Theo quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội và quy hoạch sử dụng đất của huyện Duy Tiên đến năm 2020, cơ cấu sử dụng đất của lưu vực Yên Lệnh năm 2020 được thông kê trong bảng 2.2
Bảng 2.2. Cơ cấu sử dụng đất năm 2020 trên lưu vực tiêu Yên Lệnh.
Tỷ lệ Lúa Hoa màu Ao hồ thông thường Ao hồ NTTS Khu công nghiệp, đô thị Dân cư nông thôn Khác Tổng DT DT 1067,87 63,8 26,6 308,5 926,83 380,6 249,8 3.024 % 35,31 2,11 0,88 10,20 30,65 12,59 8,26 100 2.3. XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH MƯA TIÊU THIẾT KẾ
2.3.1. Khái niệm về mô hình mưa tiêu thiết kế
Mưa là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng có tính chất quyết định đến kết quả tính toán hệ số tiêu. Mô hình mưa tiêu thiết kế bao gồm: số ngày mưa của trận mưa, tổng lượng mưa của cả trận mưa tương ứng với tần suất thiết kế và phân phối lượng mưa theo thời gian của trận mưa. Mô hình trận mưa tiêu thiết kế được xác định thông qua mô hình mưa điển hình. Mô hình mưa điển hình là mô hình đã xảy ra
trong thực tế, có tổng lượng mưa xấp xỉ với tổng lượng mưa thiết kế, có dạng phân phối là phổ biến và thiên về bất lợi.
Như vậy muốn chọn được mô hình trận mưa điển hình phù hợp với điều kiện cụ thể của từng vùng đòi hỏi phải phân tích kỹ số liệu thống kê để xác định được dạng mô hình thường gặp (có tần suất xuất hiện lớn nhất). Trong trường hợp có một số dạng có tần suất xuất hiện xấp xỉ nhau thì chọn dạng bất lợi hơn trong số đó làm mô hình điển hình.
Trạm Phủ Lý là trạm khí tượng thuỷ văn quốc gia, cách khu vực nghiên cứu 15 km về phía Nam, là trạm có liệt tài liệu thực đo liên tục trên 30 năm, chất lượng tốt, có điều kiện tự nhiên tương tự khu vực nghiên cứu. Do vậy luận văn sử dụng tài liệu mưa của trạm Phủ Lý để tính toán xác định mô hình mưa tiêu thiết kế.
2.3.2. Phân tích tài liệu mưa
2.3.2.1. Tính chất bao của các trận mưa lớn nhất năm
Bảng 2.3. Tổng hợp lượng mưa lớn nhất thời đoạn ngắn trạm Phủ Lý.
Năm Xmax (mm) Thời điểm xuất hiện ngày/tháng Xnăm (mm) 1 3 5 7 1 3 5 7 1976 109 143 157 174 10/6 28-30/10 27-31/10 27/7-02/8 1.396 1977 112 218 227 268 21/7 20-22/7 20-24/7 16-22/7 1.639 1978 333 455 486 492 22/9 20-22/9 18-22/9 16-22/9 2.544 1979 130 256 268 311 03/8 03-05/8 31/7-4/8 03-09/8 1.752 1980 268 400 418 463 16/9 05-07/9 03-07/9 01-07/9 2.689 1981 212 216 234 282 19/8 17-19/8 05-09/10 03-09/10 1.869 1982 137 210 277 303 16/11 14-16/11 24-28/9 22-28/9 2.376 1983 154 283 392 396 04/10 02-04/10 01-05/10 30/9-6/10 1.604 1984 86 149 199 208 26/6 29/9-01/10 26-30/6 25/6-01/7 1.794 1985 151 371 475 512 12/9 11-13/9 09-13/9 09-15/9 2.162 1986 256 313 317 326 24/10 23-25/10 21-25/10 19-25/10 1.724 1987 112 135 173 197 15/6 30/8-1/9 21-25/9 26/6-02/7 1.830 1988 90 108 112 132 12/5 12-14/8 12-16/8 08-14/8 1.284 1989 130 222 243 250 11/6 10-12/6 08-12/6 08-14/6 1.733 1990 201 252 255 258 20/9 04-06/10 02-6/10 30/9-6/10 2.027 1991 92 119 139 178 14/7 01-03/9 27-31/7 26/7-01/8 1.456 1992 127 231 286 286 29/6 28-30/6 26-30/6 24-30/6 1.724 1993 183 303 307 307 09/9 08-10/9 06-10/9 04-10/9 2.162
