Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ

Trong công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu, một trong những nội dung quan trọng là xác định mô hình mưa thiết kế và tính toán lưu lượng tiêu thiết kế Tuy đã có nhiều nghiên cứu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN TH VIỆT HỒNG

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯ NG PHÁP ÁC Đ NH Ô H NH Ư

VÀ LƯU LƯỢNG TIÊU THIẾT Ế CHO CÁC HỆ THỐNG TIÊU

V NG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ỹ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN TH VIỆT HỒNG

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯ NG PHÁP ÁC Đ NH Ô H NH Ư

VÀ LƯU LƯỢNG TIÊU THIẾT Ế CHO CÁC HỆ THỐNG TIÊU

i

LỜI C ĐO N

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết lu n trong lu n án là trung th c, không sao ch p t b t k một nguồn nào và dưới b t k hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được th c hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả lu n án

Chữ ký

Nguyễn Th Việt Hồng

ii

LỜI CẢ N

Trước hết tác giả xin được trân trọng cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Tu n Anh,

GS TS Lê Chí Nguyện đã định hướng về mặt khoa học và t n tình hướng dẫn để tác giả có thể hoàn thành lu n án này

Tác giả xin được trân trọng cảm ơn đến các Thầy trong các Hội đồng ch m chuyên đề, Hội đồng ch m lu n án của tác giả, đã đóng góp các ý kiến quý báu để tác giả có thể hoàn thành lu n án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Kỹ thu t tài nguyên nước; Bộ môn Kỹ thu t hạ tầng và Phát triển nông thôn Trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thu n lợi để tác giả hoàn thành lu n án

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Cao đẳng Thủy lợi Bắc bộ, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt thời gian th c hiện

lu n án Xin được cảm ơn Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Hà Nam, Sở Xây

d ng Hà Nam, Công ty cổ phần môi trường và công trình đô thị Hà Nam đã trao đổi, cung c p tài liệu cũng như kiến thức th c tế quý báu giúp tác giả hoàn thành các nội dung nghiên cứu của lu n án

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua mọi khó khăn để tác giả có thể hoàn thành được lu n án của mình

Tác giả lu n án

Chữ ký

Nguyễn Th Việt Hồng

iii

ỤC LỤC

D NH ỤC BẢNG BIỂU ix

D NH ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

Ở Đ U 1

1 Tính c p thiết của đề tài 1

2 M c tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và th c tiễn 4

7 C u trúc lu n án 4

CHƯ NG 1 TỔNG QU N 5

1.1 Tổng quan về mô hình mưa tiêu thiết kế 5

1.1.1 Khái niệm về mô hình mưa tiêu thiết kế 5

1.1.2 Các nghiên cứu về xác định mô hình mưa tiêu thiết kế 6

1.1.3 Các nghiên cứu xác định mô hình mưa tiêu thiết kế ở Việt Nam 11

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) và quan hệ cường độ mưa-thời gian mưa-tần su t (IDF) 16

1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t 16

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần su t 17

1.3 Tổng quan các nghiên cứu về xây d ng bản đồ đẳng trị mưa 22

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế và hệ số hiệu chỉnh lưu lượng theo bước thời gian mưa 28

1.4.1 Các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các khu v c dân cư, đô thị 28

1.4.2 Các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các vùng nông nghiệp và hỗn hợp dân cư, nông nghiệp 29

1.5 Giới thiệu về đồng bằng Bắc Bộ 33

iv

1.5.1 Điều kiện t nhiên vùng đồng bằng Bắc Bộ 33

1.5.2 Phát triển kinh tế xã hội trong vùng 36

1.5.3 Tình hình đo mưa trong khu v c 37

1.5.4 Tình hình tiêu nước trong khu v c 39

1.6 Kết lu n chương 1 42

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH MƯA VÀ LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG TIÊU 45

2.1 Phương pháp xây d ng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần su t và (DDF) quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần su t (IDF) thời đoạn ngắn, t đó thiết l p công thức tính cường độ mưa cho các trạm đo mưa t ghi 45

2.1.1 Phương pháp xây d ng quan hệ lượng mưa – thời gian – tần su t 46

2.1.2 Thiết l p công thức tính cường độ mưa (quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần su t) cho các trạm đo mưa t ghi 51

2.2 Phương pháp xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế tương ứng với thời gian mưa và tần su t khác nhau cho vùng Đồng bằng Bắc bộ 51

2.2.1 L a chọn phần mềm vẽ bản đồ 52

2.2.2 L a chọn phương pháp nội suy trong phần mềm 53

2.3 Phương pháp mới đề xu t về l a chọn mô hình mưa tiêu thiết kế phù hợp nh t cho các khu v c trồng lúa vùng đồng bằng Bắc Bộ bằng mô phỏng toàn liệt các tr n mưa đã xảy ra trong th c tế 55

2.3.1 Giới thiệu phương pháp 56

2.3.2 Xây d ng các mô hình mưa điển hình 58

2.3.3 Phương pháp tính toán hệ số tiêu cho lúa 59

2.4 Phương pháp xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu thiết kế t mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày cho vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp và dân cư đô thị .64

2.4.1 Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo mô hình SWMM 65

2.4.2 Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo TCVN 10406:2015 71

2.5 Kết lu n chương 2 71

CHƯ NG 3 ẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 73

3.1 Kết quả xây d ng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần su t (DDF) và quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần su t (IDF) 73

v

3.1.1 Kết quả xây d ng quan hệ DDF 73

3.1.2 Đánh giá khả năng ứng d ng của công thức tính cường độ mưa đã thiết l p 84

3.2 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị mưa thời đoạn ngắn ứng với tần su t thiết kế P = 10% cho vùng đồng bằng Bắc bộ 97

3.2.1 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa ứng với tần su t P = 10% 97

3.2.2 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị tham số của phương trình cường độ mưa ứng với tần su t P = 10% 104

3.3 Kết quả xác định mô hình mưa thiết kế hợp lý cho vùng trồng lúa ứng d ng cho khu v c Hà Nam 107

3.3.1 Tính toán và vẽ đường tần su t 107

3.3.2 Kết quả l a chọn các tr n mưa điển hình 108

3.3.3 Kết quả l a chọn tr n mưa thiết kế 114

3.4 Kết quả xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng cho vùng tiêu hỗn hợp 122

3.4.1 Thiết l p các thông số giả định của hệ thống 123

3.4.2 Xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng trong trường hợp chưa x t đến ảnh hưởng của hồ điều hòa trong hệ thống 124

3.4.3 Xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng có x t đến ảnh hưởng của hồ điều hòa 128

3.5 Kết lu n chương 3 134

ẾT LUẬN VÀ IẾN NGH 135

D NH ỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 138

TÀI LIỆU TH HẢO 139

PHỤ LỤC 147

vi

D NH ỤC CÁC H NH ẢNH

Hình 1 1 Phân bố xác su t của các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois[1] 7

Hình 1 2 Biểu đồ xác su t 10% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois 8

Hình 1 3 Biểu đồ xác su t 50% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois 8

Hình 1 4 Biểu đồ xác su t 90% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois 8

Hình 1 5 Các đường quá trình mưa lũy tích mưa trong 24 giờ của SCS Hoa K 9

Hình 1 6 Phạm vi áp d ng các loại đường quá trình mưa của SCS trên lãnh thổ Hoa K 9

Hình 1 7 Biểu đồ mưa thiết kế xây d ng bằng phương pháp khối xen kẽ của Chow [3] 10

Hình 1 8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác 10

Hình 1.9 Các đường cong DDF của mưa lớn nh t thời đoạn ngắn tại trạm Phủ lý 187

Hình 1.10 Các đường cong IDF của mưa lớn nh t tại Chicago, Hoa K [3] 18

Hình 1.11 Phân bố mưa (in) thời k xu t hiện lại 2 năm, thời gian mưa 60 phút trên lãnh thổ Hoa K [38] 24

Hình 1.12 Bản đồ đẳng trị tham số của phương trình lượng mưa lưu v c sông Tre Venezie (Ý) 24

Hình 1.13 Bản đồ xác định khu v c áp d ng các công thức tính lượng mưa được thiết l p thuộc lưu v c sông Tre Venezie (Ý) 25

Hình 1.14 Một ví d về đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung bình của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983) 27

