- Đường quanh Q= f(H)
g/ Tính lũ dẫn dòng và tiến độ thi công
6.2 TÍNH MỰC NƯỚC VÀ CHỌN DẠNG TRIỀU THIẾT KẾ
Quy hoạch và thiết kế các công trình thủy lợi ở các vùng cửa sông chịu ảnh hưởng thủy triều như đê đập, cầu, cống trạm thủy điện và vận tải thủy yêu cầu tính toán mực nước triều, đường mực nước triều để làm căn cứ xác định quy mô kích thước công trình. Thủy triều ở vùng cửa sông không những bị chi phối bởi các nhân tố thiên văn có tính chu kỳ rõ rệt mà còn chịu ảnh hưởng các yếu tố khác mang nhiều biểu hiện ngẫu nhiên như: địa hình, khí tượng và dòng chảy trong sông, làm cho tình hình thủy văn ở đây càng phức tạp, nghiên cứu phương pháp tính toán một cách chính xác gặp nhiều khó khăn. Hiện hay có hai phương pháp tính toán thủy triều vùng cửa sông.
- Loại thứ nhất đơn thuần xuất phát từ sựảnh hưởng của các nhân tố thiên văn đến thủy triều, coi mực nước thủy triều là kết quả của các giao động có tính chất tuần hoàn thuần tuý mà không xét đến các tác dụng của các nhân tố khí tượng thủy văn như các phương pháp Lapơlápxơ, Vlađimiarxki, Đuvanin v.v.
- Loại thứ hai dưa trên cơ sở phân tích tài liệu thực đo, tiến hành thống kê tính toán tần suất để xác định ra trị số thiết kế.
Do không xét đến điều kiện khí tượng thủy văn (đặc biệt là bão) nên kết quả tính toán theo loại thứ nhất thường thấp hơn thực tế, kém chính xác, do đó các phương pháp này thường ít được sử dụng trong thiết kế.
Loại thứ hai do tính từ tài liệu thực đo nên phần nào đã xét được tất cả các nhân tố ảnh hưởng. Khi có tài liệu dài và chính xác có thể cho kết quả đáng tin cậy. Mặt khác trình tự tính toán tương đối giản đơn nên được sử dụng khá phổ biến trong thực tế.
6.2-1 Tính toán mực nước triều thiết kế từ tài liệu thực đo
Mực nước thủy triều thiết kế là mực nước thủy triều ứng với tần suất thiết kế công trình. Tuỳ theo yêu cầu của công trình mà xác định mực nước đặc trưng nào đó cần tính toán. Thí dụ: Đối với công trình lấy nước cần tính mực nước chân triều thiết kế, đối với phát điện cần tính biên độ triều thiết kế, đối với công trình tiêu nước cần tính mực nước đỉnh triều hoặc chân triều thiết kế.
A. Tính toán mực nước triều thiết kế khi có đủ tài liệu thực đo
Khi có đủ tài liệu thực đo, ta chọn mỗi năm một mẫu rồi tiến hành tính tần suất để xác định trị số thiết kế, giống nhưđã làm đối với các đặc trưng khác. Ngoài ra ở đây cần xét đến ảnh hưởng của mốc cơ bản đối với các tham số thống kê của đường tần suất mực nước.
Từ các công thức tính các tham số thống kê ta dễ dàng thấy rằng khi thay đổi mốc cơ bản thì trị số mực nước bình quân ( H ) thay đổi, kéo theo hệ số biến đổi (CV)thay đổi, còn khoảng lệch quân phương và hệ số (CS )không có ảnh hưởng gì.
Thực vậy khi ta thêm một trị số a nào đó vào từng số hạng của chuỗi số thống kê mực nước tính toán và thống nhất ký hiệu 1 khi chưa thay đổi mốc và 2 biểu thị khi đã thay đổi mốc ta có: H2 = H1+ a (6-6) n n n ∑ ( H 1 + a ) ∑ H1 ∑ a i = 1 i = 1 i = 1 H2 = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯ + ⎯⎯⎯ = H1 + a (6-7) n n n Tức là trị số bình quân cũng tăng lên một trị số a.
