Luận án Tiến sĩ: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THAM SỐ VỀ MƯA GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM

- Nghiên cứu lý thuyết, phân tích được bản chất, đề xuất được nguyên tắc, phương pháp, công thức xác định các tham số về mưa dùng trong các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Nguyễn Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THAM SỐ VỀ MƯA GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã số: 62.58.30.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2014

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Ngày nay, mạng lưới giao thông ngày càng mở rộng, khu đô thị, khu công nghiệp phát triển với tốc độ nhanh Chúng đòi hỏi có công thức tính toán lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ đơn giản, dễ tính toán và có độ chính xác chấp nhận được

Trong những thập kỷ gần đây, Việt Nam bị ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng biến đổi khí hậu, làm gia tăng các hiện tượng khí hậu cực đoan, ảnh hưởng đến chế độ mưa ở nước ta Do vậy ảnh hưởng đến các thông số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Qp Việc sử dụng các thành quả nghiên cứu các dữ liệu về mưa trước đây trong tính toán Qp trở nên giảm độ tin cậy,

bị sai số lớn, gây phát sinh các hư hỏng cho công trình, đình trệ giao thông, tăng chi phí duy tu sửa chữa, ảnh hưởng đến môi sinh,

Điều này thấy rất rõ ngoài thực tiễn như: hiện tượng hư hỏng các công trình thoát nước nhỏ trên đường do mưa lũ ngày một gia tăng, hư hỏng có thể xuất hiện ngay sau khi hoặc chỉ sau một vài năm đưa tuyến đường vào sử dụng; hiện tượng tích nước ở thượng lưu làm ngập úng ruộng đồng, làng mạc ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp thường hay xảy ra ở miền Trung hiện nay sau khi xây dựng xong các con đường; hiện tượng ngập úng đường phố sau các cơn mưa lớn ở một số đô thị của nước ta gây khó khăn, xáo trộn sinh hoạt và sản xuất, Rõ ràng, còn có vấn đề tồn tại, nổi lên là vấn đề xác định các tham số về mưa trong công thức tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay

Từ những đòi hỏi cấp thiết như trên, luận án được chọn nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết, phân tích được bản chất, đề xuất được nguyên tắc, phương pháp, công thức xác định các tham số về mưa dùng trong các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện Việt Nam

- Vận dụng vào thực tiễn: trước mắt, do chưa có đủ điều kiện nên đặt mục tiêu xác định giá trị cụ thể các tham số về mưa cho 12 trạm khí tượng điển hình chọn nghiên cứu, các giá trị này được kiến nghị tham khảo sử dụng vào thực tế hiện nay trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở những khu vực này của nước ta

3 Nội dung nghiên cứu

- Luận án tập trung nghiên cứu và giải quyết thông số về mưa Đây là thông số quyết định, quan trọng, bất định nhất trong tính toán Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường, hoàn toàn phụ thuộc vào đặc trưng khí hậu của riêng Việt Nam Các tham số về mưa nghiên cứu xác định là: +) Nghiên cứu xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế phù hợp với đặc điểm diễn biến thời tiết ở nước ta hiện nay +) Nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và vấn đề phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng thiết

kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam

+) Nghiên cứu xác định tham số cường độ mưa tính toán aT,p ứng với thời gian tập trung nước tính toán và tần suất thiết kế Thông số cường độ mưa tính toán aT,p là tham số ảnh hưởng tổng hợp trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

- Trên đây đều là các tham số về mưa được sử dụng trong các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

4 Phương pháp nghiên cứu

Phân tích thống kê là phương pháp chính được sử dụng trong luận án

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa, góp phần làm sáng tỏ hơn tình trạng bất thường của sự biến đổi của mưa trên lãnh thổ Việt Nam trong những thập kỷ gần đây Thấy được tính cấp thiết phải hiệu chỉnh hoặc dần thay thế mới cơ sở dữ liệu về mưa phù hợp với các diễn biến thời tiết chịu tác động của hiện tượng BĐKH; kiến nghị giải pháp chủ động ứng phó với hiện tượng biến đổi cực đoan về mưa trong tính toán thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay

- Nghiên cứu xác định các tham số về mưa (lượng mưa ngày tính toán Hn,p, cường độ mưa tính toán aT,p, phân vùng mưa hợp lý và các đặc trưng khác về mưa: T, Sp, A, B, m, ) phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam dùng trong các công thức tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường Một vài tham số mưa nghiên cứu xác định trong luận án (như tham số lượng mưa ngày tính toán Hn,p, hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T) còn được sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết kế cho lưu vực vừa và lớn; sử dụng trong tính toán mưa rào – dòng chảy bằng mô hình NAM - MIKE cho kết quả tin cậy