Hình 1.15 Bản đồ vị trí vùng Đồng bằng Bắc bộ 33

Hình 1.16 Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn vùng ĐBBB 38

Hình 1.17 Bản đồ hệ thống thủy nông đồng bằng sông Hồng [51] 40

Hình 1 18 Sơ đồ nội dung nghiên cứu và cách tiếp c n 44

Hình 2 1 Sơ đồ tiến trình xây d ng quan hệ DDF và IDF 45

Hình 2.2 Quan hệ giữa lượng mưa và thời gian mưa 49

Hình 2 3 Đường quan hệ Hd được mô tả bởi phương trình (2-14) và (2-15) và những điểm th c nghiệm 50

Hình 2 4 Bản đồ các trạm đo mưa t ghi vùng ĐBBB 52

Hình 2 5 Phương pháp nội suy IDW 54

vii

Hình 2 6 Sơ đồ khối tính toán l a chọn MHM tiêu cho lúa phù hợp nh t bằng phương

pháp so sánh mô phỏng toàn liệt 57

Hình 2 7 Dòng chảy t ô ruộng vào kênh 59

Hình 2 8 Sơ đồ khối tính hệ số tiêu thiết kế 62

Hình 2 9 Sơ đồ khối mô phỏng hệ số tiêu q~t toàn liệt 63

Hình 2 10 Sơ đồ một hệ thống tiêu hỗn hợp dân cư và nông nghiệp (TB: trạm bơm) 64 Hình 2 11 Sơ đồ khối tính toán dòng chảy cho lưu v c nghiên cứu 70

Hình 3 1 Quan hệ giữa lượng mưa và thời gian mưa trạm Phủ Lý 74

Hình 3 2 Đường cong H  d ứng với tần su t 10 % tính theo các công thức (2-13), 82

Hình 3 3 Trích bản đồ hành chính khu v c tiêu trạm bơm Phủ Lý 85

Hình 3 4 Đường quá trình Q t 86

Hình 3 5 Đường tần su t Qmax  P 86

Hình 3 9 Sơ đồ tính toán thủy l c trạm bơm Phủ Lý trong SWMM 88

Hình 3 7 Đường quá trình H ~t tính toán và th c đo 90

Kết quả kiểm tra: Ngày 17/7/2017 – điểm đo tại Cống Quy Lưu 90

Hình 3 8 Đường quá trình H ~t tính toán và th c đo Kết quả kiểm tra: Ngày 20/7/2017 – điểm đo tại Cống Quy Lưu 92

Hình 3 9 Đường quá trình H ~t tính toán và th c đo) 92

Hình 3 10 Biểu đồ phân bố mưa 24h max năm 1990 trạm Phủ Lý 93

Hình 3 11 Đường Qt tại cửa ra của hệ thống ứng với mô hình mưa 24h max năm 1990 94

Hình 3 12 Mô phỏng dòng chảy trong một đoạn cống trên đường Quy Lưu(chạy với tr n mưa 24h max năm 1990) 94

Hình 3 13 Đường tần su t lưu lượng tiêu trạm bơm Phủ Lý t kết quả mô phỏng toàn liệt bằng SWMM 95

Hình 3 14a Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn 1h, 3h tần su t P = 10% 98

Hình 3 14b Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn 6h, 12h, 24h tần su t P = 10% 99

Hình 3 14c Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn 3 ngày, 5 ngày tần su t P =10% 99

Hình 3 15a Phân bố lượng mưa thời đoạn 1h max của các trạm ứng với P =10% 100

Hình 3 15b Phân bố lượng mưa thời đoạn 3h max của các trạm ứng với P =10% 101

viii

Hình 3 15c Phân bố lượng mưa thời đoạn 6 h max của các trạm ứng với P =10% 101

Hình 3 15d Phân bố lượng mưa thời đoạn 12h max của các trạm ứng với P =10% 102

Hình 3 15e Phân bố lượng mưa thời đoạn 24 h max của các trạm ứng với P =10% 102

Hình 3 15g Phân bố lượng mưa thời đoạn 3 ngày max của các trạm ứng với P =10% 103

Hình 3 15h Phân bố lượng mưa thời đoạn 5 ngày max của các trạm ứng với P =10% 103

Hình 3 16a Bản đồ đẳng trị tham số a1 của phương trình cường độ mưa với P =10% 105

Hình 3 16b Bản đồ đẳng trị tham số a2 của phương trình cường độ mưa với P =10% 105

Hình 3 16c Bản đồ đẳng trị tham số n1 của phương trình cường độ mưa với P =10% 106

Hình 3 16d Bản đồ đẳng trị tham số n2 của phương trình cường độ mưa với P =10% 106

Hình 3 17(a,b,c,d,e): Biểu đồ phân bố các tr n mưa điển hình 5 ngày max 111

Hình 3 18 Biểu đồ phân bố mưa 3 tr n mưa điển hình 3 ngày max 114

Hình 3 19 Giản đồ hệ số tiêu mô phỏng cho các tr n mưa thiết kế 115

Hình 3 20 Giản đồ hệ số tiêu mô phỏng cho các tr n mưa lớn nh t năm 1985 116

Hình 3.21 Giản đồ hệ số tiêu mô phỏng cho các tr n mưa lớn nh t năm 1986 116

Hình 3 22 Đường tần su t hệ số tiêu toàn liệt ứng với btràn3 = 0,35m/ha 119

Hình 3 23 Mô hình mưa thiết kế 5 ngày max – Hà Nam 121

Hình 3 24 Sơ đồ hệ thống tiêu vùng hỗn hợp trồng lúa và khu dân cư 123

Hình 3 25 Đường Q  t tại nút 12 124

Hình 3 26 Đường Q  t tại nút 12 124

Hình 3.27 Quan hệ giữa hệ số K và tỷ số l 127

Hình 3 28 Sơ đồ các loại m c nước trong hồ điều hoà 128

Hình 3.29 Quan hệ giữa hệ số K và tỷ số l trường hợp có kể hồ điều hòa 133

ix

D NH ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Các hệ số trong phương trình (1-8) cho thời k xu t hiện lại 10 năm 19

tại một số địa phương ở Hoa K 19

Bảng 1 2 Bảng xác định chu k lặp lại tr n mưa tính toán P đối với các loại đô thị 21

Bảng 1 3 Bảng kết quả nội suy tham số của phương trình lượng mưa một số khu v c thuộc lưu v c sông Tre Venezie, ứng với chu k lặp lại T = 50 năm 25

Bảng 1 4 Phân bố diện tích vùng đồng bằng Bắc Bộ theo cao độ [18] 34

Bảng 1 5 S thay đổi các yếu tố giữa Quy hoạch 2012 [58] với quy hoạch năm 2016 [57] 36

Bảng 1 6 Thống kê các trạm đo mưa t ghi vùng đồng bằng Bắc Bộ 38

Bảng 1 7 Tổng hợp hiện trạng công trình tiêu đồng bằng sông Hồng [50] 41

Bảng 2 1 Kết quả kiểm tra 2 cho lượng mưa 120h max trạm Nam Định 48

Bảng 2 4 Hệ số phân bố mưa rào n (ph l c B2 của TCVN 7957: 2008) 52

Bảng 3 1 Lượng mưa lớn nh t (mm) tương ứng với các thời đoạn và thời gian xu t hiện lại (T) hay tần su t (P) của trạm Phủ Lý 73

Bảng 3 2 Phương trình biểu thị quan hệ H  d của các trạm ứng với T = 2 năm 75

Bảng 3 3 Phương trình biểu thị quan hệ H  d của các trạm ứng với T = 5 năm 75

Bảng 3 4 Phương trình biểu thị quan hệ H  d của các trạm ứng với T = 10 năm 76

Bảng 3 5 Phương trình biểu thị quan hệ H d của các trạm ứng với T = 20 năm 77

Bảng 3 6 Phương trình biểu thị quan hệ I d của các trạm ứng với T = 2 năm 78

Bảng 3 7 Tổng hợp các tham số của phương trình I = a dn-1 ứng với T = 2 năm 78

Bảng 3 8 Phương trình biểu thị quan hệ I d của các trạm ứng với T = 5 năm 79

Bảng 3 9 Tổng hợp các tham số của phương trình I = a dn-1 ứng với T = 5 năm 79

Bảng 3 10 Phương trình biểu thị quan hệ I  d của các trạm ứng với T = 10 năm 80

Bảng 3 11 Tổng hợp các tham số của phương trình I = a dn-1 ứng với T = 10 năm 80

Bảng 3 12 Phương trình biểu thị quan hệ I  d của các trạm ứng với T = 20 năm 81

Bảng 3 13 Tổng hợp các tham số của phương trình I = a dn1-1 ứng với T = 20 năm 81

Bảng 3 14 So sánh kết quả tính lượng mưa thời đoạn ngắn theo các công thức ứng với chu k lặp lại 10 năm của trạm Phủ Lý 83

Bảng 3.15 Tổng hợp s thay đổi của các tham số a, n theo các chu k lặp lại 84

x

Bảng 3 16 Bảng thống kê thông số diện tích các tiểu khu tiêu 88

Bảng 3 17 Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và th c đo 91

Bảng 3 18 Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và th c đo 93

Bảng 3 19 Tổng hợp kết quả tính lưu lượng tiêu hệ thống trạm bơm Phủ Lý 96

Bảng 3.20 Bảng tổng hợp lượng mưa - thời gian của 15 trạm (tần su t P = 10 %) 98

Bảng 3 21 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ nh t 108

Bảng 3 22 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ hai 108

Bảng 3 23 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ ba 109

Bảng 3 24 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ tư 109

Bảng 3 25 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ năm 109

Bảng 3 26 Bảng tổng hợp các tr n mưa điển hình 110

Bảng 3 27 Phân bố mưa 5 ngày max sau khi thu phóng 110

Bảng 3 28 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ nh t 112

Bảng 3 30 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ ba 113

Bảng 3 31 Bảng tổng hợp 3 tr n mưa điển hình 3 ngày max 113

Bảng 3 32 Phân bố mưa 3 ngày max sau khi thu phóng 113

Bảng 3 33 Bảng tổng hợp kết quả tính hệ số tiêu thiết kế và btràn tương ứng 116

Bảng 3 34 Kết quả tính hệ số tiêu toàn liệt lớn nh t ứng với btrànmax 117

(của các mô hình mưa 5 ngày max) 117

Bảng 3 35 Kết quả tính hệ số tiêu toàn liệt lớn nh t ứng với btrànmax 118

(của các mô hình mưa 3 ngày max) 118

Bảng 3 36 Bảng tổng hợp kết quả xác định hệ số tiêu toàn liệt qtlP 120

Bảng 3 37 Bảng tổng hợp kết quả xác định chỉ số sai số tương đối q 120

Bảng 3 38 Mô hình mưa thiết kế 5 ngày max – Hà Nam 121

Bảng 3 39 Bảng tổng hợp diện tích khu tiêu của HT theo các phương án khác nhau 123 Bảng 3 41 Bảng tổng hợp kết quả tính lưu lượng tiêu theo mô hình mưa ngày 126

Bảng 3 42 Bảng tổng hợp kết quả tính hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu 127

Bảng 3 43 Bảng tổng hợp kết quả tính Qh có kể hồ điều bằng SWMM 130

Bảng 3 44 Bảng tổng hợp kết quả tính Qh có kể hồ điều hòa (TCVN 10406) 131

IDF Intensity - Duration - Frequency (Quan hệ Cường độ mưa –

thời gian mưa – tần su t)

Trong công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu, một trong những nội dung quan trọng là xác định mô hình mưa thiết kế và tính toán lưu lượng tiêu thiết kế Tuy đã có nhiều nghiên cứu về v n đề này nhưng vẫn còn có một số tồn tại như:

i) Đối với vùng đô thị hay dân cư t p trung hiện nay vẫn dùng công thức cường độ giới hạn để tính lưu lượng tiêu thiết kế (Q = q.C.F), trong đó công thức tính cường độ mưa (q) được xây d ng trên cơ sở bộ số liệu trước đây do đó cần c p nh t, cải tiến với bộ

số liệu mới nhằm tăng tính chính xác cho kết quả tính toán

ii) Trong TCVN 7957:2008, các hằng số khí h u trong công thức [q=A(1+ClogP)/(t+b)n] chỉ cho biết tại các vị trí có trạm đo, những vùng xa trạm đo vẫn sử d ng tham số của trạm gần nh t, như v y không x t đến s biến đổi của lượng mưa theo không gian Ví d khi tính toán thiết kế cho hệ thống tiêu của huyện Phú Xuyên, Hà Nội mà dùng số liệu mưa của trạm Phủ Lý sẽ khó đảm bảo độ chính xác

iii) Hiện nay trong tính toán hệ số tiêu cho lúa, mô hình mưa được xác định theo phương pháp thu phóng tr n mưa điển hình thường dẫn đến kết quả hệ số lưu lượng tiêu lớn hơn hoặc nhỏ hơn ứng với tần su t thiết kế vì phân bố của tr n mưa thiết kế

ph thuộc vào phân bố của tr n mưa điển hình, trong khi tr n mưa điển hình được chọn thường d a trên tổng lượng mưa của cả tr n

2

iv) Tính toán lưu lượng tiêu thiết kế có ý nghĩa kinh tế, kỹ thu t lớn vì nó quyết định đến quy mô hệ thống, năng l c, hiệu quả làm việc của các công trình trong hệ thống tiêu, quyết định tr c tiếp đến chi phí giá thành của các công trình tiêu cũng như cả hệ thống tiêu Các vùng tiêu ở đồng bằng Bắc Bộ đại đa số là vùng tiêu hỗn hợp cả nông nghiệp và dân cư, đô thị Tuy nhiên việc chọn mô hình mưa ngày để xác định tr n mưa thiết kế cho các hệ thống tiêu nông nghiệp và đô thị hỗn hợp sẽ dẫn đến kết quả tính toán lưu lượng tiêu thiết kế của các công trình tiêu như kênh, cống, trạm bơm thiên nhỏ và không đảm bảo an toàn chống ng p l t nếu như có đoạn kênh tiêu đi qua khu dân cư hay bờ kênh kết hợp đường giao thông mà có yêu cầu mưa giờ nào tiêu hết giờ

đó, ví d như kênh tiêu chính của: trạm bơm Hữu Hòa huyện Thanh Trì, trạm bơm Thạc Quả huyện Đông Anh, trạm bơm Phù Đổng huyện Gia Lâm; trạm bơm Lạc Tràng ở Phủ Lý, Hà Nam và nhiều hệ thống tiêu khác thuộc vùng ĐBBB

Chính vì v y, việc thiết l p mối quan hệ giữa lưu lượng tiêu tính theo mô hình mưa giờ

và mô hình mưa ngày cho các hệ thống tiêu nông nghiệp và đô thị hỗn hợp làm cơ sở xác định lưu lượng tiêu thiết kế ứng với mô hình mưa giờ của các công trình tiêu khi biết lưu lượng tiêu thiết kế tính theo mô hình mưa ngày là r t cần thiết trong th c tiễn hiện nay khi tốc độ đô thị hóa tăng nhanh cùng với s chuyển đổi sử d ng đ t của các

hệ thống luôn biến động Ngoài ra, để thu n tiện cho việc xác định mô hình mưa tiêu thiết kế cho các tiểu vùng trong khu v c đồng bằng Bắc Bộ, việc xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế ứng với các thời gian mưa và tần su t khác nhau và chuẩn hóa các mô hình mưa thiết kế dùng chung cho các tiểu vùng để tính toán lưu lượng tiêu thiết kế ph c v cho công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu là r t cần thiết

Với những lý do đã nêu ở trên, đề tài: “Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định

mô hình mưa và tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ” được đề xu t nghiên cứu

2 ục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa tiêu thiết kế và lưu lượng tiêu thiết kế nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả tính toán lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ

3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mưa tiêu thiết kế và lưu lượng tiêu thiết kế

- Phạm vi nghiên cứu: Vùng đồng bằng Bắc Bộ

4 Nội dung nghiên cứu

i) Nghiên cứu xây d ng quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) và quan

hệ cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t (IDF) d a trên tài liệu mưa giờ được c p

nh t mới nh t, nhằm nâng cao độ chính xác khi xác định lưu lượng thiết kế của các hệ thống tiêu

ii) Nghiên cứu xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa và bản đồ đẳng trị các tham số của công thức cường độ mưa nhằm nội suy không gian, xác định lượng mưa và cường

