Các phương pháp xác định lưu lượng mưa tính toán

1.2. Vai trò của thủy văn công trình và vấn đề xác định lưu lượng mưa tính toán

1.2.2. Các phương pháp xác định lưu lượng mưa tính toán

Trong điều kiện kết cấu hạ tầng của ngành khí tượng thủy văn ở nước ta đến nay thì dữ liệu đo lượng mưa ngày phổ biến, phủ đều trên phạm vi toàn lãnh thổ, đầy đủ và liên tục trong nhiều năm lền bởi thiết bị đo lượng mưa ngày đơn giản, không đỏi hỏi thiết bị đo mưa tự ghi phức tạp, đầu tư tốn kém như khi xác định cường độ mưa. Do vậy đây vẫn là một cơ sở dữ liệu quý báu về mưa. Mặt khác, lượng mưa ngày tính toán theo tần suất Hn,p vẫn là thông số mưa được sử dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường hiện nay theo tiêu chuẩn TCVN9845:2013 Tính toán đặc trưng dòng chẩy lũ và thậm chí nó còn được dùng để tính lưu lượng Qp%

của lưu vực vừa và lớn.

- Theo các tài liệu, ở nước ta hiện nay cơ sở dữ liệu về lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất đầy đủ nhất được thành lập năm 1987 trong tài liệu cho 589 điểm đo mưa trên toàn quốc ở các mức tần suất p=1%, 2%, 4%, 10%, 25%, 50%. Nhưng từ năm 1987 đến nay đã trải qua trên 25 năm, giá trị lượng mưa ngày tính toán đã bị thay đổi nhiều do chế độ mưa ở nước ta bị thay đổi, đặc biệt thay đổi nhiều những năm càng về gần đây do tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu.

Do vậy, cần một cơ sở dữ liệu mới về lượng mưa ngày tính toán theo tần suất phù hợp với diễn biến thời tiết ở nước ta hiện nay để sử dụng trong quá trình tính toán lưu lượng lũ cho các công trình thoát nước.

b) Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng mưa tính toán

* Khái quát chung về yếu 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.

- Điều kiện khí hậu, mà cụ thể là mưa.

- Các yếu tố mặt đệm.

- 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 ảnhhưởng 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, . . .

+) 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.

* Ảnh hưởng của yếu tố khí hậu

Trong những năm gần đây, hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng diễn ra rất mạnh mẽ trên toàn cầu. Đây là hiện tượng được các nhà khoa học xác định là có thực và theo đánh giá thì Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng này. Dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan tăng, ảnh hưởng đến chế độ mưa ở nước ta, do vậy ảnh hưởng đến các thông số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng, hay cường độ mưa để thiết kế các công trình thoát nước nhỏ trên đường trở nên giảm độ tin cậy.

Thực tiễn hiện nay, các hiện tượng bất lợi như trên đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường ngày một gia tăng. Có những tuyến đường xuất hiện các hư hỏng tại các công trình thoát nước nhỏ trên đường do mưa lũ ngay sau khi hoặc chỉ sau một vài năm đưa vào sử dụng. Nguyên nhân một phần nhỏ có sự góp phần của sự thay đổi của khí hậu. Các thông số thay đổi

dẫn đến tính toán sai so với thực tế, thiết kế tính toán khẩu độ của cầu cống không đủ tiêu thoát đã tạo ra những trận quét dữ dội, thế năng biến thành động năng, rừ ràng khớ hậu thay đổi thỡ nờn xem xột cỏc thụng số, cập nhập để sát với thời điểm hiện tại để tính toán các công trình được đảm bảo tuổi thọ.

Trong điều kiện khí hậu thì mưa là nhân tố ảnh hưởng trược tiếp đến dòng chảy của lưu vực nhỏ, các yếu tố khác như bốc hơi …coi như ảnh hưởng không đáng kể vì với lưu vực nhỏ mưa lớn liên tục, lượng bốc hơi là be so với lượng mưa nên bỏ qua.

Do bản chất của cường độ mưa là do cơn mưa quyết định phần lớn nên nó sẽ là một yếu tố vô cùng quan trọng để xác định cường độ mưa, hay nói cách khác mưa là một yếu tố quan trọng trong việc xác định cường độ mưa qua thời gian mưa, tổng lượng nước mưa và một số đặc tính khác.

Khi mưa rơi xuống lưu vực, ban đầu nước mưa đọng trên các lá cây, thảm phủ thực vật, trữ vào trong các khe rỗng và chỗ trũng, một phần rất nhỏ lượng nước bốc hơi trở lại khí quyển, đại bộ phận thấm xuống đất và chưa sinh ra dòng chẩy trên bề mặt lưu vực, cường độ mưa a lúc này nhỏ hơn cường độ tổn thất. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn tổn thất hoàn toàn.

Khi mưa vẫn tiếp tục, khi cường độ mưa vượt quá cường độ tổn thất sẽ bắt sinh ra dòng chẩy trên bề mặt và sẽ lớn dần lên. Dưới tác dụng của trọng lực nước sẽ chảy tràn theo bề mặt sườn dốc lưu vực vào lòng sông suối và tập chung về mặt cắt đặt công trình thoát nước, giai đoạn này là giai đoạn sinh dòng chảy.

