- 2 1Công thức Bernard: T p m
1.1.4. Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
1.1.4.1. Khái quát chung về các nhân tố ảnh hưởng.
+) Có thể phân các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường thành ba loại chính là.
(i) Điều kiện khí hậu, mà cụ thể là mưa. (ii) Các yếu tố mặt đệm.
(iii) Tác động của các hoạt động kinh tế - xã hội của con người.
+) Trong điều kiện khí hậu ở nước ta thì mưa là nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ, các nhân tố khác như bốc hơi, . . . được coi là ảnh hưởng không đáng kể vì đối với lưu vực nhỏ mưa lớn liên tục, lượng bốc hơi rất bé so với lượng mưa nên bỏ qua.
+) Các yếu tố mặt đệm bao gồm: vị trí địa lý, đặc điểm địa hình, địa mạo, điều kiện địa chất, thổ nhưỡng, đặc điểm bề mặt, hình dạng lưu vực, . . . Các yếu tố này ảnh hưởng tới hai khâu chính là: quyết định đến quá trình tập trung dòng chảy và lượng tổn thất. Ngoài ra vị trí địa lý, đặc điểm địa hình ảnh hưởng đến điều kiện khí hậu thể hiện bằng các vùng, miền khí hậu khác khau trên cả nước. Địa hình tác động đến mưa, đến dòng chảy lũ của lưu vực vừa trực tiếp, vừa gián tiếp.
./ Trực tiếp: tạo ra lượng mưa lớn do đón gió, tạo ra lượng mưa bé do khuất gió. ./ Gián tiếp: tập trung nước nhanh hay chậm do độ dốc lớn hay bé, mạng lưới sông suối hình nan quạt hay hình lông chim, . . .
- 25 -
+) Hoạt động kinh tế - xã hội của con người ngày nay càng lớn, chúng có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực. Tác động của các hoạt động này ảnh hưởng đến nhân tố khí hậu như hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, ảnh hưởng làm thay đổi các yếu tố mặt đệm lưu vực. Như vậy, tác động của hoạt động kinh tế - xã hội của con người đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường là tác động gián tiếp, xét nó thông qua hai nhân tố là mưa và các nhân tố mặt đệm. +) Theo mức độ ảnh hưởng giảm dần đến dòng chảy lũ của lưu vực công trình thoát nước nhỏ trên đường, có thể sắp xếp các nhân tố trên theo thứ tự: mưa các yếu tố mặt đệm (địa hình) hoạt động kinh tế xã hội của con người. Ba nhân tố này thực ra không độc lập mà chúng có mối quan hệ ràng buộc, chế ước, tác động lẫn nhau, một yếu tố thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi của các yếu tố khác ở mức độ khác nhau.
1.1.4.2. Ảnh hưởng của nhân tố mưa.
- Mưa là nguyên nhân sinh dòng chảy. Mưa ở nước ta có tác dụng quyết định và duy nhất cung cấp nguồn dòng chảy của lưu vực nhỏ. Mưa tác động đến lưu lượng dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở thông số cường độ mưa, thời gian mưa, tổng lượng mưa và những đặc tính khác của mưa.
- Quan hệ giữa mưa và dòng chảy ở nước ta khá chặt chẽ cả về không, thời gian và định lượng. Có thể nói rằng ở đâu mưa nhiều thì ở đó dòng chảy phong phú, mùa mưa quyết định mùa dòng chảy, mùa lũ gắn liền với những tháng mùa mưa, mùa cạn gắn với những tháng mùa khô, các tháng mưa lớn thì dòng chảy cũng lớn. Theo rất nhiều kết quả nghiên cứu, ở nước ta lượng mưa trong các tháng mùa mưa thường chiếm khoảng 80% lượng mưa cả năm, đồng thời lượng dòng chảy trong mùa lũ cũng chiếm khoảng 70% lượng dòng chảy cả năm [15], [25], [26], [29], [34], [38], [40]. Kết quả của nhiều nghiên cứu, đặc biệt trong [34] đã chỉ ra rằng: đối với đặc điểm khí hậu và mặt đệm ở nước ta thì có thể nói rằng chu kỳ dòng chảy lũ là chu kỳ mưa trên lưu vực, và ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh đặc trưng mưa làm hệ số hiệu chỉnh dòng chảy lũ tương ứng, đồng thời tần suất mưa là tần suất dòng chảy lũ, đối với lưu vực nhỏ tính chất này càng khăng khít [34].
- Đối với lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta, tính chất của mưa quyết định tính chất của lũ, lượng mưa trong một trận mưa càng lớn, lượng dòng chảy lũ càng lớn, lũ càng ác liệt. Cường độ mưa càng lớn thì lớp nước lũ trên bề mặt lưu vực càng lớn làm tốc độ tập trung nước càng nhanh, kết quả là cường suất lũ
- 26 -
càng lớn. Phân phối mưa theo thời gian ảnh hưởng trực tiếp đến cường suất lũ và lưu lượng đỉnh lũ. Mưa tập trung với cường độ lớn sẽ hình thành lũ lớn và ngược lại.
1.1.4.3. Ảnh hưởng của các yếu tố mặt đệm.
- Tuy không có được ảnh hưởng quyết định như nhân tố mưa nhưng các yếu tố mặt đệm có ảnh hưởng quan trọng tới lưu lượng lũ tính toán của lưu vực công trình thoát nước nhỏ trên đường. Các yếu tố mặt đệm của lưu vực bao gồm: địa hình, địa mạo bề mặt lưu vực, địa chất thổ nhưỡng, hình dạng, diện tích lưu vực, lòng sông suối, cỏ cây, ao hồ, . . . . ảnh hưởng tới thời gian tập trung dòng chảy và lượng tổn thất.
- Địa hình ảnh hưởng ở các mặt: ảnh hưởng đến chế độ mưa (cao độ của địa hình, hướng đón gió ẩm của sườn núi ảnh hưởng đến chế độ mưa, lượng mưa - điều này được chỉ ra trong những nghiên cứu ở chương 2), độ dốc của địa hình (độ dốc của sườn dốc lưu vực Jsd, độ dốc của lòng sông suối chính Jls) ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước . Địa hình càng dốc thì tốc độ tập trung nước v càng nhanh nên thời gian tập trung nước càng nhỏ, lưu lượng lũ về càng lớn, cường suất lũ biến đổi càng mạnh.
- Yếu tố địa mạo bề mặt lưu vực ảnh hưởng ở các mặt: ảnh hưởng đến lượng mưa bị tổn thất và ảnh hưởng tới thời gian tập trung nước . Các yếu tố địa mạo gồm.
./ Lớp phủ bề mặt bằng vật liệu nhân tạo đối với lưu vực trong đô thị hay lớp phủ thực vật rừng, cỏ cây đối với lưu vực của đường ngoài đô thị.
./ Ao, hồ, đầm lầy trên bề mặt lưu vực.
./ Đặc trưng nhám bề mặt: nhám sườn dốc lưu vực và nhám lòng sông suối chính. +) Lớp phủ bề mặt lưu vực, rừng, cỏ cây, ao hồ, đầm lầy ảnh hưởng đến lượng tổn thất và có tác dụng điều tiết nhất định.
+) Đặc trưng nhám bề mặt lưu vực (độ nhám bề mặt sườn dốc lưu vực nsd, độ nhám lòng sông suối chính nls) ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước . Bề mặt lưu vực càng nhám thì tốc độ tập trung nước v càng nhỏ nên thời gian tập trung nước càng lớn, tốc độ lũ về chậm lại, cường suất lũ điều hòa hơn nên lưu lượng đỉnh lũ giảm đi.
- Điều kiện địa chất thổ nhưỡng của lưu vực quyết định đến lượng tổn thất nước mưa do thấm, đây là dạng tổn thất chính của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường, do vậy ảnh hưởng đến chiều dầy dòng chảy lũ trên bề mặt lưu vực nên ảnh hưởng tới thời gian tập trung nước của lưu vực.
- 27 -
1.1.4.4. Ảnh hưởng của giá trị tần suất thiết kế tới trị số lưu lượng lũ tính toán.
