- Đường quanh Q= f(H)
5.5XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG QUÁ TRÌNH LŨ THEO PHƯƠNG PHÁP
g/ Tính lũ dẫn dòng và tiến độ thi công
5.5XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG QUÁ TRÌNH LŨ THEO PHƯƠNG PHÁP
CHẢY ĐẲNG THỜI.
Trong lý lhuyết dòng chảy lũ trên lưu vực lưu lượng lũ, từ công thức căn nguyên dòng chảy ta rút ra được công thức tính lưu lượng Qt ở từng thời điểm t như sau:
τ ∂F Q t = ∫ h t - τ ⎯⎯ dτ (5-39) 0 ∂ t Hay dạng tổng: k = i k = i Q t = ∑ h i - k + 1 fk = ∑ hk f i - k + 1 (5-40) k =1 k =1
Phương pháp này diễn tả quá trình hình thành lũ được tạo nên từ tổng các lưu lượng dòng chảy thành phần hình thành từ các phần diện tích của lưu vực và chảy về mặt cắt cửa ra cùng thời gian.
Phương pháp này có ý nghĩa rất thiết thực đối với việc nhận thức sự hình thành dòng chảy lũ, nó có thểứng dụng đối với đối với các lưu vực lớn và nhỏ cho cả quá trình lũđơn cũng như lũ kép mà phương pháp mô hình toán học không thể mô tảđược.
Về mặt lý luận phương pháp có cơ sở chặt chẽ, có lô rích, song việc ứng dụng phương pháp chưa được rộng rãi vì chưa giải quyết các vấn đề sau:
Việc nghiên cứu sự thay đổi mưa theo không gian kết quả chưa thật tốt.
Chưa nghiên cứu đầy đủ phương pháp xây dựng đường chảy đẳng thời, việc xác định diện tích chảy đẳng thời thường chưa chính xác.
Việc nghiên cứu thay đổi tổn thất theo không gian và thời gian còn hạn chế.
Để đơn giản hóa việc tính toán khi xác định các diện tích chảy cùng thời gian ta giả thiết tốc độ chảy tụ không thay đổi theo không gian và thời gian, nghĩa là tốc độ chảy tụ trên sườn dốc và trong mạng lưới sông ngòi là như nhau.
Để tính theo phương pháp này cần phải có các tài liệu sau: Quá trình mưa thiết kế (theo tự ghi).
Bản đồ lưu lực tỷ lệ lớn có sự mô tả tỷ mỉ các đường đồng mức và mạng lưới sông ngòi. Tài liệu về tốc độ chảy trên sườn dốc và trong lòng sông. Lưu tốc tính cho lưới sông VP có thể xem như trung bình trong thời kỳ lũ lên và bằng (0.4 - 0.5) Vm đối với các sông nhỏ và khô. Đối với sông vừa bằng (0.6 - 0.7) Vm được xác định bằng công thức hoặc thực đo. Tốc độ chảy sườn dốc có thể lấy bằng (0.25-0.50) m/s.
Tổn thất lũ trong trường hợp này thường được tính bằng hệ số dòng chảy tổng lượng α.
Việc tính toán tiến hành như trong công thức căn nguyên dòng chảy.
Thí dụ:
Tính toán quá trình lũ do mưa của lưu vực sông Ngòi Nhì theo công thức Căn nguyên dòng chảy. Theo bản đồ lưu vực tỷ lệ 1:50000 đo được diện tích 109.0 km2 độ dài lòng sông chính từ mặt cắt khống chếđến đường chia nước xa nhất dài 21.6 km , biết thời gian mưa 200 phút với tổng lượng mưa 184mm. Hệ số dòng chảy lâý theo khu vực
Theo tài liệu điều tra tốc độ lũ lớn nhất trung bình tại mặt cắt cửa ra là 2.86 m/s. Theo số liệu đã cho ta tính tổng thời gian chảy tập trung:
L 21.6
τ = 16.67 ⎯⎯⎯⎯ = 16.67 ⎯⎯⎯⎯ = 180 phút 0.7 VMAX 0.7× 2.86
Lấy thời đoạn tính toán τ0 = 30 phút, τ = 6τ0. Từ đây ta có khoảng cách giữa các đường chảy cùng thời gian l0 = V. τ0 = 3.6 km.