Trong giai đoạn sinh dòng chẩy, tổn thất vẫn tiếp tục. Từ thời điểm kết thúc giai đoạn sinh dòng chảy trở đi đến lúc mưa kết thúc lại có cường độ mưa a nhỏ hơn cường độ tổn thất. Như vậy trong giai đoạn này mạc dù mưa

vẫn còn nhưng đã không còn tác dụng cấp nước cho dòng chảy trên mặt lưu vực nữa.

Đối với lưu vực nhỏ của công trình thoát nước trên đường, tính chất của mưa quyết định tính chất của lũ, lượng mưa trong một trận mưa càng lớn, lượng dòng chẩy lũ càng lớn, và lớp nước lũ trên bề mặt càng lớn thì tức là cường độ mưa lớn, làm tốc độ tập trung nước càng nhanh, kết quả là cường suất lũ càng lớn. Phân phối mưa theo thời gian ảnh hưởng trực tiếp đến cường suất lũ và lưu lượng đỉnh lũ. Mưa tập chung với cường độ lớn sẽ hình hành lũ lớn và ngược lại.

* Ảnh hưởng của yếu tố mặt đệm

Như ta đã biết, việc phân bố mưa trên trái đất là không đều theo vĩ độ.

Mưa tập chung nhiều ở vùng xích đạo, và tập chung mưa nhiều ở vùng ôn đới, mưa càng ít khi càng về hai cực Nam và Bắc. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ mưa và lưu lượng mưa tính toán, việc tính các đặc trưng của mưa theo từng vùng còn nhiều vấn đề chưa thỏa đáng

- 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 τ. Địa hình càng

dốc thì tốc độ tập trung nước v càng nhanh nên thời gian tập trung nước τ 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 τ. 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 τ. Bề mặt lưu vực càng nhám thì tốc độ tập trung nước v càng nhỏ nên thời gian tập trung nước τ 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 τ của lưu vực.

* Ảnh hưởng của tần suất thiết kế.

- 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 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, 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.

* Ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính toán.

- 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 aτ,p ở thời gian tập trung nước τ 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 aτ,p

với:

Hτ,p là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tập trung nước τ của lưu vực ở tần suất p hay lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước τ của lưu vực và tần suất thiết kế p

τ là thời gian tập trung nước của lưu vực.

Rừ ràng:

-Chế độ mưa ở vùng thiết kế quyết định đến trị số lượng mưa lớn nhất thời đoạn tính toán Hτ,p nên ảnh hưởng tới aτ,p.

- Tần suất thiết kế p ảnh hưởng tới Hτ,p nên ảnh hưởng tới aτ,p.

- Các yếu tố mặt đệm ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước τ của lưu vực do vậy ảnh hưởng đến aτ,p.

- Ngoài ra, khác với thông số lượng mưa ngày tính toán Hn,p thì thông số cường độ mưa tính toán aτ,p còn phản ảnh được ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa.

Hình 1.1:Ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa tới cường độ mưa tính toán aτ,p

Hình 1.1 cho thấy mặc dùcó cùng lượng mưa ngày tính toán Hn,p nhưng ở hai vùng mưa I vàvùng mưa II có hình dạng cơn mưa khác nhau thì lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán Hτ,p ở hai vùng mưa khác nhau và kết quả là cường độ mưa tính toán

Cũng khác nhau.

- 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 τ, 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 aτ,p.

c) Xác định lưu lượng mưa tính toán.

Việc xác định lưu lượng mưa cho là công việc quan trọng là cơ sở để tính các khẩu độ công trình thoát nước nhỏ trên đường.

Hiện nay, lý luận cũng như phương pháp, công thức tính toán dòng chảy lũ có rất nhiều. Đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường, việc xác định lưu lượng thiết kế hiện nay ở các nước có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, . . . đều sử dụng công thức cường độ giới hạn. Ở Việt Nam, trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ và TCVN7957:2008, Thoát nước - mạng lưới và công trình bên ngoài cũng sử dụng công thức cường độ giới hạn để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ô tô và đường đô thị.

Công thức cường độ giới hạn xác định lưu lượng đỉnh lũ thiết kế được rút ra từ công thức căn nguyên dòng chảy nổi tiếng mà cơ sở của nó là lý thuyết tập trung nước từ lưu vực. Lý thuyết này đầu tiên được các nhà bác học Liên Xô (cũ) phân tích, nghiên cứu (N.E. Đôngôv, M.E. Velikanov và M.M.

Prôtôđiakônov) và hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực tính toán thủy văn.

* Cơ sở lý thuyết tập trung nước từ lưu vực.

Các giả thiết của M.M P rôtôđiakônov.

-Lưu vực có dạng đều, ở giữa là lòng sông suối.

- Mưa và tổn thất phân bố đồng đều trên toàn lưu vực và có cường độ không thay đổi trong thời gian tính toán.

- Coi tần suất mưa sinh ra dòng chảy lũ bằng tần suất dòng chảy lũ trên lưu vực.

Thời gian tập trung nước của lưu vực, ký hiệu là τ: là thời gian để một giọt nước xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước.