Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi đông bắc việt nam tt

B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O TR B NỌNG NGHI P VÀ PTNT NG Đ I H C TH Y L I DOÃN TH N I NGHIÊNăC UăS ăBI NăĐ NGăC AăM AăLǛ VÀăĐ ăXU Tă C ăS ăKHOAăH CăTệNHăLǛăCHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNGăNÚIăĐỌNGăB CậVI TăNAM Chuyên ngành: Th yăvĕnăh c Mƣăsốăchuyên ngành: 62-44-02-24 TịM T T LU N ÁN TIẾN SĨ KỸ THU T HÀăN I, NĔMă2016 Côngătrìnhăđ ợcăhoƠnăthƠnhătạiăTr ng Đ i h c Th y l i Ng iăh ớngădẫnăkhoaăh că1: PGS.TS Ngô Lê Long Ng iăh ớngădẫnăkhoaăh că2: PGS.TS Hoàng Thanh Tùng Ph năbi nă1:ăGS.TS Trần Th c, Vi năKHKTV&BĐKH Ph năbi nă2:ăPGS.TS Trần Đình Nghiên,ăChuyênăgiaăđ căl p Ph năbi nă3:ăTS Nguy n L p Dân,ăVi năĐ aăLỦ,ăVi năHàn Lâm KHVN Lu năánăs ăđ ợcăb oăv ătr ớcăH iăđồngăch mălu năánăh pătại………… -vào lúc gi ăăăăăăăăngƠyăăă tháng nĕm Cóăthểătìmăhiểuălu năánătạiăth ăvi n: - Th ăvi n Quốc gia - Th ăvi năTr ngăĐại h c Th y lợi M Đ U Tính c p thi t c a đ tài Giao thông huyết m ch quốc gia, muốn phát triển đất nước cần ph i hoàn thiện đ i hệ thống giao thông Hàng năm, nhà nước đầu tư nhiều kinh phí cho đầu tư xây mới, nâng cấp m rộng hệ thống giao thông để đ m b o giao thương kinh tế văn hóa vùng c nước quốc tế Với 2/3 diện tích địa hình đồi núi, đư ng miền núi chiếm 70% tổng km chiều dài đư ng c nước Đư ng miền núi chủ yếu thuộc lo i cấp III-V, h ng mục công trình thoát nước (cầu, cống, rãnh) chưa trọng thiết kế xây dựng, tính toán thủy văn, thủy lực h n chế Dưới nh hư ng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với chế độ mưa lũ khắc nghiệt, mức độ ngày tăng làm cho công trình giao thông bị hư hỏng nặng nề Một nguyên nhân gây tác động đáng kể tới độ bền vững công trình gây s t l ta luy dương, âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ…thì tác động mưa, lũ việc tính toán lũ thiết kế chưa chưa phù hợp nguyên nhân Trong TCVN 9845:2013 (viết dựa s QP.TL C-6-77) giới thiệu số phương pháp tính lũ thiết kế từ mưa như: Cư ng độ giới h n, Xokolopxky có nguồn gốc tác gi chưa phù hợp với điều kiện Việt iên Xô (cũ), có nhiều thông số am, khó xác định, áp dụng vào tính toán kết qu tính chưa phù hợp với thực tế d n tới kh u độ công trình thoát nước chưa đáp ứng yêu cầu Việc thiếu tài liệu quan trắc mưa dòng ch y, đặc biệt tài liệu quan trắc th i đo n ngắn gây khó khăn tính toán lũ thiết kế cho công trình Với tất c lí trên, luận án“Nghiên cứu biến động mưa lũ đề xuất sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc Việt Nam” mà CS lựa chọn cấp thiết Mục tiêu nghiên c u ghiên cứu biến động mưa lũ, chi tiết hóa lượng mưa mặt đệm, xác lập s khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông Đối t ợng phạm vi nghiên c u - Ph m vi nghiên cứu: hai tỉnh Bắc K n ng Sơn thuộc vùng núi Đông Bắc-Việt am; - Đối tượng nghiên cứu: mưa lũ thiết kế phục vụ xây dựng công trình thoát nước nằm quốc lộ Q 3, 3B, 279, 3, 4A, 4B, 1A thuộc khu vực nghiên cứu Cách ti p c n vƠ ph ng pháp nghiên c u Để đ t mục tiêu đề ra, luận án thu thập tài liệu cần thiết, nghiên cứu tổng quan biến động mưa lũ, phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông nước giới từ lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp, mang tính kế thừa, đ m b o tính sáng t o nghiên cứu Các phương pháp sử dụng luận án: i) phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc nghiên cứu liên quan; ii) phương pháp phân tích nh viễn thám, GIS phục vụ mô lưu vực mô hình toán xây dựng b n đồ chuyên đề làm s khoa học cho phương pháp tính lũ kiến nghị; iii) phương pháp mô hình toán, tính toán thử nghiệm làm s cho việc kiến nghị phương pháp tính lũ thiết kế phù hợp cho công trình giao thông khu vực Đông Bắc, Việt am Ý nghĩa khoa h c th c ti n Kết qu nghiên cứu luận án có ý nghĩa thực tiễn cao gi i phần khó khăn tính toán thủy văn cầu đư ng Việc nghiên cứu biến động mưa lũ khu vực Đông Bắc xác lập s khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông có ý nghĩa khoa học việc tiếp cận với phương pháp tính toán đ i làm tiền đề cho việc xây dựng quy trình tính toán phù hợp với điều kiện Việt am Nh ng đóng góp c a lu n án - uận án hoàn thiện phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông có xét đến biến động mưa lũ đặc điểm tự nhiên khu vực Đông Bắc, s ứng dụng mô hình toán thủy văn GIS - uận án bước đầu xây dựng phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nước