Ở một số nơi, ví dụ như các khu rừng ven biển của bangCalifornia, có hơn 50% lượng nước dự trữ hàng năm được tạo ra từ sương mù Sương mùcũng làm cho khu vực núi non mát mẻ khi các đám mây tương tác với cây cối ở các cao độcao hơn

3.3 Phân bố về thời gian

Khoảng thời gian trong một ngày được kỳ vọng sẽ có mưa xuất hiện phụ thuộc vàoloại mưa Mưa Frông và mưa địa hình không bị các ảnh hưởng của nhật triều, bởi vì các trậnbão dạng đối lưu xảy ra là do hơi nóng bề mặt nên chúng thường xảy ra vào buổi chiều vàchập tối Lượng mưa phân phối tại một địa điểm bất kỳ nào cũng dao động rất lớn theo mùa.Một sự khác biệt đáng kể của mưa phân phối theo mùa trên khắp nước Mỹ được thể hiệntrong hình 3-3 Ở bờ biển phía Tây, nơi có lượng mưa hàng năm cao thế nhưng lượng mưamùa hè thường rất thấp nên việc làm các công trình thủy lợi là rất cần thiết Ở phía Trung Tây

và phía Nam, lượng mưa tháng trong mùa hè thường cao hơn một chút so với các mùa khác

Ở bờ biển Đông, lượng mưa mùa hè và mưa mùa đông có sự chênh lệch rất ít

Hình 3.3 Lượng mưa trung bình tháng (mm) tại các khu vực được lựa chọn ở Mỹ (từ năm 1971

đến năm 2000)

Lượng mưa hàng năm phân phối trên khắp nước Mỹ được thể hiện ở Hình 3.4 Lượngmưa hàng năm dao động từ nhỏ hơn 100 mm ở một số khu vực tây nam đến hơn 2.500 mm ởmột số khu vực miền núi Lượng mưa hàng năm bản thân nó không phải là các chỉ số cao vềmột lượng nước có sẵn cung cấp cho thực vật phát triển, bởi vì bốc hơi, phân phối theo mùa

và khả năng trữ nước của đất khác nhau theo từng vị trí địa lý Trung tâm Phân tích Khí hậuKhông gian (SPAC) tại trường đại học quốc gia Oregon cung ứng việc truy cập vào một loạtcác thông số khí hậu

Có một số dấu hiệu cho thấy hiện tượng mưa xảy ra theo chu kỳ, tuy nhiên mối quan

hệ giữa các chu kỳ đó và các hiện tượng tự nhiên khác vẫn chưa được thiết lập Ảnh hưởngcủa tự nhiên như các hiện tượng El Nino Southern Oscillation và hiện tượng trái đất ấm dầnlên tác động lên các chu kỳ mưa như thế nào đang được điều tra Một số bằng chứng tồn tạinhư sự hoạt động của vết đen Mặt Trời có liên quan tới nhiệt độ vào mùa hè và gây ra cáctrận hạn hán nghiêm trọng Thompson (1973) đã chỉ ra nhiệt độ trung bình vào tháng bảytháng tám ở vành đai Corn Belt nước Mỹ từ năm 1900 tuân theo một chu kỳ 20 năm các chỉ

số của vết đen Mặt Trời Các quan sát tương tự cũng được thực hiện tại các quốc gia có cùng

vĩ độ khác

Hình 3.4 Lượng mưa hàng năm ở nước Mỹ năm 1989 tính theo mm.

