Sự Hình Thành Dòng Chảy Lũ Do Mưa Trên Lưu Vực [15].

3. Mục đích nghiên cứu.

- Luận án chỉ tập trung nghiên cứu và giải quyết thông số về mưa (lượng mưa, cường độ mưa, phân vùng mưa và các đặc trưng khác về mưa) dùng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Đây là thông số quyết định, quan trọng nhất, bất định nhất trong tính toán lưu lượng thiết kế Qp và hoàn toàn phụ thuộc vào đặc trưng khí hậu của riêng Việt Nam.

- Các thông số khác về điều kiện mặt đệm như đặc trưng về địa hình, địa mạo, địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật, thấm, tổn thất, . . . được xác định bằng các số liệu khảo sát đo đạc của lưu vực khi thiết kế (có thể xem cách xác định các thông số này như trong phụ lục 9 quyển phụ lục luận án). Thông số thời gian tập trung nước  của lưu vực được xác định bằng cách giải phương trình động lực học dòng chảy, các công thức nửa lý thuyết hay các công thức thực nghiệm. Đã có nhiều kết quả nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước về các thông số này thu được kết quả khích lệ khi áp dụng ở Việt Nam cho lưu vực nhỏ, như trong [1], [10], [12], [13], [15], [22], [23],

[24], [25], [26], [27], [31], [32], [33], [34], [35], [37], [38], [39], [40], [42], [44], [47],

[48], [49], [50], [51], [53], [54], [55], [56], . . . .

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

- Đối tượng nghiên cứu: công trình thoát nước nhỏ (cầu nhỏ, cống, rãnh thoát nước mặt) trên đường bộ, đường sắt, đường đô thị, sân bay.

- Phạm vi nghiên cứu: cho lưu vực nhỏ, ở Việt Nam.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

1) 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.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 160 trang tài liệu này.

2) 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 toán lưu lượng thiết kế 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.

3) Trạm đo mưa ở nước ta thì nhiều nhưng phần lớn là đo lượng mưa ngày, số trạm khí tượng có máy đo mưa tự ghi còn ít, do vậy khi phương pháp xác định trực tiếp tham số cường độ mưa tính toán aT,p 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 tham số 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 thực tiễn tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế của lưu vực công trình thoát nước trên đường Việt Nam.

4) 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.

5) 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 nghiên cứu là các trạm: TX.Mường Lay-T.Điện Biên, TP.Tuyên Quang-T.Tuyên Quang, TP.Lạng Sơn-T.Lạng Sơn, Trạm Láng-TP.Hà Nội, Trạm Hà Đông-HN, TX.Sơn Tây-HN, TP.Vinh-T.Nghệ An, TP.Đồng Hới-T.Quảng Bình, TPhố.Đà Nẵng, TP.Nha Trang- T.Khánh Hòa, TP.Buôn Ma Thuột-T.Đắk Lắk, TPhố.Cần Thơ, với số liệu đo mưa thực tế thu thập 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.

6) 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.

1) 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 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).

2) 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.

3) 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 ở trong và ngoài nước.

1.1.1. Sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực [15].

- Khi mưa rơi xuống lưu vực, ban đầu nước mưa đọng trên các lá cây, thảm phủ thực vật, trữ vào trong các khe rỗng và chỗ trũng, một phần rất nhỏ lượng nước bốc hơi trở lại khí quyển, đại bộ phận thấm xuống đất và chưa sinh dòng chảy trên bề mặt lưu vực, cường độ mưa at lúc này nhỏ hơn cường độ tổn thất gt. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn tổn thất hoàn toàn.

- Nếu mưa vẫn tiếp tục, khi cường độ mưa at vượt quá cường độ tổn thất gt sẽ bắt đầu sinh dòng chảy trên bề mặt và sẽ lớn dần lên. Dưới tác dụng của trọng lực nước sẽ chảy tràn theo bề mặt sườn dốc lưu vực vào lòng sông suối và tập trung về mặt cắt đặt công trình thoát nước, giai đoạn này được gọi là giai đoạn sinh dòng chảy.

- Trong giai đoạn sinh dòng chảy, tổn thất vẫn tiếp tục. Từ thời điểm kết thúc giai đoạn sinh dòng chảy trở đi đến lúc mưa kết thúc lại có cường độ mưa at nhỏ hơn cường độ tổn thất gt. Như vậy trong giai đoạn này mặc dù mưa vẫn còn nhưng đã không còn tác dụng cung cấp nước cho dòng chảy mặt trên lưu vực nữa.

- Quá trình trên có thể mô tả khái quát như ở Hình 1.1 sau.

Tổn thất hoàn toàn

Sinh dòng chảy

ahqt

gTcn

Tmưa

+) Trong hình 1.1 các đường at  t và at

đường gt

 t là đường quá trình mưa

và đường cong tổn thất, trong đó at và gt lần lượt là cường độ mưa và cường độ tổn thất tại thời điểm t bất kỳ.

+) Thời gian mưa là Tmưa , trong giai đoạn sinh dòng chảy có at  gt, khoảng thời gian này gọi là thời gian mưa hiệu quả hay thời gian cấp nước

Hình 1.1: Mô tả khái quát sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực

hay thời gian cung cấp dòng chảy Tcn , ta luôn có Tcn < Tmưa.

+) Hiệu số ahqt = (at - gt)  0 trong giai đoạn sinh dòng chảy gọi là cường độ mưa hiệu quả hay cường độ cấp nước hay cường độ dòng chảy tại thời điểm t.

1.1.2. Các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.

Hiện nay, lý luận cũng như phương pháp, công thức tính toán dòng chảy lũ có rất nhiều. Đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường, việc xác định lưu lượng thiết kế hiện nay ở các nước có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, . . . đều sử dụng công thức cường độ giới hạn. Ở Việt Nam, trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ

[5] và TCVN7957:2008, Thoát nước - mạng lưới và công trình bên ngoài [8] cũng sử dụng công thức cường độ giới hạn để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô và đường đô thị.

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. Dưới đây là trình bày tóm tắt lý thuyết tập trung nước từ lưu vực, theo tài liệu [32].

1.1.2.1. Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực [32].

 Các giả thiết của M.M. Prôtôđiakônov.

+) 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 ra dòng chảy lũ bằng tần suất dòng chảy lũ trên lưu vực.

 Thời gian tập trung nước của lưu vực, ký hiệu là : là thời gian để một giọt nước xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước.

 Đường đẳng thời: là đường nối các điểm trên lưu vực có cùng thời gian nước chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước.

 Công thức xác định lưu lượng cực đại của dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực.

- 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 nhận thấy rằng: lưu lượng nước mưa chảy về công trình tăng dần theo thời gian và đạt giá trị cực đại khi giọt nước từ điểm xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước. Thực tế đó được chứng minh qua sơ đồ ở các hình 1.2, hình 1.3 và các phân tích sau đây.

+ Lưu vực F có thời gian tập trung nước là , vẽ trên lưu vực những đường đẳng thời gian nước chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước sau 1, 2, 3, 4, . . . đơn vị thời gian (đvtg), trong tính toán cường độ mưa đơn vị thời gian thường tính là phút.

+ Gọi a là cường độ mưa và giả sử chưa xét đến tổn thất thì a sẽ bằng chiều dầy cung cấp dòng chảy trong 1 đơn vị thời gian, thường tính là phút. Quy luật thay đổi lưu lượng qua mặt cắt đặt công trình thoát nước như sau.

a.f3

Đường

Bắt đầu:

Đường phân thủy

a.f4

Mặt cắt công trình

a.f2

a.f4

f3 f4

f4 f3

Sau đvtg thứ nhất:

a.f1

f2 f1

F = f1 + f2 + f3 + f4

f1 f2

1 đvtg

a.f1

a.f3

a.f2

a.f3

a.f4

2 đvtg

4 đvtg

3 đvtg

a.f3

a.f4

Sau đvtg thứ hai:

Q1 = a.f1

a.f2

a.f1

a.f3

a.f2

a.f4

a.f3

a.f4

Q2 = a.(f1+f2)

a.f2

a.f1

Sau đvtg thứ ba:

Vị trí đặt công trình

a.f1

a.f2

thoát nước

a.f3

a.f2

a.f4

a.f3

a.f4

a.f3

a.f4

Q3 = a.(f1+f2+f3)

a.f4

F = f1 + f2 + f3 + f4

Thời gian tập trung nước của lưu

a.f3

a.f2

a.f1

a.f4

a.f3

a.f2

a.f1

a.f4

a.f3

a.f2

a.f4

a.f3

a.f4

vực là  = 4 đvtg, thường tính là phút

a.f1

a.f2

a.f3

Sau đvtg thứ tư:

a.f4

Q4 = a.(f1+f2+f3+f4)

Hình 1.2: Bình đồ lưu vực

Hình 1.3: Sơ đồ giá trị lưu lượng chảy qua

công trình sau từng đơn vị thời gian

+ Sau phút thứ nhất chỉ có lượng nước mưa trên phần diện tích f1 của lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước, lượng nước mưa trên các phần diện tích lưu vực f2, f3, f4 mới đang tiến dần về phía mặt cắt đặt công trình thoát nước. Do đó lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sau phút thứ nhất sẽ là:

Q1 = a.f1

+ Sau phút thứ hai, ngoài lượng nước mưa trên phần diện tích f1 còn có thêm lượng nước mưa trên phần diện tích f2 của lưu vực chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước. Theo nguyên tắc xếp chồng lượng nước, lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sau phút thứ hai là: Q2 = a.(f1 + f2)

+ Cũng lập luận tương tự, có được lưu lượng nước chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sau phút thứ ba, thứ tư là: Q3 = a.(f1 + f2 + f3)

Từ sau phút thứ tư trở đi là: Q4 = a.(f1 + f2 + f3 + f4)

+ Nhận thấy, lưu lượng lớn nhất chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sẽ do toàn bộ diện tích lưu vực F tạo ra và thời đoạn mưa tạo ra lưu lượng lớn nhất Qmax đúng bằng thời gian tập trung nước  của lưu vực.

Qmax = a.F

Như vây, để xác định lưu lượng đỉnh lũ Qmax chỉ cần xét trong thời đoạn mưa tính toán T đúng bằng thời gian tập trung nước  của lưu vực. Cường độ mưa a của cơn mưa tính toán giả thiết có giá trị không đổi được lấy bằng cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời gian tập trung nước , hay còn được gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong khoảng thời gian tập trung nước , được xác định ở đoạn dốc nhất của đường cong tích lũy mưa ứng với thời đoạn mưa tính toán T =  như ở Hình 4.2 - Chương 4.

- Công thức Qmax = a.F chưa xét đến các tổn thất, để phục vụ cho tính toán thực tế phải xét tới tổn thất qua các hệ số thực nghiệm. Ngoài ra công trình thoát nước trên đường được thiết kế với lũ tần suất p% nên Qmax thường được ký hiệu là Qp và xét tới đơn vị tính của các tham số trong công thức, có được công thức (1.1) tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế tại mặt cắt đặt công trình thoát nước của lưu vực như sau.

QpK..a, p .F

(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, còn được gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất ở 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. Khi Qp tính bằng m3/s, a,p tính bằng

mm/ph, F tính bằng km2, thì:

 10002 

1000 * 60

16.67

- 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.

- 9 -

- Với công thức (1.1) hoàn toàn có thể từ tài liệu về mưa để tính ra được lưu lượng đỉnh lũ. Đối với lưu vực của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta, điều kiện tài liệu thường chỉ có số liệu đo mưa, không có số liệu đo lũ thực tế nên sử dụng dạng công thức (1.1) để tính lưu lượng thiết kế là phù hợp.

1.1.2.2. Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở một số nước trên thế giới.

Công thức cường độ giới hạn dạng (1.1) được sử dụng rộng rãi và phổ biến để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường. Ngay cả các công thức thực nghiệm, nửa thực nghiệm cũng thường được đưa về dạng này, trong đó việc thực nghiệm nhằm xác định các hệ số trong công thức.

- Ở Anh: công thức cường độ giới hạn [24], [50]

Q K .C.I.A (1.2)

Q là lưu lượng dòng chảy; C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt lưu vực; I là cường độ mưa trung bình ứng với thời gian tập trung nước; A là diện tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.

- Ở Mỹ: sử dụng công thức cường độ giới hạn [20].

Qp K..C.I.A

(1.3)

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số phân bố mưa rào, được xây dựng thành đồ thị tra; C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào tính chất bề mặt và chu kỳ mưa; I là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế p; A là diện tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.

Ngoài ra còn viết ở dạng:

Qp .C.q.A

(1.3’)

với: K.I = q là mô đuyn dòng chảy mưa tính toán.

- Ở Pháp: Albert Caquot xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị dưới dạng phương trình cân bằng thể tích dựa trên nguyên lý hiệu quả năng lực của mạng lưới. Đây được đánh giá là một trong những mô hình nổi tiếng của thế giới và được áp dụng từ lâu ở

Pháp:

1 ..H .A.C Q.(  ).t

6 c

Q là lưu lượng tối đa tại mặt cắt tính toán;  là hệ số phân bố mưa rào, được xác định bằng công thức  = A-; H là chiều cao lớp nước mưa hay độ sâu mưa trong thời gian tc; A là diện tích lưu vực; C là hệ số dòng chảy; tc là thời gian tập trung nước của lưu vực; , ,  là các hệ số thực nghiệm.