độ mưa tại những vị trí không có trạm đo mưa

iii) Nghiên cứu đề xu t phương pháp và l a chọn mô hình mưa tiêu thiết kế hợp lý bằng phương pháp mô phỏng toàn liệt các tr n mưa đã xảy ra trong th c tế để tính toán chế độ tiêu và lưu lượng tiêu thiết kế cho các vùng trồng lúa ở ĐBBB Ứng d ng cho khu v c Hà Nam

iv) Nghiên cứu thiết l p hệ số hiệu chỉnh lưu lượng thiết kế cho các hệ thống tiêu của vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp, dân cư đô thị t mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế th a có chọn lọc những kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và

ngoài nước về những v n đề có liên quan đến đề tài

- Phương pháp thu th p tài liệu và phân tích thống kê nhằm tổng hợp, đánh giá biến động của mưa theo không gian và thời gian; khảo sát và nghiên cứu th c tế, t đó rút

ra các cơ sở khoa học cho việc l a chọn phương pháp th c hiện

- Phương pháp phân tích tương quan và hồi quy th c nghiệm để xây d ng quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) và quan hệ cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t (IDF)

4

- Phương pháp mô hình, mô phỏng để l a chọn xác định mô hình mưa tiêu thiết kế và tính lưu lượng tiêu thiết kế đồng thời đánh giá khả năng ứng d ng kết quả nghiên cứu của lu n án vào th c tiễn

6 Ý nghĩ kho học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học

- Lu n án đã góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học và phương pháp lu n xác định cường

độ mưa thiết kế để tính toán lưu lượng thiết kế của các hệ thống thoát nước mưa khu dân cư, đô thị vùng đồng bằng Bắc Bộ

- Lu n án đã cung c p cơ sở khoa học để l a chọn mô hình mưa thiết kế hợp lý tính toán hệ số tiêu cho lúa vùng đồng bằng Bắc Bộ

- Lu n án đã bổ sung phương pháp xác định nhanh lưu lượng tiêu thiết kế ứng với mô hình mưa giờ cho các hệ thống tiêu hỗn hợp khi biết hệ số tiêu tính theo mô hình mưa ngày ph c v bài toán quy hoạch, thiết kế sơ bộ hệ thống tiêu

b) Ý nghĩa th c tiễn

- Kết quả nghiên cứu của lu n án có thể được ứng d ng trong công tác quy hoạch, thiết

kế các hệ thống tiêu thoát nước mưa khu v c dân cư, đô thị và hệ thống tiêu nông nghiệp – dân cư vùng đồng bằng Bắc Bộ

- Sử d ng các bản đồ đẳng trị mưa để xác định lượng mưa tại các vị trí không có trạm

đo mưa sẽ khắc ph c được hạn chế hiện nay khi tính toán quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ

7 Cấu trúc luận án

Ngoài phần Mở đầu, Kết lu n và kiến nghị, lu n án được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo lu n

5

1.1 Tổng qu n v mô hình mư tiêu thiết kế

1.1.1 Khái niệm về mô hình mưa tiêu thiết kế

Mô hình mưa tiêu thiết kế là một mô hình mưa ứng với tần su t thiết kế được xác định dùng để thiết kế một hệ thống tiêu nào đó Mô hình tr n mưa tiêu thiết kế bao gồm: thời gian mưa; tổng lượng mưa của cả tr n mưa tương ứng với tần su t thiết kế và phân bố mưa theo thời gian của tr n mưa tương ứng với tần su t thiết kế

Mưa thiết kế được tính toán xác định d a trên cơ sở các số liệu đo đạc về mưa trong nhiều năm tại một địa điểm hoặc d a theo các đặc tính chung của mưa trong các vùng lân c n, hoặc được xác định bằng bản đồ đường đẳng trị lượng mưa, một mô hình biểu thị phân bố của mưa trong không gian

Phạm vi ứng d ng của mưa thiết kế r t rộng lớn t việc sử d ng giá trị mưa điểm để xác định lưu lượng đỉnh trong hệ thống tiêu nước cho đến dùng đường quá trình mưa thiết kế làm đầu vào cho các mô hình phân tích mưa rào –dòng chảy của các khu v c ngăn nước mưa cho các khu dân cư, đô thị hoặc là cơ sở để đề ra các giải pháp cải tạo, nâng c p hay thiết kế các hệ thống tiêu

Một điểm quan trọng trong xác định mưa thiết kế là độ sâu mưa thiết kế (hay còn gọi

là lượng mưa) hoặc cường độ mưa Độ sâu mưa thiết kế là độ sâu lớp nước mưa trong một khoảng thời gian mưa nào đó Đơn vị đo độ sâu mưa thường tính bằng mm hoặc inches (in) Độ sâu mưa thiết kế có thể là độ sâu mưa điểm hoặc độ sâu mưa diện Mưa điểm là mưa xu t hiện tại một điểm đơn độc trong không gian, nó đối l p với mưa diện

là mưa xu t hiện trên một vùng nào đó

Trong lu n án, để thống nh t ký hiệu: lượng mưa được ký hiệu là H (mm); cường độ mưa được ký hiệu là I (mm/h hoặc mm/phút); thời gian mưa được ký hiệu là d (giờ hoặc phút)

6

1.1.2 Các nghiên cứu về xác định mô hình mưa tiêu thiết kế

Phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế (Design storm) đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả trên thế giới, hiện nay được chia thành ba nhóm: i) Xác định mô hình mưa thiết kế d a vào phân bố mưa của tr n mưa điển hình đã xảy ra trong th c tế; ii)

Mô hình mưa thiết kế được xác định d a vào quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần

su t (DDF) và cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t (IDF); iii) L a chọn mô hình mưa thiết kế d a vào mô phỏng toàn liệt các tr n mưa đã xảy ra trong th c tế

1.1.2.1 Nhóm phương pháp thứ nhất

Xác định mô hình mưa thiết kế d a vào phân bố mưa của tr n mưa điển hình đã xảy ra trong th c tế Gồm các nghiên cứu điển hình như: Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967), đã xây d ng một mô hình mưa thiết kế dạng phân bố theo thời gian cho vùng Illinois[1] Yen và Chow (1980) đã đề xu t một mô hình mưa dạng tam giác cho bốn vùng của Mỹ là: Illinois; Massachusetts; New Jersey và California[2]; Cơ quan bảo vệ

đ t Hoa K (SCS, 1986) đã xây d ng 04 mô hình mưa thiết kế không thứ nguyên với thời gian mưa 6 giờ và 24 giờ và phân vùng sử d ng các mô hình mưa đó cho toàn lãnh thổ Hoa K [3]; Ngoài ra, còn có một số phương pháp xác định mưa thiết kế khác như của Petrovic (1998) [4], Peyron (2002)[5] Nhóm phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế này có ưu điểm là: dạng phân bố của mưa gần giống với các tr n mưa đã xảy ra trong th c tế Tuy nhiên cũng có mặt hạn chế đó là chưa có tiêu chí c thể để

nh n dạng tr n mưa điển hình; đồng thời kết quả ph thuộc vào chủ quan người tính toán xác định, m t nhiều thời gian Như v y muốn chọn được mô hình tr n mưa điển hình phù hợp với điều kiện c thể của t ng vùng đòi hỏi phải phân tích kỹ số liệu

thống kê để xác định được dạng mô hình thường gặp (có tần su t xu t hiện lớn nh t)

1.1.2.2 Nhóm phương pháp thứ hai

Mô hình mưa thiết kế được xác định d a vào quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần

su t (DDF) và cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t (IDF) điển hình như: Chow (1988) đã đề xu t mô hình mưa khối xen kẽ d a trên mối quan hệ lượng mưa-thời gian mưa-tần su t [3]; Keifer và Chu (1957) đã đề xu t một một mô hình mưa giả tưởng để thiết kế hệ thống thoát nước ở Chicago[6]

Ưu điểm của phương pháp này là các mô hình mưa thiết kế được xác định nhanh thông qua kết quả quan hệ DDF và IDF Tuy nhiên cũng có nhược điểm đó là dạng phân bố của mô hình mưa không giống tr n mưa th c tế

7

1.1.2.3 Nhóm phương pháp thứ ba

Cơ sở của phương pháp l a chọn mô hình mưa thiết kế thích hợp nh t d a trên kết quả

mô phỏng mưa toàn liệt các tr n mưa xảy ra trong quá khứ, điển hình như: Cao (1993)[7]; Despotovic (1996)[8]; Alfieri (2007) [9] và Nguyễn Tu n Anh (2012) [17] với nguyên tắc là: mô hình mưa tiêu thiết kế được gọi là thích hợp nh t khi nó tạo ra dòng chảy lớn nh t xác định được t phân tích tần su t liệt dòng chảy đo đạc hoặc liệt dòng chảy mô phỏng t các tr n mưa đã đo đạc

