J Thời gian (giờ) UH (ft3/s)
AB D Đất trồng trọt Không xử lý bảo quản
Đất trồng trọt Không xử lý bảo quản
Có xử lý bảo quản 72 62 81 71 88 78 91 81 Bãi cỏ Điều kiện kém
Điều kiện tốt 68 39 79 61 86 74 89 80 Cánh đồng cỏ điều kiện tốt 30 58 71 78
Rừng cây nhỏ Không có lớp phủ bảo vệ
Lớp phủ tốt 45 25 66 55 77 70 83 77 Đất trống, bãi cỏ, công viên, nghĩa địa
Cỏ phủ trên 75% diện tích Cỏ phủ 50-75% diện tích 39 49 61 69 74 69 80 84
Khu th−ơng mại và kinh doanh 89 92 94 95
Khu phố công nghiệp ( 72% không thấm) 81 88 91 93 Khu nhà ở 65% đất không thấm 38% đất không thấm 30% đất không thấm 25% đất không thấm 20% đất không thấm 77 61 57 54 51 85 75 72 70 68 90 83 81 80 79 92 87 86 85 84 Bãi để xe có lát, mái nhà, đ−ờng xe chạy ... 98 98 98 98 Phố và đ−ờng xá Cỏ lát lề đ−ờng, và rãnh thoát n−ớc Rải sỏi Đất 98 76 92 98 85 82 98 89 87 98 91 89 Ví dụ 2.8a ph−ơng pháp đ−ờng cong SCS
Một l−u vực với 40% rừng (điều kiện tốt) , 60% diện tích c− trú (1/4 – tổng diện tích). L−u vực có 50% đất nhóm B và 50% đất nhóm C. Xác định thể tích dòng chảy nếu nh− l−ợng m−a rơi là 7 in . Giả sử điều kiện ẩm ban đầu là điều kiện II (Bảng 2.1).
giải Loại đất Nhóm đất Diện tích CN B 0.4(0.5)=0.2 55 Rừng C 0.4(0.5)=0.2 70 B 0.6(0.5)=0.3 75 C− trú C 0.6(0.5)=0.3 83 Độ lớn CN là: CN = 0.2(55) +0.2(70) +0.3(75) +0.3(83) = 11 +14 + 23.5 +24.9 = 73.4
hoặc sử dụng CN bằng 73, tổng l−ợng dòng chảy là 4 in với một l−ợng m−a đã biết (hình 2.14).
Từ F = Pe – Q, ở đây Pe = P – Ia lấy từ ph−ơng trình 2.20:
F=Pe- Pe2/(Pe+S) = PeS/(Pe+S).P ≥ Ia (2.21) Chú ý rằng Ia và S là hằng số, ph−ơng trình 2.21 có thể đ−ợc dùng để tìm tỷ lệ thấm tức thời:
f = dF / dt = S2i / (Pe + S)2 (2.22) ở đây i = dPe/dt = dP/dt = c−ờng độ m−a rơi. Khi ta xem xét phần 1.5 sự phụ thuộc tỷ lệ thấm trên c−ờng độ m−a rơi không phụ thuộc vào các đặc tr−ng vật lý trừ phi toàn bộ l−ợng m−a rơi đều thấm hết f = i. Đây là hạn chế của ph−ơng pháp SCS khi sử dụng vào mục đích tính toán dòng chảy và l−ợng thấm trong một trận m−a. Ngoài ra ph−ơng pháp SCS còn đ−ợc sử dụng để tạo nên đ−ờng quá trình m−a của l−ợng dòng chảy thông qua ph−ơng trình 2.20 trên một b−ớc thời gian tích luỹ và đẩy mạnh việc xác định l−ợng dòng chảy là độ khác nhau giữa l−ợng l−u l−ợng tích luỹ Q tại mỗi b−ớc thời gian. Điều này đ−ợc minh hoạ trong ví dụ 2.8 b. Một ch−ơng trình tổng hợp dễ dàng phát triển để tính toán một cách đầy đủ ví dụ 2.8 b ( xem phần bài tập về nhà 2.16).
Ví dụ 2.8 b
Tăng l−ợng dòng chảy bằng sử dụng ph−ơng pháp SCS ph−ơng trình 2.20
Một l−ợng m−a rơi xuống đ−ợc giữ lại ở một l−u vực với CN = 75 (hình 2.14) hãy tính l−ợng trữ ẩm ban đầu và đ−ờng quá trình m−a hiệu quả cho mỗi giờ, áp dụng ph−ơng trình 2.21 cho F là hàm của thời gian.
giải
Cho CN = 75, S = (1000/75) -10 = 3.33 in, Ia = 0.2S = 0.67in.
