Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TH VIỆT HỒNG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯ NG PHÁP ÁC Đ NH VÀ LƯU LƯỢNG TIÊU THIẾT Ô H NH Ư Ế CHO CÁC HỆ THỐNG TIÊU V NG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ỹ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TH VIỆT HỒNG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯ NG PHÁP ÁC Đ NH VÀ LƯU LƯỢNG TIÊU THIẾT Ô H NH Ế CHO CÁC HỆ THỐNG TIÊU V NG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ Chuyên ngành: ỹ thuật tài nguyên nước ã số: 62-58-02-12 NGƯỜI HƯỚNG DẪN Ư HO HỌC: PGS.TS Nguyễn Tuấn nh GS.TS Lê Chí Nguyện HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI C ĐO N Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết lu n lu n án trung th c, không ch p t b t k nguồn b t k hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) th c trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả lu n án Chữ ký Nguyễn Th Việt Hồng i LỜI CẢ N Trước hết tác giả xin trân trọng cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Tu n Anh, GS TS Lê Chí Nguyện định hướng mặt khoa học t n tình hướng dẫn để tác giả hoàn thành lu n án Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến Thầy Hội đồng ch m chuyên đề, Hội đồng ch m lu n án tác giả, đóng góp ý kiến q báu để tác giả hồn thành lu n án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, Khoa Kỹ thu t tài nguyên nước; Bộ môn Kỹ thu t hạ tầng Phát triển nông thôn Trường Đại học Thủy lợi tạo điều kiện thu n lợi để tác giả hoàn thành lu n án Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Cao đẳng Thủy lợi Bắc bộ, nơi tác giả công tác, tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tác giả suốt thời gian th c lu n án Xin cảm ơn Sở Nông nghiệp Phát triển nông thôn Hà Nam, Sở Xây d ng Hà Nam, Công ty cổ phần môi trường cơng trình thị Hà Nam trao đổi, cung c p tài liệu kiến thức th c tế quý báu giúp tác giả hoàn thành nội dung nghiên cứu lu n án Cuối tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, bạn bè quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua khó khăn để tác giả hồn thành lu n án Tác giả lu n án Chữ ký Nguyễn Th Việt Hồng ii ỤC LỤC ỤC LỤC iii D NH ỤC BẢNG BIỂU ix D NH ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .xi Ở Đ U .1 Tính c p thiết đề tài M c tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học th c tiễn .4 C u trúc lu n án CHƯ NG 1.1 TỔNG QU N .5 Tổng quan mơ hình mưa tiêu thiết kế 1.1.1 Khái niệm mơ hình mưa tiêu thiết kế 1.1.2 Các nghiên cứu xác định mơ hình mưa tiêu thiết kế 1.1.3 Các nghiên cứu xác định mơ hình mưa tiêu thiết kế Việt Nam 11 1.2 Tổng quan nghiên cứu quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) quan hệ cường độ mưa-thời gian mưa-tần su t (IDF) 16 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t 16 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần su t 17 1.3 Tổng quan nghiên cứu xây d ng đồ đẳng trị mưa 22 1.4 Tổng quan nghiên cứu tính lưu lượng tiêu thiết kế hệ số hiệu chỉnh lưu lượng theo bước thời gian mưa 28 1.4.1 Các nghiên cứu tính lưu lượng tiêu thiết kế cho khu v c dân cư, đô thị 28 1.4.2 Các nghiên cứu tính lưu lượng tiêu thiết kế cho vùng nơng nghiệp hỗn hợp dân cư, nông nghiệp 29 1.5 Giới thiệu đồng Bắc Bộ .33 iii 1.5.1 Điều kiện t nhiên vùng đồng Bắc Bộ 33 1.5.2 Phát triển kinh tế xã hội vùng 36 1.5.3 Tình hình đo mưa khu v c 37 1.5.4 Tình hình tiêu nước khu v c 39 1.6 Kết lu n chương 42 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MƠ HÌNH MƯA VÀ LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG TIÊU 45 2.1 Phương pháp xây d ng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần su t (DDF) quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần su t (IDF) thời đoạn ngắn, t thiết l p cơng thức tính cường độ mưa cho trạm đo mưa t ghi 45 2.1.1 Phương pháp xây d ng quan hệ lượng mưa – thời gian – tần su t 46 2.1.2 Thiết l p cơng thức tính cường độ mưa (quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần su t) cho trạm đo mưa t ghi 51 2.2 Phương pháp xây d ng đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế tương ứng với thời gian mưa tần su t khác cho vùng Đồng Bắc 51 2.2.1 L a chọn phần mềm vẽ đồ 52 2.2.2 L a chọn phương pháp nội suy phần mềm 53 2.3 Phương pháp đề xu t l a chọn mơ hình mưa tiêu thiết kế phù hợp nh t cho khu v c trồng lúa vùng đồng Bắc Bộ mô toàn liệt tr n mưa xảy th c tế .55 2.3.1 Giới thiệu phương pháp 56 2.3.2 Xây d ng mơ hình mưa điển hình 58 2.3.3 Phương pháp tính tốn hệ số tiêu cho lúa 59 2.4 Phương pháp xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu thiết kế t mơ hình mưa mơ hình mưa ngày cho vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp dân cư đô thị 64 2.4.1 Tính tốn lưu lượng tiêu hệ thống theo mơ hình SWMM 65 2.4.2 Tính tốn lưu lượng tiêu hệ thống theo TCVN 10406:2015 71 2.5 Kết lu n chương 71 CHƯ NG ẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 73 3.1 Kết xây d ng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần su t (DDF) quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần su t (IDF) 73 iv 3.1.1 Kết xây d ng quan hệ DDF 73 3.1.2 Đánh giá khả ứng d ng cơng thức tính cường độ mưa thiết l p .84 3.2 Kết xây d ng đồ đẳng trị mưa thời đoạn ngắn ứng với tần su t thiết kế P = 10% cho vùng đồng Bắc 97 3.2.1 Kết xây d ng đồ đẳng trị lượng mưa ứng với tần su t P = 10% .97 3.2.2 Kết xây d ng đồ đẳng trị tham số phương trình cường độ mưa ứng với tần su t P = 10% 104 3.3 Kết xác định mơ hình mưa thiết kế hợp lý cho vùng trồng lúa ứng d ng cho khu v c Hà Nam .107 3.3.1 Tính tốn vẽ đường tần su t 107 3.3.2 Kết l a chọn tr n mưa điển hình 108 3.3.3 Kết l a chọn tr n mưa thiết kế 114 Kết xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng cho vùng tiêu hỗn hợp 122 3.4 3.4.1 Thiết l p thông số giả định hệ thống 123 3.4.2 Xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng trường hợp chưa x t đến ảnh hưởng hồ điều hòa hệ thống 124 3.4.3 Xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng có x t đến ảnh hưởng hồ điều hòa 128 3.5 Kết lu n chương 134 ẾT LUẬN VÀ D NH IẾN NGH 135 ỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ .138 TÀI LIỆU TH HẢO .139 PHỤ LỤC 147 v D NH ỤC CÁC H NH ẢNH Hình 1 Phân bố xác su t tr n mưa nhóm thứ nh t Illinois[1] Hình Biểu đồ xác su t 10% tr n mưa nhóm thứ nh t Illinois Hình Biểu đồ xác su t 50% tr n mưa nhóm thứ nh t Illinois Hình Biểu đồ xác su t 90% tr n mưa nhóm thứ nh t Illinois Hình Các đường trình mưa lũy tích mưa 24 SCS Hoa K Hình Phạm vi áp d ng loại đường trình mưa SCS lãnh thổ Hoa K Hình Biểu đồ mưa thiết kế xây d ng phương pháp khối xen kẽ Chow [3] .10 Hình Biểu đồ trình mưa thiết kế hình tam giác 10 Hình 1.9 Các đường cong DDF mưa lớn nh t thời đoạn ngắn trạm Phủ lý 