NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THAM SỐ VỀ MƯA GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG THỨC TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI




NGUYỄN ANH TUẤN



NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THAM SỐ VỀ
MƯA GÓP PHẦN HOÀN THIỆN CÔNG THỨC
TÍNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH
THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG TRONG
ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM
Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô và đường thành phố
Mã số: 62.58.30.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. BÙI XUÂN CẬY

2. GS.NGND.TSKH. NGUYỄN XUÂN TRỤC

HÀ NỘI - 2014
ii

Lời cảm ơn

Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Giao Thông Vận Tải. Tác
giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học GTVT, Bộ môn Đường bộ, tới các
Thầy cô giáo, các Nhà khoa học, các bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã
giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án.
Đặc biệt, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới GS.NGND.TSKH.
Nguyễn Xuân Trục và PGS.TS. Bùi Xuân Cậy là hai thầy giáo hướng dẫn đã
có những chỉ dẫn tận tình và quý báu giúp tác giả hoàn thành luận án.







Lời cam đoan


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án



Nguyễn Anh Tuấn



iii

MỤC LỤC

Trang
LỜI CAM ĐOAN. ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG. xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. xiii
PHẦN MỞ ĐẦU.
1
1.

Giới thiệu tóm tắt luận án 1
2.

Lý do chọn đề tài 1
3.

Mục đích nghiên cứu 3
4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3
6.

Những đóng góp mới của luận án 5
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. 6
1.1.

Các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước
6
1.1.1. Sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực
6
1.1.2. Các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước
nhỏ trên đường
7
1.1.2.1.

Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực 7
1.1.2.2.

Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát
nước nhỏ trên đường ở một số nước trên thế giới
10
1.1.2.3.

Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát
nước nhỏ trên đường ở Việt Nam.
12

+ Công thức theo TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng
chảy lũ
12
+ Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội 13
+ Công thức cường độ giới hạn sử dùng trong tính toán thoát
nước đô thị theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008
14
1.1.2.4.

Công thức Sôkôlôpsky 15
1.1.2.5. Xác định lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước 15
1.1.2.6.

Nhận xét về các công thức tính lưu lượng thiết kế 17
1.1.3. Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu
lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường
17
1.1.3.1.

Lượng mưa ngày tính toán H
n,p
18
iv

1.1.3.2. Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T
và phân vùng mưa
18
1.1.3.3. Xác định cường độ mưa tính toán a

T,p
19
1.1.4. Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu
lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường
24
1.1.4.1.

Khái quát chung về các nhân tố ảnh hưởng 24
1.1.4.2.

Ảnh hưởng của nhân tố mưa 25
1.1.4.3.

Ảnh hưởng của các yếu tố mặt đệm 26
1.1.4.4.

Ảnh hưởng của giá trị tần suất thiết kế tới trị số lưu lượng lũ tính
toán
27
1.1.4.5.

Tính chất ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính
toán trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ
trên đường
27
1.2.

Những vấn đề còn tồn tại luận án tập trung giải quyết
28
1.3.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
29
1.4.

Phương pháp nghiên cứu 30
1.5.

Nhận xét, kết luận chương 1
30
Chương 2: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA
HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TRONG TÍNH TOÁN LƯU
LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN
ĐƯỜNG.
32
2.1. Khái quát về điều kiện khí hậu Việt Nam
32
2.2. Giới thiệu về mạng lưới các trạm khí tượng và nguồn số liệu đo
mưa ở nước ta
36
2.3. Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa chịu tác động của hiện
tượng biến đổi khí hậu và ảnh hưởng của nó đến tính toán lưu
lượng đỉnh lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
38
2.3.1.

Đặt vấn đề 38
2.3.2.

Nội dung nghiên cứu 39

2.3.2.1.

Mùa mưa, mùa khô 39
2.3.2.2. Tháng mưa nhiều ngày, ít ngày 40
2.3.2.3.

Xu hướng và mức độ biến thiên lượng mưa năm và số ngày mưa
trong năm
41
2.3.2.4.

Xu hướng và mức độ biến thiên của lượng mưa ngày lớn nhất
năm H
ngày
max
và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm
44
v

a
T
max
. Tính đột biến cực đoan do ảnh hưởng của hiện tượng biến
đổi khí hậu
2.3.2.5. Giá trị trung bình trong nhiều năm

X và hệ số Cv, Cs của lượng
mưa ngày lớn nhất năm H
ngày
max

và cường độ mưa thời đoạn tính
toán lớn nhất năm a
T
max

54
2.3.2.6.

Chu kỳ biến đổi lớn - nhỏ - trung bình của lượng mưa ngày lớn
nhất năm H
ngày
max
và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất
năm a
T
max

58
2.3.2.7.

Tương quan biến đổi về giá trị và thời điểm xuất hiện cùng nhau
của lượng mưa ngày lớn nhất năm H
ngày
max
và cường độ mưa thời
đoạn tính toán lớn nhất năm a
T
max

62

2.4. Nhận xét, kết luận chương 2
67
Chương 3: XÁC ĐỊNH LƯỢNG MƯA NGÀY TÍNH TOÁN VÀ
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH DẠNG CƠN
MƯA.
70
3.1. Xác định lượng mưa ngày tính toán theo tần suất thiết kế
70
3.1.1.

Đặt vấn đề 70
3.1.2.

Xác định lượng mưa ngày tính toán H
n,p
theo tần suất thiết kế p 70
3.1.2.1.

Vấn đề lấy mẫu thống kê 71
3.1.2.2.

Kiểm định mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm H
ngày
max
71
3.1.2.3.

Tìm giá trị lượng mưa ngày tính toán H
n,p
theo tần suất thiết kế p 74

3.1.2.4.

Xử lý khi gặp những trận mưa đặc biệt lớn 75
3.1.2.5.

Kiểm định sự phù hợp của đường tần suất lý luận H
n,p
với tài liệu
thực đo
78
3.1.3.

Kết quả xác định lượng mưa ngày tính toán H
n,p
theo tần suất thiết kế
p ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với chuỗi số liệu đo mưa
thực tế từ năm 1960 - 2010
79
3.1.4.

So sánh lượng mưa ngày tính toán H
n,p
theo tần suất thiết kế p tính từ
năm 1960 tới năm 2010 so với H
n,p
tính tới năm 1987. Nhận xét và
kiến nghị
79
3.2. Nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa


T
và đề
xuất tiêu chí phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu
lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường
80
3.2.1.

Khái niệm và đặc tính của hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa


80
vi

3.2.2.

Mục đích, ý nghĩa của việc nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình
dạng cơn mưa

T

82
3.2.3. Phương pháp xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T

theo T trong một vùng mưa
83
3.2.3.1. Phương pháp xây dựng 83
3.2.3.2. Kết quả xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa


T



T cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với chuỗi số liệu đo
mưa thực tế từ năm 1960 - 2010
84
3.2.3.3. Đánh giá sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T
trong
một vùng mưa với các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T,pi
ở các tần suất p
i
khác nhau. Nhận xét và kiến nghị
85
3.2.4.

Đề xuất tiêu chí, phương pháp phân vùng mưa phù hợp đối với yêu
cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước
nhỏ trên đường
86
3.3. Nhận xét, kết luận chương 3
91
Chương 4: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THAM SỐ CƯỜNG ĐỘ MƯA
TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT
NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM.
93

4.1. Khái niệm về cường độ mưa
93
4.1.1. Khái niệm 93
4.1.2. Cường độ mưa tức thời a
t
93
4.1.3. Cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời khoảng tính toán, a
T
93
4.2. Các giả thiết khi xác định cường độ mưa tính toán a
T
của thời
đoạn T
95
4.3. Các phương pháp xác định cường độ mưa tính toán a
T,p
ở thời
đoạn T và tần suất thiết kế p
95
4.4. Phương pháp trực tiếp xác định cường độ mưa tính toán a
T,p
ở thời
đoạn T và tần suất p
96
4.4.1.

Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượng
là liên tục
97
4.4.2.

Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượng
bị gián đoạn một hoặc một vài năm quan trắc
98
4.4.3.

Kết quả xây dựng đường cong a

-

T

-

p (cường độ mưa - thời gian -
tần suất) bằng phương pháp trực tiếp ở 12 trạm khí tượng nghiên cứu
98

vii

với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960

-

2010. Nhận
xét và kiến nghị


4.5. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán a
T,p

dựa vào lượng
mưa ngày tính toán H
n,p
và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T

100
4.5.1.

Điều kiện áp dụng 100
4.5.2.

Công thức tính cường độ mưa tính toán a
T,p
theo lượng mưa ngày
tính toán và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa
100
4.5.3.

Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị 100
4.6. Nghiên cứu xây dựng công thức xác định cường độ mưa tính toán
a
T,p
theo đặc trưng sức mưa và hệ số hình dạng cơn mưa
101
4.6.1.

Điều kiện áp dung 101
4.6.2.

Phân tích chọn dạng công thức thực nghiệm và phương pháp hồi quy
xác định giá trị các hệ số trong công thức tính cường độ mưa tính
toán a
T,p

101
4.6.3. Xác định hệ số hình dạng cơn mưa m cho từng vùng mưa 103
4.6.4.