đư ng giao thông C u trúc c a lu n án goài phần M đầu, Kết luận kiến nghị, luận án trình bày chương: Ch ng 1: Tổng quan nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông Ch ng 2: Xây dựng s khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc-Việt am Ch ng 3: Tính thử nghiệm đề xuất phương pháp tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc-Việt am CH NG T NG QUAN V NGHIÊN C U TệNH LǛ THI T K CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 1.1 T ng quan v tính lǜ thi t k 1.1.1 Các nghiên cứu giới Việc tính lũ thiết kế tr i qua trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa phát triển nhằm xác đ i hóa phục vụ xây dựng công trình an toàn mùa mưa lũ, đặc biệt điều kiện biến đổi khí hậu Một số nghiên cứu lũ thiết kế điển hình kể đến nghiên cứu Chow Shaw (1964), Chow Maidment (1988), Vijay (2002), Raghunath (2006), nhiều nghiên cứu khác Về b n, phương pháp tính toán dựa lý thuyết nguyên dòng ch y cách chuyển đổi mưa hiệu qu thành dòng ch y Tuy nhiên, từ hai thập kỷ tr l i với phát triển vượt bậc công nghệ máy tính, kỹ thuật viễn thám GIS cho phép nhà khoa học phân tích thử nghiệm, cập nhật công nghệ đ i nhằm xác hóa tham số mà phương pháp trước chưa xây dựng 1.1.2 Các nghiên cứu Việt Nam Các nghiên cứu tính lũ thiết kế Việt am đề cập nhiều tài liệu, tiêu chu n, quy chu n, giáo trình, đề tài, luận án QP.T C-6-77 (1977); Giáo trình Thủy văn Công trình Đỗ Cao Đàm nnk (1990), ATS nghiên cứu mưa, lũ cực h n cho Việt am ê Đình Thành (1997); Giáo trình guyên lý Thủy văn Tính toán thủy văn thiết kế PGS.TS ê Văn ghinh (2000 & 2003); báo cáo CKH cấp Bộ đề tài “ ghiên cứu c nh báo dự báo lũ vượt thiết kế-Gi i pháp tràn cố” GS.TS Ph m gọc Quý nnk (2005), Giáo trình Thủy văn Công trình GS.TS Hà Văn Khối nnk (2012); ĐTKH cấp hà nước “ ghiên cứu s khoa học đề xuất tiêu chu n thiết kế lũ, đê biển điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng Việt am gi i pháp phòng tránh, gi m nhẹ thiệt h i” PGS.TS gô ê ong làm chủ nhiệm Các nghiên cứu trình bày phương pháp tính lũ thiết kế nay, các mô hình thủy văn tính toán dòng ch y, xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế hay đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình hồ chứa có xét tới tác động biến đổi khí hậu 1.2 T ng quan tính lǜ thi t k cho công trình giao thông 1.2.1 Các nghiên cứu giới Tính lũ thiết kế cho công trình giao thông giới tổng hợp tài liệu hướng d n tiêu chu n thiết kế: hật Hướng d n tính thủy văn thủy lực - Hướng d n tiêu chu n kỹ thuật cho dự án thiết kế (phần kiểm soát lũ); Anh Hướng d n thiết kế cầu đư ng-Tiêu chu n kỹ thuật Cơ quan đư ng quốc gia; Mỹ tài liệu Hướng d n tính thoát nước đư ng (AASHTO); Tài liệu giới thiệu mô hình toán thủy văn HEC; Thủy văn đư ng (FHWA); Hướng d n kỹ thuật (TR55) hay tiêu chu n thiết kế; Columbia tài liệu ''Hướng d n tiêu chu n thiết kế cầu''; Nga Quy trình BCH 63 - 67 - Quy trình kh o sát thiết kế công trình vượt sông đư ng sắt đư ng ô tô nhiều tài liệu khác Qua kết qu tổng quan, phân thành hai nhóm chính: i) nhóm phương pháp sử dụng phương Tây, nước hật Mỹ ii) nhóm phương pháp sử dụng nước Đông Âu ga (hình 1.1) 1.2.2 Hình 1.1 Các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông giới Các nghiên cứu Việt Nam Tính lũ thiết kế cho giao thông Việt am tổng kết đề cập TCVN 9845:2013 - Tiêu chu n tính toán đặc trưng dòng ch y lũ; Sổ tay tính toán thủy lực thủy văn cầu đư ng (2006) Bộ GTVT; nghiên cứu Mai Anh Tuấn (2003), Trần Đình Chiêu & Trần Tuấn Hiệp (2004), ghiên (2003), guyễn Quang guyễn Xuân Trục (2009), Đoàn hư Thái Dương (2012), guyễn Tiến Cương (2012), gần ATS guyễn Anh Tuấn (2014) Các phương pháp tính lũ thiết kế Việt am phụ thuộc vào diện tích, tình tr ng số liệu thủy văn mức độ quan trọng công trình (cấp công trình), phân thành hai nhóm: i) nhóm phương pháp phân tích thống kê ii) nhóm phân tích nguyên nhân hình Hình 1.2 Các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thành (hình 1.2) thông Việt am i) hóm phương pháp thống kê xác suất sử dụng có nhiều số liệu đo đ c lũ Hiện nay, có nhiều phần mềm vẽ đư ng tần suất xây dựng để tính tham số thống kê nhằm tăng độ xác tiện dụng Tuy vậy, công trình giao thông khu vực nghiên cứu phần lớn có vị trí t i sông, suối số liệu lũ thực đo để ứng dụng phương pháp ii) hóm phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành, gồm