Hướng dẫn thiết kế thủy năng - kinh tế năng lượng nhà máy thủy điện

Nước ngầm là nguồn duy trì lượng dòng chảy trong sông là vì, mặc dù trong thời gian không có mưa, dòng chảy trong sông vẫn được duy trì.Mưa rơi trên bề mặt lưu vực, nước ngầm dưới đất tr

HOÀNG HỮU THẬN

Hướng dắn Thiết Kế

THÚY NĂNG KINH TẾ NÂNG LƯƠNG

HOÀNG HỮU TH Ậ N

Hướng dẫn thiết kế THỦY NANG-KINH TẾ NĂNG LƯỢNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

L Ờ I N Ó I » Ầ U

Nhà máy thủy điện (NMTĐ) có vai trò hết sức to lớn trong hệ thống

điện (HTĐ) Đó là nguồn năng lượng sạch, tái tạo, kinh tế, không tiêu hao

nhiên liệu Chê độ làm việc NMTĐ hết sức mềm dẻo, dễ khởi động và

dừng máy, dễ điều chỉnh công suât thích hợp với cả chê độ chạy nền (đáy)

cũng như phủ đỉnh đồ thị tải của HTĐ

Do tính ưu việt đó, nguồn thủy điện luôn luôn được ưu tiên xem xét

xây dựng và đưa vào khai thác Hàng loạt các dự án NMTĐ lớn và vừa đã

và đang được phát triển Bên cạnh đó, hàng trăm các dự án NMTĐ vừa và

nhỏ được các doanh nghiệp trong và ngoài ngành điện tập trung phát triển,

nhằm đáp ứng một phần nhu cầu điện của nền kinh tế và hoạt động dân

sinh - xã hội

Bài toán thủy năng - kinh tê nâng lượng là một trong các nội dung

chủ yếu của dự án NMTD nhàm đáp ứng hai yêu cầu cơ bản của dự án :

i Xác định qui mô và thông số cơ bản của NMTĐ

ii Đánh giá tính khả thi cùa dự án thông qua các chỉ tiêu kinh tế -

tài chính

Trải qua một quá trình thực hiện tư vấn thiết kế phát triển các dự án

NMTĐ, tác giả hệ thống các nội dung cơ bản của bài toán thủy năng -

kinh lê năng lượng trong việc lập đề án thiết kế NMTĐ, trên cơ sở lý

thuyết kết hợp với thực tế Những nội dung chủ yếu được xem xét gồm có:

i Phương pháp và thủ tục cơ bản điểu tiết chuỗi dòng chảy về hồ

chứa theo các cách tiếp cận từ tổng quát đến chi tiết

ii Mô hình và thủ tục lựa chọn qui mô, thông số cơ bản của một dự

án NMTĐ, trên cơ sở tôi ưu hóa

iii Xây dựng chế độ làm việc của NMTĐ khi đưa vào vận hành, ở

chê dộ kết lưới và chế độ vận hành độc lập

về hoạt động tài chính của chủ đầu tư trong suốt quá trình phát triển và

khai thác dự án, qua đó giúp chủ đầu tư có cơ sở dể quyết định đầu tư

Việc trình bày là sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, từ đó, lây lý

luận làm cơ sở cho các bài toán - bảng tính và lây thực hành để làm sáng

tỏ các vân đề lý luận Áp dụng máy tính để giải bài toán thủy năng - kinh

tê năng lượng là một đòi hỏi thực tế

Trong cuốn sách, các ví dụ minh họa đều rút ra từ các đề án của các

dự án đã dược phát triển

Cuốn sách là một tài liệu cần thiết cho các kỹ sư tư vấn, các chủ đầu

tư, các nhà thầu xây dựng, các cơ quan quán lý trong lĩnh vực NMTĐ, đồng thời có thể được sử dụng trong các trường đai học, cao đdng, các khóa đào tạo chuyên ngành thủy điện như một tài liệu mang tính thực tế cao

Đây là lần đầu NXB Khoa học và Kỹ thuật xuất bản cuốn sách này, tác giả đã dành nhiều thời gian và công sức cho cuốn sách, tuy nhiên cũng khó tránh khỏi sai sót Tác giả mong bạn đọc thông cảm và chân thành đóng góp các ý kiến để cuốn sách ngày càng được hoàn thiện hơn nữa cho các lần xuât bản sau Thư góp ý xin gửi về địa chỉ của NXB Khoa học và

Kỹ thuật 28 Đồng Khởi, Q.l, Tp HCM Đt: (08) 8225062 - 8296628 Hoặc địa chỉ của tác giả 52 Nguyễn Phi Khanh, Ql, Tp HCM Đt : 2101979

TÁC GIẢ

Chương 1

NGUỒN N l í ớ c VÀ PHƯƠNG THỨC

KHAI THÁC

1.1 NĂNG LƯỢNG VÀ NHU CÀU NĂNG LƯỢNG

Năng lượng là nguồn động lực cho vật chât vận chuyển và biến hóa Đối với xã hội loài người, năng lượng được sử dụng như một nguồn lực chinh phục thiên nhiên Phát hiện và sử dụng năng lượng để chế ngự tự nhiên luôn tạo ra các mốc của nền vản minh nhân loại Năng lượng đầu tiên được con người sử dụng ngoài sức của bản thân, là sức gió và sức dòng nước, sau đó là nhiệt năng Tim ra lửa là một trong những phát kiến

vĩ đại nhất của nhân loại Lửa giúp con người thoát khỏi tình trạng ăn lông

ở lỗ, giúp cho việc nâu nướng, sưởi âm, đôt nương làm rẫy, chê biến kim loại Sau này, máy hơi nước ra đời đã bíắt đầu thời đại cơ giới hóa, tạo cơ

sở phát triển nền văn minh công nghiệp

Thế kỷ 19 chứng kiến sự ra đời của ngành năng lượng mới, điện Iiăng

Đó là dạng năng lượng dễ vận chuyển, chuyển hóa và do đó, nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chính của loài người, đặt cơ sở cho thời kỳ hiện đại hóa - tự động hóa - tin học hóa

Thê kỷ 20 loài người phát minh ra năng lượng hạt nhân, mở ra một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên chinh phục nguồn năng lượng hùng mạnh và cóthể coi là vô tận

Từ ngày tìm ra than đá, diầu mỏ, điện năng, nhu cầu năng lượng tăng lên đột ngột Mức tăng nhu cầu năng lượng được dùng làm thước đo mức

phát triển về kinh tế và xã hội của một miền, một nước Quan hệ giữa

mức tăng năng lượng sử dụng vìk mức tăng GDP (tổng sản phẩm quốc nội)

được gọi là hệ s ố đàn hồi, một trong các chỉ tiêu quan trọng của nền kinh

tế

Do nhu cầu năng lượng tăng, vấn đề cân băng năng lượng luôn là một chính sách của mỗi quôc gia Nó quyết định sự phát triển ổn định của đất nước Nó cũng là yếu tố quyết định an nguy của một quốc gia Như vậy, nỉíng lượng luôn là yếu tố chiến lược của một dất nước

Cân bàng năng lượng dựa trên cơ sở nguồn cung ứng thỏa mãn nhu

ở đây, Es - tổng năng lượng các nguồn cung cấp

Ed - tổng nhu cầu năng lượng sử dụng

AE - tổn thất trong quá trình vận chuyển, chê biến, sử dụng

Đơn vị sử dụng phổ biến trong (1.1) là TOE / TCF :