Ưu điểm của phương pháp là qua mô phỏng toàn liệt sẽ l a chọn được mô hình mưa tốt nh t là mô hình mưa tạo ra dòng chảy có tần su t xu t hiện sát nh t với tần su t thiết kế của tr n mưa đã xảy ra trong quá khứ Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là khối lượng tính toán lớn do đó m t nhiều thời gian

Dưới đây lu n án giới thiệu chi tiết một số phương pháp xác định mô hình mưa hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay:

Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967) [1]: Huff thiết l p các quan hệ phân bố theo thời gian của các tr n mưa rào lớn trên các diện tích rộng tới 400 mi2 tại Illinois Mô hình phân bố theo thời gian được xây d ng cho 4 nhóm xác su t, t nhóm mưa c c đoan nh t (nhóm thứ nh t) đến nhóm mưa ít c c đoan nh t (nhóm thứ tư) Hình 1.1 trình bày phân bố xác su t của các tr n mưa rào thuộc nhóm đầu tiên (nhóm mưa c c đoan nh t) Đó là những đường cong trơn chu, chúng phản ánh phân bố theo thời gian của lượng mưa trung bình và không thể hiện được các đặc tính thay đổi g p của các

tr n mưa rào th c tế

Hình 1 1 Phân bố xác su t của các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois[1]

Số phần trăm tích lũy thời gian mưa

8

T biểu đồ phân bố xác su t của tr n mưa nhóm thứ nh t người ta thiết l p các biểu đồ chọn lọc cho các tr n mưa nhóm thứ nh t ứng với các xác su t lũy tích 10%, 50% và 90% (Hình 1 2 đến hình 1 4), mỗi biểu đồ biểu thị số phần trăm của tổng lượng mưa trong mỗi khoảng số gia 10% của thời gian mưa

Hình 1.2 Biểu đồ xác su t 10% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois

Hình 1.3 Biểu đồ xác su t 50% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois

Hình 1.4 Biểu đồ xác su t 90% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois

60 50

30

10

Số phần trăm tích lũy của thời gian mưa

9

Cơ quan bảo vệ đ t Hoa K (SCS, 1986)[3]: Đã xây d ng 04 mô hình mưa thiết kế không thứ nguyên với thời gian mưa 6 giờ và 24 giờ và phân vùng sử d ng các mô hình mưa đó cho toàn lãnh thổ Hoa K Các phân bố mưa thiết kế gồm 4 loại: I, IA, II, III, trong đó loại I và IA xây d ng cho vùng biển Thái Bình Dương; loại III xây d ng cho các vùng ở Mexico và bờ biển Đại Tây Dương nơi có tr n mưa rào nhiệt đới với

lượng mưa 24h r t lớn; các vùng còn lại dùng loại II

Hình 1.5 Các đường quá trình mưa lũy tích mưa trong 24 giờ của SCS Hoa K

Hình 1 6 Phạm vi áp d ng các loại đường quá trình mưa của SCS trên lãnh thổ Hoa K

Phương pháp mô hình mưa khối xen kẽ của Chow (1988) [3]: Với phương pháp này

mô hình mưa thiết kế t một đường cong quan hệ cường độ- thời gian mưa- tần su t (IDF) hoặc quan hệ lượng mưa- thời gian mưa- tần su t (DDF) Mô hình mưa này được đặc trưng bởi độ sâu mưa xu t hiện trong n khoảng thời gian t kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa Td n.t Sau khi l a chọn thời k xu t hiện lại thiết kế, ta đọc cường độ mưa cho mỗi thời gian mưa t , 2t , 3t t một đường IDF tương ứng

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

d

T

H

I2

Hình 1 8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác

Thời gian mưa

d

r =

11

Ta định nghĩa một hệ số trước đỉnh r, đó là tỉ số của thời gian xu t hiện đỉnh mưa (da)

so với tổng thời gian mưa (Td)

  d a

d b d

a

T r d

T d T

d

Với giá trị của r = 0,5 tương ứng với cường độ mưa lớn nh t xu t hiện tại điểm giữa của thời gian mưa Td Với r < 0,5 thì thời điểm xu t hiện cường độ mưa lớn nh t sẽ sớm hơn và ngược lại nếu r > 0,5 thì sẽ ch m hơn Giá trị thích hợp của r được xác định bằng cách tính toán tỷ số của thời gian xu t hiện đỉnh so với tổng thời gian mưa của nhiều tr n mưa th c đo với thời gian mưa khác nhau và l y giá trị trung bình theo trọng số thời gian mưa của các tỷ số đó [2]

1.1.3 Các nghiên cứu xác định mô hình mưa tiêu thiết kế ở Việt Nam

1.1.3.1 Phương pháp thu phóng trận mưa điển hình

Ở Việt Nam, trong công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu nước mặt (gồm cả vùng nông nghiệp mà chủ yếu là lúa nước và các vùng dân cư, đô thị ) hiện nay thường sử d ng phương pháp thu phóng tr n mưa điển hình với tài liệu mưa ngày để xác định tr n mưa thiết kế, được xác định theo các bước sau [10]:

Bước 1: Xác định lượng mưa 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày lớn nh t theo quan điểm

mưa các thời khoảng dài có chứa mưa thời khoảng ngắn vì nó cho ta kết quả thống

nh t và nhiều khả năng xu t hiện nh t trong th c tế

Bước 2: Tính lượng mưa tiêu thiết kế

Theo kết quả thống kê lượng mưa ứng với các thời khoảng khác nhau (1, 3, 5 và 7 ngày lớn nh t) của trạm mưa đã chọn, tiến hành tính các tham số thống kê, vẽ đường tần su t lý lu n và xác định lượng mưa tiêu ứng với tần su t thiết kế (X10%)

Bước 3: Chọn tr n mưa điển hình Một mô hình mưa điển hình thường được chọn d a

trên các yêu cầu sau:

+ Tr n mưa lớn đã xảy ra gây úng lớn trong th c tế là đại biểu cho một nguyên nhân gây mưa úng nh t định trong khu v c

Bước 4: Thu phóng tr n mưa điển hình Có hai phương pháp thu phóng mô hình mưa

điển hình thành mô hình mưa thiết kế:

* Phương pháp thu phóng cùng tần suất (theo 3 tỷ số):

- Theo phương pháp này ngày mưa thứ nh t được thu phóng theo tỷ số”

dh

P

X

X k

max 1

max 1

- Hai ngày còn lại trong ba ngày lớn nh t thu phóng theo tỷ số:

dh dh

P P

X X

X X

k

max 1 max

3

max 1 max 3

P P

X X

X X

k

max 3 max

5

max 3 max 5

max

max

Trong đó: k là hệ số thu phóng

Xmax P là lượng mưa thiết kế với tần su t P

Xmax đh là lượng mưa của tr n mưa điển hình

d ng rộng rãi ở Việt Nam

- Ưu điểm của phương pháp: D a vào tài liệu thống kê, đo đạc sẵn có qua nhiều năm

của các trạm để chọn ra mô hình mưa tiêu thiết kế, phương pháp này đơn giản, dễ xây

d ng d a trên những điều kiện:

+ Mô hình mưa đã xu t hiện trong th c tế có dạng phân phối là phổ biến và thiên về

b t lợi;

+ Lượng mưa toàn tr n mưa bằng hoặc x p xỉ lượng mưa của tr n mưa thiết kế;

+ Mô hình mưa b t lợi về tiêu là mô hình mưa có vị trí ngày mưa lớn nh t ở cuối thời đoạn mưa

- Nhược điểm của phương pháp: Phân bố mưa của tr n mưa thiết kế ph thuộc vào

phân bố mưa của tr n mưa điển hình, trong khi tr n mưa điển hình được chọn thường

d a trên tổng lượng mưa của cả tr n Những tr n mưa điển hình có tổng lượng mưa lớn này thường không chứa những đỉnh mưa có cường độ lớn, vì v y thường cho kết quả dòng chảy thiên nhỏ

Mặt khác, tr n mưa thiết kế d a trên tài liệu mưa ngày này cũng sẽ cho kết quả thiên nhỏ vì cường độ mưa được coi như phân bố đều trong mỗi ngày và không đảm bảo an toàn nếu như có đoạn kênh tiêu đi qua khu dân cư hay bờ kênh kết hợp đường giao thông mà có yêu cầu mưa giờ nào tiêu hết giờ đó

Ví d như kênh tiêu chính của: trạm bơm Hữu Hòa huyện Thanh Trì, trạm bơm Thạc Quả huyện Đông Anh, trạm bơm Phù Đổng huyện Gia Lâm, trạm bơm Lạc Tràng ở Phủ Lý và cũng như nhiều hệ thống tiêu ở những địa phương khác

14

1.1.3.2 Một số nghiên cứu khác

- Tác giả Trịnh Kim Sinh (2009) [12]: Nghiên cứu ảnh hưởng của dạng mô hình phân

phối mưa đến chế độ tiêu nước mặt ruộng lúa, qua phân tích số liệu thống kê mưa ngày lớn nh t năm của liệt tài liệu đo mưa ngày 22 năm (t 1985 đến 2006) của Trung tâm D báo khí tượng thủy văn tỉnh Hà Nam, đã xác định được mô hình mưa tiêu thiết

kế áp d ng cho vùng nghiên cứu nên chọn mô hình mưa 5 ngày lớn nh t có đỉnh mưa rơi vào ngày thứ 3 và thứ 4 là b t lợi cho tiêu vì kết quả tính toán hệ số tiêu là lớn nh t

để đảm bảo an toàn cho việc tiêu úng Tuy nhiên với kết quả này dùng để tính toán thiết kế hệ thống tiêu sẽ có quy mô hệ thống công trình tiêu lớn dẫn đến gây lãng phí

và như v y bài toán thiết kế mới chỉ thỏa mãn về điều kiện kỹ thu t nếu dùng kết quả

xác định mô hình mưa tiêu thiết kế ứng với hệ số tiêu lớn nh t

- Tác giả Bùi Nam Sách, (2000) [13], [14], [15]: Các kết quả nghiên cứu đã chỉ rõ: với

đặc điểm địa lý t nhiên của vùng ĐBBB trong tính toán xác định mô hình mưa tiêu thiết kế cho nông nghiệp áp d ng cho vùng ĐBBB nên chọn tr n mưa 5 ngày lớn nh t với dạng mô hình phân phối có đỉnh rơi vào ngày thứ hai hoặc thứ ba của tr n mưa Đối với các khu v c công nghiệp và đô thị mô hình mưa tiêu thiết kế cho các đối tượng tiêu nước này phải là mưa giờ Nếu các thành phố và khu công nghiệp t p trung nằm riêng biệt như một hệ thống tiêu độc l p, có mạng lưới kênh tiêu riêng và được tiêu tr c tiếp ra sông lớn hoặc ra biển như khu v c nội thành Hà Nội nằm phía đông sông Tô Lịch (lưu v c tiêu của trạm bơm yên Sở) hoặc khu v c các qu n nội thành của thành phố Hải Phòng có thể áp d ng mô hình mưa tiêu thiết kế riêng Hiện nay phần lớn các đô thị t loại I trở xuống tr c thuộc tỉnh và khu công nghiệp ở ĐBBB đều

là một bộ ph n hay một loại đối tượng tiêu nước của các hệ thống thủy lợi Do v y, khi tính toán xác định hệ số tiêu thiết kế cho loại đối tượng tiêu nước này nên sử d ng dạng mô hình mưa tiêu thiết kế áp d ng chung cho cả hệ thống thủy lợi (có cùng tần

su t, cùng tổng lượng mưa, số ngày mưa, dạng phân phối lượng mưa của tr n mưa thiết kế) nhưng mô hình phân phối mưa phải l y theo giờ cho cả tr n mưa và hệ số tiêu cũng được tính theo giờ Tuy nhiên nghiên cứu mới chỉ d ng lại ở việc đề c p, xem

x t tính cần thiết của việc áp d ng mô hình mưa giờ chứ chưa xây d ng được mô hình mưa giờ áp d ng cho các khu dân cư, đô thị, công nghiệp hay hỗn hợp

15

- Tác giả Nguyễn Tu n Anh, 2015 [16], [17], [18]: Nghiên cứu phát triển một phương pháp l a chọn mô hình mưa thiết kế cho các hệ thống tiêu nông nghiệp và đô thị hỗn hợp ở đồng bằng Bắc Bộ Phương pháp này d a trên quan điểm rằng, một mô hình mưa tiêu thiết kế được gọi là thích hợp nh t khi nó tạo ra dòng chảy có giá trị lưu lượng đỉnh hoặc tổng lượng sát nh t với giá trị lưu lượng đỉnh hoặc tổng lượng xác định được t phân tích tần su t liệt dòng chảy đo đạc hoặc liệt dòng chảy mô phỏng t các tr n mưa đã đo đạc Tuy nhiên nghiên cứu chưa x t riêng cho vùng trồng lúa hay các khu dân cư t p trung và cũng chưa xây d ng được hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu cho vùng hỗn hợp t mô hình mưa giờ và mưa ngày

- Tác giả Nguyễn Mạnh Hùng, 2010 [19]: Nghiên cứu xây d ng mô hình mưa ngày theo phương pháp khối xen kẽ với bộ số liệu mưa ngày lớn nh t trạm Láng - Hà Nội (1961-2001) và mô hình mưa giờ theo phương pháp khối xen kẽ với số liệu mưa giờ lớn nh t năm trạm Láng - Hà Nội (1985 – 2004) Nghiên cứu đã l a chọn mô hình mưa tiêu thiết kế thích hợp nh t và đã áp d ng phương pháp này cho lưu v c tiêu Hữu Hòa - Thanh Trì - Hà Nội

- Tác giả Lã Thanh Hà, (2011) [20]: Nghiên cứu xây d ng mô hình mưa ngày theo phương pháp khối xen kẽ với bộ số liệu mưa giờ lớn nh t năm trạm đo mưa t ghi Nam Định (1985 – 2004) Nghiên cứu đã l a chọn mô hình mưa tiêu thiết kế thích hợp

nh t và đã áp d ng phương pháp này cho lưu v c tiêu đô thị là thành phố Nam Định

* Nhận xét chung: Các phương pháp sử d ng trong các nghiên cứu [19], [20] nói

chung đều có ưu điểm là giá trị lưu lượng đỉnh và tổng lượng sát hơn với giá trị đo đạc Tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ xem x t đến mưa điểm (phù hợp cho các lưu v c tiêu nhỏ) mà chưa đề c p đến s phân bố không đều theo không gian của mưa

- yếu tố có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả tính toán mưa-dòng chảy đối với các lưu

v c tiêu lớn và v a

16

1.2 Tổng qu n các nghiên cứu v qu n hệ lượng mư – thời gian mư – t n suất (DD ) và qu n hệ cường ộ mư -thời gi n mư -t n suất (ID )

1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần suất

Lượng mưa thể hiện s biến động lớn theo thời gian và không gian Các đặc tính tỷ lệ của thời đoạn mưa được mô tả bằng đường cong quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t tại một trạm đo mưa, được sử d ng rộng rãi trong tính toán mưa thiết kế Mô hình này cho ph p tham số hóa đường cong DDF một cách hiệu quả và chi tiết, đưa ra các kết quả chính xác hơn trong việc xác định lượng mưa thiết kế

Vì xác su t lượng mưa c c đại được kiểm tra, người ta phải xem x t độ sâu tối đa của lượng mưa được ghi lại trong một khoảng thời gian nh t định T (ví d như T = 10 năm) Theo đó, người ta phải tìm kiếm các phân phối xác su t của lượng mưa lớn nh t Biến ngẫu nhiên này đại diện cho chiều sâu mưa lớn nh t ghi lại trong một khoảng thời gian d, và nó được tham số hóa theo thời gian Tại Lanzada, trong vùng núi Alps miền Bắc Italy, những dữ liệu mưa được cung c p hàng năm bởi Dịch v Thủy văn Italia cho năm khoảng thời gian kinh điển, đó là 1, 3, 6, 12 và 24 giờ, đối với một số lượng trạm lớn ở Italy[21]

