giới thiệu
Việc đánh giá và kiểm tra của mô hình SWMM trên l−u vực Megginnis Arm ở Tallahassee, Florida sẽ trình bày. Các kết quả của mô hình mô phỏng liên tục và mô hình mô phỏng SWMM biến cố đơn sẽ giải thích và so sánh với việc lựa chọn các phân tích ứng dụng khoa học kỹ thuật của l−u vực cho sự dự báo các dòng chảy cực đại, kể cả việc sử dụng các trận lũ thiết kế tổng hợp. Sự biến đổi của các ph−ơng pháp luận sẽ đ−ợc so sánh cho nhiều chu kỳ, với tầm quan trọng trên các dòng chảy cực đại chu kỳ 5 năm bởi vì (việc ghi chép) các số liệu tự ghi trong một chu kỳ ngắn. Nhiều dữ kiện trong phần này đ−ợc lấy ra từ Huber và cộng sự., 1986.
L−u vực
Diện tích l−u vực Megginnis nhánh ở Tallahassee, Florida là 2230 ac, (hình 6.14) tiêu thoát xuống phía Bắc hồ Jackson của thành phố và gặp phải cả hai vấn đề phức tạp là chất l−ợng n−ớc và trong những năm gần đây do tính chất việc đô thị hoá ngày càng tăng. Số liệu dòng chảy bắt đầu từ năm 1973, và số liệu l−ợng m−a - dòng chảy đ−ợc cho tr−ớc năm 1979. Nó là địa điểm đã sử dụng hàng triệu đô la để cải tạo l−u vực bao gồm xây dựng các đập ngăn trên l−u vực và xây dựng đầm lầy nhân tạo và sử dụng mô hình USGS trong việc nghiên cứu dòng chảy đô thị (Franklin và Losey, 1984). Các bản báo cáo tóm tắt cải tạo cho l−u vực đ−ợc cho bởi Esry và Bowman, 1984 và những biến đổi số liệu cho vùng Tallahassee và l−u vực đ−ợc giải thích trong việc liên kết với các hình (6.5) và hình E6.7, bảng (6.5) và bảng E6.7, và ví dụ (6.7).
Số liệu đầu vào và việc đánh giá mô hình SWMM
L−ợng m−a đ−ợc biến đổi thành dòng chảy trong khối dòng chảy của mô hình SWMM bằng ph−ơng pháp đ−ợc minh hoạ trong ví dụ (6.8). T−ơng ứng với các thông số đầu vào đ−ợc liệt kê trong bảng (6.7). Độ dốc trung bình đ−ợc tìm thấy bằng việc lựa
chọn 8 điểm tại mép rìa của l−u vực, việc tính toán diễn toán của từng điểm tới cửa ra , phân chia các độ dài diễn toán dựa trên sự thay đổi độ cao, và rất hấp dẫn ở đây là một khu vực rộng lớn với 8 đồi có độ dốc trung bình.
Phần trăm vùng không thấm n−ớc đ−ợc thu đ−ợc từ việc nghiên cứu mô hình dễ hơn USGS vì đã đ−ợc Franklin và Losey, 1984 xác định.
Các thông số thấm Green - Ampt (ch−ơng I) đ−ợc tính toán bằng việc nhận biết các loại đất đá trong l−u vực (chủ yếu là cát) từ một bản đồ nghiên cứu đất đá quốc gia và khi đó tìm thấy độ dẫn thuỷ lực và sức hút mao dẫn cho từng loại đất đá từ số liệu đ−ợc xuất bản bởi Carlisle và cộng sự., 1981 đ−ợc xác định theo độ rỗng trung bình các loại đất đá.
Bảng 6.7. Các thông số khối dòng chảy cho l−u vực Megginnis Arm
Thông số Giá trị Diện tích 2230 ac (903 ha) Chiều rộng 6000 ft (1830 m) Phần trăm vùng không thấm n−ớc 28.3 Độ dốc 0.0216 Hệ số nhám Manning Không thấm n−ớc 0.015 Thấm n−ớc 0.35 Trữ l−ợng n−ớc vùng trũng Không thấm n−ớc 0.02 in (0.5 mm) Thấm n−ớc 0.50 in (13 mm)
Các thông số Geen - Ampt
Sự hút 18.13 in (146 mm)
Độ dẫn thuỷ lực 5.76 in/giờ (146 mm/giờ) Sự thiếu hụt độ ẩm ban đầu 0.15
Các giá trị độ nhám Manning đ−ợc lựa chọn từ các đ−ờng quá trình cơ bản trên loại đất có độ che phủ trung bình. Các giá trị số liệu bốc hơi trung bình vùng lòng chảo hàng tháng thu đ−ợc từ Dịch vụ thời tiết quốc gia (NWS) và đ−ợc xuất bản bởi Farmsworth và Thompson, 1982. L−ợng bốc hơi tính toán đ−ợc xác định bằng giá trị bốc thoát hơi n−ớc thực tế và đ−ợc hiệu chỉnh bằng một hệ số bồn địa (vùng lòng chảo là 0,7). Cuối cùng những đánh giá thông số đ−ợc trình bày trong bảng (6.7) (độ rộng gần l−u vực là một thông số kiểm tra nó đ−ợc thảo luận ở bên d−ới). Toàn bộ l−u vực đ−ợc trình bày khái quát chỉ sử dụng một l−u vực bên d−ới và không có diễn toán lòng dẫn để duy trì một thời gian tính toán hợp lý cho mô hình mô phỏng liên tục.
Số liệu l−ợng m−a - dòng chảy cho việc đánh giá và kiểm tra thu đ−ợc thuận tiện từ số liệu tự ghi USGS cho l−u vực. M−ời trận lũ lớn nhất đ−ợc lựa chọn từ thời đoạn 1979 - 1981 và đ−ợc phân chia một cách ngẫu nhiên vào hai nhóm 5 trận lũ một, một nhóm cho việc xác định các tham số của mô hình và một nhóm cho việc kiểm tra (10 trận lũ đ−ợc liệt kê trong bảng E6.7). Những trận lũ lớn hơn đ−ợc lựa chọn từ việc sử dụng sau cùng của mô hình l−u vực thiết kế. Việc đánh giá các trận lũ lớn là thích hợp hơn. Mô hình đ−ợc đánh giá cho 5 trận lũ đồng thời, đó là, trong khi việc duy trì các
giá trị thông số cho mỗi một thông số là giống nhau (Maalel và Huber, 1984). Việc đánh giá trữ l−ợng n−ớc sử dụng giá trị giả thiết của l−u vực không thấm n−ớc (hình 6.15); Do vậy, việc đánh giá cho các dòng chảy cực đại chỉ đạt đ−ợc bởi sự biến đổi độ rộng l−u vực bên d−ới (một thông số trong mô hình SWMM nó t−ơng đ−ơng với viêc tạo nên những thay đổi trong độ dốc hoặc độ nhám, xem ph−ơng trình (6.19)).
Hình 6.14: Bồn thu n−ớc Megginnis Arm ở Tallahassee, Florida. Cửa ra ở cuối hạ l−u của hồ chứa,
Các kết quả cho dòng chảy cực đại đ−ợc trình bày trong hình (6.16). Những cố gắng lớn hơn có thể tạo nên trong một cải tiến sự đánh giá, nh−ng sự phù hợp giữa các tổng l−ợng và dòng chảy trong đo đạc và dự báo đ−ợc trình bày trong các hình (6.15) và (6.16) đ−ợc xem xét thích hợp cho việc nghiên cứu này.
Sự kiểm tra đ−ợc hoàn thành bằng việc chạy số liệu cho 5 trận lũ khác nhau sử dụng các thông số giống nhau nh− trong việc đánh giá các ph−ơng trình chạy. Các kết quả của việc chạy kiểm tra đ−ợc so sánh với việc chạy hiệu chỉnh và cũng đ−ợc thể hiện trong các hình (6.15) và (6.16). Việc so sánh đ−ờng quá trình thuỷ văn đo đạc và dự báo từ việc chạy kiểm tra đ−ợc trình bày trong hình (6.17).
Hình 6.15. Sự phù hợp tốt của các tổng l−ợng dòng chảy.