Do khoảng lệch quân phương không thay đổi khi mốc cơ bản thay đổi tức là σ1 =
σ2 nên ta có: σ1 σ2 C V1 = ⎯⎯ và CV2 = ⎯⎯⎯⎯ (6-8) H1 H1 + a H1 CV2 = C V1⎯⎯⎯ (6-9) H1 + a Tức là hệ số biến đổi CV có biến đổi khi mốc cơ bản thay đổi. Vì ta có :
( H2 - H2 ) n = [( H1 + a - ( H 1 + a )] n = ( H1 - H1) n
Nghiã là độ lệch các số hạng của hai chuỗi số so với trị trung bình là như nhau với mọi số mũ, vì vặy ta có hệ số không đối xứng C S như sau: ( ) H C H H C V n i S n 3 1 3 1 3 2 2 2 ∑ − − = = ( ) δ3 2 1 3 2 2 n n i H H ∑ − − = ( ) δ3 2 1 3 1 1 n n i H H ∑ − − (6-10)
Như vậy hệ số không đối xứng không thay đổi khi thay đổi mốc cơ bản. Cuối cùng trị số mực nước thiết kế là: ( ){( 1[ 1/( 1 )]) 1} 1 2 2 2 = H k = H +a C H H +a + H P P φP V H2 P = φ p C V1 H1 + H1 + a = H1 ( φ p C V1 + 1) + a = H1 P + a (6-11)
Từ công thức (6-11) cho thấy tuy có ảnh hưởng tới trị bình quân và hệ số CV
nhưng kết quả tính chỉ sai khác đi một hằng số thay đổi mốc a. Do vậy trong khi tính toán tần suất cho phép ta có thể thay đổi mốc cơ bản sao cho việc tính toán đường tần suất mực nước được thuận tiện và chính xác.
Trong thực tế thường lấy mực nước thấp nhất trong chuỗi thực đo làm mốc cơ bản để tính tần suất. Sau khi tính xong muốn chuyển mốc cho thống nhất với các trạm trong hệ thống thì chỉ việc chuyển theo công thức (6-11).
Trong trường hợp tài liệu thực đo không đủđể tính toán thì tuỳ theo tình hình có thể bổ sung kéo dài tài liệu bằng các phương pháp tương quan hoặc chọn mỗi năm nhiều mẫu như đã làm đối với đỉnh lũ. Khi việc kéo dài tài liệu gặp khó khăn mà trạm đo có một vài năm quan trắc, có thể nghiên cứu ứng dụng phương pháp Mariutin dưới đây.
B. Tính toán mực nước triều theo phương pháp Mariutin.
Theo Mariutin khi chênh lệch mực nước đặc trưng triều hàng ngày và nửa tháng không lớn. Có thểứng dụng đường tần suất lý luận phân bố chuẩn có dạng đối xứng để tính toán mực nước triều thiết kế.
Với đường tần suất lý luận phân bố chuẩn mực nước triều thiết kếđược tính theo công thức:
H n = H ± φσ (6-12) Trong đó: H - Trị số trung bình của chuỗi tính toán;
σ - Khoảng lệch quân phương của chuỗi tính toán; φ - Hệ sốđối xứng phụ thuộc vào chu kỳ xuất hiện lại N (hay tần suất thiết kế).
Lấy dấu (+) khi tính toán HMaxvà dấu (-) khi tính toán HMin . Khi các tham số bên vế phải của công thức trên đã được xác định thì ta có thể xác định mực nước triều thiết kế một cách đẽ dàng.
Trong thực tế tính toán cần đề cập mấy vấn đề sau:
1.Vấn đề chọn mẫu để xác định H và σ.
Tuỳ theo tình hình tài liệu quan trắc dài hay ngắn, yêu cầu chính xác cao hay thấp mà quyết định. Thông thường tài liệu quan trắc mực nước thủy triều không dài, lúc này có thể lấy toàn bộđỉnh triều (khi tính HMax) và chân triều (Hmin) đã quan trắc được trong
từng năm để tính toán. Đôi khi để giảm bớt khối lượng tính toán có thể chọn một năm có điều kiện khí tượng và thủy văn ở trạng thái trung bình để tính toán.
Riêng ở vùng có bán nhật triều không đều thì chỉ lấy đỉnh triều lớn nhất trong ngày để tính HMax và chân triều thấp nhất trong ngày để tính HMin.
Trong trường hợp tài liệu rất dài để giảm bớt khối lượng tính toán cũng có thể lấy mỗi tháng một mẫu hoặc mỗi năm một mẫu.
1.Xác định tham số thống kê.
Để đơn giản các phép tính số học, khi số liệu nhiều và biên độ thay đổi lớn có thể tiến hành phân cấp mực nước (thường lấy mỗi cấp cách nhau 10 cm) để tính toán.
- Tính H. Gọi H - mực nước giữa một cấp nào đó, n là tần số xuất hiện lại tương ứng của cấp đó ta có:
H = (∑ H. n) / ∑n. (6-13) Ta có thể viết:
H. n = ( H - A + A ) n = (H - A) n + A.n (6-14)
Và: ∑ H . n = ∑ (H-A) n + ∑A.n = ∑(H-A)n + A∑n. (6-15) Do đó:
∑H.n ∑ (H - A) n + A∑ ∑(H-A) n
H = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯ + A (6-16) ∑n ∑n ∑n
Trong đó: A- trị số giữa một cấp nào đó gần với trị bình quân.
Tính σ. Theo công thức thường dùng: ∑ ( H - H )2.n σ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ (6-17) ∑n Ta có thểđổi thành: ∑ ( H - A )2.n σ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ( H - A )2 (6-18) ∑n
Tính φ. φ là hệ số phụ thuộc vào thời kỳ xuất hiện lại, khi lấy mỗi năm một mẫu để tính H, σ thì chỉ việc căn cứ vào tần suất thiết kế tra ra φ (khi tính HMax) và lấy 100-P để tra (khi tính HMin).
Khi lấy mỗi năm nhiều mẫu thì phải đổi các tần suất lần ra tần suất năm tuỳ thuộc vào sốđỉnh hoặc số chân được chọn trong một năm.
6.2-2 Xác định mô hình mực nước triều thiết kế
Đối với mực nước lớn nhất thiết kế phục vụ cho việc xác định cao trình đê sông, đê biển thường được quy định trực tiếp theo mực nước lũ đặc biệt lớn hay mực nước
dâng cao đặc biệt lớn do bão (trường hợp bất lợi là bão đổ bộ trực tiếp vuông góc với bờ biển, gặp lúc triều cường...) gây ra trong chuỗi quan trắc điều tra.
Đối với mực nước lớn nhất ngoài sông hay ven biển phục vụ cho tính toán công trình tiêu nước tự chảy thì tần suất thiết kế với từng vị trí công trình cụ thể lấy theo bảng (1-4).
Mô hình triều thiết kế là đường quá trình mực nước triều được chọn làm căn cứ tính toán ra quy mô kích thước công trình có liên quan đảm bảo được tính chất hợp lý nhất về mặt an toàn và kinh tế. Tính toán một cách thoả đáng, chính xác mô hình triều thiết kế hiện nay còn gặp nhiều khó khăn, không những phải xét đến đặc tính của thủy triều mà còn cần xét đến yêu cầu thủy lợi cũng như biện pháp sử dụng và quản lý công trình.
Trong thực tế hiện nay thường giải quyết vấn đề giống như đối với đường quá trình lũ thiết kế theo các bước sau đây:
1. Xác định thời gian tính toán.
Tuỳ theo đặc điểm thay đổi theo thời gian của thủy triều và yêu cầu của tính toán thủy lợi mà thời gian của mô hình triều thiết kế có thể kéo dài từ chu kỳ con triều một ngày, một tuần, mười ngày, nửa tháng hay hơn nữa.