công thức kinh nghiệm theo Liên Xô cũ công thức kinh nghiệm xây dựng cho vùng 1.3 Nh ng hạn ch tính lǜ thi t k cho giao thông Vi t Nam Qua nghiên cứu, phân tích đánh giá cho thấy tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông Việt Nam số h n chế sau: - Hiện nay, việc chọn tần suất dựa vào cấp đư ng mà chưa xét đến điều kiện bất lợi khác điều kiện tự nhiên khí tượng thủy văn vùng xây dựng công trình d n đến tình tr ng công trình không đủ lực gặp nhiều cố - Việc tính lũ thiết kế trọng đỉnh lũ mà chưa xét đến tổng lượng lũ (W) d n đến tổng lượng nước đổ dồn vào công trình, không kịp thoát (kh u độ nhỏ), t o tượng tích nước thượng lưu công trình, t o áp lực khí gây hỏng mố cầu cống hay đuôi cống, mặt đư ng bị phá hai bên thân cống - Các b ng tra s khoa học phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông t i cũ, chủ yếu sử dụng nghiên cứu xây dựng từ số liệu h n chế iên Xô cũ Việt am (b n đồ tỉ lệ nhỏ, chuỗi số liệu quan trắc ngắn), kh hỗ trợ tính toán theo cách truyền thống, chưa cập nhập công cụ đ i nên kết qu không tránh khỏi sai số không mong muốn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm ngư i tính 1.4 H ớng ti p c n vƠ ph ng pháp nghiên c u Từ h n chế tính lũ cho giao thông Việt am, tính ưu việt số phương pháp tính lũ thiết kế sử dụng nước Phương Tây, hật Mỹ, tác gi lựa chọn hướng tiếp cận minh họa hình 1.3 bao gồm: i) ) ghiên cứu lựa chọn phương pháp, điều kiện ứng dụng yêu cầu số liệu s khoa học phương pháp ii) Nghiên cứu đặc trưng mưa: biến động mưa lũ qua thống kê đánh giá hình th i tiết gây mưa lũ khu vực; biến động mưa lũ theo không gian th i gian, a) phương pháp Mann-Kendall Sen sử dụng để đánh giá biến động mưa theo th i gian; phương pháp phân tích tần suất, xây dựng đư ng cong IDF cho tiểu vùng khác khu vực chi tiết hóa (chuyển đổi) mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn; b) kỹ thuật viễn thám GIS sử dụng để cập nhập số liệu từ nh vệ tinh phân tích không gian để đánh giá biến động mưa theo không gian xây dựng b n đồ đẳng trị biến đổi lượng mưa, hệ số biến đổi lượng mưa Cv theo không gian khu vực nghiên cứu iii) ghiên cứu phân tích điều kiện mặt đệm khu vực Đông Bắc bao gồm phân tích đặc trưng hình thái tiểu lưu vực thoát nước qua cầu, xây dựng b n đồ số C , b n đồ hệ số dòng ch y C, b n đồ hệ số nhám Manning b ng tra phụ trợ, kỹ thuật Viễn thám mô hình phân tích không gian GIS sử dụng để tận dụng ưu điểm liệu không gian kh cập nhật nhanh liệu áp dụng thực tế iv) Tính toán thử nghiệm, đánh giá kết qu : phân tích s điều kiện áp dụng phương pháp lựa chọn để đề xuất phương pháp phù hợp cho lo i công trình phù hợp với đặc điểm vùng nghiên cứu v) Xây dựng chương trình tính nhằm tích hợp tất c kết qu đ t với quy trình hướng d n tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông thuộc khu vực vùng núi Đông Bắc với mong muốn chương trình gi i số h n chế tính toán nay, đồng th i để m để nhà nghiên cứu tiếp tục cập nhật hoàn thiện T ng quan tƠi li u, nghiên c u, bƠi báo PP mô hình quan h : - Hệ số dòng ch y C - Cư ng độ mưa I - Diện tích lưu vực A PP SCS-CN - B n đồ số C ; - Diện tích lưu vực A - Mưa thiết kế Nghiên c u đặc tr ng mặt đ m Nghi n c u đặc tr ng m a Bi n động theo KG: - Biến động hệ số CV; Bi n động theo TG: - Tăng gi m theo xu Mann kendall Sen Tính m a thi t k : - Chuyển đổi mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn - Cư ng độ mưa IDF - ượng mưa thiết kế - Đư ng cong lũy tích mưa 24h - Đ xu t ph PT h i quy vùng - Diện tích lưu vực A - Độ dốc S - Mưa thiết kế Xây dựng phân tích lưu vực đặc trưng lưu vực Xây dựng b n đồ số CN Xây dựng b n đồ hệ số dòng ch y C Xây dựng b n đồ hệ số nhám n Tính th nghi m hóm cầu có A< 5km2 hóm cầu có A=5-30 km2 hóm cầu A=30-100 km2 hóm cầu có A>100km2 ng pháp phù hợp cho khu v c nghiên c u Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 1.5 T ng quan v khu v c nghiên c u Khu vực Đông Bắc, Việt am (hình 1.4) phía bắc phía đông tiếp giáp với Trung Quốc, phía đông nam trông vịnh Bắc Bộ, phía nam giới h n b i dãy núi Tam Đ o vùng đồng châu thổ sông Hồng Đây khu vực có địa hình đồi núi dốc cao, vực thẳm, chia cắt m nh, nằm tâm mưa lớn Mùa mưa lũ, tình tr ng s t trượt núi, cắt đứt đư ng, làm trôi cầu giao thông x y nghiêm trọng Hai tỉnh ng Sơn Bắc C n thuộc vùng núi Đông Bắc với 80% diện tích đồi núi, vùng đầu nguồn sông lớn với độ dốc