Hình 6.16. Sự phù hợp tốt của các đỉnh dòng chảy
phân tích tần suất xuất hiện các kết quả liên tục
Khi việc kiểm tra đ−ợc hoàn thành, chạy liên tục 21.6 năm (259 tháng: từ tháng 8/1958 đến tháng 9/1979) sử dụng số liệu l−ợng m−a hàng giờ từ dụng cụ đo m−a NWS từ sân bay Tallahassee. Phân tích thống kê các dòng chảy để dự báo đ−ợc thực hiện
bằng việc sử dụng mô hình SWMM. Các chuỗi thời gian của các giá trị dòng chảy hàng giờ đ−ợc phân chia thành 1485 biến cố lũ độc lập bằng sự biến đổi thời gian biến cố vào nhỏ nhất (MIT; xem phần 6.3). Tại thời điểm đó thời gian biến cố chứa đựng trong hệ số biến đổi bằng 1.0, thời đoạn tính có giá trị của MIT = 19 giờ.
Hình 6.17. Đ−ờng quá trình thuỷ văn đo đạc và dự báo 27/9/1979 (chạy kiểm tra)
(Hình xuất theo kết quả chạy máy tính)
Khối số liệu thống kê của mô hình SWMM thực hiện việc phân tích một tần suất xuất hiện trên bất kỳ một thông số nào hoặc toàn bộ các thông số tiếp theo: Tổng l−ợng dòng chảy, dòng chảy trung bình, dòng chảy cực đại, thời gian biến cố và thời đoạn biến cố vào (nếu các chất gây ô nhiễm đ−ợc mô phỏng, những phân tích tần suất suất hiện cũng có thể đ−ợc thực hiện theo h−ớng tổng cộng, h−ớng trung bình, h−ớng đỉnh, thời gian tập trung trung bình dòng chảy - tổng l−ợng và thời gian tập trung đỉnh). Các biến cố lũ lụt đ−ợc phân loại và đánh giá bởi độ lớn của từng thông số liên quan với nhau và đ−ợc phân chia một chu kỳ thực nghiệm trong các tháng theo ph−ơng trình Weibul (3.79). Biến cố độ lớn lớn nhất cho sự mô phỏng 259 tháng này do vậy đ−ợc phân loại một chu kỳ 260 tháng. Kể từ đây, sự mô phỏng này, một biến cố chu kỳ 5 năm đ−ợc thay bằng các chu kỳ 52 và 65 tháng, cả hai loại này đ−ợc lựa chọn nh− “các biến cố thiết kế”.
Trên những nền tảng này, bốn trận từ số liệu tự ghi tr−ớc đ−ợc lựa chọn cho trận lũ 5 năm: Hai cơ sở để tính dòng chảy cực đại và hai cơ sở để tính tổng dòng chảy. Các đ−ờng quá trình m−a của các trận lũ đó đ−ợc thể hiện trong hình (6.18) và các tính chất của chúng đ−ợc liệt kê trong bảng (6.8).
Dĩ nhiên các chu kỳ của các trận lũ riêng biệt là khác nhau khi chúng đ−ợc phân loại bởi thông số khác. Khi bốn trận lũ liên quan đ−ợc phân loại bởi các thông số khác, các chu kỳ t−ơng ứng đ−ợc trình bày trong bảng (6.9). Lũ lụt V - 65 là rất hiếm bởi toàn bộ các ph−ơng pháp đo đạc, trong thực tế nó là ba trận lũ tự ghi lớn nhất trên các cơ sở của dòng chảy cực đại (và hai biến cố tổng l−ợng m−a lớn lớn nhất). Tuy nhiên,
khi trận lũ V - 52 đ−ợc phân loại bởi dòng chảy dòng chảy cực đại và khi trận lũ P - 52 đ−ợc phân loại bởi tổng l−ợng lũ, chúng đ−ợc xem là không đặc biệt hiếm, với các chu kỳ lần l−ợt là 7,4 và 6,8 tháng. Những chu kỳ cho các thể tích l−ợng m−a đ−ợc thể hiện trong bảng (6.9) thu đ−ợc từ các kết quả SYNOP (Driscoll và cộng sự., 1989; Cơ quan bảo vệ môi tr−ờng, 1976; Khoa học thuỷ văn, 1979) trình bày kỹ hơn trong bảng (6.5).
