1.3. HIỆN TRẠNG THỦY LỢI VÀ NHIỆM VỤ QUI HOẠCH THỦY LỢI CHO
2.1.3. Tính toán mô hình mưa vụ thiết kế
Tính toán mưa tưới thiết kế nhằm mục đích tìm mô hình phân phối mưa vụ thiết kế để phục vụ cho tính toán chế độ tưới hợp lý cho cây trồng, đảm bảo cho cây trồng cho năng suất cao và ổn định.
Dựa trên cơ sở mô hình mưa tưới thiết kế tính toán được có thể xác định được lượng nước thừa, thiếu đối với từng loại cây trồng trong từng thời đoạn khác nhau. Do đó tính toán chế độ tưới cho cây trồng hợp lý, đảm bảo cung cấp đủ nước theo yêu cầu của cây trồng đồng thời tiết kiệm được lượng nước tưới.
2.1.3.2. Phương pháp tính toán
Hiện nay thường dùng các phương pháp nghiên cứu tính toán sau:
+ Phương pháp phân tích căn nguyên + Phương pháp lưu vực tương tự + Phương pháp tổng hợp địa lý + Phương pháp thống kê xác suất
Trong 4 phương pháp trên thì phương pháp thống kê xác suất được ứng dụng và phát triển rộng rãi hơn cả. Trên cơ sở lý thuyết thống kê xác suất, xem các hiện tượng khí tượng là các hiện tượng ngẫu nhiên, vẽ đường tần suất và xác định được trị số của các đặc trưng thủy văn ứng với một tần suất thiết kế nào đó.
Căn cứ vào tình hình số liệu quan trắc khí tượng thủy văn và yêu cầu tính toán để chọn phương pháp tính toán thích hợp, hoặc cũng có thể sử dụng kết hợp cả 4 phương pháp trên.
Với trường hợp tính mưa tưới thiết kế, trạm tính toán được chọn là Nha Hố có tài liệu mưa ngày khá dài từ năm 1978 đến năm 2004. Vì vậy chọn phương pháp tính toán là phương pháp thống kê xác suất.
Nội dung tính toán theo phương pháp thống kê xác suất như sau:
Bước 1: Chọn mẫu: {xi}, i = 1,n
Mẫu được chọn từ chuỗi tài liệu thực đo của trạm, để mẫu càng gần với tổng thể, mẫu phải đảm bảo là: có tính đại biểu, tính độc lập và tính đồng nhất.
Bước 2: Xây dựng đường tần suất.
Đường tần suất kinh nghiệm :
+ Thống kê lượng mưa vụ hàng năm (Xvụ i ).
+ Sắp xếp lượng mưa vụ theo thứ tự giảm dần.
+ Tính lượng mưa vụ bình quân nhiều năm theo công thức:
n i =1 i
X = 1 X
n∑ (2.1)
Trong đó: Xi là giá trị lượng mưa vụ năm thứ i.
n là số năm của chuỗi số liệu.
+ Tính tần suất kinh nghiệm có thể tính theo một trong các công thức:
Công thức kỳ vọng : 1 m
P = ×100%
n +1 (2.2)
Công thức trung bình: 2
m - 0.5
P = ×100%
n (2.3)
Công thức số giữa : 3 m - 0.3
P = ×100%
n + 0.4 (2.4)
Trong đó: Pi là tần suất kinh nghiệm ứng với giá trị Xvụ i
n là số năm được chọn.
m là số thứ tự của Xvụ i sau khi sắp xếp.
Công thức kỳ vọng bao giờ cũng cho kết quả lớn hơn công thức số giữa và công thức trung bình. Tần suất lớn khả năng xuất hiện lượng mưa nhiều do đó công thức kỳ vọng cho kết quả an toàn, nên thường dùng công thức kỳ vọng để tính.
Vẽ đường tần suất kinh nghiệm (Xvụ i ~ Pi %) trên giấy Hazen.
Đường tần suất lý luận :
Để vẽ được đường tần suất lý luận phù hợp với đường tần suất kinh nghiệm có thể sử dụng các phương pháp:
• Phương pháp mô men: Tính toán các đặc trưng thống kê + Hệ số phân tán tính theo công thức:
n 2 i 1 i
V
(k 1)
C n 1
= −
= −
∑ (2.5)
Trong đú: k =i vuù i
vuù
X
X là hệ số mô đun lượng mưa.
+ Hệ số lệch tính theo công thức:
n 3
i =1 i
S 3
V
(k -1) C = (n - 3)C
∑ (2.6)
Từ cỏc tham số Xvuù, CV, CS trờn vẽ được đường tần suất lý luận.
Phương pháp mômen có ưu điểm là nếu liệt tài liệu dài, phản ánh đầy đủ quy luật thống kê của đặc trưng thủy văn thì kết quả tính toán sẽ phù hợp với thực tế. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là không xử lý được các điểm đặc biệt và thường cho kết quả tính toán thiên nhỏ khi tính các đặc trưng thống kê.
• Phương pháp thích hợp:
+ Lần lượt tớnh Xvuùvà CV theo cỏc cụng thức (2.1) và (2.5).
+ Hiệu chỉnh Xvụ, CV, CS cho đến khi đường tần suất lý luận phù hợp với đường tần suất kinh nghiệm. (dạng đường Pearson III hoặc Kritxki-Menken).
Điều kiện ứng dụng dạng đường Pearson III: CS ≥2CV (2.7) Các sai số cho phép trong khi hiệu chỉnh:
+ Sai số (tuyệt đối) trị số bình quân: C .XV
= n
σXvuù (2.8)
+ Sai số (tuyệt đối) hệ số phân tán: C V 2V
= C 1 C
σ V 2n + (2.9)
+ Sai số (tuyệt đối) hệ số thiên lệch: CS 6 2V S4 σ = (1+ 6C + 5C )
n (2.10)
Phương pháp thích hợp cho ta khái niệm trực quan, dễ dàng nhận xét, xử lý điểm đột xuất. Song việc đánh giá tính phù hợp giữa đường tần suất lý luận và kinh nghiệm còn phụ thuộc vào chủ quan người vẽ.
Nếu sử dụng chương trình phần mềm máy tính để xây dựng đường tần suất thì phương pháp thích hợp giúp cho việc điều chỉnh sự phù hợp giữa đường tần suất lý luận và các điểm kinh nghiệm nhanh và dễ dàng.
• Phương pháp 3 điểm: dựa vào các giả thiết:
+ Đường tần suất là đường P III.
+ Đường tần suất lý luận và kinh nghiệm trùng nhau hoàn toàn.
+ Đường tần suất lý luận và kinh nghiệm trùng nhau khi có 3 điểm trùng nhau, thường chọn 3 điểm đó là các điểm ứng với 5%; 50%; 95%.
Cách vẽ đường tần suất lý luận:
+ Chọn trên đường tần suất kinh nghiệm 3 điểm là X5; X50; X95. + Từ giả thiết đường tần suất là đường P III ta có phương trình:
Xp = Φ(CS, P).σ + X (2.11)
+ Thay 3 điểm trên vào phương trình (4.7) lập được hệ phương trình:
X5 = Φ(CS, 5).σ + X X50 = Φ (CS, 50).σ + X (2.12) X95 = Φ (CS, 95).σ + X + Từ hệ phương trình (4.8) giải được Cs, σ, X .
+ Tính CV
X
= σ .
Từ CV, CS,Xvuùvẽ được đường tần suất lý luận.
Phương pháp 3 điểm có ưu điểm là tính toán nhanh và đơn giản. Nhưng không đánh giá được sự phù hợp giữa đường tần suất lý luận và các điểm kinh nghiệm ở các khoảng ngoài 3 điểm đã chọn, và nếu liệt tài liệu ngắn, kết quả tính toán sẽ không chính xác.
Bước 3: Xác định trị số thiết kế
Tra trên đường tần suất lý luận vừa vẽ được giá trị thiết kế Xvụ P ứng với tần suất thiết kế P = 75%.
Bước 4: Xác định mô hình phân phối thiết kế
• Chọn mô hình điển hình:
- Nguyên tắc chọn mô hình điển hình:
+ Mô hình điển hình phải có trong liệt tài liệu quan trắc.
