A chuong 2(phân phối dòng chảy)

1 Sau khi xây dựng kho nước do tác dụng điều tiết của kho nước làm thay đổi quá trình phân phối trong năm hoặc nhiều năm của dòng chảy, khi đó có thể cộng lượng dòng chảy tại trạm vào hồ

Chương 2 Tính toán dòng chảy năm và phân phối dòng chảy

trong năm thiết kế

2.1 Yêu cầu tính toán

Trong tính toán thiết kế công trình cần biết lượng nước đến, dạng phân phối trong năm và sự thay đổi nhiều năm của lượng dòng chảy tại một mặt cắt sông nào đó, tùy từng công trình cụ thể mà có những yêu cầu nội dung khác nhau Thí dụ: hồ điều tiết năm (mùa) yêu cầu lượng dòng chảy năm và phân phối dòng chảy trong năm tại tuyến công trình phù hợp tần suất thiết kế Đối với hồ điều tiết nhiều năm còn cần tìm hiểu

đặc trưng dòng chảy của nhóm năm nhiều nước, nhóm năm ít nước Những công trình dẫn nước, cấp nước hoặc thủy điện không có tính năng điều tiết thì cần biết thời gian duy trì lưu lượng ở một cấp lưu lượng nào đó

2.2 Chỉnh Lý tài liệu dòng chảy cơ bản

1 Bổ sung kéo dài

Chuỗi dòng chảy năm hoặc chuỗi dòng chảy thời khoảng cần đủ tính đại biểu tức

là yêu cầu chuỗi số liệu một chu kỳ hoàn chỉnh gồm những năm nước lớn, nước trung bình và năm ít nước Vì chuỗi số liệu dòng chảy thực đo ở một số sông ngắn hoặc thiếu

đo nên cần phải kéo dài bổ sung Các phương pháp bổ sung kéo dài số liệu hiện nay có:

a Phương pháp tương quan dòng chảy

Lập quan hệ tương quan dòng chảy giữa dòng chảy trạm nghiên cứu với dòng chảy ở các trạm thượng hạ lưu hoặc lưu vực lân cận Điều kiện chọn trạm tham khảo là: 1) Trạm nghiên cứu và trạm tham khảo có cùng thời gian đồng bộ quan trắc dài và trạm tham khảo có số liệu của những năm cần bổ sung hoặc có số liệu dài hơn

2) Quan hệ tương quan tốt

b Phương pháp tương quan mưa - dòng chảy

Lập quan hệ tương quan giữa mưa bình quân lưu vực với dòng chảy để tìm dòng chảy của năm thiếu đo Phương pháp này dùng nhiều cho những lưu vực vừa và nhỏ

Cần kiểm tra tính hợp lý của đường tương quan mưa rào - dòng chảy theo nguyên nhân vật lý, nhất là phần kéo dài

c Phương pháp tương tự thủy văn

Xuất phát từ việc phân tích tính tương tự của điều kiện địa lý và khí hậu của dòng chảy, dùng một số phương pháp tương đối đơn giản để bổ sung kéo dài chuỗi dòng chảy tại mặt cắt thiết kế

1) Phương pháp mượn trực tiếp, khi mặt cắt thiết kế gần với trạm trên hoặc trạm dưới

và nhập lưu khu giữa có tỷ lệ không lớn (nhỏ hơn 5%), có thể sử dụng trực tiếp tài liệu dòng chảy của trạm trên hoặc trạm dưới Thí dụ: tại tuyến thiết kế chỉ có tài liệu mực nước mà không có tài liệu lưu lượng thì có thể lập trực tiếp quan hệ giữa mực nước của trạm thiết kế với lưu lượng của trạm trên hoặc trạm dưới, từ đó tìm

ra lưu lượng ứng với mực nước tương ứng

2) Theo tỷ lệ diện tích Khi mặt cắt thiết kế cách trạm thượng hạ lưu xa hoặc lượng nhập khu giữa lớn có thể tìm lượng dòng chảy của trạm theo công thức hiệu chỉnh sau:

n a

b

F

F

ổ ử

= ỗ ữ

trong đó:

n - chỉ số kinh nghiệm xác định theo tài liệu thực đo của khu vực;