Từ tuyến tính toán dọc theo tất cả mạng lưới sông, đánh dấu các điểm có khoảng cách xa đều nhau là
3.6km, qua các điểm đó kết hợp với đặc điểm mạng lưới sông ngòi tiến hành vẽ các đường chảy cùng thời gian (hình bên).
- Tính diện tích phần lưu vực nằm kẹp giữa hai đường chảy đẳng thời.
- Tính toán đường quá trình lũ với thời đoạn
Hình 5-10 Sơ đồ lưu vực. Δ t = 30 phút bằng cách lập bảng. Phần diện tích
chảy đẳng thời được ghi vào cột thứ nhất. Lượng mưa hiệu quảđược ghi vào hàng ngang với hệ số dòng chảy chọn bằng 0.75.
Bảng 5-3 Đường quá trình lũ theo phương pháp căn nguyên
f i (km2) hi (mm) ∑hif Qi 15 53 30 34 41 11 (m3/s) 5.25 78.8 78.8 59.1 11.10 167 278 445 334 16.50 248 588 158 994 746 31.20 468 875 333 179 1855 1391 24.20 363 1654 495 377 215 3104 2328
20.75 311 1283 936 561 455 57.8 3604 2703 1100 726 1061 677 122 3686 2765 623 822 1279 182 2906 2180 706 992 343 2041 1531 851 266 1117 980 228 228 171
Cộng theo hàng ngang sau đó tính lưu lượng nước theo công thức: ∑ hf
Qi = 16.67 ⎯⎯⎯α (5-41) τ0
Một nhược điểm cơ bản của phương pháp này là khối lượng tính toán lớn, nhất là với những con lũ có mưa dài ngày. Tuy vậy hiện nay do máy MHĐ nhất là các loại máy chuyên dùng cho dự báo lũ và tính toán quá trình lũ nên các bài toán có thể giải quyết cả trong các trường hợp thiếu tài liệu thực đo.
Máy MHĐ dựa trên cơ sở tương ∅ tự giữa một số quá trình điện và thủy
văn. Bộ giải của máy MHĐ PR-27 và UC C R
PR - 43 (máy chuyên dùng) sử dụng i C i R một mạch cấu kiện gồm có 1 điện trở ∅
R và điện dung C mắc song song cùng với nhau (hình trên).
Nếu tại mạch vào của sơ đồ điện tuyến tính đó có một điện áp thay đổi theo thời gian là Ut thì mạch ra nhận được cường độ dòng điện là it , quan hệ giữa chúng được xác định theo công thức: t=τ i t = ∫ U t - τ Pn (τ) dτ (5-42) 0 Trong đó Pn(τ) - hàm trọng số của hệ thống. τ n - 1 Pn (τ) = ⎯⎯⎯⎯⎯ e - τ / T (5-43) T n (n - 1) ! T = RC - hằng số thời gian của mỗi cấu kiện RC.
Công thức tính i t tương tự hoàn toàn với công thức căn nguyên dòng chảy đã biết ở trên biểu diện dưới dạng đường tích phân.
t=τ
Q t = ∫ h t - τ fτ dτ (5-44) 0
Do sự tương tựđó mà ta có thể thực hiện tính toán quá trình dòng chảy bằng máy
MHĐ (mô hình điện), trong đó quá trình thay đổi điện áp vào tương đương quá trình mưa hiệu quả h t - τ , hàm số trọng số Pn (τ) tương đương hàm số đường cong chảy tụ f τ, vì vậy trên máy MHĐ hàm số fτ cũng được biểu thị dưới dạng hàm số phụ thuộc vào các tham số T và n.
