Bài tập lớn môn thủy văn công trình

Bài tập lớn môn học thủy văn công trình dùng tham khảo cho sinh viên các trường Đại học Xây dựng và Đại học Thủy lợi Bài tập mẫu đã phân tích, tính toán và nhận xét một cách cụ thể Bài tập lớn môn học thủy văn công trình dùng tham khảo cho sinh viên các trường Đại học Xây dựng và Đại học Thủy lợi Bài tập mẫu đã phân tích, tính toán và nhận xét một cách cụ thể Bài tập lớn môn học thủy văn công trình dùng tham khảo cho sinh viên các trường Đại học Xây dựng và Đại học Thủy lợi Bài tập mẫu đã phân tích, tính toán và nhận xét một cách cụ thể Bài tập lớn môn học thủy văn công trình dùng tham khảo cho sinh viên các trường Đại học Xây dựng và Đại học Thủy lợi Bài tập mẫu đã phân tích, tính toán và nhận xét một cách cụ thể Bài tập lớn môn học thủy văn công trình dùng tham khảo cho sinh viên các trường Đại học Xây dựng và Đại học Thủy lợi Bài tập mẫu đã phân tích, tính toán và nhận xét một cách cụ thể Bài tập lớn môn học thủy văn công trình dùng tham khảo cho sinh viên các trường Đại học Xây dựng và Đại học Thủy lợi Bài tập mẫu đã phân tích, tính toán và nhận xét một cách cụ thể Bài tập lớn môn học thủy văn công trình dùng tham khảo cho sinh viên các trường Đại học Xây dựng và Đại học Thủy lợi Bài tập mẫu đã phân tích, tính toán và nhận xét một cách cụ thể

BÀI TẬP LỚN MÔN THỦY VĂN CÔNG TRÌNH

I Giới thiệu chung:

1 Giới thiệu chung sông ngòi Việt Nam

Sông là dòng nước lưu lượng lớn thường xuyên chảy, có nguồn cung chủ yếu là từ hồnước, từ các con suối hay khe núi hay từ các con sông nhỏ hơn nơi có độ cao hơn cácnguồn nước có được do nước mưa trong phạm vi lưu vực của S và chảy trong lòng S.Thông thường, sông được chia làm 2 loại là sông chính và sông nhánh (hay nhánh sông) Tuỳ thuộc vào điều kiện hình thành chế độ nước, S được phân ra S đồng bằng, S miềnnúi, S đầm lầy, S cacxtơ; tuỳ thuộc vào kích thước, phân biệt ra S lớn, S nhỏ và S trungbình

- S chính: S có độ dài lớn nhất hay diện tích lưu vực lớn nhất hoặc có lượng nước lớnnhất Ngoài ra, S chính còn do lịch sử, tập quán xã hội Vd Sông Thao là S chính củaSông Hồng, Thu Bồn - S chính của hệ thống sông Thu Bồn (do tập quán, lịch sử), TảTrạch - S chính của Sông Hương (có lượng nước lớn nhất và chảy qua cố đô Huế)

- S nhánh (S nhỏ chảy vào S chính): các S chảy vào S chính gọi là S nhánh cấp I; các Schảy vào S nhánh cấp I gọi là S nhánh cấp II, vv Ở Việt Nam, thống kê có 2.864 S, độdài lớn hơn hoặc bằng 10 km (không kể kênh, rạch ở đồng bằng) với 134 S chính, 749 Snhánh cấp I, 1.039 S nhánh cấp II, 661 S nhánh cấp III, 196 S nhánh cấp IV, 33 S nhánhcấp V, 7 S nhánh cấp VI

- S di động: loại S rất rộng có nhiều bãi nổi chia S thành nhiều nhánh Các nhánh nàythường tương đối nông so với các loại hình S khác và rất dễ biến động Hàng năm, nhánhnày có thể bị cạn dần và biến mất, trong khi nhánh khác có thể bị xói sâu và trở thànhnhánh chính, do có tính biến động lớn nên thường gọi là S di động Những đoạn S thuộcloại này thường gây trở ngại lớn cho giao thông thuỷ và thoát lũ Trên chiều dài một con

S, có thể đoạn này thuộc loại hình S di động nhưng đoạn kia lại thuộc loại hình khác.Loại hình S di động thường gặp trên sông Amuđaria (Amudar’ja, Trung Á) và sôngDương Tử (Trung Quốc) là những S mang nhiều bùn cát và lòng dẫn dễ bị xói lở Ở MiềnBắc Việt Nam, những S lớn do được khai thác từ lâu đời (hiện tượng rõ nhất là tuyến đêdọc theo triền S lớn) tuyến S phần nào bị con người khống chế nên thường ít gặp loại

hình S di động.