Bảng 6.8.Các tính chất của các trận lũ thiết kế lịch sử Số trận lũ * Ngày Thời gian dòng chảy (giờ) Thể tích dòng chảy (in) Thể tích l−ợng m−a (in) Đỉnh dòng chảy (ft3/s) Thời gian sự kiện sau cùng (giờ) Biến cố l−ợng m−a cuối (in) V-65 7/16/64 73 2.69 10.16 1670 74 0.27 V-52 7/26/75 97 2.39 9.3 685 31 0.07 P-65 7/21/69 58 1.61 6.11 1253 32 1.35 P-52 09-03-65 11 1.19 4.35 1224 67 0.11
* V có nghĩa là thay đổi thể tích, P có nghĩa là thay đổi đỉnh và các số tiếp theo quay trở
lại các giai đoạn trong các tháng.
Hình 6.18. Các đ−ờng quá trình m−a của các trận lũ lịch sử từ tần suất phân tích. P có nghĩa là cơ sở trên dòng chảy đỉnh (l−u l−ợng lớn nhất), V là cơ sở trên tổng l−ợng dòng chảy, các hệ số đếm
liên quan tới chu kỳ tháng (Huber và cộng sự, 1986).
Do vậy, mặc dù các chu kỳ đ−ợc tính toán hơi khác nhau, bảng (6.9) chứng minh sâu xa hơn rằng các chu kỳ của biến cố giống nhau đ−ợc phân loại bởi các thông số khác nhau là hiếm khi giống nhau.
Bốn trận lũ đ−ợc định nghĩa phía trên đ−ợc tính toán thông qua mô hình sử dụng các đầu vào l−ợng m−a hàng giờ với b−ớc thời gian là 15 phút, thay vì b−ớc thời gian 1 giờ đ−ợc sử dụng trong mô hình mô phỏng liên tục. Các kết quả đ−ợc mô tả sau đây.
Các trận m−a thiết kế tổng hợp
Sử dụng ph−ơng pháp đ−ợc minh họa trong ví dụ (6.4), một trận m−a thiết kế tổng hợp với chu kỳ 5 năm với thời đoạn tính toán 24 giờ đ−ợc cấu trúc theo đ−ờng cong phân bố loại II (Cục bảo vệ đất, 1964). Đ−ờng quá trình m−a hàng giờ đ−ợc thể hiện trong hình E6.4; Trận m−a tổng hợp này chắc chắn không giống với 4 trận m−a đ−ợc thể hiện trong hình (6.18). Việc lựa chọn thời đoạn tính toán 24 giờ cho các trận m−a đ−ợc tạo nên bởi hai lý do:
1, Nó th−ờng đ−ợc sử dụng trong ứng dụng công nghệ tại khu vực Tallahassee. 2, Các tính toán xấp xỉ của thời gian tập trung n−ớc của l−u vực sử dụng ph−ơng trình sóng động học (ph−ơng trình (6.6)) những đánh giá hiệu quả chọn thời đoạn tính dao động từ 13 đến 60 giờ, tuỳ thuộc vào sự lựa chọn l−ợng m−a phụ trội.
Do vậy, 24 giờ là biên độ nhỏ nhất có thể của thời gian tập trung n−ớc. Nh−ng khái niệm lựa chọn thời đoạn tính lũ một cách tuỳ tiện là một điểm đầu tiên làm sáng tỏ một sự khác nhau chủ yếu trong việc sử dụng các trận lũ thiết kế tổng hợp.
Bảng 6.9. Các chu kỳ (tháng) của trận lũ cho bởi thể tích, đỉnh dòng chảy, l−ợng m−a
Số trận lũ Ngày Chu kỳ tổng hợp Chu kỳ đỉnh dòng chảy Chu kỳ tổng l−ợng m−a
V-65 7/16/64 65 87 156
V-52 7/26/75 52 7.4 78
P-65 7/21/69 14 65 12
P-52 9/3/65 6.8 52 7.8
Những biến đổi các độ sâu 24 giờ từ các đ−ờng cong IDF đ−ợc so sánh với các trận lũ lịch sử trong bảng (6.5). Điều đó có thể thấy đ−ợc rằng mặc dù các độ sâu là có thể so sánh đ−ợc, các thời đoạn thực tế của các trận lũ lịch sử không phải chính xác 24 giờ. Việc lựa chọn các mô hình lũ lụt thiết kế đ−ợc thảo luận bởi Arnell, 1982 và đ−ợc minh họa cho vùng Tallahassee bởi Huber và cộng sự., 1986.
Các kỹ thuật thiết kế khác
Mô hình USGS (Franklin và Losey, 1984) thực hiện bằng việc phân tích tần suất xuất hiện lũ lụt trên 15 l−u vực trong vùng Tallahassee sử dụng sự kết hợp của ph−ơng pháp mô phỏng liên tục và ph−ơng pháp hồi quy đ−ợc thảo luận trong phần 6.4.
Ph−ơng trình hồi quy cho phần lớn khu vực Tallahassee là:
( ) a bp p p t C A IA
Q = . . (6.27)
trong đó
A: Diện tích l−u vực (mi2)
IA: Vùng không thấm n−ớc nh− tỉ lệ phần trăm của tổng diện tích A.
và Cp, a, b là các hệ số, chúng là các hàm của chu kỳ, nh− đ−ợc cho trong bảng (6.10). Các cực đại lũ đ−ợc tính toán bằng việc phân tích tần suất xuất hiện đ−ờng cong Pearson III và cũng đ−ợc liệt kê trong bảng (6.10), cùng với việc dự báo các cực đại lũ sử dụng ph−ơng trình (6.27). Khu vực Megginnis Arm có diện tích 3.44 (mi2) và phần trăm vùng không thấm n−ớc là 28.3%.
Sự xác định các hệ số (R2) cho ph−ơng pháp hồi quy biến đổi từ 0.97 đến 0.99 và cho các ph−ơng trình xác định. Các ph−ơng pháp dự báo bằng ph−ơng pháp hồi quy đ−ợc sử dụng chủ yếu trong các l−u vực không đ−ợc đo đạc. Do các ph−ơng pháp dự abos cho kết quả rõ ràng thấp cho vùng Megginnis Arm, do đó các giá trị đ−ờng cong Pearson 3 (LP3) sẽ đ−ợc sử dụng trong những so sánh tiếo theo với những việc dự báo của mô hình SWMM.
Bảng 6.10. Các hệ số cho việc dự báo đỉnh lũ ở vùng Tallahassee, sử dụng ph−ơng trình 6.27
Chu kỳ Cp a b Qp dự báo (ft3/s) Qp bằng LP3 (ft3/s) 2 10.7 0.766 1.07 986 1040 5 24.5 0.77 0.943 1480 1570 10 39.1 0.776 0.867 1850 1960 25 63.2 0.787 0.791 2350 2530 50 88 0.797 0.736 2760 3020 100 118 0.808 0.687 3180 3560 200 218 0.834 0.589 4380 5150
Ph−ơng pháp hợp lý cũng có thể đ−ợc ứng dụng. Các kết quả của ph−ơng pháp này cũng đ−ợc trình bày ở bên d−ới, sử dụng một hệ số dòng chảy là 0.27 (từ mô hình tổng hợp SWMM). Số liệu đ−ờng cong IDF của hình (6.5) và 3 giá trị biên độ dao động dựa trên phạm vi biến đổi tc của các giả thiết về c−ờng độ m−a, vùng không thấm n−ớc và thời gian sóng di chuyển trong các lòng dẫn.
kết quả
Mục tiêu chính của việc phân tích trên là so sánh các l−u l−ợng cực đại đ−ợc phát triển sử dụng luân phiên. Cho mục đích, này 4 trận lũ lịch sử và 5 trận lũ tổng hợp đ−ợc chạy trên một ph−ơng pháp biến cố - đơn cơ bản sử dụng phiên bản đánh giá của mô hình SWMM đ−ợc mô tả dễ dàng hơn. Cho việc chạy toàn bộ 9 lần, với b−ớc thời gian 15 phút đ−ợc sử dụng. Các dòng chảy cực đại đ−ợc tính toán bằng mô hình theo con đ−ờng này đến một mức độ nào đó lớn hơn cho các trận lũ xác định trong suốt thời kỳ mô phỏng liên tục vì những tính toán của mô hình SWMM các dòng chảy trung bình theo mức thời gian hàng giờ trong suốt thời mô phỏng liên tục (để tránh các lỗi lớn liên tục). Các kết quả tính toán cho toàn bộ các trận lũ đ−ợc trình bày trong bảng (6.11) kéo