Mô hình thu phóng đơn và đa chiều biểu thị mối quan hệ giữa lượng mưa – thời gian mưa – tần su t của Paolo Burlando, Renzo Rosso (1995)[23]: Lượng mưa thể hiện s biến động lớn theo thời gian và không gian Các đặc tính tỷ lệ của thời đoạn mưa được

mô tả bằng đường cong quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) tại một trạm đo mưa, được sử d ng rộng rãi trong tính toán mưa thiết kế Tính ch t tỷ lệ không đổi của xác su t xu t hiện tr n mưa lớn, được thể hiện tính thu phóng một chiều hoặc thu phóng đa chiều để mô tả c u trúc thời gian của lượng mưa lớn nh t, nhờ đó đưa ra một quy chuẩn không phân bố tổng quát được mô tả bởi đường cong DDF đơn hay đa chiều t số liệu mưa lớn nh t các thời đoạn Mô hình này cho ph p tham số hóa đường cong DDF một cách hiệu quả và chi tiết, đưa ra các kết quả chính xác hơn trong việc xác định lượng mưa thiết kế

S tham số hóa của đường cong DDF ph thuộc vào mức tần su t c thể P Ngoài ra

nó ph thuộc vào phân phối xác su t cơ bản được sử d ng với với mỗi thời gian d khác nhau (Villela và Mattos, 1975)[24] ; Wenzel, 1982[25]

17

Theo nhiều nghiên cứu: Chen, C L (1983) [26]; Burlando, P and Rosso, R (1996)[27], đường cong DDF thường được xác định bằng một phương trình tham số (H = a.dn)

Hình 1 9 Các đường cong DDF của mưa lớn nh t thời đoạn ngắn tại trạm Phủ Lý

(tính theo các công thức khác nhau)

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần suất

Quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mưa-tần su t thông thường được biểu diễn dưới dạng đồ thị, trong đó thời gian mưa được đặt trên tr c hoành, cường độ mưa đặt trên

tr c tung và các đường cong tương ứng với thời k xu t hiện lại và được suy ra t quan hệ DDF

2 3 4 5 6 8 10

2 5 10 25 50 100

C¸c ®-êng cong IDF cña m-a lín nhÊt t¹i Chicago

Hình 1.10 Các đường cong IDF của mưa lớn nh t tại Chicago, Hoa K [3] Khi có đủ các số mưa ta có thể xây d ng các đường cong IDF bằng phân tích tần su t Đường cong IDF xây d ng cho mỗi vùng đều có đặc tính riêng do tình hình số liệu mưa và điều kiện địa hình khu v c khác nhau, vì v y mỗi khu v c cần xây d ng bộ đường cong riêng

Một phân phối xác su t thường hay dùng trong phân tích tần su t mưa là phân bố giá trị c c hạn loại I hay phân phối Gumbel El-sayed (2011), [30]: Xây d ng đường cong IDF để l p kế hoạch và thiết kế d án các công trình thủy lợi Nhat, L M., Tachikawa,

Y and Takara, K (2006), [31] đã xây d ng đường cong IDF cho các vùng mưa của đồng bằng sông Hồng

Các đường cong (IDF) quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mưa-tần su t còn được biểu thị bằng phương trình và nhiều công thức khác nhau, ví d phương trình do Wenzel (1982) đề nghị:

fT

Trong đó: i là cường độ mưa thiết kế (in/h);

Thời gian mưa (phút)

19

Tde là thời gian mưa (phút)

c,e,f là các hệ số thay đổi theo địa điểm và theo thời k xu t hiện lại

Bảng 1.1 Các hệ số trong phương trình (1-8) cho thời k xu t hiện lại 10 năm

tại một số địa phương ở Hoa K

- Phương pháp cường độ giới hạn của D F Gorbatrep (1920): Phương pháp này cho

ph p ta xác định cường độ của tr n mưa căn cứ vào lượng nước mưa trung bình hàng năm, chu k làm tràn cống và hằng số khí h u; đồng thời cũng đưa ra một đồ thị quan

hệ giữa cường độ mưa, thời gian mưa và tần su t trên cơ sở công thức tính toán

5,0

A là tham số khí h u;

- Công thức của Viện Nghiên cứu Thủy văn Liên Xô cũ (1941):

5,0

lg

t t P B A

I 



(1-11)

20

Trong đó A, B là các thông số, biến đổi theo khu v c Nếu dùng công thức (1-11) để tính toán cho các hệ thống thoát nước mưa thì kết quả sẽ sai khác so với th c tế t 30 đến 50% Do v y, công thức này không được sử d ng trong tính toán thiết kế hệ thống

thoát nước mưa cho các khu dân cư, đô thị và công nghiêp

- Công thức tính cường độ mưa của Mỹ:

n I A n

Trong đó: In là cường độ mưa ph thuộc vào thời gian mưa (mm/s; mm/phút); I60 là cường độ mưa trong 60 phút với chu k được chọn; A,n là các thông số khí h u ph thuộc thời gian mưa

- Công thức tính cường độ mưa của Rayhonda (Đức):

q

(1-13)

Trong đó: q15 là cường độ mưa trong 15 phút với chu k P = 1 năm (l/s ha); P là tần

su t mưa (%); a,b là các thông số khí h u

- Công thức tính cường độ mưa của GS Poomianoopski (Ba Lan):

n P

a

J 

(1-14)

Trong đó: J là cường độ mưa tính bằng mm/h; P là tần su t mưa (%); a là thông số khí

h u ph thuộc vào thời gian mưa

- Và còn nhiều công thức khác của Sherman (1931), Bernard (1932)

P C A q

Trong đó: q là cường độ mưa tính toán (l/s ha); t là thời gian dòng chảy (phút);

P là chu k lặp lại tr n mưa tính toán (năm);

A, C, b, n là các tham số xác định theo điều kiện của địa phương

Đô thị loại II, III

- Công thức tính cường độ mưa của Viện thiết kế Bộ Giao thông

N b

b t

N B A b

66 , 0

Trong đó: A, B là tham số địa lý: A = 10; B = 12,5

N là độ lặp lại; t là thời gian mưa;

b là tham số hiệu chỉnh: b = 12

n là chỉ số giảm dần cường độ mưa; n = 0,66;

K là hệ số khí h u, tùy thuộc vào vùng khí h u

- Công thức tính cường độ mưa của C c Thủy văn (Trần Việt Liễn - 1979)

P C q

b q

P là chu k lặp lại (năm)

- Công thức tính cường độ mưa của (TS Trần Hữu Uyển - 1973)

15

)lg1(

* Nhận xét: Nhìn chung, các công thức tính toán cường độ mưa nêu ở trên khá đơn

giản, thu n lợi vì quan hệ giữa cường độ mưa và thời gian mưa đều biểu thị theo quy

lu t q = A/tn Tuy nhiên nhiều công thức được xây d ng t những năm 1920, 1941 cho đến những năm 1980, các hằng số khí h u trong các công thức tính cường độ mưa được xây d ng trên cơ sở t liệt số liệu đo mưa trong nhiều năm trước đây, nay không còn phù hợp với tình hình hiện tại khi mà ảnh hưởng của biến đổi khí h u đến mưa c c đoan ngày càng rõ rệt hơn nên việc áp d ng công thức này cho kết quả không còn sát với th c tế Điều này sẽ ảnh hưởng đến mức độ chính xác của kết quả tính toán lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu

Vì v y cần phải nghiên cứu, xem x t s biến động của mưa theo không gian và thời gian đồng thời xây d ng công thức tính cường độ mưa trên cơ sở c p nh t số liệu mưa mới nh t trong vùng theo các phương pháp mới hiện nay

S khác nhau về nguồn cung c p ẩm (hướng truyền ẩm), các tác nhân gây mưa, điều kiện địa hình cùng với s tác động của địa hình đến hoàn lưu khí quyển và tác nhân gây mưa đã làm cho s phân bố của mưa trong không gian r t phức tạp, dẫn đến s phân bố r t không đều trong lãnh thổ và biến đổi mạnh theo độ cao địa hình

Đồng bằng Bắc Bộ, có đặc điểm khí h u nhiệt đới và c n nhiệt đới gió mùa Đây là vùng đại bộ ph n bằng phẳng của tam giác châu giáp biển, chỉ có ít núi có cao độ <

