Tài liệu Chương 5: Tính toán dòng chảy lũ thiết kế pdf

Các đặc trưng lượng mưa và cường độ mưa  Cường độ mưa tức thời:  là lượng mưa đo được trong một đơn vị thời gian tại một thời điểm bất kỳ ở một vị trí quan trắc.. K/h: at ~t  Cường đ

Chương 5: Tính toán dòng

chảy lũ thiết kế

I Khái niệm chung

1 Lũ và các đặc trưng về lũ

a Khái niệm

 Dòng chảy lũ được hiểu là quá trình không

ngừng tăng lên hoặc giảm đi của lưu lượng hoặc mực nước Trong quá trình thay đổi đó lưu

lượng hoặc mực nước đạt một hoặc vài trị số

cực đại Nếu có một trị số cực đại gọi là quá

trình lũ đơn Nếu có hai trị số cực đại trở lên gọi

là quá trình lũ kép

lên và nhánh nước xuống Tương ứng với quá trình

thay đổi lưu lượng là quá trình thay đổi mực nước trong sông H~t.

W

1 max

Sơ họa một đường quá trình lũ

Q(m 3 /s)

Qmax

W

(Q~t)

Các đặc trưng biểu thị khác

 Thời gian lũ T (giờ, ngày): là khoảng thời gian kể

từ thời điểm bắt đầu có lũ đến khi kết thúc lũ

 Thời gian lũ lên Tl là thời gian kể từ khi bắt đầu

có lũ đến thời điểm xuất hiện đỉnh lũ Qmax

 Thời gian lũ xuống Tx là thời gian kể từ thời điểm xuất hiện đỉnh lũ Qmax đến khi lũ kết thúc

Như vậy: T= Tl+Tx

 Hệ số bất đối xứng: γ = Tx/Tl

Đối với các lưu vực vừa và nhỏ γ ≈ 2 ÷ 3

2 Sự hình thành dòng chảy lũ

 Từ t1 ÷ t2: at >Kt thời kỳ cấp nước

Trong đó Ycn: Lớp cấp nước (lượng mưa hiệu quả)

t

t

t

cn h dt a K dt Y

 Quá trình hình thành dòng chảy lũ phụ thuộc vào:

 Quá trình mưa

 Quá trình tổn thất (chủ yếu do thấm)

 Quá trình tập trung nước về tuyến cửa ra

3 Các đặc trưng lượng mưa và cường

độ mưa

 Cường độ mưa tức thời:

 là lượng mưa đo được trong một đơn vị thời gian tại một thời điểm bất kỳ ở một vị trí quan trắc Ký hiệu: at Đơn vị mm/h hoặc mm/phút

 Đường quá trình mưa:

 Sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian trong một trận mưa gọi là quá trình mưa.

 Đồ thị biểu thị sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian gọi là đường quá trình mưa K/h: at ~t

 Cường độ mưa bình quân thời đoạn:

 Là cường độ mưa tính bình quân trong khoảng thời gian ∆ t, được tính theo công thức:

Đường quá trình mưa at ~t

3 Các đặc trưng lượng mưa và cường

độ mưa (tiếp)

 Lượng mưa lớn nhất thời đoạn:

 Là lượng mưa trong khoảng thời gian T được chọn trên đường quá trình mưa at ~t sao cho lượng mưa trong thời đoạn đó là lớn nhất K/h: HT

 Thông thường, khoảng thời gian T có chứa đỉnh mưa amax,

sẽ cho lượng mưa lớn nhất thời đoạn T.

 Cường độ mưa bình quân lớn nhất thời đoạn:

 Là cường độ mưa trong khoảng thời gian T được chọn trên đường quá trình mưa at ~t sao cho cường độ mưa trong thời đoạn đó là lớn nhất

T

H

T =

a Hệ số dòng chảy lũ

trận lũ với lượng mưa tương ứng sinh ra trận lũ đó (H).

Hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào lượng mưa, cường độ mưa, và các yếu tố mặt đệm như loại đất trên lưu vực, mật độ che phủ của rừng…

τ

τ τ

t a c

t c

t

te

K a

K K

.

t

A K

Kt = c +

c c

Chú thích:

 Kt: Cường độ thấm tại thời điểm tính toán (mm/phút)

 K0: Cường độ thấm ban đầu (mm/phút)

 d: Độ thiếu hụt bão hòa của độ ẩm đất

 at: Cường độ mưa tại thời điểm tính toán (mm/phút)

 t: thời gian tính toán kể từ khi bắt đầu mưa (phút)

c Đường cong SCS của Cơ quan Bảo vệ Thổ nhưỡng Hoa Kỳ

 Đặt:

 P là lượng mưa của trận mưa (mm)

 Pe là lượng mưa hiệu quả (mm)

 Ia: tổn thất ban đầu, giả thiết bằng 0.2S

 S: Giới hạn độ sâu nước bị cầm giữ tiềm năng (mm)

Đường cong SCS (tiếp)

 Trị số S được xác định theo quan hệ giữa S và CN (số hiệu đường cong dòng chảy) như sau:

 CN lấy giá trị trong khoảng (0, 100) Đối với bề mặt

không thấm nước hoặc mặt nước CN=100 Đối với bề mặt tự nhiên CN <100.

 Các số hiệu CN được lập thành bảng sẵn dựa trên phân loại đất và tình hình sử dụng đất

5 Thời gian tập trung dòng chảy

 Khái niệm:

 Là khoảng thời gian để một chất điểm nước tại

vị trí xa nhất trên lưu vực chuyển động tới

tuyến cửa ra Ký hiệu: τ

 Quá trình tập trung nước gồm hai giai

đoạn:

 Tập trung dòng chảy trên sườn dốc ( τd)

 Tập trung dòng chảy trong sông ( τs)

Hai quá trình này thực chất không thể phân tách ra được

6 Công thức căn nguyên dòng chảy

 CT được thiết lập nhằm khái quát hóa và tính toán quá trình lưu lượng ở tuyến cửa

ra của lưu vực trên cơ sở lý thuyết đường đẳng thời.

 Đường đẳng thời là đường cong nối tất cả

các điểm trên lưu vực có cùng thời gian tập trung dòng chảy về tuyến cửa ra.

 Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các

đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1,

f2, f3

τ = 3 (giờ)Như vậy τ < Tcn

f1 f2

f3

Xác định quá trình lưu lượng

 Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của lưu vực là:

 Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các

đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1,

f2, f3

τ = 3 (giờ)Như vậy τ = Tcn

f1 f2

f3

Xác định quá trình lưu lượng

 Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của lưu vực là:

 Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các

đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1,

f2, f3

τ = 3 (giờ)Như vậy τ > Tcn

f1 f2

f3

Xác định quá trình lưu lượng

 Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của lưu vực là:

Công thức tổng quát

 Trong đó:

 i: thời điểm tính toán

 k ≤ m, với m là số thời đoạn mưa hiệu quả

 i-k <n, với n là số mảnh diện tích được phân chia bởi các đường đẳng thời

Q

1

1

k i

k f h

Q

1

1

II Xác định dòng chảy lũ thiết kế

 Các đặc trưng biểu thị dòng chảy lũ thiết kế:

 Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Qmaxp (m 3 /s)

 Tổng lượng dòng chảy lũ thiết kế Wmaxp (m 3 )

 Quá trình lũ thiết kế (Q~t)p

2 Bài toán tính lũ thiết kế

 Tài liệu khí tượng thủy văn

 Tài liệu địa hình địa chất

 Tài liệu dân sinh kinh tế

 Tần suất thiết kế P

 Tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Qmaxp

 Tính tổng lượng lũ thiết kế Wmaxp

 Xác định quá trình lũ thiết kế (Q~t)p

 Phương pháp thống kê xác suất

3 Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc thủy văn a) Xác định Qmaxp

 Lược đồ giải:

 Chọn mẫu thống kê

 Xử lý lũ đặc biệt lớn (nếu có)

 Lựa chọn dạng phân phối xác suất

 Nếu là PIII: Qmaxp =  Qmax ( Φ(Cs,P).Cv+1)

 Nếu là KM: Qmaxp =  Qmax.Kp

 Tính hệ số an toàn (nếu cần)

i) Chọn mẫu thống kê: 2 phương pháp

 Phương pháp mỗi năm chọn một trị số:

 Chọn giá trị lưu lượng lớn nhất trong năm.Nếu

có n năm chọn được n giá trị.

 Đặc điểm:

 Đảm bảo tính độc lập, tính đồng nhất nhưng tính đại biểu không cao

 Tổng số mẫu lấy được S = Tổng số năm n

 Tần suất tính toán lũ là tần suất năm

Chọn mẫu thống kê (tiếp)

 Phương pháp chọn mỗi năm nhiều trị số:

 Cách 1: Chọn mỗi năm một số mẫu cố định (2, 3, 4 trị số lớn nhất)

 Cách 2: Thống kê tất cả các giá trị lớn hơn hoặc bằng Qgh Trong đó: Qgh là giá trị lưu lượng giới hạn, có thể là:

 Tổng số mẫu S khác với tổng số năm n

 Tần suất tính toán lũ là tần suất lần Ps Trong tính toán phải chuyển về tần suất năm

( )m

s

P = 1 − 1 − Với  m = S/n

ii) Xử lý lũ đặc biệt lớn

 Khái niệm: Lũ đặc biệt lớn là trận lũ có trị

số rất lớn do tổ hợp thời tiết bất lợi trên lưu vực sinh ra và rất lâu mới gặp lại.

 Nội dung:

 Xác định thời kỳ xuất hiện lại N

 Tính tần suất xuất hiện của trận lũ đặc biệt lớn

 Xác định lại các tham số thống kê

Xử lý lũ đặc biệt lớn (tiếp)

 Xác định thời kỳ xuất hiện lại:

 Căn cứ vào năm phát sinh con lũ

 Căn cứ vào mức độ lặp lại con lũ đó

 Tính tần suất của lũ đặc biệt lớn theo công thức:

Trong đó: M là số thứ tự của lũ đặc biệt lớn; N là thời kỳ xuất hiện lại lớn nhất

%

100 1

+

=

N M P

1 1

max max

n

N Q

N Q

2 max

2

1

1 1

1

i

i N

n

N K

N C

Trong đó k = Q /  Q

i N

n

N Q

N

Q

1

max max

max

1 1

i N

n

N K

N

C

1

2 max

2

1 1

iii) Xác định Qmaxp

 Nếu là PIII: Qmaxp =  Qmax ( Φ(Cs,P).Cv+1)

 Nếu là KM: Qmaxp =  Qmax.Kp, trong đó Kp =f(P, Cv, Cs)

làm việc bất thường (tần suất <0.01%), sẽ không an toàn nếu không xét đến sai số do mẫu có dung lượng nhỏ gây ra.

Trong đó:

 a là hệ số phụ thuộc vào mức độ tin cậy của tài liệu thủy văn

b) Xác định Wmaxp

khoảng nào đó

Trong thực tế ∆T có thể là 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày, …

1 max

W

1

ii) Xác định Wmaxp hoặc W∆T,p

 Tùy theo yêu cầu tính Wmaxp hoặc W∆T,p

 Cách làm giống như xác định Qmaxp

 Nếu là PIII: Wmaxp =  Wmax ( Φ(Cs,P).Cv+1)

 Nếu là KM: Wmaxp =  Wmax.Kp, trong đó Kp =f(P, Cv, Cs)

i) Phương pháp thu phóng cùng tỷ số

thiết kế.

Trong đó:

 Qmp, Qmđh: Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế và lũ điển hình

 Wmp, Wmđh: Tổng lượng lũ thiết kế và lũ điển hình

 Qip = Qiđh KQ hoặc Qip = Qiđh KW

Trong đó Qip, Qiđh là tung độ của đường quá trình lũ thiết kế và lũ điển hình

mdh

mp Q

W

W

Hoặc

 Nếu quan hệ tương quan giữa đỉnh lũ và tổng lượng

lũ là chặt chẽ thì KQ ≈ KW Khi đó sẽ đảm bảo cả đỉnh lũ

và tổng lượng lũ xấp xỉ đỉnh lũ thiết kế và tổng lượng

lũ thiết kế

ii) Phương pháp thu phóng

Oghiepxki

có tung độ của đường quá trình lũ thiết kế

mdh

mp Q

Q

Q

K =

f Q

W T

mp

p p

2

=

Phương pháp thu phóng Oghiepxki (tiếp)

Q

W mp

mdh dh

p

dh

p T

K

K Q

Q W

W T

T

dh

p W

W W

Q2đh, … Qiđh …

 Tính

 Qip = Qiđh x KQ

4 Trường hợp không có tài liệu

 Công thức lý luận: là loại công thức được xây dựng trên cơ sở

công thức căn nguyên dòng chảy, từ đó xây dựng mối liên hệ giữa đỉnh lũ với các đặc trưng mưa gây lũ và các yếu tố ảnh hưởng của

mặt đệm Điển hình: công thức cường độ giới hạn

 Công thức kinh nghiệm: là loại công thức đã hoàn toàn dựa trên

cơ sở tổng hợp tài liệu thực đo về lũ nhằm xác định mối quan hệ giữa lưu lượng đỉnh lũ với các nhân tố ảnh hưởng, từ đó dùng một

công thức toán học để thể hiện mối quan hệ đó Điển hình: công

thức triết giảm mô đun đỉnh lũ theo diện tích lưu vực sông.

