b) Xỏc định cường độ mưa theo phương phỏp cường độ mưa giới hạn
2.2.4.Cỏc phương phỏp xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn
Cỏc phương phỏp trong nước và ngoài nước
Việc xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn luụn là vấn đề khú khăn và phức tạp. Cỏc nghiờn cứu trong nước và quốc tế hiện nay cú cỏc hướng sau đõy để xỏc định aT,p .
* Phương phỏp tớnh trực tiếp aT,p :
Trờn cơ sở cú đủ số liệu quan trắc đo mưa thực tế bằng mỏy đo mưa tự ghi tại cỏc trạm khớ tượng, dựng phương phỏp phõn tớch thống kờ tớnh ra giỏ trị cường độ mưa tớnh toỏn aT,p ở thời đoạn mưa tớnh toỏn T và tần suất thiết kế p ( trong tớnh toỏn lưu lượng cụng trỡnh thoỏt nước, thời đoạn đầu mưa tớnh toỏn T được lấy bằng thời gian tập chung nước τ của lưu vực). Cú thể lập thành biểu đồ quan trắc quan hệ cường độ mưa - thời gian – tần suất cho từng vựng cú chế độ mưa như nhau, sử dụng để tớnh lưu lượng thiết kế cụng trỡnh thoỏt nước nhỏ trờn đường. Xu hướng này được sử dụng thịnh hành ở Mỹ, Nhật, Úc …. Và cỏc nước phỏt triển cú hạ tầng mạng lưới cỏc trạm khớ tượng đo mưa tự ghi đầy đủ, lõu dài.
Phương phỏp trực tiếp được sử dụng khi cú được số liệu đo mưa tự ghi thực tế với số năm quan trắc đủ dài. Đõy được đỏnh giỏ là phương phỏp cho kết quả xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn aT,p ở thời đoạn T và tần suất p chớnh xỏc nhất, do vậy nú cần được khuyến khớch và ưu tiờn lựa chọn trong tớnh toỏn lưu lượng thiết kế cụng trỡnh thoỏt nước nhỏ trờn đường khi cú đủ điều kiện về số liệu đo mưa tự ghi. Ngoài ra, trong luận ỏn này, kết quả xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn aT,p của phương phỏp trực tiếp được sử dụng làm cơ sở đối chứng để đỏnh giỏ sai số khi
xõy dựng cỏc cụng thức thực nghiệm xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn trong phương phỏp giỏn tiếp.
* Phương phỏp giỏn tiếp xỏc định aT,p
- Xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn aT,p dựa vào lượng mưa ngày tớnh toỏn HT,p và
hệ số đặc trưng hỡnh dạng của cơn mưa ψT
+ Điều kiện ỏp dụng:
Đõy thuộc nhúm phương phỏp giỏn tiếp. Nú được dựng khi điều kiện về tài liệu đo mưa bằng mỏy đo mưa tự ghi khụng cú hoặc cũn thiếu, chưa đủ dài để cú thể ỏp dụng phương phỏp tớnh trực tiếp, khi này cú thể sử dụng phương phỏp giỏn tiếp này để tớnh cường độ mưa tớnh toỏn aT,p ở thời đoạn T và tần suất p. Mặt khỏc, sử dụng phương phỏp này cho phộp tận dụng được nguồn số liệu đo lượng mưa ngày rất đầy đủ, sẵn cú, liờn tục, đủ dài ở tất cả cỏc trạm đo mưa trờn toàn quốc.