187 Hình 1.10 Các đường cong IDF mưa lớn nh t Chicago, Hoa K [3] 18 Hình 1.11 Phân bố mưa (in) thời k xu t lại năm, thời gian mưa 60 phút lãnh thổ Hoa K [38] .24 Hình 1.12 Bản đồ đẳng trị tham số phương trình lượng mưa lưu v c sông Tre Venezie (Ý) 24 Hình 1.13 Bản đồ xác định khu v c áp d ng cơng thức tính lượng mưa thiết l p thuộc lưu v c sông Tre Venezie (Ý) .25 Hình 1.14 Một ví d đồ thị quan hệ độ sâu mưa diện tích mưa để tính giá trị trung bình mưa diện (Tổ chức khí tượng giới, 1983) .27 Hình 1.15 Bản đồ vị trí vùng Đồng Bắc 33 Hình 1.16 Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn vùng ĐBBB 38 Hình 1.17 Bản đồ hệ thống thủy nông đồng sông Hồng [51] 40 Hình 18 Sơ đồ nội dung nghiên cứu cách tiếp c n .44 Hình Sơ đồ tiến trình xây d ng quan hệ DDF IDF 45 Hình 2.2 Quan hệ lượng mưa thời gian mưa 49 Hình Đường quan hệ Hd mơ tả phương trình (2-14) (2-15) điểm th c nghiệm 50 Hình Bản đồ trạm đo mưa t ghi vùng ĐBBB 52 Hình Phương pháp nội suy IDW .54 vi Hình Sơ đồ khối tính tốn l a chọn MHM tiêu cho lúa phù hợp nh t phương pháp so sánh mơ tồn liệt 57 Hình Dịng chảy t ô ruộng vào kênh 59 Hình Sơ đồ khối tính hệ số tiêu thiết kế 62 Hình Sơ đồ khối mơ hệ số tiêu q~t tồn liệt 63 Hình 10 Sơ đồ hệ thống tiêu hỗn hợp dân cư nơng nghiệp (TB: trạm bơm) 64 Hình 11 Sơ đồ khối tính tốn dịng chảy cho lưu v c nghiên cứu 70 Hình Quan hệ lượng mưa thời gian mưa trạm Phủ Lý 74 Hình Đường cong H  d ứng với tần su t 10 % tính theo cơng thức (2-13), 82 Hình 3 Trích đồ hành khu v c tiêu trạm bơm Phủ Lý 85 Hình Đường trình Q t .86 Hình Đường tần su t Qmax  P 86 Hình Sơ đồ tính tốn thủy l c trạm bơm Phủ Lý SWMM 88 Hình Đường q trình H ~t tính toán th c đo 90 Kết kiểm tra: Ngày 17/7/2017 – điểm đo Cống Quy Lưu 90 Hình Đường q trình H ~t tính tốn th c đo Kết kiểm tra: Ngày 20/7/2017 – điểm đo Cống Quy Lưu 92 Hình Đường q trình H ~t tính tốn th c đo) 92 Hình 10 Biểu đồ phân bố mưa 24h max năm 1990 trạm Phủ Lý 93 Hình 11 Đường Qt cửa hệ thống ứng với mơ hình mưa 24h max năm 1990 .94 Hình 12 Mơ dịng chảy đoạn cống đường Quy Lưu(chạy với tr n mưa 24h max năm 1990) 94 Hình 13 Đường tần su t lưu lượng tiêu trạm bơm Phủ Lý t kết mô toàn liệt SWMM 95 Hình 14a Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn 1h, 3h tần su t P = 10% 98 Hình 14b Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn 6h, 12h, 24h tần su t P = 10% 99 Hình 14c Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn ngày, ngày tần su t P =10% 99 Hình 15a Phân bố lượng mưa thời đoạn 1h max trạm ứng với P =10% 100 Hình 15b Phân bố lượng mưa thời đoạn 3h max trạm ứng với P =10% .101 vii Hình 15c Phân bố lượng mưa thời đoạn h max trạm ứng với P =10% 101 Hình 15d Phân bố lượng mưa thời đoạn 12h max trạm ứng với P =10% 102 Hình 15e Phân bố lượng mưa thời đoạn 24 h max trạm ứng với P =10% 102 Hình 15g Phân bố lượng mưa thời đoạn ngày max trạm ứng với P =10% .103 Hình 15h Phân bố lượng mưa thời đoạn ngày max trạm ứng với P =10% .103 Hình 16a Bản đồ đẳng trị tham số a1 phương trình cường độ mưa với P =10% .105 Hình 16b Bản đồ đẳng trị tham số a2 phương trình cường độ mưa với P =10% .105 Hình 16c Bản đồ đẳng trị tham số n1 phương trình cường độ mưa với P =10% .106 Hình 16d Bản đồ đẳng trị tham số n2 phương trình cường độ mưa với P =10% .106 Hình 17(a,b,c,d,e): Biểu đồ phân bố tr n mưa điển hình ngày max .111 Hình 18 Biểu đồ phân bố mưa tr n mưa