2.2. Cơ sở xác định cường độ mưa tính toán
2.2.3. Các phương pháp xác định cường độ mưa
- Các khái niệm :
+ Cường độ mưa theo lớp nước I :
(2.3)
+ Cường độ mưa theo thể tích q :
;
(2.4)
trong đó :
h - chiều cao lớp nước, mm ;
W – Thể tích nước mưa rơi xuống trên 1 đv diện tích , l/ha;
t – thời gian mưa, ph;
Liên hệ giữa q và I :
q = 166,7 x I + Thời gian mưa :
Là thời gian kéo dài của trận mưa ( tính bằng ph, h).
Khi tính toán cường độ mưa bằng PP cường độ giới hạn người ta cho rằng thời gian mưa là thời gian hạt mưa rơi xuống tại vị trí xa nhất sẽ chảy đến mặt cắt công trình đang xét, gọi là thời gian mưa tính toán.
+ Tần suất mưa Pm và chu kỳ tràn cống P
* Tần suất mưa Pm (%)
Là xác suất lặp lại trận mưa cùng thời gian có cường độ bằng hoặc lớn hơn cường độ của trận mưa đã định.
m – Số lần mưa có cường độ bằng hoặc lớn hơn cường độ của trận mưa đã định;
Nn – Số năm quan trắc ( tổng số số liệu có trong tài liệu ).
* Chu kỳ mưa P0
Là thời gian (năm) lặp lại của trận mưa có cường độ bằng hoặc lớn hơn cường độ của trận mưa đã định.
* Chu kỳ tràn cống P
Là thời gian (tính bằng năm ) lặp lại trận mưa vượt quá cường độ mưa tính toán ( vượt quá sức chuyển tải của cống thoát nước).
+ Hệ số đặc trưng hình dạng của cơn mưa ΨT và phân vùng mưa.
Trong quy phạm thủy lợi, QP.TL.C-6-77 Quy phạm tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế, ban hành năm 1977, các tác giả đã đưa ra bảng phân khu mưa rào cho phần lãnh thổ miền Bắc Việt Nam với 10 khu và xác lập giá trị các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ΨT -T cho từng khu.
Qua nghiên cứu các tài liệu đo mưa trong mấy chục năm, một số tác giả đã đưa ra các sơ đồ phân khu mưa rào khác. Năm 1980, tác giả Hoàng Minh Tuyển, Viện Khí tượng thủy văn, với số liệu đo mưa thu thập ở 60 trạm khí tượng trên toàn quốc dài từ 10 - 20 năm (50% số trạm có chuỗi số liệu dài 20 năm bắt đầu từ 1961, chủ yếu ở miền Bắc, còn lại dài 10 năm ở miền Nam), tác giả đã phân toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 15 vùng mưa và xác lập giá trị các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ΨT - T cho 15 vùng mưa này.
Năm 1991, tác giả Hoàng Niêm và Đỗ Đình Khôi đã chia toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 18 vùng mưa tương ứng với 18 đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ΨT -T được xác lập cho từng vùng mưa. Năm 1993, TS Trịnh Nhân Sâm, Viện thiết kế Giao thông, cũng đưa ra sự phân vùng mưa tương tự cho lãnh thổ Việt Nam, phân toàn lãnh thổ thành 18 vùng mưa như trên nhưng giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ΨT của các đường cong ΨT - T xác lập ở các vùng mưa có khác đi chút ít. Kết quả này được đưa vào trong tiêu chuẩn thiết kế, TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ, hiện nay đang dùng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước trên đường ở nước ta.
Như vậy, qua thời kỳ các năm, chế độ mưa ở nước ta bị thay đổi dẫn đến việc phân vùng mưa cũng được hiệu chỉnh cho phù hợp, giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ΨT ở các vùng mưa cũng được hiệu chỉnh, xác lập lại cho phù hợp.
a) Xác định cường độ mưa theo phương pháp phân tích số liệu thông kê
Phương pháp này tính toán khá chính xác, có thể áp dụng cho tất cả các lưu vực với điều kiện địa hình khác nhau.
Cơ sở của phương pháp này là dựa vào tài liệu thực đo, nên đòi hỏi phải có đầy đủ tài liệu về mưa nhiều năm của máy đo tự ghi
Mục đích là vẽ đường quan hệ cường độ mưa theo thời gian I – t , q – t ứng với mỗi tần suất. thời gian thường lấy là 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180ph
Việc chọn số liệu mưa có thể lấy mỗi năm một trị số lớn nhất hoặc mỗi năm vài trị số lớn nhất
Nguyên tắc xác định cường độ mưa là tính toán tần suất của từng lượng mưa 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180ph
Dựa vào tài liệu mưa 5ph của n5 trận mưa, tính tần suất, tra được I55%
Dựa vào tài liệu mưa 10ph của n5 trận mưa, tính tần suất, tra được I105%
…….
Dựa vào tài liệu mưa 5ph của n5 trận mưa, tính tần suất, tra được I1805%
Có I55% ,.. a1805% vẽ được đường I5% - t
Tương tự với :I510% ,.. I18010% , I520% ,.. I18020%, vẽ được I10% - t ,I20% - t b) Xác định cường độ mưa theo phương pháp cường độ mưa giới hạn
- Các công thức của Liên Xô
+ Xác định cường độ mưa theo cường độ giới hạn của D.F.Gorbachev (1920)
à = 0.046H2/3 Vậy ta có :
Tổng quát :
(2.6)
Trong đó :
∆ - Sức mạnh của trận mưa;
à - Hệ số khớ hậu;
α – Hệ số khớ hậu của à;
H – Lượng mưa năm trung bình; mm/năm;
t – Thời gian mưa, ph ; P – Chu kỳ tràn cống , năm.
+ Công thức của Viện Thủy văn Liên Xô (1941)
(2.7) Với A,B là các thông số, biến đổi theo khu vực.
Ngoài ra có công thức :
(2.7’) trong đó :
q20 – Cường độ mưa tính với thời gian 20 phút với P= 1 năm;
n – Hệ số mũ, tùy theo từng vùng địa lý;
C – Hệ số có tính đến đặc điểm riêng của từng vùng;
P – Chu kỳ tràn cống, năm.
Với :
H – Lượng mưa năm trung bình; mm/năm;
dB – Độ hút ẩm bão hòa (Tính từ lượng mưa trung bình tháng và độ ẩm trung bình tháng ):
Trong đó :
a1, a2…… a12 - Lượng mưa trung bình của các tháng trong năm ; d1, d2, …..d12 – Độ ẩm trung bình của các tháng trong năm.
- Xác định cường độ mưa theo các công thức của Anh, Mỹ, Ba Lan + Công thức của Anh
(2.8)
Trong đó:
S – Sức mạnh của trận mưa;
t – Thời gian mưa;
n – Hệ số mũ, tùy theo từng vùng địa lý;
c – Hằng số khí hậu;
+ Công thức của Mỹ
(2.9)
Trong đó :
I60 - Cường độ mưa trong 60 phút với chu kỳ được chọn;
A, n – Các thông số khí hậu;
+ Công thức của Reyhonda (Đức )
(2.10)
Trong đó :
q15 – Cường độ mưa trong 15 phút với chu kỳ tràn cống P = 1 năm;
Pm – Tần suất mưa , %;
a,b– Các thông số khí hậu.
+ Công thức của Pomjanovski ( Ba Lan)
, (2.11)
trong đó :
J – Cường độ mưa tính toán, mm/h ; Pm – Tần suất mưa, % ;
a – Thông số khí hậu, phụ thuộc vào thời gian mưa ;
n – Thông số khí hậu.
- Xác định cường độ mưa theo các công thức của Việt Nam.
(2.12)
trong đó :
S – Sức mạnh của trận mưa ứng với tần suất P%, mm/h, mm/ph;
t – Thời gian mưa;
b – Tham số hiệu chỉnh; b =12ph;
n – chỉ số biểu thị sự giảm dần của cường độ mưa theo thời gian n = 0.66.;
A, B – Các tham số địa lý, A = 10.0, B=12.5;
N – Độ lặp lại;
K – Hệ số khí hậu ( tùy thuộc từng vùng) khí hậu.
+ Công thức của Cục thủy văn Việt Nam
(2.13)
trong đó :
t – thời gian mưa;
P – Chu kỳ tràn cống, năm;
b – Tham số hiệu chỉnh; b = 12 ph;
n – Chỉ số biểu thị sự giảm dần của cường độ mưa theo thời gian, n=0.66;
C – Hệ số tính đến đặc tính riêng của từng vùng;
q20 – Cường độ mưa của cơn mưa tính toán với thời gian kéo dài 20 phút và P = 1 năm.