TÍNH TOÁN NGUỒN NƯỚC

CHƯƠNG 4: TểM TẮT KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC

4.1 TÍNH TOÁN NGUỒN NƯỚC

Để phục vụ cho công tác quy hoạch, thiết kế, thi công và quản lý vận hành các công trình thuỷ lợi, các công trình giao thông và các công trình kinh tế quốc dân khác cần tính toán các tài liệu khí tượng thuỷ văn có liên quan và có tác động đến công trình.

Các yếu tố khí tượng thuỷ văn được chọn để làm căn cứ xác định các biện pháp và quy mô kích thước công trình, các giới hạn và phương thức điều khiển công trình gọi là các đặc trưng thuỷ văn thiết kế.

Công trình đầu mối thuỷ lợi Định Bình dự kiến xây dựng ở thượng nguồn sông Kôn tại xã Vĩnh Hảo - huyện Vĩnh Thạnh - tỉnh Bình Định.

Đây là một công trình lớn, có nhiệm vụ tạo nguồn, cấp nước cho nông nghiệp dân sinh và các ngành kinh tế khác thuộc khu vực phía Nam của tỉnh Bình Định. Đây là vùng trọng điểm, có nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển kinh tế xã hội toàn diện, đặc biệt là sản xuất nông nghiệp.

Theo QCVN 04-05:2012. Cấp thiết kế của công trình đầu mối là cấp cao nhất được lựa chọn từ cấp xác định theo năng lực phục vụ của chính đầu mối đó hoặc từ cấp xác định theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục công trình thuỷ có mặt trong công trình đầu mối. Trong giai đoạn này ta chưa xác định được chính xác cấp công trình đầu mối mhưng dựa vào đối tượng phục vụ của công trình là tưới thì mức bảo 85%.

4.1.1 Tính lượng mưa thiết kế.

Do vị trí của khu tưới và vị trí của tuyến công trình Định Bình nằm cách xa nhau.

Tuyến công trình nằm ở phía trung lưu sông Kôn trong khi đó khu tưới nằm ở phía hạ lưu. Theo tài liệu lấy từ “Đặc điểm khí hậu thuỷ văn tỉnh Bình Định” vùng núi Vĩnh Sơn và vùng núi phía bắc tỉnh là hai khu vực có lượng mưa lớn nhất tỉnh, với tổng lượng mưa năm trung bình từ 2220 - 3030mm trong đó tâm mưa lớn nhất thuộc huyện miền núi An Lão. Vùng mưa lớn thứ hai là vùng núi Vĩnh Kim thuộc trung lưu sông Kôn, huyện Vân Canh thượng nguồn sông Hà Thanh và các huyện ven biển phía Bắc

tỉnh từ 2000 – 2180mm. Những vùng còn lại như vùng ven biển phía nam tỉnh, huyện Tây Sơn, phía đông huyện miền núi Vĩnh Thạnh và lưu vực hạ lưu sông Kôn lượng mưa năm trung bình đạt từ 1610 – 1880mm trong đó tâm mưa thấp nhất là khu vực Tân An và các xã thuộc phía đông huyện Tuy Phước với lượng mưa năm trên dưới 1600mm.

Như vậy vị trí tuyến công trình Định Bình với diện tích lưu vực 1040 km2 nằm trong vùng mưa lớn thứ hai của tỉnh, còn khu tưới thuộc phía hạ lưu sông Kôn lại nằm trong vùng mưa trung bình. Do đó việc lựa chọn trạm đo mưa để tính toán mưa cho lưu vực và khu tưới là khác nhau.

4.1.1.1 Tính lượng mưa thiết kế cho lưu vực.

Đối với những lưu vực lớn, địa hình phức tạp, trên lưu vực có nhiều trạm đo mưa. Thường trong một trận mưa hoặc trong một thời đoạn tính toán, lượng mưa trên lưu vực thường không đồng đều, bởi vậy lượng mưa quan trắc được ở các trạm đo mưa bố trí trên lưu vực cũng khác nhau. Trong trường hợp đó phải tính lượng mưa bình quân cho lưu vực. Ở đây trên lưu vực sông Kôn, là con sông lớn nhất của tỉnh Bình Định có diện tích lưu vực tính đến cửa ra là 3067 km2, với tổng chiều dài 178 km.

Sông bắt nguồn từ vùng rùng núi của dãy Trường Sơn và chảy qua các vùng có địa hình phức tạp khác nhau. Các trạm đo mưa như Vĩnh Kim, Định Quang, Cây Muồng và Tõn An nằm dọc theo sụng Kụn từ thượng lưu về hạ lưu đó phản ỏnh rừ nột quy luật phân bố mưa của lưu vực sông Kôn. Nhưng ở đây ta lại tính lượng mưa của lưu vực được giới hạn bởi tuyến công trình Định Bình nên không thể lấy lượng mưa bình quân trên toàn lưu vực sông Kôn để làm mưa cho lưu vực nghiên cứu, nó sẽ không phản ánh đúng chính xác lượng nước mưa rơi xuống lưu vực. Từ đó có thể dẫn đến đánh giá không chính xác lượng nước đến của lưu vực và ảnh hưởng đến quy mô kích thước công trình.

Trong phạm vi lưu vực nghiên cứu có trạm đo mưa Vĩnh Kim nằm gần sát với tuyến công trình. Trạm có liệt tài liệu tương đối dài vơi số liệu của 28 năm quan trắc từ năm 1978 đến năm 2005 và đầy đủ, chất lượng đo đạc tương đối tốt. Trạm được đánh giá là hoạt động tốt, tài liệu có độ tin cậy cao và sử dụng tốt cho tính toán thuỷ văn

công trình. Vì vậy ta chọn trạm đo mưa Vĩnh Kim để tính toán mưa thiết kế cho lưu vực.

Việc xác định lượng mưa thiết kế được xác định theo phương pháp đường thích hợp. Qua tính toán trên chương trình đường tần suất số liệu mưa năm trạm Vĩnh Kim với liệt tài liệu 28 năm (1978 ÷ 2005),số liệu và kết quả xem phụ lục (1.1) & (1.2) tính toán thủy văn .

Bảng 4.:Kết quả tính toán lượng mưa năm tần suất P = 85% của lưu vực .

Trạm Xo (mm) Cv Cs X85% (mm)

Vĩnh Kim 2080.86 0.28 0.95 1504.12

4.1.1.2 Tính lượng mưa thiết kế khu tưới.

Vùng hưởng lợi được tưới từ công trình thuỷ lợi Định Bình có diện tích 25000 ha bao gồm các khu tưới sau đây:

Khu Tân An - Đập Đá: có diện tích 12400ha Khu Văn Phong : có diện tích 10100ha Khu Hà Thanh : có diện tích 1500ha Khu Vĩnh Thạnh : có diện tích 1000ha

Khu tưới Vĩnh Thạnh có trạm đo mưa Bình Quang, khu tưới Văn Phong có trạm đo mưa Phù Cát, khu Tân An - Đập Đá có trạm đo mưa Tân An, gần khu Hà Thanh có trạm khí tượng Quy Nhơn. Để đánh giá một cách chính xác thì phải sử dụng các trạm đo mưa ở các khu tưới đó để tính mưa cho từng khu tưới riêng biệt. Nhưng dựa vào bản đồ phân bố lượng mưa năm tỉnh Bình Định thì hầu như toàn bộ khu tưới nằm giới hạn giữa hai đường đẳng trị mưa 1800mm và 1900mm. Ở đó có trạm đo mưa Phù Cát có liệt tài liệu đo mưa từ năm 1977 đến năm 2005 tương đối đầy đủ, chất lượng tài liệu tốt, đáng tin cây. Hơn nữa trạm Phù Cát nằm ở trung tâm khu tưới và trong vùng tâm mưa trung bình. Nên trạm mưa Phù Cát có thể đại diện để tính toán mưa cho khu tưới.

a.Tính lượng mưa năm thiết kế.

Theo nhiệm vụ công trình đặt ra thì ta đã xác định được tần suất bảo đảm tưới là 85%.Theo QCVN 04-05:2012 Bảng 3.Như vậy cần phải tính lượng mưa năm ứng với

tần suất 85%. Sử dụng chương trình chạy đường tần suất theo phương pháp đường thích hợp với tài liệu mưa 29 năm (1977-2005) của trạm đo mưa Phù Cát, số liệu và kết quả xem phần phụ lục (1.3) & (1.4) tính toán thủy văn.

Bảng 4.:Kết quả tính toán lượng mưa năm tần suất P = 85% của khu tưới .

Trạm Xo (mm) Cv Cs X85% (mm)

Phù Cát 1884.69 0.31 0.40 1257.37

b.Phân phối lượng mưa năm thiết kế.

Chọn năm điển hình: Năm điển hình được chọn là năm xảy ra trong thực tế và có lượng mưa năm của năm điển hình gần bằng lượng mưa năm của năm thiết kế. Năm có tính phổ biến cao, có tính bất lợi cao cho việc tưới.

Căn cứ vào các điều kiện trên, dựa vào tài liệu mưa của trạm Phù Cát ta chọn được hai năm điển hình như sau: năm 1979 có Xnăm = 1194.0 mm và năm 1989 có X

năm = 1374.7 mm.

Xét tính bất lợi cho yêu cầu sử dụng nước:

Đối với tỉnh Bình Định nói chung và trạm Phù Cát nói riêng thì mùa khô kéo dài từ tháng 1 đến tháng 8, còn mùa mưa kéo dài từ tháng 9 đến tháng 12.

Lượng mưa mùa khô của năm 1979:

.100% 201.100% 16.83%

1194

mk nam

X = =

∑ ∑

Lượng mưa mùa khô của năm 1989:

.100% 930 .100% 67.65%

1374.7

mk nam

X = =

∑ ∑

Qua tính toán lượng mưa mùa khô của hai năm trên ta nhận thấy năm 1979 lượng mưa bé hơn. Do đó năm 1979 sẽ là năm bất lợi hơn cho việc tưới. Vậy ta chọn năm 1979 làm năm điển hình để phân phối lượng mưa năm thiết kế.

Bảng 4.: Lượng mưa bình quân các tháng năm điển hình (1979).

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm

Xi(mm) 0,0 0,0 0,0 1,0 58,0 73,0 5,0 64,0 199,0 465,0 245,0 84,0 1194,0

Xác định hệ số phân phối năm: k = nam

1257,37

1,053

X 1194

p nam dh

X = =

Phân phối lượng mưa các tháng của năm thiết kế:

dh i P

i k X

X = ì

Bảng 4.: Lượng mưa bình quân các tháng của năm thiết kế.

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm

(mm) 0,0 0,0 0,0 1,1 61,1 76,9 5,3 67,4 209,5 489,6 258,0 88,5 1257,3 4.1.2 Tổng quan xác định dòng chảy năm lưu vực.

Dòng chảy trong sông ở nước ta đều do mưa rơi xuống lưu vực tạo thành. Khi mưa rơi xuống một phần tạo thành dòng chảy mặt, phần còn lại ngấm xuống đất tạo thành dòng chảy ngầm cung cấp cho hệ thống sông.

Dòng chảy năm là lượng dòng chảy sản sinh ra trong một năm, có thể biểu thị dưới các dạng khác nhau:

Lưu lượng dòng chảy năm : Q0 (m3/s) Môđuyn dòng chảy năm : M0 = Q x 103/F (l/s.Km2) Độ sâu dòng chảy năm : Y0 = 31,536 x M (mm) Tổng lượng dòng chảy năm: W0 = 31,536 x 106 x Q (m3)

Trong đó: F: là diện tích lưu vực tính bằng Km2. 31,536 x 106 là số giây trong một năm.

Theo quy luật chung dòng chảy năm của các sông tỉnh Bình Định biến đổi theo không gian và thời gian. Nghiên cứu biến đổi dòng chảy năm theo không gian bằng cách xây dựng bản đồ đẳng trị dòng chảy năm, đánh giá sự phân bố dòng chảy năm

theo các vùng trong tỉnh và nghiên cứu sự biến đổi theo thời gian bằng cách xác định sự thay đổi của dòng chảy giữa các tháng và các mùa trong năm.

Để đánh giá khả năng dòng chảy của những sông không có tài liệu thực đo về lưu lượng hoặc nếu có nhưng liệt tài liệu ngắn , hiện nay có 2 phương pháp để xác định :

a.Phương pháp lưu vực tương tự.

Với phương pháp này ta có thể xác định dòng chảy của lưu vực nghiên cứu dựa vào dòng chảy của lưu vực tương tự ( Có tài liệu thực đo ) theo lượng mưa và diện tích của lưu vực khống chế theo công thức :

) / ( .

. m3 s

Ftt Fnc Xott Qtt Xonc Qnc=

(4-1)

Trong đó : Qnc : Lưu lượng của lưu vực nghiên cứu ( m3/s) Qtt : Lưu lượng của lưu vực tương tự ( m3/s)

Xonc : Lượng mưa trung bình nhiều năm của lưu vực nghiên cứu (mm) Xott : Lượng mưa trung bình nhiều năm của lưu vực tương tự (mm) Fnc : Diện tích lưu vực nghiên cứu ( km2)

Ftt : Diện tích lưu vực tương tự (km2)

Theo Qui phạm tính toán các đặc trưng thuỷ văn thiết kế QP.TL.C6-77 (Hiện nay đang còn áp dụng ở nước ta).

b. Phương pháp xác định dòng chảy từ mưa.

Phương pháp truyền thống.

Sử dụng phương trình cân bằng nước.

Dựa trên định luật bảo toàn về vật chất đối với một lưu vực, lượng nước đến, đi và trữ lại ta có phương trình cân bằng nước:

Yo= Xo−Zo(mm) (4-2) X0 : Chuẩn mưa năm lưu vực nghiên cứu (mm)

Y0 : Chuẩn lớp dòng chảy năm (mm) Z0 : Chuẩn bốc hơi năm ( mm)

Từ phương trình cân bằng nước, chuẩn dòng chảy năm được xác định như sau

W0=Y0.F.103(m3) (4-3)

31.5.106

= Wo Qo

(m3/s) (4-4)

F Qo.103

= Mo

(l/s-km2) (4-5) Như vậy sẽ xác định được quá trình dòng chảy năm thiết kế của lưu vực nghiên cứu theo các tần suất thiết kế (Wp ~t ) và (Qp ~t).

Tính toán theo công thức của tác giả Ngô Đình Tuấn.

Yo=Xo–1000(mm) (4 -6) Với Yo : độ sâu dòng chảy trung bình nhiều năm (mm)

Xo : lượng mưa trung bình nhiều năm (mm) 4.1.2.1 Tài liệu sử dụng tính toán

a. Tài liệu dòng chảy thực đo trạm thuỷ văn Cây Muồng.

Trạm thuỷ văn Cây Muồng có diện tích lưu vực F : 1677 km2, nằm trên sông Kôn nên để xác định dòng chảy năm lưu vực, đề tài sử dụng tài liệu dòng chảy thực đo của trạm Cây Muồng với liệt tài liệu 28 năm từ 1978 đến 2005. Lưu lượng bình quân tháng trạm thuỷ văn Cây Muồng xem ở Phụ lục (1.5).

b. Tài liệu bốc hơi.

Trong lưu vực sông Kôn chỉ có trạm Khí tượng Quy Nhơn do đó dùng tài liệu bốc hơi của Quy Nhơn từ năm (1987-2005) để tính toán, số liệu cụ thể xem phụ lục (1.6).

4.1.2.2 Dòng chảy năm thiết kế Định Bình.

Xác định liệt tài liệu dòng chảy về Định Bình bằng phương pháp sử dụng lưu vực tương tự, với lưu vực tương tự được chọn là lưu vực trạm thủy văn Cây Muồng. Xem phụ lục (1.7)

Khi đã có liệt tài liệu dòng chảy ngay tại tuyến Định Bình. Với nhiệm vụ công trình tưới là chủ yếu thì tần suất thiết kế đảm bảo tưới xác định theo QCVN 04- 05:2012 là 85%. Tiến hành chạy đường tần suất với liệt tài liệu 28 năm (1978-2005) của Định Bình, chi tiết xem phụ lục (1.8).