điển hình ngày max 114 Hình 19 Giản đồ hệ số tiêu mô cho tr n mưa thiết kế 115 Hình 20 Giản đồ hệ số tiêu mô cho tr n mưa lớn nh t năm 1985 116 Hình 3.21 Giản đồ hệ số tiêu mơ cho tr n mưa lớn nh t năm 1986 116 Hình 22 Đường tần su t hệ số tiêu toàn liệt ứng với btràn3 = 0,35m/ha 119 Hình 23 Mơ hình mưa thiết kế ngày max – Hà Nam 121 Hình 24 Sơ đồ hệ thống tiêu vùng hỗn hợp trồng lúa khu dân cư .123 Hình 25 Đường Q  t nút 12 .124 Hình 26 Đường Q  t nút 12 .124 Hình 3.27 Quan hệ hệ số K tỷ số l 127 Hình 28 Sơ đồ loại m c nước hồ điều hoà .128 Hình 3.29 Quan hệ hệ số K tỷ số l trường hợp có kể hồ điều hòa .133 viii Print " KET QUA TINH TOAN " Print " Thoi doan Mua (mm) He so tieu (l/s/ha)" Write #2, " KET QUA TINH TOAN" Write #2, " Thoi doan He so tieu(l/s/ha)" For i = To N Print "", i, Pr(i), Format(qr(i), "##.##") Write #2, " ", i, " ", Format(qr(i), "##.##") Next Write #2, "Chieu rong tran mat ruong, b = ", Format(b, "##.###"), "m/ha" Write #2, "He so tieu cho lua max, qmax = ", Format(qr_max, "##.##"), "l/s/ha" Close Print "He so tieu cho lua max, qmax = ", Format(qr_max, "##.##"), "l/s/ha" Print Print "Chieu rong tran mat ruong, b = ", Format(b, "##.###"), "m/ha" Print Print "Ghi chu: Ket qua da duoc luu tai file ket qua." End Sub Private Sub cmdXoa_Click() Cls End Sub Private Sub cmdKet_Click() Beep End End Sub PL 3.4: Chương trình tính hệ số tiêu vận hành Private Sub cmdTinh_HSTVH_Click() 178 Dim Tenfile1$, Tenfile2$, Tenfile3$, st$, Tenthumuc$, Tennam$, tentran$ Dim i%, k%, n1%, N% Dim x!, delt!, Tmua!, Tdongchay!, Tsaumua!, qr_max! Dim qr1!, Hp!, qmax!, qmax1!, Qtongmax! Dim Hc1!, Hc2! Dim P!(2000), Pr!(2000), Zsong!(2000), qr!(2000), Qtong!(2000), Qlua!(2000), Qmau!(2000) Dim Qthocu!(2000), Qctcc!(2000), Qao_kodt!(2000), Qao_codt!(2000) Dim b!, Pt!, inf!, Ho!, H!, sig!, a!, S!, H1!, H2!, Q!, Zbhut!, Zbthao!, Zbthao1!, Zbthao2!, Hdh! Dim W!, x1!, x2!, Fd!, F1!, F2!, d!, Hm! Const ep = 0.00001 Const beta = 1.03 Const hs = 0.1 Const mt = 0.34 Const hsm = 0.9 ' Nhap du lieu ve tram bom, luu vuc tieu Tenthumuc = "D:\HSTL" Tenfile1 = Tenthumuc + "\" + "b_tran.txt" Open Tenfile1 For Input As Input #1, st$ Input #1, b Close ' Nhap so lieu tran mua, muc nuoc song Tennam = InputBox("Nhap ten nam tinh toan (VD: 1990):") 179 tentran = InputBox("Nhap ten tran mua tinh toan (VD: 1):") Tenfile2 = Tenthumuc + "\" + Tennam + "\" + tentran + ".txt" Open Tenfile2 For Input As Input #2, st$ Input #2, st$ Input #2, delt 'gio Input #2, st$ Input #2, Tsaumua Input #2, st$ Input #2, n1 'so thoi doan mua Input #2, st$ For i = To n1 Input #2, P(i) 'mm/thoi doan Next Close Tenfile3 = Tenthumuc + "\" + Tennam + "\TL" + tentran + ".txt" Open Tenfile3 For Append As Write #3, "KET QUA TINH TOAN " Print Print Print " Print " KET QUA TINH TOAN " Thoi doan Mua (mm) Write #3, "Thoi doan - He so tieu (l/s/ha) " '(* BEGIN COMPUTING *) 180 He so tieu (l/s/ha) " Tmua = n1 * delt 'Thoi gian mua, gio Tdongchay = Tmua + Tsaumua 'Thoi gian mo phong, gio N = Round(Tdongchay / delt) For i = To n1 Pr(i) = P(i) Next For i = (n1 + 1) To N Pr(i) = Next '(* -Tinh he so tieu vung lua *) sig = H1 = qr_max = S = 'ha inf = 0.23 'mm/h = 5.5 mm/ngay H = inf '(* P: mm/delt, delt: gio, S: ha, q:m3/s, a:mm, H1: m, H2:m -*) For i = To N Pt = Pr(i) W = (Pt / 1000) * beta * S * 10000 - (H / 1000) * delt * beta * S * 10000 + H1 * S * 10000 If W