Bài giảng thủy văn_Chương 7-8

Việc tính toán điều tiết lũ dựa trên cơ sở phân tích xác định một số tham số đặc trưng như: tiêu chuẩn phòng lũ, nước lũ thiết kế, lưu lượng xã lũ an toàn, mực nước hạn chế ở hạ lưu v.v

CHƯƠNG VII

TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ

7.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhiệm vụ cơ bản của tính toán điều tiết dòng chảy là làm tăng lưu lượng mùa

kiệt và giảm nhỏ lưu lượng mùa lũ Trong phần tính toán điều tiết lũ chúng ta phân

tích tìm hiểu một phần của nhiệm vụ đó

Mục đích của tính toán điều tiết lũ là thông qua tính toán làm thỏa mãn các yêu

cầu phòng lũ đã đề ra, cụ thể là:

- Tìm dung tích phòng lũ hợp lý (Vpl)

- Xác định lưu lượng xã lũ lớn nhất (qmax) an toàn xuống hạ lưu

- Tính kích thước của công trình xã lũ (khẩu độ cống, chiều rộng đập tràn )

- Định ra phương thức vận hành kho nước

Việc tính toán điều tiết lũ dựa trên cơ sở phân tích xác định một số tham số đặc

trưng như: tiêu chuẩn phòng lũ, nước lũ thiết kế, lưu lượng xã lũ an toàn, mực nước

hạn chế ở hạ lưu v.v

7.1.1 Phân tích một số tham số đặc trưng

1 Tiêu chuẩn phòng lũ và nước lũ thiết kế

Tiêu chuẩn phòng lũ là mức độ phòng lũ cho một vùng nào đó, ví du: tiêu chuẩn

phòng lũ của một thị trấn là 1% có nghĩa là thị trấn đó chống được những trận lũ

trung bình trong vòng 100 năm xảy ra một lần

Khi chọn tiêu chuẩn phòng lũ phải căn cứ vào mức độ quan trọng của vùng được

phòng lũ và phân tích tình hình phát triển của nền kinh tế quốc dân một cách toàn

diện về mọi mặt

Cần phân biệt rõ ràng tiêu chuẩn phòng lũ cho một vùng với tiêu chuẩn thiết kế

phòng lũ của công trình thủy công Đối với công trình thủy công nếu bị phá vỡ gây

nên một thiệt hại lớn Do vậy để đảm bảo an toàn cho một số công trình thủy công

quan trọng thường có tiêu chuẩn phòng lũ tương đối cao (tần suất thiết kế nhỏ)

Trong thực tế đối với những công trình có tần suất thiết kế nhỏ người ta còn

dùng đến tần suất kiểm tra để đề phòng những trận lũ lớn bất thường có thể xảy ra

phá hoại công trình

Dựa vào tiêu chuẩn phòng lũ cho hạ lưu, tiêu chuẩn thiết của công trình để chọn

mực nước lũ thiết kế từ tài liệu thực đo Từ mực nước lũ thiết kế quyết định đến quy

mô kích thước công trình do vậy khi chọn cần chú ý thận trọng

2 Lưu lượng xả lũ an toàn và mực nước lũ khống chế

Lưu lượng xả lũ an toàn là lưu lượng lớn nhất có thể chảy qua lòng sông hạ lưu

mà không gây nên ngập lụt cho vùng được phòng lũ Khi chọn lưu lượng này cần

căn cứ vào khả năng thoát lũ của dòng sông hạ lưu và qua tính toán kinh tế để xác

định phương án tối ưu Với yêu cầu phòng lũ đã định, nếu lưu lượng xả lũ an toàn

nhỏ thì dung tích phòng lũ của kho nước lớn gây nên hiện tượng ngập lụt ở thượng

lưu và vốn đầu tư xây dựng công trình tăng lên, nhưng mặt khác chi phí cho vốn đầu

tư phòng lũ hạ lưu giảm xuống và hiệu ích phòng lũ hạ lưu tăng lên Nếu chọn lưu

lượng xả lũ lớn thì ngược lại

Đối với vùng được phòng lũ người ta có thể lấy mực nước khống chế thay cho

lưu lượng xả lũ an toàn để thể hiện tiêu chuẩn phòng lũ sẽ tiện lợi hơn Thường đối

với từng đoạn sông thì quan hệ mực nước và lưu lượng khá chặt chẽ, ứng với một

mực nước khống chế sẽ xác định được một lưu lượng xả lũ thích hợp

7.1.2 Vấn đề cơ bản và tài liệu cần thiết khi tính toán điều tiết lũ

1.Các vấn đề cơ bản cần giải quyết khi tính toán điều tiết lũ cho kho nước

Khi bắt tay vào tính toán điều tiết lũ cần giải quyết hai vấn đề lớn như sau:

a) Khi kho nước không có nhiệm vụ phòng lũ cho vùng hạ lưu

Trong trường hợp này làm thế nào để đảm bảo an toàn cho công trình thủy công

là chủ yếu, do vùng hạ lưu không có yêu cầu phòng lũ Dựa vào mức độ quan trọng

của công trình định ra cấp công trình, từ đó xác dịnh ra tiêu chuẩn thiết kế

b) Khi kho nước có nhiệm vụ phòng lũ cho vùng hạ lưu

Trong trường hợp này tính toán điều tiết lũ làm thế nào để đảm bảo an toàn cho

công trình thủy công vừa đảm bảo an toàn phòng lũ cho vùng hạ lưu Đây là một bài

toán so sánh mà dựa vào hai tiêu chuẩn phòng lũ (cho công trình và cho hạ lưu), để

chọn ra tiêu chuẩn thiết kế thõa đáng cả hai vấn đề

Ví dụ: Nếu tiêu chuẩn phòng lũ vùng hạ lưu > tiêu chuẩn an toàn cho công trình

thủy công thì lấy tiêu chuẩn phòng lũ cho vùng hạ lưu làm tiêu chuẩn thiết kế

Ngược lại tiêu chuẩn phòng lũ vùng hạ lưu < tiêu chuẩn an toàn cho công trình thủy

công thì lấy tiêu chuẩn an toàn cho công trình thủy công làm tiêu chuẩn thiết kế

Đối với cả hai trường hợp trên khi xác định được tiêu chuẩn thiết kế tiến hành

tính toán điều tiết với lũ thiết kế và lũ kiểm tra so sánh với các phương án kinh tế

chọn ra kích thước của công trình xả lũ, dung tích phòng lũ, phương án vận hành

hợp lý nhất

2 Các tài liệu cần thiết cho tính toán điều tiết lũ

Để có cơ sở cho tính toán điều tiết lũ cho kho nước chúng ta cần xác định được 3

tài liệu cần thiết như sau:

a) Xây dựng đường quan hệ mưc nước trong kho (H) và lưu lượng xả lũ (qxả)

Đường quan hệ này có liện hệ chặt chẽ với hình dạng hồ, kích thước và phương

thức làm việc của công trình xả lũ

Nếu công trình xả lũ là loại đập tràn chảy tự do thì:

3 / 2

1B 2 h g m

q xa = (7-1) Trong đó: m1: hệ số lưu lượng chảy qua đập tràn

B: chiều rộng đập tràn (m)

h: cột nước trên đập tràn chảy tự do (m)

Khi công trình xả lũ là loại cống ngầm thi:

: q xa =m2ω 2gh (7-2)

Trong đó: m2: hệ số lưu lượng chảy qua cống ngầm

ω: diện tích mặt cắt ngang của cống ngầm (m2)

h: cột nước kể từ mực nước thượng lưu đến trung tâm cống ngầm (m)

b) Các đường đặc tính của kho nước

Dựa vào tài liệu đo vẽ bình đồ lòng hồ đến tuyến công trình chúng ta cần xây

dựng được các đường đặc tính như sau:

- Đường quan hệ giữa cao trình đỉnh đập (Z) và diện tích mặt hồ (F)

- Đường quan hệ giữa cao trình đỉnh đập (Z) và dung tích hồ (V)

c) Đường quá trình nước lũ thiết kế

Sau khi so sánh và chọn lựa phương án tối ưu của cấp công trình chúng ta xác

định được tần suất lũ thiết kế Từ liệt tài liệu thực đo chọn đường quá trình lũ điển

hình và thu phóng đường quá trình lũ đó trở thành đường quá trình lũ thiết kế

7-2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ

7.2.1 Nguyên lý cơ bản của tính toán điều tiết lũ

Dòng chảy lũ là dòng chảy không ổn định, trong tính toán người ta dựa vào hệ

phương trình cơ bản như sau:

=0

∂

∂+

∂

∂

t s

Q ω

(7-3a)