2 Giới thiệu về thủy văn

Đối với mỗi quốc gia thì sông ngòi cũng tựa như đất đai, dầu mỏ, rừng và biển… là

nguồn tài nguyên vô cũng qúy báu như tài nguyên Việc khai thác sông ngòi như nguồnnước thủy điện, giao thông là rất quan trọng Đối với việc xây dựng công trình trên cácsông sẽ làm thay đổi chế độ thủy văn của sông phía thượng lưu và hạ lưu: ngập lụt sạt lở

ở phía thượng lưu, chế độ dòng chảy dòng chảy ngầm ở phía thưởng lưu sẽ bị thay đổi Ở

hạ lưu các công trình lòng sông sẽ bị sói mòn mạnh, chế độ nước sẽ điều hòa hơn hay bất

ổn hơn phụ thuộc vào phương thức dùng nước Trong tính toán và phân tích thủy văn cần

dự báo được các hậu quả đó để tìm cách khắc phục Trong chế độ XHCN của chúng tanền kinh tế được phát triển một cách kế hoạch và toàn diện… Việc khai thác sông ngòicũng được đề ra với phương châm lợi dụng tổng hợp, có nghĩa là nguồn nước phải đượckhai thác cho nhiều ngành, nhiều mặt khác nhau Do đó nhiệm vụ của thủy văn công trình

là phải cung cấp các kiến thức phương pháp để nghiên cứu một cách sâu sắc và toàn điệnnhất các yếu tố về tình hình dòng sông lưu lượng nước lũ hàng năm, trên cơ sở đó giảiquyết một cách chắc chắn và hiệu quả những vấn đề phức tạp Trong khuân khổ của bàitập lớn thủy văn công trình thì ta giải quyết 3 bài toán: Dòng chảy năm, dòng chảy nămthiết kế, phân phối dòng chảy năm.

2 Giới thiệu về sông nầm bum:

Sông nậm bum có diện tích 155Km2 Khí hậu mang đặc điểm của vùngnhiệt đới núi cao Tây Bắc, ít chịu anh hưởng của bão, thời tiết quanh năm chia thành 2 mùa rõ rệt: mùa đông lạnh, mưa ít và hạ nóng ẩm, mưa nhiều Theo số liệu quan trắc trong nhiều năm của trạm khí tượng huyện Mường Tè và các lân cận cho thấy:

Lượng mưa trung bình năm là 2.531mm, tháng 7 chiếm 87,5% lượng mưa cả năm

- Chế độ nhiệt:

Vùng núi cao nhiệt độ TB 15 độ C Núi trung bình nhiệt độ bình quân đạt 20oC, vùng thấp 23oC Nhiệt độ bình quân hàng năm là 22,4oC

- Chế độ gió:

Từ tháng 3 – tháng 7 thường có gió mùa Tây Nam, gió mùa Đông Nam thổi mạnh

từ tháng 4 – tháng 10, gió mùa Đông Bắc xuất hiện từ tháng 11 – tháng 3

Mùa khô sông suối thường cạn kiệt, mùa mưa có lũ lụt gây sói mòn mạnh, khả năng sử dụng nước vào sản xuất bị hạn chế, giao thông đi lại khó khăn

thuyết nói là địa danh nguyên gọi là "Bến Hói" "Hói" là tiếng địa phương nghĩa là dòngsông nhỏ Vì vậy "Bến Hải" là đọc trại từ "Bến Hói".

Sau đây, tôi xin phân tích một số nội dung và đưa ra thiết kế với các thông số

như lưu lượng trung bình năm (số liệu đã cho sẵn) lưu lượng trung bình của tháng cũngnhư phân phối dòng chảy năm.Nội dung như sau:

II Các bài toán về thủy văn công trình

1 Bài số 1: Dòng chảy năm

1.1 Khái niệm chung

Dòng chảy năm phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau và thay đổi từ năm này quanăm khác Sự thay đổi này từ trước tới nay đã được rất nhiều người nghiên cứu

- Hướng thứ nhất trong việc nghiên cứu sự thay đổi của dòng chảy hàng năm nhằm khảosát tính chất chu kỳ của sự thay đổi đó và nhiều quan hệ giữa sự thay đổi của mặt trờicủa khí quyển

Có nhiều nghiên cứu đã tìm ra tính chất của sự thay đổi dòng chảy như:

Snit E.v Opocop đã nghiên cứu sự thay đổi của dòng chảy sông đơn kép từ năm từ năm

1876 đến 1908 và phát hiện tính chất đồng bộ của sự thay đổi dòng chảy năm và sự thayđổi đặc trưng khí hậu của dòng chảy này…

- Hướng thứ hai trong việc nghiên cứu sự thay đổi dòng chảy năm là xét sự thay đổi nàydưới dạng một quá trình ngẫu nhiên Trong thực tế dòng chảy có xu hướng họp thànhtừng nhóm năm nhiều nước năm, ít nước

- Hướng thứ 3 là xem dòng chảy như 1 đại lượng ngẫu nhiên phụ thuộc và hàng loạt nhân

tố ảnh hưởng và có thể khảo sát bằng phương pháp thống kê thông thường

Cơ sở của việc ứng dụng phương pháp thống kê vào tính toán dòng chảy là định hướnggiới hạn của viện sĩ hàn lâm A.M.Liapunop đề xuất, sau đó A.A Maccop , S.N Baytophát triển và thấy rằng định lyws giới hạn cũng có thể ứng dụng đối với hiện tượng ítnhiều phụ thuộc vào nhau, hoặc họp thành từng nhóm năm cùng tính chất lý thuyết xácsuất và phương pháp thống kê vẫn có thể áp dụng một cách thích hợp

Khi thiết kế một công trình thủy lợi thường yêu cầu phải xác định lượng dòng chảy nămứng với tần xuất thiết kế nào đó để đảm bảo hoạt động bình thường của công trình yêucầu này chỉ có thể giải quyết bằng phương pháp thống kê và tính toán tần suất

Tính lượng dòng chảy bình quân nhiều năm của trạm Gia Vong trên sông Bến Hải khi

TT Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Bảng 1: Lưu lượng trung bình tháng

B/ Yêu cầu tính toán

Tính lượng dòng chảy bình quân năm (Q o, W o, M o, y o  ?) của sông Bến Hải, tại

trạm

Gia Vong, thể hiện lưu lượng, tổng lượng, mô dun, độ sâu nước và sai số

Lời giải 1.1 Chuỗi số liệu lưu lượng nước bình quân năm (bảng 2)

Sông: Bến Hải

Trạm: Gia Vong

F = 54 km2

Thời kỳ quan trắc: 1977-1998

Bảng 2 Lưu lượng nước bình quân trong năm

a Chuẩn dòng chảy bình quân nhiều năm Q n (m s

3

) là lượng ước tính bằng m3,chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực trong 1 đơn vị thời gian (giây), lấy trong nhiều năm Lưu lượng bình quân nhiều năm Q n được xác định :

Trong đó n: là số năm quan trắc

Q i: lưu lượng nước bình quân từng năm

Số năm quan trắc n =22 này bao gồm được những thời kỳ nhiều nước và ít nước và thời

kỳ nước trung bình Trong thực tế thì số năm quan trắc có hạn nên trị số Q n tính theo

công thức (1) thường trênh lệch với giá trị của dòng chảy chuẩn Q0 một đại lượng là

 : Sai số quân phương tính bằng Q0 trung bình trong n năm

Theo lý thuyết sai số đại lượng Q n tính theo công thức:

Để tính toán (xác định mức độ chính xác) trong việc tính lượng dòng chảy ta biểu thị sai

số đưới đạng tương đối và thính theo phần trăm:

) 1 ( 2

l )

Modun dòng dòng chảy là lượng nước tính bằng lít chảy trên một giây từ một km2 điện tích lưu vực (có thể hiểu modun dòng chảy là sản lượng nước của mỗi km2 diện tích lưu vực), được xác định theo công thức:

Trong đó F = 54km2 - diện tích lưu vực của sông Lô

Lưu ý lấy Q0 =Q n (không lấy phần sai số Q n )

.