- Trạm đo mưa ở nước ta thì nhiều nhưng phần lớn là đo lượng mưa

ngày, ít trạm đo mưa tự ghi do vậy khi phương pháp xác định trực tiếp

tham số cường độ mưa tính toán dựa vào số liệu đo mưa tự ghi thực tế

chưa được phổ biến thì việc nghiên cứu xây dựng các công thức thực

nghiệm tính gián tiếp cường độ mưa tính toán aT,p trong luận án; vấn đề

chuyển lượng mưa ngày tính toán Hn,p thành lượng mưa tính toán từng

thời khoảng ngắn HT,p là rất cần thiết đối với tính toán lưu lượng đỉnh lũ

thiết kế của lưu vực công trình thoát nước trên đường Việt Nam

- Để quy hoạch phòng lũ tốt thì vấn đề trước tiên yêu cầu là phân

vùng mưa lũ hợp lý, phù hợp với đặc điểm mưa của từng vùng Luận án

đã nghiên cứu đề xuất tiêu chí, phương pháp phân vùng mưa phục vụ cho

việc xây dựng bản đồ phân vùng mưa hợp lý với tỷ lệ lớn, phù hợp đối

với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước

nhỏ trên đường ở Việt Nam

- Luận án xác lập được giá trị cụ thể các tham số về mưa, như: lượng

mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế, hệ số đặc trưng hình dạng

cơn mưa T, sức mưa Sp, hệ số vùng khí hậu A, B, hệ số hình dạng cơn

mưa m, hệ số hồi quy của vùng khí hậu , cường độ mưa chuẩn aTo,p

dùng trong 7 công thức thực nghiệm mà luận án nghiên cứu, phát triển để

tính cường độ mưa tính toán aT,p ứng với thời gian tập trung nước tính

toán và tần suất thiết kế, cho 12 trạm khí tượng điển hình chọn nghiên

cứu là các trạm: Tx.Mường Lay-T.Điện Biên, Tp.Tuyên Quang, Tp.Lạng

Sơn, Láng-HN, Hà Đông-HN, Tx.Sơn Tây-HN, Tp.Vinh, Tp.Đồng Hới,

Tp.Đà Nẵng, Tp.Nha Trang, Tp.Buôn Ma Thuột, Tp.Cần Thơ, với số liệu

đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010, kiến nghị tham khảo sử dụng vào

thực tiễn tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên

đường hiện nay ở những khu vực này của nước ta

- Luận án cũng góp phần làm phong phú thêm các kiến thức trong

việc xác định các tham số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng đỉnh

lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

6 Những đóng góp mới của luận án

- Xác định được các giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần

suất thiết kế ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu trên cơ sở chuỗi số

liệu đo mưa thực tế dài, từ năm 1960 - 2010, trong đó thời gian cuối được

cho là ứng với bối cảnh mới có sự tác động của hiện tượng BĐKH, ứng

tượng nghiên cứu với số liệu đo mưa thực tế từ 1960 - 2010 (Phụ lục 6), dùng để tính aT,p theo các công thức thực nghiệm (4.10), (4.11), (4.15), (4.16) sử dụng để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường

Ví dụ: một số giá trị m, A, B,  lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội:

Giá trị các hệ số 0.557 4.990 7.197 0.032

Các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 6

8) Kiến nghị các giá trị cường độ mưa chuẩn aTo,p ở các thời đoạn mưa chuẩn T0 = 20’, 60’, 180’ và tần suất p = 1  99.99% lập cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu bằng phương pháp trực tiếp với số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 (Phụ lục 7), dùng để tính aT,p theo công thức thực nghiệm (4.16) để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường

Ví dụ: một số giá trị aTo,p (mm/ph) lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội:

aT0,p ở T0 = 20’ 3.33 2.91 2.58 2.31 1.84 0.62

aT0,p ở T0 = 60’ 2.11 1.83 1.61 1.42 1.11 0.28

aT0,p ở T0 = 180’ 1.15 0.92 0.75 0.63 0.45 0.27

Các mức tần suất p khác, các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 7

9) Kiến nghị các giá trị mô đuyn dòng chảy mưa tính toán qT,p được tính theo cường độ mưa tính toán aT,p (mm/ph) [qT,p = 166.67aT,p (lít/s/ha)] dùng để xác định lưu lượng thiết kế công trình thoát nước đô thị,

QP = C.q,p.F, theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008 [8]

10) Các tham số về mưa nghiên cứu xác định trong luận án được sử

dụng trong các công thức tính Qp cho công trình thoát nước nhỏ trên đường hiện đang dùng như (1.9) của TCVN9845:2013 [5] cho đường ngoài đô thị, (1.11) của TCVN7957:2008 [8] cho đường đô thị và các công thức {ví dụ (1.10), } trong sổ tay tính toán thủy văn của Bộ Giao thông vận tải [3] Ngoài ra, nó cũng được dùng trong công thức (1.12) Sôkôlôpsky trong [3] sử dụng để tính Qp cho lưu vực vừa và lớn