3.4 Phân bố theo địa lý

Mưa phân bố theo địa lý bị ảnh hưởng chủ yếu do vị trí của các thành phần nướcchính, sự vận chuyển của các khối khí lớn và những thay đổi về cao độ Hình 3.2 minh họanhững ảnh hưởng của độ cao và sự di chuyển của khác khối khí đến lượng mưa hàng nămtrên khắp nước Mỹ dọc theo vĩ tuyến 40 Di chuyển từ tây sang phía đông ở hình 3-2, người

ta chú ý đến các trận mưa cao nhất xuất hiện khi không khí ban đầu bay qua khu vực miềnnúi phía tây (mưa miền núi) Các khối không khí khô cũng cung cấp một vài trận mưa bổ

sung khi chúng bay lên tới các cao độ cao hơn gần dảy núi Rocky Khi không khí di chuyểnxuống sườn núi thì lượng mưa hàng năm thấp hơn Các trận mưa không tăng lên cho đến khi

bị tác động từ các khối không khí vùng biển nhiệt đới di chuyển đến từ vịnh Mexico Sau đólượng mưa sẽ tăng dần về phía biên giới phía đông nước Mỹ vì những ảnh hưởng địa hìnhcủa dãy núi Appalachian và độ ẩm tăng lên dọc theo Đại Tây Dương

Đo lượng mưa

Bởi vì phần lớn các ước tính tỷ lệ dòng chảy dựa trên số liệu mưa nên các thông tin liên quanđến thời gian mưa và số lượng mưa là cực kỳ quan trọng

3.5 Đo mưa

Máy đo mưa được sử dụng để đo chiều sâu và cường độ của của trận mưa trên một bềmặt phẳng Nhìn chung các máy đo mưa được sử dụng ở Mỹ là các trụ chứa nước thẳng đứngvới đường kính miệng ống là 203 mm, được lắp một cái nắp có dạng hình phễu để hạn chếtổn thất bốc hơi Các vấn đề thường gặp ảnh hưởng đến việc đo mưa bằng các máy đo là địahình và thực vật gần kề, các tòa nhà và các công trình kiến trúc Các máy đo được phân loại

ra hai loại là loại ghi lại số liệu đo và loại không ghi Các máy đo không ghi lại số liệu thì rẻhơn, dịch vụ yêu cầu chỉ cần sau một ngày mưa và không cần bảo dưỡng Sau đó người tađọc các số liệu cơ bản theo ngày để tính ra trận mưa ngày, tuy nhiên các máy đo này lạikhông cung cấp các số liệu về cường độ mưa hoặc thời gian chính xác của từng trận mưa

Các máy đo ghi chép số liệu mưa có vài loại khác nhau Loại máy cân sẽ tích tụ nướcvào một bình chứa được đặt ở trên thiết bị ghi Trọng lượng nước tạo ra các ứng suất truyềnlên các lò xo Các thay đổi sẽ được ghi chép điện tử hoặc thông qua một đường dẫn thích hợptới một đồ thị được đặt trên một đồng hồ hoạt động bằng âm thanh Một loại khác thườngđược sử dụng để ghi chép số liệu mưa là thiết bị thùng kiểu lật nghiêng Trong máy đo này,lượng mưa được giữ lại cho thiết bị thùng kiểu lật nghiêng

Thiết bị này có hai ngăn thu nước mưa được giữ cân bằng ở trên một trục bản lề, mỗingăn có thể chứa một số gia lượng mưa được biết Lượng mưa được dẫn đến một trong ngăntrên Khi ngăn chứa đầy nước, nó lật sang vị trí đối diện, đổ nước sang ngăn kia để lấy chỗthu nước mưa Động tác trong giây lát này kích hoạt một công tắc từ tính và gửi một tín hiệutới một thiết bị thu dữ liệu

Thiết bị đo mật độ mây và tỷ lệ mưa bằng rađa hiện nay rất phổ biến NEXRAD(Rađa thế hệ mới) hoặc rađa Doppler hoạt động bằng cách phát ra một xung năng lượng và

đo lại các phần năng lượng phát ra phản hồi lại rađa sau khi dò được các hạt mưa trongđường truyền của nó Hệ thống máy tính sẽ phân tích cường độ của các xung phát lại và phathay đổi của xung để xác định hướng và cường độ của các trận bão Một hệ thống rađa ở mặtđất và các vệ tinh theo dõi khí tượng sẽ bao phủ hầu hết các lục địa ở Mỹ Trung tâm khítượng quốc gia (NWS) cung cấp cho công chúng những số liệu có sẵn này cả về hình ảnh(bản đồ khí hậu) và các dạng mật mã gốc Các bản đồ khí hậu và các thông tin khác về dữliệu mưa từ vệ tinh có thể lấy được từ NWS qua mạng Internet

