Luận văn Nghiên cứu xác định một số tham số về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu xác định một số tham số về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THAM SỐ VỀ MƯA GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô và đường thành phố Mã số: 62.58.30.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. BÙI XUÂN CẬY 2. GS.NGND.TSKH. NGUYỄN XUÂN TRỤC HÀ NỘI - 2014 i
2. Lời cảm ơn Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Giao Thông Vận Tải. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học GTVT, Bộ môn Đường bộ, tới các Thầy cô giáo, các Nhà khoa học, các bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Đặc biệt, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới GS.NGND.TSKH. Nguyễn Xuân Trục và PGS.TS. Bùi Xuân Cậy là hai thầy giáo hướng dẫn đã có những chỉ dẫn tận tình và quý báu giúp tác giả hoàn thành luận án. Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn ii
3. MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT. ix DANH MỤC CÁC BẢNG. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. xiii PHẦN MỞ ĐẦU. 1 1. Giới thiệu tóm tắt luận án 1 2. Lý do chọn đề tài 1 3. Mục đích nghiên cứu 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 6. Những đóng góp mới của luận án 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. 6 1.1. Các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước 6 1.1.1. Sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực 6 1.1.2. Các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước 7 nhỏ trên đường 1.1.2.1. Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực 7 1.1.2.2. Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát 10 nước nhỏ trên đường ở một số nước trên thế giới 1.1.2.3. Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát 12 nước nhỏ trên đường ở Việt Nam. + Công thức theo TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng 12 chảy lũ + Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội 13 + Công thức cường độ giới hạn sử dùng trong tính toán thoát 14 nước đô thị theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008 1.1.2.4. Công thức Sôkôlôpsky 15 1.1.2.5. Xác định lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước 15 1.1.2.6. Nhận xét về các công thức tính lưu lượng thiết kế 17 1.1.3. Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu 17 lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường 1.1.3.1. Lượng mưa ngày tính toán Hn,p 18 iii
4. 1.1.3.2. Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và phân vùng mưa 18 1.1.3.3. Xác định cường độ mưa tính toán aT,p 19 1.1.4. Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu 24 lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường 1.1.4.1. Khái quát chung về các nhân tố ảnh hưởng 24 1.1.4.2. Ảnh hưởng của nhân tố mưa 25 1.1.4.3. Ảnh hưởng của các yếu tố mặt đệm 26 1.1.4.4. Ảnh hưởng của giá trị tần suất thiết kế tới trị số lưu lượng lũ tính 27 toán 1.1.4.5. Tính chất ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính 27 toán trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường 1.2. Những vấn đề còn tồn tại luận án tập trung giải quyết 28 1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài 29 1.4. Phương pháp nghiên cứu 30 1.5. Nhận xét, kết luận chương 1 30 Chương 2: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA 32 HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG. 2.1. Khái quát về điều kiện khí hậu Việt Nam 32 2.2. Giới thiệu về mạng lưới các trạm khí tượng và nguồn số liệu đo 36 mưa ở nước ta 2.3. Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa chịu tác động của hiện 38 tượng biến đổi khí hậu và ảnh hưởng của nó đến tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. 2.3.1. Đặt vấn đề 38 2.3.2. Nội dung nghiên cứu 39 2.3.2.1. Mùa mưa, mùa khô 39 2.3.2.2. Tháng mưa nhiều ngày, ít ngày 40 2.3.2.3. Xu hướng và mức độ biến thiên lượng mưa năm và số ngày mưa 41 trong năm 2.3.2.4. Xu hướng và mức độ biến thiên của lượng mưa ngày lớn nhất 44 max năm Hngày và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm iv
5. max aT . Tính đột biến cực đoan do ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu 2.3.2.5. Giá trị trung bình trong nhiều nămX và hệ số Cv, Cs của lượng 54 max mưa ngày lớn nhất năm Hngày và cường độ mưa thời đoạn tính max toán lớn nhất năm aT 2.3.2.6. Chu kỳ biến đổi lớn - nhỏ - trung bình của lượng mưa ngày lớn 58 max nhất năm Hngày và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất max năm aT 2.3.2.7. Tương quan biến đổi về giá trị và thời điểm xuất hiện cùng nhau 62 max của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày và cường độ mưa thời max đoạn tính toán lớn nhất năm aT 2.4. Nhận xét, kết luận chương 2 67 Chương 3: XÁC ĐỊNH LƯỢNG MƯA NGÀY TÍNH TOÁN VÀ 70 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH DẠNG CƠN MƯA. 3.1. Xác định lượng mưa ngày tính toán theo tần suất thiết kế 70 3.1.1. Đặt vấn đề 70 3.1.2. Xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p 70 3.1.2.1. Vấn đề lấy mẫu thống kê 71 max 3.1.2.2. Kiểm định mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày 71 3.1.2.3. Tìm giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p 74 3.1.2.4. Xử lý khi gặp những trận mưa đặc biệt lớn 75 3.1.2.5. Kiểm định sự phù hợp của đường tần suất lý luận Hn,p với tài liệu 78 thực đo 3.1.3. Kết quả xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế 79 p ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với chuỗi số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 3.1.4. So sánh lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p tính từ 79 năm 1960 tới năm 2010 so với Hn,p tính tới năm 1987. Nhận xét và kiến nghị 3.2. Nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và đề 80 xuất tiêu chí phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường 3.2.1. Khái niệm và đặc tính của hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 80  v
6. 3.2.2. Mục đích, ý nghĩa của việc nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình 82 dạng cơn mưa T 3.2.3. Phương pháp xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T 83 theo T trong một vùng mưa 3.2.3.1. Phương pháp xây dựng 83 3.2.3.2. Kết quả xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  84 T cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với chuỗi số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 3.2.3.3. Đánh giá sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T trong 85 một vùng mưa với các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T,pi ở các tần suất pi khác nhau. Nhận xét và kiến nghị 3.2.4. Đề xuất tiêu chí, phương pháp phân vùng mưa phù hợp đối với yêu 86 cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường 3.3. Nhận xét, kết luận chương 3 91 Chương 4: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THAM SỐ CƯỜNG ĐỘ MƯA 93 TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM. 4.1. Khái niệm về cường độ mưa 93 4.1.1. Khái niệm 93 4.1.2. Cường độ mưa tức thời at 93 4.1.3. Cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời khoảng tính toán, aT 93 4.2. Các giả thiết khi xác định cường độ mưa tính toán aT của thời 95 đoạn T 4.3. Các phương pháp xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở thời 95 đoạn T và tần suất thiết kế p 4.4. Phương pháp trực tiếp xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở thời 96 đoạn T và tần suất p 4.4.1. Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượng 97 là liên tục 4.4.2. Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượng 98 bị gián đoạn một hoặc một vài năm quan trắc 4.4.3. Kết quả xây dựng đường cong a - T - p (cường độ mưa - thời gian - 98 tần suất) bằng phương pháp trực tiếp ở 12 trạm khí tượng nghiên cứu vi
7. với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960 - 2010. Nhận xét và kiến nghị 4.5. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p dựa vào lượng 100 mưa ngày tính toán Hn,p và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T 4.5.1. Điều kiện áp dụng 100 4.5.2. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo lượng mưa ngày 100 tính toán và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 4.5.3. Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị 100 4.6. Nghiên cứu xây dựng công thức xác định cường độ mưa tính toán 101 aT,p theo đặc trưng sức mưa và hệ số hình dạng cơn mưa 4.6.1. Điều kiện áp dung 101 4.6.2. Phân tích chọn dạng công thức thực nghiệm và phương pháp hồi quy 101 xác định giá trị các hệ số trong công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p 4.6.3. Xác định hệ số hình dạng cơn mưa m cho từng vùng mưa 103 4.6.4. Xác định sức mưa Sp ở tần suất p 106 4.6.5. Xác định hệ số vùng khí hậu A, B cho từng vùng mưa 108 4.6.6. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo sức mưa Sp và hệ số 111 hình dạng cơn mưa m. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 4.6.7. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo hệ số vùng khí hậu 111 A, B và hệ số hình dạng cơn mưa m. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 4.7. Khảo sát quan hệ giữa sức mưa Sp theo tần suất và lượng mưa 112 ngày tính toán Hn,p theo tần suất trong cùng vùng mưa 4.7.1. Đặt vấn đề 112 4.7.2. Xác định hệ số hồi quy của vùng mưa 113 4.7.3. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo hệ số hồi quy của 115 vùng khí hậu , hệ số hình dạng cơn mưa m và lượng mưa ngày tính toán Hn,p. Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị 4.8. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p theo cường độ 115 mưa chuẩn aTo,p 4.8.1. Đặt vấn đề 115 4.8.2. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo cường độ mưa 116 chuẩn aT0,p vii