+ Xvụ đh ≈ Xvụ P. - Phương pháp chọn:
+ Chọn theo quan điểm phân phối bất lợi: Đối với tưới, mưa phân phối bất lợi tức là vào những thời kỳ cần nhiều nước thì lại mưa ít, vào những thời kỳ cần ít nước thì lại có nhiều ngày mưa với lượng mưa lớn.
+ Chọn theo quan điểm thường xuyên xuất hiện: Chọn trong số các mô hình có Xvụ đh ≈ Xvụ P một mô hình mà dạng phân phối của nó xuất hiện nhiều lần nhất.
• Thu phóng: Có hai phương pháp thu phóng
- Phương pháp thu phóng cùng tần suất: Phương pháp này phù hợp cho trận mưa thiết kế có lượng mưa với các thời đoạn ngắn tương ứng với tần suất thiết kế.
Nhưng các hệ số K1, K2, … Kn khác nhau nhiều thì hình dạng trận mưa điển hình không được bảo tồn.
- Phương pháp thu phóng cùng tỷ số: Phương pháp này bảo toàn hình dạng của trận mưa điển hình và lượng mưa cả trận là lượng mưa thiết kế.
Ta chọn phương pháp thu phóng cùng tỷ số, vì tính toán mưa vụ nên cần mô hình mưa xảy ra trong thực tế như sau:
+ Tớnh hệ số thu phúng: K= vuù P
vuù ủh
X
X (2.13)
+ Xác định mô hình mưa vụ thiết kế: Xtk i = K.Xđh i (2.14) Trong đó: Xvụ P là lượng mưa vụ thiết kế ứng với tần suất P.
Xvụđh là lượng mưa vụ của năm điển hình.
Xđh i là lượng mưa ngày thứ i của mô hình điển hình.
Xtk i là lượng mưa ngày thứ i mô hình mưa vụ thiết kế.
2.1.3.3. Tính toán mô hình mưa vụ Năm thiết kế a). Xây dựng đường tần suất
Thống kê Xnăm của các năm và sắp xếp theo thứ tự giảm dần.
Tính: Xnăm , CV, CS và Pi lần lượt theo công thức (2.1), (2.5), (2.6) và (2.2).
Kết quả tính toán được thể hiện ở trong Bảng 2-1.
Bảng 2-1. Tham số thống kê mưa vụ Năm theo công thức mô men Số
TT Năm Xi
(mm)
Xi ↑
(mm) Ki Ki - 1 (Ki - 1)2 (Ki - 1)3 P%
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
1 1978 831,2 1.458,5 1,732 0,732 0,535 0,391 4,3
2 1979 835,9 1.302,9 1,547 0,547 0,299 0,163 8,7
3 1980 1.076,6 1.154,0 1,370 0,370 0,137 0,051 13,0
4 1981 942,8 1.076,6 1,278 0,278 0,077 0,022 17,4
5 1982 499,8 1.011,8 1,201 0,201 0,040 0,008 21,7
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
6 1983 736,0 942,8 1,119 0,119 0,014 0,002 26,1
7 1984 691,8 923,1 1,096 0,096 0,009 0,001 30,4
8 1985 705,9 837,3 0,994 -0,006 0,000 0,000 34,8
9 1986 923,1 835,9 0,992 -0,008 0,000 0,000 39,1
10 1987 720,6 831,2 0,987 -0,013 0,000 0,000 43,5
11 1993 743,0 797,7 0,947 -0,053 0,003 0,000 47,8
12 1994 618,2 750,8 0,891 -0,109 0,012 -0,001 52,2
13 1995 653,9 743,0 0,882 -0,118 0,014 -0,002 56,5
14 1996 1.154,0 736,0 0,874 -0,126 0,016 -0,002 60,9
15 1997 701,5 720,6 0,856 -0,144 0,021 -0,003 65,2
16 1998 1.458,5 705,9 0,838 -0,162 0,026 -0,004 69,6
17 1999 1.011,8 701,5 0,833 -0,167 0,028 -0,005 73,9
18 2000 1.302,9 691,8 0,821 -0,179 0,032 -0,006 78,3
19 2001 750,8 653,9 0,776 -0,224 0,050 -0,011 82,6
20 2002 797,4 618,2 0,734 -0,266 0,071 -0,019 87,0
21 2003 837,3 537,6 0,638 -0,362 0,131 -0,047 91,3
22 2004 537,6 499,8 0,593 -0,407 0,165 -0,067 95,7
Tổng cộng 18.530,9 22,000 0,000 1,681 0,471
Xtb = 842,3 mm CV = 0,283 CS = 1,094 σXtb = 50,8 mm σCv = 0,044 σCv = 1,534
Sử dụng phần mềm Tính toán thủy văn “TSTV-2002” vẽ đường tần suất lý luận theo phương pháp mô men và hiệu chỉnh CV, CS của đường tần suất lý luận theo phương pháp thích hợp.
Kết quả đường tần suất lý luận mưa vụ Năm thể hiện ở Hình 2-1 trang 28 và kết quả tính toán tần suất lý luận được trình bày ở trong Bảng 2-2.
Bảng 2-2. Kết quả tính toán tần suất mưa vụ Năm
Hình 2-1. Đường tần suất mưa vụ Năm trạm Nha Hố b). Xác định lượng mưa vụ Năm thiết kế và năm điển hình
Ứng với tần suất thiết kế P = 75% lượng mưa là: Xnăm P75% = 642,84 mm.
Lập bảng thống kê mưa vụ Năm những năm gần kề để chọn năm điển hình, được trình bày ở Bảng 2-3.
Bảng 2-3. Thống kê mưa vụ Năm những năm gần kề
Năm Xnăm P75% (mm) Xnăm (mm)
1984 642,84 691,8
1995 653,9
1994 618,2
2004 537,6
Chọn năm 1995 làm năm điển hình, có Xnăm = 653,90 mm.
c). Xây dựng mô hình mưa vụ Năm thiết kế
Tính hệ số thu phóng theo công thức (1.9): K=642,84 =0,983 653,90
Nhân lần lượt hệ số thu phóng trên với lượng mưa ngày của vụ Năm năm 1994 sẽ được mô hình phân phối mưa vụ Năm với tần suất thiết kế P = 95%.
Kết quả tính toán mô hình phân phối mưa vụ Năm được ghi ở Bảng 2-4.
Bảng 2-4. Mô hình phân phối mưa vụ Năm thiết kế ứng với P = 75%
Đơn vị: mm Tháng
Ngày I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
1 5,6 3,7 7,1 1,8
2 2,1
3 46,5 16,2 2,5
4 0,3 39,4 26,4
5 0,2 3,1
6 6,9
7 34,3
8 7,8 0,5
9 0,4 9,3 5,2
10 0,1 2,3 14,2 0,3
11 2,5 2,0 0,4 4,0
12 0,3 0,1 0,4
13 0,9 2,6 9,2
14 3,8 9,0 20,2 3,2
15 11,6 29,0 1,9
16 2,6 3,8 0,8 3,3
17 5,0 6,0
18 0,2 3,3 1,2
19 10,5
20 26,6 3,7
21 1,1 19,0 4,0
22 11,9 6,3 8,6
23 6,4 11,9 0,1
24 0,8 4,8 1,9 6,1 0,6
25 2,3
26 1,1 31,6 2,2 3,3
27 1,3 0,9 1,1 4,8 15,4
28 11,6 12,9 1,7 11,1
29 19,5 0,3
30 1,4 0,2 2,6 27,7
31 2,4
Cộng 1,1 1,1 1,3 29,9 46,7 146,3 95,4 132,
2 109,2 54,2 25,5 2.1.3.4. Tính toán mô hình mưa vụ Mùa thiết kế
a). Xây dựng đường tần suất
Thống kê Xmùa của các năm và sắp xếp theo thứ tự giảm dần.
Tính: Xmùa , CV, CS và Pi lần lượt như mưa vụ Năm.
Kết quả tính toán được thể hiện ở trong Bảng 2-5.