phức t p; nơi có tâm mưa lớn c nước tâm mưa Bắc 2.1.3 Phương trình hồi quy vùng Phương trình hồi quy vùng phương pháp thư ng sử dụng quy ho ch tính toán thiết kế sơ cho công trình thoát nước vùng số liệu Cơ s khoa học phương pháp tổng kết đặc trưng lưu vực, mặt đệm, mưa thiết kế để xây phương trình hồi quy vùng d ng quan hệ mô đun hay lưu lượng đỉnh lũ với diện tích lưu vực cho khu vực khác lãnh thổ (ví dụ 2.2 C s d li u c a ph ng pháp tính lǜ thi t k Để ứng dụng phương pháp lựa chọn (mục 1.5 2.1) cần xây dựng s liệu mưa mặt đệm sau: 2.2.1 Xây dựng sở liệu mưa Mưa đặc trưng quan trọng định hình thành dòng ch y lưu vực ghiên cứu mưa gồm: ượng mưa, th i gian mưa, cư ng độ mưa, phân bố (biến động) mưa theo không gian th i gian uận án thống kê hình th i tiết gây mưa lớn khu vực nghiên cứu, biến động mưa theo không gian th i gian, chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn, xây dựng đư ng cong ''Cư ng độ mưa -Th i gian mưa - Tần suất mưa (IDF)'', xây dựng b n đồ biến thiên lượng mưa, đư ng cong tích lũy mưa cho khu vực khác vùng nghiên cứu Một số kết qu điển hình minh họa tóm tắt hình b ng sau: B ng 2.3 Kết qu kiểm định xu lượng mưa ngày lớn Test Z1-α/2 K t lu n theo Độ dốc theo Sen Z (α = 5%) Mann-Kendall (mm/năm) 57 1,20 1,96 Xu tăng 176,0 39 0,33 1,96 Xu tăng 28,0 Chuỗi m a n Xn max Bắc K n Xn max Bắc Sơn Xn max Chợ Rã 39 1,72 1,96 Xu tăng 143,0 Xn max Đình ập 39 - 0,93 1,96 Xu gi m -78,0 Xn max Hữu ũng 39 -0,80 1,96 Xu gi m -67,0 ng Sơn 55 1,79 1,96 Xu tăng 247,0 Xn max gân Sơn 52 1,10 1,96 Xu tăng 141,0 Xn max Thất Khê 47 -1,72 1,96 Xu gi m -189,0 Xn max 11 Hình 2.11 B n đồ hệ số biến thiên lượng mưa ngày max (CV), Đông Bắc Hình 2.24 B n đồ đẳng trị cư ng độ mưa I-1-100 (Bắc K n ng Sơn) B ng 2.6 B ng hệ số phương trình đư ng cong IDF, I = a.Dn T=5 Tr m T = 10 T = 25 a n a n a n Bắc C n 50,9 -1,25 63,0 -1,25 79,1 -1,25 Bắc Sơn 59,3 -1,32 74,9 -1,38 95,9 -1,45 Chợ Rã 38,2 -1,18 47,5 -1,17 59,9 -1,16 Đình ập 54,8 -1,14 71,1 -1,14 93,8 -1,14 ng Sơn 46,9 -1,24 56,2 -1,24 68 -1,24 Thất Khê 58,2 -1,32 72,5 -1,31 91,5 -1,29 gân Sơn 57,7 -1,25 71,8 -1,27 89,6 -1,3 Hữu ũng 67,5 -1,36 83,9 -1,39 105,9 -1,41 Hình 2.23 Bộ đư ng cong IDF tr m ng Sơn Đình ập Kết qu nghiên cứu cho thấy c khu vực Đông Bắc coi 18 vùng Việt am để sử dụng hệ số triết gi m mưa sử dụng Hnp% tính toán lũ thiết kế giao thông chưa hợp lý lượng mưa có biến động lớn c không gian th i gian 12 khu vực (b ng 2.3, hình 2.11 hình 2.24) hư vậy, việc chi tiết hóa lượng mưa ngày thành mưa gi xây dựng b n đồ phân bố mưa ngày, họ đư ng cong IDF cho khu vực khác vùng nghiên cứu cần thiết Hình 2.25 Phân bố lũy tích mưa 24h tr m Bắc K n Bắc Sơn 2.2.1 Xây d ng c s d li u mặt đ m Xây dựng s liệu mặt đệm phục vụ tính toán lũ thiết kế công trình giao thông cho khu vực nghiên cứu bao gồm việc khoanh lưu vực, xác định đặc trưng lưu vực (diện tích chiều dài, độ dốc ), xây dựng b n đồ (b ng tra) hệ số dòng ch y, xây dựng b n đồ (b ng tra) số C , xây dựng b n đồ hệ số nhám Trong nghiên cứu này, uận án ứng dụng công cụ viễn thám GIS nhằm cập nhật liệu, phân tích thuộc tính không gian xây dựng b n đồ chuyên dùng, phục vụ tính lũ nh vệ tinh Thu thập phân tích tài liệu B n đồ đất B n đồ tr ng sử dụng đất GoogleEarth Hiện tr ng sử dụng đất qua gi i đoán nh Vệ tinh Hiện tr ng sử dụng đất cập nhật Phân tích không gian GIS B n đồ C cho vùng nghiên cứu Hình 2.29 Sơ đồ bước xây dựng b n đồ số C 13 2.2.1.1 Xây dựng đồ số CN Việc xây dựng b n đồ số CN cho khu vực nghiên cứu thực theo sơ đồ hình 2.29 Kết qu minh họa hình 2.32 Phần giá trị CN tiểu lưu vực thoát nước qua cầu B n Chắt trích xuất từ b n đồ CN Hình 2.32 B n đồ số C tỉnh Bắc K n ng Sơn khu vực nghiên cứu 2.2.1.2 Xây dựng đồ hệ số dòng chảy C dạng ô lưới Việc xây dựng b n đồ hệ số dòng ch y C d ng ô lưới cho khu vực nghiên cứu thực theo sơ đồ hình 2.33 Kết qu minh họa hình 2.34 Hình 2.33 Sơ đồ bước xây dựng b n đồ hệ số dòng ch y C 2.2.1.3 Hình 2.34 B n đồ hệ số dòng ch y C tỉnh Bắc K n ng Sơn Xây dựng đồ hệ số nhám Manning n Việc xây dựng b n đồ hệ số nhám n cho khu vực nghiên cứu thực theo sơ đồ hình 2.35 Kết qu minh họa hình 2.36 14 Hình 2.35 Sơ đồ bước xd bđ hệ số nhám Manning Hình 2.36 B n đồ hệ số nhám (BK LS) 2.2.1.4 Phân chia tính toán đặc trưng lưu vực từ DEM Việc tính toán đặc trưng lưu vực thoát nước cần thiết; đặc trưng lưu vực ph n ánh độ cao, hướng dòng ch y liệu để tính tham số như: th i gian tập trung dòng ch y, diện tích lưu vực Luận án xác định ranh giới xây dựng b n đồ cho lưu vực thoát nước (hơn 40 lưu vực thoát nước) khu vực Đông Bắc Kết qu tính toán đặc trưng lưu vực Bắc Khương minh họa hình 2.37 b ng 2.17 Hình 2.37 B n đồ lv cầu Bắc Khương B ng 2.17 Kết qu tính đặc trưng (lưu vực cầu Bắc Khương) TT 2.3 K t lu n ch Các đặc tr ng c u Bắc Kh Tần suất thiết kế Diện tích lưu vực Chiều dài dòng chủ Tổng chiều dài dòng nhánh Chiều dài lưu vực Độ rộng bình quân lưu vực Số sư n lưu vực Độ dốc lưu vực Độc dốc lòng sông ng ng II 15 Kí hi u P F L ∑ i Llv B n J(Sb) % Js(Sr)% Đ nv % km2 km km km km2/km Tr số 506,5 27,3 40,1 56,2 9,0 2,0 23,6 0,4 Kết qu nghiên cứu cho thấy, Vùng Đông Bắc chia thành vùng mưa 18 vùng mưa c nước (TCV 9845:20013) chưa hợp lý b i biến đổi lượng mưa theo không gian lớn Việc chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn, xây dựng đư ng cong IDF, đư ng cong lũy tích mưa 24h, b n đồ đẳng trị lượng mưa phù hợp với tính toán cho công trình thoát nước vừa nhỏ Việc chi tiết hóa cập nhật mặt đệm thông qua xây dựng b n đồ lưu vực, b n đồ số C , hệ số dòng ch y C, độ nhám Manning nhằm xác hóa thông số mặt đệm, s dự liệu để áp dụng phương pháp lựa chọn uận án CH NG TÍNH TOÁN TH NGHI M VÀ Đ XU T PH NG PHÁP TệNH LǛ THI T K CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 3.1 C s phơn nhóm công trình thoát n ớc tính lǜ thi t k Các để phân chia nhóm lưu vực phương pháp tính lũ thiết kế: + Căn vào điều kiện áp dụng: Phương pháp mô hình quan hệ áp dụng diện tích lưu vực A < 65 km2; Phương pháp SCS có giới h n từ - 500 km2; Phương pháp hồi quy vùng tùy vào mức độ chi tiết số liệu đầu vào; + Căn vào kết qu thu thập liệu công trình (vị trí, tuyến, số lượng); + Căn vào thông số tính toán (nhóm đất, lo i th m phủ, hệ số C , hệ số dòng ch y đặc trưng nhám, độ dốc lưu vực), cho thấy cỡ lưu vực tương ứng với mức độ phức t p tính đặc trưng mưa mặt đệm Từ kết qu xây dựng s khoa học, tiến hành phân chia nhóm công trình tính lũ thiết kế sau: hóm thứ nhất: công trình có diện tích lưu vực khống chế bé (A 100 km2 S dĩ có kết qu tính toán khác b i hai cách tiếp cận điều kiện s liệu khác Ba phương pháp lựa chọn uận án xây dựng từ s phân tích liệu mưa mặt đệm chi tiết cập nhật, với công nghệ đ i cho phép truy xuất kết qu cho tiểu lưu vực tính giá trị trung bình lưu vực nên việc tính toán tr nên đơn gi n hơn, nhanh kết qu tính toán hợp lý Còn phương pháp dùng coi c khu vực Đông Bắc phân vùng (1 18 phân vùng 17 Việt am) nên hệ số sử dụng cho vùng dùng chung cho công trình khu vực nghiên cứu d n tới hệ số số khu vực thiên cao, số l i thiên thấp d n đến kết qu tính chưa hợp lý, thêm vào b ng tra xây dựng từ lâu, liệu h n chế chưa cập nhật 3.3 Đề xuất phương pháp tính phù hợp Qua nghiên cứu lý thuyết ba phương pháp, xây dựng s khoa học để áp dụng tính lũ thiết kế cho công trình thoát nước khu vực Đông Bắc tính toán thử nghiệm cho số công trình, uận án đề xuất phương pháp tính cho lo i công trình thoát nước giao thông b ng 3.15 B ng 3.15 Kiến nghị phương pháp tính lũ cho công trình giao thông TT Nhi m vụ Ph ng pháp Mô hình quan hệ Q=C.I.A Thiết kế SCS-CN Công trình Cỡ l u v c A (km2) Cống nhỏ A 100 Cống Quy ho ch, ập dự án Hồi quy vùng Cầu nhỏ A < 400 Cầu trung Cầu lớn 18 Các nội dung th c hi n - Tra b n đồ C -Tra A từ b n đồ lưu vực; - Tính Tc từ đặc trưng lưu vực - Tra I từ đư ng cong IDF -Tra C từ b n đồ C xd; - Tra A từ b n đồ lưu vực - Tính Tc từ đặc trưng lưu vực - Tra A từ b n đồ lưu vực - Chọn tần suất tính toán - Tra hệ số phương trình Q=f(A) 3.4 Xây d ng ch ng trình tính lǜ thi t k cho công trình thoát n ớc giao thông khu v c Đông Bắc 3.4.1 Giới thiệu chung chương trình tính Dựa s khoa học xây dựng chương I, II: phương pháp tính, điều kiện áp dụng, s liệu mưa bề mặt xây dựng (các b n đồ, b ng tra, phương trình), uận án tiến hành xây dựng chương trình tính lũ thiết kế cho công trình thoát nước giao thông khu vực Đông Bắc Chương trình viết ngôn ngữ Visual studio Java tích hợp Google Map tận dụng cập nhập thông tin thư ng xuyên nh viễn thám độ phân gi i cao (IKO OS – 1m), b n đồ s có giao thông tương đối chi tiết Google, đồng th i Google map phóng to (zoom) để xem chi tiết nh vệ tinh bề mặt khu vực Mã nguồn chương trình tính đưa phụ lục uận án; Giao diện ban đầu chương trình minh họa hình 3.19 Hình 3.19 Giao diện ban đầu nh vệ tinh Google map 3.4.2 Cấu trúc chương trình tính Cấu trúc chương trình tính xây dựng theo sơ đồ khối hình 3.20 Theo sơ đồ này, chương trình chia thành khối chính: i) khối mô đun tính gồm việc xây dựng chương trình cho phương pháp kiến nghị (4 trang đầu mã chương trình); ii) khối truy xuất qu n lý liệu phục vụ tính toán, lưu trữ hiển thị kết qu (các trang l i mã chương trình) Toàn b n đồ s liệu (chỉ số C , hệ số dòng ch y C, hệ số Cv, cư ng độ mưa, tiểu lưu vực đặc trưng hình thái), biểu đồ (các họ đư ng 19 cong IDF cho khu vực khác vùng nghiên cứu), b ng tra, phương trình hồi quy vùng tích hợp s liệu không gian (GEO-database) tích hợp Google Map Cơ s liệu không gian (GEO-database) định nghĩa s liệu đặc biệt có phần phần không gian dùng để mô t vị trí, hình d ng, kích thước, định d ng vector hay raster (đây b n đồ C , C, Cv, ) phần thuộc tính dùng để mô t giá trị thông tin phần không gian trên, thư ng d ng b ng biểu (là ma trận hiển thị giá trị ô lưới) (minh họa hình 2.37 liệu C , hình 2.38 liệu hệ số dòng ch y C) Hình 3.20 Sơ đồ khối xây dựng chương trình tính 3.4.3 Hướng dẫn sử dụng chương trình tính Chương trình tính xây dựng với mục đích hỗ trợ tính toán nhanh đồng th i cho phép cập nhập thông số cần thiết cho khu vực nghiên cứu m rộng cho khu vực khác Việt am Chương trình tích hợp Google Map có giao diện thao tác tính toán đơn gi n Các bước sử dụng sau: 20 Bước 1: Gọi chương trình tính: ngư i dung cần gõ vào địa chỉ, hình 3.21 ra, click vào nút “bản đồ” hay “vệ tinh” lề trái giao diện để hiển thị nh vệ tinh b n đồ giao thông khu vực tính toán Bước 2: Hình 3.21 Giao diện CT b n đồ ựa chọn phương pháp tính: Căn vào mục đích tính diện tích thoát nước cho công trình (theo đề xuất b ng 3.22) lựa chọn phương pháp tính Hình 3.22 minh họa giao diện mô hình chọn phương pháp Mô hình quan hệ Bước 3: Hình 3.22 Kết qu tính lũ cầu Can theo pp CIA (Trên nh vệ tinh) hập thông tin công trình: thông tin tên công trình, tần suất, vị trí công trình (kinh độ, vĩ độ), diện tích lưu vực, chương trình tự động chuyển đến phóng to b n đồ lưu vực vị trí công trình cần tính, đồng th i truy vấn thông tin s liệu ước tính thông số cho lưu vực thoát nước công trình như: th i gian tập trung dòng ch y, độ dốc bình quân lưu vực, hệ số dòng ch y bình quân lưu vực, cư ng độ mưa ứng với tần suất thiết kế (xem hình 3.22) gư i dùng nhấn vào nút “Tính toán” phía bên ph i hình, vào tr ng sử dụng đất từ nh vệ tinh độ phân gi i cao Google Map ( nh IKO OS – 1m) để hiệu chỉnh thông số truy vấn hiển thị trước nhấn vào nút “Tính toán” Ví dụ truy vấn hệ số dòng ch y trung bình 0,45 t i th i điểm tính, lưu vực tính toán thay đổi, rừng không (căn nh vệ tinh, Google cập nhập thư ng xuyên) ngư i dùng thay đổi hệ số dòng ch y 0,7 cho lưu vực cần tính Sau 21 nhấn vào nút “Tính toán”, chương trình hiển thị kết qu lưu lượng đỉnh lũ thiết kế đư ng trình lũ thiết kế gư i dùng in xuất kết qu b ng biểu để phục vụ báo cáo Với phương pháp tính khác lựa chọn, thao tác tương tự 3.5 Kết luận chương III Với s liệu xây dựng từ chương II, vào điều kiện phân chia cỡ lưu vực phù hợp với phương pháp tính, tính thử nghiệm cho nhóm công trình phương pháp (3 phương pháp lựa chọn uận án; phương pháp TCV 9845:2013 dùng để kiểm nghiệm đánh giá), kết qu tính phân tích dùng để đề xuất phương pháp cho lo i công trình điều kiện nhiệm vụ cụ thể Kết qu nghiên cứu tích hợp phần mềm viết Google map cho phép ngư i dùng tính toán nhanh cập nhật liệu hoàn thiện chương trình m dùng cho giao thông K T LU N VÀ KI N NGH Nh ng nội dung đƣ đ ợc th c hi n uận án thu thập tài liệu liên quan mật thiết đến đề tài, tổng quan nghiên cứu tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông nước nước từ tổng kết ưu điểm nhược điểm nhằm lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp vừa mang tính kế thừa, vừa đ m b o tính sáng t o nghiên cứu để đáp ứng mục tiêu đặt luận án 1) uận án thu thập liệu (công trình cầu, khí tượng thủy văn, thổ nhưỡng, th m phủ, b n đồ DEM) nghiên cứu xây dựng s khoa học để áp dụng theo phương pháp bao gồm: i)Về phương pháp, giới thiệu s lý thuyết, điều kiện áp dụng, nghiên cứu nước liên quan, yêu cầu liệu trình tự tính phương pháp; ii) Về đặc trưng mưa, phân tích tổng hợp hình th i tiết bất lợi khu vực nghiên cứu, số trận lũ điển hình, số liệu thống kê thiệt h i để thấy cấp thiết đề tài ghiên cứu biến động mưa (mưa sinh lũ) theo không gian th i gian, 22 sử dụng phương pháp phân tích thống kê, kỹ thuật viễn thám công nghệ GIS, phương pháp Mann-Kendall Sen dùng để đánh giá biến động mưa theo th i gian, phân tích tần suất, phân tích hồi quy dùng để xây dựng họ đư ng cong IDF cho tiểu vùng khác khu vực chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn Kỹ thuật Viễn thám GIS sử dụng để cập nhập số liệu từ nh vệ tinh, phân tích không gian xây dựng b n đồ đẳng trị biến đổi lượng mưa, hệ số biến đổi lượng mưa Cv để đánh giá biến động mưa theo không gian khu vực nghiên cứu; iii) Về đặc trưng mặt đệm, sử dụng tư liệu không gian, ứng dụng kỹ thuật Viễn thám GIS để xây dựng, phân chia khu vực nghiên cứu thành nhiều tiểu lưu vực thoát nước với 40 tiểu lưu vực thoát nước qua cầu nhiều tiểu lưu vực nhỏ hơn, b n đồ số C xây dựng cập nhập theo số liệu lo i đất th m phủ thực vật tư liệu viễn thám, b n đồ hệ số dòng ch y, b n đồ hệ số nhám xây dựng phục vụ cho tính toán lũ thiết kế 2) uận án tính thử nghiệm cho số nhóm công trình s phân lo i nhóm theo diện tích lưu vực kiến nghị phương pháp áp dụng: - Trong thiết kế: Với cống thoát nước nhỏ có A< km2 nên sử dụng phương pháp CIA;Với cầu nhỏ cống thoát nước có A từ đến 30 km2 nên sử dụng phương pháp mô hình quan hệ tính thêm phương pháp SCS-CN để xây dựng đư ng trình lũ; Với cầu trung A từ 30 đến 100 km2 A>100 km2 nên sử dụng phương pháp SCS-CN kết hợp thêm phương pháp khác; - Trong quy ho ch lập dự án, kiến nghị phương pháp hồi quy vùng nhằm tính toán nhanh kiểm tra thoát nước cầu cũ Thông qua thử nghiệm tính toán cho nhiều công trình khu vực nghiên cứu, luận án cho thấy c ba phương pháp dễ áp dụng, kh tính toán nhanh, xác, cho phép áp dụng kỹ thuật công nghệ tiên tiến vào tính toán đặc biệt tính toán chi tiết cho công trình lớn ngư i sử dụng tự cập nhập số liệu bề mặt đệm cần thiết 23 3) uận án tích hợp tất c liệu s khoa học (các b n đồ (chỉ số C , hệ số dòng ch y, hệ số Cv, cư ng độ mưa, tiểu lưu vực đặc trưng hình thái), biểu đồ (các họ đư ng cong IDF khu vực), b ng tra, phương trình hồi quy vùng) vào s liệu không gian (GEO-database) để xây dựng phần mềm tính toán viết Google Map Đây chương trình có mã nguồn m , cho phép ngư i dùng cập nhật thư ng xuyên s liệu từ tư liệu viễn thám đặc trưng khác Nh ng t n c a lu n án Mới đánh giá biến động mưa (mưa sinh lũ) mà chưa đánh giá biến động lũ khu vực nghiên cứu Các b n đồ xây dựng với tỷ lệ lớn; Nh ng đóng góp c a Lu n án uận án đưa đóng góp (xem phần m đầu) H ớng phát triển c a Lu n án Kết qu đ t thành công ban đầu, việc nghiên cứu m rộng cần ph i tiếp tục th i gian tới: i) Tiếp tục cập nhập số liệu để nâng cao chất lượng b n đồ (chỉ số C , Cv, hệ số dòng ch y, độ nhám), b ng tra đư ng trình (IDF, lũy tích mưa ), phương trình hồi quy vùng công thức để tiến hành chi tiết mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn; ii) Từng bước hoàn thiện phần mềm tính chia sẻ phần mềm Google Map để nhà khoa học góp ý, cập nhập thêm thông tin, phương pháp tính ưu việt khác; iii) Tiếp tục nghiên cứu để m rộng ph m vi áp dụng khu vực khác Việt am Ki n ngh Đề nghị có nghiên cứu chuyên sâu để nâng cấp Quy chu n tính toán lũ cho công trình giao thông theo hướng thuận tiện, xác áp dụng phương tiện công cụ tính toán đ i tiên tiến nước phát triển có 24 DANH M C CỌNG TRỊNH Đà CỌNG BỐ Doưn Th N i, Ngô Lê Long & Hoàng Thanh Tùng (2016).''Nghiênăc uăđ ă xu tă ph ngă phápă tínhă lǜă thi tă k ă côngă trìnhă giaoă thôngă vùngă núiă Đôngă B c- Vi tăNam'' Tạp chí KHKT&Môi Trường Sốă53ăT6-2013 Trang 80-86; Doưn Th N i, Hoàng Thanh Tùng & Nguy năHoƠngăS nă(2015).ă''Xơyăd ngă b ăđ ngăcongăIDFăchoănh ngăvùngăcóăhoặcăthi uăsốăli uăm aăngƠyăthu căkhuă v căĐôngăB căVi tănam''.ăHội nghị thường niên ĐHTL năm 2015 Trang 369371; Doưn Th N i (2015).''Nghiênă c uă tínhă lǜă choă l uă v că vừaă vƠă nhỏă theo ph ngăphápăSCSậCNăcóăxétătớiăs ăthayăđổiăhi nătrạngăsửăd ngăđ t''.ăH iăngh ă khoaă h că ĐHGTVTă nĕmă 2015 Tạp chí Khoa học giao thông vận tải (số đặc biệt) SốăT11/2015 Trang 48-52; Doưn Th N i,ă Nguy nă HoƠngă S n.ă (2015).ă ''Xơyă d ngă đ ngă congă IDFă ph căv ătínhătoánălǜăthi tăk ăchoăcôngătrìnhăgiaoăthôngă ăm tăsốătỉnhăthu căvùngă Đôngă B cậVi tă nam''.ă Tạp chí Khoa học giao thông vận tải.ă Sốă 47ă T8/2015.Trang 84-90; Doưn Th N i,ăLêăTh ăH iăY nă(2015).'' ngăd ngămôăhìnhăHECậHMS tính th yăvĕnăchoăcầuăThácăGi ngậTỉnhăB căKạn'' Tạp chí Giao thông vận tải.