Giá trị các tham số về mưa lập cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu được kiến nghị tham khảo bổ sung mới hoặc thay thế mới cơ

sở dữ liệu về mưa hiện đang sử dụng trong các tiêu chuẩn thiết kế [5], [8] dùng tính Qp ở những khu vực có các trạm khí tượng này hiện nay

B- Hướng nghiên cứu tiếp theo

Xây dựng bản đồ phân vùng mưa hợp lý với tỷ lệ lớn để tính Qp cho công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện từng địa phương ở VN./

được cho là ứng với bối cảnh mới có sự tác động của hiện tượng BĐKH,

ứng dụng để tính toán Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường theo tiêu

chuẩn hiện hành TCVN9845:2013 [5]; dùng để xác định cường độ mưa

tính toán aT,p theo các công thức thực nghiệm (4.3), (4.15), (4.17); hay sử

dụng để tính Qp cho lưu vực vừa và lớn theo công thức Sôkôlôpsky

Ví dụ: một số giá trị Hn,p luận án lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội

Hn,p (mm) 402.93 299.19 230.10 182.00 122.26 89.20

Các mức tần suất p khác, các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 1

5) Kiến nghị các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T lập cho

khu vực 12 trạm khí tượng nghiên cứu với số liệu đo mưa thực tế từ năm

1960 - 2010 (Phụ lục 2), dùng để tính cường độ mưa tính toán ứng với

thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế theo công thức

thực nghiệm (4.3), sử dụng để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên

đường theo tiêu chuẩn TCVN9845:2013 [5] Đồng thời nó là tham số

quan trọng dùng để tính chuyển từ lượng mưa ngày tính toán Hn,p sang

lượng mưa tính toán từng thời khoảng ngắn HT,p theo công thức (3.10)

HT,p = T.Hn,p sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky tính Qp cho lưu vực

vừa và lớn, dùng trong tính toán mưa rào - dòng chảy bằng mô hình

NAM - MIKE cho kết quả tin cậy Ngoài ra hệ số đặc trưng hình dạng

cơn mưa T còn được dùng làm tiêu chí để phân vùng mưa

Ví dụ: một số giá trị T luận án lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội:

T 0.087 0.224 0.401 0.577 0.928 1.134

Các thời đoạn tính toán T khác, các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 2

6) Kiến nghị các giá trị đặc trưng sức mưa Sp ở tần suất p =1  99.99%

lập cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu với số liệu đo mưa thực tế từ năm

1960 - 2010 (Phụ lục 5), dùng để tính aT,p theo các công thức thực

nghiệm (4.10), (4.18) để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường

Ví dụ: một số giá trị Sp luận án lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội:

Sp 13.27 13.48 13.56 13.74 12.49 1.72

Các mức tần suất p khác, các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 5

7) Kiến nghị các giá trị hệ số hình dạng cơn mưa m, hệ số vùng khí hậu

A và B, hệ số hồi quy của vùng khí hậu  lập cho khu vực 12 trạm khí

dụng để tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCVN9845:2013 [5] hay sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết kế cho lưu vực vừa

và lớn (ở những khu vực có các trạm khí tượng này)

- Xác định được các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T cho khu vực 12 trạm khí tượng nghiên cứu với thời kỳ đo mưa từ năm

1960 - 2010, dùng để tính cường độ mưa tính toán ứng với thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế sử dụng trong tiêu chuẩn TCVN9845:2013 [5] tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Đồng thời nó là tham số quan trọng dùng để tính chuyển từ lượng mưa ngày tính toán Hn,p sang lượng mưa tính toán từng thời khoảng ngắn HT,p dùng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết

kế cho lưu vực vừa và lớn, trong tính toán mưa rào - dòng chảy bằng mô hình NAM - MIKE cho kết quả tin cậy Ngoài ra hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T còn có thể được dùng làm tiêu chí để phân vùng mưa

- Tổng kết và nghiên cứu cải tiến thành 7 dạng công thức thực nghiệm tính tham số cường độ mưa tính toán aT,p ứng với thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế dùng để tính lưu lượng thiết

kế công trình thoát nước nhỏ trên đường tương ứng với các điều kiện khác nhau về dữ liệu mưa hiện có ở vùng thiết kế, trong đó có 3 dạng là công thức cải tiến mới của luận án, các công thức còn lại các hệ số trong công thức được luận án xây dựng mới cho khu vực 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với thời kỳ đo mưa từ năm 1960 - 2010

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước

1.1.1 Cơ sở lý thuyết của công thức xác định lưu lượng cực đại dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực [32]

- Công thức cường độ giới hạn xác định lưu lượng đỉnh lũ thiết kế được rút ra từ công thức căn nguyên dòng chảy nổi tiếng mà cơ sở của nó

là lý thuyết tập trung nước từ lưu vực Lý thuyết này đầu tiên được các nhà bác học Liên Xô (cũ) phân tích, nghiên cứu (N.E Đôngôv, M.E Velikanov và M.M Prôtôđiakônov) và hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực tính toán thủy văn Các giả thiết là +) Lưu vực có dạng đều, ở giữa là lòng sông suối