- Công trình thoát nước trên đường được thiết kế theo tần suất, do vậy ngoài nhân tố mưa, các yếu tố mặt đệm thì tần suất thiết kế p cũng ảnh hưởng tới trị số lưu lượng thiết kế.
- Giá trị tần suất thiết kế p lớn hay nhỏ ảnh hưởng đến giá trị lưu lượng lũ tính toán của công trình thoát nước nhỏ trên đường Qp. Khi thiết kế với giá trị tần suất p càng lớn (p = 10%, 20%, 50%, . . .) thì Qp tính ra càng nhỏ và ngược lại khi thiết kế với giá trị tần suất p càng nhỏ (p = 3%, 2%, 1%, . . .) thì Qp tính ra càng lớn.
- Khi thiết kế ở giá trị tần suất p nhỏ, lưu lượng thiết kế Qp lớn do vậy làm tăng khẩu độ công trình thoát nước và có thể làm tăng chiều cao nền đắp. Trong trường hợp này cần lưu tâm đến giải pháp vừa tăng khẩu độ, chiều cao công trình thoát nước đến mức hợp lý, vừa tăng số lượng công trình thoát nước nhỏ trên đường nhằm giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi, tốn kém do phải tăng chiều cao đắp nền đường. Giải pháp này đặc biệt hợp lý với công trình cống.
- Ở Việt Nam hiện nay, trong tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN4054-2005 [4] đang quy định mức tần suất thiết kế p = 1% - 4% đối với cầu nhỏ, cống, rãnh đỉnh, rãnh biên trên đường ôtô cấp I - VI và đường cao tốc. Trong tiêu chuẩn thiết kế thoát nước đô thị TCVN7957-2008 [8], quy định chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán thiết kế N = 10 năm - 0.33 năm đối với kênh, mương, cống chính, cống nhánh khu vực trên đường đô thị của thành phố lớn, loại I, đô thị loại II, loại III và các đô thị khác.
1.1.4.5. Tính chất ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính toán trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
- Trong công thức cường độ giới hạn sử dụng để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường, thông số cường độ mưa tính toán a,p ở thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế p là một đại lượng ảnh hưởng tổng hợp đến tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế, bởi vì nó thể hiện tác động của tất cả các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ thiết kế của công trình thoát nước nhỏ trên đường là nhân tố về mưa, các yếu tố mặt đệm và tần suất thiết kế.
- Thật vậy, theo công thức định nghĩa xác định cường độ mưa tính toán a,p [công thức (4.2)’ chương 4], thì: p p H a , ,
- 28 -
tần suất p hay lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế p
là thời gian tập trung nước của lưu vực.
Rõ ràng: ./ Chế độ mưa ở vùng thiết kế quyết định đến trị số lượng mưa lớn nhất thời đoạn tính toán H,p nên ảnh hưởng tới a,p.
./ Tần suất thiết kế p ảnh hưởng tới H,p nên ảnh hưởng tới a,p.
./ Các yếu tố mặt đệm ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước của lưu vực do vậy ảnh hưởng đến a,p.
- Ngoài ra, khác với thông số lượng mưa ngày tính toán Hn,p thì thông số cường độ mưa tính toán a,p còn phản ảnh được ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa.
Hình 1.4 cho thấy mặc dù có cùng lượng mưa ngày tính toán Hn,p nhưng ở hai vùng mưa I và vùng mưa II có hình dạng cơn mưa khác nhau thì lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán H,p
ở hai vùng mưa khác nhau và kết quả là cường độ mưa tính toán
a,p = H,p / cũng khác nhau. Hình 1.4: Ảnh hưởng của hình dạng cơn
mưa tới cường độ mưa tính toán a,p
- Như vậy: Qua việc phân tích trên cho thấy các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường như nhân tố mưa, các yếu tố mặt đệm, tác động của hoạt động kinh tế - xã hội của con người thông qua hai nhân tố là mưa và các yếu tố mặt đệm, cũng như thông số thời gian tập trung nước , thông số tần suất thiết kế p đều có ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ công trình thoát nước nhỏ trên đường thông qua tham số mang tính chất tổng hợp là cường độ mưa tính toán a,p.