Đối với mỗi trận lũ các tham số T và n có thể lấy gần đúng theo thời gian chảy tụ đỉnh lũτđ và theo t X / tL tỷ số giữa thười gian lũ xuống và lũ lên. Các quan hệ có dạng:
T.n.M = 1.30 τđ (5-45) n = f (γ). Trong đó : M - Hệ số tỷ lệ máy móc V M = τ0 ⎯⎯ (5-46) l 0
τ 0 - Đơn vị thời gian tính bằng giây.
V - Tốc độ chuyển động của băng của máy đo điện thế trong mạch điện của máy tính bằng mm/s (thường lấy V = 2.66 mm/s).
l 0 - Đại lượng chạy qua băng tương ứng với mỗi đơn vị tỷ lệ về thời gian (có thể lấy l 0 = 1 mm hoặc l 0 = 5mm).
Xác định τđ cho lưu vực bằng cách phân tích các biểu đồ tổng hợp mưa và dòng chảy trong những trận mưa lũđã qua, bằng khoảng chênh lệch thời gian từ trọng tâm của đường quá trình mưa hiệu quảđến đỉnh lũ. Đối với những lưu vực chưa được nghiên cứu
τđ có thể lấy theo công thức kinh nghiệm phụ thuộc vào đặc trưng hình thái và địa vật lý của lưu vực. Quan hệ n = f(γ) được xác định theo bảng dưới đây:
Bảng 5-4 Quan hệ n = f(γ)
γ > 3.5 2.8~3.5 2.3~2.7 1.8~2.2 < 1.8 n 2 3 4 5 6
Để tính toán quá trình lũ từ quá trình mưa, ngoài các phương pháp trên còn có thể áp dụng lý thuyết đường lũđơn vị.
5.6 THÀNH PHẦN VÀ TỔ HỢP NƯỚC LŨ.
Tính chất lũ của từng con sông vốn đã rất ác liệt, nhiều con sông hợp lại tính chất lũ lại càng phức tạp và hung giữ, nhất là xuất hiện lũ lớn đồng thời trên các sông. Thí dụ lũ lớn của ba con sông Đà, Lô, Thao thường là mối đe doạ lớn đối với đông bằng sông Hồng, đặc biệt nguy hiểm hơn nếu nó gặp lũ lớn của sông Thái Bình. Việc nghiên cứu đầy đủ sự tổ hợp nước lũ là vô cùng cần thiết đối với công tác phòng chống lũ cho vùng
hạ du. Trong giai đoạn quy hoạch lưu vực, để lựa chọn phương án bố trí công trình có lợi nhất cho chống lũ thường phải tìm hiểu việc tổ hợp nước lũ.
5.6-1 Tổ hợp lượng nước lũ.
Tổ hợp lượng nước lũ là một trong những đối tượng nghiên cứu chính của tổ hợp nước lũ. Khi thiết kế xây dựng các công trình trên sông nhánh phải xác định được lượng lũ của các thành phần và lượng lũ tổ hợp.
Lượng lũ tổ hợp là chỉ lưọng lũ của sông chính, lượng lũ thành phần là chỉ lượng lũ của các sông nhánh. Giả sử X1, X2,..., Xn, là lượng lũ của các sông nhánh, Z là lượng lũ tổ hợp của sông chính, trong trường hợp lượng nhập khu giữa không đáng kể ta có:
Z = X1 + X2 + ... + Xn
Vì X1, X2,..., Xn được coi là các đại lượng ngẫu nhiên nên Z cũng là đại lượng ngẫu nhiên, do đó cùng một giá trị Z có thể xẩy ra nhiều tổ hợp khác nhau của các giá trị
X1, X2,..., Xn, điều đó dẫn đến vịêc xác định lượng lũ tổ hợp cho thiết kế gặp nhiều khó khăn. Xu thế hiện nay xét tổ hợp lượng nước lũ của các sông chính và các sông nhánh là thống kê các trường hợp bình quân, điển hình và tương ứng.
Trường hợp bình quân là xét trung bình trong nhiều năm, nó cho ta thấy mức độ đóng góp trung bình của các sông nhánh vào sông chính, nó phản ánh quy luật ổn định của lượng lũ thành phần và lượng lũ tổ hợp. Song nó không xét được những trường hợp bất lợi mà khi thiết kế các công trình mà ta phải xét tới.
Bảng 5-5 Tỷ lệđóng góp lượng lũ của các sông cho sông Hồng (Trung bình trong 57 năm)
Sông - Trạm Tỷ lệ lượng lũ đóng góp α = W/ WST
W 7 ngày W 15 ngày W 30 ngày
S. Đà - Hoà Bình 49.6 % 49.3 % 49.1 % S. Thao – Yên Bái 20.5 % 20.8 % 20.3 % S. Lô - Tuyên Quang 22.0 % 20.8 % 20.2 % Khu giữa 7.9 % 9.1 % 10.4 %
Thí dụ theo theo tài liệu tổng lượng lũ đồng bộ với lũ lớn nhất ở Sơn Tây xét sự đóng góp lượng lũ của các sông đối với lượng lũ sông Hồng tại Sơn Tây ta thấy sông Đà có lượng đóng góp đáng kể nhất 49.3%, sông Lô và sông Thao có tỷ lệđóng góp xấp xỉ nhau. Sông Lô 21% (chưa kể sông Chảy), sông Thao chiếm 20% (xem bảng 5-5).
Trường hợp điển hình là lấy những trận lũ thực tếđã xẩy ra trên lưu vực tính tỷ lệ đóng góp lượng lũ của các sông nhánh vào lượng lũ sông chính, nó phản ánh một cách tự nhiên nhất tổ hợp lũđã có. Như vậy từ kết quả thực đo ta có thể chọn ra rất nhiều tổ hợp điển hình, do đó khi thiết kế các công trình người ta thường chọn các điển hình bất lợi đã xẩy ra trên các lưu vực sông nhánh mà tuyến công trình không khống chếđược.
Thí dụ trên lưu vực sông Hồng lượng lũ 7 ngày, 15 ngày lớn nhất ở Sơn Tây với hai trận lũ 1945 và 1971 xấp xỉ nhau. Nếu ta chọn tổ hợp lũ điển hình là năm 1945 thì lượng lũ xẩy ra trên sông Đà chiếm tỷ lệ 54.9 ~ 50.9 % còn trên sông Lô chiếm 20.2 ~
so với năm 1945 tức là chiếm từ 29.0% đến 24.5% trong lúc đó sông Đà chỉ chiếm 38.8 ~
40.6%(xem bảng 5-6).
Trong thiết kế các công trình thường xẩy ra trường hợp để đảm bảo nhiệm vụ chống lũ cho vùng hạ du với tần suất nhất định người ta xây dựng công trình trên một sông nhánh lớn ở thượng lưu có tần suất thiết kế nước lũ tương ứng với vùng hạ du. Lúc đó phải xác định lượng lũ thành phần của các sông nhánh khác.
Bảng 5-6 Tổ hợp lũđiển hình trên lưu vực sông Hồng
Wx109 m3 Lượng lũ 7 ngày Lượng lũ 15 ngày % so với Sơn Tây Sơn Tây Hoà Bình Yên Bái Tuyê n Quan g Sơn Tây Hoà Bình Yên Bái Tuyên Quang Lũ điển hình năm 1945 17.01 9.32 54.8 3.42 20.1 3.34 20.2 31.09 15.97 50.9 6.46 20.8 7.02 22.5 Lũ điển hình năm 1971 17.0 6.59 38.8 4.37 25.8 4.93 29.0 31.78 12.9 40.6 7.43 23.4 7.79 24.5 5.6-2 Sự gặp gỡ của lưu lượng đỉnh lũ.
Khi sóng lũ vận động trong sông thường xẩy ra trường hợp biến dạng làm cho đỉnh lũ giảm nhỏ, cùng với hiện tượng giao thoa sóng lũở nơi hợp lưu và đỉnh lũ của các sông nhánh không xuất hiện đồng bộ nên ta không thể dùng phương pháp cộng trừ như lượng lũđể nghiên cứu sự tổ hợp của chúng.