+) Mưa và tổn thất phân bố đồng đều trên toàn lưu vực và có cường

độ không thay đổi trong thời gian tính toán

+) Coi tần suất mưa sinh dòng chảy lũ bằng tần suất dòng chảy lũ

- Bằng việc phân tích quy luật nước chảy từ các sườn dốc lưu vực về

công trình thoát nước, các tác giả của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực

đã rút ra công thức xác định lưu lượng cực đại của dòng chảy lũ thiết kế

F a K

Qp   ,p. (1.1) Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; F là diện tích lưu vực

 là hệ số dòng chảy, xét đến lượng nước mưa bị tổn thất

a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước 

của lưu vực và tần suất p Chính là cường độ mưa trung bình

lớn nhất trong thời gian tập trung nước  và tần suất p

K là hệ số chuyển đổi đơn vị khi các đại lượng trong công

thức không tính ở cùng đơn vị K = 16.67 khi Qp tính bằng

m3/s, a,p tính bằng mm/ph, F tính bằng km2

- Công thức (1.1) là công thức cơ bản Từ công thức cơ bản (1.1), rất

nhiều các tác giả đã nghiên cứu áp dụng và hoàn chỉnh cho phù hợp với

điều kiện thực tế về quy luật phân bố cường độ mưa, điều kiện nước chảy

trên các lưu vực tự nhiên

1.1.2 Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát

nước nhỏ trên đường ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.2.1 Ở một số nước trên thế giới: các nước có nền khoa học phát triển

như Anh, Mỹ, Pháp, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, đều sử dụng công

thức cường độ giới hạn dạng (1.1) để xác định lưu lượng thiết kế Qp cho

công trình thoát nước nhỏ trên đường

1.1.2.2 Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát

nước nhỏ trên đường ở Việt Nam

- Công thức cường độ giới hạn của TCVN9845:2013 Tính toán các

đặc trưng dòng chảy lũ [5]: áp dụng cho lưu vực có F  100 km2

1 ,

.H F

A

Trong đó: Ap là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ tương đối ở tần suất p

Ap = 16.67 /

Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p

1 là hệ số xét đến ảnh hưởng của ao hồ, đầm lầy

và thời gian xuất hiện do tác động cực đoan của hiện tượng BĐKH Đây là khuyến nghị mới của luận án

2) Kiến nghị việc phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu

lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường cần dựa vào tiêu chí chính là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  T, tức quan hệ cường

độ mưa và thời đoạn mưa tính toán, với mức độ sai số cho phép khi phân vùng mưa đảm bảo điều kiện Rhh

2  [Rhh

2 ]gh và kết hợp với việc phân tích tổng hợp một số yếu tố ảnh hưởng đến chế độ mưa lũ như nguyên nhân gây mưa lũ, mùa mưa lũ, đặc điểm địa hình Đây là kiến nghị có

ý nghĩa khoa học và thực tiễn vì để quy hoạch phòng lũ tốt thì vấn đề trước tiên yêu cầu là phân vùng mưa lũ hợp lý, phù hợp với đặc điểm mưa, đặc điểm địa hình của từng vùng

3) Kiến nghị sử dụng 7 dạng công thức thực nghiệm khác nhau, đó là

các công thức (4.3), (4.10), (4.11), (4.15), (4.16), (4.17), (4.18) để gián tiếp xác định gần đúng thông số cường độ mưa tính toán aT,p dùng để tính

Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta trong trường hợp ở vùng thiết kế không có được số liệu đo mưa tự ghi hoặc có nhưng số năm quan trắc đến thời điểm thiết kế công trình chưa đủ dài nên không thể sử dụng được phương pháp tính trực tiếp aT,p Trong các công thức trên thì công thức (4.15), (4.16), (4.18) là 3 dạng công thức cải tiến mới kiến nghị sử dụng của luận án, các công thức còn lại các hệ số trong công thức được xây dựng mới cho khu vực 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu Các công thức thực nghiệm này có độ tin cậy cho phép, được sử dụng cho các điều kiện khác nhau về cơ sở dữ kiện mưa hiện có ở vùng thiết kế, cho phép đa dạng hóa việc xác định thông số aT,p đồng thời cho phép lựa chọn sử dụng công thức tính aT,p nào cho kết quả chính xác cao khi có đủ điều kiện cùng lúc dùng được nhiều công thức tính aT,p ở vùng thiết kế

Đây là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao bởi vì với điều kiện hiện nay ở nước ta, trạm đo mưa thì nhiều nhưng phần lớn là

đo lượng mưa ngày, vấn đề xây dựng các công thức tính gián tiếp cường

độ mưa tính toán aT,p ; vấn đề nghiên cứu tính chuyển từ lượng mưa ngày tính toán thành lượng mưa tính toán từng thời khoảng ngắn là rất cần thiết trong tính toán Qp công trình thoát nước trên đường Việt Nam

