Báo cáo khoa học: "Một số vấn đề tồn tại hiện nay trong tính toán mực n-ớc lũ theo tần suất và kiến nghị ph-ơng pháp khắc phục" docx

Một số vấn đề tồn tại hiện nay trong tính toán mực nớc lũ theo tần suất v kiến nghị phơng pháp khắc phục GVC. nguyễn đình vĩnh ths. gvc phạm văn vĩnh Bộ môn Cơ thuỷ - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo đã đa ra cách giải quyết một số những khó khăn còn tồn tại hiện nay trong tính toán đờng tần suất mực nớc v mực nớc thiết kế các công trình cầu đờng v thuỷ lợi. Summary:The article put forward a proposal to solve difficulties for calculation of water level Theoretical Frequency Curve and Design Water level of bridge, road construction Works and Water resources. 1. thực trạng về vấn đề tính toán mực nớc lũ theo tần suất Trong tính toán đờng tần suất lý luận cho những dãy số liệu lu lợng thực đo theo phơng pháp thống kê xác suất thì hầu hết tỷ số giữa V S C C thờng chỉ dao động trong phạm vi từ 1 đến 6, trong trờng hợp này ta dùng phân bố gamma 3 thông số (Krítskimenken) là phù hợp (tất nhiên có thể dùng các phân bố nhị thức, Pearsol III, logarit chuẩn v.v mà không mắc sai phạm). Trong tính toán đờng tần suất cho mực nớc H max, H min , Hbq ở Việt Nam thực tế cho thấy tỷ số V S C C = n = 1 ữ 30 hoặc lớn hơn hay nhỏ hơn nữa, nên nhiều trờng hợp không thể dùng phân bố gamma 3 thông số (Krítskimenken) mà phải dùng phân bố nhị thức, Pearsol III, hoặc logarit chuẩn mới đợc. Sở dĩ có hiện tợng nói trên là do việc lựa chọn mặt chuẩn (O - O) của hệ cao độ đo mực nớc quá xa so với đáy sông nơi sâu nhất; làm cho trị số mực nớc trở thành lớn hơn rất nhiều so với khoảng cách từ mặt nớc xuống đáy sông. Cũng chính điều này làm cho biến xuất K i = H H i càng nhỏ nếu chọn mặt chuẩn càng xa đáy sông dẫn đến C V nhỏ đi trong khi C S kkhông thay đổi. Thí dụ: Tại một mặt cắt trên một con sông nếu dùng mặt chuẩn A - A đi qua mặt đáy sông nơi sâu nhất để tính mực nớc thì tại một lần đo nào đó ta có H A = 10 m so với trị số bình quân A H = 5 m; K A = H i / A H = 2. Nếu không lấy mặt chuẩn đi qua đáy sông mà lấy mặt chuẩn B - B cách đáy sông 200 m thì: H B = H A + 200 m = 10 m + 200 m = 210 m =+= m200HH AB 5 m + 200 m = 205 m 02,1 205 210 H H K B B B === . Vậy K A > K B . mà () n 1K C n 1i 2 i V = = điều này tỏ rõ A V B V CC < < nh đã phân tích. Trong tính toán xác định mực nớc thiết kế để phục vụ việc tính toán các công trình giao thông vận tải hầu hết gặp các trờng hợp hệ cao độ dùng để đo đạc và tính toán mực nớc khác hẳn hệ cao độ thiết kế các công trình giao thông vận tải. Vì thế ngoài việc tính toán mực nớc thiết kế theo hệ đo đạc mực nớc còn phải tính chuyển đổi sang hệ tính toán cầu đờng. 2. Phơng pháp giải quyết Qua nhiều năm tính toán thực tế tại Viện Thiết kế Bộ Giao thông, qua nghiên cứu tại Mátxcơva nớc Nga và tại đại học Giao thông vận tải chúng tôi thấy có 3 cách giải quyết nh sau: 2.1. Nếu muốn sử dụng phân bố Kritsrimenken thì trớc khi tính toán các tham số kinh nghiệm ta đem tất cả dãy số liệu mực nớc thực đo