Wa, Wb - lượng dòng chảy của lưu vực thiết kế và lưu vực tương tự;

Fa, Fb - diện tích của lưu vực thiết kế và lưu vực tương tự

2 Tính toán hoàn nguyên

Khi phía trên mặt cắt thiết kế có công trình trữ nước và dẫn nước hoặc đ∙ phát sinh những trường hợp như vỡ đê, vỡ đập và đổi dòng làm thay đổi lượng dòng chảy

tự nhiên hoặc quá trình dòng chảy thì phải tính toán hoàn nguyên để bảo đảm cho tài liệu có tính đồng nhất Tài liệu dòng chảy về nguyên tắc cần hoàn nguyên về trạng thái

tự nhiên sau đó mới phân tích

Phương pháp hoàn nguyên tùy tình hình cụ thể mà chọn, chủ yếu dựa vào nguyên

lý cân bằng nước

1) Sau khi xây dựng kho nước do tác dụng điều tiết của kho nước làm thay đổi quá trình phân phối trong năm hoặc nhiều năm của dòng chảy, khi đó có thể cộng lượng dòng chảy tại trạm vào hồ chứa với lượng dòng chảy khu giữa từ trạm vào

hồ tới tuyến đập để tính lượng dòng chảy tại tuyến đập Nếu không có trạm vào

hồ hoặc tài liệu dòng chảy khu giữa cũng có thể sử dụng lượng nước xả của kho nước và số liệu về trữ nước của kho để tính lượng dòng chảy tại tuyến đập Nếu lượng tổn thất bốc hơi mặt hồ, thấm v.v lớn thì khi hoàn nguyên cần tính thêm các mục này

2) Khi thượng lưu có vỡ đê, phân lũ thì có thể lấy lượng dòng chảy thượng lưu

điểm phân lũ cộng với lượng dòng chảy khu giữa để tìm lượng dòng chảy tại mặt cắt thiết kế

3 Phân tích tính đại biểu

Phân tích tính đại biểu thường tiến hành theo các cách sau:

1) So sánh chuỗi ngắn chuỗi dài: Nếu thượng lưu, hạ lưu hoặc vùng phụ cận có chuỗi dòng chảy dài hơn chuỗi dòng chảy trạm thiết kế thì có thể so sánh các đặc trưng của chuỗi dài và chuỗi ngắn (bằng chuỗi số liệu của trạm thiết kế), phân tích tính

đại biểu của chuỗi ngắn Nếu lưu vực thiết kế có chuỗi mưa dài hơn chuỗi dòng chảy cũng có thể so sánh chuỗi dài, chuỗi ngắn của số liệu mưa để phân tích tính

đại biểu của chuỗi số liệu ngắn Cơ sở của phương pháp này cho rằng chuỗi số liệu dài có tính đại biểu cao hơn

Nội dung của phương pháp là so sánh trị số bình quân của 2 chuỗi ngắn và dài,

tỷ lệ dòng chảy mùa lũ, mùa cạn so với lượng dòng chảy toàn năm và trong chuỗi có năm đặc biệt nhiều nước, đặc biệt ít nước không?

2) So sánh tài liệu đồng bộ với lưu vực lân cận: Đối với lưu vực vừa và nhỏ, nếu trong miền đồng nhất khí hậu có lưu vực nào đó có điều kiện mặt đệm đồng nhất với lưu vực thiết kế, ta có thể so sánh chuỗi dòng chảy đồng bộ của lưu vực thiết

kế với lưu vực tham khảo để xem tình hình thiên lớn hoặc thiên nhỏ của đặc trưng dòng chảy lưu vực thiết kế

3) Điều tra tình hình lũ lịch sử: Thông qua điều tra tình hình lũ, hạn lịch sử của lưu vực thiết kế và lưu vực lân cận; phân tích quy luật xuất hiện năm nhiều nước, năm

ít nước và chu kỳ xuất hiện của chúng để nhận xét tính đại biểu của lưu vực thiết

kế Với hồ chứa điều tiết nhiều năm sự xuất hiện của nhóm năm ít nước và chu kỳ của nó rất quan trọng đối với việc phán đoán tính đại biểu Nếu tài liệu thực đo hoặc có bổ sung kéo dài nhưng vẫn ngắn thì khó có thể phân tích chu kỳ xuất hiện của nhóm năm ít nước, khi đó việc phân tích tài liệu điều tra là rất quan trọng