Xác định sức mưa S
p
ở tần suất p 106
4.6.5.

Xác định hệ số vùng khí hậu A, B cho từng vùng mưa 108
4.6.6.

Công thức tính cường độ mưa tính toán a
T,p
theo sức mưa S
p
và hệ số
hình dạng cơn mưa m. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị
111
4.6.7.

Công thức tính cường độ mưa tính toán a
T,p
theo hệ số vùng khí hậu

A, B và hệ số hình dạng cơn mưa m. Đánh giá sai số, nhận xét và
kiến nghị
111
4.7. Khảo sát quan hệ giữa sức mưa S
p
theo tần suất và lượng mưa
ngày tính toán H
n,p
theo tần suất trong cùng vùng mưa
112
4.7.1.

Đặt vấn đề 112
4.7.2. Xác định hệ số hồi quy

của vùng mưa
113
4.7.3.

Công thức tính cường độ mưa tính toán a
T,p
theo hệ số hồi quy của
vùng khí hậu , hệ số hình dạng cơn mưa m và lượng mưa ngày tính
toán H
n,p
. Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị
115
4.8. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán a
T,p
theo cường độ

mưa chuẩn a
To,p

115
4.8.1.

Đặt vấn đề 115
4.8.2.

Công thức tính cường độ mưa tính toán a
T,p
theo cường độ mưa
chuẩn a
T0,p

116
viii

4.8.3.

Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 117
4.9. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán a
T,p
bằng phương
pháp sử dụng trạm tựa
117
4.9.1.

Cơ sở của phương pháp 117
4.9.2.

Công thức xác định cường độ mưa tính toán a
T,p
bằng trạm tựa nội
suy theo lượng mưa ngày tính toán H
n,p

118
4.9.3.

Công thức xác định cường độ mưa tính toán a
T,p
bằng trạm tựa nội
suy theo đặc trưng sức mưa S
p

119
4.9.4.

Điều kiện áp dụng 120
4.9.5.

Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 120
4.10. Phương pháp, nội dung và kết quả đánh giá sai số của các công
thức tính cường độ mưa tính toán a
T,p

121
4.10.1.

Phương pháp, nội dung đánh giá sai số của các công thức tính cường
độ mưa tính toán a
T,p

121
4.10.2.

Kết quả đánh giá và so sánh mức độ sai số của các công thức tính
cường độ mưa tính toán a
T,p
trong cùng một vùng mưa và giữa các
vùng mưa khác nhau.
122
4.11. Nhận xét, kết luận chương 4
124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.
128
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN. 133
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 134

ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT

TT

Ký hi
ệu

Ý ngh
ĩa

1 A Hệ số vùng khí hậu
2 a Cường độ mưa
3 a
T,p
Cường độ mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p: là cường
độ mưa trung bình lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần
suất p; hay còn gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong thời
đoạn tính toán T ở tần suất p
4
a
,p
Cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước

của lưu
vực và tần suất p (chính là cường độ mưa tính toán a
T,p
khi tính

ở thời đoạn T = )
5 a
T
max
Cường độ mưa lớn nhất năm ở thời đoạn tính toán T: được xác
định từ số liệu đo mưa tự ghi thực tế tại các trạm khí tượng
6 B Hệ số vùng khí hậu
7 B
lv
Chiều rộng bình quân của lưu vực
8 b
sd
Chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực
9 F Diện tích lưu vực
10 g Cường độ tổn thất
11 H Lượng mưa
12 H
n,p
Lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p
13 H
T,p
Lượng mưa tính toán ở thời đoạn T và tần suất p: là lượng mưa
lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần suất p
14
H
,p
Lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước

của lưu vực
và tần suất p (chính là lượng mưa tính toán H

T,p
khi tính ở thời
đoạn T = )
15 H
ngày
max
Lượng mưa ngày lớn nhất năm: được xác định từ số liệu đo
lượng mưa ngày thực tế tại các điểm đo mưa
16 H
T
max
Lượng mưa lớn nhất năm ở thời đoạn tính toán T: được xác
định từ số liệu đo mưa tự ghi thực tế tại các trạm khí tượng
17 i Cường độ thấm
18 J
ls
Độ dốc dọc trung bình lòng sông suối chính
19 J
sd
Độ dốc trung bình sườn dốc lưu vực
20 L
ls
Chiều dài sông suối chính
21

l
i

Tổng chiều dài các suối nhánh
22 m Hệ số hình dạng cơn mưa

23 m
ls
=1/n
ls
Thông số đặc trưng cho nhám lòng sông suối chính
x

24 m
sd
=1/n
sd
Thông số đặc trưng cho nhám sườn dốc lưu vực
25 n
ls
Hệ số nhám trung bình lòng sông suối chính
26 n
sd
Hệ số nhám trung bình sườn dốc lưu vực
27 N = 100/p Chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán (năm)
28 p Tần suất thiết kế (%)
29 Q Lưu lượng
30 Q
p
Lưu lượng thiết kế ở tần suất p: là lưu lượng lớn nhất qua mặt
cắt công trình ứng với tần suất thiết kế p
31 q Mô đuyn dòng chảy mưa, hay lưu lượng dòng chảy mưa (chưa
xét đến tổn thất) từ 1 đơn vị diện tích lưu vực, hay cường độ
mưa theo thể tích
32 S Sức mưa
33 S

p
Sức mưa ở tần suất p
34 T Thời đoạn mưa tính toán
35 T
cn
Thời gian mưa hiệu quả, hay thời gian cung cấp nước, hay thời
gian mưa sinh dòng chảy
36 t Thời gian
37 v Vận tốc
38 W Thể tích
39


Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa
40

T

Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời đoạn tính toán T
41


Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời gian trung nước


của lưu vực (chính là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 
T
khi
tính ở thời đoạn T = )
42



Hệ số hồi quy của vùng khí hậu
43

1

Hệ số tổn thất do ao hồ, đầm lầy
44


Hệ số xét đến việc mưa không đều trên lưu vực
45


Hệ số dòng chảy
46


Hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào diện tích
lưu vực
47


Thời gian tập trung nước của lưu vực, hay thời gian tập trung
dòng chảy của lưu vực
*

Các t
ừ viết tắt:

48 BĐKH Biến đổi khí hậu
49 ĐBL Đặc biệt lớn
50 VN Việt Nam
51 WMO Tổ chức Khí tượng thế giới
xi

DANH MỤC CÁC BẢNG

TT

S
ố hiệu

Tiêu đ
ề

Trang

1 Bảng 2.1

Thông tin về số liệu đo mưa ở 12 trạm khí tượng chọn
nghiên cứu
37
2 Bảng 2.2

Tổng hợp kết quả nghiên cứu tháng mưa nhiều ngày trong
năm, so sánh với kết quả nghiên cứu tháng mùa mưa trong
năm tại 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
40

3 Bảng 2.3

Tổng hợp kết quả nghiên cứu xu hướng biến thiên của
lượng mưa năm và số ngày mưa trong năm tại 12 trạm khí
tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
43
4 Bảng 2.4

Tổng hợp kết quả nghiên cứu xu hướng biến thiên của
lượng mưa ngày lớn nhất năm H
ngày
max
và cường độ mưa
lớn nhất năm a
T
max
ở các thời đoạn từ T = 5ph  1440ph
tại 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
47
5 Bảng 2.5

So sánh các giá trị (H
ngày
max
)
*
, (a
T
max
)

*
lớn đột biến với giá
trị H
n,p
, a
T,p
ở các mức tần suất thường dùng p = 4%, 1%
cùng thời kỳ từ năm 1960 - 2010
53
6 Bảng 2.6

Giá trị Cv và Cs của lượng mưa ngày lớn nhất năm
H
ngày
max
tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm
1960 - 2010
56
7 Bảng 2.7

Giá trị Cv và Cs của cường độ mưa lớn nhất năm a
T
max
ở
các thời đoạn tính toán T =5ph  1440ph tại 12 trạm khí
tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
57
8 Bảng 2.8

Tổng hợp kết quả nghiên cứu chu kỳ biến đổi của lượng

mưa ngày lớn nhất năm H
ngày
max
và cường độ mưa lớn nhất
năm a
T
max
ở các thời đoạn T =5ph  1440ph tại 12 trạm
khí tượng nghiên trong thời gian khảo sát đến năm 2010
61
9 Bảng 2.9

Bảng mầu đánh giá sự trùng lặp về thời điểm xuất hiện
cùng ngày tháng năm của H
ngày
max
và a
T
max
từ 5ph 
1440ph tại trạm Láng - Hà Nội từ năm 1960 - 2010
65
10 Bảng 2.10

Tổng hợp kết quả nghiên cứu mức độ trùng lặp về ngày
tháng xuất hiện trong năm của cường độ mưa lớn nhất năm
a
T
max
ở các thời đoạn tính toán T = 5ph  1440ph so với

ngày tháng xuất hiện trong năm của lượng mưa ngày lớn
nhất năm H
ngày
max
tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ
năm 1960 - 2010
66
xii

11 Bảng 3.1

Số năm quan trắc cần thiết để đảm bảo sai số lấy mẫu của
chuỗi số liệu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm tại 12
trạm khí tượng chọn nghiên cứu
73
12 Bảng 3.2