8. 4.8.3. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 117 4.9. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng phương 117 pháp sử dụng trạm tựa 4.9.1. Cơ sở của phương pháp 117 4.9.2. Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội 118 suy theo lượng mưa ngày tính toán Hn,p 4.9.3. Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội 119 suy theo đặc trưng sức mưa Sp 4.9.4. Điều kiện áp dụng 120 4.9.5. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 120 4.10. Phương pháp, nội dung và kết quả đánh giá sai số của các công 121 thức tính cường độ mưa tính toán aT,p 4.10.1. Phương pháp, nội dung đánh giá sai số của các công thức tính cường 121 độ mưa tính toán aT,p 4.10.2. Kết quả đánh giá và so sánh mức độ sai số của các công thức tính 122 cường độ mưa tính toán aT,p trong cùng một vùng mưa và giữa các vùng mưa khác nhau. 4.11. Nhận xét, kết luận chương 4 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 128 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN. 133 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 134 viii
9. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Ý nghĩa 1 A Hệ số vùng khí hậu 2 a Cường độ mưa 3 aT,p Cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p: là cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần suất p; hay còn gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần suất p 4 a,p Cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất p (chính là cường độ mưa tính toán aT,p khi tính ở thời đoạn T = ) max 5 aT Cường độ mưa lớn nhất năm ở thời đoạn tính toán T: được xác định từ số liệu đo mưa tự ghi thực tế tại các trạm khí tượng 6 B Hệ số vùng khí hậu 7 Blv Chiều rộng bình quân của lưu vực 8 bsd Chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực 9 F Diện tích lưu vực 10 g Cường độ tổn thất 11 H Lượng mưa 12 Hn,p Lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p 13 HT,p Lượng mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p: là lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần suất p 14 H,p Lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất p (chính là lượng mưa tính toán HT,p khi tính ở thời đoạn T = ) max 15 Hngày Lượng mưa ngày lớn nhất năm: được xác định từ số liệu đo lượng mưa ngày thực tế tại các điểm đo mưa max 16 HT Lượng mưa lớn nhất năm ở thời đoạn tính toán T: được xác định từ số liệu đo mưa tự ghi thực tế tại các trạm khí tượng 17 i Cường độ thấm 18 Jls Độ dốc dọc trung bình lòng sông suối chính 19 Jsd Độ dốc trung bình sườn dốc lưu vực 20 Lls Chiều dài sông suối chính 21 li Tổng chiều dài các suối nhánh 22 m Hệ số hình dạng cơn mưa 23 mls =1/nls Thông số đặc trưng cho nhám lòng sông suối chính ix
10. 24 msd =1/nsd Thông số đặc trưng cho nhám sườn dốc lưu vực 25 nls Hệ số nhám trung bình lòng sông suối chính 26 nsd Hệ số nhám trung bình sườn dốc lưu vực 27 N = 100/p Chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán (năm) 28 p Tần suất thiết kế (%) 29 Q Lưu lượng 30 Qp Lưu lượng thiết kế ở tần suất p: là lưu lượng lớn nhất qua mặt cắt công trình ứng với tần suất thiết kế p 31 q Mô đuyn dòng chảy mưa, hay lưu lượng dòng chảy mưa (chưa xét đến tổn thất) từ 1 đơn vị diện tích lưu vực, hay cường độ mưa theo thể tích 32 S Sức mưa 33 Sp Sức mưa ở tần suất p 34 T Thời đoạn mưa tính toán 35 Tcn Thời gian mưa hiệu quả, hay thời gian cung cấp nước, hay thời gian mưa sinh dòng chảy 36 t Thời gian 37 v Vận tốc 38 W Thể tích 39  Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 40 T Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời đoạn tính toán T 41  Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời gian trung nước  của lưu vực (chính là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T khi tính ở thời đoạn T = ) 42 Hệ số hồi quy của vùng khí hậu 43 1 Hệ số tổn thất do ao hồ, đầm lầy 44  Hệ số xét đến việc mưa không đều trên lưu vực 45 Hệ số dòng chảy 46  Hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào diện tích lưu vực 47  Thời gian tập trung nước của lưu vực, hay thời gian tập trung dòng chảy của lưu vực * Các từ viết tắt: 48 BĐKH Biến đổi khí hậu 49 ĐBL Đặc biệt lớn 50 VN Việt Nam 51 WMO Tổ chức Khí tượng thế giới x
11. DANH MỤC CÁC BẢNG TT Số hiệu Tiêu đề Trang 1 Bảng 2.1 Thông tin về số liệu đo mưa ở 12 trạm khí tượng chọn 37 nghiên cứu 2 Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả nghiên cứu tháng mưa nhiều ngày trong 40 năm, so sánh với kết quả nghiên cứu tháng mùa mưa trong năm tại 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 3 Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả nghiên cứu xu hướng biến thiên của 43 lượng mưa năm và số ngày mưa trong năm tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 4 Bảng 2.4 Tổng hợp kết quả nghiên cứu xu hướng biến thiên của 47 max lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày và cường độ mưa max lớn nhất năm aT ở các thời đoạn từ T = 5ph 1440ph tại 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 max * max * 5 Bảng 2.5 So sánh các giá trị (Hngày ) , (aT ) lớn đột biến với giá 53 trị Hn,p , aT,p ở các mức tần suất thường dùng p = 4%, 1% cùng thời kỳ từ năm 1960 - 2010 6 Bảng 2.6 Giá trị Cv và Cs của lượng mưa ngày lớn nhất năm 56 max Hngày tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 max 7 Bảng 2.7 Giá trị Cv và Cs của cường độ mưa lớn nhất năm aT ở 57 các thời đoạn tính toán T =5ph 1440ph tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 8 Bảng 2.8 Tổng hợp kết quả nghiên cứu chu kỳ biến đổi của lượng 61 max mưa ngày lớn nhất năm Hngày và cường độ mưa lớn nhất max năm aT ở các thời đoạn T =5ph 1440ph tại 12 trạm khí tượng nghiên trong thời gian khảo sát đến năm 2010 9 Bảng 2.9 Bảng mầu đánh giá sự trùng lặp về thời điểm xuất hiện 65 max max cùng ngày tháng năm của Hngày và aT từ 5ph 1440ph tại trạm Láng - Hà Nội từ năm 1960 - 2010 10 Bảng 2.10 Tổng hợp kết quả nghiên cứu mức độ trùng lặp về ngày 66 tháng xuất hiện trong năm của cường độ mưa lớn nhất năm max aT ở các thời đoạn tính toán T = 5ph 1440ph so với ngày tháng xuất hiện trong năm của lượng mưa ngày lớn max nhất năm Hngày tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 xi
12. 11 Bảng 3.1 Số năm quan trắc cần thiết để đảm bảo sai số lấy mẫu của 73 chuỗi số liệu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu 12 Bảng 3.2 Giá trị và thời điểm xuất hiện lượng mưa ngày lớn đột biến 76 max * (Hngày ) trong chuỗi số liệu từ năm 1960 - 2010 tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu 13 Bảng 3.3 Kết quả kiểm định theo tiêu chuẩn Smirnov - Kolmogorov 79 về sự phù hợp với số liệu thực đo của đường tần suất lý luận lượng mưa ngày tính toán Hn,p tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với mức ý nghĩa cho phép  = 5% 14 Bảng 3.4 Tóm tắt quá trình xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn 84 mưa T 15 Bảng 3.5 Kết quả đánh giá sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn 86 mưa T thiết lập cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010 16 Bảng 3.6 Sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở các trạm 90 Láng, trạm Hà Đông, trạm Sơn Tây tính so với đường T trung bình 3 trạm 17 Bảng 4.1 Xác định các điểm trọng tâm phục vụ hồi quy tìm hệ số m 104 18 Bảng 4.2 Hồi quy với các điểm trọng tâm để tìm hệ số m 104 19 Bảng 4.3 Hệ số tương quan hồi quy R2 trong phép hồi quy xác định 106 giá trị hệ số hình dạng cơn mưa m ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 20 Bảng 4.4 Trình tự thực hiện hồi quy để tìm sức mưa Sp ở tần suất p 107 21 Bảng 4.5 Tổng hợp hệ số tương quan hồi quy R2 trong phép hồi quy 108 xác định sức mưa Sp ứng với các tần suất p = 1% 99.99% ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với số liệu đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010 22 Bảng 4.6 Trình tự thực hiện hồi quy để tìm hệ số vùng khí hậu A, B 110 23 Bảng 4.7 Trình tự thực hiện hồi quy để tìm hệ số hồi quy của vùng 113 khí hậu 24 Bảng 4.8 Tổng hợp hệ số tương quan hồi quy R2 trong phép hồi quy 114 xác định hệ số ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010 25 Bảng 4.9 Tổng hợp kết quả đánh giá mức độ sai số của các công 123 thức thực nghiệm tính cường độ mưa tính toán aT,p với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010 tại 12 trạm nghiên cứu xii
13. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Số hiệu Tiêu đề Trang 1 Hình 1.1 Mô tả khái quát sự hình thành dòng chảy lũ do mưa 6 trên lưu vực 2 Hình 1.2 Sơ đồ hình thành dòng chảy: Bình đồ lưu vực 8 3 Hình 1.3 Sơ đồ hình thành dòng chảy: Giá trị lưu lượng chảy qua 8 công trình sau từng đơn vị thời gian 4 Hình 1.4 Ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa tới cường độ mưa 28 tính toán a,p 5 Hình 2.1 Xu hướng biến thiên lượng mưa năm tại trạm Láng, 42 trạm Hà Đông, trạm TX.Sơn Tây của TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010 6 Hình 2.2 Xu hướng biến thiên số ngày mưa trong năm tại trạm 42 Láng, trạm Hà Đông, trạm TX.Sơn Tây của TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010 max 7 Hình 2.3 Xu hướng biến thiên của Hngày tại 12 trạm khí tượng 45 chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 max 8 Hình 2.4 Xu hướng biến thiên của aT ở các thời đoạn T = 5ph 46 1440ph tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ 1960 - 2010 9 Hình 2.5 Lượng mưa ngày lớn nhất năm bình quân nhiều 55 max nămHngày tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010 10 Hình 2.6 Cường độ mưa lớn nhất năm bình quân nhiều 56 max nămaT ở các thời đoạn từ T =5ph 1440ph tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ 1960 - 2010 11 Hình 2.7 Chu kỳ biến đổi của lượng mưa ngày lớn nhất năm 60 max Hngày tại trạm Láng - Hà Nội từ năm 1960 - 2010 max 12 Hình 2.8 Chu kỳ biến đổi của cường độ mưa lớn nhất năm aT 60 ở các thời đoạn tính toán T = 30ph, 180ph, 1440ph tại trạm Láng – TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010 max max 13 Hình 2.9 Đồ thị so sánh biến đổi về giá trị giữa Hngày và aT 64 ở các thời đoạn tính toán T = 5ph 1440ph tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010 14 Hình 3.1 Sơ đồ xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần 71 suất bằng thống kê xác suất với chuỗi số liệu đo lượng mưa ngày ở các trạm đo mưa ở nước ta là liên tục xiii
14. 15 Hình 3.2 Xử lý trường hợp có 1 cơn mưa đặc biệt lớn nằm trong 77 chuỗi số liệu thống kê 16 Hình 3.3 Xử lý trường hợp có nhiều cơn mưa đặc biệt lớn nằm 77 trong chuỗi số liệu thống kê 17 Hình 3.4 Họ đường cong T,p ~ T ít thay đổi theo tần suất trong 81 một vùng mưa nhưng khác nhau giữa các vùng mưa 18 Hình 3.5 Phân vùng mưa bằng đường cong hệ số đặc trưng hình 81 dạng cơn mưa T  T 19 Hình 3.6 Sự khác nhau về chế độ mưa ở các trạm khí tượng gây 88 chênh lệch lưu lượng thiết kế của lưu vực nhỏ ở các vùng khi cùng điều kiện mặt đệm và tần suất, khảo sát với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010 20 Hình 3.7 Các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 90 T  T tại 3 trạm Láng, trạm Hà Đông, trạm Sơn Tây của TP. Hà Nội từ năm 1960 - 2010 21 Hình 4.1 Diễn biến lượng mưa tích lũy Ht và cường độ mưa tức 93 thời at trong một trận mưa thực tế 22 Hình 4.2 Phương pháp xác định cường độ mưa trung bình lớn 94 nhất trong khoảng thời gian tính toán T trên giấy đo mưa tự ghi 23 Hình 4.3 Quan hệ cường độ mưa tính toán aT , lượng mưa lớn 94 nhất trong khoảng thời gian tính toán HT và thời đoạn mưa tính toán T 24 Hình 4.4 Sơ đồ xác đinh cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn 99 T và tần suất p bằng thống kê xác suất trong trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi ở các trạm khí tượng của nước ta đủ dài, không liên tục, bị gián đoạn một số năm quan trắc 25 Hình 4.5 Kết quả hồi quy tìm hệ số hình dạng cơn mưa m cho 105 trạm Láng - TP.Hà Nội với số liệu đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010 26 Hình 4.6 Kết quả hồi quy tìm hệ số hồi quy của vùng khí hậu 114 cho trạm TP.Lạng Sơn với số liệu đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010 xiv
15. PHẦN MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu tóm tắt luận án. - Mạng lưới giao thông ngày càng mở rộng, đặc biệt là vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa; khu dân cư, khu đô thị phát triển với tốc độ nhanh; khu công nghiệp ngày một gia tăng. Chúng đòi hỏi có công thức tính toán lưu lượng lũ thiết kế cho lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ đơn giản, dễ tính toán và có độ chính xác chấp nhận được. Cùng với nhiều công trình nghiên cứu khác, công trình nghiên cứu trong luận án góp phần tiếp tục hoàn thiện công thức tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế đối với lưu vực nhỏ, cụ thể là vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay. - Nội dung luận án gồm có 4 chương; phần mở đầu; kết luận và kiến nghị; ngoài ra còn có 1 quyển phụ lục đóng riêng. +/ Phần mở đầu. +/ Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. +/ Chương 2: Nghiên cứu đặc điểm mưa chịu tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. +/ Chương 3: Xác định lượng mưa ngày tính toán và nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa. +/ Chương 4: Nghiên cứu xác định tham số cường độ mưa trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam. +/ Kết luận và kiến nghị. +/ Quyền Phụ lục luận án: được đóng riêng, trong đó là các đồ thị, bảng tra kết quả tính các thông số về mưa như Hn,p , đường cong a - T - p lập bằng phương pháp tính trực tiếp, các giá trị T, Sp, m, A, B, tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960 - 2010; và các nội dung khác. 2. Lý do chọn đề tài. - Các công trình thoát nước nhỏ trên đường thường chiếm một tỷ trọng khiêm tốn trong tổng giá thành xây dựng một con đường. Mặc dù chiếm tỷ trọng không lớn hơn so với các hạng mục khác như nền, mặt đường, . . . nhưng khả năng hoạt động tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ lại ảnh hưởng rất lớn tới độ bền vững, chi phí khai thác và hiệu quả sử dụng của con đường, ví dụ: xói lở ở hạ lưu gây hư hỏng công trình - 1 -
16. cống thoát nước ngang đường khi gặp mưa lũ lớn kéo theo hư hỏng một đoạn nền, mặt đường, gây đình trệ giao thông, làm phát sinh lớn chi phí duy tu, sửa chữa công trình. Đồng thời, ở một mức độ nào đó, khả năng tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ trên đường còn ảnh hưởng tới môi trường sản xuất, sinh hoạt của cư dân trong vùng có công trình, như: hiện tượng tích nước ở thượng lưu làm ngập úng ruộng đồng, làng mạc ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp thường hay xảy ra ở miền Trung hiện nay sau khi xây dựng xong các con đường; hiện tượng ngập úng đường phố sau các cơn mưa lớn ở một số đô thị của nước ta hiện nay gây khó khăn, xáo trộn sinh hoạt và sản xuất, . . . . Tất cả những vấn đề trên đều liên quan đến khâu thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, trong đó có việc tính toán xác định lưu lượng thiết kế Qp. - Trong những năm gần đây, hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng diễn ra rất mạnh mẽ trên toàn cầu. Đây là hiện tượng đã được các nhà khoa học xác định là có thực và theo đánh giá thì Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng này. Dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan gia tăng, ảnh hưởng đến chế độ mưa ở nước ta. Do vậy ảnh hưởng đến các thông số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, làm cho việc sử dụng các thành quả nghiên cứu các dữ liệu về mưa trước đây trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trở nên giảm độ tin cậy. - Thực tiễn hiện nay ở nước ta cho thấy, các hiện tượng bất lợi như trên đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường ngày một gia tăng. Có những tuyến đường xuất hiện các hư hỏng tại các công trình thoát nước nhỏ trên đường do mưa lũ ngay sau khi hoặc chỉ sau một vài năm đưa vào sử dụng. Thực tế trên đường Hồ Chí Minh do khẩu độ cầu, cống tính toán không đủ tiêu thoát đã tạo ra những trận lũ quét dữ dội ‘‘thế năng biến thành động năng’’, ví dụ trận lũ quét lịch sử tại Sơn Diệm năm 2002. Rõ ràng, còn có vấn đề tồn tại trong việc tính toán xác định lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay. Nổi lên là vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế. - Từ những đòi hỏi cấp thiết như trên, luận án “Nghiên cứu xác định một số tham số về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam’’ được chọn nghiên cứu. - 2 -
17. 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. 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 - 3 -
18. 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. - 4 -
19. 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. - 5 -
20. 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. +) Trong hình 1.1 các đường at  t và a t g t Tæn thÊt hoµn toµn đường gt  t là đường quá trình mưa Sinh dßng ch¶y và đường cong tổn thất, trong đó at và gt lần lượt là cường độ mưa và a t a hqt g t cường độ tổn thất tại thời điểm t bất kỳ. 0 Tcn t +) Thời gian mưa là Tmưa , trong giai Tm­a đoạn sinh dòng chảy có at gt, khoảng thời gian này gọi là thời gian Hình 1.1: Mô tả khái quát sự hình thành mưa hiệu quả hay thời gian cấp nước 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. - 6 -
21. 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. - 7 -
22. + 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. B¾t ®Çu: F §­êng ph©n thñy Đường MÆt c¾t c«ng tr×nh a.f4 a.f3 a.f2 a.f1 f4 F = f1 + f2 + f3 + f4 f3 f3 f2 f4 Sau ®vtg thø nhÊt: f1 Q1 = a.f1 a.f4 a.f4 a.f3 f a.f3 a.f2 1 a.f2 a.f1 f2 4 đvtg a.f1 3 đvtg Sau ®vtg thø hai: Q2 = a.(f1+f2) a.f4 2 đvtg a.f3 a.f4 a.f2 1 đvtg a.f4 a.f3 a.f3 a.f2 a.f2 a.f1 a.f1 Sau ®vtg thø ba: Q3 = a.(f1+f2+f3) Vị trí đặt công trình a.f4 a.f4 a.f3 a.f3 a.f4 a.f2 thoát nước a.f4 a.f3 a.f3 a.f2 a.f2 a.f1 a.f1 F = f + f + f + f Sau ®vtg thø t­: 1 2 3 4 Q4 = a.(f1+f2+f3+f4) a.f4 Thời gian tập trung nước của lưu a.f4 a.f4 a.f3 a.f3 a.f4 a.f2 a.f4 a.f3 a.f3 a.f2 vực là  = 4 đvtg, thường tính là a.f2 a.f1 a.f1 phút Hình 1.3: Sơ đồ giá trị lưu lượng chảy qua Hình 1.2: Bình đồ lưu vực 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) - 8 -
23. 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 3 không tính ở cùng đơn vị. Khi Qp tính bằng m /s, a,p tính bằng 10002 mm/ph, F tính bằng km2, thì: K 16.67 1000* 60 - 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 -
24. - 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]. Q K..C.I.A (1.3) p 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: Q p .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 1 Pháp: . .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. - 10 -
25. Như vậy H / tc = atc chính là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước tc của lưu vực, viết lại có dạng công thức (1.4) như sau. Q .C.a .A (1.4) 6.(  ) tc - Ở Nga và các nước thuộc Liên Xô (cũ): sử dụng công thức cường độ giới hạn. +) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thiết kế đường Liên Xô (cũ) do B.F.PEREVÔZNHEKÔP đề xuất [32]. Q K. .a .F..K .K (1.5) p  , p i d Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; là hệ số dòng chảy trên sườn dốc; a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p; F là diện tích lưu vực; Ki là hệ số xét ảnh hưởng của độ dốc lòng suối và bề mặt lưu vực; Kd là hệ số hình dạng lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.  là hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào diện tích lưu vực, xác định tra bảng theo diện tích lưu vực F hay tính theo công thức phụ thuộc vào 1 tỷ số (sd / Tcn):  với sd là thời gian tập trung nước trên sườn dốc, 1  sd / Tcn Tcn là thời gian cung cấp dòng chảy. Hoặc có thể tính  bằng công thức kinh 1 nghiệm theo F:  với C, n là các hệ số kinh nghiệm. (F C)n +) Công thức cường độ giới hạn theo Tiêu chuẩn dòng chảy BCN 63-67 của Bộ Giao Thông Vận Tải Liên Xô (cũ) [32]. Q K. .a .F. . (1.6) p  , p 1 Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; là hệ số dòng chảy hoàn toàn; a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p; F là diện tích lưu vực; 1 là hệ số triết giảm do ao hồ;  là hệ số xét đến sự phân bố mưa không đều trên lưu vực, phụ thuộc vào kích thước lớn nhất D1 của lưu vực và vùng khí hậu; K là hệ số chuyển đổi đơn vị. +) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thủy văn Nhà nước Liên Xô (cũ), (quy trình CH435-72) [32]. Q A . .H .F. . (1.7) p 1% n,1% 1 p Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; A1% là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ tương đối ứng với tần suất 1%, xác định phụ thuộc vào thời gian tập trung nước - 11 -
26. trên sườn dốc sd, vùng mưa và đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông ls; là hệ số dòng chảy lũ; Hn,1% là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất 1%; F là diện tích lưu vực; 1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực; p là hệ số xét ảnh hưởng của tần suất tới lưu lượng, chuyển đổi lưu lượng ở tần suất 1% sang lưu lượng ở tần suất thiết kế p%, nó phụ thuộc vào vùng khí hậu, tần suất thiết kế và diện tích lưu vực. - Ở Nhật Bản: dùng công thức cường độ giới hạn dạng (1.3) của Mỹ. - Ở Trung Quốc: công thức cường độ giới hạn [52]. H Q K. .  , p .F K. .a .F (1.8) p   , p Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; là hệ số dòng chảy đỉnh lũ; F là diện tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị; H,p là lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p, như vậy H,p / = a,p chính là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p. Căn cứ vào tài liệu đo mưa rào thực tế trong phạm vi toàn quốc, Viện nghiên cứu thủy văn đã phân tích tìm ra công thức tính lượng mưa tính toán HT,p ở thời đoạn T và tần suất p như sau: H H .T 1 m T , p 1h, p với: HT,p là lượng mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p H 24, p H1h,p là lượng mưa giờ lớn nhất ở tần suất p, H 1h, p 241 m H24,p là lượng mưa 24 giờ lớn nhất ở tần suất p m là chỉ số triết giảm của mưa rào. 1.1.2.3. Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam. - Công thức theo TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ [5]. +) Đây là công thức hiện hành đang áp dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam với diện tích lưu vực F 100 km2, cho đường ngoài đô thị, trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5] do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành. +) Xuất phát điểm là công thức cơ bản (1.1) nhưng thực hiện một số biển đổi được công thức tính lưu lượng thiết kế như công thức (1.9) sau đây. - 12 -
27. Q A . .H .F. (1.9) p p n, p 1 3 Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m /s) Ap là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ tương đối ở tần suất thiết kế p là hệ số dòng chảy lũ Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất thiết kế p (mm) 1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực F là diện tích lưu vực (km2). +) Các biến đổi là, [sử dụng thêm công thức (1.14) để biến đổi].  K.a 16.67a 16.67  .H A .H  , p  , p  n, p p n, p 16.67 Ở đây: A  p  và: K là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở đây bằng 16.67  là thời gian tập trung nước của lưu vực (ph)  là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời gian tập trung nước . +) Trong tiêu chuẩn, hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T ~ T được xác lập cho 18 vùng mưa trên toàn quốc với số liệu đo mưa đến năm 1987. Vì Qp phụ thuộc vào a,p, mà a,p phụ thuộc vào ,  lại phụ thuộc vào a,p và Qp, do vậy phương trình (1.9) được giải bằng cách tính lặp. Trong [5] đã đưa ra cách giải rất thuận tiện bằng cách sử dụng hai thông số trung gian là hệ số đặc trưng địa mạo thủy văn của sườn dốc lưu vực sd và hệ số đặc trưng địa mạo thủy văn của lòng sông suối chính ls, lập thành các bảng tra sẵn để sử dụng khi tính toán. +) Công thức (1.9) còn được gọi là công thức cường độ giới hạn tính lưu lượng thiết kế từ lượng mưa ngày tính toán. - Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội (Công thức do GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đề xuất sử dụng) [3], [32]. +) Các công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta thường có diện tích lưu vực nhỏ (thường dưới 1 km2 đến một vài km2) nên thời gian tập trung nước ngắn. Chính vì vậy việc tính lưu lượng thiết kế dựa vào thông số cường độ mưa có thời gian mưa tính toán ngắn nhưng cường độ mưa lớn sẽ chính xác hơn so với việc sử dụng thông số lượng mưa ngày như trong công thức (1.9) của tiêu chuẩn thiết kế [5]. Trên quan điểm đó, từ những năm 1980, GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đã đề xuất sử dụng công - 13 -
28. thức (1.10) sau đây để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường với diện tích lưu vực F 30 km2 cho Việt Nam. Công thức (1.10) được đưa vào trong Sổ tay tính toán thủy văn [3] của Bộ GTVT. +) Công thức là: Q 16.67 .a .F.. (1.10) p  , p 1 3 Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m /s) a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p (mm/ph) là hệ số dòng chảy lũ F là diện tích lưu vực (km2)  hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc diện tích lưu vực 1 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy trên lưu vực K = 16.67 là hệ số chuyển đổi đơn vị. Các hệ số , , 1 và cách xác định thời gian tập trung nước  có thể tham khảo các bảng tra ở Phụ lục 8, từ Bảng PL.8-1 đến PL.8-8 trong Quyển phụ lục luận án. - Công thức cường độ giới hạn sử dụng trong tính toán thoát nước đường đô thị theo TCVN7957:2008 [8]. +) Đây là công thức trong tiêu chuẩn thiết kế thoát nước đô thị hiện nay ở Việt Nam theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 7957:2008 [8] của Bộ Khoa học và Công nghệ. +) Công thức là: Q C.q .F (1.11) p  , p Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (lít/s) C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào tính chất bề mặt lưu vực và p q,p là mô đuyn dòng chảy mưa hay cường độ mưa theo thể tích tính toán ứng với thời gian tập trung nước  và tần suất thiết kế p 10 6 q .a 166.67a (lít/s/ha)  , p 60 *100  , p  , p a,p là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p, đơn vị tính là mm/ph F là diện tích lưu vực (ha). Khi diện tích lưu vực F 300ha thì phải nhân thêm hệ số  vào trong công thức  là hệ số mưa không đều, phụ thuộc vào diện tích lưu vực. - 14 -