ăSốă T6/2015 Trang 52-55 [...]... kết qu tính chưa hợp lý, thêm vào đó là các b ng tra được xây dựng từ lâu, trên nền dữ liệu h n chế và chưa được cập nhật 3.3 Đề xuất phương pháp tính phù hợp Qua nghiên cứu lý thuyết ba phương pháp, xây dựng cơ s khoa học để áp dụng tính lũ thiết kế cho các công trình thoát nước khu vực Đông Bắc và tính toán thử nghiệm cho một số công trình, uận án đề xuất phương pháp tính cho các lo i công trình thoát... qu nghiên cứu cho thấy, Vùng Đông Bắc được chia thành một vùng mưa trong 18 vùng mưa của c nước (TCV 9845:20013) là chưa hợp lý b i sự biến đổi lượng mưa theo không gian là rất lớn Việc chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn, xây dựng bộ đư ng cong IDF, bộ đư ng cong lũy tích mưa 24h, b n đồ đẳng trị lượng mưa phù hợp với tính toán cho công trình thoát nước vừa và nhỏ Việc chi tiết hóa và cập... việc tính toán cũng như tính hợp lý của kết qu Do đó, cần thiết nghiên cứu tiếp cận các phương pháp đang sử dụng các nước tiến tiến cùng với sự hỗ trợ của công nghệ máy tính, tư liệu viễn thám và công nghệ GIS nhằm chi tiết và chính xác hóa cơ s dữ liệu để áp dụng các phương pháp đã lựa chọn tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông 9 CH NG 2 XÂY D NG C S KHOA H C TệNH LǛ THI T K CHO CÔNG TRÌNH GIAO. .. (biến động) mưa theo không gian và th i gian uận án đã thống kê các hình thế th i tiết gây mưa lớn khu vực nghiên cứu, biến động của mưa theo không gian và th i gian, chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn, xây dựng bộ đư ng cong ''Cư ng độ mưa -Th i gian mưa - Tần suất mưa (IDF)'', xây dựng các b n đồ biến thiên lượng mưa, các đư ng cong tích lũy mưa cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên. .. thiệu cơ s lý thuyết, điều kiện áp dụng, các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan, các yêu cầu về dữ liệu và trình tự tính của các phương pháp; ii) Về đặc trưng mưa, đã phân tích và tổng hợp các hình thế th i tiết bất lợi trong khu vực nghiên cứu, một số trận lũ điển hình, số liệu thống kê thiệt h i để thấy sự cấp thiết của đề tài ghiên cứu biến động của mưa (mưa sinh lũ) theo không gian và th... nghiên cứu tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông trong nước và ngoài nước từ đó tổng kết được các ưu điểm và nhược điểm nhằm lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp vừa mang tính kế thừa, vừa đ m b o tính sáng t o trong nghiên cứu để đáp ứng mục tiêu đặt ra của luận án 1) uận án đã thu thập dữ liệu (công trình cầu, khí tượng thủy văn, thổ nhưỡng, th m phủ, b n đồ DEM) và nghiên cứu xây dựng cơ s khoa học. .. đồ giao thông của khu vực tính toán Bước 2: Hình 3.21 Giao diện của CT trên nền b n đồ ựa chọn phương pháp tính: Căn cứ vào mục đích tính và diện tích thoát nước cho công trình (theo đề xuất b ng 3.22) lựa chọn phương pháp tính Hình 3.22 minh họa giao diện mô hình khi chọn phương pháp Mô hình quan hệ Bước 3: Hình 3.22 Kết qu tính lũ cầu Can theo pp CIA (Trên nền nh vệ tinh) hập thông tin về công trình: ... Sơn và Đình ập Kết qu nghiên cứu cho thấy nếu c khu vực Đông Bắc chỉ được coi là một trong 18 vùng của Việt am để sử dụng các hệ số triết gi m mưa cũng như chỉ sử dụng Hnp% trong tính toán lũ thiết kế trong giao thông là chưa hợp lý vì lượng mưa đây có sự biến động lớn c về không gian và th i gian giữa các 12 khu vực (b ng 2.3, hình 2.11 và hình 2.24) hư vậy, việc chi tiết hóa lượng mưa ngày thành mưa. .. tiết hóa lượng mưa ngày thành mưa gi và xây dựng các b n đồ phân bố mưa ngày, họ đư ng cong IDF cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên cứu là rất cần thiết Hình 2.25 Phân bố lũy tích mưa 24h tr m Bắc K n và Bắc Sơn 2.2.1 Xây d ng c s d li u mặt đ m Xây dựng cơ s dữ liệu mặt đệm phục vụ tính toán lũ thiết kế công trình giao thông cho khu vực nghiên cứu bao gồm việc khoanh lưu vực, xác định các đặc... nghiệm tính toán cho nhiều công trình trong khu vực nghiên cứu, luận án cho thấy c ba phương pháp này đều rất dễ áp dụng, kh năng tính toán nhanh, chính xác, cho phép áp dụng các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến vào tính toán và đặc biệt khi tính toán chi tiết cho công trình lớn ngư i sử dụng có thể tự cập nhập số liệu mới nhất về bề mặt đệm nếu cần thiết 23 3) uận án đã tích hợp tất c dữ liệu và cơ s khoa