 Công thức bán kinh nghiệm: là loại công thức trung gian của 2

loại trên, nghĩa là vừa dựa vào phân tích căn nguyên của sự hình

a) Công thức cường độ giới hạn

 Dựa theo công thức căn nguyên dòng chảy, lưu lượng đỉnh lũ cho trường hợp dòng chảy hoàn toàn có thể viết dưới dạng:

Qmax=hτ.F Trong đó:

 hτ – cường độ mưa hiệu quả

 τ - thời gian tập trung dòng chảy

 F - diện tích lưu vực

 hτ có thể tính theo cường độ mưa aτ theo công thức:

hτ = α aτTrong đó:

 α – hệ số dòng chảy lũ

Công thức cường độ giới hạn (tiếp)

 Công thức viết lại thành:

Qmax= K α aτ.F Trong đó K – hệ số chuyển đổi đơn vị.

Với Qmax (m3/s); F (km2):

Khi aτ tính theo mm/phút thì K = 16.67

Khi aτ tính theo mm/h thì K=2.78

 Khi tính đỉnh lũ thiết kế:

i) Cường độ mưa thiết kế

 Khái niệm: là cường độ mưa bình quân

lớn nhất thời đoạn τ ứng với tần suất thiết kế

 Trong đó τ là thời gian tập trung dòng

chảy của lưu vực

 Xác định cường độ mưa thiết kế theo 2

phương pháp:

 Công thức kinh nghiệm

 Đường cong triết giảm mưa

Đường cong triết giảm mưa

H

Hτ

τ

Đường cong triết giảm mưa (tiếp)

quân của các đường cong trong cùng khu vực

để sử dụng Khi đó thay ψ(τp) bằng ψ(τ)

Đường cong triết giảm mưa (tiếp)

Ứng dụng đường cong triết giảm mưa tính cường độ mưa thiết kế

Công thức cường độ giới hạn (tiếp)

 Sau khi biết aτp theo đường cong triết giảm mưa, thay vào công thức cường độ giới

ii) Thời gian tập trung dòng chảy

 Thời gian tập trung nước là thời gian để cho một chất điểm nước nào đó trên lưu vực di chuyển về tuyến cửa ra.

 Quá trình tập trung nước gồm hai giai

đoạn:

 Quá trình tập trung nước trên sườn dốc

 Quá trình tập trung nước trong lòng sông về

Thời gian chảy tụ trên sườn dốc τd

 Trong đó:

 Ld: chiều dài bình quân sườn dốc lưu vực (km)

 md: thông số tập trung dòng chảy trên sườn dốc, phụ thuộc vào tình hình bề mặt sườn dốc

6 , 0

1000

d d

d

d d

h J

Thời gian chảy tụ trên sườn dốc (tiếp)

 Thay hτd vào biểu thức có:

Không thể giải trực tiếp ra τd nên biến đổi như sau:

( )

( )

( )0 , 4

3 , 0

6 , 0

1000

np d

d

d d

H J

τ =

( )

[ ] ( ( ) ) d

np d

d

d d

H J

m

L

6 ,

0 4

,

α ψ

Thời gian chảy tụ trong sông τs

 Trong đó:

 Ls: chiều dài sông

 ms: thông số tập trung nước trong sông phụ thuộc vào tình hình sông suối của lưu vực

 Js: độ dốc lòng sông

 Qmaxp: lưu lượng đỉnh lũ thiết kế

 Qmaxp= 16.67 ψ ( τ ) α Hnp.F

4 /

1 max

3 / 1

1000

p s

s

s s

Q J

m

L

=

τ

Thời gian chảy tụ trong sông τs

 Thay Qmaxp vào công thức và diễn đạt lại

s

s s

F H

J m

L

A1 / 4 = 11000/3 1/4 = Φ

.

α τ

Trình tự tính toán thời gian tập trung

Công thức cường độ giới hạn (tiếp)

 Qmaxp=16,67 ψ(τ) Hnp α F δ1 δ2

Trong đó:

 Hnp: lượng mưa thiết kế, được xác định từ tài liệu mưa

 α : hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào loại đất cấu tạo nên lưu vực, Hnp

và F

 δ1: hệ số triết giảm đỉnh lũ do ao hồ

f a – tỉ lệ diện tích ao hồ (f a = F ao hồ /F)

c – hệ số phụ thuộc vào lớp dòng chảy lũ

 Đối với vùng mưa lũ kéo dài c = 0.1 Đối với vùng mưa lũ ngắn c = 0.2

a

a f c

b) Công thức triết giảm môđun đỉnh

lũ theo diện tích

 Môđun đỉnh lũ:

 Môđun đỉnh lũ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm mưa, đặc điểm địa hình, lớp phủ thực vật, diện tích lưu vực

 Môđun đỉnh lũ thiết kế: qmaxp (m3/s.km2)

( 3 2 )

max

F Q

q =

Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích (tiếp)

vực tăng và được mô tả bằng hàm số mũ:

thay đổi theo vùng lãnh thổ; F là diện tích lưu vực sông.

bằng cách lấy logarit 2 vế:

n

p p

F A

qmax =

Lg(F) Lg(qmaxp)

i) Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị số quy chuẩn của môđun đỉnh lũ

 Môđun đỉnh lũ quy chuẩn q100 ứng với diện tích 100km2 và tần suất 10%được xây dựng thành bản đồ đẳng trị

 Theo công thức triết giảm:

 n là hệ số triết giảm được tổng hợp từ tài liệu

n

A q

100

% 10

i) Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị số quy chuẩn của môđun đỉnh lũ (tiếp)

 Đặt gọi là hệ số chuyển đổi tần suất

(tra bảng theo phân vùng lãnh thổ)

 Viết lại công thức dưới dạng:

 Từ đó có lưu lượng đỉnh lũ thiết kế

% 10

Qmax p = max p.

ii) Xác định Qmaxp theo lưu vực tương tự

 Giả sử chọn được lưu vực có điều kiện khí hậu, mặt đệm tương tự như lưu vực nghiên cứu

 Coi tham số Ap của hai lưu vực là như nhau

 Dùng hệ số triết giảm n theo bản đồ phân vùng

 Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế:

n tt p

tt p

c) Công thức Xô-kô-lốp-sky

 Công thức được xây dựng trên các sơ sở:

 Chỉ xét các nhân tố chủ đạo ảnh hưởng đến dòng chảy lũ trong phạm vi độ chính xác thực dụng và các nhân tố đó có thể xác định dễ

dàng

 Coi tần suất mưa là tần suất lũ

 Không những xét đến đỉnh lũ, mà còn xét đến lượng lũ, đường quá trình lũ

 Tổn thất lũ tính bằng hệ số dòng chảy tổng

lượng

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky

 Tác giả đã đơn giản hóa quá trình lũ thành hai đường cong parabol gặp nhau tại đỉnh

 Phương trình của nhánh lũ lên

 Phương trình của nhánh lũ xuống

m

l

m t

t

t Q

t

t

t

t Q

Qmaxp

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp)

 Khi đó, tổng lượng lũ được xác định theo phép tích phân:

0 0

1

n

t m

t Q

dt t

t

t Q

dt t

t Q

W

x

l m

x

x m

l m

=

1 1

1

n m

t Q

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp)

 Cho gọi là hệ số hình dạng lũ

 Ta có:

 Mặt khác, tổng lượng lũ Wmp có thể tính theo lớp dòng chảy lũ yTp theo công thức:

1

1

+ +

n

m f

γ

f t

W Q

l

m =

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp)

 Từ đó có dạng công thức cuối cùng:

Trong đó K là hệ số chuyển đổi đơn vị Khi thời gian lũ lên

Tl tính theo giờ, cường độ mưa tính theo mm/h thì K

t

F

y K

Q

l

T l

278

, 0

Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp)

 Khi xét đến ảnh hưởng của ao hồ, lớp phủ thực vật và lưu lượng nước ngầm thì:

 δ1: hệ số triết giảm đỉnh lũ do ảnh hưởng ao hồ

 δ2: hệ số triết giảm đỉnh lũ do ảnh hưởng lớp phủ thực vật

 δ3: hệ số triết giảm đỉnh lũ do ảnh hưởng điều tiết của lòng sông

 Qng: lưu lượng nước ngầm trước khi có lũ

ng l

T

H p

H

max 0 , 278α τ δ δ δ

Cách xác định các tham số trong công thức:

 L- chiều dài sông chính (km)

 (3,6 hệ số đổi đơn vị);

 V τ = (0,6 ÷ 0,7)  Vm;

 với  Vm – tốc độ trung bình lớn nhất ở mặt cắt cửa ra

xác định từ đường cong triết giảm mưa

mượn lưu vực tương tự

=

=

la

ma t Q

f = 3600