TOE - tấn dầu tương đương

TCF - tân than tương đương

Cũng có thể sử dụng các đơn vị năng lượng khác, đáng chú ý là:

kJ - kilojun

kcal - kilocalo

kWh - kilooat giờ

MWh - megaoat giờ ; GWh - gigaoat giờ

BTU - đơn vị nhiệt năng của Anh

Phụ lục 1 đưa ra hệ đơn vị đo thường gặp và quan hệ giữa chúng

Nguồn năng lượng cung cấp chia làm các loại chính :

- Năng lượng phi thương mại, gồm củi, than củi, rơm rạ,

- Năng lượng thương mại gồm than, dầu (thô) và khí thiên nhiên, thủy

năng, năng lượng hạt nhân,

Năng lượng than, dầu (khí), thủy năng được gọi là năng lượng truyền

- Năng lượng tái tạo là dạng năng lượng luôn phục hồi được khá nàng

cung cấp trong quá trình sử dụng, gồm thủy năng, nãng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, sóng biển

- Năng lượng không tái tạo, sử dụng một lần là hết nhử than đá, dầu

Cơ năng và nhiệt năng là hai dạng được sử dụng từ xa xưa Điện năng đang ngày càng trở nên đa dạng, trở thành nguồn năng lượng sử dụng chủ đạo Từ điện năng, có thể chuyển hóa để cung câ'p hầu hết các dạng năng lượng còn lại, gồm có cơ, nhiệt, quang, hóa, .

1.2 NĂNG LƯỢNG NGUồN NƯỚC VÀ PHƯƠNG THỨC KHAI THÁC

Năng lượng nguồn nước, còn gọi là thủy năng gồm có hai phần :

Động năng là năng lượng của dòng chảy có vận tốc Gọi m là khối

Thế năng là năng lượng của cột nước từ độ cao Zo xuống độ cao z , :

Do tính tuần hoàn, thủy nSng có ba đác tính cơ bản:

- Dòng chảy phân bô phân tán trong năm.

- Năng lượng dòng chày không dùng sè tiêu tán trong quá trình vận

động tự nhiên.

- Dòng chày có hiện tượng tập trung cường độ vào những thời diêm

mưa lân, gây ra lũ, cần có biện pháp phòng tránh thiệt hại.

Từ xa xưa, con người đã biết tận dụng nguồn thủy năng để quay cối xay lúa, chuyển động cần giã gạo, múc nước lên c a o ,

Sử dụng dòng chảy có hai mục tiêu chính yếu :

i Mục tiêu thủy lợi, gồm cấp nước cho hạ du về mùa khô, chống lũ về

mùa mưa

iỉ.Mục tiêu nâng lượng, tận dụng năng lượng nguồn nước để phục vụ

Các phương thức khác có hiệu suất thấp, phân tán, qui mô nhỏ không đáng kể.

Phương thức khai thác dòng chảy có hai kiểu chính :

- Dự án thủy lợi, chỉ giải quyết mục tiêu thủy lợi.

- Dự án thủy điện, phân ra dự án thuần túy năng lượng, gọi là dự án

thủy điện hay dự án nhà máy thủy điện (NMTĐ) và dự án thủy lợi - thủy điện.

Dự án thủy điện lây mục tiêu phát điện là chính, vân đề thủy lợi chỉ

là mục tiêu kết hợp, xem xét và không ràng buộc

Dự án thủy lợi - thủy điện kết hợp mục tiêu phát điện và mục tiêu

buộc trong quá trình điều tiết dòng chảy

Phương thức khai thác dòng chảy gồm hai nội dung cơ bản :

i Tạo hồ chứa để tích trữ khi thừa (mùa mưa, ngày mưa), xả nước về hạ

du khi thiếu (mùa khô, ngày hạn) Đó là quá trínlì điều tiết dòng chảy.

Để tạo hồ chứa, cần có đập dâng để nâng nước lên mức cần thiết, gọi

là mức nưđc dâng bình thường (MNBT) của hồ chứa.

MNBT là chỉ tiêu cơ bản của hồ, quyết định qui mô của hồ và đập dâng Đó là mức nước lớn nhât theo mục tiêu tích nước ở trạng thái bình thường

Tuy nhiên, khi xảy ra lũ, nước về hồ tăng lên đột ngột, cần có cửa xả

để xả lũ, gọi là công trình xả lũ hay công trình tràn, đập tràn Công trình

tràn không thể tức khắc xả hết lưu lượng lũ, nên một phần tích nước lại trong hồ, làm mức nước hồ vượt quá MNBT, lên đến giá trị lớn nhâì gọi là

mức nước gia cường (MNGC) MNGC phụ thuộc vào khả năng xả của

công trình tràn và cường độ lũ ở tần suất thiết kế

ii Tạo cột nước để phát điện Để tạo cột nước, cần có dường dẫn, còn gọi là tuyến năng lượng, gồm cửa lấy nước và ống áp lực Cửa lấy nước

nối tới hồ chứa, còn ống áp lực dẫn lưu lượng vào tổ máy để sinh công phát điện

Khi cửa lấy nước và ống áp lực cách nhau đáng kể, phải có tuyến

đường dẫn Tuyến dẫn nước hiện có ba loại phổ biến là kênh, cống và hầm.

Đối với dự án thủy lợi, việc tạo cột nưđc là không bắt buộc, ngoại trừ việc tạo độ chênh cho dòng chảy trên tuyến đường dẫn Do đó, tuyến đường dần không có ống áp lực, thay vào đó là hệ thống kênh phân phối nước.

Hình 1.1 : Mô hình diên hình của nhà máy thủv điện

(NMTĐ Da Nhim) 1.3 PHÂN LOẠI NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN (NMTĐ)

NMTĐ là dự án tận dụng nguồn nước theo mục tiêu phát điện, có hoặc không có mục tiêu thủy lợi kết hợp

Có rất nhiều kiểu phân loại NMTĐ, trong đó, các chỉ tiêu chính là:

a Theo qui mô, chia ra :

NMTD nhỏ cồng suât đến I MW.

NMTh) vừa công suât từ I MW đên 50 MW.

NMTl) lớn, công suât trên 50 MW.

Đôi khi nguồn thủy diện còn thêm loại tổ máy thủy diện cực nhỏ

(micro) là loại có công suât không quá I kW, thông thường là 100-300 w ,

dùng cho hộ gia đình

b Theo chê độ làm việc, chia ra :

NMTl) vận hành độc lập, là loại nhà máy không liên kết với HTĐ

của khu vực hay quốc gia Kht đó, nhà máy là nguồn duy nhất cung cấp

cho một sô hộ dùng điện, thậm chí, một hộ dùng điện, hình thành một HTĐ độc lập.

NMTD kết lưới, là loại nhà máy đâu nối với mạng điện khu vực hay

quốc gia, trong đó nhà máy là một trong các nguồn phủ đồ thị phụ tải của mạng điện

NMTĐ kết lưới, còn dược chia làm hai loại là NMTtì phát điện và

NMTĐ tích năng Loại NMTĐ tích năng làm việc theo chê độ thuận

nghịch Ớ thời điểm HTĐ cần công suât, nhà máy làm việc ở chê độ

nguồn điện, tiêu thụ nước, phát ra năng lượng Ớ thời điểm HTĐ dư thừa công suât, nhà máy làm việc ở chê dộ hộ tiêu thụ điện, nhận điện năng, quay tuabin - bơm theo chê độ bơm, bơm nước từ hạ du lên hồ chứa

c Theo kết câu nhà máy chia ra :

A’MTD sau đập, là loại NMTĐ không có tuyến đường dẫn trung gian

Nhà máy đặt ngay sau đập dâng, tuyến năng lượng chỉ gồm cửa lấy nước

NMTĐ dường dẫn, là loại NMTĐ có đường dẫn trung gian nối giữa

cửa lây nước và ống áp lực Đường dẫn trung gian có thể là kênh, cống và hầm, trong đó, hầm và kênh là loại phổ biến

d Theo chế độ diều tiết dòng chảy, chia ra :

NMTD dòng chảy, là loại NMTĐ không có hồ chứa, chỉ tận dụng lưu

lượng nước về trên dòng chính để phát điện Sô nước thừa sẽ xả qua tràn

NMTD hồ chứa, là loại nhà máy có hồ chứa để điều tiết dòng chảy

giừa các kỳ nước về nhiều hay ít trong một chu kỳ diều tiết (ngày đêm,

mùa, năm, nhiều năm, .)

Hình 1.3 : Sơ đồ NMTĐ kiểu đương dẫn 1.4 BÀI TOÁN ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY

Bài toán điều tiết dòng chảy chỉ đặt ra cho các NMTĐ có hồ chứa Hồ chứa có nhiệm vụ tích nước khi lượng nước về nhiều và xả nước phát điện khi nước về ít

Lưu lượng nước về Q (m/s') là một đại lượng ngẫu nhiên Lưu lượng phát diện - Qc, (m/s’) cũng là một đại lượng ngầu nhiên Do đó, bài toán điều tiết hồ chứa mang tính ngẫu nhiên Tuy nhiên, lưu lượng Qn có thể xác định được tùy theo tính chât NMTĐ, nên chỉ còn đại lượng Q là có tính ngẫu nhiên

Bài toán điều tiết hồ chứa trong trường hợp tổng quát, là bài toán qui hoạch các đại lượng ngẫu nhiên, nhiều biến số và cách giải phức tạp, hội

tụ kém, vì nhiều cực trị địa phương

Trong thực tế, có hai trường hợp áp dung bài toán điều tiết hồ chứa

Hài toán (tiều (iết Itguồn nước trong các dự án NMTỈ), thưc hiện điều

tiết hồ chứa dựa theo chuỗi dòng chảy đã quan sát được Khi đó, lưu lượng nước về hồ - Q, coi như đã biết Đây là bài toán qui hoạch Các biến ngẫu nhiên được gán cho, tùy trạng thái có thể khảo sát Ta gọi đó là mô hình tiền dinh

liài toán diều tiết khai thác NMTĐ, áp dụng trong điều dộ vận hành

HTĐ Đây là bài toán thực tế Các biến ngẫu nhiên được mô phỏng gần với trạng thái thực

Ở bài toán này, có hai mô hình dược xem xét Mô hình tiền định, hay

tất định, trong đó, lưu lượng nước về - Q(t) và đồ thị phụ tải NMTĐ - P(t)

dưực dự báo hoặc chọn điển hình cho chu kỳ điều tiết Như vậy, Q(t) và P(t) coi như đã biết và ta trở lại bài toán tiền định ở trên.

Trường hợp coi Q(t) và P(t) là các đại lương ngẫu nhiên, ta sẽ có mô

hình ngẫu nhiên.

1.5 TÀI NGUYÊN NƯỚC VIỆT NAM

Việt Nam có tổng sô 2.360 sông, có chiều dài trên 25km, phân ra nhưsau:

Toàn quốc có bảy vùng kinh tế, với đặc trưng phân bổ nguồn nước cho

ỏ bảng 1.2 Ta thây vùng Tây Nguyên có lượng nước phân bổ đầu nguồn

là cao nhát Thâp nhât là vùng đồng bằng Bắc Bộ

Mật độ năng lượng lý thuyết các vùng cho ở bảng 1.3 Tổng năng

fN r- n X

r-X

*

«r, r~

NỌ -T 00

s

r ỉ vC

r

rr

<N rs

rr

«rí ỏ'

sC Ô n

n O

«r, 00

«r, r*

«r, 00

«r, r~

00 00

r-*^v ưỉ ƠN

NO

r í K

rr

r í r-

©* ©ƠN*

r r oc’

**

N r-

s

r r Ơ

-<N Ơ

«r,

■ơ 00

«r,

«n 00

*6

i s

ơ;

õc «rir i s

r r rr,

©

's i

T 3

o

•rí

r i fN

N 00*

r í

- t

© r

ỉ u 00 c

1

00 c '«5 00 c

<o

(/5

C8 2

00

c

c/5

»Í8 ẵ

g '<õ

00

c

<o oo

00

c

'*«

Ò 5 +

00

c r ,=3 00 C/ c .2

5:

< z H

>

- r j r + -, rr •r NO r* 00 ON

>c 8 3©

r 00 sC

r*

© Tf

c * ^ E 'g

* 0 - 5 '2 '<« ®

3 *6 0 c Z '

vỌ c4 00

n 30 O

1 “ Ị E

I i 3 ' *

u

8 u- 1

r i vO

vo >r,Tf 00

r i

Q ¥ 5* £ £

<0 “ 2 '< C 8 5 ' 'C 84 E

TJ o c

n Ki d d

»r.

võ C c*s

ir, võ

C 4 f*s Ọ

r*-%

C 4 oc cr

rs|

r r

r i

n fK

r i

r d rJ

-r ĩ r 2

<N

r i vO

ọ 00

*t

r 3 00

-r i 8

n r 00 K

ẽ

01

1 1

c

Ể

o

8 n

Ọ

«rí ọ

r i Ọ

«r Ọ

r r

o 8 00

r í Ọ

r í 0

'■8 1 3

e *: 8

2 ? rsj

c í^- ~ u

r~ oc Tf

«r, d ọ

r

-r - n

r ọ d r

-X

c i 3

r

1

o

* 00 r~

00 d

»r,

«r,

o d

Ị

r í rS

r*

r*\

-T

r-*f

rr '*f r

*t

r~ 00 cr r- d

r*-,

© s

c

>n 2 i

c

«4>>v3 00

z

>*

«co H

2 '

£ co

z

>>

«« H

< z H

TRỮ NĂNG THỦY ĐIỆN TRÊN LÃNH T H ổ Bàng 1.4

TRỮ NĂNG KỸ THUẬT CÁC LƯ U v ự c CHÍNH Bảng 1.5

thang

Công suất MW

1000km:

T rữ lượng GW

Lưu vực của một con sông là diện tích mặt đất, trên đó nước mưa và

nước ngầm sẽ tập trung về chính con sông đó Nói cách khác, liiu vực là

phần bề mặt đât và bên dưới đất, nước trên đó sẽ tập trung về sông Người

ta coi lưu vực là lưu vực tập trung nước của sông suối Đê’ phân định ranh giới giữa các lưu vực, người ta sử dụng khái niệm đường phân lưu Đường

phân lưu là đường nôi tât cả các điểm, tại đó một hạt nước (nước mưa hay nước ngầm) rơi trên đó sẽ bị tách ra, một phần chảy vào lưu vực này, phần còn lại chảy vào lưu vực kia Khi lưu vực đủ lớn, có thể coi gần đúng là đường phân lưu nước mặt và đường phân lưu nước ngầm gần trùng nhau, mặc dù trong thực tế, đường phân lưu nước mặt và nước ngầm không bao giờ trùng nhau tuyệt đối (hình 2.1)

Hình 2.1 : Phân lưu mặt và phân lưu ngầm

Lượng dòng chảy vào một con sông ngoài việc phụ thuộc vào phân bô lượng mưa rơi, nhiệt độ, bốc thoát hơi, còn phụ thuộc vào diện tích lưu vực tập trung nước của sông Diện tích lưu vực càng lớn, lượng dòng chảy

trong sông sẽ càng lớn v ề mặt hình học, một lưu vực được đặc trưng bằng

diện tích lưu vực - F | V (knr), chiều rộng bình quân lưu vực, hình dạng lưu

Dòng chảy trong sông chủ yếu do hai thành phần tạo nên, là mưa rơi trên lưu vực và nước ngầm / nửa ngầm bổ sung cho dòng chảy Mưa rơi trên lưu vực là nguồn chủ yếu tạo nên dòng chảy trong sông, vì khi mưa

to, cường độ lớn và kéo dài, chỉ sau đó vài tiếng, lưu lượng và mực nước trong sông tăng lên rõ rệt Có thể minh họa điển hình bằng các trận lũ quét Nước ngầm là nguồn duy trì lượng dòng chảy trong sông là vì, mặc

dù trong thời gian không có mưa, dòng chảy trong sông vẫn được duy trì.Mưa rơi trên bề mặt lưu vực, nước ngầm dưới đất trong lưu vực sẽ là nguồn bổ sung cho dòng chảy trong sông suối trên lưu vực Quá trình mưa dược rải xuống lưu vực thường là không đều cả về không gian, thời gian Lượng nước mưa, một phần bị giữ lại tại thảm thực vật, hồ, ao, phần lớn còn lại tạo nên dòng chảy trên mặt đất, hình thành những dòng nước mặt nhỏ, theo độ dôc tập trung về những con suôi, rồi đổ về dòng nhánh, ra dòng chính của sông đổ ra biển Một phần nước mưa thâm xuống tầng đất dưới là đất ngậm nước đến bão hòa rồi bổ sung vào lượng nước nửa ngầm Một phần khác tham gia vào quá trình bốc hơi trong và sau khi mưa

Những lưu vực lớn thường có một số trạm đo mưa, trạm đo lưu lượng

và mực nước, s ố liệu quan trắc được lưu trữ và làm tài liệu cơ bản cho công tác nghiên cứu, thiết kế công trình sau này Dựa trên những đăc trưng của lưu vực và những tài liệu cơ bản trên, khá nhiều mô hình tính toán dòng chảy mặt từ mưa rào được xây dựng và sử dụng Những mô hình này

có tên gọi chung là mô hình mưa rào - dùng chảy (Rainfall - Runoff

Models) Thực chât ảnh hưởng của nước ngầm và nửa ngầm đến quá trình hình thành dòng chảy đã được gián tiếp kể đến thông qua những tài liệu quan trắc thực tế Những tài liệu này được sử dụng để xác định các thông

số của mô hình

Trong quá trình hình thành dòng chảy có rất nhiều yếu tố khí hậu ảnh hưởng, trong đó đặc biệt quan trọng là mưa, bốc hơi, thấm và một số yếu

tố khác

2.2.1 Mưa

Mưa là nhân tô quan trọng nhất của việc hình thành dòng chảy trong sông ngòi Ở các nước ôn dới, tuyết tan cũng là nguyên nhân quan trọng

Mưa và chê độ mưa là những thông số hết sức cơ bản trong nhừng mô

hình tính toán mtla rào - dòng chảy Mưa có một số đặc trưng cơ bản sau :

- Lượng mưa : lượng mưa trong một thời đoạn tính toán nào đó là lớp

nước mưa đo được tại trạm quan trắc trên đơn vị diện tích trong khoảng thời gian đo Đơn vị đo lượng mưa là mm Có thể biểu thị lượng mưa qua lượng mưa giờ, lượng mưa ngày, lượng mưa trung bình tháng, lượng mưa trung bình năm là lượng mưa đo được trong một giờ, một tháng hay một năm

- Cường độ mưa : cường độ mưa tại một đơn vị quan trắc nào đó là

lượng mưa đo được trong một đơn vị thời gian (phút hoặc giờ), tại vị trí dó Đơn vị của cường độ mưa là mm/phút hoặc min/giờ Cường độ mưa bình quân là cường độ mưa trung bình trong khoảng thời gian đó

- Dường quá trình mưa : sự biến đổi của lượng mưa theo thời gian Đồ

thị của quá trình mưa gọi là đường quá trình mưa

- Mưa rào : mưa rào là loại mưa có cường độ lớn, tập trung trong thời

gian ngắn Tiêu chuẩn để xác dịnh mưa rào của cơ quan khí tượng Việt Nam giới thiệu ở bảng 2.1

Trong một trận mưa hoặc trong thời kỳ tính toán, lượng mưa trên lưu

lượng mưa đo được tại các trạm đo mưa khác nhau thường khác nhau Muốn tính toán lượng mưa bình quân trên lưu vực dể xác dịnh dòng chảy lưu vực, phải thiết lập các công thức tính toán mưa bình quán trên lưu vực Một số phương pháp hay sử dụng là phương pháp bình quân số học, phương pháp đa giác Thái Sơn và phương pháp đường đăng trị mưa

i Phương pháp bình quân sô'học : khi trên lưu vực có nhiều trạm đo

vực có n trạm đo mưa với lượng mưa đo tại mỗi trạm là Xi được tính như sau :

th

ii Phương pháp đa giác Thái Sơn : coi lượng mưa đo được tại trạm i

chỉ đặc trưng cho phần diện tích f„ bao quanh trạm đó Diện tích f, này được xác định bằng các đường trung trực của các đoạn thẳng nối liền các trạm đo mưa với nhau (hình 2.2)

n

p.x.

p1 = 1

Hình 2.2 : Phương pháp đa giác

iii Phương pháp đường đẳng trị mưa : dường đẳng trị mưa là các

đường đồng mức lượng mưa trên bản đồ địa hình Như vậy, các điểm nằm

bình quân trên lưu vực dược tính theo công thức :

p(«I

ở đây, fj - phần diện tích lưu vực kẹp giữa hai đường đẳng trị lượng mưa

Xi và x i+1

2.2.2 Bốc hơi

Bôc hơi là nhân tố quan trọng thứ hai ảnh hưởng đốn quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực Bốc hơi dưới ba dạng, bốc hơi từ mặt nước,

bốc hơi từ mặt đất, bốc hơi thoát qua thực vật Ký hiệu z là tổng lớp nước

bốc hơi (mm) trong thời đoạn tính toán trên bề mặt lưu vực rộng F (km2), tổng lượng nước bốc hơi w , trên lưu vực F trong thời đoạn dó là :