= 271.31( 2

km s

l )

c Tổng lượng dòng chảy bình quân nhiều năm W0 (km3/năm)

của một lưu vực là thể tích lượng nước chảy từ lưu vực quan mặt cắt tính toán trong 1 năm

d Độ sâu dòng chảy (độ sâu nước) trung bình nhiều năm Y0 là độ sâu lớp nước nếu

toàn bộ tổng dòng chảy trong 1 năm được dải đều toàn bộ diện tích của lưu vực

Độ sâu dòng chảy trong 1 khoảng thời gian bất kỳ có thể tính theo công thức:

Trong đó Q T = lưu lượng bình quân trong 1 tháng (m3/s)

T = số giây trong 1 tháng = số ngày trong 1 tháng x 86400

10 = 8555.97 (mm/năm)

 Một số chú ý và nhận xét:

- Dòng chảy chuẩn của một lưu vực là trị số trung bình nhiều năm đã tiến tới ổn định Đây là đặc trung quan trong nói lên khả năng tiềm tang của nguồn nước trong một lưu vực

- Tính ổn định của dòng chảy chuẩn phụ thuộc vào các yếu tố như khí hậu, địa chất, thổ nhưỡng trên lưu vực và nó không phải là bất biến trong thời gian nhiều năm Các hoạt động của con người trên măt lưu vưc như trông rừng, khai hoang, xây dựng công trình thủy lợi làm thay đổi nhanh chóng bộ mặt lưu vực sẽ làm cho trị số dòng chảy chuẩn thayđổi

1.2 Bảng tổng kết tính chuẩn dòng chảy trong 22 năm (1977-1998) của sông Bến Hải trạm Gia Vong như bảng trang bên (bảng 3)

Trường: Đại học Xây Dựng Bài tập lớn môn thủy văn

số 16 TÍNH CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM (22 năm)

Trạm: Gia Vong Sông Bến Hải F=54km2 Thời kỳ: 1977-1998

Trường: Đại học Xây Dựng Bài tập lớn môn thủy văn

2 Bài số 2: Dòng chảy năm thiết kế

Yêu cầu tính toán

1.1 Xây dựng đường tần xuất kinh nghiệm

1.2 Tính toán thông số thống kê của chuỗi quan trắc và sai số xác định chúng, gồm:

a Lưu lượng bình quân nhiều năm

b Hệ số phân tán Cv

c hệ số thiên lệch Cs

1.3 Tính tung độ đường tần suất lý luận

1.4 Dùng phương pháp thích hợp, dựng đường tần suất lý luận phù hợp, trên cơ sơ đó xác định lượng dòng chảy thiết kế và các tần xuất p=1, 5, 10, 95 và 99,9 %

B/ Tính toán

1.1 Xây dựng đường tần xuất kinh nghiệm

Các dao động của dòng chảy năm theo thời gian chịu ảnh hưởng tác động của nhiều yếu

tố khác nhau, vì vậy khi nghiên cứu các dao dộng này cần sử dụng các phương phápthống kê toán học nếu số quan trắc đủ dài, lượng dòng chảy năm thiết kế được xác địnhtheo đường tần suất

Tuần suất phản ứng với một trị số dòng chảy năm nào đó là tỷ số giữa tổng số năm, mànhững năm đó dòng chảy bình quân năm sẽ được đo bằng hoặc lớn hơn giá trị nói trên,chia cho tổng số năm quan trắc, tần số này được thể hiện bằng phần trăm hoặc đơn vị.Đường tần suất cho ta tần suất tính lũy tính theo phần của 1 đại lượng thủy văn nào đótrong toàn bộ dãy số khi tính toán các thông số đường tần suất, các giá trị thủy văn xemnhư một dãy thống kê, và được sắp xếp thành dãy giảm dần

