TÍNH TỐN CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN THIẾT KẾ
4.3.3 Xác định dịng chảy lũ thiết kế khi khơng cĩ tài liệu quan trắc dịng chảy.
Các lưu vực khơng cĩ tài liệu quan trắc dịng chảy thường là các lưu vực vừa và nhỏ. Ở Việt Nam để phân chia ranh giới giữa lưu vực vừa và nhỏ thống nhất trong tính tốn qui định 100 km2. Do yêu cầu phát triển kinh tế địa phương nên cần xây dựng nhiều cơng trình dân dụng, giao thơng và thủy lợi trên các lưu vực vừa và nhỏ. Bởi vậy, lý thuyết về tính tốn dịng chảy lũ khi khơng cĩ tài liệu quan trắc dịng chảy đĩng vai trị quan trọng và chiếm một phần khá lớn trong nghiên cứu dịng chảy lũ.
Đối với các cơng trình nhỏ, trong 3 đặc trưng của dịng chảy lũ thiết kế thì trị số Qmaxp chiếm một vị trí quan trọng nhất, vì ở các cơng trình nhỏ do tác dụng điều tiết lũ rất ít hoặc khơng cĩ, nên thực tế khơng cần xét đến tổng lượng lũ và đường quá trình lũ. Vì vậy trong trường hợp khơng cĩ tài liệu chỉ chủ yếu tập trung nghiên cứu để xác định đỉnh lũ thiết kế.
Khi khơng cĩ tài liệu, xu hướng chung hiện nay trong tính tốn thủy văn là sử dụng các mơ hình tốn thủy văn hoặc thường dùng các cơng thức kinh nghiệm và bán kinh nghiệm để tính Qmaxp. Đây là một vấn đề phức tạp cho nên trong phần này sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về quá trình hình thành dịng chảy lũ để cĩ cơ sở hiểu và sử dụng các cơng thức tính Qmaxp cho phù hợp điều kiện cụ thể.
1. Các giai đoạn hình thành dịng chảy lũ.
a) Giai đoạn một - giai đoạn tổn thất hồn tồn: là giai đoạn tồn bộ lượng mưa rơi xuống quyện vào cây cỏ, lấp đầy các chỗ trũng, hồ ao, đầm lầy và thấm xuống đất. b) Giai đoạn hai - giai đoạn nước dâng: là giai đoạn khi lượng mưa sinh ra trên lưu vực lớn hơn tổng lượng tổn thất thì lưu lượng (Q) và mực nước (H) tại cửa ra của lưu vực (hay tuyến đo đạc) dâng lên đạt giá trị Qmax và Hmax. Nếu quá trình cấp nước vẫn duy trì thì Qmax và Hmax kéo dài một thời gian người ta gọi Qmax và Hmax ổn định.
c) Giai đoạn ba - giai đoạn nước rút: khi quá trình cấp nước (lượng mưa) trên lưu vực giảm thì Qmax và Hmax tại cửa ra giảm xuống giá trị Qbt và Hbt.
Để giải thích và hiểu đầy đủ các giai đoạn hình thành dịng chảy lũ trên bề mặt lưu vực chúng ta dựa vào cơng thức căn nguyên dịng chảy (CtCNDC).
CtCNDC là cơng thức biểu thị lưu lượng đỉnh lũ bằng tổng lượng giai nhập của các lưu lượng nước thành phần trong quá trình hình thành của chúng trên phần diện tích lưu vực bộ phận khác nhau và chảy tụ lại ở tuyến cửa ra.
CtCNDC cĩ dạng tổng quát: Qt = ∫t t ∂∂ dt t F h 0 (4-65) Để thành lập cơng thức (4-65). Chúng ta dựa trên cơ sở lập luận như sau:
- Giả thiết lượng mưa và thấm phân bố đều trên tồn bộ diện tích lưu vực.
- Chia tồn bộ diện tích lưu vực bằng một hệ thống đường chảy cùng thời gian (đường đẳng thời)
- Thời gian tập trung nước giữa các đường đẳng thời kế tiếp nhau lấy bằng 1 đơn vị thời gian cố định, tức là thời gian cần thiết để giọt nước ở xa nhất kịp chảy về đến tuyến cửa ra gọi là thời gian tập trung dịng chảy, kí hiệu là: τ.
-Tương ứng với các đường đẳng thời 1, 2, 3,...cĩ các phần diện tích bộ phận f1, f2, f3... -Dựa vào đường quá trình mưa hiệu quả xác định biểu đồ cấp nước (thời gian cấp nước kí hiệu la:T).
Tùy thuộc vào thời gian chảy truyền τ trên lưu vực và thời gian cấp nướcT, trong thực tế sẽ xảy ra 3 trường hợp khác nhau đĩ là: τ > T, τ < T, τ = T.