Giá trị và thời điểm xuất hiện lượng mưa ngày lớn đột biến
(H
ngày
max
)
*
trong chuỗi số liệu từ năm 1960 - 2010 tại 12
trạm khí tượng chọn nghiên cứu
76
13 Bảng 3.3

Kết quả kiểm định theo tiêu chuẩn Smirnov - Kolmogorov
về sự phù hợp với số liệu thực đo của đường tần suất lý

luận lượng mưa ngày tính toán H
n,p
tại 12 trạm khí tượng
chọn nghiên cứu với mức ý nghĩa cho phép  = 5%
79
14 Bảng 3.4

Tóm tắt quá trình xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn
mưa 
T

84
15 Bảng 3.5

Kết quả đánh giá sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn
mưa 
T
thiết lập cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu
với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010
86
16 Bảng 3.6

Sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở các trạm
Láng, trạm Hà Đông, trạm Sơn Tây tính so với đường 
T

trung bình 3 trạm
90
17 Bảng 4.1

Xác định các điểm trọng tâm phục vụ hồi quy tìm hệ số m 104
18 Bảng 4.2

Hồi quy với các điểm trọng tâm để tìm hệ số m 104
19 Bảng 4.3

Hệ số tương quan hồi quy R
2
trong phép hồi quy xác định
giá trị hệ số hình dạng cơn mưa m ở 12 trạm khí tượng
chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
106
20 Bảng 4.4

Trình tự thực hiện hồi quy để tìm sức mưa S
p
ở tần suất p 107
21 Bảng 4.5

Tổng hợp hệ số tương quan hồi quy R
2
trong phép hồi quy
xác định sức mưa S
p
ứng với các tần suất p = 1% 
99.99% ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với số liệu
đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010
108
22 Bảng 4.6

Trình tự thực hiện hồi quy để tìm hệ số vùng khí hậu A, B 110
23 Bảng 4.7

Trình tự thực hiện hồi quy để tìm hệ số hồi quy của vùng
khí hậu 
113
24 Bảng 4.8

Tổng hợp hệ số tương quan hồi quy R
2
trong phép hồi quy
xác định hệ số  ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với
số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010
114
25 Bảng 4.9

Tổng hợp kết quả đánh giá mức độ sai số của các công
thức thực nghiệm tính cường độ mưa tính toán a
T,p
với số
liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010 tại 12 trạm nghiên cứu
123
xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

TT

S
ố hiệu

Tiêu đ
ề

Trang

1 Hình 1.1 Mô tả khái quát sự hình thành dòng chảy lũ do mưa
trên lưu vực
6
2 Hình 1.2 Sơ đồ hình thành dòng chảy: Bình đồ lưu vực 8
3 Hình 1.3 Sơ đồ hình thành dòng chảy: Giá trị lưu lượng chảy qua
công trình sau từng đơn vị thời gian
8
4 Hình 1.4 Ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa tới cường độ mưa
tính toán a
,p

28
5 Hình 2.1 Xu hướng biến thiên lượng mưa năm tại trạm Láng,
trạm Hà Đông, trạm TX.Sơn Tây của TP.Hà Nội từ
năm 1960 - 2010
42
6 Hình 2.2 Xu hướng biến thiên số ngày mưa trong năm tại trạm
Láng, trạm Hà Đông, trạm TX.Sơn Tây của TP.Hà Nội
từ năm 1960 - 2010
42
7 Hình 2.3 Xu hướng biến thiên của H
ngày
max
tại 12 trạm khí tượng

chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
45
8 Hình 2.4 Xu hướng biến thiên của a
T
max
ở các thời đoạn T = 5ph
 1440ph tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ 1960 - 2010
46
9 Hình 2.5 Lượng mưa ngày lớn nhất năm bình quân nhiều
nămH
ngày
max
tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ
năm 1960 - 2010
55
10 Hình 2.6 Cường độ mưa lớn nhất năm bình quân nhiều
năma
T
max
ở các thời đoạn từ T =5ph  1440ph tại 12
trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ 1960 - 2010
56
11 Hình 2.7 Chu kỳ biến đổi của lượng mưa ngày lớn nhất năm
H
ngày
max
tại trạm Láng - Hà Nội từ năm 1960 - 2010
60
12 Hình 2.8 Chu kỳ biến đổi của cường độ mưa lớn nhất năm a
T

max

ở các thời đoạn tính toán T = 30ph, 180ph, 1440ph tại
trạm Láng – TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010
60
13 Hình 2.9 Đồ thị so sánh biến đổi về giá trị giữa H
ngày
max
và a
T
max

ở các thời đoạn tính toán T = 5ph  1440ph tại trạm
Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010
64
14 Hình 3.1 Sơ đồ xác định lượng mưa ngày tính toán H
n,p
theo tần
suất bằng thống kê xác suất với chuỗi số liệu đo lượng
mưa ngày ở các trạm đo mưa ở nước ta là liên tục
71
xiv

15 Hình 3.2 Xử lý trường hợp có 1 cơn mưa đặc biệt lớn nằm trong
chuỗi số liệu thống kê
77
16 Hình 3.3 Xử lý trường hợp có nhiều cơn mưa đặc biệt lớn nằm
trong chuỗi số liệu thống kê
77
17 Hình 3.4

Họ đường cong

T,p
~ T ít thay đổi theo tần suất trong
một vùng mưa nhưng khác nhau giữa các vùng mưa
81
18 Hình 3.5 Phân vùng mưa bằng đường cong hệ số đặc trưng hình
dạng cơn mưa 
T
 T
81
19 Hình 3.6 Sự khác nhau về chế độ mưa ở các trạm khí tượng gây
chênh lệch lưu lượng thiết kế của lưu vực nhỏ ở các
vùng khi cùng điều kiện mặt đệm và tần suất, khảo sát
với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010
88
20 Hình 3.7 Các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa


T
 T tại 3 trạm Láng, trạm Hà Đông, trạm Sơn Tây
của TP. Hà Nội từ năm 1960 - 2010
90
21 Hình 4.1 Diễn biến lượng mưa tích lũy H
t
và cường độ mưa tức
thời a
t
trong một trận mưa thực tế
93

22 Hình 4.2 Phương pháp xác định cường độ mưa trung bình lớn
nhất trong khoảng thời gian tính toán T trên giấy đo
mưa tự ghi
94
23 Hình 4.3 Quan hệ cường độ mưa tính toán a
T
, lượng mưa lớn
nhất trong khoảng thời gian tính toán H
T
và thời đoạn
mưa tính toán T
94


24 Hình 4.4 Sơ đồ xác đinh cường độ mưa tính toán a
T,p
ở thời đoạn
T và tần suất p bằng thống kê xác suất trong trường
hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi ở các trạm khí tượng
của nước ta đủ dài, không liên tục, bị gián đoạn một số
năm quan trắc
99
25 Hình 4.5 Kết quả hồi quy tìm hệ số hình dạng cơn mưa m cho
trạm Láng - TP.Hà Nội với số liệu đo mưa thu thập từ
năm 1960 - 2010
105
26 Hình 4.6
Kết quả hồi quy tìm hệ số hồi quy của vùng khí hậu


cho trạm TP.Lạng Sơn với số liệu đo mưa thu thập từ
năm 1960 - 2010
114

- 1 -

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Giới thiệu tóm tắt luận án.
- Mạng lưới giao thông ngày càng mở rộng, đặc biệt là vùng nông thôn, vùng sâu, vùng
xa; khu dân cư, khu đô thị phát triển với tốc độ nhanh; khu công nghiệp ngày một gia
tăng. Chúng đòi hỏi có công thức tính toán lưu lượng lũ thiết kế cho lưu vực nhỏ của
công trình thoát nước nhỏ đơn giản, dễ tính toán và có độ chính xác chấp nhận được.
Cùng với nhiều công trình nghiên cứu khác, công trình nghiên cứu trong luận án góp
phần tiếp tục hoàn thiện công thức tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế đối với lưu vực nhỏ,
cụ thể là vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng đỉnh
lũ thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay.
- Nội dung luận án gồm có 4 chương; phần mở đầu; kết luận và kiến nghị; ngoài ra còn
có 1 quyển phụ lục đóng riêng.
+/ Phần mở đầu.
+/ Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
+/ Chương 2: Nghiên cứu đặc điểm mưa chịu tác động của hiện tượng biến đổi khí
hậu trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
+/ Chương 3: Xác định lượng mưa ngày tính toán và nghiên cứu xác định hệ số đặc
trưng hình dạng cơn mưa.
+/ Chương 4: Nghiên cứu xác định tham số cường độ mưa trong tính toán lưu lượng
thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam.
+/ Kết luận và kiến nghị.
+/ Quyền Phụ lục luận án: được đóng riêng, trong đó là các đồ thị, bảng tra kết quả
tính các thông số về mưa như H

n,p
, đường cong a

-

T

-

p lập bằng phương pháp tính
trực tiếp, các giá trị 
T
, S
p
, m, A, B,  tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với
số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960 - 2010; và các nội dung khác.
2. Lý do chọn đề tài.
- Các công trình thoát nước nhỏ trên đường thường chiếm một tỷ trọng khiêm tốn trong
tổng giá thành xây dựng một con đường. Mặc dù chiếm tỷ trọng không lớn hơn so với
các hạng mục khác như nền, mặt đường, . . . nhưng khả năng hoạt động tiêu thoát lũ
của công trình thoát nước nhỏ lại ảnh hưởng rất lớn tới độ bền vững, chi phí khai thác
và hiệu quả sử dụng của con đường, ví dụ: xói lở ở hạ lưu gây hư hỏng công trình
- 2 -

cống thoát nước ngang đường khi gặp mưa lũ lớn kéo theo hư hỏng một đoạn nền,
mặt đường, gây đình trệ giao thông, làm phát sinh lớn chi phí duy tu, sửa chữa công
trình. Đồng thời, ở một mức độ nào đó, khả năng tiêu thoát lũ của công trình thoát
nước nhỏ trên đường còn ảnh hưởng tới môi trường sản xuất, sinh hoạt của cư dân
trong vùng có công trình, như: hiện tượng tích nước ở thượng lưu làm ngập úng
ruộng đồng, làng mạc ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp thường hay xảy ra ở miền

Trung hiện nay sau khi xây dựng xong các con đường; hiện tượng ngập úng đường
phố sau các cơn mưa lớn ở một số đô thị của nước ta hiện nay gây khó khăn, xáo trộn
sinh hoạt và sản xuất, . . . . Tất cả những vấn đề trên đều liên quan đến khâu thiết kế
công trình thoát nước nhỏ trên đường, trong đó có việc tính toán xác định lưu lượng
thiết kế Q
p
.
- Trong những năm gần đây, hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng diễn ra rất
mạnh mẽ trên toàn cầu. Đây là hiện tượng đã được các nhà khoa học xác định là có
thực và theo đánh giá thì Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng nghiêm
trọng của hiện tượng này. Dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển
dâng, thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan gia tăng, ảnh hưởng đến chế độ
mưa ở nước ta. Do vậy ảnh hưởng đến các thông số về mưa sử dụng trong tính toán
lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, làm cho việc sử dụng các
thành quả nghiên cứu các dữ liệu về mưa trước đây trong tính toán lưu lượng thiết kế
công trình thoát nước nhỏ trên đường trở nên giảm độ tin cậy.
- Thực tiễn hiện nay ở nước ta cho thấy, các hiện tượng bất lợi như trên đối với công
trình thoát nước nhỏ trên đường ngày một gia tăng. Có những tuyến đường xuất hiện
các hư hỏng tại các công trình thoát nước nhỏ trên đường do mưa lũ ngay sau khi
hoặc chỉ sau một vài năm đưa vào sử dụng. Thực tế trên đường Hồ Chí Minh do khẩu
độ cầu, cống tính toán không đủ tiêu thoát đã tạo ra những trận lũ quét dữ dội ‘‘thế
năng biến thành động năng’’, ví dụ trận lũ quét lịch sử tại Sơn Diệm năm 2002. Rõ
ràng, còn có vấn đề tồn tại trong việc tính toán xác định lưu lượng thiết kế công trình
thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay. Nổi lên là vấn đề xác định các tham số
về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế.
- Từ những đòi hỏi cấp thiết như trên, luận án “Nghiên cứu xác định một số tham số
về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát
nước nhỏ trên đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam’’ được chọn nghiên cứu.
- 3 -

3. Mục đích nghiên cứu.
- Luận án chỉ tập trung nghiên cứu và giải quyết thông số về mưa (lượng mưa, cường
độ mưa, phân vùng mưa và các đặc trưng khác về mưa) dùng trong tính toán lưu
lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Đây là thông số quyết định,
quan trọng nhất, bất định nhất trong tính toán lưu lượng thiết kế Q
p
và hoàn toàn phụ
thuộc vào đặc trưng khí hậu của riêng Việt Nam.
- Các thông số khác về điều kiện mặt đệm như đặc trưng về địa hình, địa mạo, địa chất,
thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật, thấm, tổn thất, . . . được xác định bằng các số liệu khảo
sát đo đạc của lưu vực khi thiết kế (có thể xem cách xác định các thông số này như
trong phụ lục 9 quyển phụ lục luận án). Thông số thời gian tập trung nước  của lưu
vực được xác định bằng cách giải phương trình động lực học dòng chảy, các công
thức nửa lý thuyết hay các công thức thực nghiệm. Đã có nhiều kết quả nghiên cứu
trên thế giới cũng như trong nước về các thông số này thu được kết quả khích lệ khi
áp dụng ở Việt Nam cho lưu vực nhỏ, như trong [1],