Đường tần xuất trên xây dựng đưới dạng kinh nghiệm (dựa trên lý thuyết xác suất thốngkê)

a Tính tần suất xuất hiện của các điểm tần suất kinh nghiệm Đường tần suất kinhnghiệm của dòng chảy năm được dựng theo tần suất tích lũy p% của các điểm kinhnghiệm, tính cho các số hạng của dãy số liệu của các giá trị dòng chảy năm theo côngthức số giữa của Chegodaep:

m = Số thứ tự của các số hạng trong chuỗi số liệu đã được xếp thành dãy giảm dần

n = Tổng số số hạnh trong dãy số liệu

K57MNE

Trường: Đại học Xây Dựng Bài tập lớn môn thủy văn

Trong bảng 4 (trang sau) lưu lượng bình quân hàng năm Qi được xếp theo thứ tự giảmdần, ngoài ra nếu trong thời gian quan trắc có 2 hay nhiều giá trị lưu lượng ngẫu nhiênbằng nhau , thì chọn dãy giảm dần được xếp lien tiếp nhau, để tổng số số hạng cảu dãygiảm dần được xếp theo thời gian

B ng 4: B ng tính các thông s c a đ ảng 4: Bảng tính các thông số của đường tần số theo pp mô men ảng 4: Bảng tính các thông số của đường tần số theo pp mô men ố của đường tần số theo pp mô men ủa đường tần số theo pp mô men ường tần số theo pp mô men ng t n s theo pp mô men ần số theo pp mô men ố của đường tần số theo pp mô men

Cách vẽ đường tần suất kinh nghiệm

Trên giấy đặc biệt của giấy xác suất trục tung là trục của biến ngẫu nhiên, ở đây là trị sốcủa dòng chảy năm vẽ theo tỷ lệ và trục hoành là tần xuất tính bằng phần trăm của biếnngẫu nhiên Trên trục tung các số đánh số nhỏ nhất cần nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất của lưulượng trong dãy số tức là phải lấy nhỏ hơn giá trị Q = 24.15 m3/s và giá trị lấy số lớn

K57MNE

Trường: Đại học Xây Dựng Bài tập lớn môn thủy văn

nhất cần lấy lớn hơn giá trị trong dãy số tức là Q= 9.05 m3/s Theo các giá trị của Pi và

Qi % từ bảng 4 ta chấm các điểm tần suất kinh nghiệm

2 Tính các thông số của đường tần suất lý luận và sai số xác định chúng:

Đường tần suất lý luận được sử dụng để nắn và kéo dài đường tần xuất kinh nghiệm Cácthông số đường tần suất lý luận là: Dòng chảy bình quân nhiều năm Qn, hệ số phân tán

Cv và hệ số không đối xứng Cs Có nhiều phương pháp tính Cv và Cs nhưng ở đây ta sửdụng phương pháp mômen

Trong đó Cv được tính ở phần tiếp theo

=> Nhận xét: Khi số năm quan trắc giảm thì lượng dòng chảy bình quân nhiều năm giảmxuống và tương ứng sai số xác định nó tăng lên sự phân tán của đại lượng ngẫu nhiêntheo thời gian

- hệ số mô đun dòng chảy năm

Để tính C v trong bảng 4 ta tiến hành tính toán các giá trị k i, k i  1, (k i  1 ) 2, (k i  1 ) 3Giá trị (k i  1 ) 3 đùng để tính Cs

Sai số tương đối Cv tính theo công thức của Kritski – Melken:

Sai số  'c v được tính ra như bảng => dãy số liệu tương đối

Nhận xét: Sai số khi tính Cv dòng chảy năm phụ thuộc vào bản thân trị số đó và số năm

có tài liệu đo đạc dòng chảy

- Ưu điểm khi dùng hệ số phân tán Cv là nó khắc phục được nhược điểm của khoảng lệchquân phương  đó

sánh mức độ phân tán giữa các liệt có các thứ nguyên khác nhau

K57MNE

Trường: Đại học Xây Dựng Bài tập lớn môn thủy văn

+ Với hai liệt có số bình phương khác nhau thì có thể dùng Cv để so sánh mức độ phântán

- Nhược điểm của Cv là chưa khái quát hết hình dạng của đường phân bố mật độ tần xuất

c Hệ số không đối xứng của Sc: Là đặc trưng phản ánh hình dạng của đường phân bốmật độ tần suất về phía bên phải hay bên trái giá trị bình quân

Khi dãy số liệu đủ dài ta dùng công thức gần đúng:

3 1

C

C C n

Nhận xét: Sai số Sc phụ thuộc vào sai số tương đối Cv của liệt Nhìn vào công thức Sc ở

trên ta thấy nhận xét rằng

Sc mũ của khoảng lệch i k i  1là bậc 3 vì vậy sai số của icũng lớn lên lập phươnglần

3 Tính tung độ của đường tuần suất lý luận

Để dựng đường tần suất lý luận nào đó ta làm theo các bước sau:

ta dùng dạng phân bố Pearson III

- Vào bảng phụ lục “hệ số modun Kp”p của đường đường tần suất lý luận tương ứng vừachọn với Cv và m, tính nội suy tung độ của đường tần suất lý luận tương ứng với giá trịtần xuất p theo công thức Q p k p.Q n

- Cuối cùng chấm điểm tần suất lý luận (TSLL) lên giây xác suất và vẽ 1 đường congtrơn đi qua các điểm tần suất lý luận đó, kẻ dài tới hết tờ giấy, ta đường đường tần suất lýluận

- Ký hiệu các đường TSLL và TSTN như sau:

TSKN (.), TSLL(x)

4 Dựng đường tần suất lý luận phù hợp và xác định lượng dòng chảy năm thiết kế:

K57MNE

Trường: Đại học Xây Dựng Bài tập lớn môn thủy văn

Nội dung chính của phương pháp thích hợp hay còn gọi là thử dần trên cơ sở các điểm

TSKN (dựa vào các tham số Sc, Cv, x tính từ chuỗi số liệu lên cùng tờ giấy đó, sau đó

vẽ nhiều đường TSLL khác bằng cách kiểm tra bằng mắt so sánh sự phù hợp của đường

TSLL vẽ ra với xu thế phân bố của các đường tần suất kinh nghiệm làm nền, nếu chưa

phù hợp thì vẽ ra đường TSLL khác bằng cách thay đổi tham số kiểm tra tới khi đường

TXLL vẽ ra đi xuyên qua “đám mây” các điểm TSKN, cụ thể là trên từng đoạn của

đường này, nếu điểm kinh nghiệm nằm bên bên trái và bên đường phải đường xấp xỉ

bằng nhau, đầu trên đường cong đi qua gần sát các điểm kinh nghiệm có giá trị đầu trên

và đầu dưới đi sát các điểm kinh nghiệm có giá trị nhỏ

- Thay đổi Sc thực hiện qua việc thay đổi giá trị m(1-6) rồi tính Sc=mCv Kế đến vào phụ

lục kp phụ thuộc vào Cv, Sc và p => Tra ra kp tương ứng với kp tương ứng với giá trị Pi

nội suy

Tính Q  Pi k Pi Q nrồi chấm tọa độ điểm (Q , Pi p i) lên cùng tờ giấy xác suất đã có các điểm

tần suất kinh nghiệm, vẽ đường tần suất lý luận tại các điểm tọa độ nói trên

- Thay đổi giá trị Sc sẽ làm thay đổi đường cong của TSLL

- Thay đổi Cv thực hiện qua việc chọn 1 giá trị Cv khác tức khi tra bảng phụ lục Thay

đổi Cv làm thay đổi độ dốc của đường TSLL

- Thay đổi giá trị trung bình tức là nhân hệ số modun k pvới trị số TB khác với trị số

trung bình đã sử dụng kết quả của đường tần suất lý luận mới sẽ được tịnh tiến theo chiều

thẳng đứng lên hoặc xuống so với đường cũ

=> Nhận xét Phương pháp đường thích hợp có ưu nhược điểm

- Ưu điểm: Các bước tính toán không phức tạp, về khái niệm là “lấy thực tiễn làm chuẩn

để kiểm tra lý luận ”

- Nhược điểm Phụ thuộc vào thái độ chủ quan của người tính toán

Nội suy đường tần suất lý luận P-III dòng chảy năm 1977-1998 trạm Gia Vong sông

Bến Hải.

Bảng nội suy đường đường tần suất lý luận PIII cho dòng chảy năm

Trạm Gia Vong Sông Bến Hải thời kỳ 1977-1998

K57MNE

Trường: Đại học Xây Dựng Bài tập lớn môn thủy văn

K57MNE