4) Kiến nghị các giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết

kế lập ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu trên cơ sở chuỗi số liệu đo mưa thực tế dài, từ năm 1960 - 2010 (Phụ lục 1),trong đó thời gian cuối

- Phương pháp trạm tựa dùng để xác định cường độ mưa tính toán

aT,p ở trạm không có số liệu đo mưa tự ghi, chỉ có số liệu đo lượng mưa

ngày (công thức 4.17) hoặc được sử dụng để tính, hiệu chỉnh kết quả xác

định cường độ mưa tính toán aT,p ở những trạm mà số liệu đo mưa tự ghi

còn ngắn hoặc bị khuyết một số năm quan trắc (công thức 4.17 hoặc

4.18), trong khi có sẵn một trạm tựa trong cùng vùng mưa

4.7 Đánh giá sai số của các công thức tính a T,p Nhận xét, kiến nghị

- Việc đánh giá sai số của các công thức thực nghiệm (4.3), (4.10),

(4.11), (4.15), (4.16), (4.17), (4.18) tính cường độ mưa tính toán aT,p: sử

dụng chỉ tiêu độ hữu hiệu Rhh2 và tiêu chí đánh giá của WMO

- Kết quả đánh giá cho thấy: tất cả các công thức tính aT,p trên đều đạt

được Rhh2  40%, là mức tối thiểu quy định ‘‘Đạt’’ của tổ chức Khí

tượng thế giới Do vậy các công thức thực nghiệm trên đều có thể được

sử dụng để gián tiếp xác định thông số cường độ mưa tính toán aT,p trong

các trường hợp khác nhau về cơ sở dữ liệu mưa có thể có được ở vùng

thiết kế, dùng để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường

- Sai số của các công thức khác nhau ở các vùng mưa khác nhau Nó

phụ thuộc vào chế độ mưa từng vùng Có công thức tính ở vùng mưa này

cho kết quả rất tốt nhưng sang vùng mưa khác lại cho kết quả bình

thường, không đạt được mức tối ưu về sai số Trong trường hợp có đủ

điều kiện cùng lúc dùng được nhiều công thức tính aT,p ở vùng thiết kế thì

nên ưu tiên chọn công thức nào cho sai số thấp nhất

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A- Các nhận xét, kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu và kiến nghị

1) Đưa ra một số khuyến nghị trong tính toán thủy văn cầu cống ở nước

ta như sau

1.1 Cần thường xuyên cập nhật các số liệu về mưa phù hợp với diễn

biến điều kiện thời tiết để xây dựng các tham số về mưa phục vụ việc

tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

1.2 Khi tính toán thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ngoài

việc tính toán xác định theo lưu lượng ở tần suất thiết kế quy định

Qp% còn cần phải kiểm tra thêm theo mực nước và lưu lượng lũ lịch

sử Qlịchsử của những năm mưa lớn đột biến để có những giải pháp chủ

động ứng phó với hiện tượng đột biến về lượng mưa, cường độ mưa

- Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội (Công thức do GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đề xuất sử dụng) [3], [32]

Các công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta thường có diện tích lưu vực nhỏ (thường dưới 1 km2 đến một vài km2) nên thời gian tập trung nước  ngắn Chính vì vậy việc tính Qp dựa vào thông số cường độ mưa có thời gian mưa tính toán ngắn nhưng cường độ mưa lớn sẽ chính xác hơn so với việc sử dụng thông số lượng mưa ngày như trong công thức (1.9) của tiêu chuẩn thiết kế [5] Trên quan điểm đó, từ những năm

1980, GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đã đề xuất sử dụng công thức (1.10) sau đây để tính lưu lượng thiết kế Qp cho công trình thoát nước nhỏ trên đường với diện tích lưu vực F  30 km2 ở Việt Nam

1 , .

67

16  a F  

Với:  hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc diện tích lưu vực

- Công thức cường độ giới hạn sử dụng trong tính toán thoát nước đường đô thị theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN7957:2008 [8]

F q C

Với: C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào tính chất bề mặt lưu vực và p

q,p là mô đuyn dòng chảy mưa hay cường độ mưa theo thể tích tính toán ứng với thời gian tập trung nước  và tần suất thiết kế p

q,p = 166.67a,p

Ở đây: q,p tính là lít/s/ha, a,p tính là mm/ph

1.1.2.3 Công thức Sôkôlôpsky [3], [15], [32]

Đây thuộc loại công thức thể tích, được sử dụng để tính lưu lượng công trình thoát nước trên đường với diện tích lưu vực F >100 km2

0 0

,

) (

278 0

Q F f t

H H Q

l

p

(1.12) Với: H,p là lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất p Chính là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tập trung nước  và tần suất p (mm)