R C

v v s

v g

v t

v g s

h i s

lũ người ta đưa ra một số giả thiết sau: Sau khi nước lũ chảy vào kho vì diện tích

mặt kho quá rộng và mực kho sâu, độ dốc đường mặt nước rất nhỏ (v = 0) xem như

mặt nước trong kho nằm ngang cho nên hệ phương trình (7-3) có dạng:

t s

Ứng dụng trong tính toán điều tiết lũ cho kho nước, từ công thức (7-4) của dòng

không ổn định viết lại dưới dạng cân bằng nước như sau:

(Q - q)dt = Fdh (7-5)

Trong đó: Q: lưu lượng nước chảy vào kho

q: lưu lượng nước từ kho chảy ra

F: diện tích mặt nước trong kho

h: cột nước trong kho tính theo (7-1) và (7-2)

Q− = (7-6) Từ (7-5) biến đổi ta có:

dt

dh F q

Q− = (7-6) Viết lại công thức trên dưới dạng gần đúng như sau: nếu xét trong thời đoạn tính

toán ∆t lấy phần dung tích kho ∆V thay cho Fdh, còn Q và q lấy giá trị trung bình

trong thời đoạn Công thức (7-6) viết lại như sau:

Q1 +Q2 ∆t−q1+q2 ∆t =V2 −V1 = ∆V

2

Từ (7-7) ta thấy q = f(h) và V = f(H), cho nên V = f(q) (vì khi cao trình xã lũ đã

định thì mực nước trong kho h và H chỉ khác nhau một hằng số)

Vì thế ta viết: q = f(v) (7-8)

Vậy công thức (7-7) và (7-8) là hai công thức cơ bản dùng để tính toán điều tiết

lũ

7.2.2 Phân tích đường quá trình xả lũ của kho nước

Khi tính toán điều tiết lũ vấn đề chủ yếu là chúng ta đã biết đường quá trình lũ

đến (Q∼t)maxp, tiến hànïh tính toán lượng nước chứa vào kho hợp lý (về mặt phòng lũ

mà nói thì lượng nước đó là dung tích phòng lũ Vpl), và đường quá trình xả lũ an

toàn xuống hạ lưu (q∼t)maxp hợp lý

Khi đường (Q∼t)maxp có sẳn, nếu thay

đổi đường quá trình xả lũ (q∼t)maxp thì dung

tích phòng lũ Vpl cũng thay đổi theo Do

đó phân tích đường quá trình xả lũ là một

vấn đề quan trọng trong tính toán điều tiết

Sau đây chúng ta xem xét một số

dạng đường quá trình xả lũ đặc trưng

thường gặp trong kho nước đối với

công trình xả lũ không có cửa và có cửa

đóng mở

1 Dạng đường quá trình xả lũ thường gặp

Từ công thức (7-6), ta thấy h và q là một hàm của t nên

dh

F = − (7-9) a) Nếu công trình xả lũ là loại đập tràn

Từ công thức xả lũ qua đập tràn (7-1) ta có:

3 1

q

K dq

Trong đó: 2/3

1 1

)(

13

2

b m

K = (7-11)

Thay (7-10), (7-11) vào (7-9) ta được:

F K

q q Q dt

dq

1

3

)

Từ (7-12) và xem hình (7-2) ta thấy: Tại thời điểm (t = 0) khi nước lũ bắt đầu

đếnï mực nước trong kho chưa thay đổi do đóï công trình xả lũ không hoạt động tức

q và h tăng theo thời gian, nên: > 0

do vậy đường quá trình xả lũ

đi lên ở góc phần tư thứ nhất Nhưng trong khoảng thời gian này lưu lượng lũ đến

Q > q nên đường quá trình lũ đến (Q ∼ t)maxp nằm ở phía trên đường quá trình xã

lũ ( q ∼ t)maxp (xem hình 7-2)