Lưu lượng đỉnh lũ của sông chính và các sông nhánh và sự gặp gỡ của chúng không những chỉ phụ thuộc vào các tính chất của mưa (cường độ mưa, hướng vận động của mưa, sự biến đổi theo không gian và thời gian của mưa) trên lưu vực mà còn phụ thuộc vào địa hình và hình dạng của lưu vực.
Nếu địa hình của lưu vực ít bị cắt xẻ, lượng mưa phân bố đều, mạng lưới sông hình cành cây chạy dài thì sự tập trung lưu lượng đỉnh lũ của các sông nhánh về hạ lưu không đồng bộ, số lần gặp gỡ lưu lượng đỉnh lũ của các sông sẽ ít. Ngược lại lưới sông có hình nan quạt thì sự tập trung lưu lượng đỉnh lũ giữa các sông nhánh sẽđồng đều. Nếu địa hình cắt xẻ mạnh sự phân bố mưa không đồng đều, tốc độ tập trung nước giữa các sông khác nhau, sự gặp gỡ lưu lượng đỉnh lũ giữa các sông xẩy ra ít. Thí dụ như thượng nguồn sông Đà mối tương quan lưu lượng đỉnh lũ giữa các lưu vực Nậm Chiến, Nậm mạ, Nậm Pô, Suối Sập rất kém, hệ số tương quan toàn phần của lưu lượng đỉnh lũ 4 sông
khoảng 0.5, hệ số tương quan lưu lượng đỉnh lũ giữa lưu vực Nậm chiến, Suối Sập chỉ đạt 0.45. Ngược lại sông Lô có dạng hình nan quạt trên nền địa hình ít bị cắt xẻ, mưa tương đối đều lũ lớn hàng năm ở các sông nhánh thường xuất hiện đồng bộ, hệ số tương quan của lưu lượng đỉnh lũ giữa các trạm Tuyên Quang - Chiêm hoá đạt tới 0.96, giữa Tuyên Quang - Hàm Yên đạt tới 0.94.
Sự gặp gỡ lũ lớn nhất giữa các con sông vào sông lớn rất phức tạp vì tính đa dạng của các khu vực khí hậu và mặt đệm mà các sông nhánh chảy qua, các khu vực khí hậu và mặt đệm càng khác nhau xa thì sự xuất hiện đồng bộ giữa lũ lớn các nhánh sông lại càng ít (Lũ s. Hồng - phân lũ s. đáy), những lưu vực lớn như sông Cửu Long dạng đường quá trình lũ lên xuống từ từ, sự xuất hiện lũ lớn nhất của các sông nhánh chỉ gây nên những đỉnh sóng nhấp nhô nhỏ trên nền của con lũ lớn. Theo tài liệu thống kê 57 năm (1912 - 1945 và 1956 - 1978) sự gặp nhau của con lũ lớn nhất hàng năm trên ba sông nhánh và sông Hồng như sau:
Bảng 5-7 Lũ lớn nhất của các sông Đà, Lô và Thao gặp nhau khi lũ sông Hồng (tại Sơn Tây) là lũ lớn nhất
Số lần gặp gỡ % Sông Đà - Hoà Bình Sông Thao - Yên Bái Sông Lô - Tuyên Quang Không do sông nào Sông Đà 15* 26.3 5 8.8 10 17.5 Sông Thao 5 8.8 9 15.8 3 5.5 Sông Lô 10 17.5 3 5.5 3 5.5 Sông Đà - Thao + Lô 7 12.3 7 12.3 7 12.3 Tổng cộng 37 64.9 ▬24 42.1 23 40.1 5 8.8 * Lũ lớn nhất từng sông gặp lũ lớn nhất của sông Hồng
Qua bảng ta thấy số lần gặp gỡ lũ lớn nhất của sông Đà với lũ lớn nhất của sông Hồng là nhiều nhất , chiếm 64.9%, trong đó riêng lũ lớn nhất sông Đà gặp lũ lớn nhất sông Hồng là 26.3%, còn lại là cùng gặp lũ lớn nhất của các sông khác. Số lần gặp gỡ lũ