L ỜI CẢM ƠN
2.2.2. Mô hình dòng chảy bề mặt
Dòng chảy bề mặt xuất hiện khi trận mưa vẫn tiếp tục làm cho 2 thành phần
lượng mưa rơi xuống lưu vực và dòng chảy sườn dốc đều tăng theo thời gian. Với một mặt cắt tính toán cho thấy:
Trong thời gian đầu, dòng chảy chung của lưu vực được hình thành từ lượng
mưa của các phần diện tích sát mặt cắt khống chế. Tiếp theo là các phần diện tích bên
trên, trong trường hợp lưu vực nhỏ, khi dòng chảy từđiểm xa nhất của lưu vực tham gia dòng chảy chung tại mặt cắt khống chế, thì lượng mưa rơi trên toàn bộ diện tích
lưu vực tham gia vào dòng chảy.
Thời gian chuyển động của dòng chảy từđiểm xa nhất đến cửa ra của lưu vực
thường được gọi là thời gian tập trung nước Tc. Thành phần Tc rất quan trọng, nó là thông sốcơ bản chi phối hoạt động của quá trình hình thành dòng chảy.
Để diễn tả mối quan hệ từ mưa hiệu quả hình thành dòng chảy, các mô hình
mưa – dòng chảy thường được áp dụng cho lưu vực đô thị bao gồm: Mô hình đường thích hợp (Rational Method), mô hình sóng động học, mô hình đường đơn vị (UHM), mô hình căn nguyên. [5] 2.2.2.1. Mô hình đường thích hợp. Phương pháp sử dụng phương trình: Q = (1/360).C.f.I.A (2.1) Trong đó: Q: lưu lượng lớn nhất (m3/s). C: Hệ số dòng chảy. f: Hệ số phân bốmưa. I: Cường độmưa (mm/h).
23
A: diện tích lưu vực (ha)
Phương pháp này được ứng dụng từ thế kỷ 19 và sử dụng rộng rãi trong tính toán thiết kếđường ống thoát nước đô thị. Tuy nhiên, ngày nay ít được sử dụng đối với
các đô thị có quy mô lớn liên quan đến các sông tự nhiên.
Trong phương pháp này, với giả thiết nếu một trận mưa có cường độ I bắt đầu và kéo dài không hạn chế thì lượng dòng chảy sẽ tăng lên cho tới thời gian chảy tập
trung nước Tc là thời gian mà lượng mưa rơi trên toàn bộ diện tích lưu vực tính toán, tham gia vào việc hình thành dòng chảy cực đại tại mặt cắt cửa ra.
Mô hình được ứng dụng để tính toán tại một mặt cắt cửa ra nhất định trên lưu
vực; với cường độ mưa của thời đoạn 20 phút là I20 (mm/h) tương ứng với lưu lượng dòng chảy hình thành là Q20 (m3/s), được xem là trường hợp bất lợi của hệ thống. Mô hình có các hệ số thực nghiệm như: hệ sốđổi đơn vị 1/360, C: hệ số tổn thất dòng chảy
do đặc tính của mặt đệm, f: hệ số phân bố mưa theo không gian từ số liệu trạm được tính toán. Lúc ấy Qmax (lưu lượng đỉnh) sẽ xuất hiện ứng với thời gian Tc sau khi cơn mưa bắt đầu.
Bảng 2.1: Hệ số dòng chảy cho các loại hiện trạng sử dụng đất khác nhau
Mô tả khu vực Hệ số dòng chảy Khu kinh doanh buôn bán
Trung tâm thành phố
Khu vực ngoại vi
0,70-0,68 0,50-0,70
Khu dân cư
Nhà nằm đơn lẻ Nhiều nhà cách nhau Nhiều nhà kề nhau Nhà ở ngoại ô Khu căn hộ 0,30-0,50 0,40-0,60 0,60-0,75 0,25-0,40 0,50-0,70 Khu công nghiệp
Nhẹ Nặng 0,50-0,80 0,60-0,90 0,10-0,25 0,20-0,35 0,20-0,35 0,10-0,30 Các khu vực khác
Công viên, nghĩa trang
Sân chơi trên đất hay cỏ
Sân ga xe lửa
24
Bảng 2.2: Hệ số dòng chảy cho các loại bề mặt khác nhau
Mô tả khu vực Hệ số dòng chảy Bề mặt lát
Nhựa asphalt hay bê tông 0.,70-0,95
Gạch 0,70-0,85 Mái nhà 0,75-0,95 Bãi cỏ, đất pha cát Phẳng, độ dốc 2% Độ dốc từ 2-7% Độ dốc > 7% 0,05-0,10 0,10-0,15 0,15-0,20 Bãi cỏ, đất sét Phẳng, độ dốc 2% Độ dốc từ 2-7% Độ dốc > 7% 0,13-0,17 0,18-0,22 0,25-0,35
(Nguồn: ASCE, 1970, Design and Construction of Sanitary and Storm Sewers)
2.2.2.2. Mô hình sóng động học:
Mô hình sóng động học là sự kết hợp giữa phương trình liên tục và phương trình động lượng theo hình 2.1 được mô phỏng như sau:
25 Phương trình liên tục: 𝒅𝑽
𝒅𝒕 = 𝑨𝒅𝒅𝒅𝒕 = 𝑨. 𝒊∗− 𝑸 (2.2)
Trong đó:
V = A.d là thểtích nước trên bề mặt lưu vực. d: chiều sâu lớp dòng chảy mặt.
t: thời gian.
A: diện tích lưu vực bộ phận.
i*: cường độmưa hiệu quả(cường độ của lượng mưa hiệu quả).
Q: lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực tính toán.
Phương trình động lượng: là phương trình Manning dưới dạng: Q = 𝑾𝟏.𝟒𝟗𝒏 (𝒅 − 𝒅𝒑)𝟓/𝟑𝑺𝟏/𝟐 (2.3)
Trong đó:
W: chiều rộng trung bình lưu vực. n: hệ số nhám Manning.
dp: tổn thất điền trũng. S: độ dốc lưu vực.
Phương trình (2.2) và (2.3) kết hợp với nhau tạo thành hệ phương trình vi phân
phi tuyến để giải ra ẩn sốlà độsâu theo phương pháp sai phân hữu hạn dạng: 𝒅𝟐−𝒅𝟏
∆𝒕 = 𝒊∗+ 𝑾𝑪𝑶𝑵 [(𝒅𝟏− 𝒅𝟐
𝟐 ) − 𝒅𝒑]𝟓/𝟑 (2.4)
Trong đó: 𝑊𝐶𝑂𝑁 = −1.49𝑊𝑆 1 2𝐴.𝑛 ⁄ và ∆𝑡 là bước thời gian tính toán.
2.2.2.3. Mô hình đường đơn vị
Mô hình đường đơn vị mô phỏng dòng chảy hình thành từ mưa do những trận
mưa đơn. Sau khi thấm, với từng lượng mưa hiệu quả (hình 2.2), lưu vực sẽ hình thành các dòng chảy riêng tương ứng với thời gian bắt đầu mưa khác nhau, sau đó tổng hợp lại thành đường cơ sởtương ứng với 1 đơn vịmưa hiệu quả (mm).
Khi có cơn mưa với nhiều trận mưa (mỗi thời đoạn là một trận mưa) nhân với
đường đơn vị(được xây dựng với từng lưu vực) cho dòng chảy tổng hợp hình thành tại mặt cắt tính toán.
26
Hinh 2.2: Ý nghĩa khoa học mô hình đường đơn vị -UHM (Unit Hydrograph Model)
2.2.2.4. Mô hình căn nguyên
Ứng dụng phương trình căn nguyên để mô tả dòng chảy hình thành trên cơ sở xác định lưu vực hứng nước, thời gian chảy tập trung nước (xác định sơ bộ bởi tính toán thủy lực) và lượng mưa được phân theo thời đoạn (5, 10, 15 phút); phương trình căn nguyên mô phỏng dòng chảy hình thành (hình 2.3) theo thời đoạn do mưa, được
khái quát theo phương trình sai phân (2.5):
𝑸𝒌 = 𝑲𝑪 ∑ 𝒉𝒌 𝒌−𝒊+𝟏𝒇𝒊
𝟏 (2.5)
Trong đó:
𝑄𝑘: dòng chảy hình thành ởgiai đoạn k (m3/s). 𝑓𝑖: diện tích giữa hai đường đẳng thời (ha).
ℎ𝑘−𝑖+1: lượng mưa thời đoạn tương ứng thời gian chảy của hai đường
đẳng thời (mm).
K: hệ số đổi đơn vị, tùy theo thời đoạn chia (với ∆𝑡 = 5phút có K = 0.0333, ∆𝑡 = 10phút có K = 0.0166, ∆𝑡 = 15phút có K = 0.0111).
C: hệ số tổn thất dòng chảy do đặc tính của mặt đệm (C có thểđược phân loại theo đặc tính vềđất của từng diện tích 𝑓𝑖tương ứng).
27
Hinh 2.3: Sơ đồlưu vực tính theo phương pháp căn nguyên
Công thức trên được ứng dụng để tính toán dòng chảy hình thành từ mưa đến các mặt cắt trên hệ thống sau khi đã xác định thời gian tập trung nước và phân chia diện tích giữa các đường đẳng thời (𝑓𝑖).