Sau khi nước lũ đạt đến giá trị Qmax thì đường quá trình (Q ∼ t)maxp đi xuống

song đường quá trình xả lũ vẫn đi lên do cột nước trong kho cao Đến một lúc nào

đó thì đường quá trình lũ đến và đường quá trình xả lũ sẽ cắt nhau tại thời điểm tm

tức là: Q = q, suy ra: =0

dh

Từ công thức (7-6) ta có thể viết:

pl (7-13)

h t

V Fdh dt

q Q

m m

) (

b) Nếu công trình xả lũ là loại lỗ

)(

q Q dt

dq

2

−

= (7-15) Hình 7-3

Tại thời điểm t = 0 thì Q = 0, nhưng lưu lượng xả lũ q > 0 nhờ cột nước có sẳn

trong kho nên qua thời điểm t ≠ 0 trong khoảng thời gian q > Q, suy ra:

dt

dq

< 0 đường quá trình xả lũ đi xuống Đến một lúc nào đó Q tăng lên tại thời điểm t1

2 Một số dạng dường xả lũ đặc biệt khi có cửa đóng mở

Sau đây là một số dạng đường xả lũ cố cửa đóng mở phù hợp với yêu cầu điều

tiết của con người được thể hiện qua các hình vẽ (7-4a, b, c, d)

Hinh (7-4a): khi lũ bắt đầu đến thời điểm t1 do lưu lượng Q còn nhỏ mở cửa

cống điều chỉnh cho Q = q Qua t1 dù đã mở hết cửa song Q > q dạng đường quá

trình xả lũ (q∼t) giống như trong trường hợp không có cửa đóng mở

Hình (7-4b): từ thời điểm t0 đến trước thời điểm t2 đường quá trình xả lũ giống

như hình (7-4a) Tại t2 trở đi nếu mở hết cửa cống thì lưu lượng xả lũ sẽ vượt quá

qmax an toàn cho vùng hạ lưu phòng lũ Do vậy điêìu chỉnh khẩu độ côïng để làm sao

qmax = const

Hình (7-4c): Trường hợp này có xét đến yêu cầu điều tiết bổ sung cho vùng hạ

lưu được phòng lũ Vùng phòng lũ nằm cách khá xa kho nước, khi nước lũ ở vùng

khu giữa tương đối lớn thì kho nước có nhiệm vụ giảm bớt lưu lượng xả lũ (đóng bớt

cống từ t2 trở đi) Lưu lượng xả ở kho giảm bao nhiêu phải căn cứ như sau: tổng lưu

lượng xả lũ và lũ bổ sung của vùng giữa không được lớn hơn lưu lượng xả lũ an

toàn

Hình (7-4d): trong trường hợp này có xét đến dự báo lũ Nếu trình độ dự báo

chính xác thì sau khi có dự báo nước lũ, lợi dụng cột nước có sẳn trong kho tháo

trước qua công trình xả lũ Phần dung tích xả trước này còn gọi là phần dung tích

kho lợi dụng kết hợp tức là vừa phòng lũ vừa cấp nước

7.2.3 Phương pháp tính toán điều tiết lũ

Nhiệm vụ cụ thể của tính toán điều tiết lũ là căn cứ vào đường quá trình lũ thiết

kế và lũ kiểm tra để xác định đường quá trình lưu lượng xả lũ (q∼t), kích thước của

các công trình xả lũ, tìm dung tích phòng lũ của kho và một số vấn đềì khác Các

phương pháp tính toán thường chia ra làm hai trường hợp: lưu lượng xả lũ cố định và

lưu lượng xả lũ thay đổi Trong phần sau chỉ chú trọng trình bày trường hợp lưu

lượng xả lũ thay đổi

Trong tính toán điều tiết lũ người ta thường sử dụng phương pháp tính toán sau:

- Phương pháp lập bảng

- Phương pháp bán đồ giải

- Phương pháp đồ giải

Sau đây là một số phương pháp được sử dụng trong thực tế

1 Phương pháp bán đồ giải Pôtapốp

Cơ sở của phương pháp dựa phương trình cân bằng nước viết dưới dạng:

2

q q t Q Q

Trong đó các đại lượng đã biết là Q1, Q2 lưu lượng lũ đến chảy vào kho đầu và

cuối thời đọan, q1, V1 lưu lượng xả lũ và chứa lũ đầu thời đoạn tính toán Các đại

lượng chưa biết cần xác định là q2,V2 lưu lượng xả và chứa lũ cuối thời đoạn tính

toán

Để xác định q2, V2 ta biến đổi như sau:

2 2

2

2 2 1 1 2

t

V q t

V Q Q

∆

= (7-18) Từ (7-17) ta có thể viết: Q+ f(q1)= f(q2) (7-19)

Trong đó : Q=Q1 +Q2,

2)

1

q t

V q

∆

2 )

2

q t

V q

∆

Theo công thức (7-19) trong bất cứ thời đoạn tính toán nào ta biết được Q, f(q1)

thì xác định được f(q2) Nếu xây dựng được đường quan hệ giữa q và f(q) tra trên

đường quan hệ đó ta sẽ xác định được q2 Lấy giá trị q2 thay cho giá trị q1 dựa vào

đó chúng ta sẽ xác định được đường quá trình xả lũ (q∼t)

Để vẽ biểu đồ phụ trợ cho tình toán ta lập bảng tính như sau:

Bảng 7-1: Bảng tính bổ trợ cho phương pháp Pôtapốp

V −

q t

V +

∆

Giải thích các cột trong bảng (7-1) như sau:

- Cột (1) cao trình mức nước trong kho được giả định:

Đối với trường hợp công trình xả lũ là loại cống ngầm thì Z giả định > Z trung

- Cột (4) Vk(m3) tổng dung tích kho ứng với mực nước trong kho

- Cột (5) V(m3) phần dung tích kho được kể từ trung tâm cống ngầm (ngưỡng

tràn) đến mực nước trong kho tương ứng

- Cột (6), (7), (8), (9) dựa vào kết quả của cột (3) và (5) để tính toán

Lấy cột (3) làm tung độ và cột (8), (9) làm hoành độ xây dựng quan hệ bổ trợ

xác định giá trị q2 và V2 cần tìm (xem hình 7-5)

f(q2)

Q1

O

AB

Cách xác định q 2 , V 2 như sau:

Giả sử đã biết q1 đầu thời đoạn (trên hình 7-5 biểu thị đoạn q1= OA), qua A ta vẽ

đường nằm ngang này cắt f(q1) tại B kéo dài đường này một đoạn BC = Q.Tại điểm

C kẻ trục thẳng đứng // trục Oq gặp đường f(q2) tại điểm D như vậy tung độ của

điểm D chính là giá trị q2 cần tìm (thể hiện là đoạn EO trên hình vẽ) Sau đó lấy q2

làm q1 của thời đoạn 2 tiếp tục tính toán chúng ta sẽ xác định được đường quá trình

xả lũ (q∼t)

Nhận xét: Phương pháp này được áp dụng trong trường hợp tính toán điều tiết lũ

có đầy đủ tài liệu thủy văn Trong quá trình tính toán với ∆t = const, chọn ∆t có ảnh

hưởng đến kết quả, do đó chọn ∆t theo nguyên tắc đường quá trình lũ đến trong thời

đoạn tính toán là đường thẳng, song không nên chọn ∆t quá nhỏ tăng khối lượng

tính toán làm sai số tăng lên

Ngoài ra phương pháp này tính toán với giả thiết là đường mặt nước nằm ngang

nên chỉ tính cho những hồ rộng

2 Phương pháp đồ giải Kôtrêrin

Đây là phương pháp thường được áp dụng tính toán điều tiết lũ trong trường hợp

không có tài liệu thủy văn, do đó giả thiết đường quá trình lũ đến (Q∼t) và đường

quá trình xả lũ (q∼t) là những đường thẳng Phương pháp được áp dụng trong tính

toán thiết kế sơ bộ phải so sánh nhiều phương án khác nhau Qua tính toán thực tế

dùng phương pháp này tính toán điều tiết lũ để tìm dung tích phòng lũ (Vpl) hoặc lưu

lượng xả lũ thiết kế (qmaxp) cho kết quả sai số không lớn lắm

Sau đây xin giới thiệu một số trường hợp tính toán thường gặp như sau:

a) Trước khi lũ đến, mực nước trong kho đã chứa đến mực nước dâng bình

thường

Bài toán này thường gặp khi công trình xả lũ không có cửa đóng mở (Ví dụ: loại

đập tràn chảy tự do), được chia ra làm hai trường hợp tính toán như sau:

+ Trường hợp đường quá trình nước lũ là dạng tam giác (xem hình 7-6a)

- Đã biết trước qmaxp cần xác định Vpl

2

1 2

1 2

1

max

max max

max max

p

p p

p p

pl

Q

q T Q T q T Q

Trong đó: T là thời gian trận lũ, Qmaxp T

2

1

là tổng lượng lũ và ký hiệu: W

Ta viết lại (7-20) như sau: (1 )

max max

p

p pl

Q

q W