Bảng 4.: Kết quả tính toán dòng chảy năm thiết kế

Tần suất Qo(m3/s) Cv CS Q85%(m3/s) W85% (m3) M85% (l/s.km2)

85% 41,54 0,368 1,089 26,57 837,91.106 25,55

4.1.2.3 Phân phối dòng chảy năm thiết kế Định Bình.

Sự thay đổi của dòng chảy trong một năm được gọi là phân phối dòng chảy trong năm. Phân phối dòng chảy năm là một đặc trưng quan trọng mô tả chế độ dòng chảy sông ngòi, nó quyết định biện pháp và quy mô kích thước của công trình thuỷ lợi đặc biệt là công trình kho nước.

Ta mượn hệ số phân phối dòng chảy của trạm thuỷ văn Cây Muồng đại diện cho lưu vực để phân phối dòng chảy năm thiết kế.

Bảng 4.: Hệ số phân phối dòng chảy các tháng trong năm trạm Cây Muồng

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

K(%) 6,0 3,6 2,5 2,0 2,6 3,0 2,2 2,3 4,5 20,6 31,9 18,9 (“ Nguồn: Đặc điểm khí hậu thuỷ văn tỉnh Bình Định; [6] “)

ìk

= namP

i W

;

T WiP

(4.7)

Trong đó: T = 2,626.106 là số giây trong một tháng.

Bảng 4. : Lưu lượng bình quân tháng của năm điển hình

Qi(m3/s) 4.68 5.48 5.22 5.54 5.44 8.06 5.66 33.68 26.1 82.34 80.77 60.06

Với

85%

1979

26,57

0,987 26,92

pi i

idh

Q Q

k = Q = Q = =

(4.8)

Suy ra liệt tài liệu (Q~t) lưu lượng bình quân tháng của năm thiết kế với tần suất 85% là:

Bảng 4.: Phân phối dòng chảy năm thiết kế của lưu vực Định Bình.

Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

K(%) 6,0 3,6 2,5 2,0 2,6 3,0 2,2 2,3 4,5 20,6 31,9 18,9 W85% 12,13 14,20 13,53 14,36 14,10 20,89 14,67 87,29 67,65 213,41 209,34 155,67

Q85% 4,62 5,41 5,15 5,47 5,37 7,96 5,59 33,24 25,76 81,27 79,72 59,28 Nhận xét: Qua bảng phân phối dòng chảy năm thiết kế ở trên ta thấy rằng tình hình phân phối dòng chảy cũng khá sát với thực tế. Vào các tháng mùa lũ từ tháng 10 đến tháng 12 thì lưu lượng lại rất lớn, còn vào các tháng còn lại của mùa kiệt thì lưu lượng lại khá nhỏ.

4.1.3 Tính dòng chảy lũ.

Dòng chảy lũ là một đặc trưng quan trọng trong tính toán thiết kế các công trình thuỷ lợi. Bởi vậy tính toán lũ là một vấn đề đặc biệt được quan tâm nghiên cứu.

Lưu vực sông Kôn nằm trọn ở sườn Đông dãy núi Trường Sơn, hướng chảy của sông thay đổi nhiều do địa hình của lưu vực chi phối mạnh. Địa hình thấp dần từ thượng nguồn đến cửa sông tại vùng biển Quy Nhơn. Mạng lưới sông ở vùng hạ lưu phát triển mạnh.Sau ngã ba Bình Thạnh, sông Kôn chia thành 2 nhánh Tân An và Đập Đá. Rừng đầu nguồn sông Kôn còn xanh tốt, nhưng vùng trung du, hạ du rừng bị khai thác, tàn phá nặng nề làm ảnh hưởng đến khả năng điều tiết của lưu vực.Do độ dốc lưu vực lớn nên lũ sông Kôn tập trung nhanh, nếu gặp triều cường thì ở hạ lưu thường bị ngập úng nặng, kéo dài.

Lũ sông Kôn thường tập trung vào tháng 11 hàng năm. Lũ lớn xảy ra do bão mạnh kèm theo mưa lớn trên diện rộng gây nhiều thiệt hại cho nhân dân trong vùng.

Tổng lượng dòng chảy trong mùa lũ chiếm tới 70% lượng dòng chảy cả năm.

Dòng chảy lũ được đánh giá theo 3 đặc trưng cơ bản sau đây:

-Lưu lượng đỉnh lũ Qmax (m3/s) -Tổng lượng lũ W (m3)

-Đường quá trình lũ Q = F(t) 4.1.3.1 Lưu lượng đỉnh lũ.

Lưu lượng đỉnh lũ đóng một vai trò quan trọng trong việc chủ động điều hành các hoạt động kinh tế, chính trị, xã hội của tỉnh và nhất là trong công tác quy hoạch thiết kế các công trình và phòng chống lũ lụt

Lưu lượng đỉnh lũ sông Kôn tại trạm thuỷ văn Cây Muồng được quan trắc đầy đủ và khá hoàn chỉnh từ năm 1979-2005. Tần suất tính toán dòng chảy lũ thiết kế phụ thuộc vào cấp công trình đầu mối nhưng trong giai đoạn này ta chưa xác định được cấp công trình nên phải tình tần suất lũ thiết kế cho các cấp khác nhau.

Theo [1],tra bảng 4 QCVN 04-05:2012

Công trình cấp I có : PTK = 0,5% , PKT= 0,1%

Công trình cấp II có: PTK = 1,0%, PKT= 0,2%

Công trình cấp III có: PTK = 1,5%, PKT= 0,5%

Từ liệt tài liệu lưu lượng đỉnh lũ của trạm Cây Muồng trong 27 năm xem phụ lục tính toán thủy văn (1.9), tiến hành chạy đường tần suất ta xác định được lưu lượng đỉnh lũ ứng với các tần suất khác nhau, chi tiết xem phụ lục (1.10), kết quả như sau:

Bảng 4.:Lưu lượng đỉnh lũ ứng với các tần suất thiết kế trạm Cây Muồng.

Tần suất 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5

QmaxP (m3/s) 7459,08 7092,99 6582,62 6171,54 5918,66

MmaxP (m3/s.Km2) 4,4 4,2 3,9 3,7 3,5

Lưu lượng lũ thiết kế tại lưu vực Định Bình được tính theo các phương pháp sau:

Tính toán chi tiết trong phụ lục 1.11. Kết quả như sau.

Bảng 4.10:Lưu lượng đỉnh lũ của lưu vực Định Bình ứng với các tần suất thiết kế.

Tần suất 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5

QmaxP (m3/s) 3552,8 3418,6 3226,5 3067,5 2967,3

MmaxP (m3/s.Km2) 3,4 3,3 3,10 2,95 2,85

4.1.3.2 Đường quá trình lũ thiết kế.

Đường quá trình lũ thiết kế xây dựng theo lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ cùng tần suất.Tuỳ theo tình hình mưa, hình dạng, kích thước và các điều kiện thuỷ lực khác của lưu vực, đường quá trình lũ có dạng đơn giản hoặc phức tạp. Hiện nay hầu hết các phương pháp tính toán đường quá trình chỉ mới xét đến hình dạng lũ đơn.

Khi phân tích các trận lũ thực tế thấy các đường quá trình lũ thường có một số đặc điểm chung như sau:

Nhánh lên thường dốc, đối với các trận lũ lớn thường có dạng cong lên.

Nhánh lũ xuống thường kéo dài so với nhánh lên do tác dụng điều tiết của lưu vực và trong tất cả các trường hợp đều có dạng cong xuống trừ trường hợp lũ bị điều tiết mạnh bởi ao hồ.

Lưu vực càng nhỏ dạng đường quá trình càng đối xứng.

Hiện nay các phương pháp xác định đường quá trình lũ thiết kế chỉ xây dựng cho lưu vực nhỏ F<100Km2, đối với lưu vực lớn F>100Km2 chưa có nên ta có thể sử dụng dạng đường quá trình đường cong.

-Phương trình lũ nhánh lên:

t m

Q Q t T

=   ÷

  -Phương trình lũ nhánh xuống:

n x

t m

T t

Q Q

 − 

=  ÷

 

Với m=2 ,n=3 và Qm= QmaxP(m3/s)

TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC

THIẾT KẾ CƠ SỞ ĐẬP BÊ TÔNG