Tài liệu Chương 5: Tính toán dòng chảy lũ thiết kế pdf

Chương 5: Tính toán dòng
chảy lũ thiết kế

I. Khái niệm chung
1. Lũ và các đặc trưng về lũ
a. Khái niệm

Dòng chảy lũ được hiểu là quá trình không
ngừng tăng lên hoặc giảm đi của lưu lượng hoặc
mực nước. Trong quá trình thay đổi đó lưu
lượng hoặc mực nước đạt một hoặc vài trị số
cực đại. Nếu có một trị số cực đại gọi là quá
trình lũ đơn. Nếu có hai trị số cực đại trở lên gọi
là quá trình lũ kép.

b. Các đặc trưng biểu thị

Lưu lượng đỉnh lũ Q
max
(m
3
/s): là giá trị lớn nhất của lưu
lượng trong một trận lũ.

Tổng lượng lũ W
max
(m
3
): là tổng lượng dòng chảy trong
một trận lũ


Đường quá trình lũ Q~t: là sự thay đổi của lưu lượng
theo thời gian của một trận lũ, bao gồm nhánh nước
lên và nhánh nước xuống. Tương ứng với quá trình
thay đổi lưu lượng là quá trình thay đổi mực nước trong
sông H~t.
∫
=
2
1
t
t
QdtW
∑
=
∆=
n
i
ii
tQW
1
max

Sơ họa một đường quá trình lũ
t
Q(m
3
/s)
Q
max

W
max
T
(Q~t)

Các đặc trưng biểu thị khác

Thời gian lũ T (giờ, ngày): là khoảng thời gian kể
từ thời điểm bắt đầu có lũ đến khi kết thúc lũ

Thời gian lũ lên T
l
là thời gian kể từ khi bắt đầu
có lũ đến thời điểm xuất hiện đỉnh lũ Q
max
.

Thời gian lũ xuống T
x
là thời gian kể từ thời điểm
xuất hiện đỉnh lũ Q
max
đến khi lũ kết thúc.
Như vậy: T= T
l
+T
x

Hệ số bất đối xứng: γ = T
x

/T
l
Đối với các lưu vực vừa và nhỏ γ ≈ 2 ÷ 3.

2. Sự hình thành dòng chảy lũ
t
Q~t
Q (m
3
/s)
t
0
t
1
t
2
t
3
a
t
~ t
K
t
~ t
Y
cn
H
0

2. Sự hình thành dòng chảy lũ


Tại t
0
: thời điểm bắt đầu mưa

Từ t
0
÷ t
1
: a
t
<K
t
giai đoạn tổn thất hoàn toàn
H
0
: lượng tổn thất ban đầu

Tại t
1
: a
t1
=K
t1
bắt đầu quá trình dòng chảy

Từ t
1
÷ t
2

: a
t
>K
t
thời kỳ cấp nước
h
t
=a
t
– K
t
gọi là cường độ cấp nước (hoặc cường độ mưa hiệu quả)

Tại t
2
: a
t
= K
t
kết thúc thời kỳ cấp nước
Trong đó Ycn: Lớp cấp nước (lượng mưa hiệu quả)

Từ t
2
÷t
3
: a
t
<K
t


Tại t
3
: kết thúc quá trình dòng chảy lũ
( )
∫∫
−==
2
1
2
1
t
t
tt
t
t
tcn
dtKadthY


Quá trình hình thành dòng chảy lũ phụ
thuộc vào:

Quá trình mưa

Quá trình tổn thất (chủ yếu do thấm)

Quá trình tập trung nước về tuyến cửa ra

3. Các đặc trưng lượng mưa và cường
độ mưa

Cường độ mưa tức thời:

là lượng mưa đo được trong một đơn vị thời gian tại một thời
điểm bất kỳ ở một vị trí quan trắc. Ký hiệu: a
t
. Đơn vị mm/h
hoặc mm/phút

Đường quá trình mưa:

Sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian trong một trận
mưa gọi là quá trình mưa.

Đồ thị biểu thị sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian
gọi là đường quá trình mưa. K/h: a
t
~t

Cường độ mưa bình quân thời đoạn:

Là cường độ mưa tính bình quân trong khoảng thời gian ∆t,
được tính theo công thức:
t
H
a
tt
t

∆
=
− 21

Đường quá trình mưa a
t
~t
a
t

(mm/ph)
t
T
t
1
t
2
a
t max
H
t1-t2
a
T

3. Các đặc trưng lượng mưa và cường
độ mưa (tiếp)

Lượng mưa lớn nhất thời đoạn:

Là lượng mưa trong khoảng thời gian T được chọn trên

đường quá trình mưa a
t
~t sao cho lượng mưa trong thời
đoạn đó là lớn nhất. K/h: H
T

Thông thường, khoảng thời gian T có chứa đỉnh mưa a
max
,
sẽ cho lượng mưa lớn nhất thời đoạn T.

Cường độ mưa bình quân lớn nhất thời đoạn:

Là cường độ mưa trong khoảng thời gian T được chọn
trên đường quá trình mưa a
t
~t sao cho cường độ mưa
trong thời đoạn đó là lớn nhất
T
H
a
T
T
=

4. Tổn thất dòng chảy lũ

Bao gồm:

Tổn thất thấm (chủ yếu)


Điền trũng

Bốc hơi

Giữ lại ở lớp thảm thực vật

Các phương pháp tính toán tổn thất:

Sử dụng hệ số dòng chảy lũ

Tính tổn thất theo cường độ thấm

Sử dụng đường cong SCS

a. Hệ số dòng chảy lũ

Hệ số dòng chảy đỉnh lũ (α
T
) là tỷ số giữa lớp nước lũ trong khoảng
thời gian cấp nước T
cn
với lượng mưa lớn nhất trong khoảng thời
gian đó (H
Tcn
). Thường chọn T=τ (thời gian tập trung dòng chảy)

Hệ số dòng chảy trận lũ (ϕ): là tỷ số giữa lớp dòng chảy lũ của toàn
trận lũ với lượng mưa tương ứng sinh ra trận lũ đó (H).
Hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào lượng mưa, cường độ mưa, và các yếu tố

mặt đệm như loại đất trên lưu vực, mật độ che phủ của rừng…
τ
τ
τ
α
H
Y
=
H
Y
=
ϕ

b. Một số công thức tính thấm

CT Horton

CT Philip

CT Phê-đô-rốp:
( )






−
−+=
d

ta
ctct
t
eKaKK
.
t
A
KK
ct
+=
( )
t
cct
eKKKK
λ
−
−+=
0

Chú thích:

K
t
: Cường độ thấm tại thời điểm tính toán (mm/phút)

K
0
: Cường độ thấm ban đầu (mm/phút)

K

c
: Cường độ thấm ổn định (mm/phút)

λ: Hệ số biểu thị sự triết giảm cường độ thấm theo thời
gian

A: Thông số đặc trưng cho loại đất và đặc điểm bề mặt
lưu vực

d: Độ thiếu hụt bão hòa của độ ẩm đất

a
t
: Cường độ mưa tại thời điểm tính toán (mm/phút)

t: thời gian tính toán kể từ khi bắt đầu mưa (phút)

c. Đường cong SCS của Cơ quan Bảo vệ
Thổ nhưỡng Hoa Kỳ

Đặt:

P là lượng mưa của trận mưa (mm)

P
e
là lượng mưa hiệu quả (mm)

I
a

: tổn thất ban đầu, giả thiết bằng 0.2S

S: Giới hạn độ sâu nước bị cầm giữ tiềm năng (mm)

Khi đó:
( )
SP
SP
P
e
8.0
2.0
2
+
−
=
Khi P≥0.2S
P
e
=0 khi
P<0.2S

Đường cong SCS (tiếp)

Trị số S được xác định theo quan hệ giữa S và CN (số
hiệu đường cong dòng chảy) như sau:

CN lấy giá trị trong khoảng (0, 100). Đối với bề mặt
không thấm nước hoặc mặt nước CN=100. Đối với bề
mặt tự nhiên CN <100.


Các số hiệu CN được lập thành bảng sẵn dựa trên phân
loại đất và tình hình sử dụng đất
10
1000
−=
CN
S

Lượng mưa P (in)
Dòng chảy trực tiếp Q (in)

5. Thời gian tập trung dòng chảy

Khái niệm:

Là khoảng thời gian để một chất điểm nước tại
vị trí xa nhất trên lưu vực chuyển động tới
tuyến cửa ra. Ký hiệu: τ

Quá trình tập trung nước gồm hai giai
đoạn:

Tập trung dòng chảy trên sườn dốc (τ
d
)

Tập trung dòng chảy trong sông (τ
s
)

Hai quá trình này thực chất không thể phân tách ra được

6. Công thức căn nguyên dòng chảy

CT được thiết lập nhằm khái quát hóa và
tính toán quá trình lưu lượng ở tuyến cửa
ra của lưu vực trên cơ sở lý thuyết đường
đẳng thời.

Đường đẳng thời là đường cong nối tất cả
các điểm trên lưu vực có cùng thời gian
tập trung dòng chảy về tuyến cửa ra.

Trường hợp 1: τ < T
cn
Ví dụ 1:

Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu
quả là 5 giờ với lượng mưa tương ứng là h
1
, h
2
,
h
3
, h
4
, h
5
.

T
cn
=5 (giờ)

Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các
đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f
1
,
f
2
, f
3
.
τ = 3 (giờ)
Như vậy τ < T
cn

f1
f2
f3

Xác định quá trình lưu lượng

Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của
lưu vực là:
Q
0
= 0

Sau 1h: Q

1
= h
1
f
1

Sau 2h: Q
2
= h
1
f
2
+ h2f1

Sau 3h: Q
3
= h
1
f
3
+h
2
f
2
+h
3
f
1

Sau 4h: Q

4
= h
2
f
3
+h
3
f
2
+h
4
f
1

Sau 5h: Q
5
= h
3
f
3
+ h
4
f
2
+h
5
f
1

Sau 6h: Q

6
= h
4
f
3
+h
5
f
2

Sau 7h: Q
7
= h
5
f
3

Sau 8h: Q
8
=0


Trường hợp 2: τ = T
cn
Ví dụ 2:

Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu
quả là 3 giờ với lượng mưa tương ứng là h
1
, h

2
,
h
3
.
T
cn
=3 (giờ)

Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các
đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f
1
,
f
2
, f
3
.
τ = 3 (giờ)
Như vậy τ = T
cn