L−ợng ẩm ban đầu hấp thụ toàn bộ l−ợng m−a với P = 0.67 in bao gồm 0.3 in giờ đầu tiên và 0.37 in giờ thứ 2. Cho P > 0.67 in, l−ợng ẩm tiếp theo F đ−ợc tính từ ph−ơng trình 2.21 : F = 3.33(P – 0.67)/(P + 2.67) cho mỗi giờ.
thấm tiếp theo, Pe = P – Ia - Fa,
Ph−ơng pháp SCS đ−ợc sử dụng rộng rãi trong ngành năng l−ợng và một phiên bản PC là thay đổi đối với l−u vực đô thị (SCS 1986). Các ph−ơng pháp có một số nh−ợc điểm nh− các điểm bên ngoài của Capece (1984). Nó thật khó khăn để xác định các đồ thị theo vùng có mực n−ớc lớn, các biến số điều kiện ban đầu (I, II và III) không thể xác định một cách chính xác. Lợi thế của ph−ơng pháp SCS là thông tin về đất đai là lớn, sử dụng những bản đồ địa chất, và những nghiên cứu quan hệ m−a - dòng chảy cụ thể.
Tổng l−ợng ẩm (in) Thời gian Tổng l−ợng m−a P (in.) Ia F L−ợng m−a còn lại Pe (in) Đ−ờng quá trình l−ợng m−a 0 0 0 0 0 1 0.3 0.3 0 0 0 2 0.7 0.67 0.03 0 0 3 1.4 0.67 0.6 0.13 0.13 4 2.8 0.67 1.29 0.83 0.7 5 4 0.67 1.66 1.67 0.84 6 4.5 0.67 1.77 2.06 0.39
Các phần 6.3 và 6.7 cung cấp một cách chi tiết các giả thiết của ph−ơng pháp SCS và các ký hiệu chuẩn, khi đ−ợc so sánh với các mô hình toán trong thuỷ văn. Ví dụ 2.8 c đã trình bày ph−ơng pháp đ−ờng quá trình đơn vị SCS dựa trên ph−ơng trình 2.18 đối với thời gian trễ.
Ví dụ 2.8 c
đ−ờng quá trình đơn vị SCS
Cho một l−u vực nh− ví dụ 2.7, xây dựng một đ−ờng quá trình đơn vị dựa vào ph−ơng pháp SCS . L−u vực có đồng cỏ điều kiện tốt với sỏi nhóm D. Độ dốc trung bình l−u vực là 100ft/mi. Giả sử thời gian m−a rơi là giống nhau nh− ví dụ 2.7. Phác hoạ kết quả đ−ờng quá trình tam giác.
giải
Ph−ơng trình 2.18 cho biết các quan hệ sau của tp: tp = e0.8(S=1)0.7/1900y0,5).
Từ bảng 2.1 số liệu SCS đ−ợc tìm thấy là 78, sau đó tính: S = 1000/CN – 10 = 1000 /78 –10 S = 2.82 in. Từ ví dụ 2.7 L = 1.8 mi vì vậy: l = (18mi)(5280ft/mi) = 95.040 ft. Độ dốc là 100 ft/mi vì vậy: y = 9100ft/mi)(1mi/5280ft)(100%)
y = 1.9 % và
tP = (95.040)0.8(2.82 +1)0.7 /(1900*1.90.5) = 9.4 giờ Từ ph−ơng trình 2.17 và D = 1.6 giờ từ ví dụ 2.7: tR = D/2 = tp = (1.6/2) + 9.4 giờ = 10.2 giờ và ph−ơng trình 2.16 cho biết:
QP = 484A/tR = 484(100) / 10.2 QP = 4.745 ft3/s.
Để hoàn thành đ−ờng quá trình càn thiết phải biết thời gian m−a rơi B. Thể tích đ−ợc biết là một in của dòng chảy trực tiếp trên toàn bộ l−u vực. Vì vậy:
Vol = (100 mi2)(5280ft/mi)2(ac/43.560ft2)(1 in) = 64.000 (ac - in). Từ ph−ơng trình 2.14:
Vol = 0.5(QPTR + QPB) = 64.000 (ac - n) = 64000ft3/s-giờ, 64000 ft3/s-giờ = 4745 ft3/s*190.2 giờ/2 + 94745 ft3/s *B giờ)/ 2 Vì vậy B = 16.8 giờ.
Hình E 2.8 c
Đ−ờng quá trình đơn vị hình tam giác đ−ợc biểu diễn trong hình E2.8c và nên so sánh với hình E2.7.
Ph−ơng pháp Espey
Nhiều ph−ơng pháp đ−ờng quá trình đơn vị đã đ−ợc phát triển dựa trên phân tích các số liệu thống kê l−u vực đo đạc ở những vùng cụ thể tại n−ớc Mỹ. Những ph−ơng pháp này th−ờng có mối quan hệ thời gian tới đỉnh và QP để cho biết các đặc tr−ng nh−: chiều dài l−u vực, diện tích l−u vực, độ dốc, tỷ lệ không thấm. Espey và Winslow (1968) đã phát triển cho vùng đô thị và vùng nông thôn ở Texas thành đ−ờng quá trình đơn vị 30 phút. Các ph−ơng trình đồ thị đã áp dụng thành công ở thủ đô Horton (Smith và Bedient, 1980).
tp = (16.4 ↵ L0.316S-0.0488I-0.49 ) – 15 (2.23)
QP = 3.54 * 104(tP+15)-1.1A, (2.24)
tP = thời gian tới đỉnh từ giữa thời kỳ m−a (phút) Qp = l−u l−ợng lớn nhất (ft3/s)
φ = hệ số vô h−ớng (0.8 – 1.3) L = chiều dài kênh chính (ft) S = độ dốc kênh chính
I = diện tích vụng không thấm (%) A = diện tích l−u vực (mi2)
Chỉ số φ phụ thuộc các loại kênh, nằm trong khoảng 0.8 đối với kênh nhân tạo, và 1.3 đối với kênh tự nhiên. Chú ý nên áp dụng các ph−ơng trình đã đ−ợc tìm cho các loại kênh với những độ dốc và loại đất cụ thể. Trong ví dụ 2.9 đã minh hoạ học thuyết Espey cho l−u vực nhỏ với một loại đất nhất định.
Espey và Atman (1977) đã mở rộng học thuyết và phát triển ph−ơng pháp đ−ờng quá trình đơn vị 10 phút với một l−u vực nhỏ trong thành phố. Họ đã thử nghiệm với 41 l−u vực (18 ở Texas) diện tích từ 0.014 đến 15 mi2. Trong vùng A, độ dài kênh chính L, độ dốc kênh là S, vùng không thấm I, và nhân tố ảnh h−ởng φ đ−ợc chọn là các tham số đặc tr−ng cho tính chất vật lý của mỗi l−u vực. Các ph−ơng pháp thực nghiệm có thể đ−ợc áp dụng cho những kênh nhỏ, ở đây các quan hệ ch−a đ−ợc phát triển một cách đầy đủ. Bảng 2.2 đã miêu tả một cách chi tiết các ph−ơng trình thực nghiệm của đ−ờng quá trình đơn vị 10 phút, dựa vào nhân tố hình dạng theo độ rộng và thời gian. Các l−ợc đồ này làm đơn giản hoá việc xây dụng đ−ờng quá trình đơn vị.
Bảng 2.2. Các ph−ơng trình đ−ờng quá trình đơn vị 10 phút dựa vào ph−ơng pháp Espey – Atman
Các ph−ơng trình Các biến tổng cộng Số hiệu ph−ơng trình
TR = 3.1L0.23S-0.25I-0.18φ1.57 0.802 (2.25) Q = 31.26*103 A0.96TR-1.07 0.936 (2.26) Q = 31.26*103 A0.96TR-1.07 0.936 (2.26)
TB = 125.89*103AQ-0.95 0.844 (2.27)
W50=16.22*103A0.93Q0.92 0.943 (2.28)W75 = 3.24*103A0.79Q-0.78 0.834 (2.29) W75 = 3.24*103A0.79Q-0.78 0.834 (2.29)
L = Tổng khoảng cách từ điểm đang xem xét tới th−ợng nguồn kênh chính (ft). S = Độ dốc kênh chính (ft/ft) đ−ợc xác định bằng (H/0.8L), ở đây L là tổng độ dài kênh chính nh− đã xét ở trên và H là khoảng lệch giữa hai điểm A và B. A là điểm ở đáy kênh cách hạ l−u 0.2L. B là điểm ở đáy kênh và cách th−ợng l−u 0.2L. Tại l−u vực đang xem xét.
I = Diện tích l−u vực không thấm (%).
Φ = Hệ số vô h−ớng ảnh h−ởng đến l−u vực nh− miêu tả trong phần thuyết minh A = Diện tích l−u vực (dặm2)
TR = Thời gian nhánh lên của đ−ờng quá trình đơn vị (phút). Q = Đỉnh đ−ờng quá trình l−u l−ợng của biểu đồ đơn vị (ft3/s). TB = Thời gian chuẩn của biểu đồ đơn vị (phút).
