2.2. Cơ sở xác định cường độ mưa tính toán
2.2.4. Các phương pháp xác định cường độ mưa tính toán
Các phương pháp trong nước và ngoài nước
Việc xác định cường độ mưa tính toán luôn là vấn đề khó khăn và phức tạp.
Các nghiên cứu trong nước và quốc tế hiện nay có các hướng sau đây để xác định aT,p .
* Phương pháp tính trực tiếp aT,p :
Trên cơ sở có đủ số liệu quan trắc đo mưa thực tế bằng máy đo mưa tự ghi tại các trạm khí tượng, dùng phương pháp phân tích thống kê tính ra giá trị cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn mưa tính toán T và tần suất thiết kế p ( trong tính toán lưu lượng công trình thoát nước, thời đoạn đầu mưa tính toán T được lấy bằng thời gian tập chung nước τ của lưu vực). Có thể lập thành biểu đồ quan trắc quan hệ cường độ mưa - thời gian – tần suất cho từng vùng có chế độ mưa như nhau, sử dụng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Xu hướng này được sử dụng thịnh hành ở Mỹ, Nhật, Úc …. Và các nước phát triển có hạ tầng mạng lưới các trạm khí tượng đo mưa tự ghi đầy đủ, lâu dài.
Phương pháp trực tiếp được sử dụng khi có được số liệu đo mưa tự ghi thực tế với số năm quan trắc đủ dài. Đây được đánh giá là phương pháp cho kết quả xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p chính xác nhất, do vậy nó cần được khuyến khích và ưu tiên lựa chọn trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường khi có đủ điều kiện về số liệu đo mưa tự ghi.
Ngoài ra, trong luận án này, kết quả xác định cường độ mưa tính toán aT,p của phương pháp trực tiếp được sử dụng làm cơ sở đối chứng để đánh giá sai số khi
xây dựng các công thức thực nghiệm xác định cường độ mưa tính toán trong phương pháp gián tiếp.
* Phương pháp gián tiếp xác định aT,p
- Xác định cường độ mưa tính toán aT,p dựa vào lượng mưa ngày tính toán HT,p và hệ số đặc trưng hình dạng của cơn mưa ψT
+ Điều kiện áp dụng:
Đây thuộc nhóm phương pháp gián tiếp. Nó được dùng khi điều kiện về tài liệu đo mưa bằng máy đo mưa tự ghi không có hoặc còn thiếu, chưa đủ dài để có thể áp dụng phương pháp tính trực tiếp, khi này có thể sử dụng phương pháp gián tiếp này để tính cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p. Mặt khác, sử dụng phương pháp này cho phép tận dụng được nguồn số liệu đo lượng mưa ngày rất đầy đủ, sẵn có, liên tục, đủ dài ở tất cả các trạm đo mưa trên toàn quốc.
+ Công thức tính :
;
(2.14 trong đó :
aT,p - Là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T, tần suất p ;
ψT – Là hệ số đặc trưng hình dạng của cơn mưa ở thời đoạn T, lập cho từng vùng mưa;
Hn,p - Là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p;
T – Là thời đoạn mưa tính toán, khi tính toán lưu lượng Qp lấy T = τ . Công thức (2.14) được xây dựng dựa trên cơ sở sau:
Từ lượng mưa ngày đo được Hn,p ta sẽ xây dựng được quan hệ giữa lượng mưa tính toán tại thời đoạn T, tần suất p và đặc trưng hình dạng của cơn mưa :
HT,p = ψT .Hn,p
Chia hai vế cho T ta được :
Theo định nghĩa về cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p,thì :
trong đó :
aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p(mm/ph);
ψT là hệ số đặc trưng hình dạng của cơn mưa ở thời đoạn T, ở từng vùng mưa;
Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p( mm);
T là thời đoạn mưa tính toán (ph). Khi tính Qp lấy T = τ.
- Như vậy đối với mỗi vùng mưa, nếu xây dựng được giá trị của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ΨT ở thời đoạn tính toán T và giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất p thì có thể tính được cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p theo công thức (2.14) phục vụ cho việc tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
Phương pháp này do Alêchxâyep đề xuất được sử dụng ở Liên Xô trước đây và hiện nay đang được sử dụng ở Việt Nam để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, mà cụ thể là trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN 9845 – 2013
- Xây dựng các công thức thực nghiệm để tính cường độ mưa tính toán + Ở Liên Xô cũ, Trung quốc thường dùng dạng chung là:
(2.15)
Hoặc một số công thức tương tự :
Công thức của G.A. Alechxayep :
(2.16)
Công thức của D.L. Skolopsky :
(2.17)
trong đó :
S – Sức mạnh của trận mưa biểu thị mối quan hệ giữa cường độ mưa và tần suất thiết kế; sức mưa Sp ở tần suất p tính theo công thức :
Sp = A+B lgN;
A, B, b là các hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán ( năm ), N= 100/p với p là tần suất thiết kế tính theo %;
T là thời đoạn mưa tính toán .
Như vậy, đối với mỗi vùng mưa, khi xây dựng được đặc trưng sức mưa Sp ở tần suất p và hệ số hình dạng con mưa m thì có thể tính được cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p theo công thức (2.15) phục vụ cho việc tính lưu lượng thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường.
Được sử dụng trong trường hợp tài liệu đo mưa thực tế bằng máy đo mưa tự ghi không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, ngay cả trong trường hợp số liệu đo lượng mưa ngày cũng không có hoặc còn thiếu, chưa đủ dài. Nhưng lại biết được hệ số hình dạng cơn mưa m của vùng mưa và sức mưa Sp ở tần suất p.
+ Ở Ấn Độ thường dùng dạng :
(2.18)
trong đó :
K, x, c , m là các hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán ; T là thời đoạn tính toán.
+ Ở Mỹ thường dùng dạng :
(2.19) trong đó :
C, m, d là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và chu kỳ lặp lạo của cơn mưa tính toán N;
T là thời đoạn mưa tính toán.
+ Ở Nhật Bản có các dạng công thức thường dùng là : Công thức Talbol :
(2.20)
Công thức Bemard :
(2.21)
Công thức Kimiijma :
(2.22)
Công thức Sherman :
trong đó :
C, b, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và chu kỳ lặp lại các cơn mưa tính toán N, T thời đoạn mưa tính toán.
+ Ở Malaysia thường dùng là :
(2.23)
trong đó : c, k, d, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa ; N là chu kỳ gặp lại cơn mưa tính toán, T là thời đoạn mưa tính toán.
+ Ở Hàn Quốc thường dùng là :
(2.24)
trong đó : k, x, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa, N là chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán, T là thời đoạn mưa tính toán.
+ Ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu để phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta, các công thức thường được sử dùng thường ở dạng công thức
(2.25)
+) Năm 1980, GS. TSKH Nguyễn Xuân Trục đề xuất sử dụng công thức dạng như sau :
trong đó :
aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p;
A,B là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào vùng mưa;
N là chu kỳ lặp lại của cơn mưa tính toán;
T là thời đoạn mưa tính toán.
Như vây, đối với mỗi một vùng mưa, khi xác định được hệ số vùng khí hậu A, B và hệ số hình dạng cơn mưa m thì có thể tính được cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p theo công thức (2.26) phục vụ cho công việc tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
Giáo sư đã xây dựng hệ số A, B,m cho 18 trạm đại diện ở 18 vùng mưa trên toàn quốc. Khi cần tính không phải trạm đại diện thì cường độ mưa trạm cần tính được hiệu chỉnh theo công thức :
trong đó :
aT,p, a*T,p là cường độ mưa tính toán ở trạm cần tính và trạm đại diện;
HT,p, H*T,p là lượng mưa ngày tính toán ở trạm cần tính và trạm đại diện trong cùng vùng mưa.
Công thức (2.26) được sử dụng trong trường hợp tài liệu đo mưa thực tế bằng máy đo mưa tự ghi không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, ngay cả trong trường hợp số liệu đo lượng mưa ngày cũng không có hoặc còn thiếu, chưa đủ
dài. Nhưng lại biết được hệ số hình dạng cơn mưa m và các hệ số vùng khí hậu A, B của vùng mưa.
+) Năm 1973, TS Trần Hữu Uyển đề nghị sử dụng công thức như sau:
trong đó :
aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p;
A,B, b, k là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào vùng mưa;
T là thời đoạn mưa tính toán.
Tác giả đã xác lập các giá trị A, B, b, k cho 34 thành phố trong cả nước, đến năm 1991 tác giả xác lập lại các giá trị A, B, b, k, m với số liệu đo mưa mới.
+) Năm 1979, TS Trần Việt Liễn đề nghị sử dụng công thức dạng :
trong đó :
aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p;
A, B, b là hệ số vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào vùng mưa;
N là chu kỳ lặp lại của cơn mưa tính toán;
T là thời đoạn mưa tính toán.
Tác giả đã xác lập các giá trị A, B, b, m cho 47 trạm đo mưa trong cả nước.
+) Công thức tính aT,p chung cho toàn miền Bắc Việt Nam của ĐH Xây Dựng Hà Nội như sau:
trong đó :
aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p;
N là chu kỳ lặp lại của cơn mưa tính toán;
T là thời đoạn mưa tính toán;
K1 là hệ số khí hậu, đê chuyển trị số cường độ mưa tính toán chung toàn miền Bắc về khu vực tính toán thiết kế, K1 = S1%/28;
S1% vũ suất của vùng thiết kế ứng với tần suất 1% tra bảng lập sẵn;
28 là vũ suất trung bình của toàn miền Bắc ứng với tần suất 1%.
+) Năm 1980, GS.TS Ngô Đình Tuấn, Trường Đại học Thủy Lợi, trong luận án tiến sỹ của mình đã đề xuất công thức như sau:
aT,p = amax,p.e-Tm ; ( 2.30) trong đó :
aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p;
amax,p là cường độ mưa giới hạn khi T 0, ở tần suất p;
m là hệ số hình dạng của cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
T là thời đoạn mưa tính toán.
Tác giả đã xây dựng phương pháp luận xác định các thông số amax,p và hệ số hình dạng cơn mưa m trong công thức, đã xác lập giá trị các hệ số này cho một số trạm khí tượng ở nước ta như: trạm Láng, Sa Pa, Vinh, Lai Châu, Hà Giang, Đà Nẵng, Tân Sơn Nhất, Rạch Giá, Liên Khương, Bảo Lộc.
+ Năm 2006, tác giả Lê Minh Nhật, Yasuto TACHIKAWA và Kaoru TAKARA đã sử dụng các công thức thường dùng ở Nhật Bản để tính cường độ mưa tính toán aT,p (thể hiện kết quả tính toán bằng đường cong quan hệ cường độ - thời gian - tần suất) cho 7 trạm khí tượng ở Việt Nam thuộc lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình là các trạm Láng, Bắc Giang, Hải Dương, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Văn Lý với chuỗi số liệu đo mưa thực tế dài 30 năm, từ 1956 - 1985. Từ các dạng công thức thường dùng ở Nhật Bản tác giả Lê Minh Nhật trong luận án tiến sĩ của mình đã rút ra dạng công thức chung như sau để tính cường độ mưa tính toán aT,p.
trong đó :
C, b, v, m là các hệ số vùng khí hậu phụ thuộc vào vùng mưa và chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán N;
T là thời đoạn mưa tính toán.
+) Năm 2008, tại hội nghị Châu Á về mưa tổ chức ở Indonesia, tác giả Trần Thục và nnk, Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và môi trường, đã sử dụng dạng công thức thường dùng ở Mỹ (công thức Wenzel, 1982) để khảo sát, tính cường độ mưa tính toán aT,p (thể hiện kết quả bằng đường cong quan hệ cường độ - thời gian - tần suất) cho 4 trạm khí tượng ở Việt Nam là Phú
Quốc, Nho Quan, Tuần Giáo, Tam Đảo với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập tại các trạm này dài 29 năm, từ năm 1976 - 2004.
+ Công thức tính cường độ mưa tính toán theo hệ số quy hồi của vùng khí hậu α, hệ số hình dạng của cơn mưa m và lượng mưa ngày tính toán Hn,p.
trong đó :
aT,p là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p (mm/ph);
α là hệ số hồi quy của vùng khí hậu, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
m là hệ số hình dạng cơn mưa, phụ thuộc vào từng vùng mưa;
Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p (mm);
T là thời đoạn mưa tính toán (ph). Khi tính Qp lấy T = �.
Như vậy, với mỗi vùng mưa, khi xác định được hệ số hồi quy của vùng khí hậu α, hệ số hình dạng cơn mưa m thì có thể tính được cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p theo công thức (2.32) thông qua lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p, phục vụ việc tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
Công thức (2.32) được sử dụng khi tài liệu đo mưa tự ghi thực tế không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, trong khi đó số liệu đo lượng mưa ngày lại rất đầy đủ, kéo dài và biết được hệ số hình dạng cơn mưa m, hệ số hồi quy của vùng khí hậu α của vùng mưa.
+ Xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng phương pháp sử dụng trạm tựa
++) Cơ sở của phương pháp:
Cơ sở để phân vùng mưa là sự tương đồng về chế độ, đặc điểm mưa giữa các điểm đo mưa. Trong cùng một vùng mưa thì đặc điểm của mưa tại các vị trí có sự khác biệt ít, được coi là không đổi. Các hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ΨT, hệ số hình dạng cơn mưa m là những thông số đặc trưng cho đặc điểm mưa trong một vùng mưa nên được coi là không thay đổi, như nhau tại các vị trí trong cùng một vùng mưa.
Dựa vào đặc điểm này, có thể xác định được cường độ mưa tại một trạm khi biết được cường độ mưa tại trạm lân cận ở trong cùng một vùng mưa. Trạm lân cận lấy làm cơ sở được gọi là trạm tựa và phương pháp này được gọi là phương pháp tính cường độ mưa bằng cách sử dụng trạm tựa.
++) Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội suy theo lượng mưa ngày tính toán Hn,p
Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội suy theo lượng mưa ngày tính toán Hn,p được kiến nghị dùng công thức sau :
trong đó:
aT,p2 là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p ở trạm ‘‘2’’, là trạm cần tính (mm/ph) ;
aT,p1 là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p ở trạm ‘‘1’’, là trạm tựa (mm/ph);
Hn,p2 là lượng mưa ngày tính toán ở cùng tần suất của trạm cần tính (mm) ;
Hn,p1 là lượng mưa ngày tính toán ở cùng tần suất p của trạm tựa (mm).
- Như vậy, nếu công thức (2.33) trên sau khi được đánh giá sai số cho kết quả đảm bảo độ chính xác cần thiết thì hoàn toàn có thể được sử dụng để xác định cường độ mưa tính toán aT,p tại khu vực thiết kế công trình căn cứ vào một trạm tựa trong cùng phân vùng mưa, nội suy theo lượng mưa ngày tính toán.
Công thức (2.33) được sử dụng khi trạm cần tính chỉ có số liệu đo mưa ngày liên tục, đủ dài nhưng lại không có số liệu đo mưa tự ghi hoặc còn ngắn, trong khi đó lại có sẵn một trạm tựa trong vùng mưa có số liệu đo mưa tự ghi đủ dài.
++) Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội suy theo đặc trưng của sức mưa Sp
Công thức trên được sử dụng khi trạm cần tính có số liệu đo mưa tự ghi còn ngắn, có được giá trị đặc trưng sức mưa theo tần suất và có được một trạm tựa trong cùng vùng mưa có số liệu đo mưa tự ghi đủ dài. Trong đó : aT,p2 - cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p ở trạm ‘‘2’’, là trạm cần tính (mm/ph) ;
aT,p1 - cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p ở trạm ‘‘1’’, là trạm tựa (mm/ph);
Sp2 - sức mưa ở cùng tần suất p của trạm cần tính;
Sp1 - sức mưa ở cùng tần suất p của trạm tựa.
Như vậy, nếu công thức (2.34) trên sau khi được đánh giá sai số cho kết quả đảm bảo độ chính xác cần thiết thì hoàn toàn có thể sử dụng để xác định
cường độ mưa tính toán aT,p tại khu vực thiết kế công trình căn cứ vào một trạm tựa trong cùng một phân vùng mưa, nội suy theo sức mưa.
Điều kiện áp dụng : Phương pháp trạm tựa dùng để xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở trạm không có số liệu đo mưa tự ghi, chỉ có số liệu đo lượng mưa ngày hoặc được sử dụng để tính, hiệu chỉnh kết quả xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở những trạm mà số liệu đo mưa tự ghi còn ngắn hoặc bị khuyết một số năm quan trắc trong khi có sẵn một trạm tựa trong cùng vùng mưa. Trạm tựa phải là trạm có đầy đủ số liệu đo mưa tự ghi quan trắc trong nhiều năm liên tục.
Để nâng cao mức độ chính xác thì vấn đề chọn được trạm tựa phù hợp rất quan trọng. Trạm tựa được chọn phải là trạm có chế độ, đặc điểm mưa rất giống trạm cần tính, thông thường trong một vùng mưa những trạm có vị trí càng gần nhau, cùng khu vực địa hình thì mức độ thỏa mãn làm trạm tựa càng cao.
Tùy theo cơ sở dữ liệu có sẵn (có được Hn,p hay Sp) hoặc tùy theo mối tương quan nào tốt hơn trong hai mối tương quan lượng mưa ngày tính toán theo tần suất Hn,p hoặc sức mưa theo tần suất Sp giữa trạm cần tính và trạm tựa mà ta lựa chọn nội suy theo lượng mưa ngày tính toán Hn,p hoặc nội suy theo sức mưa Sp để có được kết quả tính aT,p chính xác nhất
* Nhận xét về các công thức tính aT,p :
Dù các công thức của các tác giả khác nhau là khác nhau, thêm hay bớt đi vài hệ số quy hồi trong từng công thức, nhưng nhìn chung của chúng thuộc dạng công thức thực nghiệm để tính cường độ mưa dựa vào đặc trưng sức mưa S và hệ số hình dạng cơn mưa, hay hệ số khí hậu từng vùng…. Theo đó, sức mưa biểu thị quan hệ tỷ lệ thuận của cường độ mưa với chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán, còn với thời đoạn tính toán thì cường độ mưa biểu thị mối