Sau đây sẽ thành lập cơng thức cơng thức (4-65) trong trường hợp τ < T(cho τ = 4 đơn vị thời gian, T= 5 đơn vị thời gian) ta thấy:
Sau 1 đơn vị thời gian lưu lượng thu được tại cửa ra là: Q1 = h1.f1 Sau 2 đơn vị thời gian lưu lượng thu được tại cửa ra là: Q2 = h1.f2 + h2.f1 Tương tự: Q3 = h1.f3 + h2.f2 + h3.f1
Q4 = h1.f4 + h2.f3 + h3.f2 + h4.f1
Sau 5 đơn vị thời gian thì lượng mưa h1 khơng cịn tham gia tạo ra lưu lượng tại mặt cắt cửa ra nữa: Q5 = h2.f4 + h3.f3 + h4.f2 + h5.f1
Q6 = h3.f4 + h4.f3 + h5.f2 Q7 = h4.f4 + h5.f3
Q8 = h5.f4 Q9 = 0.
Ở đây: hi(mm) lớp nước mưa hiệu quả (tức là lớp nước mưa đã trừ đi lượng tổn thất) sinh ra trong một đơn vị thời gian tính tốn.
Theo cơng thức căn nguyên dịng chảy trong trường hợp trên khi τ < T thì Qmax thu được ở mặt cắt cửa ra cĩ thể là Q4 hoặc Q5, tức là tồn bộ diện tích lưu vực kết hợp một phần lượng mưa sinh ra Qmax. Tương tự như vậy nếu trong trường hợp τ >T thì Qmax thu được ở cửa ra sẽ là tồn bộ lượng mưa kết hợp với một phần diện tích lưu vực tạo nên. Cịn trong trường hợp τ = T thì Qmax thu được ở mặt cắt cửa ra sẽ là tồn bộ diện tích lưu vực kết hợp tồn bộ lượng mưa.
Trong thực tế quá trình hình thành dịng chảy lũ là quá trình xảy ra rất phức tạp vì: - Hình dạng, địa hình, địa mạo, địa chất, rừng, hồ ao, đầm lầy...phân bố muơn hình, muơn vẻ khơng thể giống như giả thiết.
- Mưa phân bố khơng đều theo thời gian và khơng gian là kết quả của một loạt các nguyên nhân về khí tượng và khí hậu phức tạp.
Do vậy CtCNDC chỉ mơ tả quan hệ giữa Qmax thu được ở cửa ra với yếu tố diện tích lưu vực và lượng mưa lũ sinh ra.
h(mm) h1 h2 h3 h4 h5 t 0 a)Sơ đồ mưa. (2) f1 f2 f3 f4 (1) (3) b)Sơ đồ lưu vực. Hình 4-7 Sơ đồ lưu vực khái niệm theo CtCNDC
2. Các nhân tố ảnh hưởng đến việc hình thành dịng chảy lũ.
a) Nhân tố khí tượng: Mưa rào.
Mưa rào là những trận mưa cĩ cường độ mạnh tập trung gây ra trên một diện tích rộng hoặc hẹp, thời gian mưa dài hoặc ngắn phụ thuộc vào nguyên nhân gây ra mưa. Về định lượng: theo tiêu chuẩn của tổng cục khí tượng thủy văn những trận mưa ngày cĩ lượng mưa ≥ 50 mm thuộc loại mưa rào.
Bảng 4-7 Tiêu chuẩn mưa rào của Becgơ.
Thời đoạn (phút) Lượng mưa (mm) Thời đoạn (phút) Lượng mưa (mm)
5 10 10 15 20 25 30 35 45 2,5 3,8 5,0 6,0 7,0 8,0 9,6 10,25 50 60 120 180 240 360 720 1440 11,0 12,0 18,0 22,25 27,0 33,0 45,0 60,0
Bảng 4-8 Tiêu chuẩn mưa rào của tổng cục khí tượng thủy văn 1960
Thời đoạn (phút) 5 10 30 60 240 1440
Lượng mưa (mm) 4,0 6,5 11,0 14,0 20,0 50,6
Cường độ mưa bình quân (mm/phút) 0,80 0,66 0,35 0,23 0,08 0,035
Ở nước ta lượng mưa rào sinh lũ gây ra do các yếu tố thời tiết như: bão, giĩ mùa, áp thấp nhiệt đới, địa hình, hoặc các hình thái thời tiết kết hợp.v.v...
+ Sự thay đổi cường độ mưa theo thời gian.
- Cường độ mưa là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian, đơn vị đo: mm/ph, mm/h.
∗ Cường độ mưa tức thời (it) là lượng mưa đo được trong từng thời điểm khác nhau. Cường độ mưa tức thời luơn luơn thay đổi theo thời gian, thơng thường trong một trận mưa cường độ mưa hai đầu thời đoạn bé ở giữa lớn người ta gọi là đỉnh mưa. Để xác định cường độ mưa tức thời người ta dựa vào biểu đồ đo mưa tự ghi.
∗ Cường độ mưa trung bình thời đoạn (at) là lượng mưa trung bình trong thời đoạn tính tốn. t t t H H at ∆ ∆Η = − − = 1 2 1 2 (4-66) Quan hệ giữa it và at: t t t a i Ο → ∆ = lim (4-67) Ở đây H1 và H2 là tổng lượng mưa tính đến thời điểm tính tốn t1 và t2.
∗ Cường độ mưa trung bình thời đoạn lớn nhất tạo lũ (aT) tính bằng mm/ph, mm/h. aT =
t
∆
∆Ηmax (4-68) Trong đĩ: ∆Hmax (mm) lượng mưa lớn nhất tương ứng thời đoạn tính tốn ∆t.
Ta thấy cường độ mưa trung bình giảm khi thời đoạn tính tốn tăng lên. Sự triết giảm của cường độ mưa khi thời đoạn tính tốn tăng lên được thể hiện qua cơng thức: aT =
T S
n (4-69) Để tránh trường hợp khi T→ 0, thì aT→∞, người ta viết lại cơng thức (4-68) như sau: aT = (T+1) S n (4-70) S = 1440 . 1 n H K − (4-71) Trong đĩ: S: gọi là sức mưa (mm),
T: thời đoạn tính tốn (h, ph),
n: hệ số triết giảm cường độ mưa thường lấy n = 0,7 hoặc 2/3, H: là lượng mưa ngày (mm),
K: là hệ số xác định như sau: K =H1440ph Hngay =1,1÷1,2 + Phân bố cường độ mưa theo diện tích:
Trong một trận mưa cường độ mưa phân bố rất khơng đều trên một diện rộng nơi cĩ cường độ mưa lớn gọi là tâm mưa, từ tâm mưa cường độ mưa giảm dần theo khoảng cách về các phía của lưu vực.
Tính lượng mưa phân bố theo diện tích bởi cơng thức sau: HF = ϕH0 = KF H m O + 1 (4-72) Trong đĩ: HF lượng mưa bình quân trên lưu vực (mm),
ϕ là hệ số triết giảm,
HO lượng mưa lớn nhất đo được ở tâm mưa (mm),
K, m hệ số kinh nghiệm biểu thị tính chất triết giảm lượng mưa theo diện tích. Người ta đề nghị chọn K, m trong tính tốn như sau:
K = 0,001; m = 0,8 cho những trận mưa < 1 ngày.
K = 0,002÷0,003; m = 0,55÷0,65 cho những trận mưa > 1 ngày.
Cơng thức (4-72) được áp dụng cho miền Bắc Việt Nam với K= 0,0012 và m = 0,72 b) Yếu tố lưu vực.
Yếu tố lưu vực ảnh hưởng đến lưu lượng dịng chảy lũ bởi các vấn đề sau: + Tổn thất dịng chảy lũ - hệ số dịng chảy lũ.
- Tổn thất dịng chảy lũ: bao gồm các loại tổn thất như sau: ∗ Tổn thất do thảm phủ thực vật trên bề mặt lưu vực giữ lại, ∗ Tổn thất do điền trũng vào các hang hĩc, ao hồ...trên lưu vực.
∗ Tổn thất do thấm phụ thuộc vào điều kiện địa hình địa chất cấu tạo lưu vực. ∗ Tổn thất do bốc hơi trong quá trình lũư.
Tổn thất dịng chảy lũ giảm dần theo thời gian (tính theo thời gian bắt đầu và kết thúc mùa lũ). Trong các loại tổn thất trên thì tổn thất do thấm là đáng kể nhất.
Các phương pháp xác định lượng tổn thất do thấm trên bề mặt lưu vực hay dùng là: (1) Hệ số thấm ổn định (tham khảo giáo trình địa chất).
(2) Xác định cường độ thấm theo các loại đất trên lưu vực. Bảng 4-7 Xác định cường độ thấm theo địa chất
TT Loại đất đá trên lưu vực Cường độ thấm (mm/ph)
1 Đất khơng thấm, đường nhựa, bêtơng, sét... 0 ÷ 0,05
2 Đất thịt kiềm mặn 0,2 ÷ 0,3
3 Đất đen pha cát, cát pha 1,0
4 Đất màu hạt dẻ đậm, đất xám pha cát 1,2
- Hệ số dịng chảy lũ:
Hệ số dịng lũ α phụ thuộc vào nhiều yếu tố khí hậu, điều kiện địa hình, địa chất, diện tích lưu vực...tùy theo từng vùng, miền khác nhau để xác định. Các hệ số dịng chảy lũ dùng trong tính tốn bao gồm:
∗ Hệ số dịng chảy tổng lượng αtl (tính cho tồn trận lũ). αtl = X Ytl (4-73) Hay: αtl = o tl X X Y − (4-74) Trong đĩ:
Ytl(mm) độ sâu dịng chảy trận lũ, tương ứng tổng lượng mưa X(mm) tồn trận. Xo(mm) lượng mưa tổn thất ban đầu thường lấy 5÷20 (mm).
∗ Hệ số dịng chảy đỉnh lũ αđ: là tỷ số giữa độ sâu dịng chảy một ngày lớn nhất và lượng mưa một ngày tương ứng.
Cơng thức xác định: αđ =
ng ng
X
Y (4-75) Theo đề nghị của Xơkơlốpski thì αđ tính theo cơng thức: