Xác Định Cường Độ Mưa Tính Toán At,p: Việc Xác Định Thông Số Cường Độ

- Năm 1991, tác giả Hoàng Niêm và Đỗ Đình Khôi đã chia toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 18 vùng mưa tương ứng với 18 đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T  T được xác lập cho từng vùng [29], [40]. Năm 1993, TS Trịnh Nhân Sâm, Viện thiết kế Giao thông, cũng đưa ra sự phân vùng mưa tương tự cho lãnh thổ Việt Nam, phân toàn lãnh thổ thành 18 vùng mưa như trên nhưng giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T của các đường cong T  T xác lập ở các vùng mưa có khác đi chút ít [29], [40]. Kết quả này được đưa vào trong tiêu chuẩn thiết kế [5], TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ, hiện nay đang dùng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường ở nước ta.

- 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 Tở các vùng mưa cũng được hiệu chỉnh, xác lập lại cho phù hợp.

1.1.3.3. Xác định cường độ mưa tính toán aT,p: việc xác định thông số cường độ mưa

tính toán luôn là vấn đề khó khăn, phức tạp nhất. Các nghiên cứu trong nước và quốc tế hiện nay có các hướng sau đây để xác định aT,p.

- Tính trực tiếp aT,p : trên cơ sở có đủ số liệu quan trắc đo mưa thực tế bằng máy đo mưa tự ghi 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 được lấy bằng thời gian tập trung nước  của lưu vực). Có thể lập sẵn thành các biểu đồ quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần suất (biểu đồ a -T - p) cho từng vùng có chế độ mưa như nhau, sử dụng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Xu hướng này được sử dụng thịnh hành ở Mỹ, Nhật, Úc, . . . và các nước phát triển có hạ tầng mạng lưới các trạm khí tượng đo mưa tự ghi đầy đủ, lâu dài.

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

aT , p

T .H T

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 160 trang tài liệu này.

n, p

(1.14)

Trong đó: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

T là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời đoạn T, lập cho từng vùng mưa

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

T là thời đoạn mưa tính toán, khi tính toán lưu lượng Qp lấy T = .

Phương pháp này do Alêchxâyep đề xuất được sử dụng ở Liên Xô trước đây và hiện nay đang được sử dụng ở Việt Nam để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, mà cụ thể trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5].

- Xây dựng các công thức thực nghiệm để tính cường độ mưa tính toán aT,p.

+) Ở Liên Xô cũ, Trung Quốc thường dùng dạng chung là, [25], [29], [32], [40], [52].

S p

aT , p T m

(1.15)

Hoặc một số công thức tương tự: Công thức G.A. Alêchxâyep:

Công thức D.L. Sôkôlôpsky:

aT , p

S p

(T b) m

S p

(T  1) m

(1.16)

(1.17)

Trong đó: S là sức mưa biểu thị mối quan hệ giữa cường độ mưa và tần suất thiết kế; sức mưa Sp ở tần suất p tính theo công thức (1.18) sau

S p A B.lg N

(1.18)

A, B, b là các hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa

N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán (năm), N = 100/p với p là tần suất thiết kế tính theo %, (lgN - logarit cơ số 10 của N)

T là thời đoạn mưa tính toán, khi tính toán lưu lượng Qp lấy T = .

+) Ở Ấn Độ thường dùng dạng, [29], [40].

aT , p

K.N x

c T m

(1.19)

Trong đó: K, x, c, m là các hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa; N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán; T là thời đoạn mưa tính toán.

+) Ở Mỹ thường dùng dạng, [29], [34], [40], [50].

aT , p

C

T m d

(1.20)

Trong đó: C, m và d là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N; T là thời đoạn mưa tính toán.

+) Ở Nhật Bản: các dạng công thức thường dùng là, [59], [61].

Công thức Talbol:

aT , p

C T b

(1.21)

Công thức Bernard:

aT , p T m

(1.22)

Công thức Kimijima:

Công thức Sherman:

aT , p

C

T m b

C

(T b)m

(1.23)

(1.24)

Trong đó: C, b, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N; T là thời đoạn mưa tính toán.

+) Ở Indonesia: thường dùng dạng công thức Talbol (1.21), [61].

+) Ở Malaysia: thường dùng dạng công thức, [61].

aT , p

c.N k

(T d )m

(1.25)

Trong đó: c, k, d, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa; N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán; T là thời đoạn mưa tính toán.

+) Ở Hàn Quốc: thường dùng dạng công thức, [61].

k.N x

aT , p T m

(1.26)

Trong đó: k, x, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa; N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán; T là thời đoạn mưa tính toán.

+) Ở Việt Nam: đã có nhiều nghiên cứu để phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta, các công thức sử dụng thường ở dạng công thức (1.15) hoặc (1.16).

./ Năm 1980, GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đề xuất sử dụng công thức dạng

(1.27) sau, [3], [31]:

aT , p

A B.lg N T m

(1.27)

Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p A, B là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa

m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán

T là thời đoạn mưa tính toán.

Giáo sư đã xây dựng các hệ số A, B, m cho 18 trạm đại diện ở 18 vùng mưa trên toàn quốc. Khi trạm cần tính không phải là trạm đại diện thì cường độ mưa trạm

* H n , p 

cần tính được hiệu chỉnh theo công thức:

aT , p aT , p .* 

H n , p 



T,p

aT,p , a*

là cường độ mưa tính toán ở trạm cần tính và trạm đại diện

n,p

Hn,p , H* là lượng mưa ngày tính toán ở trạm cần tính và trạm đại diện trong cùng một vùng mưa.

./ Năm 1973, TS Trần Hữu Uyển đề nghị sử dụng công thức dạng (1.28), [2], [3],

[12], như sau:

aT , p

A B.lg N

(T b.N k ) m

(1.28)

Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p

A, B, b, k là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán

T là thời đoạn mưa tính toán.

Tác giả đã xác lập các giá trị A, B, b, k, m cho 34 thành phố trong cả nước, đến năm 1991 tác giả xác lập lại các giá trị A, B, b, k, m với số liệu đo mưa mới.

./ Năm 1979, TS Trần Việt Liễn đề nghị sử dụng công thức dạng (1.29), [3], [12],

[16], như sau:

aT , p

A B.lg N

(T b)m

(1.29)

Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p A, B, b là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa

m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán

T là thời đoạn mưa tính toán.

Tác giả đã xác lập các giá trị A, B, b, m cho 47 trạm đo mưa trong cả nước.

./ Công thức tính aT,p chung cho toàn miền Bắc Việt Nam của ĐH Xây Dựng Hà

Nội, [32], như sau:

a K .10  12.5 lg N

(1.30)

T , p

1 (T  12)0.66

Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán

T là thời đoạn mưa tính toán

K1 là hệ số khí hậu, để chuyển trị số cường độ mưa tính toán chung

toàn miền Bắc về khu vực tính toán thiết kế,

K S1%

1 28

S1% vũ suất của vùng thiết kế ứng với tần suất 1%, tra bảng lập sẵn 28 là vũ suất trung bình của toàn miền Bắc ứng với tần suất 1%.

./ Năm 1980, GS.TS Ngô Đình Tuấn, Trường Đại học Thủy Lợi, trong luận án tiến sĩ của mình đã đề xuất công thức dạng (1.31) như sau, [34].

aT , p

amax, p

.eT

(1.31)

Với: aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p amax,p là cường độ mưa giới hạn khi T  0, ở tần suất p

m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa T là thời đoạn mưa tính toán.

Tác giả đã xây dựng phương pháp luận xác định các thông số amax,p và hệ số hình dạng cơn mưa m trong công thức, đã xác lập giá trị các hệ số này cho một số trạm khí tượng ở nước ta như: trạm Láng, Sa Pa, Vinh, Lai Châu, Hà Giang, Đà Nẵng, Tân Sơn Nhất, Rạch Giá, Liên Khương, Bảo Lộc.

+) Năm 2006, tác giả Lê Minh Nhật, Yasuto TACHIKAWA và Kaoru TAKARA [59] đã sử dụng các công thức (1.21), (1.22), (1.23), (1.24) thường dùng ở Nhật Bản để tính cường độ mưa tính toán aT,p (thể hiện kết quả tính toán bằng đường cong quan hệ cường độ - thời gian - tần suất) cho 7 trạm khí tượng ở Việt Nam thuộc lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình là các trạm Láng, Bắc Giang, Hải Dương, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Văn Lý với chuỗi số liệu đo mưa thực tế dài 30 năm, từ 1956 - 1985. Từ các dạng công thức (1.21), (1.22), (1.23), (1.24) thường dùng ở Nhật Bản tác giả Lê Minh Nhật trong luận án tiến sĩ của mình đã rút ra dạng công thức chung (1.32) như sau để tính cường độ mưa tính toán aT,p.

aT , p

C

(T v b)m

(1.32)

Với: C, b, v, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N

T là thời đoạn mưa tính toán.

+) Năm 2008, tại hội nghị Châu Á về mưa tổ chức ở Indonesia [61], tác giả Trần Thục và nnk, Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và môi trường, đã sử dụng dạng công thức (1.20) thường dùng ở Mỹ (công thức Wenzel, 1982) để khảo sát, tính cường độ mưa tính toán aT,p (thể hiện kết quả bằng đường cong quan hệ cường độ - thời gian - tần suất) cho 4 trạm khí tượng ở Việt Nam là Phú Quốc, Nho Quan, Tuần Giáo, Tam Đảo với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập tại các trạm này dài 29 năm, từ năm 1976 - 2004.

- Nhận xét.

+) Tất cả các công thức từ (1.15) đến (1.32) mặc dù thể hiện khác nhau, thêm vào hoặc bớt đi một vài hệ số hồi quy trong từng công thức, nhưng tựu chung chúng đều thuộc dạng công thức thực nghiệm tính cường độ mưa tính toán aT,p dựa vào đặc trưng sức mưa S và hệ số hình dạng cơn mưa m. Theo đó, tử số là sức mưa biểu thị quan hệ tỷ lệ thuận của aT,p với chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N, còn mẫu số biểu thị quan hệ tỷ lệ nghịch của aT,p với thời đoạn mưa tính toán T, bị triết giảm theo hàm số mũ m. Tuy nhiên, từng công thức sẽ phù hợp với đặc điểm chế độ mưa khác nhau ở từng nước.

+) Công thức thực nghiệm (1.14) thuộc dạng khác, dùng hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và lượng mưa ngày tính toán Hn,p để tính cường độ mưa tính toán aT,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.

1.1.4.1. Khái quát chung về các nhân tố ảnh hưởng.

+) Có thể phân các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường thành ba loại chính là.

(i) Điều kiện khí hậu, mà cụ thể là mưa.

(ii) Các yếu tố mặt đệm.

(iii) 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, các nhân tố khác như bốc hơi, . . . được coi là ảnh hưởng không đáng kể vì đối với lưu vực nhỏ mưa lớn liên tục, lượng bốc hơi rất bé so với lượng mưa nên bỏ qua.

+) 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, chúng có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực. Tác động của các hoạt động này ảnh hưởng đến nhân tố khí hậu như hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, ảnh hưởng làm thay đổi các yếu tố mặt đệm lưu vực. Như vậy, tác động của hoạt động kinh tế - xã hội của con người đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường là tác động gián tiếp, xét nó thông qua hai nhân tố là mưa và các nhân tố mặt đệm.

+) Theo mức độ ảnh hưởng giảm dần đến dòng chảy lũ của lưu vực công trình thoát nước nhỏ trên đường, có thể sắp xếp các nhân tố trên theo thứ tự: mưa  các yếu tố mặt đệm (địa hình)  hoạt động kinh tế xã hội của con người. Ba nhân tố này thực ra không độc lập mà chúng có mối quan hệ ràng buộc, chế ước, tác động lẫn nhau, một yếu tố thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi của các yếu tố khác ở mức độ khác nhau.

1.1.4.2. Ảnh hưởng của nhân tố mưa.

- Mưa là nguyên nhân sinh dòng chảy. Mưa ở nước ta có tác dụng quyết định và duy nhất cung cấp nguồn dòng chảy của lưu vực nhỏ. Mưa tác động đến lưu lượng dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở thông số cường độ mưa, thời gian mưa, tổng lượng mưa và những đặc tính khác của mưa.