1994 218 407 413 433 28/8 28-30/8 26-30/8 24-30/8 1.724 1995 168 186 203 221 28/7 26-28/7 28/7-01/8 26/7-01/8 1.830 1996 331 428 449 475 05/11 04-06/11 02-06/11 31/10-6/11 1.284 1997 178 239 255 366 24/8 23-25/8 25-29/7 23-29/7 1.733 1998 102 131 140 176 14/9 14-16/9 14-18/9 27/6-03/7 2.027 1999 114 136 141 194 14/6 19-21/5 18-22/5 08/6-14/6 1.456 2000 167 182 216 228 11/9 10-12/9 07-11/9 05/9-11/9 1.504 2001 138 193 341 350 27/10 25-27/10 23-27/10 22-28/10 2.247 2002 113 297 321 330 09/5 09-11/5 08-12/5 08-14/5 1.826 2003 147 234 248 307 09/9 09-11/9 09-13/9 05-11/9 1.631 2004 115 178 213 213 07/6 21-23/7 20-24/7 18-24/7 1.431 2005 142 180 206 285 27/9 27-29/9 14-18/9 14-20/9 1.656 2006 145 184 266 268 29/5 29-31/5 28/5-01/6 27/5-2/6 1.522 2007 128 238 249 252 05/10 03-05/10 01-05/10 02-8/10 1.587 2008 182 353 388 402 31/10 31/10-02/11 29/10-02/11 29/10-4/11 2.166 TB 160 241 273 298 1.800
Từ bảng tổng hợp lượng mưa lớn nhất thời đoạn ngắn trạm Phủ Lý ở trên ta thống kê tần số xuất hiện tính chất bao của các trận mưa ở bảng 2.4 dưới đây:
Bảng 2.4. Bảng thống kê số lượng các trận mưa các thời đoạn khác nhau.
Thời đoạn mưa max Tần số xuất hiện Tỷ lệ (%)
Mưa 1 ngày max trong trận mưa 3 ngày max 24/33 73% Mưa 1 ngày max trong trận mưa 5 ngày max 21/33 64% Mưa 1 ngày max trong trận mưa 7 ngày max 21/33 64% Mưa 3 ngày max trong trận mưa 5 ngày max 23/33 70% Mưa 3 ngày max trong trận mưa 7 ngày max 22/33 67% Mưa 5 ngày max trong trận mưa 7 ngày max 24/33 73%
Như vậy mưa lớn nhất thời đoạn ngắn ở vùng dự án có tính chất bao, lượng mưa gây úng tập trung chủ yếu vào các thời đoạn 3 ngày và 5 ngày với số lần xuất hiện gần tương đương nhau.
2.3.2.2. Số ngày mưa hiệu quả của trận mưa lớn nhất năm
mưa 3 ngày lớn nhất, 70% trận mưa 3 ngày lớn nhất nằm trong trận mưa 5 ngày lớn nhất và có 73% trận mưa 5 ngày lớn nhất nằm trong trận mưa 7 ngày lớn nhất.
Từ bảng 2.3 ta thấy lượng mưa trung bình 1 ngày lớn nhất chiếm từ 50 – 70 % lượng mưa 3 ngày lớn nhất, lượng mưa 3 ngày lớn nhất chiếm từ 80 ÷ 95 % lượng mưa 5 ngày lớn nhất, lượng mưa 5 ngày lớn nhất chiếm từ 90÷ 95 % lượng mưa 7 ngày lớn nhất. Lượng mưa của 2 ngày cuối cùng trong trận mưa 7 ngày lớn nhất chiếm tỷ lệ không lớn chỉ khoảng trên dưới 10%. Lượng mưa lớn nhất năm tập trung chủ yếu vào các thời đoạn 3 ngày và 5 ngày với tỷ trọng trên 80% các trận mưa gây úng, trong đó các trận mưa gây úng nghiêm trọng phần lớn tập trung vào 5 ngày.
Như vậy, để đảm bảo an toàn cho việc tiêu úng, trong tính toán xác định mô hình mưa tiêu thiết kế áp dụng cho vùng dự án, luận văn chọn mô hình mưa 5 ngày lớn nhất.
2.3.2.3. Dạng phân phối lượng mưa trong một trận mưa
Dạng phân phối mưa của một trận mưa là đường quá trình phân phối lượng mưa rơi xuống theo thời gian trong một trận mưa.
Kết quả nghiên cứu cho thấy đỉnh mưa của các trận mưa lớn nhất năm thời đoạn 5 ngày tại trạm Phủ Lý cũng như hầu hết các trạm đo mưa ở đồng bằng Bắc Bộ có thể xuất hiện vào bất cứ ngày nào trong một trận mưa và chúng không theo một quy luật nhất định. Tuy nhiên, nếu xét về số lần xuất hiện với trận mưa 5 ngày lớn nhất thì xu hướng đỉnh mưa rơi vào ngày thứ hai hoặc ngày thứ ba của trận mưa là nhiều hơn cả. Những trận mưa đặc biệt lớn ở khu vực Phủ Lý như trận mưa tháng 9 năm 1985 hay gần đây là trận mưa tháng 10 năm 2008 có đỉnh rơi vào ngày thứ hai.
Như vậy, với đặc điểm địa lý tự nhiên của khu vực tiêu Yên Lệnh, nên chọn dạng mô hình phân phối mưa tiêu thiết kế có đỉnh rơi vào ngày thứ hai hoặc thứ ba của trận mưa.
2.3.3. Kết quả tính toán
Sử dụng phương pháp thích hợp – Person III để vẽ đường tần suất P = 10 %, sau đó chọn năm điển hình rồi tiến hành thu phóng mô hình mưa 5 ngày max năm điển hình thành mô hình mưa 5 ngày max năm thiết kế.
Hình 2.2. Đường tần suất lý luận 5 ngày max – Trạm Phủ Lý.
Từ tần suất P = 10% tra trên đường tần suất lý luận ta có: Kp10%= 1,49 ⇒ Xp10% = 407,24
Từ kết quả Xp= 407,24 ta chọn trận mưa điển hình như kết quả tại bảng 2.5
Bảng 2.5. Mô hình mưa tiêu 5 ngày lớn nhất, tần suất 10%.
Mô hình mưa thiết kế Tổng lượng mưa max
1 2 3 4 5 X1max X3max X5max
2.4.TÍNH TOÁN HỆ SỐ TIÊU
Về nguyên tắc hệ số tiêu được xác định trên cơ sở tính toán cân bằng nước giữa hai đại lượng đầu vào và đầu ra để tìm ra độ sâu lớp nước cần tiêu thỏa mãn được yêu cầu về tiêu nước của các đối tượng trên khu vực nghiên cứu:
Đại lượng đầu vào: bao gồm lượng nước đến (lượng nước mưa) trong thời đoạn tính toán và lượng nước có sẵn đầu thời đoạn tính toán;
Lượng nước đầu ra: bao gồm lượng nước tiêu đi, lượng nước tổn thất trong thời đoạn tính toán và lượng nước còn lại ở cuối thời đoạn tính toán.