Thí du: Tính tiêu nước thì cần lấy số ngày tương ứng với thời gian mưa lớn liên tục xẩy ra ở trong đồng là 5 ngày hoặc 7 ngày v.v...Tính tưới khi lượng trử nước trong sông lớn thì lấy 15 ngày, khi dung lượng trử nhỏ thì lấy số ngày ít đi.
2. Tính tần suất mực nước triều khống chế.
Tùy theo nhiệm vụ của công trình mà xác định mực nước triều nào là đặc trưng khống chế chủ yếu trong quá trình triều thiết kế rồi tiến hành tính toán tần suất thiết kế mực nước đó.
Thí du: Đối với tưới chân triều có vai trò quyết định cần tiến hành tính tần suất mực nước “bình quân chân triều ” liên tục trong thời gian tính toán thấp nhất trong vụ tưới. Đối với tiêu, đỉnh triều và chân triều cao đều quan trọng, có thể tính tần suất mực nước “ bình quân đỉnh triều cao” hoặc chân triều cao liên tục trong thời gian tính toán tương ứng với thời gian mưa lớn nhất.
3. Chọn dạng triều điển hình.
Dạng triều điển hình chọn theo các nguyên tắc sau: - Đã từng phát sinh và có tính đại biểu nhất định;
- Mực nước triều khống chếđiển hình tiếp cận với mực nước triều thiết kế. - Bất lợi đối với công trình.
Việc chọn bất lợi đối với công trình tuỳ theo nhiệm vụ của công trình khác nhau mà chọn khác nhau. Đối với tiêu úng bất lợi nhất là đỉnh triều cao và chân triều cũng cao, thời gian triều lên dài và thời gian triều rút ngắn và phát sinh vào mùa lũ. Đối với tưới thì bất lợi là chân triều thấp phát sinh vào vụ cần tưới nhiều nhất trong năm. Đối với thủy điện biên độ triều nhỏ nhất là bất lợi nhất.
4. Thu phóng hoặc hiệu chỉnh mô hình triều đại biểu thành đường quá trình triều thiết kế.
Riêng tính toán tiêu nước thì chỉ cần xác định một con triều làm dạng triều thiết kế. Muốn vậy sau khi thực hiện xong bước thứ hai tiến hành chọn trong tài liệu thực đo một số con triều có đỉnh tiếp cận với mực nước đỉnh triều bình quân thiết kế ở bước hai và chân triêù tương đối cao tương ứng phát sinh trong mùa lũ, sau đó tính ra thời gian bình quân triều lên và triều rút của các con triều cao trên. Cuối cùng từ tài liệu thực đo trong mùa lũ nhiều năm chọn ra một con triều có đỉnh (hoặc chân ) triều thiết kế chân hoặc đỉnh cao tương ứng. Thời gian triều lên và rút tiếp cận với thời gian trung bình vừa tính ở trên và tiến hành hiệu chỉnh cho phù hợp với các yếu tố đó ta sẽ được con triều thiết kế.
Câu hỏi chương 6:
1. Trình bày cách tính mực nước thiết kế trên sông.
CHƯƠNG VII. CÁC BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN THIẾT KẾ.
Ở nước ta hiện nay sự nghiệp thủy lợi đang được phát triển mạnh, việc hoàn chỉnh hoá thủy nông phục vụ sản xuất nông nghiệp, việc nghiên cứu phòng chống lũ lụt thiên tai của các hệ thống sông, việc quy hoạch thiết kế các công trình thuỷ điện, hồ chứa sử dụng tổng hợp đòi hỏi thủy văn phải cung cấp những luận cứ xác đáng trong việc lựa chọn các phương án, cung cấp các trị sốđặc trưng phục vụ cho quy hoạch, thiết kế và thi công các công trình đó. Từ các yêu cầu thực tế đó đòi hỏi thủy văn phải giải quyết các bài toán cụ thể cho các ngành khác nhau.