+ Cụng thức tớnh :
(2.14 trong đú :
aT,p - Là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T, tần suất p ;
ψT – Là hệ số đặc trưng hỡnh dạng của cơn mưa ở thời đoạn T, lập cho từng vựng mưa;
Hn,p - Là lượng mưa ngày tớnh toỏn ở tần suất p;
T – Là thời đoạn mưa tớnh toỏn, khi tớnh toỏn lưu lượng Qp lấy T = τ . Cụng thức (2.14) được xõy dựng dựa trờn cơ sở sau:
Từ lượng mưa ngày đo được Hn,p ta sẽ xõy dựng được quan hệ giữa lượng mưa tớnh toỏn tại thời đoạn T, tần suất p và đặc trưng hỡnh dạng của cơn mưa :
HT,p = ψT .Hn,p
Chia hai vế cho T ta được :
Theo định nghĩa về cường độ mưa tớnh toỏn aT,p ở thời đoạn T và tần suất p,thỡ :
trong đú :
ψT là hệ số đặc trưng hỡnh dạng của cơn mưa ở thời đoạn T, ở từng
vựng mưa;
Hn,p là lượng mưa ngày tớnh toỏn ở tần suất p( mm); T là thời đoạn mưa tớnh toỏn (ph). Khi tớnh Qp lấy T = τ.
- Như vậy đối với mỗi vựng mưa, nếu xõy dựng được giỏ trị của hệ số đặc trưng hỡnh dạng cơn mưa ΨT ở thời đoạn tớnh toỏn T và giỏ trị lượng mưa ngày tớnh toỏn Hn,p ở tần suất p thỡ cú thể tớnh được cường độ mưa tớnh toỏn aT,p ở thời đoạn T và tần suất p theo cụng thức (2.14) phục vụ cho việc tớnh lưu lượng thiết kế cụng trỡnh thoỏt nước nhỏ trờn đường.
Phương phỏp này do Alờchxõyep đề xuất được sử dụng ở Liờn Xụ trước đõy và hiện nay đang được sử dụng ở Việt Nam để tớnh lưu lượng thiết kế cụng trỡnh thoỏt nước nhỏ trờn đường, mà cụ thể là trong tiờu chuẩn thiết kế TCVN 9845 – 2013
- Xõy dựng cỏc cụng thức thực nghiệm để tớnh cường độ mưa tớnh toỏn
+ Ở Liờn Xụ cũ, Trung quốc thường dựng dạng chung là:
(2.15)
Hoặc một số cụng thức tương tự : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cụng thức của G.A. Alechxayep :
Cụng thức của D.L. Skolopsky :
(2.17)
trong đú :
S – Sức mạnh của trận mưa biểu thị mối quan hệ giữa cường độ mưa và tần suất thiết kế; sức mưa Sp ở tần suất p tớnh theo cụng thức :
Sp = A+B lgN;
A, B, b là cỏc hệ số vựng khớ hậu, phụ thuộc vào từng vựng mưa;
m là hệ số hỡnh dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vựng mưa; N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tớnh toỏn ( năm ), N= 100/p với p là tần suất thiết kế tớnh theo %;
T là thời đoạn mưa tớnh toỏn .
Như vậy, đối với mỗi vựng mưa, khi xõy dựng được đặc trưng sức mưa Sp ở tần suất p và hệ số hỡnh dạng con mưa m thỡ cú thể tớnh được cường độ mưa tớnh toỏn aT,p ở thời đoạn T và tần suất p theo cụng thức (2.15) phục vụ cho việc tớnh lưu lượng thiết kế cỏc cụng trỡnh thoỏt nước nhỏ trờn đường.
Được sử dụng trong trường hợp tài liệu đo mưa thực tế bằng mỏy đo mưa tự ghi khụng cú hoặc thiếu, chưa đủ dài, ngay cả trong trường hợp số liệu đo lượng mưa ngày cũng khụng cú hoặc cũn thiếu, chưa đủ dài. Nhưng lại biết được hệ số hỡnh dạng cơn mưa m của vựng mưa và sức mưa Sp ở tần suất p.
(2.18)
trong đú :
K, x, c , m là cỏc hệ số vựng khớ hậu, phụ thuộc vào từng vựng mưa; N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tớnh toỏn ; T là thời đoạn tớnh toỏn. + Ở Mỹ thường dựng dạng :
(2.19) trong đú :
C, m, d là cỏc hệ số vựng khớ hậu phụ thuộc vào vựng mưa và chu kỳ lặp lạo của cơn mưa tớnh toỏn N;
T là thời đoạn mưa tớnh toỏn.