W50= Độ rộng đ−ờng quá trình tại vị trí 50% Q (phút). W75= Độ rộng đ−ờng quá trình đơn vị tại vị trí 75% Q (phút).
Ví dụ 2.9
Ph−ơng pháp Aspey – Winslow
Sử dụng ph−ơng pháp này để xây dựng đ−ờng quá trình đơn vị 30 phút cho một l−u vực với các tham số sau.
Φ = 1.2 L = 20.000 fit S = 0.0019 fit/fit I = 25% A = 4.7 dặm2 giải Từ những ph−ơng trình (2.23) và (2.24) có tp = (16.4φL0.316S-0.048I-0.049) – 15 (phút) Qp = 3.54 * 104(tp + 15)-1.1 A (ft3/s) Do vậy tp = [(16.4)(1.2)(20.000)0.316(0.0019)-0.048(25)-0.049] = 111 phút và Qp = 3.54 * 104(111+15)1.1(4.7) = 814 ft3/s. Hình E 2.9
Giả sử với biếu đồ hình tam giác
TR = D/2 + tp = 2.15 giờ
và TB = 2A/Qp
= (2 in)(4.7 dặm2 )(640ac/dặm2)/814 ft3/s = 7.4 giờ.
Nếu nh− các ph−ơng trình 30 phút của Espey đ−ợc sử dụng cho thời gian cơ sở, độ rộng tại 50% và 75% đỉnh đ−ờng quá trình, thì có thể làm trơn đ−ợc đ−ờng quá trình UH, ở đây
W50 = 4.14/60 *104A1.03Q-1.04 = 3.2 giờ W75=1.34/60 *104A0.92Q-0.94 = 1.7 giờ Đ−ờng cong UH đ−ợc trình bày trong hình 2.9
2.5
các ứng dụng của đ−ờng quá trình thuỷ văn đơn vị
Một biểu đồ đơn vị của một thời kì nhất định đ−ợc xây dựng trên cơ sở l−ợng m−a đã biết hoặc cơ sở lý thuyết đ−ợc xây dựng cho một l−u vực cụ thể với những điều kiện riêng biệt. Nó có thể đ−ợc ứng dụng rộng trong việc tính toán thuỷ văn sau đây (hình 2.15).
1. Tạo các biểu đồ m−a với các khoảng thời gian m−a cách nhau (10, 25, 100 năm) có thể dựa vào việc thêm và thời gian trễ (hình 2.11)
2. Hiệu quả sử dụng đất, các kênh thay đổi, sức chứa n−ớc tăng lên, và các thay đổi khác cũng đ−ợc kiểm tra để xác định sự thay đổi trong biểu đồ đơn vị (hình 2.11).
3. Các biểu đồ thuỷ văn cho những l−u vực, bao gồm cả một số l−u vực lân cận có thể đ−ợc giả định bởi việc tăng thời gian, thời gian trễ, và sự biến đổi của dòng chảy đã tạo ra đ−ờng quá trình đơn vị trong l−u vực (ch−ơng 4). Hiệu quả của các yếu tố m−a rơi và phân bố sử dụng đất có thể đ−ợc kiểm tra bằng ảnh h−ởng của các yếu tố thuỷ văn trên l−u vực lớn (hình 2.15b), xem ví dụ 2.10.
4. Ph−ơng pháp tính sức chứa (ch−ơng 4) có thể đ−ợc sử dụng để chuyển đổi đ−ờng quá trình đơn vị qua một bể chứa hoặc khả năng chứa n−ớc của l−u vực bằng độ rộng đỉnh lũ hoặc thời gian trễ .
Ví dụ 2.10
Sử dụng đ−ờng cong đơn vị để tạo ra đ−ờng quá trình thuỷ văn do m−a
Một l−u vực bao gồm một cửa ra, một khu công nghiệp nặng, mỗi một l−u vực chiếm 50% diện tích. L−ợng m−a rơi xuống l−u vực, l−ợng tổn thất trung bình, và một hệ thống đ−ờng cong đơn vị 1-giờ đã biết nh− trong hình E2.10. Tính:
a) 1/2 diện tích l−u vực,
b) Đỉnh của đ−ờng quá trình m−a cho 1/2 l−u vực A c) Đỉnh của đ−ờng quá trình m−a cho 1/2 l−u vực B d) Đỉnh của toàn bộ đ−ờng quá trình m−a tại cửa ra.
Hình 2.15. Các ứng dụng của đ−ờng cong đơn vị