100 m, nên khí h u không có s biến đổi đột ngột theo không gian Lượng mưa trong vùng khá phong phú, nếu x t theo không gian lượng mưa trong khu v c dao động khoảng 1200 – 2000 mm/năm, phần lớn trong khoảng 1800 mm Trong đó các trạm như Hà Nội 1660 mm, Sơn Tây 1850 mm, Phủ Lý 1880 mm, Nam Định 1730 mm, Ninh Bình 1830 mm, Thái Bình 1750 mm Các tr n mưa có tổng lượng lớn hơn 100mm t p trung trong 3-5 ngày mùa mưa nào cũng xu t hiện

Theo các số liệu đã được tổng kết về mưa úng, số tr n mưa có lượng mưa t 200mm chiếm tới 74% số tr n mưa gây úng, số tr n mưa có lượng mưa t 200mm trở

100-23

lên trong 3-5 ngày chiếm tỷ lệ 26% tổng số tr n mưa gây úng Đáng lưu ý là đã xu t hiện các tr n mưa lớn t 300-600 mm trong 3-5 ngày (trung bình khoảng 100-200 mm/ngày) ở một số tỉnh Lượng mưa trong mùa mưa (t tháng 6 đến tháng 10) chiếm

70  80% tổng lượng mưa cả năm, mùa khô tổng lượng mưa chỉ chiếm 20-30% lượng mưa cả năm Trong mùa mưa, lượng mưa lớn thường t p trung trong các nhóm ngày max

Đường đẳng trị mưa là đường cong nối liền các điểm trên bản đồ có lượng mưa bằng nhau trên cơ sở số liệu th c đo của các trạm đã có thuộc vùng nghiên cứu Tài liệu đo được ở trạm đo mưa chỉ cho ta biết được lượng mưa ở một điểm Trên những lưu v c nhỏ, quan trắc đặt tại địa điểm thích hợp có thể coi lượng mưa trạm đo này đại biểu cho lượng mưa bình quân toàn khu v c Ở khu v c tương đối lớn thì lượng mưa được xác định như v y sẽ dẫn đến kết quả không đảm bảo chính xác

Phương pháp đường đẳng trị có nhiều ưu điểm vì không chỉ cho ta tính được lượng mưa bình quân lưu v c mà còn tính đến s phân bố không đều của mưa theo không gian (như vị trí tâm mưa, xu thế biến đổi của mưa theo các hướng ) do đó cho kết quả chính xác, đặc biệt là xác định được mưa thiết kế tại những khu v c nghiên cứu không

có trạm đo mưa Tuy nhiên, do phải xây d ng bản đồ đẳng trị mưa nên khối lượng tính toán lớn

Trên thế giới đã có các nghiên cứu xây d ng bản đồ đẳng trị mưa như: Hershfield (1961)[32] đã xây d ng bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế cho toàn lãnh thổ Hoa K cho các thời gian mưa t 30 phút đến 24 giờ và chu k lặp lại t 1 năm đến 100 năm, đồng thời cung c p các biểu đồ nội suy cho các thời gian mưa và chu k lặp lại khác không hiển thị trên bản đồ (Hình 1.11 giới thiệu các bản đồ của Hershfield cho mưa thiết kế 2 năm, thời gian mưa 60 phút)

Hình 1.12 Bản đồ đẳng trị tham số của phương trình lượng mưa

lưu v c sông Tre Venezie (Italy)

25

T các bản đồ đẳng trị nội suy được các tham số tại các khu v c cần xây d ng công thức tính lượng mưa trong trường hợp không có trạm đo mưa

Bảng 1.3 Bảng kết quả nội suy tham số của phương trình lượng mưa một số khu v c

thuộc lưu v c sông Tre Venezie, ứng với chu k lặp lại T = 50 năm

T kết quả các giá trị tham số của phương trình lượng mưa bảng 1 3, thiết l p được các phương trình tính lượng mưa cho các khu v c không có trạm đo mưa như hình 1.13 dưới đây:

Hình 1.13 Bản đồ xác định khu v c áp d ng các công thức tính lượng mưa được thiết

l p thuộc lưu v c sông Tre Venezie (Italy)

26

Ở Việt Nam, tác giả Trần Thanh Xuân (2007), [34] Đã nghiên cứu xây d ng bản đồ đẳng trị lượng mưa năm trung bình thời k nhiều năm trên cơ sở số liệu đo mưa tại hơn 700 vị trí đo mưa trên toàn lãnh thổ Việt Nam trong thời k quan trắc tính đến năm 2000 Kết quả cho th y s phân bố mưa trong không gian r t phức tạp dẫn đến s phân bố không đều trong lãnh thổ và biến đổi mạnh theo độ cao địa hình Tuy nhiên nghiên cứu chưa xây d ng bản đồ đẳng trị mưa các thời đoạn ngắn để sử d ng riêng cho các vùng nói nói chung và vùng Đồng bằng Bắc bộ nói riêng

Đặng Quốc Dũng (2015), [35] Đã nghiên cứu xây d ng bản đồ đẳng trị lượng mưa năm khu v c hồ Dầu Tiếng bằng công nghệ Gis và phương pháp nội suy Spline d a trên kết quả đo đạc t 5 trạm đo mưa Dầu Tiếng, Núi Bà, Kà Tum, Lộc Ninh, và Chơn Thành Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng mưa trung bình các năm phân bố không đều theo không gian và thời gian Mưa lớn t p trung chủ yếu ở hướng Bắc và Đông Bắc Khu v c mưa t p trung nhiều là ở Lộc Ninh Nghiên cứu là cơ sở quan trọng ph c v cho công tác d báo mưa và dòng chảy dài hạn tại lưu v c có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý tài nguyên nước và phòng chống lũ l t

Gần đây tác giả Doãn Thị Nội (2016) [36] đã nghiên cứu xây d ng bản đồ đẳng trị cường độ mưa thời đoạn ngắn cho hai tỉnh Bắc Cạn và Lạng Sơn thuộc vùng núi Đông Bắc bằng phần mềm ArcGis với phương pháp nội suy IDW để phân vùng và đánh giá

s thay đổi của mưa theo không gian và thời gian S biến đổi này ph thuộc vào nhiều yếu tố như địa hình, hướng dòng không khí ẩm

Các nghiên cứu phân tích tần su t của mưa diện trên một diện tích (mưa diện) đã không được phát triển tốt như đối với mưa điểm Do không có được các thông tin đầy

đủ về phân bố xác xu t xác th c của mưa diện, người ta thường mở rộng kết quả tính toán mưa điểm để xác định độ sâu mưa trung bình trên một diện tích Giá trị này có thể được ước lượng t trung tâm mưa hoặc t các vị trí cố định

Xét quá trình trung bình của các trường hợp trên sẽ cho ta các đường cong quan hệ giữa mưa diện và giá trị đo đạc của mưa điểm (Hình 1 14)

Hình 1.14 Một ví d về đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị

trung bình của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983)

Đồ thị quan hệ độ sâu mưa – diện tích đối với các thời gian mưa khác nhau được thiết

l p t kết quả phân tích về độ sâu mưa - diện tích mưa - thời gian mưa trong đó đã chuẩn bị sẵn các bản đồ đẳng lượng mưa cho mỗi thời gian mưa

Các bản đồ này được xây d ng t bảng ghi về lượng mưa lớn nh t th c đo trên một vùng có trạm đo mưa dầy, người ta xác định diện tích nằm bên trong mỗi đường đẳng lượng mưa trên các bản đồ này và l p biểu đồ độ sâu mưa trung bình quan hệ với diện tích đối với t ng thời gian mưa

Nhận xét chung: Trên thế giới cũng như ở Việt Nam trước đây đã có nhiều nghiên

cứu về xây d ng bản đồ đẳng trị mưa, tuy nhiên để sử d ng các bản đồ này thì người dùng lại tiếp t c phải nội suy giá trị giữa các đường đẳng trị cho một vị trí cần xác định lượng mưa, điều này là không tiện lợi và còn ph thuộc vào kết quả của người nội suy Gần đây có một số nghiên cứu xây d ng bản đồ đẳng trị bằng phần mềm mới nh t như ArcGis đang được sử d ng rộng rãi hiện nay với nhiều tính năng vượt trội, cung

c p một giải pháp toàn diện t thu th p, nh p số liệu đến phân tích, chỉnh lý và truy

xu t kết quả tiện lợi, nhanh chóng Nhằm hỗ trợ tốt nh t cho việc giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến quy hoạc và quản lý tài nguyên, phòng chống thiên tai và nhiều lĩnh v c khác