+ Ở Nhật Bản cú cỏc dạng cụng thức thường dựng là : Cụng thức Talbol : (2.20) Cụng thức Bemard : (2.21) Cụng thức Kimiijma : (2.22) Cụng thức Sherman :
trong đú :
C, b, m là cỏc hệ số vựng khớ hậu phụ thuộc vào vựng mưa và chu kỳ lặp lại cỏc cơn mưa tớnh toỏn N, T thời đoạn mưa tớnh toỏn.
+ Ở Malaysia thường dựng là :
(2.23)
trong đú : c, k, d, m là cỏc hệ số vựng khớ hậu phụ thuộc vào vựng mưa ; N là chu kỳ gặp lại cơn mưa tớnh toỏn, T là thời đoạn mưa tớnh toỏn. + Ở Hàn Quốc thường dựng là :
(2.24)
trong đú : k, x, m là cỏc hệ số vựng khớ hậu phụ thuộc vào vựng mưa, N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tớnh toỏn, T là thời đoạn mưa tớnh toỏn.
+ Ở Việt Nam đó cú nhiều nghiờn cứu để phự hợp với điều kiện khớ hậu ở nước ta, cỏc cụng thức thường được sử dựng thường ở dạng cụng thức
(2.25)
+) Năm 1980, GS. TSKH Nguyễn Xuõn Trục đề xuất sử dụng cụng thức dạng như sau :
trong đú :
aT,p là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p; A,B là hệ số vựng khớ hậu, phụ thuộc vào từng vựng mưa; m là hệ số hỡnh dạng cơn mưa, phụ thuộc vào vựng mưa; N là chu kỳ lặp lại của cơn mưa tớnh toỏn; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
T là thời đoạn mưa tớnh toỏn.
Như võy, đối với mỗi một vựng mưa, khi xỏc định được hệ số vựng khớ hậu A, B và hệ số hỡnh dạng cơn mưa m thỡ cú thể tớnh được cường độ mưa tớnh toỏn aT,p ở thời đoạn T và tần suất p theo cụng thức (2.26) phục vụ cho cụng việc tớnh lưu lượng thiết kế cụng trỡnh thoỏt nước nhỏ trờn đường.
Giỏo sư đó xõy dựng hệ số A, B,m cho 18 trạm đại diện ở 18 vựng mưa trờn toàn quốc. Khi cần tớnh khụng phải trạm đại diện thỡ cường độ mưa trạm cần tớnh được hiệu chỉnh theo cụng thức :
trong đú : aT,p, a*
T,p là cường độ mưa tớnh toỏn ở trạm cần tớnh và trạm đại diện; HT,p, H*
T,p là lượng mưa ngày tớnh toỏn ở trạm cần tớnh và trạm đại diện trong cựng vựng mưa.
Cụng thức (2.26) được sử dụng trong trường hợp tài liệu đo mưa thực tế bằng mỏy đo mưa tự ghi khụng cú hoặc thiếu, chưa đủ dài, ngay cả trong trường hợp số liệu đo lượng mưa ngày cũng khụng cú hoặc cũn thiếu, chưa đủ
dài. Nhưng lại biết được hệ số hỡnh dạng cơn mưa m và cỏc hệ số vựng khớ hậu A, B của vựng mưa.
+) Năm 1973, TS Trần Hữu Uyển đề nghị sử dụng cụng thức như sau:
trong đú :
aT,p là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p; A,B, b, k là hệ số vựng khớ hậu, phụ thuộc vào từng vựng mưa; m là hệ số hỡnh dạng cơn mưa, phụ thuộc vào vựng mưa;
T là thời đoạn mưa tớnh toỏn.
Tỏc giả đó xỏc lập cỏc giỏ trị A, B, b, k cho 34 thành phố trong cả nước, đến năm 1991 tỏc giả xỏc lập lại cỏc giỏ trị A, B, b, k, m với số liệu đo mưa mới.
+) Năm 1979, TS Trần Việt Liễn đề nghị sử dụng cụng thức dạng :
trong đú :
aT,p là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p; A, B, b là hệ số vựng khớ hậu, phụ thuộc vào từng vựng mưa; m là hệ số hỡnh dạng cơn mưa, phụ thuộc vào vựng mưa; N là chu kỳ lặp lại của cơn mưa tớnh toỏn;
Tỏc giả đó xỏc lập cỏc giỏ trị A, B, b, m cho 47 trạm đo mưa trong cả nước.
+) Cụng thức tớnh aT,p chung cho toàn miền Bắc Việt Nam của ĐH Xõy Dựng Hà Nội như sau:
trong đú :
aT,p là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p; N là chu kỳ lặp lại của cơn mưa tớnh toỏn;
T là thời đoạn mưa tớnh toỏn;
K1 là hệ số khớ hậu, đờ chuyển trị số cường độ mưa tớnh toỏn chung toàn miền Bắc về khu vực tớnh toỏn thiết kế, K1 = S1%/28;
S1% vũ suất của vựng thiết kế ứng với tần suất 1% tra bảng lập sẵn; 28 là vũ suất trung bỡnh của toàn miền Bắc ứng với tần suất 1%.
+) Năm 1980, GS.TS Ngụ Đỡnh Tuấn, Trường Đại học Thủy Lợi, trong luận ỏn tiến sỹ của mỡnh đó đề xuất cụng thức như sau:
aT,p = amax,p.e-Tm ; ( 2.30) trong đú :
aT,p là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p; amax,p là cường độ mưa giới hạn khi T 0, ở tần suất p;
m là hệ số hỡnh dạng của cơn mưa, phụ thuộc vào từng vựng mưa; T là thời đoạn mưa tớnh toỏn.
Tỏc giả đó xõy dựng phương phỏp luận xỏc định cỏc thụng số amax,p và hệ số hỡnh dạng cơn mưa m trong cụng thức, đó xỏc lập giỏ trị cỏc hệ số này cho một số trạm khớ tượng ở nước ta như: trạm Lỏng, Sa Pa, Vinh, Lai Chõu, Hà Giang, Đà Nẵng, Tõn Sơn Nhất, Rạch Giỏ, Liờn Khương, Bảo Lộc.
+ Năm 2006, tỏc giả Lờ Minh Nhật, Yasuto TACHIKAWA và Kaoru TAKARA đó sử dụng cỏc cụng thức thường dựng ở Nhật Bản để tớnh cường độ mưa tớnh toỏn aT,p (thể hiện kết quả tớnh toỏn bằng đường cong quan hệ cường độ - thời gian - tần suất) cho 7 trạm khớ tượng ở Việt Nam thuộc lưu vực sụng Hồng và sụng Thỏi Bỡnh là cỏc trạm Lỏng, Bắc Giang, Hải Dương, Nam Định, Ninh Bỡnh, Thỏi Bỡnh, Văn Lý với chuỗi số liệu đo mưa thực tế dài 30 năm, từ 1956 - 1985. Từ cỏc dạng cụng thức thường dựng ở Nhật Bản tỏc giả Lờ Minh Nhật trong luận ỏn tiến sĩ của mỡnh đó rỳt ra dạng cụng thức chung như sau để tớnh cường độ mưa tớnh toỏn aT,p.
trong đú : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C, b, v, m là cỏc hệ số vựng khớ hậu phụ thuộc vào vựng mưa và chu kỳ lặp lại cơn mưa tớnh toỏn N;
T là thời đoạn mưa tớnh toỏn.
+) Năm 2008, tại hội nghị Chõu Á về mưa tổ chức ở Indonesia, tỏc giả Trần Thục và nnk, Viện Khoa học Khớ tượng thủy văn và mụi trường, đó sử dụng dạng cụng thức thường dựng ở Mỹ (cụng thức Wenzel, 1982) để khảo sỏt, tớnh cường độ mưa tớnh toỏn aT,p (thể hiện kết quả bằng đường cong quan hệ cường độ - thời gian - tần suất) cho 4 trạm khớ tượng ở Việt Nam là Phỳ
Quốc, Nho Quan, Tuần Giỏo, Tam Đảo với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập tại cỏc trạm này dài 29 năm, từ năm 1976 - 2004.
+ Cụng thức tớnh cường độ mưa tớnh toỏn theo hệ số quy hồi của vựng
khớ hậu α, hệ số hỡnh dạng của cơn mưa m và lượng mưa ngày tớnh toỏn Hn,p.
trong đú :
aT,p là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p (mm/ph); α là hệ số hồi quy của vựng khớ hậu, phụ thuộc vào từng vựng mưa; m là hệ số hỡnh dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vựng mưa; Hn,p là lượng mưa ngày tớnh toỏn ở tần suất p (mm);
T là thời đoạn mưa tớnh toỏn (ph). Khi tớnh Qp lấy T = �.
Như vậy, với mỗi vựng mưa, khi xỏc định được hệ số hồi quy của vựng khớ hậu α, hệ số hỡnh dạng cơn mưa m thỡ cú thể tớnh được cường độ mưa tớnh toỏn aT,p ở thời đoạn T và tần suất p theo cụng thức (2.32) thụng qua lượng mưa ngày tớnh toỏn ở tần suất p, phục vụ việc tớnh lưu lượng thiết kế cụng trỡnh thoỏt nước nhỏ trờn đường.
Cụng thức (2.32) được sử dụng khi tài liệu đo mưa tự ghi thực tế khụng cú hoặc thiếu, chưa đủ dài, trong khi đú số liệu đo lượng mưa ngày lại rất đầy đủ, kộo dài và biết được hệ số hỡnh dạng cơn mưa m, hệ số hồi quy của vựng khớ hậu α của vựng mưa.
+ Xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn aT,p bằng phương phỏp sử dụng
trạm tựa
Cơ sở để phõn vựng mưa là sự tương đồng về chế độ, đặc điểm mưa giữa cỏc điểm đo mưa. Trong cựng một vựng mưa thỡ đặc điểm của mưa tại cỏc vị trớ cú sự khỏc biệt ớt, được coi là khụng đổi. Cỏc hệ số đặc trưng hỡnh dạng cơn mưa ΨT, hệ số hỡnh dạng cơn mưa m là những thụng số đặc trưng cho đặc điểm mưa trong một vựng mưa nờn được coi là khụng thay đổi, như nhau tại cỏc vị trớ trong cựng một vựng mưa.
Dựa vào đặc điểm này, cú thể xỏc định được cường độ mưa tại một trạm khi biết được cường độ mưa tại trạm lõn cận ở trong cựng một vựng mưa. Trạm lõn cận lấy làm cơ sở được gọi là trạm tựa và phương phỏp này được gọi là phương phỏp tớnh cường độ mưa bằng cỏch sử dụng trạm tựa.
++) Cụng thức xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn aT,p bằng trạm tựa nội
suy theo lượng mưa ngày tớnh toỏn Hn,p
Cụng thức xỏc định cường độ mưa tớnh toỏn aT,p bằng trạm tựa nội suy theo lượng mưa ngày tớnh toỏn Hn,p được kiến nghị dựng cụng thức sau :
trong đú:
aT,p2 là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p ở trạm ‘‘2’’, là trạm cần tớnh (mm/ph) ;
aT,p1 là cường độ mưa tớnh toỏn ở thời đoạn T và tần suất p ở trạm ‘‘1’’, là trạm tựa (mm/ph);
Hn,p2 là lượng mưa ngày tớnh toỏn ở cựng tần suất của trạm cần tớnh (mm) ;
- Như vậy, nếu cụng thức (2.33) trờn sau khi được đỏnh giỏ sai số cho