- Quan hệ giữa mưa và dòng chảy ở nước ta khá chặt chẽ cả về không, thời gian và định lượng. Có thể nói rằng ở đâu mưa nhiều thì ở đó dòng chảy phong phú, mùa mưa quyết định mùa dòng chảy, mùa lũ gắn liền với những tháng mùa mưa, mùa cạn gắn với những tháng mùa khô, các tháng mưa lớn thì dòng chảy cũng lớn. Theo rất nhiều kết quả nghiên cứu, ở nước ta lượng mưa trong các tháng mùa mưa thường chiếm khoảng 80% lượng mưa cả năm, đồng thời lượng dòng chảy trong mùa lũ cũng chiếm khoảng 70% lượng dòng chảy cả năm [15], [25], [26], [29], [34], [38], [40]. Kết quả của nhiều nghiên cứu, đặc biệt trong [34] đã chỉ ra rằng: đối với đặc điểm khí hậu và mặt đệm ở nước ta thì có thể nói rằng chu kỳ dòng chảy lũ là chu kỳ mưa trên lưu vực, và ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh đặc trưng mưa làm hệ số hiệu chỉnh dòng chảy lũ tương ứng, đồng thời tần suất mưa là tần suất dòng chảy lũ, đối với lưu vực nhỏ tính chất này càng khăng khít [34].

- Đối với lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta, tính chất của mưa quyết định tính chất của lũ, lượng mưa trong một trận mưa càng lớn, lượng dòng chảy lũ càng lớn, lũ càng ác liệt. Cường độ mưa càng lớn thì lớp nước lũ trên bề mặt lưu vực càng lớn làm tốc độ tập trung nước càng nhanh, kết quả là cường suất lũ

càng lớn. Phân phối mưa theo thời gian ảnh hưởng trực tiếp đến cường suất lũ và lưu lượng đỉnh lũ. Mưa tập trung với cường độ lớn sẽ hình thành lũ lớn và ngược lại.

1.1.4.3. Ảnh hưởng của các yếu tố mặt đệm.

- Tuy không có được ảnh hưởng quyết định như nhân tố mưa nhưng các yếu tố mặt đệm có ảnh hưởng quan trọng tới lưu lượng lũ tính toán của lưu vực công trình thoát nước nhỏ trên đường. Các yếu tố mặt đệm của lưu vực bao gồm: địa hình, địa mạo bề mặt lưu vực, địa chất thổ nhưỡng, hình dạng, diện tích lưu vực, lòng sông suối, cỏ cây, ao hồ, . . . . ảnh hưởng tới thời gian tập trung dòng chảy và lượng tổn thất.

- Địa hình ảnh hưởng ở các mặt: ảnh hưởng đến chế độ mưa (cao độ của địa hình, hướng đón gió ẩm của sườn núi ảnh hưởng đến chế độ mưa, lượng mưa - điều này được chỉ ra trong những nghiên cứu ở chương 2), độ dốc của địa hình (độ dốc của sườn dốc lưu vực Jsd, độ dốc của lòng sông suối chính Jls) ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước . Địa hình càng dốc thì tốc độ tập trung nước v càng nhanh nên thời gian tập trung nước  càng nhỏ, lưu lượng lũ về càng lớn, cường suất lũ biến đổi càng mạnh.

- Yếu tố địa mạo bề mặt lưu vực ảnh hưởng ở các mặt: ảnh hưởng đến lượng mưa bị tổn thất và ảnh hưởng tới thời gian tập trung nước . Các yếu tố địa mạo gồm.

./ Lớp phủ bề mặt bằng vật liệu nhân tạo đối với lưu vực trong đô thị hay lớp phủ thực vật rừng, cỏ cây đối với lưu vực của đường ngoài đô thị.

./ Ao, hồ, đầm lầy trên bề mặt lưu vực.

./ Đặc trưng nhám bề mặt: nhám sườn dốc lưu vực và nhám lòng sông suối chính.

+) Lớp phủ bề mặt lưu vực, rừng, cỏ cây, ao hồ, đầm lầy ảnh hưởng đến lượng tổn thất và có tác dụng điều tiết nhất định.

+) Đặc trưng nhám bề mặt lưu vực (độ nhám bề mặt sườn dốc lưu vực nsd, độ nhám lòng sông suối chính nls) ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước . Bề mặt lưu vực càng nhám thì tốc độ tập trung nước v càng nhỏ nên thời gian tập trung nước

 càng lớn, tốc độ lũ về chậm lại, cường suất lũ điều hòa hơn nên lưu lượng đỉnh lũ giảm đi.

- Điều kiện địa chất thổ nhưỡng của lưu vực quyết định đến lượng tổn thất nước mưa do thấm, đây là dạng tổn thất chính của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường, do vậy ảnh hưởng đến chiều dầy dòng chảy lũ trên bề mặt lưu vực nên ảnh hưởng tới thời gian tập trung nước  của lưu vực.