3.6 Đo tuyết rơi

Bởi vì tuyết có chứa tinh thể nước dao động trong khoảng từ nhỏ hơn 40 mm đến hơn

400 mm nước trên một met tuyết nên việc đo lượng tuyết rơi khó khăn hơn nhiều Mặc dù có

sự khác biệt lớn về tỷ trọng nên rất khó để đo lượng tuyết bằng các phương pháp đo độ dàyđơn giản, thế nhưng nước có độ dày tương đương bằng 10% độ dày của tuyết thường đượcchấp nhận Tuy nhiên, nước có chứa lượng tuyết đặc thường lại bằng 30 đến 50% độ dày củatuyết Các phương pháp đo mưa tuyết thường được tiến hành bằng các máy đo mưa thôngthường nhưng được tháo cái nắp ngăn bốc hơi Một vài vật liệu chống đông, thân thiện vớimôi trường không gây ăn mòn và bốc hơi thường được đặt vào trong các máy đo mưa để làmcho tuyết tan chảy vào lối vào Các sai số do gió khi đo mưa tuyết thì nghiêm trọng hơn khi

đo mưa Tuyết cũng có thể được đo bằng cách lấy mẫu độ dày ở trên bề mặt bằng một ốnglấy mẫu kim loại hoặc bằng đỉnh của máy đo mưa

Một phương pháp khác để đo lượng tuyết rơi là xác định độ dày của tuyết bằng cáchkhảo sát tuyết Những cuộc khảo sát như vậy đặc biệt hữu dụng ở các khu vực miền núi.Người ta tiến hành lấy một loạt mẫu tuyết vào các khoảng thời gian cụ thể Thiết bị lấy mẫubao gồm các ống tuýp được thiết kế đặc biệt để lấy mẫu tuyết tới một độ sâu hoàn toàn củakhối tuyết Các mẫu này sau đó được cân và ghi chép lại độ sâu tương đương của nước Bằngcách đo lượng tuyết theo từng đợt vào một khoảng thời gian trong nhiều năm và so sánh vớichiều sâu mực nước tương đương với dòng chảy được quan sát từ các cánh đồng tuyết, cácnhà quản lý lưu vực sông có thể đưa ra các dự báo về lượng dòng chảy Các cuộc khảo sáttuyết khác cũng được thực hiện bằng cách chụp lại độ sâu của các máy đo hoặc bằng cáchtiếp nhận các tín hiệu truyền từ rađiô từ các thiết bị đo độ sâu Những thiết bị như thế đượclắp đặt trên các máy đo tuyết tại những vị trí thích hợp Những kết quả dự báo này là các sốliệu cụ thể để lập kế hoạch cho các hoạt động về tưới tiêu cho nông nghiệp và dự đoán đượcxác suất của các trận lũ vào mùa xuân

3.7 Sai số khi đo mưa bằng máy đo

Có rất nhiều sai số từ các kết quả đo mưa do sự bất cẩn trong việc gắn kết các thiết bịđến việc phân tích số liệu Các sai số đặc trưng của các máy đo mưa không ghi lại số liệu baogồm nước tràn qua que đo, bôc hơi, thấm qua phễu hoặc dụng cụ chứa nước và từ các vết lồilõm của dụng cụ chứa Thể tích nước bị mất qua que đo là 2% và giá trị bốc hơi cũng tương

tự Một loại sai số khác là từ các chướng ngại vật như cây cối, nhà cửa và địa hình khôngbằng phẳng Những sai số loại này có thể giảm thiểu được bằng cách đặt các máy đo mưa ởnhững vị trí hợp lý Các máy đo luôn mở và thường được cách mặt đất 760 mm Các vị trí đặtmáy cần tránh sự nhiễu loạn của gió Một quy tắc đặc thù là phải có một khoảng không 45 độ

từ đường tim thẳng đứng qua máy, nhưng có một quy tắc an toàn hơn đó là phải đảm bảokhoảng cách từ các vật chướng ngại đến máy đo tối thiểu phải bằng hai lần chiều cao củachướng ngại vật