29. 1.1.2.4. Công thức Sôkôlôpsky [3], [15], [32]. +) Đây thuộc loại công thức thể tích, được sử dụng để tính lưu lượng công trình thoát nước trên đường với diện tích lưu vực F >100 km2 với sông vừa và nhỏ. Năm 1972 được đưa vào quy trình Khảo sát và thiết kế cầu vượt sông của Liên Xô (cũ). 0.278(H H ) +) Công thức là: Q  , p 0 . . f .F. Q (1.12) p 0 tl 3 Trong đó: Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p (m /s) H,p là lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p. Đó chính là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p (mm) H0 là lớp nước mưa tổn thất ban đầu (mm) là hệ số dòng chảy lũ , F là diện tích lưu vực (km2) f là hệ số hình dạng lũ , tl là thời gian lũ lên (h)  là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và rừng cây trên lưu vực, có thể được tính theo công thức sau:  = 1.2, với 1 là hệ số xét đến ảnh hưởng triết giảm của ao hồ và đầm lầy, 2 là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của rừng cây. Cũng có thể xác định hệ số  theo công thức kinh nghiệm:  1 0.6lg(1 Fa 0.2Fl Fr ) , với Fa, Fl, Fr là tỷ lệ diện tích ao hồ, đầm lầy, rừng cây trên lưu vực, tính theo % 10002 K là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở đây K 0.278 1000*3600 3 Q0 là lưu lượng nước trong sông trước khi có lũ (m /s). 1.1.2.5. Xác định lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước [11], [32]. +) Phương pháp này còn gọi là phương pháp chính xác, từ năm 1961 được đưa vào quy phạm dòng chảy BCH 63-61 của Liên Xô (cũ). Phương pháp này cho phép xác định giá trị lưu lượng cực đại và đường quá trình lưu lượng thay đổi theo thời gian, xác định thể tích dòng chảy ứng với bất kỳ tần suất lũ nào. Nó cũng cho phép xác định khẩu độ công trình thoát nước có xét đến hiện tượng tích nước ở thượng lưu hay nước ngập ở hạ lưu, xét được kết hợp quá trình thủy lực - thủy văn của dòng chảy lũ. +) Cơ sở lý thuyết của phương pháp là định luật bảo toàn vật chất. Tại bất cứ một thời điểm nào kể từ khi bắt đầu có dòng chảy cho tới khi nước chảy hết, lưu lượng qua công trình thoát nước được xác định dựa vào phương trình cân bằng lượng nước. - 15 -
30. W W W W (1.13) sd ls Q Trong đó: W là tổng thể tích dòng chảy trên lưu vực Wsd là thể tích dòng chảy ở sườn dốc lưu vực Wls là thể tích dòng chảy ở lòng sông suối WQ là thể tích dòng chảy qua công trình thoát nước. +) Tổng thể tích dòng chảy trên lưu vực W. W (h Z).F. (1000m3) (1.13.1) Trong đó: h là chiều dầy dòng chảy tính toán ở thời gian t và tần suất p (mm) h .a .t hoặc h (a i).t t, p t , p at,p - cường độ mưa tính toán của thời gian t, tần suất p (mm/ph) - hệ số dòng chảy , i - cường độ thấm (mm) t - thời gian mưa tính toán (ph) Z là lượng tổn thất ban đầu do thấm ướt và cỏ cây giữ lại (mm)  là hệ số mưa không đều trên lưu vực F là diện tích lưu vực (km2). 3 +) Thể tích dòng chảy ở sườn dốc lưu vực Wsd (1000m ): khi giả thiết đường mặt nước có dạng parabol, tính như sau. Wsd 0.71W Khi tz ≥  (1.13.2) b W 1 0.29 t .W Khi t <  sd z bsd Trong đó: bt là chiều dài sườn dốc lưu vực từ điểm xa nhất tới vị trí bắt đầu có chiều dầy dòng chảy hình thành lớn nhất ở thời gian tính toán t (m) bsd là chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực (m)  là thời gian tập trung nước của lưu vực (ph), xác định như sau  = A(Jsd, at,p). D(bsd, msd) tz thời gian cung cấp dòng chảy trong thời gian mưa tính toán t (ph) h Z t t. z h +) Thể tích dòng chảy ở lòng sông suối Wls: giả thiết dòng chảy trong lòng sông suối có dạng hình chóp nón với đáy là , chiều cao là chiều dài lòng sông suối. n 1 L l W ..L . ls l (1000m3) (1.13.3) ls ls 3 Lls - 16 -
31. Trong đó:  là diện tích mặt cắt ướt tính toán (m2) Lls là chiều dài lòng sông suối chính (km) li là tổng chiều dài các suối nhánh (km), xác định theo phụ lục 9 n là hệ số phụ thuộc vào địa hình, lấy bằng: 1/6 với địa hình vùng đồng bằng, 1/4 với vùng đồi và 1/3 với vùng núi. t +) Thể tích nước chảy qua công trình W (1000m3): W Q .dt (1.13.4) Q Q t 0 Trong đó: Qt xác định theo phương pháp hình thái mặt cắt, Qt = t.vt và vận tốc vt tính theo công thức Sêdi - Maninh. +) Phương trình (1.13) được giải bằng cách tính thử dần. Muốn tìm lưu lượng đỉnh lũ ta phải tính lưu lượng nước chảy qua công trình ứng với nhiều giá trị thời gian mưa t. Vẽ đường quan hệ biến đổi lưu lượng Q ~ t, tìm được lưu lượng đỉnh lũ thiết kế. Nếu xét đến ảnh hưởng của ao hồ, đầm lầy thì lưu lượng Q tính ra được nhân với hệ số 1. 1.1.2.6. Nhận xét về các công thức tính lưu lượng thiết kế. Từ các công thức tính lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường như trên nhận thấy: các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay đều liên quan đến lượng mưa hoặc cường độ mưa tính toán, như công thức cường độ giới hạn của Anh, Mỹ, Pháp, Nga và các nước thuộc Liên Xô cũ, Nhật Bản, Trung Quốc, Việt Nam, . . . . Công thức Sôkôlôpsky, công thức tính lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước cũng dựa vào lượng mưa tính toán. 1.1.3. Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Theo công thức cường độ giới hạn, cũng như công thức Sôkôlôpsky, tính theo phương trình cân bằng lượng nước, lưu lượng thiết kế Qp của một lưu vực F nào đó chỉ được xác định khi biết được các tham số trong công thức là tham số về mưa, tham số về tổn thất và tham số thời gian tập trung nước. Như vậy trong các công thức tính Qp, ngoài các tham số về mưa mang nhiều yếu tố bất định do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, các thông số xác định lượng tổn thất (như hệ số dòng chảy , cường độ thấm i, hệ số tổn thất do ao hồ, đầm lầy 1, . . .) và thông số thời gian tập trung nước  được xác định bằng các bảng tra thực nghiệm lập sẵn, các công thức kinh nghiệm hoặc nửa lý thuyết như đang sử dụng trong các quy trình thiết kế ở nước ta. - 17 -
32. Luận án tập trung chính vào vấn đề tham số mưa. Các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường là. ./ Lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất thiết kế p ./ Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và vấn đề phân vùng mưa ./ Cường độ mưa tính toán a,p ở thời gian tập trung nước  và tần suất thiết kế p 1.1.3.1. Lượng mưa ngày tính toán Hn,p. - Lượng mưa ngày tính toán Hn,p được xác định theo phương pháp phân tích thống kê trên cơ sở chuỗi số liệu quan trắc đo lượng mưa ngày thực tế trong nhiều năm liên tục tại các trạm đo mưa ở khu vực thiết kế công trình. - Tính đến nay, cơ sở dữ liệu về lượng mưa ngày tính toán Hn,p đầy đủ nhất ở nước ta sử dụng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường được thành lập năm 1987, trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành [5], cho 589 điểm đo mưa trên toàn quốc với các mức tần suất p = 1%, 2%, 4%, 10%, 25%, 50%. - Từ đó đến nay đã trải qua trên 25 năm, chế độ mưa ở nước ta đã bị thay đổi, chịu ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu nên cơ sở dữ liệu này đến nay đã kém chính xác. Chính vì vậy, trong tiêu chuẩn thiết kế [5] cũng khuyến cáo nên thu thập số liệu đo lượng mưa ngày thực tế ở trạm đo mưa trong khu vực thiết kế đến thời điểm thiết kế công trình để xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p sử dụng vào việc tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường. 1.1.3.2. Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và phân vùng mưa. - Trong quy phạm thủy lợi, QP.TL.C-6-77 Quy phạm tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế [7], ban hành năm 1977, các tác giả đã đưa ra bảng phân khu mưa rào cho phần lãnh thổ miền Bắc Việt Nam với 10 khu và xác lập giá trị các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  T cho từng khu. - Qua nghiên cứu các tài liệu đo mưa trong mấy chục năm, một số tác giả đã đưa ra các sơ đồ phân khu mưa rào khác. Năm 1980, tác giả Hoàng Minh Tuyển, Viện Khí tượng thủy văn, với số liệu đo mưa thu thập ở 60 trạm khí tượng trên toàn quốc dài từ 10 - 20 năm (50% số trạm có chuỗi số liệu dài 20 năm bắt đầu từ 1961, chủ yếu ở miền Bắc, còn lại dài 10 năm ở miền Nam), tác giả đã phân toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 15 vùng mưa và xác lập giá trị các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  T cho 15 vùng mưa này [60]. - 18 -
33. - 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 T ở 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.  a T .H (1.14) T , p T n, p 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 = . - 19 -
34. 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 a p (1.15) T , p T m Hoặc một số công thức tương tự: S Công thức G.A. Alêchxâyep: a p (1.16) T , p (T b) m S Công thức D.L. Sôkôlôpsky: a p (1.17) T , p (T 1) m 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 A B.lg N (1.18) p 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]. K.N x a (1.19) T , p c T m 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]. C a (1.20) T , p T m d 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]. C Công thức Talbol: a (1.21) T , p T b - 20 -
35. C Công thức Bernard: a (1.22) T , p T m C Công thức Kimijima: a (1.23) T , p T m b C Công thức Sherman: a (1.24) T , p (T b)m 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]. c.N k a (1.25) T , p (T d)m 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 a (1.26) T , p T m 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 A B.lg N (1.27) sau, [3], [31]: a (1.27) T , p T m 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 cần tính được hiệu chỉnh theo công thức: a a* . n, p T , p T , p * H n, p - 21 -
36. * aT,p , a T,p là cường độ mưa tính toán ở trạm cần tính và trạm đại diện * Hn,p , H n,p 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], A B.lg N [12], như sau: a (1.28) T , p (T b.N k ) m 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], A B.lg N [16], như sau: a (1.29) T , p (T b)m 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 10 12.5lg N Nội, [32], như sau: a K . (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 S toàn miền Bắc về khu vực tính toán thiết kế, K 1% 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%. - 22 -
37. ./ 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]. T m a a .e (1.31) T , p max,p 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. C a (1.32) T , p (T v b)m 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. - 23 -
38. - 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, . . . - 24 -
39. +) 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 - 25 -
40. 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. - 26 -
41. 1.1.4.4. Ảnh hưởng của giá trị tần suất thiết kế tới trị số lưu lượng lũ tính toán. - Công trình thoát nước trên đường được thiết kế theo tần suất, do vậy ngoài nhân tố mưa, các yếu tố mặt đệm thì tần suất thiết kế p cũng ảnh hưởng tới trị số lưu lượng thiết kế. - Giá trị tần suất thiết kế p lớn hay nhỏ ảnh hưởng đến giá trị lưu lượng lũ tính toán của công trình thoát nước nhỏ trên đường Qp. Khi thiết kế với giá trị tần suất p càng lớn (p = 10%, 20%, 50%, . . .) thì Qp tính ra càng nhỏ và ngược lại khi thiết kế với giá trị tần suất p càng nhỏ (p = 3%, 2%, 1%, . . .) thì Qp tính ra càng lớn. - Khi thiết kế ở giá trị tần suất p nhỏ, lưu lượng thiết kế Qp lớn do vậy làm tăng khẩu độ công trình thoát nước và có thể làm tăng chiều cao nền đắp. Trong trường hợp này cần lưu tâm đến giải pháp vừa tăng khẩu độ, chiều cao công trình thoát nước đến mức hợp lý, vừa tăng số lượng công trình thoát nước nhỏ trên đường nhằm giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi, tốn kém do phải tăng chiều cao đắp nền đường. Giải pháp này đặc biệt hợp lý với công trình cống. - Ở Việt Nam hiện nay, trong tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN4054-2005 [4] đang quy định mức tần suất thiết kế p = 1% - 4% đối với cầu nhỏ, cống, rãnh đỉnh, rãnh biên trên đường ôtô cấp I - VI và đường cao tốc. Trong tiêu chuẩn thiết kế thoát nước đô thị TCVN7957-2008 [8], quy định chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán thiết kế N = 10 năm - 0.33 năm đối với kênh, mương, cống chính, cống nhánh khu vực trên đường đô thị của thành phố lớn, loại I, đô thị loại II, loại III và các đô thị khác. 1.1.4.5. Tính chất ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính toán trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. - Trong công thức cường độ giới hạn sử dụng để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường, thông số cường độ mưa tính toán a,p ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p là một đại lượng ảnh hưởng tổng hợp đến tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế, bởi vì nó thể hiện tác động của tất cả các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ thiết kế của công trình thoát nước nhỏ trên đường là nhân tố về mưa, các yếu tố mặt đệm và tần suất thiết kế. - Thật vậy, theo công thức định nghĩa xác định cường độ mưa tính toán a,p [công thức H (4.2)’ chương 4], thì: a  , p  , p  với: H,p là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tập trung nước  của lưu vực ở - 27 -
42. tần suất p hay lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết kế p  là thời gian tập trung nước của lưu vực. Rõ ràng: ./ Chế độ mưa ở vùng thiết kế quyết định đến trị số lượng mưa lớn nhất thời đoạn tính toán H,p nên ảnh hưởng tới a,p. ./ Tần suất thiết kế p ảnh hưởng tới H,p nên ảnh hưởng tới a,p. ./ Các yếu tố mặt đệm ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước  của lưu vực do vậy ảnh hưởng đến a,p. - Ngoài ra, khác với thông số lượng mưa ngày tính toán Hn,p thì thông số cường độ mưa tính toán a,p còn phản ảnh được ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa. Hình 1.4 cho thấy mặc dù Ht,p I có cùng lượng mưa ngày tính toán II ,p H nhưng ở hai vùng mưa I và I n,p  H ,p II vùng mưa II có hình dạng cơn  n,p H mưa khác nhau thì lượng mưa lớn H nhất trong thời đoạn tính toán H,p  ở hai vùng mưa khác nhau và kết 0 t quả là cường độ mưa tính toán Hình 1.4: Ảnh hưởng của hình dạng cơn a,p = H,p /  cũng khác nhau. mưa tới cường độ mưa tính toán a,p - Như vậy: Qua việc phân tích trên cho thấy các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường như nhân tố mưa, các yếu tố mặt đệm, tác động của hoạt động kinh tế - xã hội của con người thông qua hai nhân tố là mưa và các yếu tố mặt đệm, cũng như thông số thời gian tập trung nước , thông số tần suất thiết kế p đều có ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ công trình thoát nước nhỏ trên đường thông qua tham số mang tính chất tổng hợp là cường độ mưa tính toán a,p. 1.2. Những vấn đề còn tồn tại luận án tập trung giải quyết. - Qua các phân tích, đánh giá ở trên thì vấn đề tồn tại cấp thiết nhất nổi lên trong việc tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay là việc xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Các tham số về mưa hiện đang dùng do được xác lập - 28 -
43. những năm về trước đây nên chưa phù hợp với yêu cầu tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện tình hình thời tiết khí hậu ở nước ta hiện nay. - Việc phân vùng mưa (quá rộng, đã lâu) như đang dùng trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCVN9845:2013 [5] là chưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện hiện nay ở nước ta, cần đặt vấn đề nghiên cứu hiệu chỉnh phù hợp. - Thông số cường độ mưa tính toán là một tham số có tính chất tổng hợp, tính đại diện cho chế độ mưa và hình dạng cơn mưa của vùng mưa, cho các đặc trưng mặt đệm của lưu vực, cho thời gian tập trung nước và tần suất thiết kế, nó mang đặc trưng riêng biệt của điều kiện khí hậu Việt Nam, do vậy nó là thông số cần thiết cho tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, phản ánh sát hơn với điều kiện khí hậu và địa hình Việt Nam. Cần nghiên cứu xác định tham số cường độ mưa tính toán aT,p trong điều kiện khí hậu Việt Nam sử dụng để xác định lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Qp đảm bảo mức độ chính xác yêu cầu. 1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài. - Mục tiêu của đề tài nghiên cứu. +) Nghiên cứu lý thuyết, phân tích được bản chất, đề xuất được nguyên tắc, phương pháp, công thức xác định các tham số về mưa dùng trong các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện Việt Nam. +) Vận dụng vào thực tiễn: trước mắt, do chưa có đủ điều kiện nên đặt mục tiêu xác định giá trị cụ thể các tham số về mưa tại khu vực 12 trạm khí tượng điển hình chọn nghiên cứu, các giá trị cụ thể này được kiến nghị tham khảo sử dụng vào thực tế hiện nay trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở những khu vực này của nước ta. - Nội dung nghiên cứu. +) Luận án tập trung nghiên cứu xác định các tham số về mưa sau đây. ./ Nghiên cứu xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế phù hợp với đặc điểm diễn biến thời tiết ở nước ta hiện nay chịu tác động của hiện tượng BĐKH; xác định giá trị cụ thể của Hn,p cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu trên cơ sở chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập đến thời điểm hiện nay, từ năm 1960 - 2010 trong đó khoảng thời gian cuối là ứng với bối cảnh có sự tác động của BĐKH. - 29 -
44. ./ Nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và vấn đề phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam. ./ Nghiên cứu xác định tham số cường độ mưa tính toán aT,p ứng với thời gian tập trung nước tính toán và tần suất thiết kế, đây là tham số ảnh hưởng tổng hợp trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. +) Các tham số về mưa được nghiên cứu trên đều là các tham số được sử dụng trong các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. 1.4. Phương pháp nghiên cứu. Phân tích thống kê là phương pháp chính được sử dụng trong luận án để nghiên cứu xác định các tham số mưa dùng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. 1.5. Nhận xét, kết luận chương 1. +) Công thức cường độ giới hạn hiện được sử dụng rộng rãi và phổ biến để xác định lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Công thức cường độ giới hạn có cơ sở lý thuyết khá chặt chẽ, được xây dựng dựa trên cơ sở phân tích nguyên nhân hình thành dòng chảy bằng lý thuyết tập trung nước từ lưu vực. Công thức có ưu điểm là đơn giản, dễ sử dụng, không đòi hỏi quá nhiều thông số đầu vào nên hạn chế được sai số do việc thiếu số liệu đầu vào gây ra, phù hợp với tính chất của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường nằm phân tán, rải rác khắp nơi, sẽ rất khó khăn trong việc xác định đúng và đủ nếu đòi hỏi quá nhiều thông số đầu vào. +) Việc xác định lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường theo thông số cường độ mưa tính toán a,p trong khoảng thời gian tập trung nước  của lưu vực là phù hợp nhất với cở sở hình thành công thức cường độ giới hạn so với việc sử dụng thông số lượng mưa ngày tính toán Hn,p. Bởi vì thời gian tập trung nước của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ngắn, thường chỉ chục phút đến vài giờ nên sử dụng thông số cường độ mưa đã xét được ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa, xét được thời khoảng mưa gây lũ bất lợi nhất, điều mà thông số lượng mưa ngày không thể xét được. Mặt khác, thông số cường độ mưa tính toán a,p là một đại lượng ảnh hưởng tổng hợp đối với tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, nó phụ thuộc cả vào chế độ mưa, cả vào các đặc trưng mặt đệm của lưu vực, cả vào thời gian tập trung nước, cả vào tần suất thiết kế. Như vậy trong công - 30 -