2.4.1. Tính toán hệ số tiêu cho lúa
2.4.1.1. Phương pháp tính toán hệ số tiêu cho lúa
Áp dụng công thức tổng quát sau:
Pi - (hoi + qoi) = ±∆Hi (2-1) Trong đó:
- Pilà lượng mưa rơi xuống ruộng lúa trong thời gian ∆t (mm);
- hoilà lượng nước tổn thất do ngấm và bốc hơi trong thời đoạn ∆t (mm); - qoi là độ sâu lớp nước tiêu được trong thời đoạn tính toán (mm);
- ∆Hi là sự thay đổi tăng hoặc giảm lớp nước mặt ruộng trong thời đoạn tính toán (mm):
∆Hi = Hci – Hđi (2-2) - Hci và Hđi là chiều sâu lớp nước mặt ruộng ở cuối thời đoạn và đầu thời đoạn tính toán (mm).
Thời đoạn tính toán trong tính toán tiêu nước cho ruộng lúa thường lấy đơn vị là ngày. Hệ số tiêu nước cho ruộng lúa phụ thuộc vào quá trình lượng nước mưa rơi xuống, khả năng chịu ngập của lúa, hình dạng và kích thước công trình tiêu nước mặt ruộng. Theo lý thuyết, công trình tiêu nước ruộng lúa có thể là đường tràn, cống tiêu, ống dẫn hoặc xi phông. Theo điều kiện tự nhiên và tình hình thực tế tại địa phương, trong luận văn sử dụng chế độ tính tiêu cho lúa là chế độ chảy tự do qua tràn đỉnh rộng. Thời đoạn tính toán là 1 ngày đêm và khu tiêu có diện tích là 1 ha.
+ Hệ phương trình tính toán gồm 2 phương trình cơ bản sau: - Phương trình cân bằng nước mặt ruộng
- Phương trình năng lượng (dòng chảy qua công trình). + Hệ phương trình cơ bản để tính toán hệ số tiêu:
qoi = Wi - 2.Hi (2-3)
qoi = 0,273.m.b0.�2. g. Hi 3/2 (2-4) Viết lại công thức (2-4): qoi = 1,21.m.b0. Hi 3/2 (2-5) Trong đó:
- Wi = (1 + β)Pi - h0i+ 2Hi-1 (2-6) -Pi - Lượng mưa tính toán trong ngày (mm).
- β - Hệ số hiệu chỉnh độ sâu lớp nước cần tiêu trên ruộng. Theo kinh nghiệm
β = 0,10 ÷ 0,19; trong luận văn chọn β = 0,1.
- b0 - Chiều rộng đường tràn để tiêu cho một đơn vị diện tích là 1ha (m/ha). - m - Hệ số lưu lượng đường tràn: m lấy từ 0,34 đến 0,35. Trong luận văn chọn m = 0,34.
- - Độ cao cột nước bình quân trong ngày trên đỉnh đường tràn (mm)
(2-7) - Hi -1 - Cột nước trên đỉnh đường tràn đầu ngày tính toán (mm).
- Hi - Cột nước cuối ngày (mm).
- h0i - lượng tổn thất nước do thấm và bốc hơi trên ruộng lúa trong 1 ngày h0i = ei + Ki (mm)
- ei - Lượng bốc hơi mặt ruộng trong ngày (mm).
- Ki - Lượng nước thấm trên ruộng trong ngày (mm/ngày).
Lấy theo tiêu chuẩn thiết kế 14TCN 60-88, chọn h0i = 5,0 mm/ngày
i H 2 H H H i1 i i + = −
Hình 2.3. Sơ đồ tính toán tiêu nước mặt ruộng bằng đường tràn, chế độ chảy tự do.
+ Để giải hệ phương trình (2-3),(2-4) có 2 phương pháp là phương pháp giải tích và phương pháp đồ thị. Chọn phương pháp giải tích vì phương pháp này dễ tính toán và mức độ chính xác cao:
- Đồng hóa hai phương trình:
Wi - 2. Hi =1,21.m.b0. Hi 3/2 (2-8) Hoặc Wi - 2. Hi -1,21.m.b0. Hi 3/2 = 0 (2-9) - Thay Wi = (1 + β)Pi - h0i + 2Hi - 1vào phương trình (2-9):
(1 + β)Pi - h0i + 2Hi – 1 - 2. Hi - 1,21.m.b0. Hi3/2 = 0 (2-10) - Với 1 ngày cụ thể, với b0 là thông số giả định cho trước còn lại ẩn số là Hi. Đây là phương trình phải giải bằng đúng dần, giả thiết Hi và tính thử để tổng giá trị bằng 0 sẽ là nghiệm của phương trình.