Tốc độ gió cũng ảnh hưởng đến khả năng thu nước của máy đo nước Vận tốc gió 16km/h sẽ làm giảm khả năng thu nước của máy đo vào khoảng 17%, nhưng với tốc độ 48 km/hthì tổn thất sẽ tăng lên khoảng 60% Vì thế các máy đo nên được đặt ở những vị trí bằngphẳng bởi vì hướng gió thổi đến và thổi đi có thể ảnh hưởng dễ dàng đến khả năng thu nướcmưa của mày đo

về các hoạt động của các trạm đo trên diện rộng này được Ủy ban Quản trị Khí quyển vàBiển quốc gia (NOAA) xuất bản qua Internet.

Cột nước mưa

Nhiều hoạt động đòi hỏi cột nước mưa trên một lưu vực lớn phải được đưa vào máytính Các lưu vực có thể có một vài trạm đo mưa được phân bố không đồng đều trên toàn bộkhu vực Phương pháp đơn giản là giá trị đại số trung bình của các tổng lượng mưa có thểđược sử dụng để trình bày lượng mưa cho lưu vực, nhưng các phương pháp có kể đến diệntích trong từng trạm đo mưa sẽ đưa ra một ước tính chính xác hơn Hai kỹ thuật được chấpnhận sử dụng rộng rãi để tính toán cột nước mưa trung bình là phương pháp đa giác Thiessen

và phương pháp Isohyetal

3.9 Phương pháp đa giác Thiessen

Phương pháp Thiessen được minh họa ở hình 3.5 Khi sử dụng phương pháp này, vịtrí của các trạm mưa được chấm trên bản đồ lưu vực và được nối với nhau bằng các đườngthẳng Sau đó vẽ các đường phân giác vuông góc với các đường thẳng và kéo dài đường phângiác cho đến khi nó đi qua khu vực thì ta có các đa giác Thiessen Tất cả các điểm bên trongmột đa giác thì sẽ được quy đến trạm đo mưa của nó gần hơn các trạm đo khác Mưa đượcghi chép từ một trạm đo bên trong một đa giác thể hiện lượng mưa bên trong diện tích đa giác

đó Một vài trở ngại có thể gặp trong việc xác định là đường nối nào sẽ được vẽ để tạo nêncác cạnh của đa giác, bởi vì thông thường chỉ cần một bộ đa giác Thiessen để vẽ cho một lưuvực và một bộ vị trí các máy đo mưa, thủ tục này không thể hiện các giới hạn quan trọng.Lượng mưa trung bình trên một lưu vực có thể được xác định bằng cách sử dụng côngphương trình:

Hình 3.5 Mạng lưới Thiessen để tính toán độ sâu mưa trung bình trên một lưu vực.

trong đó P là giá trị trung bình của độ sâu nước mưa trong một lưu vực có diện tích A còn P1 ,P2 … Pn tượng trưng cho độ sâu nước mưa từ các máy đo mưa ở bên trong các đa giác códiện tích A1, A2 … An trong lưu vực Các diện tích A1, A2 … An được xác định bằng cách sửdụng một bộ số hóa hoặc một thiết bị đo diện tích

Ví dụ 1 Một trận mưa bão xảy ra trên một lưu vực được mô phỏng trên Hình 3.5, mưa rơi

xuống các khu vực khác nhau có các máy đo mưa So sánh giá trị mưa trung bình theo cả haiphương pháp giá trị trung bình đại số và phương pháp hình đa giác Thiessen

Cách giải Bằng phương pháp tính giá trị trung bình đại số, độ sâu trung bình của lương mưa

là:

Bằng phương pháp hình đa giác Thiessen, các khu vực được hiển thị các đa giác bao quanhtừng máy đo mưa được xác định bằng một thiết bị đo diện tích, từ phương trình 3.1 ta có:

3.10 Phương pháp Isohyetal

Phương pháp Isohyetal bao gồm việc ghi lại độ sâu cột nước mưa tại các địa điểm đặtcác trạm đo mưa khác nhau và đo vẽ các đường isohyet (các đường độ sâu cột nước mưabằng nhau) bằng cách sử dụng các phương pháp tương tự để định vị các đường đồng mứctrên bản đồ địa hình Khu vực giữa các đường isohyet sau đó có thể được đo bởi một thiết bịđiện tử hoặc thiết bị đo diện tích, còn lượng mưa trung bình được xác định bằng cách sử dụngphương trình 3.1 Việc lựa chọn phương pháp phân tích phụ thuộc một phần vào diện tích lưuvực, số lượng các trạm đo mưa, việc bố trí các trạm đo, trong một số trường hợp còn kể đếncác đặc điểm của mưa bão

Bão thiết kế

Dữ liệu các trận mưa lịch sử có thể được dùng để ước lượng các trận bão có khả năngxảy ra trong tương lai Cường độ mưa i (L / T) hoặc chiều sâu cột nước mưa là các đặc điểmcủa trận mưa rất cần cho các mục đích tính toán thiết kế Các trận bão cường độ cao thường

có thời gian tồn tại tương đối ngắn và bao phủ các khu vực nhỏ Các trận bão bao phủ cáckhu vực rộng lớn hiếm khi có cường độ cao nhưng lại có thể kéo dài trong vài ngày Tổ hợpkhông thường xuyên của các trận bão có cường độ tương đối lớn và bão tồn tại trong thờigian dài sẽ tạo ra một lượng mưa tổng cộng rất lớn Những trận mưa kiểu này thường kết hợpvới một Frông ấm di chuyển chậm hoặc sự phát triển của một Frông cố định gây ra thiệt hạixói lở rất lớn và lũ lụt nghiêm trọng

Các phương pháp thống kê được sử dụng để phân tích các tài liệu mưa để tìm racường độ của các trận bão cho các chu kỳ lập lại cụ thể (Haan và cộng sự, 1994) Chu kỳ lậplại đôi khi được gọi là khoảng thời gian xuất hiện hoặc tần xuất của các trận mưa Mối quan

hệ giữa chu kỳ lập lại T theo năm và tần suất xuất hiện P được thể hiện qua công thức:

có kết quả tốt nhất, độ dài thời gian của tài liệu ghi phải lớn hơn tuổi thọ công trình kiến trúc(Serrano, 1997)

Dữ liệu để phân tích tần suất thủy văn có thể chọn theo hai phương pháp: phươngpháp chuỗi hàng năm và phương pháp chuỗi một khoảng thời gian Trong phương pháp chuỗihàng năm, chỉ chọn lựa các trận bão đơn lớn nhất trong từng năm để phân tích Như vậy,trong 20 năm chỉ cần 20 bản ghi các giá trị để phân tích, bất kể có nhiều trận bão lớn khácxảy ra trong một năm cụ thể Với phương pháp chuỗi một khoảng thời gian, tất cả các giá trị

kể trên là các giá trị cơ sở cho trước được chọn bất kể một số các sự kiện xảy ra trong mộtthời gian nhất định hoặc có N sự kiện lớn nhất trong N năm được chọn Phương pháp nàyđược áp dụng khi giá trị của sự kiện lớn thứ hai của năm ảnh hưởng đến việc thiết kế Ví dụ

ta thiết kế các kênh tiêu thoát nước ở những nơi lũ lụt tàn phá bằng cách giảm lưu lượng đỉnh

lũ xuống thấp hơn mực nước lưu chuyển hàng năm Hai phương pháp trên đều cho ra các kếtquả về cơ bản giống hệt nhau trong một chu kỳ lập lại từ 10 đến 25 năm Đối với các chu kỳngắn hơn thì phương pháp chuỗi một khoảng thời gian đưa ra một giá trị lớn hơn