45. thức cường độ giới hạn đã sẵn có một thông số mang tính chất tổng hợp đặc trưng cho các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường là thông số cường độ mưa tính toán a,p , nếu xác định được thông số cường độ mưa tính toán a,p này và sử dụng nó để tính lưu lượng thiết kế Qp cho công trình thoát nước nhỏ trên đường thì sẽ nâng cao được mức độ chính xác. +) Trong các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường thì mưa là nhân tố quan trọng nhất, có ảnh hưởng quyết định. Mưa và các thông số đặc trưng về mưa mang giá trị đặc trưng riêng biệt của điều kiện khí hậu Việt Nam. Cần tập trung nghiên cứu xác định các tham số về mưa này để sử dụng trong việc tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay. - 31 -
46. Chương 2: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG 2.1. Khái quát về điều kiện khí hậu Việt Nam. - Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến, thuộc vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, gió mùa. Khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm không thuần nhất trên toàn lãnh thổ, thay đổi theo mùa và theo vùng từ thấp lên cao, từ bắc vào nam, từ đông sang tây. Lãnh thổ Việt Nam được chia làm hai miền khí hậu lớn và khác biệt, [9]. Miền Bắc, từ 16 độ vĩ bắc (ngang đèo Hải Vân) trở ra phía bắc, là khí hậu nhiệt đới gió mùa, một năm có 4 mùa rõ rệt xuân - hạ - thu - đông, chịu ảnh hưởng của gió mùa đông bắc và gió mùa đông nam, nhiệt độ không khí trung bình hàng năm 2000 giờ, tổng xạ trung bình hàng năm > 586 KJ/cm . Độ ẩm tương đối của không khí trên toàn lãnh thổ nước ta quanh năm cao, trung bình trên 80% (từ 77% - 87%), [9]. - Trên toàn lãnh thổ nước ta, lượng mưa và thời gian mưa hàng năm tương đối lớn, trung bình từ 1100 - 8000 mm/năm và từ 67 - 223 ngày mưa/năm. Mưa phân bố không đều và tập trung vào các tháng mùa mưa. Nhiều trận mưa có cường độ lớn, nhiều đợt mưa liên tục, kéo dài, gây lũ lụt. So với lượng mưa trung bình năm ở các nước cùng vĩ độ thì Việt Nam được đánh giá là có lượng mưa khá dồi dào, cao gấp khoảng 2.4 lần [25]. - Do ảnh hưởng của gió mùa và sự phức tạp của địa hình nên Việt Nam thường gặp những hiện tượng thời tiết đặc biệt, gây bất lợi như: bão, lốc, lũ lụt, lũ quét, . . . . - 32 -
47. - Mưa ở nước ta phân bố không đều theo không gian và thời gian. Chế độ mưa ở nước ta rất phong phú, thể hiện theo mùa rõ rệt. Một năm phân ra hai mùa là mùa khô và mùa mưa, các trận mưa gây lũ lớn tập trung chủ yếu vào mùa mưa. Mùa mưa ở nước ta chậm dần từ bắc vào nam. Chế độ mưa chịu ảnh hưởng của ba yếu tố chính là. (i) Các hình thế thời tiết gây mưa hay nguyên nhân gây mưa. (ii) Gió. (iii) Địa hình. - Các hình thế thời tiết gây mưa lớn ở nước ta rất phức tạp. Do lãnh thổ Việt Nam trải dài trên 10 vĩ độ Bắc, lại nằm ở vùng thường gặp gỡ của các nhiễu động thời tiết như bão, áp cao Thái Bình Dương, áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới, không khí lạnh, xoáy thuận, . . . nên nguyên nhân hình thành mưa lũ lớn ở mỗi khu vực cũng khác nhau. Mưa lớn gây lũ lớn ở nước ta chủ yếu là các vùng đồi núi phía Bắc, miền Trung và Tây Nguyên. Theo nhiều kết quả nghiên cứu, điển hình trong [29] thì. +) Ở miền Bắc: nguyên nhân gây mưa lớn hầu như là sự kết hợp hoặc hoạt động liên tiếp của nhiều hình thế thời tiết, phần lớn các trận mưa lớn là do kết hợp hoặc liên tiếp xảy ra của 2 hoặc 3 hình thế thời tiết (chiếm 77%), thậm chí có những trận mưa lớn có tới 5 đến 7 hình thế thời tiết kết hợp hoặc liên tiếp hoạt động, những trận mưa lũ do một hình thế thời tiết đơn độc xảy ra rất hiếm, trừ khi do bão. Do vậy mưa lớn khu vực miền Bắc có đặc điểm là trận mưa dài ngày, thường từ vài ngày đến hai hay ba tuần, trung bình khoảng 7 đến 8 ngày, mỗi trận thường gồm nhiều đợt mưa, 2 đến 3 đợt, thậm chí tới 4 hay 5 đợt, mỗi đợt chỉ tập trung 1 đến 3 ngày, thời gian giữa các đợt mưa khoảng từ 5 - 7 giờ đến trên dưới 1 ngày, trong thời gian này thường có mưa nhỏ hoặc không mưa. Mưa lũ lớn xảy ra trên một diện tích rộng, mỗi trận mưa lũ lớn thường có nhiều tâm mưa, vị trí của các tâm mưa phụ thuộc vào các hình thế thời tiết gây mưa, điều kiện địa hình và vị trí của lưu vực, các tâm mưa có lượng mưa đạt trên 500mm/trận thường chiếm một phần rất nhỏ so với diện tích lưu vực. Sự phân bố mưa theo không gian và thời gian không đều. Tính thất thường của mưa gây lũ thể hiện ở sự biến động của lượng mưa từng năm, từng tháng, từng ngày. Do lượng mưa lớn, cường độ mưa lớn, độ dốc của vùng núi lớn, rừng bị tàn phá nhiều nên cường suất nước lũ dâng rất lớn [29]. +) Đối với khu vực miền Trung và Tây Nguyên: nguyên nhân gây mưa lớn và đặc biệt lớn ở khu vực miền Trung chủ yếu là do loại hình thời tiết là bão hoặc áp thấp nhiệt đới, bão hoặc áp thấp nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh, đôi khi là các trận - 33 -
48. bão liên tiếp. Do vậy mưa lớn khu vực miền Trung có đặc điểm là thời gian của trận mưa tùy theo hình thế thời tiết gây mưa có thể kéo dài từ 2 - 3 ngày cho tới 10 - 12 ngày. Tâm mưa và lượng mưa phụ thuộc rất nhiều vào nguyên nhân gây mưa mà chủ yếu là bão. Tâm mưa luôn ở sát vị trí đổ bộ của bão hoặc xê dịch đi chút ít, lượng mưa tại tâm mưa thường từ 300 - 500mm/trận, đặc biệt có những trận mưa có lượng mưa trận tại tâm mưa đạt tới trên 1000mm. Lượng mưa một ngày tại khu vực miền Trung đạt trên 600 - 700mm không phải là hiếm như khu vực miền Bắc, lượng mưa một ngày đạt trên 400mm là thường xuyên. Do đặc điểm địa hình của khu vực miền Trung và Tây Nguyên với dãy Trường Sơn chạy dọc theo chiều dài khu vực và rất gần biển nên mưa phân hóa dọc theo chiều dài của khu vực là rất rõ nét. Nói chung mưa lũ ở miền Trung và Tây Nguyên chủ yếu là do bão và áp thấp nhiệt đới gây ra nên thường mưa không kéo dài nhưng tập trung và diện mưa cũng khá rộng với cường độ mưa lớn nên thường gây ra lũ rất ác liệt với hậu quả nghiêm trọng do kết hợp với điều kiện địa hình hẹp, dốc lớn [29]. Vùng cửa sông lại chịu ảnh hưởng của thủy triều và nước biển dâng do bão mạnh nên càng tăng mức độ ngập lụt của lũ trong vùng. Đây là một vấn đề cần lưu tâm trong tính toán thiết kế các công trình thoát nước ở khu vực này. +) Đối với miền Nam: các hình thế thời tiết gây mưa đơn giản hơn, chế độ mưa ít thất thường hơn nhưng hay xảy ra tác động kép của mưa lớn và hiện tượng thủy triều dâng làm gia tăng mức độ ngập lụt trong vùng. +) Đặc điểm mưa gây lũ lưu vực nhỏ: đối với lưu vực nhỏ thì mưa được xem như phân bố đều trên lưu vực và ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng lũ, thời gian lũ, cường suất lũ và tổng lượng lũ. Khác với lưu vực lớn thì mưa lớn và mưa đặc biệt lớn trên diện rộng là do kết hợp của nhiều hình thế thời tiết, nhưng đối với lưu vực nhỏ thì chỉ cần một hình thế thời tiết cũng gây mưa với cường độ và lượng mưa lớn như mưa bão, áp thấp nhiệt đới và đặc biệt là mưa dông thường diễn ra với cường độ lớn trên diện tích không lớn trong một thời gian ngắn. Mưa dông mang những sắc thái có tính chất địa phương [40]. Một đặc điểm rất rõ nét của lưu vực nhỏ là có thể gây ra lũ lớn và lũ đặc biệt lớn khi xuất hiện cơn mưa có cường độ lớn mặc dù thời gian mưa ngắn hơn, lượng mưa ngày có thể nhỏ hơn những ngày khác do vậy ngoài các nguyên nhân gây mưa lũ như đối với lưu vực lớn thì mưa dông cũng là một nguyên nhân gây ra lũ ở lưu vực nhỏ. - 34 -
49. - Ngoài nguyên nhân hình thành thì chế độ mưa còn bị chi phối bởi các yếu tố khí hậu và đặc điểm mặt đệm. Trong các yếu tố khí hậu ảnh hưởng đến mưa thì chế độ gió đóng vào trò quan trọng nhất. Ở các tỉnh miền Bắc nước ta về mùa đông gió mùa đông bắc mang không khí lạnh và khô từ lục địa phía bắc xuống, lượng mưa do đó ít và cường độ mưa nhỏ. Mùa hạ các khí đoàn nóng ẩm ngự trị, thêm vào đó là các hình thế thời tiết gây mưa như bão, dải hội tụ nhiệt đới, . . . thường gây ra mưa lớn. Gió mùa đông bắc từ biển vào lại gây mưa lớn ở các tỉnh miền Trung. Hướng gió, vận tốc gió là những yếu tố ảnh hưởng đến chế độ mưa, nghiên cứu số liệu thống kê trong [9] thì vận tốc hướng gió chính trung bình trong các tháng mùa mưa trong năm thường lớn gấp 1.5 - 2 lần vận tốc gió trung bình năm và chính chúng có ảnh hưởng đến chế độ mưa ở nước ta. - Trong các yếu tố mặt đệm thì điều kiện địa hình có ảnh hưởng trội nhất đối với mưa. Địa hình ảnh hưởng đến mưa là yếu tố độ cao và hướng của sườn núi đón gió ẩm. Hướng của sườn núi đón gió do địa hình tạo ra gây ‘‘hiệu ứng chặn trước núi’’, không khí bị nhiễu động mạnh nên mưa nhiều hơn ở sườn núi hướng đón gió ẩm so với sườn núi phía khuất gió. Độ cao của địa hình cũng ảnh hưởng đến chế độ mưa và lượng mưa. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy khi độ cao tăng thì lượng mưa tăng do nhiệt độ giảm thấp và độ ẩm tăng, tuy nhiên quan hệ này chỉ tồn tại đến một độ cao giới hạn nào đó thì chấm dứt, độ cao giới hạn này ở Việt Nam ước lượng là 1800 - 2000m [21], [25], [26], [38]. Độ cao bình quân của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta đều thường nằm trong các giới hạn này. Do ảnh hưởng của địa hình trong một vùng có điều kiện khí hậu tương đối đồng nhất có thể tồn tại những vùng mưa lớn thường gọi là những tâm mưa, ở nước ta có những trung tâm mưa lớn như Đông Triều, Bắc Quang, Hoàng Liên Sơn, Tam Đảo, Bà Nà, Trà Mi, Bạch Mã, . . . , lượng mưa trung bình năm tại các trung tâm mưa này rất lớn, có thể đạt trên 3000mm, tâm mưa lớn nhất Việt Nam là Bạch Mã có lượng mưa trung bình năm đạt trên 8000mm. Vùng có lượng mưa lớn kéo dài từ vĩ tuyến 150 vĩ bắc đến 160 vĩ bắc gọi là vĩ tuyến nước. Ngược lại, những trung tâm mưa nhỏ được hình thành ở những vùng thấp, khuất hoặc nằm song song với hướng gió ẩm, như các vùng An Châu, Sơn La, Mường Xén, khu vực tỉnh Ninh Thuận, . . . lượng mưa trung bình năm tại những khu vực này chỉ đạt trên dưới 1000mm, đặc biệt khu vực tỉnh Ninh Thuận lượng mưa trung bình năm chỉ đạt khoảng 800mm. Vùng có lượng mưa nhỏ - 35 -
50. kéo dài ở duyên hải cực nam Trung Bộ từ vĩ tuyến 100 vĩ bắc đến 120 vĩ bắc là vùng ít mưa khá điển hình ở nước ta, [15], [25]. - Khi thực hiện nghiên cứu, khảo sát số liệu thống kê trong [9], là nguồn số liệu đã được soát xét lại năm 2008, cho 54 trạm khí tượng phân bố trên toàn quốc, cho thấy xu hướng ở nước ta nơi nào có lượng mưa trung bình năm lớn thì thường ở độ cao lớn và cũng thường có vận tốc gió hướng chính trung bình trong các tháng mùa mưa trong năm lớn. Tuy nhiên, cũng có nhiều điểm ngoại lệ vì chế độ mưa còn phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác nữa. - Trong những năm gần đây, khí hậu Việt Nam chịu nhiều ảnh hưởng của hiện tượng BĐKH, gây tác động tiêu cực đến chế độ mưa ở nước ta. Điều này được thể hiện rất rõ qua các nghiên cứu trong các kịch bản biến đổi khí hậu ở nước ta do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố. 2.2. Giới thiệu về mạng lưới các trạm khí tượng và nguồn số liệu đo mưa ở nước ta. - Ở nước ta, chỉ đến cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 thì hệ thống các trạm quan trắc khí tượng thủy văn mới được hình thành do người Pháp lập, tuy nhiên số trạm quan trắc còn ít, chủ yếu là trạm quan trắc thủy văn trên các hệ thống sông lớn và đo mực nước. Chỉ từ năm 1959, ở miền Bắc sau khi giải phóng, hệ thống các trạm quan trắc khí tượng thủy văn mới được mở rộng trên quy mô lớn và tổ chức quan trắc có hệ thống, đầy đủ nhất. Ở miền Nam, số liệu quan trắc khí tượng từ những năm 1978 - 1980 trở về đây là tin cậy vì đầy đủ, liên tục và có hệ thống, còn những năm từ khoảng 1980 trở về trước do hoàn cảnh lịch sử để lại nên không có số liệu quan trắc hoặc có nhưng rất tản mạn, thất lạc nên được coi là có độ tin cậy không cao. - Theo nguồn của Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia, từ năm 1991 mạng lưới các trạm đo mưa ở nước ta đã được quy hoạch lại theo đúng tiêu chuẩn. Hiện nay có khoảng 172 trạm khí tượng, 231 trạm thủy văn, trên 400 điểm đo mưa nhân dân đang hoạt động (không kể các điểm đo mưa nhân dân đã ngừng). Tổng cộng có khoảng trên 800 điểm đo mưa phân bố khắp trên toàn lãnh thổ, đạt mật độ trung bình cả nước khoảng 433 km2/điểm đo mưa, dầy nhất ở vùng Đồng bằng bắc bộ, đến Vùng núi và trung du bắc bộ, đến vùng Nam bộ, đến miền Trung, thưa nhất là Tây Nguyên, [26]. Thiết bị đo mưa tự ghi đã có ở hầu hết các trạm khí tượng, chiếm khoảng 20% tổng số điểm đo mưa, mỗi tỉnh đều có tối thiểu 1 trạm khí tượng có máy đo mưa tự ghi, có tỉnh có đến 2 - 3 trạm, các điểm đo mưa còn lại chỉ có thiết bị đo lượng mưa ngày. - 36 -
51. Trong những năm qua máy đo mưa tự ghi đã được đầu tư lắp đặt ở nhiều trạm khí tượng. Nhiều máy móc, công nghệ đo mưa hiện đại được nghiên cứu áp dụng như công nghệ đo mưa bằng ra đa thời tiết, đo được mưa liên tục trong một vùng, . . . Điều này đã làm phong phú và chính xác hơn nguồn dữ liệu đo mưa tự ghi ở nước ta. - Trong luận án đã thu thập số liệu đo mưa tự ghi tại 12 trạm khí tượng, chọn trạm điển hình cho mỗi khu vực địa lý trên toàn quốc để nghiên cứu như ở Bảng 2.1 sau. Bảng 2.1: Thông tin về số liệu đo mưa ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu TT Vùng địa lý và Đài khí Trạm khí tượng chọn Chuỗi số liệu đo tượng thủy văn nghiên cứu mưa thu thập 1 Vùng Tây Bắc - Đài 1- Trạm Lai Châu, Thị xã Mường 1960 - 2010 Tây Bắc Lay - Tỉnh Điện Biên 50 năm 2 Vùng Việt Bắc - Đài 2- Trạm Tuyên Quang, TP.Tuyên 1960 - 2010 Việt Bắc Quang - Tỉnh Tuyên Quang 50 năm 3 Vùng Đông Bắc - 3- Trạm Lạng Sơn, Thành phố Lạng 1960 - 2010 Đài Đông Bắc Sơn - Tỉnh Lạng Sơn 50 năm 4 Vùng Đồng bằng 4- Trạm Láng - Q. Đống Đa 1960 - 2010 Bắc Bộ - Đài Đồng 5- Trạm Hà Đông - Q. Hà Đông 1960 - 2010 bằng Bắc Bộ 6- Trạm Sơn Tây, TX. Sơn Tây 1960 - 2010 - Đều của TP. Hà Nội 50 năm 5 Vùng và Đài Bắc 7- Trạm Vinh, Thành phố Vinh - 1960 - 2010 Trung Bộ Tỉnh Nghệ An 50 năm 6 Vùng và Đài Trung Trung Bộ 8- Trạm Đồng Hới, Thành phố Đồng 1960 - 2010 + Bắc Hải Vân Hới - Tỉnh Quảng Bình 50 năm + Phía nam đèo Hải 9- Trạm Đà Nẵng, Thành phố Đà 1980 - 2010 Vân Nẵng 30 năm 7 Vùng và Đài Nam 10- Trạm Nha Trang, Thành phố Nha 1980 - 2010 Trung Bộ Trang - Tỉnh Khánh Hòa 30 năm 8 Vùng Tây Nguyên - 11- Trạm Buôn Ma Thuột, TP. Buôn 1980 - 2010 Đài Tây Nguyên Ma Thuột - Tỉnh Đắk Lắk 30 năm 9 Vùng Nam Bộ - Đài 12- Trạm Cần Thơ, Thành phố Cần 1980 - 2010 Nam Bộ Thơ 30 năm Nguồn cung cấp dữ liệu đo mưa: Trung tâm Khí tượng thủy văn Quốc Gia. Số liệu đo mưa, tọa độ, cao độ các trạm khí tượng chọn nghiên cứu xem tại Phụ lục 11, Quyển phụ lục luận án. Ghi chú: Theo đặc điểm vị trí địa lý, Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia thành lập 9 Đài khí tượng thủy văn khu vực cho 9 vùng địa lý trên toàn quốc. Do - 37 -
52. chưa có điều kiện thu thập số liệu đo mưa ở tất cả các trạm nên mỗi khu vực địa lý chỉ lấy số liệu đo mưa tại 1 - 3 trạm khí tượng chọn để phân tích nghiên cứu. - Các đặc trưng về mưa luận án thu thập chủ yếu tập trung vào các yếu tố liên quan đến thiết kế và xây dựng các công trình thoát nước trên đường. Cụ thể thu thập: 1) Lượng mưa thời đoạn lớn nhất năm đo được trên máy đo mưa tự ghi tại các trạm khí tượng theo từng năm, từ năm 1960 - 2010. Thời đoạn được chọn để thu thập tài liệu lượng mưa thời đoạn lớn nhất năm theo yêu cầu khảo sát quy luật của lượng mưa và cường độ mưa thay đổi theo thời gian và tần suất mưa tính toán, cụ thể thu thập lượng mưa thời đoạn lớn nhất năm ở các thời đoạn T = 5ph, 10ph, 20ph, 30ph, 60ph, 180ph, 360ph, 540ph, 720ph, 1080ph, 1440phút cho từng năm để khảo sát và phục vụ việc tính toán xác định lượng mưa lớn nhất thời đoạn tính toán HT,p , cường độ mưa trung bình lớn nhất thời đoạn tính toán aT,p theo tần suất thiết kế. 2) Lượng mưa ngày theo từng ngày, từng tháng trong năm, liên tục từ năm 1960 - 2010 tại các trạm khí tượng theo yêu cầu khảo sát chế độ mưa cần đến lượng mưa năm, lượng mưa tháng và lượng mưa ngày lớn nhất năm. Đồng thời phục vụ việc tính toán xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế. 3) Số ngày mưa trong từng tháng, từng năm ở các trạm khí tượng, liên tục từ năm 1960 - 2010 theo yêu cầu khảo sát chế độ mưa. Thời điểm ngày, tháng xuất hiện trong năm của lượng mưa ngày lớn nhất năm và của lượng mưa thời đoạn lớn nhất năm ở các thời đoạn T chọn khảo sát tại các trạm khí tượng theo từng năm, từ năm 1960 - 2010 theo yêu cầu khảo sát so sánh quy luật giữa lượng mưa ngày lớn nhất max max năm Hngày và cường độ mưa trung bình thời đoạn tính toán lớn nhất năm aT . - Dựa vào tài liệu về mưa nói trên, tiến hành tính toán, phân tích, nghiên cứu các quy luật biến đổi các tham số về mưa và giải quyết các nội dung được luận án đặt vấn đề. 2.3. Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa chịu tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu và ảnh hưởng của nó đến tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. 2.3.1. Đặt vấn đề. Mưa vừa có tính ngẫu nhiên, vừa có tính chu kỳ. Tính ngẫu nhiên thể hiện ở sự xuất hiện của một giá trị cụ thể tại một thời điểm nào đó, tính chu kỳ phản ánh quy luật thay đổi của xu thế bình quân trong những khoảng thời gian dài. Chế độ mưa có thể được hiểu là sự thay đổi có quy luật của mưa theo không gian, thời gian. Thông số đặc trưng quan trọng của mưa thường sử dụng trong tính toán lưu lượng dòng chảy lũ - 38 -