H0 là lớp nước mưa tổn thất ban đầu (mm)

f là hệ số hình dạng lũ , tl là thời gian lũ lên (h)

 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và rừng cây trên lưu vực

Q0 là lưu lượng nước trong sông trước khi có lũ (m3/s)

1.1.3 Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính

lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

Các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế

công trình thoát nước nhỏ trên đường là: Lượng mưa ngày tính toán Hn,p

ở tần suất thiết kế p; Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và vấn đề

phân vùng mưa; Cường độ mưa tính toán a,p ở thời gian tập trung nước 

và tần suất thiết kế p

1.1.3.1 Lượng mưa ngày tính toán H n,p

- Lượng mưa ngày tính toán Hn,p được xác định theo phương pháp

phân tích thống kê trên cơ sở chuỗi số liệu đo lượng mưa ngày thực tế

nhiều năm liên tục tại các trạm đo mưa ở khu vực thiết kế công trình

- Tính đến nay, cơ sở dữ liệu về Hn,p đầy đủ nhất ở nước ta được

thành lập năm 1987 trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5], cho

589 điểm đo mưa trên toàn quốc với các mức tần suất p = 1%, 2%, 4%,

10%, 25%, 50% Từ đó đến nay đã trải qua trên 25 năm, chế độ mưa ở

nước ta đã bị thay đổi, chịu ảnh hưởng của hiện tượng BĐKH nên cơ sở

dữ liệu này đến nay đã kém chính xác

1.1.3.2 Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và phân vùng mưa

- Tính đến nay ở nước ta đã có một số công trình phân vùng mưa và

xây dựng hệ số T  T cho từng vùng mưa Các công trình phân vùng

mưa này đều phân khu theo kiểu cường độ mưa, tức chỉ chú ý đến quan

hệ triết giảm cường độ mưa theo thời khoảng tính toán aT  T Như phân

vùng mưa năm 1977 của quy phạm thủy lợi QP.TL.C-6-77 [7] phân miền

Bắc thành 10 vùng mưa; phân vùng mưa năm 1980 của Hoàng Minh

Tuyển phân toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 15 vùng mưa [60]; phân

vùng mưa năm năm 1991 của Hoàng Niêm và Đỗ Đình Khôi chia toàn

toàn quốc thành 18 vùng mưa Năm 1993, TS Trịnh Nhân Sâm cũng

phân toàn lãnh thổ thành 18 vùng mưa như trên nhưng giá trị hệ số T

xác lập ở các vùng mưa có khác đi chút ít [29], [40] Kết quả phân vùng

mưa năm 1993 được đưa vào trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2010

[5] hiện đang dùng để tính Qp cho công trình thoát nước trên đường

- Như vậy qua thời kỳ các năm, chế độ mưa ở nước ta bị thay đổi dẫn

đến việc phân vùng mưa cũng được hiệu chỉnh cho phù hợp, giá trị hệ số

đặc trưng hình dạng cơn mưa T ở các vùng mưa cũng được hiệu chỉnh,

xác lập lại cho phù hợp

suất p ứng với thời đoạn mưa chuẩn T0 của vùng mưa T0 được chọn như sau: T0 = 20ph khi tính ở thời đoạn T  20’; T0 = 60ph khi tính ở thời đoạn 20’ < T  120’; T0 = 180ph khi tính ở thời đoạn T > 120’

- Công thức tính a T,p theo cường độ mưa chuẩn a To,p

m p T p T

T

T a











,

- Như vậy, sử dụng công thức (4.16) có thể tính được cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p khi chỉ cần xây dựng bảng tra sẵn cho một số giá trị cường độ mưa chuẩn aTo,p ở tần suất p (3 thời đoạn mưa chuẩn T0 = 20ph, 60ph, 180ph) và biết được hệ số hình dạng cơn mưa m trong vùng mưa mà vẫn đảm bảo sự chính xác cần thiết

4.6 Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán a T,p bằng phương pháp sử dụng trạm tựa

- Cơ sở của phương pháp

+) Như đã phân tích thì cơ sở để phân vùng mưa là sự tương đồng

về chế độ, đặc điểm mưa giữa các điểm đo mưa Trong cùng một vùng mưa thì đặc điểm của mưa tại các vị trí có sự khác biệt ít, được coi là không đổi Các hệ số T , m là những thông số đặc trưng cho đặc điểm mưa trong một vùng mưa nên được coi là không thay đổi, như nhau tại các vị trí trong cùng một vùng mưa

+) Dựa vào đặc điểm này, có thể xác định được cường độ mưa tại một trạm khi biết được cường độ mưa tại trạm lân cận ở trong cùng một vùng mưa Trạm lân cận lấy làm cơ sở được gọi là trạm tựa, trạm tựa phải là trạm có đầy đủ số liệu đo mưa tự ghi quan trắc trong nhiều năm liên tục và có chế độ, đặc điểm mưa rất giống trạm cần tính