Bảng 2-5. Tham số thống kê mưa vụ Mùa theo công thức mô men
1 1978 521,1 929,9 1,809 0,809 0,655 0,530 4,3
2 1979 684,0 775,8 1,509 0,509 0,260 0,132 8,7
3 1980 604,4 709,0 1,379 0,379 0,144 0,055 13,0
4 1981 709,0 684,0 1,331 0,331 0,109 0,036 17,4
5 1982 186,1 661,9 1,288 0,288 0,083 0,024 21,7
6 1983 560,5 634,5 1,235 0,235 0,055 0,013 26,1
7 1984 397,7 615,1 1,197 0,197 0,039 0,008 30,4
8 1985 359,4 604,4 1,176 0,176 0,031 0,005 34,8
9 1986 540,2 577,1 1,123 0,123 0,015 0,002 39,1
10 1987 503,3 560,5 1,091 0,091 0,008 0,001 43,5
11 1993 370,6 540,2 1,051 0,051 0,003 0,000 47,8
12 1994 258,4 521,1 1,014 0,014 0,000 0,000 52,2
13 1995 397,8 503,3 0,979 -0,021 0,000 0,000 56,5
14 1996 634,5 397,8 0,774 -0,226 0,051 -0,012 60,9
15 1997 377,0 397,7 0,774 -0,226 0,051 -0,012 65,2
16 1998 929,9 394,0 0,767 -0,233 0,054 -0,013 69,6
17 1999 615,1 377,0 0,734 -0,266 0,071 -0,019 73,9
18 2000 775,8 370,6 0,721 -0,279 0,078 -0,022 78,3
19 2001 394,0 359,4 0,699 -0,301 0,090 -0,027 82,6
20 2002 661,9 258,4 0,503 -0,497 0,247 -0,123 87,0
21 2003 577,1 249,3 0,485 -0,515 0,265 -0,137 91,3
22 2004 249,3 186,1 0,362 -0,638 0,407 -0,260 95,7
Tổng cộng 11.307,1 22,000 0,000 2,717 0,183
Xtb = 514,0 mm CV = 0,360 CS = 0,207 σXtb = 39,4 mm σCv = 0,058 σCv = 0,698
Sử dụng phần mềm Tính toán thủy văn “TSTV-2002” vẽ đường tần suất lý luận theo phương pháp mô men và hiệu chỉnh CV, CS của đường tần suất lý luận theo phương pháp thích hợp.
Kết quả đường tần suất lý luận mưa vụ Mùa thể hiện ở Hình 2-2 và kết quả tính toán tần suất lý luận được trình bày ở trong Bảng 2-6, trang 31.
Hình 2-2. Đường tần suất mưa vụ Mùa trạm Nha Hố Bảng 2-6. Kết quả tính toán tần suất mưa vụ Mùa
b). Xác định lượng mưa vụ Mùa thiết kế và năm điển hình:
Ứng với tần suất thiết kế P = 75% lượng mưa là: Xmùa P75% = 380,40 mm.
Lập bảng thống kê mưa vụ Mùa những năm gần kề để chọn năm điển hình, được trình bày ở Bảng 2-7.
Bảng 2-7. Thống kê mưa vụ Mùa
Năm Xmùa P75% (mm) Xmùa (mm)
1984 380,40 397,7
2001 394,0
1997 377,0
1993 370,6
Chọn năm 1997 làm năm điển hình có Xmùa = 377,0 mm.
c). Xây dựng mô hình mưa vụ Mùa thiết kế:
Tính hệ số thu phóng theo công thức (1.9): K=380,40 =1,009 377,00
Nhân lần lượt hệ số thu phóng trên với lượng mưa ngày của vụ Mùa năm 1997 sẽ được mô hình phân phối mưa vụ Mùa với tần suất thiết kế P = 75%.
Kết quả tính toán mô hình phân phối mưa vụ Mùa được ghi ở Bảng 2-8.
Bảng 2-8. Mô hình phân phối mưa vụ Mùa thiết kế ứng với P = 75%
Đơn vị: mm Tháng
Ngày VIII IX X XI
Tháng
Ngày VIII IX X XI
1 5,9 36,8 16,5 17 4,4
2 8,4 24,0 18 6,3
3 1,1 0,2 19 0,4
4 1,9 20 6,7 130,2
5 10,8 21 9,0 7,7
6 22 0,8 1,8
7 23 0,5
8 24 3,3
9 4,1 25 0,3
10 1,2 26 0,9
11 27 0,7
12 28 4,4
13 29
14 10,6 2,7 0,3 30 0,3 17,1 2,4
15 31 18,5
16 40,2 Cộng 38,8 221,1 77,0 43,5