2.3 Tính toán tần suất dòng chảy năm và thời khoảng

1 Chọn mẫu

Đối với dòng chảy năm thời khoảng là một năm Do có năm lịch và năm thủy lợi nên thời gian bắt đầu và kết thúc năm có khác nhau Năm lịch có thể theo số liệu thủy văn đ∙ chỉnh biên, năm thủy lợi được xác định theo yêu cầu điều tiết dòng chảy (theo khả năng điều tiết của kho nước và nhiệm vụ cấp nước ) Trong thực tế lấy thời gian cuối của tháng cuối thời kỳ cấp nước làm phân giới

Phương pháp chọn mẫu của lượng dòng chảy các thời khoảng trong năm là cố

định thời khoảng (như 1, 3, hoặc 5 tháng) mà không cố định thời gian bắt đầu và kết thúc Hàng năm lấy lượng dòng chảy của thời khoảng kiệt nhất làm mẫu Khi chọn mẫu không xem xét các thời khoảng có bao nhau hay không chỉ chọn mẫu của thời khoảng liên tục kiệt nhất

2 Tính toán tần suất

Trong tính toán dòng chảy năm thiết kế, dạng phân phối Pearson III thường phù hợp hơn vì - 3CVÊ CS Ê 3CV Hơn nữa bài toán tính tần suất thiết kế dòng chảy năm là bài toán nội suy trong chuỗi số thực đo, các dạng đường cho giá trị không sai khác lớn nên thường ít được quan tâm Nếu đường tần suất không thật thích hợp toàn bộ các

điểm tần suất kinh nghiệm thì nên ưu tiên phần tần suất lớn Trong thực tế vì mẫu thường có dung lượng nhỏ người ta chỉ ước lượng trị bình quân và CV, còn CS xác định theo mCV

2.4 Tính toán l-u l-ợng kiệt

Lưu lượng kiệt là lưu lượng kể từ khi dòng chảy mặt giảm nhỏ, dòng chảy ngầm cung cấp cho lượng dòng chảy sông ngòi Trong thiết kế thường quan tâm lưu lượng nhỏ nhất của năm, tháng, thời kỳ kiệt:

1 Phân tích tần suất l-u l-ợng nhỏ nhất

Khi có tài liệu đo đạc liên tục trên 20 năm thì có thể tính toán tần suất chuỗi lưu lượng nhỏ nhất để xác định lưu lượng kiệt ứng với các tần suất thiết kế

1) Chọn mẫu chuỗi lưu lượng nhỏ nhất: Từ bảng lưu lượng bình quân ngày của niên giám thủy văn có thể chọn chuỗi lưu lượng nhỏ nhất năm hoặc nhỏ nhất của một

số tháng làm mẫu thống kê

2) Điều tra lưu lượng nhỏ nhất: Nếu chung quanh có cảng, bến qua sông và nơi lấy nước dễ dàng điều tra được mực nước thấp nhất lịch sử (hoặc độ sâu nhỏ nhất), thì phải cố gắng điều tra để kéo dài tài liệu

Dựa vào kết quả thực đo và điều tra để tính toán tần suất sẽ tìm được lưu lượng nhỏ nhất ứng với tần suất thiết kế

Đường tần suất lý luận chuỗi số lưu lượng nhỏ nhất thường dùng dạng phân bố Pearson III Nhiều sông vùng ven biển miền Trung thường cho hệ số biến đổi của dòng chảy kiệt khá lớn CV³ 0,50 và hệ số không đối xứng thường là dương

2 Các ph-ơng pháp khác để tính l-u l-ợng nhỏ nhất

Tính toán lưu lượng nhỏ nhất còn có các phương pháp khác như: phương pháp công thức kinh nghiệm, phương pháp đường đẳng trị và phương pháp tương tự thủy văn Phương pháp tương tự thủy văn sử dụng trong trường hợp không có số liệu hoặc

số liệu rất ít Để sử dụng tốt phương pháp này cần có tài liệu phân vùng địa chất thủy văn nhằm lựa chọn được lưu vực có điều kiện địa chất thủy văn tương tự, trong đó chú trọng vào diện tích tập trung nước, địa hình, thổ nhưỡng, độ phủ rừng, độ ao hồ tương

tự nhau

2.5 Đ-ờng duy trì l-u l-ợng

Các công trình nhà máy thủy điện điều tiết ngày, các công trình lấy nước, vận tải thủy hạ lưu v.v cần biết số ngày duy trì lưu lượng lớn hơn một giá trị nào đó trong năm là bao nhiêu? khi đó cần vẽ đường duy trì lưu lượng

Đường duy trì lưu lượng được vẽ từ tài liệu thực đo theo cách sau:

Theo bảng lưu lượng bình quân ngày ta chia các số liệu của năm cần nghiên cứu thành một số cấp lưu lượng và xếp từ lớn đến nhỏ là

Q0 ~ Q1, Q1 ~ Q2, ., Qn–1 ~ Qn, thống kê số ngày xuất hiện lưu lượng trong từng cấp t1, t2, , tn, tính số ngày tích lũy của từng cấp lưu lượng

n

i 1

=

sau đó tính số thời gian (%) duy trì lưu lượng bằng hoặc lớn hơn một lưu lượng Qi nào đó

n i

i 1 i

t

365

=

= ồ

Đường quan hệ Qi ~ Pi là đường duy trì lưu lượng bình quân ngày của năm đó (hình 2-1)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

P

Hình 2-1 Đường duy trì lưu lượng bình quân ngày

Có khi phải vẽ đường duy trì lưu lượng của một mùa hoặc của một thời khoảng nhất định, nghĩa là coi số ngày của mùa hoặc của thời khoảng đó là 100% và cũng cách làm như trên ta sẽ được đường duy trì lưu lượng của mùa hoặc thời khoảng

Khi chia cấp lưu lượng cần xét tới yêu cầu sử dụng, thí dụ khi cần tìm công suất bảo đảm của trạm thủy điện từ lưu lượng bảo đảm tra trên đường duy trì lưu lượng vì mức bảo đảm của thủy điện cao nên phần lưu lượng nhỏ cần phân cấp nhỏ hơn phần lưu lượng lớn

Trong trường hợp không có chuỗi lưu lượng bình quân ngày, có thể biểu thị

đường cong duy trì lưu lượng bằng hàm mũ có dạng:

p

trong đó:

Kn - hệ số mođuyn lưu lượng ngày;

Knmax - hệ số mođuyn lưu lượng ngày lớn nhất;

ni n n

n max

n max

n

Q

Q Q K

Q

=

=

(2-3)

Qni - lưu lượng trung bình ngày thứ i;

Qnmax - lưu lượng trung bình ngày lớn nhất trong n năm tính toán;

n

Q - lưu lượng trung bình ngày bình quân n năm;

n min

Q n Q

Qnmin - lưu lượng trung bình ngày nhỏ nhất trong n năm;

n max

n K g

g p *

a

b =

l l

p - tần suất thời gian duy trì lưu lượng ngày

T p 365

T * p*

365

T* - thời gian mùa lũ xác định theo tiêu chí “vượt trung bình”;

T - thời gian duy trì lưu lượng ngày

Qnmax, Q , Qn nmin - được xác định theo các phương pháp tính toán trong trường hợp

2.6 tính phân phối dòng chảy trong năm

Sau khi tìm được lượng dòng chảy (hoặc lưu lượng bình quân) của năm và thời khoảng ứng với tần suất thiết kế W(t) ta sẽ tìm quá trình phân phối dòng chảy trong năm thiết kế Quá trình phân phối dòng chảy trong năm thiết kế thường thu phóng theo dạng của năm điển hình chọn từ trong chuỗi số liệu thực đo

1 Nguyên tắc chọn quá trình phân phối năm điển hình

1) Năm có tài liệu đáng tin cậy

2) Lượng dòng chảy năm và thời khoảng của điển hình xấp xỉ lượng dòng chảy thiết

kế tương ứng

3) Dạng phân phối bất lợi đối với công trình, thí dụ thời kỳ kiệt dài, phân phối trong thời kỳ kiệt không đều

2 Ph-ơng pháp thu phóng

Thường dùng hai phương pháp sau:

1) Phương pháp cùng tỷ số Tùy theo tính chất và yêu cầu của công trình như vận tải thủy, điều tiết khống chế Q(t) - lưu lượng trung bình của một thời khoảng nào

đó, lấy tỷ số giữa trị số thiết kế Q(t) với trị số điển hình p Q(t) thu phóng quá d trình điển hình ta được quá trình phân phối thiết kế:

p

d

Q(t)

Q(t)

trong đó:

Qi,d - lưu lượng bình quân của thời khoảng i của quá trình điển hình;

Qi,p - lưu lượng bình quân của thời khoảng i của quá trình thiết kế

2) Phương pháp cùng tần suất Trong thiết kế công trình nhiều khi tính toán thủy lợi với các phương án khác nhau thường yêu cầu phân phối trong năm của các thời khoảng đều phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế Khi đó có thể dùng phương pháp thu phóng theo nhiều tỷ số khống chế các thời khoảng trong năm cùng tần suất để tìm phân phối dòng chảy trong năm thiết kế Thí dụ yêu cầu lượng dòng chảy 3 tháng,

5 tháng và cả năm đều phù hợp với tần suất thiết kế p, khi đó tỷ lệ thu phóng của các thời khoảng là:

3 tháng nhỏ nhất:

(3)p (3)

(3)d

W K

W

2 tháng trong 5 tháng nhỏ nhất:

(5 3)

K

-=

7 tháng còn lại:

(12 5)

K

-=

trong đó:

Thí dụ tính toán:

Tính toán phân phối dòng chảy năm thiết kế tại tuyến đập BĐ trên sông Srepok Sau khi phân tích chọn năm 1977 á 1978 làm năm đại biểu kiệt (p = 85%) thu phóng theo phương pháp cùng tỉ số và phương pháp cùng tần suất (khống chế tần suất 3 thời khoảng 3, 5, 12 tháng, W(3)p = 143 m3/s.tháng, W(5)p = 291 m3/s.tháng,

W(12)p = 2044 m3/s.tháng) ghi ở bảng (2-1) Mùa lũ từ tháng VII đến tháng XII Mùa kiệt từ tháng I đến tháng VI hàng năm

Sau khi thu phóng theo phương pháp cùng tần suất, kiểm tra lại xem lượng dòng chảy của thời khoảng khống chế có phù hợp với trị số thiết kế không? Nếu phát hiện thấy lượng dòng chảy của 5 tháng nhỏ nhất không phù hợp do thời gian bắt đầu và kết thúc của 5 tháng nhỏ nhất không đồng nhất thì cần phải hiệu chỉnh Cách hiệu chỉnh là cộng thêm hay bớt đi lượng nước tháng đầu hay cuối của 5 tháng nhỏ nhất làm sao tạo thời khoảng 5 tháng nhỏ nhất của năm thiết kế trùng với 5 tháng nhỏ nhất năm điển hình Lượng nước thêm vào hay bớt đi đó được bớt đi hay thêm vào một tháng nào đó trong 7 tháng còn lại sao cho tổng lượng nước 12 tháng không đổi Phần hiệu chỉnh

được ghi vào hàng cuối cùng trong bảng 2-1 (mục "sau hiệu chỉnh")

Bảng 2-1 Phân phối lượng dòng chảy tháng trong năm kiệt

Lưu lượng nước các tháng (m 3 /s) Lượng dòng chảy thời khoảng (m3 /s.tháng)

Tháng VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI tháng 12 tháng 5 tháng 3

Năm

điển

hình

(77-78)

Lưu

lượng

nước

1946,3

I-V 317,3

II-IV 141,3

Lưu lượng nước các tháng (m 3 /s) Lượng dòng chảy thời khoảng (m3 /s.tháng)

Tháng VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI tháng 12 tháng 5 tháng 3

Năm

thiết kế

p = 85%

Phương

pháp

cùng

tỉ số

Lưu

lượng

nước

2044

I-V 333,2

II-IV 148,4

Lưu

lượng

nước 154,9 150,6 553,1 413,2 241,0 120,5 63,8 54,1 45,1 43,4 84,0 119,4

VII-VI

2044

I-V

291

II-IV

143

Năm

thiết kế

p = 85%

Phương

pháp

cùng

tần suất Sau hiệu

chỉnh

2.7 -ớc tính dòng chảy năm khi thiếu tài liệu đo đạc

Trường hợp lưu vực thiếu tài liệu đo đạc dòng chảy mà cần nghiên cứu sơ bộ hay quy hoạch thì có thể sử dụng bản đồ đẳng trị dòng chảy năm

ở nước ta, các tỉnh, các vùng hầu hết đ∙ vẽ bản đồ đẳng trị dòng chảy năm trong các cuốn “Đặc điểm thủy văn Tỉnh ” hay tập Atlat tỉnh (Daklak) thành phố (Hà Nội), Atlat quốc gia, Chương trình nghiên cứu KC12 Có thể chia chúng thành 2 loại: một là

đường đẳng trị các thông số thống kê của dòng chảy năm như trị bình quân dòng chảy năm (thường biểu thị độ sâu dòng chảy y0 hay moduyn dòng chảy M0 (l/skm2), hệ số biến đổi CV, còn CS/CV thì phân khu; một dạng khác là vẽ đường đẳng trị dòng chảy năm theo tần suất thiết kế (p = 10, 20, 50, 75, 90% ) Để thỏa m∙n yêu cầu thiết kế của các công trình thủy lợi - thủy điện, các tỉnh, các cơ quan nghiên cứu và sản xuất đ∙ vẽ các bản đồ đẳng trị của các đặc trưng thủy văn với các thời khoảng khác nhau như lượng dòng chảy năm, mùa lũ, mùa cạn, 1, 3, 5 tháng nhỏ nhất

1 Các b-ớc và ph-ơng pháp sử dụng đ-ờng đẳng trị tính toán l-ợng dòng chảy năm

1) Theo yêu cầu của công trình, xác định thời khoảng t và tần suất thiết kế p Từ vị trí và hình dạng của lưu vực thiết kế, xác định trọng tâm của lưu vực Tìm trọng tâm của lưu vực có thể bằng phương pháp đơn giản là từ các hướng khác nhau vẽ các đường cắt lưu vực thành 2 phần diện tích bằng nhau, giao điểm của các đường

đó chính là vị trí cần tìm

2) Tra bản đồ đẳng trị Từ các tần suất đ∙ cho tra trực tiếp trên đường đẳng trị dòng chảy năm ta được trị số thiết kế hoặc tra các thông số thống kê trên bản đồ đẳng trị tương ứng sau đó tính được các giá trị thiết kế

Khi tra đường đẳng trị, nếu lưu vực nhỏ và đường đẳng trị phân bố đều trên lưu vực có thể xác định trực tiếp từ đường đẳng trị đi qua trọng tâm lưu vực, hoặc nội suy từ hai đường đẳng trị chạy sát trọng tâm lưu vực Nếu lưu vực lớn hoặc đường đẳng trị phân bố không đều thì phải dùng phương pháp bình quân có trọng số để tính đặc trưng thiết kế từ các diện tích bộ phận

( 1 2) 1 ( 2 3) 2 ( n 1 n) n 1

trong đó:

F - diện tích lưu vực;

f1, f2, , fn-1 - diện tích bộ phận kẹp giữa 2 đường đẳng trị

2 Chú ý khi dùng đ-ờng đẳng trị

1) Khi sử dụng đường đẳng trị cần tìm hiểu phương pháp vẽ chúng và số liệu sử dụng khi vẽ, nếu có một vài bản đồ đẳng trị với ngày vẽ khác nhau thì nên chọn bản đồ có ngày vẽ gần nhất

2) Khi lưu vực không khép kín hoặc có điều kiện địa chất đặc biệt thì không nên sử dụng bản đồ đẳng trị

mi+3

m1

m2

m3

mi

mi+1

mi+2

m1

m2

m3

mi

mi+1

mi+2

f1

C

C

Hình 2-2 Xác định đặc trưng m theo bản đồ đường đẳng trị m