trừ đi cao độ đáy sông nơi sâu nhất hoặc trừ đi H min rồi mới tính toán các tham số kinh nghiệm. Lúc này tính toán đờng tần suất lý luận theo phân bố Kritsrimenken sẽ rất phù hợp. Từ đờng tần suất này tra ra trị số mực nớc thiết kế. Nhng mực nớc thiết kế phải cộng trả lại với cao độ đáy sông nơi sâu nhất (hoặc H min ). Đến đây ta mới căn cứ chênh lệch độ cao giữa mặt chuẩn hệ cao độ đo mực nớc với mặt chuẩn hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải mà cộng hoặc trừ chênh lệch này để đa mực nớc thiết kế sang hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải. 2.2. Nếu để nguyên số liệu mực nớc đã thu thập đợc không xử lý gì ta buộc phải dùng phân bố nhị thức, Pearsol III hoặc logarit chuẩn để tính toán đờng tần suất lý luận vì các hàm này cho C S /C V = n với n thay đổi rất lớn. Từ đờng tần suất lý luận này ta tra ra mực nớc thiết kế theo hệ cao độ đo đạc và tính toán mực nớc. Sau đó căn cứ vào chênh lệch độ cao giữa mặt chuẩn của hệ cao độ đo mực nớc với mặt chuẩn của hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải mà cộng hoặc trừ chênh lệch này để đa mực nớc thiết kế về hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải. 2.3. a) Nếu muốn chuyển đổi các tham số thống kê từ hệ cao độ đo mực nớc: 1 H , , sang hệ tính toán các công trình giao thông vận tải 1 S C 1 V C 2 H , , ta có thể sử dụng các công thức sau: 2 S C 2 V C aHH i1 i2 = (3-1) aHH 12 = (3-2) aH C.H C 1 1 V 1 2 V = (3-3) 1 S 2 S CC = (3-4) trong đó: a là chênh lệch mặt chuẩn O - O giữa hệ cao độ đo mực nớc và hệ cao độ dùng để tính toán các công trình giao thông vận tải. Dấu + dùng khi hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải có mặt chuẩn thấp hơn mặt chuẩn hệ cao độ đo mực nớc. Dấu - dùng khi hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải có mặt chuẩn cao hơn hệ cao độ đo mực nớc. Dùng 2 H , , ta có thể tính toán đờng tần suất lý luận và trị số mực nớc thiết kế theo hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải nhng phải dùng các phân bố có C 2 S C 2 V C S /C V = n rất linh dộng là các phân bố nhị thức, Pearsol III, logarit chuẩn. b) Trong trờng hợp muốn dùng phân bố Kritskimenken ta sử dụng các công thức sau: abHH 1MK2 = (3-5) ( ) abH CbH C 1 1 V 1 MK2 V = (3-6) 1 S MK2 S CC = (3-7) Trong đó 1 V 1 S 1 C,C,H nh đã nói ở trên; b là cao độ đáy sông nơi sâu nhất hoặc H min , MK2 V KM2 S MK2 C,C,H là các tham số đã chuyển đổi để tính đờng tần suất lý luận và mực nớc thiết kế theo hàm Krítskimenken. Nhng trị số này phải cộng thêm b để trở lại mức nớc thiết kế dùng theo hệ cao độ tính toán các công trình giao thông vận tải. 2.4. Chứng minh các công thức (3-3), (3-4), (3-5), (3-6) và (3-7) a) Chứng minh công thức (3-3) ở hệ cao độ đo mực nớc sau khi tính toán ta có: 1 S 1 V i1 i1 C,C,H,H . Nếu muốn chuyển đổi các tham số này sang hệ cao độ khác (có mặt chuẩn cao hơn hoặc thấp hơn nó) khi đó ta có: aHH i1i2 = (3-1) aHH 12 = (3-2) Với n H H n 1i i = = , H là hằng số đối với một dãy số liệu kinh nghiệm đã cho. Theo công thức cơ bản: () n H HH n 1K C n 1i 2 i n 1i 2 i V = = = = () n H HH n 1K C n 1i 2 1 1i1 n 1i 2 i1 1 V = = = = (4-1) () n H HH n 1K C n 1i 2 2 2 i2 n 1i 2 i2 2 V = = = = (4-2) Thay (3-1), (3-2) và (4-2) ta có: () ( ) () n aH HH n aH aHaH C n 1i 2 1 1 i1 n 1i 2 1 1 i1 2 V == = = (4-3) Có thể nhân và chia biểu thức (4-3) cho 2 1 H : n aH H H HH n H H aH HH C n 1i 2 1 1 2 1 1 i1 n 1i 2 1 2 1 2 1 1 i1 V 2 = = ì = ì = (4-4) Vì 2 1 1 aH H là hằng số nên có thể viết tách (4-4) thành: = ì = = aH H C aH H n H HH C 1 1 1 V 1 1 n 1i 2 1 1 i1 2 V Công thức trên chính là công thức (3-3) đã đợc chứng minh. b) Chứng minh công thức (3-4) ở phần trên ta đã có: aHH i1i2 = (3-1) aHH 12 = (3-2) Ta cũng đã chứng minh đợc: = aH H CC 1 1 1 V 2 V (3-3) Theo công thức cơ bản tính hệ số chênh lệch: () 3 V n 1i 3 i 3 V n 1i 3 i S nC H HH nC 1K C = = = = Vậy: () 3 1 V n 1i 3 1 1 i1 3 1 V n 1i 3 i1 1 S nC H HH nC 1K C = = = = (4-5) () 3 2 V n 1i 3 2 2 i2 3 2 V n 1i 3 i2 2 S nC H HH nC 1K C = = = = (4-6) Thay (3-1), (3-2), (3-3) vào (4-6) ta có: () ( ) () () () 3 1 V 1 3 1 n 1i 3 1 1 i1 2 S C.Hn aH aH aHaH C ì = = (4-7) Vì ( ) aH 1 là hằng số nên: () 1 S 3 1 V n 1i 3 1 1 i1 3 1 V 3 1 n 1i 3 1 i1 2 S C nC H HH CHn HH C = = = = = Công thức trên chính là công thức (3-4) đã đợc chứng minh. c) - Công thức (3-5) có thể viết ra dễ dàng nh công thức (3-2) - Công thức (3-6) chứng minh tơng tự nh công thức (3-3). - Công thức (3-7) chứng minh tơng tự nh công thức (3-4). 2.5. Thí dụ tính toán thực tế Dới đây là một trong nhiều bài toán chúng tôi đã giải trong tính toán thực tế tại Viện Thiết kế Bộ Giao thông. a) Tại một trạm thuỷ văn có số liệu đo đạc mực nớc từ năm 1943 ữ 1976 đợc xếp theo thứ tự giảm dần và đợc lập thành bảng tính các tham số thống kê cơ bản nh sau: Thø tù H 1i (cm) 1 i1 i1 H H K = (K 1i - 1) (K 1i - 1) 2 (K 1i - 1) 3 (% ) 1n m P + = 1 236 2,0734 1,0734 1,1522 1,2368 2,94 2 220 1,9329 0,9329 0,8703 0,8119 5,88 3 208 1,8274 0,8274 0,6846 0,5664 8,82 4 202 1,7747 0,7747 0,6002 0,4649 11,76 5 188 1,6517 0,6517 0,4247 0,2768 14,71 6 178 1,5639 0,5639 0,3180 0,1793 17,63 7 175 1,5375 0,5375 0,2890 0,1553 20,59 8 163 1,4321 0,4321 0,1867 0,0807 23,53 9 154 1,3530 0,3530 0,1246 0,0440 26,47 10 148 1,3003 0,3003 0,0902 0,0271 29,41 11 139 1,2212 0,2212 0,0489 0,0108 32,35 12 127 1,1158 0,1158 0,0134 0,0015 35,29 13 123 1,0806 0,0806 0,0065 0,0005 38,24 14 117 1,0279 0,0279 0,0008 0,0000 41,18 15 112 0,9840 - 0,0160 0,0003 0,0000 44,12 16 106 0,9313 - 0,0687 0,0047 - 0,0003 47,06 17 103 0,9049 - 0,0951 0,0090 - 0,0009 50,00 18 100 0,8786 - 0,1214 0,0147 - 0,0018 52,94 19 96 0,8434 - 0,1566 0,0245 - 0,0038 55,88 20 89 0,7819 - 0,2181 0,0476 - 0,6543 58,82 21 82 0,7204 - 0,2796 0,0782 - 0,0218 61,76 22 79 0,6941 - 0,3059 0,0936 - 0,0286 64,71 23 75 0,6589 - 0,3411 0,1163 - 0,0397 67,65 24 70 0,6150 - 0,3850 0,1482 - 0,0571 70,59 25 66 0,5799 - 0,4201 0,1765 - 0,0741 73,53 26 62 0,5447 - 0,4553 0,2073 - 0,0944 76,47 27 59 0,5184 - 0,4816 0,2319 - 0,1117 79,41 28 55 0,4832 - 0,5168 0,2671 - 0,1380 82,35 29 50 0,4393 - 0,5607 0,3144 - 0,1763 85,29 30 48 0,4217 - 0,5783 0,3344 - 0,1934 88,24 31 45 0,3954 - 0,6046 0,3655 - 0,2210 91,18 32 43 0,3778 - 0,6222 0,3871 - 0,2409 94,12 33 38 0,3339 - 0,6661 0,4437 - 0,2955 97,06 Tæng céng 3756 8,0751 1,5024 - TÝnh trÞ sè b×nh qu©n: cm82,113 33 3756 n H n 1i i1 1 === ∑ = H - TÝnh hÖ sè ph©n t¸n: () 5,0 133 0751,8 1n 1K C n 1i 2 i1 1 V = − = − − = ∑ = - TÝnh hÖ sè thiªn lÖch: () () 38,0 5,0).133( 5024,1 C1n 1K C 33 1 V n 1i 3 i1 1 S = − = − − = ∑ = - Tỷ số lần76,0 50,0 38,0 C C 1 V 1 S == b) Nếu ta dịch chuyển mặt chuẩn đo mực nớc của trạm thuỷ văn trên thấp xuống 2600 cm nữa thì tất cả các số liệu mực nớc của trạm này phải cộng thêm 2600 cm. Ta gọi dãy số liệu thuỷ văn thực đo lúc này là: H 2i = H 1i + 2600 cm Các tham số cơ bản lúc này ký hiệu là: 2 S 2 V 2 C,C,H . Ta thành lập bảng tính sau: Thứ tự H 1i = H 1i + 2600 (cm) H H K i2 i2 = (K 2i - 1) (K 2i - 1) 2 (K 2i - 1) 3 ( % ) 1n m P + = 1 2836 1,4500 0,0450 0,00203 0,00009 2,94 2 2820 1,03910 0,0391 0,00153 0,00006 5,88 3 2808 1,03470 0,0347 0,00120 0,00004 8,82 4 2802 1,03250 0,0325 0,00106 0,00003 11,76 5 2788 1,02730 0,0273 0,00075 0,00002 14,71 6 2778 1,0236 0,0236 0,00056 0,00001 17,63 7 2775 1,0225 0,0225 0,00051 0,00001 20,59 8 2763 1,0181 0,0181 0,00033 0,000006 23,53 9 2754 1,0148 0,0148 0,00022 0,000000 26,47 10 2748 1,0126 0,0126 0,00016 0,000000 29,41 11 2739 1,0096 0,0093 0,00009 0,000000 32,35 12 2727 1,0049 0,0049 0,00002 0,000000 35,29 13 2723 1,0034 0,0034 0,00001 0,000000 38,24 14 2717 1,0012 0,0012 0,00000 0,000000 41,18 15 2712 0,9993 - 0,0007 0,00000 0,000000 44,12 16 2706 0,9972 - 0,0028 0,00000 0,000000 47,06 17 2703 0,9960 - 0,0040 0,00002 0,000000 50,00 18 2700 0,9949 - 0,0051 0,00003 0,000000 52,94 19 2696 0,9934 - 0,0066 0,00004 0,000000 55,88 20 2689 0,9908 - 0,0092 0,00008 - 0,000001 58,82 21 2682 0,9883 - 0,0117 0,00014 - 0,000002 61,76 22 2679 0,9872 - 0,0128 0,00016 - 0,000003 64,71 23 2675 0,9857 - 0,0143 0,00020 - 0,000004 67,65 24 2670 0,9838 - 0,0162 0,00026 - 0,000010 70,59 25 2666 0,9824 - 0,0176 0,00031 - 0,000010 73,53 26 2662 0,9810 - 0,0190 0,00036 - 0,000010 76,47 27 2659 0,9798 - 0,0202 0,00041 - 0,000010 79,41 28 2655 0,9783 - 0,0217 0,00047 - 0,000010 82,35 29 2650 0,9765 - 0,0235 0,00055 - 0,000013 85,29 30 2648 0,9757 - 0,0243 0,00059 - 0,000014 88,24 31 2645 0,9746 - 0,0254 0,00064 - 0,000020 91,18 32 2643 0,9739 - 0,0261 0,00068 - 0,000020 94,12 33 2638 0,9721 - 0,0279 0,00078 - 0,000022 97,06 Tổng cộng 89556 - 0,0001 0,01419 0,000125 - Tính trị số bình quân: cm82,2713 33 89556 n )cm2600H( H n 1i i1 2 == + = = - Tính hệ số phân tán: () 021,0 133 01419,0 1n 1K C n 1i 2 i2 2 V = = = = - Tính hệ số thiên lệch: () () 40,0 021,0)133( 000125,0 C1n 1K C 33 V n 1i 3 i2 2 S = ì = = = Vậy: 38,0CC 1 S 2 S = - Tỷ số: lần19 021,0 40,0 C C 2 V 2 S == c) Nếu dùng các công thức tính chuyển đổi (3-2), (3-3), (3-4) thì: cm82,2713260082,113cm2600HH 12 =+=+= 021,05,0 260082,113 82,113 C aH H C 1 V 1 1 2 V =ì + = + = ; 1 S 2 S CC = = 0,38 d) Nhận xét - Việc dùng công thức tính toán chuyển đổi (3-2), (3-3), (3-4) ở phần c so với việc tính toán ở phần b có kết quả tính 2 V 2 C,H hoàn toàn giống nhau. Còn hệ số thiên lệch là hoàn toàn đúng. 38,0CC 1 S 2 S == - ở phần b tính đợc 38,0C4,0C 1 S 2 S = = có sai số so với công thức (3-4) chút ít vì việc tính toán ở phần b qua nhiều lần làm tròn. 3. Kết luận Việc tính toán các tham số thống kê SV C,C,H của mực nớc và mực nớc thiết kế nh đã trình bày ở trên; đặc biệt là việc sử dụng các công thức (3-1), (3-2), (3-3), (3-4), (3-5), (3-6), (3-7) để chuyển đổi các tham số thống kê từ hệ cao độ này sang hệ cao độ khác làm cho việc tính toán thêm nhanh chóng, thuận lợi, tránh đợc những nhầm lẫn đáng tiếc có thể xảy ra. Những công thức trên đây sẽ tháo gỡ đợc những thắc mắc, khó khăn còn tồn đọng lâu nay trong tính toán mực nớc thiết kế của một số ngành kỹ thuật, trong đó có ngành giao thông vận tải. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Sinh huy, Nguyễn Lai, Phạm Phò. Giáo trình thuỷ văn công trình. Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà nội, 1974. [2] Đỗ Cao Đm, H Văn Khối v các tác giả khác. Giáo trình thuỷ văn công trình. Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà nội, 1973. [3] Nguyễn Xuân Trục. Công trình vợt sông. Nhà xuất bản Xây dựng, 1984. [4] Bộ giao thông vận tải 1995. Tính toán các đặc trng dòng chảy lũ - 22 TCN 220-95. [5] Nguyễn Đình Vĩnh, Trần Đình Nghiêm, Phạm Văn Vĩnh (đồng tác giả): Thuỷ văn đại cơng. Trờng đại học Giao thông Vận tải, Hà nội, 1998. [6] Phạm Văn Toản. Giáo trình thuỷ văn cầu đờng. Trờng đại học Giao thông Vận tải, Hà nội, 1970. [7] GS. TS G. V. ZELEZNHIAKÔV v nhiều tác giả. Thuỷ văn, đo đạc thuỷ văn và chỉnh trị dòng chảy. Nhà xuất bản Kalơx Mátxcơva, 1984 (tiếng Nga). [8] Quy trình khảo sát và thiết kế công trình vợt sông đờng ô tô và đờng sắt. Nhà xuất bản Vận tải, 1972. [9] TS A. I. TREBÔTAREP v PTS PH. B. ZALECKI. Hớng dẫn tính toán xác định các đặc trng thuỷ văn. Nhà xuất bản Lêningrát, 1973. [10] Ngô Đình Tuấn, Đặng Văn Bảng, Nguyễn Văn Thắng. Khôi phục số liệu và phân tích tính toán thuỷ văn lu vực Rào Quán theo mô hình Tank (Nhật). Đại học Thuỷ lợi, 1985. [11] Nguyễn Văn Cung, Võ Phán, Lu Công Đo, Quản Ngọc An, Đỗ Tất Túc. Giáo trình động lực học sông ngòi. Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà nội, 1981. [12] Nguyễn Đình Vĩnh. Báo cáo thực tập. Đại học Thuỷ lợi Mátxcơva, 1990 Ă . Một số vấn đề tồn tại hiện nay trong tính toán mực nớc lũ theo tần suất v kiến nghị phơng pháp khắc phục GVC. nguyễn đình vĩnh ths. gvc phạm. Bộ môn Cơ thuỷ - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo đã đa ra cách giải quyết một số những khó khăn còn tồn tại hiện nay trong tính toán đờng tần suất mực nớc v mực nớc thiết kế các công trình cầu đờng. level Theoretical Frequency Curve and Design Water level of bridge, road construction Works and Water resources. 1. thực trạng về vấn đề tính toán mực nớc lũ theo tần suất Trong tính toán