Ngoài mưa và bốc hơi, thì gió và hướng gió, độ ẩm không khí và tính chât cơ lý của đất cũng ảnh hưởng nhiều đến quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực

2.3 TÍNH CHẤT QUÁ TRÌNH CỦA DÒNG CHẢY

Điều quan trọng trước khi tính toán thủy văn thủy điện là xác định đặc tính hay bản chât của quá trình dòng chảy và phương pháp tính tương ứng Điều này là một trong các đặc điểm khác nhau cơ bản của tính toán thủy văn thủy điện với các tính toán khác Quá trình hình thành dòng chảy là một quá trình tổng hợp của rất nhiều yếu tô ảnh hưởng như mưa, bốc hơi, gió, độ ẩm, tính chất cơ lý của đất, tính chât của thảm thực vật, Các yếu

tô này thuộc phạm vi nghiên cứu của lĩnh vực khí tượng thủy văn, một trong các lĩnh vực phức tạp nhât hiện nay Khi bắt tay tính toán, thiết kê một công trình thủy lợi thủy điện, nói chung, bắt buộc phải sử dụng những tài liệu dà biết, tức là các tài liệu ghi chép những hiện tượng thicn nhiên

dã xảy ra trong quá khứ làm cơ sở để tính toán, thiết kế cho công trình sẽ chịu tác động của những hiện tượng thiên nhiên đó trong tương lai

Hiện nay, các nghiên cứu về thủy văn và dòng chảy dều khá thống nhât nhận dịnh về tính hai mặt của quá trình dòng chảy sông suối :

- Quá trình dòng chảy là một quá trình mang tính qui luật khá rõ nét.

Những tài liệu quan trắc về quá trình dòng chảy qua thời gian dài đều chứng minh là quá trình dòng chảy có tính qui luật rõ nét Lây các sông suối ở miền Băc nước ta làm thí dụ, nói chung, cứ vào mùa mưa (khoảng tháng 5 đến tháng 10 hàng năm), lượng dòng chảy trên sông dồi dào Đến mùa khô (tháng I I đến tháng 4 năm sau) lượng dòng chảy trong sông giảm hẳn Các vùng khác ở nước ta và khu vực khác cũng thể hiện tính qui luật của quá trình dòng chảy

- Quá trình dòng chảy là một quá trình ngẫu nhiên Khi đi sâu nghiên

cứu bản tính của quá trình dòng chảy, một mặt người ta công nhận tính có

mang đậm tính chất ngẫu nhiên Cũng thí dụ trên, vào tháng 6, tháng 7 hàng năm, lượng dòng chảy trong sông dồi dào, thường xảy ra lũ lớn, nhưng dồi dào đến mức nào về mặt định lượng? Trận lũ xảy ra với lưu lượng đỉnh lũ lcà bao nhiêu? Đỉnh lũ xuất hiện khi nào? Trong những tháng mùa khô, lưu lượng dòng chảy giảm xuông đến mức độ nào? Những câu hỏi mang tính định lượng và gắn với yếu tô thời gian kiểu như vậy nếu dựa vào tính chất có tính qui luật của quá trình dòng chảy, thì không thể trả lời chính xác được.

Như vậy, hiện tượng dòng chảy và quá trình dòng chảy cùng một lúc

thể hiện cả hai mặt về tính chất của mình, bản chất có qui luật theo thời

gian (mà người ta gọi là bản châ't theo thứ tự thời gian) và bản chất ngẫu nhiên Việc đi sâu nghiên cứu nguyên nhân dẫn đến tính hai mặt trong

quá trình dòng chảy giúp lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp, để có thể thiết kê và xây dựng công trình thủy lợi thủy điện một cách an toàn và hiệu quả nhât

Khi tính chất có qui luật của quá trình dòng chảy là tính trội, phương

pháp nghiên cứu sẽ là phương pháp thứ tự thời gian Hướng nghiên cứu

này có từ rất sớm và đạt được những thành tựu to lớn Ngày nay, phương pháp thứ tự thời gian vẫn là công cụ đắc lực khi nghiên cứu về dòng chảy

Phương pháp xác suất (coi quá trình dòng chảy là quá trình ngẫu

dụng phương pháp xác suât và thống kê toán học, nhiều khi giải quyết tốt những vân đề mà phương pháp thứ tự thời gian không giải quyết được Tuy nhiên, phương pháp này thường mang tính trừu tượng cao hơn, độ phức tạp trong tính toán lơn hơn

lựa chọn quan niệm tính

2.4 ĐẶC TRƯNG DÒNG CHẢY

2.4.1 Mỏ đẩu

Đê’ đánh giá khả năng cấp nước của một lưu vực sông, người ta sử dụng các đặc trưng biểu thị dòng chảy Thường các đặc trưng của dòng

chảy được đánh giá tại một mặt xác định nào đó của sông suối, gọi là mặt

cắt nghiên cứu Đặc trưng của dòng chảy cũng được phân ra hai loại, loại

dặc trưng theo thứ tự thời gian và loại đặc trưng xác suất.

2.4.2 Đặc trưng dòng cháy the« thời gian

a Lưu lượng dòng chấy Q

gian Đơn vị đo lưu lượng hay dùng nhất trong hệ mét là mVs Lưu lương tại một thời điểm bất kỳ gọi là lưu lượng tức thời của dòng chảy tại mặt cắt đó Lưu lượng tức thời của dòng chảy tại một mặt cắt thay đổi theo thời gian Quan hệ giữa lưu lượng dòng chảy theo thời gian được gọi là

quá trình lưu lượng Quá trình lưu lượng Q(t) = f(t) biểu diễn dưới dạng đồ

thị gọi là đường quá trình lưu lượng dòng chảy.

Lưu lượng bình quân trong một khoảng thời gian T đuỢc ký hiệu là Qih

và được tính theo công thức sau :

trong đó, n -s ố đoạn quan trắc; T = NAt - chu kỳ kháo sát

Q, - lưu lượng bình quân trong thời đoạn thứ i

Công thức (2.6) rất hay dược sử dụng trong thực tế

b Tổng lưựng dòng chảy vv

Tổng lượng dòng chảy là thể tích nước chảy qua mặt cắt trong thời gian

từ t| đến t2 nào đó Đơn vị đo tổng lượng dòng chảy là m \ triệu m3 hoặc tỷ

w

Y =

Môđun dòng chảy là tỷ sô giữa lưu lượng dòng chảy với diện tích lưu vực tương ứng Đơn vị thường dùng là 1/s.knr hoặc m3/s.km2:

Vi dụ 2.1 : Lưu vực của sông H, có diện tích lưu vực tính đến của sông

lù 1.250km Tụi mặt cắt cửa sông đo được tổng lượng nước trong một năm

lù H56 triệu m Lượng nước bình quân năm rơi trên khu vực lù I.200mm Hãv tính lưu lượng trung bình năm tại mật cắt cửa sông, độ sâu dòng chảy, môđun dòng chảy vù hệ số dòng chày của lưu vực.

Giải : Từ công thức (2.8) suy ra lưu lượng trung bình trong năm được

Nêu coi dòng chảy mang tính ngẫu nhiên, có thể sử dung lý thuyết xác suât và thống kê toán học để nghiên cứu dòng chảy và quá trình dòng chảy.

a Đại lượng Iigẫu nhiên

Đại lượng ngẫu nltiên hay sự kiện ngẫu nhiên hay biên cô ngẫu nhiên là những cách gọi khác nhau để chỉ một đại lượng trong kết quả thí

nghiệm (phép thử) nó có thể xuất hiện giá trị cụ thể nào dó mang tính ngẫu nhiên, không thể biết trước một cách chăc chắn được Người ta hay

kí hiệu đại lượng ngẫu nhiên là các chữ cái viết hoa như X, Y, z, Giá trị

cụ thể của đại lượng ngầu nhiên được kí hiệu là những chữ tương ứng kèm

thể là liên tục hoặc rời rạc Đại lượng ngẫu nhiên liên tục là đại lượng ngẫu nhiên có thể nhận được các giá trị liên tục trong miền cỗ khả năng xuất hiện của nó Ngược lại, đại lượng ngẫu nhiên rời rạc lại chí nhận các giá trị rời rạc ChẴng hạn khả năng xuâì hiện khi tung con xúc xắc là dại lượng ngẫu nhiên rời rạc, nó chỉ nhận một trong các giá trị : 1, 2, 3, 4, 5, 6 trong mỗi lần gieo xúc xắc Lưu lượng, mực nước sông tại một mặt cắt nào

dó có thể xem là đại lượng ngẫu nhiên liên tục, trong khi lưu lượng bình quân thời đoạn lại được coi là đại lượng ngẫu nhiên rời rạc

b Xác suất

Xác suất là sô đo khả năng xuất hiện của đại lượng ngẫu nhiên Xác suất cao thì đại lượng ngẫu nhiên đó có khả năng xuất hiện nhiều, và ngược lại Xiác suất xuất hiện của đại lượng ngẫu nhiên X thường được kí hiệu là p(x) và nhận các giá trị trong khoảng 0 < p(x) < 1

c Luật phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên

Quan hệ giừa các giá trị của một đại lượng ngẫu nhiên với xác suất

xuât hiện của chúng được gọi là luật phân phôi xác suất của đại lượng

ngẫu nhiên đó Luật phân phối xác suất dược biểu thị dưới dạng bảng

dược gọi là bảng phân phối xác suất Luật phân phối xác suất dược biểu thị dưới dạng dồ thị được gọi là đường phân pliối xác suất Luật phân phối xác suât viết dưới dạng hàm sô được gọi là hàm phân phối xác suất Hàm

phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X được ký hiệu là f(x) Hình 2.3a thể hiện đường phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X

2.4.3 Đặc trưng dòng chảy the« xác suất

Mật độ tần suât xuất hiện của dại lượng ngẫu nhiên X là tần suất xuất hiện giá trị f(x), cụ thể là quan hệ giữa F(x) và f(x) dược minh họa ở hình 2.3.

ci Dường tần suất xuất hiện của đại lượng ngẫu nhiên

X

Hàm F(x) còn gọi là đường tần suất xuất hiện, dường cong toàn phần luật phân phối, đường mật độ tần suât Xác suât để giá trị của đại lượng ngẫu nhiên nhận các giá trị từ X| đến x2 là :

x ĩ

x l

dến + 0 0 , luôn luôn hằng 1, (tức là chắc chắn xảy ra) là :

Xác suất đê giá trị của đại lượng ngẫu nhiên nhận các giá trị lừ -00

p( x) = ị j \ x ) d x

-ao

(2.16)

e Mầu và tổng thể của đại lượng ngẫu nhiên

Nếu có thể thí nghiệm, đo đạc hoặc thu thập được toàn bộ giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X trên miền biến thiên của nó, tập hợp các giá trị

vừa thu được đó gọi là tổng thể các giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X

Tổng thể các hiện tượng thủy văn, trong đó có dòng chảy và quá trình dòng chảy theo thời gian là vô cùng lớn, do đó, không thể thu thập tổng thể được, mà chỉ có thể thu được một phần giá trị đã xuất hiện của đại

lượng ngẫu nhiên, phần này gọi là mẫu Trong thống kê toán học, người ta

thường phải nghiên cứu đại lượng ngẫu nhiên dựa trên những mẫu dã thu thập được Nếu như mầu có số lượng giá trị thu thập đủ lớn và dủ tính đại biểu, có thể coi mẫu đó đại diện cho tổng thể để tiến hành nghiên cứu Khi nghiên cứu trên mẫu dể suy ra tổng thể, chắc chắn sẽ tồn tại sai số,

người ta gọi đó là sai s ố mẫu.

Các đặc trưng của đại lượng ngầ

nhiên nghiên cứu là :

Đ(Yi vđi mẩu

Trị số bình quân mẫu Phương sai mẫu và dộ lệch chuẩn

Hệ sô phân tán mẫu

Hệ sô lệch mẫu

Kỳ vọng toán của đại lượng ngẫu nhiên X được ký hiệu là M(X) dược

xác dịnh theo các công thức riêng biệt đối với đại lượng ngẫu nhiên liên tục và rời rạc

Đôi với đại lượng ngẫu nhiên liên tục :

Phưítng sai D(x) và độ lệch quân phương (ix) của đại lượng ngầu

nhiên X được xác định như sau :

Đối với đại lượng ngẫu nhiên liên tục :

Đôi với đại lượng ngầu nhiên liên tục :

Đôi với đại lượng ngẫu nhiên liên tục :

Đặc trưng mẫu, các đại lượng thủy văn như lưu lượng, mực nước,

mưa, bốc hơi, thường là trung bình thời đoạn, nên thường là các đại lượng ngẫu nhiên rời rạc

Trị sô bình quân mầu :

X ■ ■ = L ± * >

n ,=/

(2.29)Phương sai và độ lệch chuẩn

Hình 2.4 minh họa ảnh hưởng của các giá trị trung bình mẫu, Cv và Cs đến đường tần suất và đường phân phôi xác suât của mẫu.

Ví dụ 2.2 : Tụi trạm đo lưu lượng trung bình trên sông B, tài liệu lưu lượng trung bình năm của 15 năm cho ờ bủng 2.2 Hãy tính các dặc trung xác suất của liệt dòng chảy dó.

Bảng 2.2 : I.ưu lưựng dòng chảy trung bình năm tuyến quan trắc

Giải : Liệt dòng chảy trên là một đại lượng ngẫu nhiên rời rạc, vì đó

là các giá trị trung bình thời đoạn (năm) Áp dụng các công thức (2.29), (2.31) và (2.33) để tính các đặc trưng tương ứng Quá trình và kết quả tính

Lưu lượng trung bình của chuỗi : Q,b = 23.253 /1 5 =1.550

Phương sai : D(Q) = 604.016 / (15-1) = 1.475.668

Độ lệch chuẩn : Ơ(Q) = (2.475.668)l/2 = I 573

Hệ số phân tán : Cv = [0,280475544 / (15-1 )]1/2 =0,1415

Hệ số lệch : c s = [0,009898216 /(15-3) / 0 ,14 15]’ = 0,291 1

Liệt dòng chảy này có: Cs * 2Cv

Báng 2.3 : Ọuá trình tính toán của ví dụ 2.2

2.5 THU THẬP VÀ x ử LÝ TÀI LIỆU THỦY VĂN

2.5.1 Thu thập tài liệu khí tượng - thủy văn

Quá trình hình thành dòng chảy rất phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khí hậu, địa hình, địa châ't thủy văn Đê’ có thể hình dung tổng quát về những tài liệu, cần thiết phải thu thập phục vụ mục đích tính toán :

a Tài liệu khí tượng

Mưa : Mưa gồm có mưa giờ (lượng mưa trung bình theo giờ), mưa

ngày (lượng mưa bình quân ngày), mưa trung bình tháng, mưa trung bình năm Tài liệu mưa có thể thu thập cần ghi chép trên trạm đo mưa, các thông tin liên quan như cao độ đặt trạm, vị trí địa lý của trạm, thời kỳ quan trắc mưa