- Công thức xác định cường độ mưa tính toán a T,p bằng trạm tựa nội suy theo lượng mưa ngày tính toán H n,p



















1 ,

2 , 1 , 2

p

p p T p T

H

H a

- Công thức xác định cường độ mưa tính toán a T,p bằng trạm tựa nội suy theo đặc trưng sức mưa S p

















2 1 , 2

p

p p T p T

S

S a

Trong các công thức trên thì ‘‘2’’ là trạm cần tính, ‘‘1’’ là trạm tựa

y = S p

Sp =.Hn,p (S p  H n,p )

Hình 4.6: Kết quả hồi quy tìm hệ số hồi quy của vùng khí hậu  cho trạm

TP.Lạng Sơn với số liệu đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010

- Phương pháp xác định hệ số 

+) Đặt: y = Sp ; x = Hn,p ; c = 

+) Có được dạng quan hệ đường thẳng: y = c.x

+) Hồi quy cho dạng đường thẳng y = c.x, tìm được hệ số c, từ đó

tìm được hệ số hồi quy của vùng khí hậu  = c

- Công thức tính cường độ mưa tính toán a T,p theo hệ số hồi quy

của vùng khí hậu , hệ số hình dạng cơn mưa m và lượng mưa ngày

tính toán H n,p

- Thuộc phương pháp gián tiếp Được sử dụng khi tài liệu đo mưa tự

ghi thực tế không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, trong khi lại biết được hệ số

hình dạng cơn mưa m, hệ số hồi quy của vùng khí hậu  của vùng mưa

Phương pháp này cho phép tận dụng được nguồn số liệu đo lượng mưa

ngày rất đầy đủ, sẵn có, liên tục, đủ dài ở các trạm đo mưa toàn quốc

4.5 Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán a T,p theo cường độ

mưa chuẩn a To,p

- Tham số cường độ mưa tính toán aT,p là một đại lượng phụ thuộc

vào rất nhiều các thông số đặc trưng của vùng khí hậu Nếu trong công

thức tính aT,p có một thông số có tính tổng hợp có thể đặc trưng cho các

thông số của vùng mưa thì sẽ nâng cao được mức độ chính xác của kết

quả tính toán Thông số tổng hợp đó trong công thức tính aT,p được chọn

là cường độ mưa chuẩn aTo,p Đó chính là cường độ mưa tính toán ở tần

m p n p

T

T

H

1.1.3.3 Xác định cường độ mưa tính toán a T,p : có các hướng sau đây

- Tính trực tiếp a T,p : trên cơ sở có đủ số liệu quan trắc đo mưa tự ghi

thực tế tại các trạm khí tượng, dùng phương pháp phân tích thống kê tính

ra giá trị cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn mưa tính toán T và tần suất thiết kế p Trong tính toán lưu lượng công trình thoát nước, thời đoạn mưa tính toán T lấy bằng thời gian tập trung nước  của lưu vực

- Xác định cường độ mưa tính toán a T,p dựa vào lượng mưa ngày tính toán H n,p và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T

p n T p

T

Phương pháp này do Alêchxâyep đề xuất Nó đang được sử dụng

ở Việt Nam để tính Qp trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5]

- Xây dựng các công thức thực nghiệm để tính a T,p

Các công thức thực nghiệm được xây dựng đều dựa vào đặc trưng sức mưa S và hệ số hình dạng cơn mưa m để xác định cường độ mưa tính toán aT,p Dạng công thức cơ bản là: aT,p = Sp / Tm = (A + B.lgN) / Tm

Từ dạng công thức cơ bản này đã phát triển ra rất nhiều dạng công thức thực nghiệm khác để phù hợp với điều kiện khí hậu ở từng nước, như các công thức của Mỹ, Ấn Độ, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Indonesia, Malaysia, Trong các công thức này so với dạng công thức cơ bản trên có thể thêm vào hoặc bớt đi một vài hệ số hồi quy

Ở Việt Nam cũng đã có nhiều nghiên cứu để phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta, điển hình như:

./ Nghiên cứu của GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục năm 1980 cho

18 trạm khí tượng:

m p

T

T

N B A

./ Nghiên cứu của TS.Trần Hữu Uyển năm 1973 cho 34 trạm khí tượng:

N B A a

) (

lg ,





 / Nghiên cứu của TS.Trần Việt Liễn năm 1979 cho 47 trạm khí tượng:

m p

T

b T

N B A a

) (

lg ,





 / Nghiên cứu của GS.TS Ngô Đình Tuấn năm 1980 cho 10 trạm khí tượng:

m T p p

1.1.4 Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu

lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

- Các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công

trình thoát nước nhỏ trên đường có thể chia làm 3 loại là: Điều kiện khí

hậu, mà cụ thể là mưa; Các yếu tố mặt đệm; Tác động của các hoạt động

kinh tế - xã hội của con người

+) Trong điều kiện khí hậu ở nước ta thì mưa là nhân tố ảnh hưởng

trực tiếp đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ, mưa là nguyên nhân sinh

dòng chảy lũ trên lưu vực nhỏ ở nước ta

+) Các yếu tố mặt đệm bao gồm: vị trí địa lý, đặc điểm địa hình, địa

mạo, điều kiện địa chất, thổ nhưỡng, đặc điểm bề mặt, hình dạng lưu vực,

Các yếu tố này ảnh hưởng tới hai khâu chính là: quyết định đến quá

trình tập trung dòng chảy và lượng tổn thất Ngoài ra vị trí địa lý, đặc

điểm địa hình ảnh hưởng đến điều kiện khí hậu thể hiện bằng các vùng,

miền khí hậu khác khau trên cả nước Địa hình tác động đến mưa, đến

dòng chảy lũ của lưu vực vừa trực tiếp, vừa gián tiếp Trực tiếp: tạo ra

lượng mưa lớn do đón gió, tạo ra lượng mưa bé do khuất gió Gián tiếp:

tập trung nước nhanh hay chậm do độ dốc lớn hay bé, mạng lưới sông

suối hình nan quạt hay hình lông chim,

+) Hoạt động kinh tế - xã hội của con người ngày nay càng lớn, có

ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực, như ảnh hưởng gây ra hiện tượng biến

đổi khí hậu, nước biển dâng, ảnh hưởng làm thay đổi các yếu tố mặt đệm

lưu vực Xét nó thông qua hai nhân tố mưa và các yếu tố mặt đệm

- Ngoài ra, lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường

Qp còn chịu ảnh hưởng của tần suất thiết kế p Với giá trị tần suất p càng

lớn (p = 10%, 20%, 50%, ) thì Qp tính ra càng nhỏ và ngược lại thiết

kế với giá trị p càng nhỏ (p = 3%, 2%, 1%, ) thì Qp tính ra càng lớn

- Thông số cường độ mưa tính toán a,p là một đại lượng ảnh hưởng

tổng hợp trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên

đường Bởi vì nó thể hiện tác động của tất cả các nhân tố ảnh hưởng đến

tính toán lưu lượng lũ thiết kế của công trình thoát nước nhỏ trên đường

là nhân tố về mưa, các yếu tố mặt đệm và tần suất thiết kế

+) Thật vậy: a,p = H,p / 

./ Chế độ mưa ở vùng thiết kế quyết định đến trị số lượng mưa

lớn nhất thời đoạn tính toán H,p nên ảnh hưởng tới a,p

+) Trong 1 vùng mưa thì A, B, m là không thay đổi Do vậy ở cùng

1 giá trị thời đoạn tính toán T thì: c = const, d = const

+) Có dạng phương trình đường thẳng: y = c.x + d Hồi quy cho dạng phương trình này tìm được c và d, từ đó tìm được các hệ số A và B

ở các thời đoạn T: A = d.Tm , B = c.Tm

- Giá trị A, B được xác lập chung cho toàn bộ vùng mưa ở mọi thời đoạn tính toán T nên được lấy trung bình cộng

4.3.4 Công thức tính cường độ mưa tính toán a T,p theo sức mưa S p và

hệ số hình dạng cơn mưa m

- Công thức có dạng: T p m p

T

S

- Thuộc nhóm phương pháp gián tiếp Được sử dụng trong trường hợp tài liệu đo mưa thực tế bằng máy đo mưa tự ghi không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, ngay cả trong trường hợp số liệu đo lượng mưa ngày cũng không có hoặc còn thiếu, chưa đủ dài Nhưng lại biết được hệ số hình dạng cơn mưa m của vùng mưa và sức mưa Sp ở tần suất p

4.3.5 Công thức tính cường độ mưa tính toán a T,p theo hệ số vùng khí hậu A, B và hệ số hình dạng cơn mưa m

T

N B A

- Thuộc nhóm phương pháp gián tiếp Được sử dụng trong trường hợp tài liệu đo mưa thực tế bằng máy đo mưa tự ghi không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, ngay cả trong trường hợp số liệu đo lượng mưa ngày cũng không có hoặc còn thiếu, chưa đủ dài Nhưng lại biết được hệ số hình dạng cơn mưa m và các hệ số vùng khí hậu A, B của vùng mưa

4.4 Khảo sát quan hệ giữa sức mưa S p theo tần suất và lượng mưa ngày tính toán H n,p theo tần suất trong cùng vùng mưa

- Nghiên cứu khảo sát số liệu đo mưa thực tế tại các trạm khí tượng ở nước ta cho thấy: trong cùng một vùng mưa thì sức mưa Sp ở tần suất p

và lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất p có quan hệ tương quan tương đối chặt chẽ theo công thức dưới đây (Ví dụ như ở Hình 4.6)

p n

Trong đó:  là hệ số hồi quy của vùng khí hậu, phụ thuộc vào vùng mưa