b) Cỏc yếu tố ảnhhưởng đến lưu lượng mưa tớnh toỏn
1.5.Kết luận chương 1
Trong chương 1, luận văn đó tập chung đi sõu nghiờn cứu vào cỏc vấn đề sau : - Khỏi quỏt chung về đường ụ tụ
- Vai trũ của thủy văn cụng trỡnh và vấn đề xỏc định lưu lượng mưa tớnh toỏn - Nhận xột về cỏc phương phỏp xỏc định lưu lượng mưa tớnh toỏn.
Từ những vấn đề đú, cú được nhưng khỏi quỏt chung nhất về thoỏt nước đường ụ tụ hay tớnh lưu lượng mưa tớnh toỏn, cỏc thụng số liờn quan đến lưu lượng mưa và làm cơ sở để nghiờn cứu chương 2.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ MƯA TÍNH TOÁN 2.1. Khỏi niệm về mưa
2.1.1. Khỏi niệm chung
Mưa là hiện tượng nước ở thể lỏng hoặc thể rắn trong khớ quyển rơi xuống bề mặt trỏi đất.
Mưa là một dạng ngưng tụ của hơi nước khi gặp điều kiện lạnh, mưa cú cỏc dạng như: Mưa phựn, mưa rào, mưa đỏ, cỏc dạng khỏc như tuyết, mưa tuyết, sương.
Mưa được tạo ra khi cỏc giọt nước khỏc nhau rơi xuống bề mặt Trỏi Đất từ cỏc đỏm mõy. Khụng phải toàn bộ cỏc cơn mưa đều cú thể rơi xuống đến bề mặt, do một số bị bốc hơi trờn quóng đường rơi xuống do đi qua vựng khụng khớ khụ, tạo ra một dạng khỏc của sự ngưng đọng.
2.1.2. Cỏc tớnh chất đặc trưng của mưa
Mưa đúng một vai trũ quan trọng trong chu trỡnh thủy học trong đú nước từ
cỏc đại dương (và cỏc khu vực khỏc cú chứa nước) bay hơi, ngưng tụ lại thành cỏc
đỏm mõy trong tầng đối lưu của khớ quyển do gặp lạnh, khi cỏc đỏm mõy đủ nặng, nước sẽ bị rơi trở lại Trỏi Đất, tạo thành mưa, sau đú nước cú thể ngấm xuống đất hay theo cỏc con sụng chảy ra biển để lại tiếp tục lặp lại chu trỡnh vận chuyển.
Cỏc hạt mưa cú dạng hỡnh cầu. Giọt lớn sẽ dẹp dần đi, cỏc giọt rất lớn giống như cỏi dự. Trung bỡnh kớch thước hạt nước mưa từ 1mm - 2mm theo đường kớnh. Những giọt mưa lớn nhất trờn Trỏi Đất đó được ghi lại ở Brasil và quần đảo
Marshall năm 2004 - một số giọt cú kớch thước tới 10 mm. Kớch thước lớn được
giải thớch là sự ngưng tụ trong cỏc hạt khúi lớn hay bởi sự va chạm giữa cỏc giọt mưa trong một khu vực nhỏ với lượng rất lớn nước lỏng.
Núi chung, nước mưa cú độ pH nhỏ hơn 6 một chỳt, đơn giản là do nú hấp thụ điụxớt cacbon trong khớ quyển, nú bị điện ly một phần trong nước, tạo ra axớt cacbonic. Ở một số sa mạc, cỏc luồng khụng khớ vận chuyển cả cacbonat canxi lờn khụng trung, do đú nước mưa ở đõy cú thể là cú pH bằng hoặc cao hơn 7. Cỏc trận mưa cú pH thấp hơn 5,6 thỡ được coi là mưa axớt.
Lượng mưa tại một khu vực nào đú được đo bằng cỏc mỏy đo lượng mưa đặt tại một số điểm ngẫu nhiờn, xa khu vực cú thể ảnh hưởng đến độ chớnh xỏc của phộp đo. Nú là độ cao lượng nước thu được sau cơn mưa trờn một bề mặt phẳng, khụng bị nhà cửa hay cõy cối bao phủ hay che lấp và cú thể được tớnh bằng mm (milimột) hay L/m². Độ chớnh xỏc của cỏc mỏy đo cú thể đạt tới 0,25 mm hay 0,01 in.
2.1.3. Cỏch biểu thị.
- Lượng mưa (mm) : Là lớp nước mưa rơi xuống đất trong một thời gian nào đú.
- Cường độ mưa (mm/ph, mm/h) : Là lượng mưa rơi xuống trong một đơn vị thời gian.
Thụng thường mưa hỡnh thành từng trận, hoặc xẩy ra trong từng trận, nờn để mụ tả trận mưa ta dựng đồ thị biểu diễn quỏ trỡnh mưa
2.1.4. Cỏch đo mưa (quan trắc)
- Thựng đo mưa
Đo được lượng mưa tại thời điểm cụ thể : 1 giờ, trận, ngày …., thường đo từ 7h sỏng hụm trước tới 7h sỏng ngày hụm sau hoặc từ 19h tối hụm trước tới 19h tối hụm sau.
Biểu đồ biểu thị cuờng độ mưa:
Hỡnh 2.1 : Biểu đồ biểu thị cường độ mưa.
2.2. Cơ sở xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn
2.2.1. Khỏi quỏt về cường độ mưa- Khỏi niệm : - Khỏi niệm :
Cường độ mưa là lượng mưa trong một đơn vị thời gian, đơn vị tớnh là mm/phỳt. Cường độ mưa là thụng số đặc trưng quan trọng của một cơn mưa.
- Cường độ mưa tức thời, at : Tại một thời điểm t bất kỳ nào đú của một cơn mưa
thỡ cường độ mưa tức thời được tớnh theo cụng thức sau :
Trong đú :
Ht – Là lượng mưa tớch lũy, là hàm của t, t là thời điểm tớnh. at(max) Ht at H a 0 t* t(mua ) t
Hỡnh 2.2: Diễn biến lượng mưa tớch lũy Ht và cường độ mưa tức thời trong một trận mưa thực tế.
+) Theo tài liệu đo mưa cú thể mụ tả diễn biến một cơn mưa thực tế như sau: tại thời điểm bắt đầu mưa, cường độ mưa at0 bằng 0. Cường độ mưa at tăng dần lờn theo thời gian mưa của cơn mưa và đạt giỏ trị cực đại atmax tại thời điểm t*
nào đấy( thường là khoảng giữa cơn mưa). Tiếp theo cường độ mưa giảm dần và kết thỳc cơn mưa thỡ cường độ mưa at mưa lại bằng 0. Diễn biến này được thể hiện ở Hỡnh 2.1.
+) Như vậy, trong một cơn mưa thực tế cường độ mưa tức thời thay đổi liờn tục và là một hàm số phụ thuộc vào thời gian và khụng gian.
- Cường độ mưa trung bỡnh lớn nhất trong khoảng tớnh toỏn, aT.
Trong tớnh toỏn lưu lượng đỉnh lũ cụng trỡnh thoỏt nước nhỏ trờn đường, quan tõm đến cường độ mưa trung bỡnh lớn nhất trong khoảng thời gian tớnh toỏn T nào đấy.
Cường độ mưa trung bỡnh lớn nhất trong khoảng thời gian T được xỏc định theo cụng thức (2.2) như sau :
Trong đú :
aT – Cường độ mưa trung bỡnh lớn nhất trong khoảng thời gian tớnh toỏn T (mm/ph);
HT – Là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tớnh toỏn T (mm); T – Là thời đoạn mưa tớnh toỏn (phỳt).
Nếu xột thờm yếu tố tần suất mưa tớnh toỏn p% thỡ cụng thức là :
Khi này :
aT.p - Được gọi là cường độ mưa trung bỡnh lớn nhất trong khoảng thời gian tớnh toỏn T ở tần suất p, hay cũn được gọi là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p, hay cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong thời đoạn tớnh toỏn T và tần suất p (mm/phỳt).
HT.p – Là lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tớnh toỏn T ở tần suất p, hay cũn gọi là lượng mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p (mm).
T – Là thời đoạn mưa tớnh toỏn (ph). Trong tớnh toỏn Qp cụng trỡnh thoỏt nước thời đoạn tớnh toỏn T được lấy bằng thời gian tập chung nước τ của lưu vực, khi này aT.p được ký hiệu là aτ.p, HT.p được ký hiệu là Hτ.p và chỉ số “T” ở cỏc tham số mưa khỏc cũng được ký hiệu là “τ”.
+) Theo khỏi niệm trờn thỡ cường độ mưa trung bỡnh lớn nhất aT trong khoảng thời gian tớnh toỏn T được xỏc định như sau : Trờn biểu đồ của mỏy đo mưa tự ghi, xờ dịch chọn trờn đoạn dốc nhất của biểu đồ xỏc định được giỏ trị lớn nhất của lượng mưa HT của thời đoạn tớnh toỏn T, và tớnh được aT theo cụng thức (2.2). Hỡnh 2.3 dưới đõy. T2 T1 H t (m m ) 0 t (ph) HT2 HT1 Ht HT 0 T aT HT aT Hỡnh 2.3: Phương phỏp xỏc định cường độ mưa trung bỡnh lớn nhất trong khoảng thời gian tớnh toỏn T trờn giấy đo mưa tự ghi, với
Ht là lượng mưa tớch lũy.
Hỡnh 2.4: Quan hệ cường độ mưa
tớnh toỏn aT, lượng mưa lớn nhất trong
khoảng thời gian tớnh toỏn HT và thời
đoạn mưa tớn toỏn T.
+) Phõn tớch sơ đồ Hỡnh 2.3 xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn aT ở thời đoạn T, thấy :
- Khi thời đoạn mưa tớnh toỏn T tăng lờn thỡ lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tớnh toỏn HT cũng tăng lờn nhưng mức độ tăng của HT khụng thể bằng mức độ tăng của T nờn cường độ mưa tớnh toỏn thời đoạn aT bị giảm đi. Hay núi cỏch khỏc cường độ mưa tớnh toỏn thời đoạn aT tỷ lệ nghịch với thời đoạn mưa tớnh toỏn T, Hỡnh 2.4.
Để nghiờn cứu tớnh chất này rất nhiều tỏc giả đó dựa vào số liệu đo mưa thực tế trờn mỏy đo mưa tự ghi và đó cú kết luận thống nhất.
Cỏc kết quả nghiờn cứu đều chỉ ra rằng cường độ mưa tớnh toỏn thời đoạn aT tỷ lệ nghịch với thời đoạn mưa tớnh toỏn T theo quan hệ dạng hàm số mũ.
Khi xỏc định lượng mưa lớn nhất HT trong thời đoạn mưa tớnh toỏn T trờn đường cong tớch lũy mưa thỡ phải chọn đoạn cú độ dốc lớn nhất. Điều này chứng tỏ cường độ mưa tớnh toỏn thời đoạn aT là đại lượng phụ thuộc vào hỡnh dạng cơn mưa.
Cỏc nghiờn cứu dựa vào mỏy đo mưa tự ghi đó cho thấy hỡnh dạng cơn mưa sẽ khỏc nhau ở mỗi vựng mưa và tần suất mưa tớnh toỏn p. Ở một vựng mưa thỡ cường độ mưa tớnh toỏn thời đoạn aT sẽ thay đổi theo tần suất mưa tớnh toỏn p, khi tần suất p càng nhỏ thỡ aT,p càng lớn và ngược lại.
2.2.2.Cỏc yếu tố ảnh hưởng tới cường độ mưa.
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến cường độ mưa là lượng mưa , sức mưa và hỡnh dạng của từng cơn mưa ứng với thời gian mưa đú, nú quyết định trực tiếp đến cường độ mưa, ngoài cỏc yếu tố nờu trờn, khi tớnh cường độ mưa tớnh toỏn thỡ vấn đề ảnh hưởng nữa là tần suất thiết kế.
Như đó biết, lượng mưa tớnh toỏn lại phụ thuộc vào đặc điểm của khớ hậu của từng vựng, mỗi vựng cú một đặc điểm thời tiết khỏc nhau, vỡ vậy cũng cú thế coi cường độ mưa tớnh toỏn bị ảnh hưởng bởi vị trớ địa lý của vựng.
Ảnh hưởng của vựng khớ hậu đó được nhiều tỏc giả của Việt Nam đó đưa vào tớnh toỏn và được thay bằng cỏc hệ số, cỏc hệ số này cú được từ thực nghiệm và được theo dừi trong một thời gian dài.
2.2.3.Cỏc phương phỏp xỏc định cường độ mưa. - Cỏc khỏi niệm :
(2.3)
+ Cường độ mưa theo thể tớch q :
;
(2.4)
trong đú :
h - chiều cao lớp nước, mm ;
W – Thể tớch nước mưa rơi xuống trờn 1 đv diện tớch , l/ha; t – thời gian mưa, ph;
Liờn hệ giữa q và I :
q = 166,7 x I + Thời gian mưa :
Là thời gian kộo dài của trận mưa ( tớnh bằng ph, h).
Khi tớnh toỏn cường độ mưa bằng PP cường độ giới hạn người ta cho rằng thời gian mưa là thời gian hạt mưa rơi xuống tại vị trớ xa nhất sẽ chảy đến mặt cắt cụng trỡnh đang xột, gọi là thời gian mưa tớnh toỏn.
+ Tần suất mưa Pm và chu kỳ tràn cống P
* Tần suất mưa Pm (%)
Là xỏc suất lặp lại trận mưa cựng thời gian cú cường độ bằng hoặc lớn hơn cường độ của trận mưa đó định.
m – Số lần mưa cú cường độ bằng hoặc lớn hơn cường độ của trận mưa đó định; Nn – Số năm quan trắc ( tổng số số liệu cú trong tài liệu ).
* Chu kỳ mưa P0
Là thời gian (năm) lặp lại của trận mưa cú cường độ bằng hoặc lớn hơn cường độ của trận mưa đó định.
* Chu kỳ tràn cống P
Là thời gian (tớnh bằng năm ) lặp lại trận mưa vượt quỏ cường độ mưa tớnh toỏn ( vượt quỏ sức chuyển tải của cống thoỏt nước).
+ Hệ số đặc trưng hỡnh dạng của cơn mưa ΨT và phõn vựng mưa.
Trong quy phạm thủy lợi, QP.TL.C-6-77 Quy phạm tớnh toỏn cỏc đặc trưng thủy văn thiết kế, ban hành năm 1977, cỏc tỏc giả đó đưa ra bảng phõn khu mưa rào cho phần lónh thổ miền Bắc Việt Nam với 10 khu và xỏc lập giỏ trị cỏc đường cong hệ số đặc trưng hỡnh dạng cơn mưa ΨT -T cho từng khu.
Qua nghiờn cứu cỏc tài liệu đo mưa trong mấy chục năm, một số tỏc giả đó đưa ra cỏc sơ đồ phõn khu mưa rào khỏc. Năm 1980, tỏc giả Hoàng Minh Tuyển, Viện Khớ tượng thủy văn, với số liệu đo mưa thu thập ở 60 trạm khớ tượng trờn toàn quốc dài từ 10 - 20 năm (50% số trạm cú chuỗi số liệu dài 20 năm bắt đầu từ 1961, chủ yếu ở miền Bắc, cũn lại dài 10 năm ở miền Nam), tỏc giả đó phõn toàn bộ lónh thổ Việt Nam thành 15 vựng mưa và xỏc lập giỏ trị cỏc đường cong hệ số đặc trưng hỡnh dạng cơn mưa ΨT - T cho 15 vựng mưa này.
Năm 1991, tỏc giả Hoàng Niờm và Đỗ Đỡnh Khụi đó chia toàn bộ lónh thổ Việt Nam thành 18 vựng mưa tương ứng với 18 đường cong hệ số đặc trưng hỡnh dạng cơn mưa ΨT -T được xỏc lập cho từng vựng mưa. Năm 1993, TS Trịnh Nhõn Sõm, Viện thiết kế Giao thụng, cũng đưa ra sự phõn vựng mưa tương tự cho lónh thổ Việt Nam, phõn toàn lónh thổ thành 18 vựng mưa như trờn nhưng giỏ trị hệ số đặc trưng hỡnh dạng cơn mưa ΨT của cỏc đường cong ΨT - T xỏc lập ở cỏc vựng mưa cú khỏc đi chỳt ớt. Kết quả này được đưa vào trong tiờu chuẩn thiết kế, TCVN9845:2013 Tớnh toỏn cỏc đặc trưng dũng chảy lũ, hiện nay đang dựng để tớnh lưu lượng thiết kế cụng trỡnh thoỏt nước trờn đường ở nước ta.
Như vậy, qua thời kỳ cỏc năm, chế độ mưa ở nước ta bị thay đổi dẫn đến việc phõn vựng mưa cũng được hiệu chỉnh cho phự hợp, giỏ trị hệ số đặc trưng hỡnh dạng cơn mưa ΨT ở cỏc vựng mưa cũng được hiệu chỉnh, xỏc lập lại cho phự hợp.
a) Xỏc định cường độ mưa theo phương phỏp phõn tớch số liệu thụng kờ
Phương phỏp này tớnh toỏn khỏ chớnh xỏc, cú thể ỏp dụng cho tất cả cỏc lưu vực với điều kiện địa hỡnh khỏc nhau.
Cơ sở của phương phỏp này là dựa vào tài liệu thực đo, nờn đũi hỏi phải cú đầy đủ tài liệu về mưa nhiều năm của mỏy đo tự ghi
Mục đớch là vẽ đường quan hệ cường độ mưa theo thời gian I – t , q – t ứng với mỗi tần suất. thời gian thường lấy là 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180ph
Việc chọn số liệu mưa cú thể lấy mỗi năm một trị số lớn nhất hoặc mỗi năm vài trị số lớn nhất
Nguyờn tắc xỏc định cường độ mưa là tớnh toỏn tần suất của từng lượng mưa 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180ph
Dựa vào tài liệu mưa 5ph của n5 trận mưa, tớnh tần suất, tra được I55%
Dựa vào tài liệu mưa 10ph của n5 trận mưa, tớnh tần suất, tra được I105%
…….
Dựa vào tài liệu mưa 5ph của n5 trận mưa, tớnh tần suất, tra được I1805%
Cú I55% ,.. a1805% vẽ được đường I5% - t
Tương tự với :I510% ,.. I18010% , I520% ,.. I18020%, vẽ được I10% - t ,I20% - t
b) Xỏc định cường độ mưa theo phương phỏp cường độ mưa giới hạn- Cỏc cụng thức của Liờn Xụ - Cỏc cụng thức của Liờn Xụ
+ Xỏc định cường độ mưa theo cường độ giới hạn của D.F.Gorbachev (1920)
à = 0.046H2/3
Vậy ta cú :
Tổng quỏt :
Trong đú :
∆ - Sức mạnh của trận mưa; à - Hệ số khớ hậu;
α – Hệ số khớ hậu của à;
H – Lượng mưa năm trung bỡnh; mm/năm; t – Thời gian mưa, ph ;
P – Chu kỳ tràn cống , năm.
+ Cụng thức của Viện Thủy văn Liờn Xụ (1941)
(2.7) Với A,B là cỏc thụng số, biến đổi theo khu vực.
Ngoài ra cú cụng thức :
(2.7’)
trong đú :
q20 – Cường độ mưa tớnh với thời gian 20 phỳt với P= 1 năm; n – Hệ số mũ, tựy theo từng vựng địa lý;
C – Hệ số cú tớnh đến đặc điểm riờng của từng vựng; P – Chu kỳ tràn cống, năm.
Với :
H – Lượng mưa năm trung bỡnh; mm/năm;
dB – Độ hỳt ẩm bóo hũa (Tớnh từ lượng mưa trung bỡnh thỏng và độ ẩm trung bỡnh thỏng ):
Trong đú :
a1, a2…… a12 - Lượng mưa trung bỡnh của cỏc thỏng trong năm ;