Bốc hơi : Tài liệu bốc hơi có thể thu thập từ các trạm khí tượng Do sô

lượng trạm khí tượng ít và phân bố rải rác, nếu không có trạm khí tượng trong lưu vực, phải thu thập tài liệu bốc hơi từ các trạm khí tượng gần nhất trong khu vực Tài liệu bốc hơi thường là bốc hơi trung bình tháng, bốc hơi ngày đêm Lưu ý phân biệt các tài liệu bốc hơi mặt đất, mặt nước, kèm theo phương pháp đo bốc hơi

Độ ẩm : Tài liệu về độ ẩm thường là độ ẩm tương đối trung bình

tháng, lớn nhất trong tháng, nhỏ nhâ't trong tháng Những tài liệu này cũng được thu thập tại các trạm khí tượng

Nhiệt độ : Tài liệu về nhiệt độ cũng được thu thập từ những trạm khí

tượng Nhiệt độ được thu thập dưới ba dạng, trung bình tháng, lớn nhât và nhỏ nhât tháng

Gió : Tài liệu về gió gồm cường độ gió, hướng gió ứng với các tần

suâ’t khác nhau Tài liệu về gió cũng được thu thập tại các trạm khí tượng

b Tài liệu thủy văn

Dòng chảy trung bình là lưu lượng trung bình thời đoạn tại tuyến

quan trắc trên sông Thời đoạn thường là ngày, tháng hoặc năm đôi khi làgiờ

Lưu lưựng tức thời và mực nưđc tương ứng tại tuyến quan trác

Dạng này thường là lưu lượng và mực nước của các trận lũ quan trắc theo thời gian xuâ't hiện cùa trận lũ Ngoài ra, cần thu thập các tài liệu về lưu lượng và mực nước trong các thời kỳ hạn và cực hạn Khi thu thập tài liệu

về lưu lượng và mực nước, luôn luôn phái ghi chép tên trạm đo, lưu vực tập trung nước tại tuyến quan trắc

Bùn cát lơ lửng và di đẩy tại tuyến quan trắc Loại tài liệu này

thường dưới dạng hàm lượng bùn cát trung bình tháng

c Tài liệu địa hình, địa chất

Cần thu thập tài liệu địa hình vùng lòng hồ, các mặt cắt ngang và dọc các tuyến nghiên cứu, dể qua dó có thể xây dựng dược các đặc trưng lòng

hồ và đường quan hệ giữa lưu lượng và mực nước hạ lưu của đập tràn hay NMTĐ

Địa hình chung của lưu vực bao gồm độ dôc lưu vực, chiều dài dòng chảy, chiều rộng trung bình lưu vực, độ uốn khúc của sông suối,

Tính chất cơ - lý - hóa của các tầng đất trên mặt trong lưu vực, đặc điểm của thảm thực vật trên lưu vực

2.5.2 Những vấn đề thường gặp trong thu thập tài liệu thủv văn

Đối với những dự án xây dựng thủy lợi thủy diện lớn, khi thu thập tài liệu khí tượng thủy văn, thường có ít vấn đề nảy sinh, dặc biệt là tài liệu khí tượng trong đó có tài liệu mưa có thể thu thập đầy đủ với thời kỳ quan trắc khá dài Thậm chí, nếu cần, người ta có thể bô trí quan trắc bổ sung ngay từ khi có ý đồ về dự án Nhưng với những dự án có qui mô không lớn lại năm trên những lưu vực nhỏ, vân đề về thu thập và xử lý tài liệu thủy văn bao giờ cũng phức tạp, đòi hỏi dầy công nghiên cứu và tính toán Tại những lưu vực nhỏ, tài liệu khí tượng thường có ít vân đề, do đó ở đây chỉ tập trung bàn về tài liệu thủy văn

Khi thu thập tài liệu thủy văn, thường hay phải xử lý những tài liệu sau đây :

Không có tài liệu thực đo (tài liệu quan trắc), hoàn toàn không thu

Có ít tài liệu thực đo, thu thập được một số ít tài liệu quan trắc trong

thời gian ngốn, do các trạm quan trỉíc thủy văn mới xây dựng hoẠc sau một

thời gian hoạt động đã dừng lại thôi không quan trắc tiếp nữa

Có tài liệu nhưng không liên tục, có trạm quan trắc nhưng tài liệu không liên tục hoặc là thiêu tài liệu thời kỳ đầu, cuối, hoặc mất tài liệu trong khoảng giữa thời kỳ quan trắc

Có tài liệu thực đo nhưng không đổng bộ, độ dài tài liệu và thời kỳ quan trắc không trùng nhau, so le nhau

Tài liệu thực đo thiếu, ngăn, không dồng bộ hoậc không có nhưng công tác tính toán và thiết kế yêu cầu buộc phải có tài liệu dầu vào Để giải quyết được nhừng vấn đề trên, trong lý thuyết thủy văn và thủy văn

công trình, có đề xuât rất nhiều phưrtng pháp và mô hình toán học để xử

lý, nhằm cung câp dược các tài liệu đẩu vào phục vụ cho công tác thiết

kế Khi không có tài liệu quan trắc thủy văn, chỉ có tài liệu về khí tượng, phải sử dụng phương pháp mô phỏng tạo lập liệt thủy văn Khi tài liệu chỉ thu dược ngắn, có thể sử dụng phương pháp hàm sô hóa quá trình dòng cháy, nhằm kéo dài liệt quan trắc Đó là áp dụng đường tần suât lý luận Phương pháp tương quan nói chung rất hữu hiệu trong việc bổ sung tài liệu thiếu từ chuỗi tài liệu đủ trong lưu vực

2.5.3 Xử lý trương hựp không có tài liệu quan trắc

Khi không có tài liệu quan trắc, tùy thuộc vào loại tài liệu thủy văn cần thiết, có sử dụng hai phương pháp Đối với tài liệu cực biên như lưu lượng lũ thiết kê ứng với tần suât thiết kế nào đó, mực nước cực đại ứng với tần suât, người ta có thể đo đạc các mặt cắt địa hình của đoạn sông suối, kết hợp cóng tác điều tra khảo sát vết lũ lịch sử, hoặc hỏi những người cao tuổi trong vùng về những trận lũ đã xảy ra trước đây, Sau đó

sử dụng các công thức tính toán trong thủy lực công trình để xây dựng quan hệ mức nước với lưu lượng và tần suất xuât hiện ước đoán, để có thể

có được tài liệu với mức độ tin cậy nào đó Phương pháp này có thể được

sử dung trong các tính toán sơ bộ, đối với những dự án ít quan trọng Trường hợp này có thể tham khảo các tài liệu hướng dần tính toán cụ thể trong thủy văn và thủy văn công trình