- Có giá trị Hi thay vào phương trình (2-5) ta sẽ tính được q0i
- Hệ số tiêu trung bình của ngày tiêu thứ i, ký hiệu là qi được xác định theo công thức:
qi = q0i
86,4(1+β)( l/s/ha ) (2-11)
- Tính cột nước tiêu qua ngưỡng tràn ở cuối thời đoạn theo công thức Hi = 2.Hi- Hi – 1 (2-12)
H0 Hi-1
Hi H�i
Quá trình tính toán sẽ thực hiện từ ngày đầu của trận mưa thiết kế cho đến khi kết thúc mưa và mực nước trên ruộng trở lại mực nước ban đầu thì sẽ kết thúc quá trình tính, sau đó sẽ kiểm tra điều kiện ràng buộc về thời gian tiêu cho phép và khả năng chịu ngập. Đối với khu vực nghiên cứu, khả năng chịu ngập của lúa vào thời kỳ mưa lớn nhất hiện nay như sau: Ngập 250 mm không quá 1 ngày, ngập 200 mm không quá 3 ngày, ngập 150 mm không quá 5 ngày.
Nếu thỏa mãn quá trình tính toán sẽ kết thúc, nếu không phải giả định lại b0,
và tính toán lập lại tương tự như trên.
2.4.1.2. Kết quả tính toán
Bảng 2.6. Tính toán hệ số tiêu cho lúa trường hợp chảy tự do qua tràn, b=0,35.
Ngày Poi (mm) h0 (mm) Wi (mm) Htb (mm) q0i (mm/ngày) Hi-1 (mm) Hi (mm) hri (mm) qi (l/s/ha) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 1 20,12 5,00 17,13 7,18 2,77 0,00 14,36 107,18 0,29 2 198,9 5,00 242,51 74,67 93,18 14,36 134,97 174,67 9,80 3 102,2 5,00 377,36 107,83 161,71 134,97 80,68 207,83 17,02 4 51,12 5,00 212,59 66,84 78,92 80,68 52,99 166,84 8,30 5 34,9 5,00 139,37 46,67 46,04 52,99 40,34 146,67 4,84 6 0,00 5,00 75,68 27,45 20,78 40,34 14,56 127,45 2,19 7 0,00 5,00 24,13 9,84 4,46 14,56 5,11 109,84 0,47
Bảng 2.7. Tính toán hệ số tiêu cho lúa trường hợp chảy tự do qua tràn, b=0,4. Ngày Poi (mm) h0 (mm) Wi (mm) Htb (mm) q0i (mm/ngày) Hi-1 (mm) Hi (mm) hri (mm) qi (l/s/ha) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 1 20,12 5,00 17,13 7,03 3,07 0,00 14,06 107,03 0,32 2 198,9 5,00 241,91 71,284 99,34 14,06 128,51 171,28 10,45 3 102,2 5,00 364,44 99,86 164,72 128,51 71,21 199,86 17,33 4 51,12 5,00 193,66 59,22 75,22 71,21 47,23 159,22 7,91 5 34,9 5,00 127,84 41,70 44,44 47,23 36,17 141,70 4,68 6 0,00 5,00 67,34 23,98 19,38 36,17 11,79 123,98 2,04 7 0,00 5,00 18,58 7,57 3,44 11,79 3,35 107,57 0,36
Bảng 2.8. Tính toán hệ số tiêu cho lúa trường hợp chảy tự do qua tràn, b=0,45.
Ngày Poi (mm) h0 (mm) Wi (mm) Htb (mm) q0i (mm/ngày) Hi-1 (mm) Hi (mm) hri (mm) qi (l/s/ha) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 1 20,12 5,00 18,14 7,26 3,63 0,00 14,51 107,26 0,38 2 198,9 5,00 252,76 70,92 110,91 14,51 127,33 170,92 11,67