Bất kể phương thức lựa chọn dữ liệu nào thì các giá trị phải thỏa mãn hai tiêu chíquan trọng: (1) mỗi sự kiện là độc lập với các sự kiện trước hoặc sau đó, và (2) các dữ liệutrong một giai đoạn thu thập để phân tích là đại diện cho các tài liệu dài hạn Tiêu chí đầutiên rất cần thiết để phân tích thống kê, còn tiêu chí thứ hai đảm bảo rằng các giá trị dự đoán

sẽ phản ánh mô phỏng tần suất xuất hiện trong khoảng thời gian ghi chép Khi các dữ liệu thuđược từ các giá trị cao nhất hàng năm thì số lần quan trắc trong năm phải lớn Vựa chọn mộtnăm nước, ví dụ như ngày 1 tháng mười đến 30 tháng 9, chứ không phải năm lịch đã chứng

tỏ mang lại lợi ích cho một số kiểu ứng dụng

Mặc dù có thể mở rộng sự phân tích dự đoán chu kỳ lập lại lớn hơn độ dài của hồ sơghi chép nhưng việc chọn một hàm phân phối xác suất thích hợp trở nên quan trọng (Haan vàcộng sự, 1994) Một trong những phân bố xác suất linh hoạt nhất là phân phối Weibull bởi vì

nó có thể được sử dụng để phân bố gần đúng theo hàm mũ, bình thường, hoặc phân phối lệch(Weibull, 1951)

Hàm phân phối lũy tích Weibull P(x):

trong đó P(x) = Hàm phân phối lũy tích Weibull

x = độ sâu cột nước mưa (L),

Bước đầu tiên trong việc phân tích là để sắp xếp lại các dữ liệu theo thứ tự giảm dần

về cường độ Dữ liệu được quy định xếp hạng thứ m trong khoảng từ 1 đến N, trong đó N là

số lần quan sát Từ việc xếp hạng, một vị trí vẽ (tần suất) có thể được xác định bởi công thức

với a là tham số phụ thuộc vào phân phối ((Bedient & Huber, 2002).

Tham số a thay đổi từ 0 đối với công thức Weibull đến 0,375 cho các phân phối bình thường

hoặc phân phối lôgarit, 0.3 cho các cấp trung bình, và 0,44 cho việc phân phối Gumbel

Bedient và Huber (2002) đề nghị a bằng 0,4 khi chưa biết hàm phân phối Khi vị trí vẽ P

được xác định thì vế trái của công thức 3.4 có thể được tính Hồi quy tuyến tính vế trái và lấy

lôgarit tự nhiên của mưa thì sẽ tìm ra đường dốc, tương đương với β Độ sâu đặc trưng α có thể tính được từ thành phần bị chặn b của đường hồi qui và đường dốc β.

Ví dụ 3.2 Xác định hàm phân phối lũy tích Weibull the Weibull cho số liệu mưa 2h giờ trong

20 năm được trình bày bên dưới ở Lexington, Kentucky Ước lượng mưa bão 24 giờ trong 10năm, 25 năm và 100 năm bằng cách sử dụng phân phối

Cách giải Số liệu mưa được sắp xếp lại theo thứ tự giảm dần và gán các cấp như bảng dưới

đây Cấp m = 1 tức là lượng mưa 24 giờ lớn nhất trong vòng 20 năm Cấp m = 2 là lượngmưa cao thứ hai, …v.v Quy trình này tiếp tục được thực hiện cho đến lương mưa sau cùngđược gán cấp m = N, với N là số năm ghi chép Chu kỳ lập lại được ước lượng bởi các vị trí

vẽ từ chuỗi cấp bậc Cho a = 0,4 áp dụng công thức 3.5 ta có vị trí vẽ đồ thị P là