Mưa trên lưu vực Các yếu tố khí hậu khác

Hình 2.5 : Sơ đồ tổng quát của mô hình mưa rào - dòng chảy

Đối với những dự án có qui mô và tầm quan trọng cao hơn, khi không

có tài liệu thực do, phương pháp dược châp nhận là xây dựng mô hình dể tạo ra chuỗi dòng chảy cần thiết Các mô hình dòng chảy thường có đầu vào là các tài liệu về khí tượng, địa hình, địa mạo, dịa chất thủy văn, và đầu ra là lưu lượng dòng chảy Phần xử lý của mô hình là mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy theo một mô hình vật lý Thí dụ điển hình về loại mô hình như vậy là các mô hình mưa rào - dòng chảy như HEC-I, TANKS và khá nhiều mô hình khác Đó là những mô hình dưực sử dụng rộng rãi trên thê giới và ở nước ta Để có được cơ sở tối thiểu khi sử dụng các mô hình trên, nhât thiết phải tìm được một sô tài liệu quan trắc tại tuyến nghiên cứu Phải đo đạc một sô tài liệu ngay trong giai đoạn khảo sát Các sô liệu này được sử dụng cùng với quá trình dòng chảy đã biết trên các lưu vực tương tự là cơ sở để đánh giá độ tin cậy của liệt dòng chảy tự tạo

Sơ đồ tổng quát của loại mô hình tạo liệt dòng chảy được trình bày trên hình 2.5 Nhìn chung, các mô hình đều khá giống nhau ở tài liệu dầu vào, ở nguyên tắc trong quá trình hình thành dòng chảy mật, là sự kết hợp giữa dòng chảy tràn và dòng bổ sung từ nước ngầm và nửa ngầm Các mô hình khác nhau ở cách phân chia ra những thành phần và áp dụng phương trình cân bằng nước cho mỗi thành phần

2.5.4 Đường tần suất lý luận kéo dài

a Dường tần suất lý luận

Phần trên dã nghiên cứu về những đặc trưng của dòng chảy và quá trình dòng chảy theo thứ tự thời gian và theo xác suât Nêu liệt tài liệu về dòng chảy khá dài và đầy đủ, thông qua các dặc (rưng thủy văn, chúng ta

có thể biểu diễn quá trình dòng chảy bằng dường lưu lượng theo thời gian

là đường phân phối xác suất hoặc dường tần suất Nhưng khi gặp vấn để trong thu thập tài liệu như ít tài liệu, thiếu tài liệu hoặc tài liệu không liên tục làm thê nào dể có thể bổ sung tài liệu một các đáng tin cậy ? Công cụ

hừu hiệu để xử lý vân đề này là xây dựng các đường tần suất lý luận

Trong thủy văn, tần suât lý luận và dòng chảy có liên hệ mang tính chât hàm số thông qua đường tẩn suất lý luận Đường tần suất kinh nghiệm của mẫu quan trắc thường được tính theo hai công thức :

Công thức sô'giữa, áp dụng cho tính toán dòng chảy năm, mưa năm :

m + 0,3

(2.34)

Công thức kỳ vọng, áp dung cho tính toán dòng chảy lũ và mưa lũ, do

kết quả tính toán thiên an toàn :

n - tổng sô giá trị quan trắc (độ lớn của mẫu)

Đường tần suât lý luận / đường phân phôi xác suất lý luận là đường tần suât / đường phân phối xác suât được xây dựng từ một hàm tích phân hàm phân phối xác suât / chính hàm phân phôi xác suât Nó là đường biểu

trị tương ứng của hàm y Cho đến nay, người ta chưa chứng minh được bằng lý thuyết là các hiện tượng thủy văn tuân theo dạng đường lý luận nào Do dó, áp dụng một sô dạng đường lý luận như dạng Binominal, Possion, Uniform, Exponential, Normal, Log Normal, Pearson III (hay Gama), Kriskimenken, Sau đó, tùy theo mỗi chuỗi sô liệu thực đo tại những khu vực khác nhau, kiểm tra tính phù hợp thông qua các đặc trưng thủy văn dể lựa chọn dạng đường lý luận phù hợp Đặc điểm của ba dạng phân bô thường gặp được tóm tắt như sau :

Độ lệch chuẩn

b Phân b ố Normal (phân bô chuẩn)

Phân b ố Normal có dạng hàm hình quả chuông cân, còn dược gọi là

không thật phù hợp với các quá trình dòng chảy và quá trình thủy văn, nhưng nó lại dược sử dụng rộng rãi khi đánh giá sai số hoặc sử dụng trong các phép biến đổi trung gian.

(đối với mẫu) Thường người ta hay sử dụng phép biến đổi đơn giản dê dưa phân bố này về dạng hàm phân bô tương ứng với một thông số, băng cách đặt :

c Phân bô'ỈMỊỊ Normal

Thực tê quan trắc cho thây rất nhiều quá trình thủy văn có dạng phân

bô lệch bờ phải Điều này do các nhân tô ảnh hưởng (các hiện tượng tự nhicn) có giới han không âm hoặc bi chăn Lúc đó, các biên và dang phân

bô của chúng không tuân theo qui luật phân bô chuẩn, nhưng hàm logarit

tự nhiên của chúng lại tuân theo qui luật chuẩn Dạng hàm phân bô này

c„ = [ E x p ( ơ ] ) - \ Ỵ (2.40)

c vr - 3 0 , + c

d Phàn bô Pearson IU (PHI)

Pearson III là dạng đặc biệt trong phân bỏ Gama PII1 cùng nhưGama được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực tính toán thống kê và trong thủy văn PI11 đặc biệt phù hợp khi nghiên cứu dòng chảy lũ

Phương trình phân bô xác suât có dạng :

Hình 2.6 : Đường phân bô'Pearson III

Dạng phân bố này có dặc điểm :

- Khoảng biến thiên của biến s ố : X o < X < + 0 0 với X o < 0

- Có sự tập trung giá trị xung quanh xd

- Hàm phân phối không đối xứng qua trục f(x) và bị lệch với độ lệch p

Từ công thức (2.41 ) suy ra :

- Khi c s < 2Cv ta có Xo < 0

- Khi cs > 2CV ta có Xo > 0

(không âm), Cs phải lớn hơn hay bằng 2CV Những điều trên đây áp dụng

suât thay đổi

e Phân bô'Kritxki - Menken

Do đường Pearson III chỉ phù hợp tính chất vật lý của các hiện tượng thủy văn và dòng chảy khi C5 > 2CV, hai ông Kritxki và Menken đã xây dựng mô hình phân phối xác suât với những đặc điểm sau :

thức Cs = mCy

- Đường phân phối xác suât có dạng quả chuông và chỉ có một sô đông

Xuất phát từ qui luật Pearson III khi Cs = 2Cv, hai ông đã xây dựng

dường phân phối xác suât Kritxki - Menken, còn gọi là dường Gama ba thông số Từ qui luật phân phối xác suất, muốn xây dựng đường tần suất,

đã lập sẩn bảng tra Nếu biết tần suất p, Cs, Cv và tỷ sô giữa Cs và Cv, sẽ

i Tính các đặc trưng thủy văn của chuỗi quan trắc Từ kết quả của ví