[10],

[12],

[13], [15],

[22],

[23],

[24],

[25],

[26], [27],

[31], [32],

[33], [34],

[35],

[37],

[38],

[39], [40], [42], [44], [47],
[48], [49], [50], [51], [53], [54], [55], [56], . . . .
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu: công trình thoát nước nhỏ (cầu nhỏ, cống, rãnh thoát nước
mặt) trên đường bộ, đường sắt, đường đô thị, sân bay.
- Phạm vi nghiên cứu: cho lưu vực nhỏ, ở Việt Nam.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
1) Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa, góp phần làm sáng tỏ hơn tình trạng bất
thường của sự biến đổi của mưa trên lãnh thổ Việt Nam trong những thập kỷ gần
đây. Thấy được tính cấp thiết phải hiệu chỉnh hoặc dần thay thế mới cơ sở dữ liệu
về mưa phù hợp với các diễn biến thời tiết chịu tác động của hiện tượng BĐKH;
kiến nghị giải pháp chủ động ứng phó với hiện tượng biến đổi cực đoan về mưa
trong tính toán thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay.
2) Nghiên cứu xác định các tham số về mưa (lượng mưa ngày tính toán H
n,p
, cường độ
mưa tính toán a

T,p
, phân vùng mưa hợp lý và các đặc trưng khác về mưa: 
T
, S
p
, A,
B, m, ) phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam dùng trong các công thức tính
toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Một vài tham số mưa
nghiên cứu xác định trong luận án (như tham số lượng mưa ngày tính toán H
n,p
, hệ
- 4 -

số đặc trưng hình dạng cơn mưa 
T
) còn được sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky
tính lưu lượng thiết kế cho lưu vực vừa và lớn; sử dụng trong tính toán mưa rào –
dòng chảy bằng mô hình NAM - MIKE cho kết quả tin cậy.
3) Trạm đo mưa ở nước ta thì nhiều nhưng phần lớn là đo lượng mưa ngày, số trạm khí
tượng có máy đo mưa tự ghi còn ít, do vậy khi phương pháp xác định trực tiếp tham
số cường độ mưa tính toán a
T,p
dựa vào số liệu đo mưa tự ghi thực tế chưa được phổ
biến thì việc nghiên cứu xây dựng các công thức thực nghiệm tính gián tiếp tham số
cường độ mưa tính toán a
T,p
trong luận án; vấn đề chuyển lượng mưa ngày tính toán
H
n,p
thành lượng mưa tính toán từng thời khoảng ngắn H

T,p
là rất cần thiết đối với
thực tiễn tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế của lưu vực công trình thoát nước trên
đường Việt Nam.
4) Để quy hoạch phòng lũ tốt thì vấn đề trước tiên yêu cầu là phân vùng mưa lũ hợp lý,
phù hợp với đặc điểm mưa của từng vùng. Luận án đã nghiên cứu đề xuất tiêu chí,
phương pháp phân vùng mưa phục vụ cho việc xây dựng bản đồ phân vùng mưa
hợp lý với tỷ lệ lớn, phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của
công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam.
5) Luận án xác lập được giá trị cụ thể các tham số về mưa, như: lượng mưa ngày tính
toán H
n,p
theo tần suất thiết kế, hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 
T
, sức mưa S
p
,
hệ số vùng khí hậu A, B, hệ số hình dạng cơn mưa m, hệ số hồi quy của vùng khí
hậu , cường độ mưa chuẩn a
To,p
dùng trong 7 công thức thực nghiệm mà luận án
nghiên cứu, phát triển để tính cường độ mưa tính toán a
T,p
ứng với thời gian tập
trung nước tính toán và tần suất thiết kế, cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu là các
trạm: TX.Mường Lay-T.Điện Biên, TP.Tuyên Quang-T.Tuyên Quang, TP.Lạng
Sơn-T.Lạng Sơn, Trạm Láng-TP.Hà Nội, Trạm Hà Đông-HN, TX.Sơn Tây-HN,
TP.Vinh-T.Nghệ An, TP.Đồng Hới-T.Quảng Bình, TPhố.Đà Nẵng, TP.Nha Trang-
T.Khánh Hòa, TP.Buôn Ma Thuột-T.Đắk Lắk, TPhố.Cần Thơ, với số liệu đo mưa
thực tế thu thập từ năm 1960 - 2010, kiến nghị tham khảo sử dụng vào thực tiễn tính

toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường hiện nay ở những khu
vực này của nước ta.
6) Luận án cũng góp phần làm phong phú thêm các kiến thức trong việc xác định các
tham số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế công trình thoát
nước nhỏ trên đường.
- 5 -

6. Những đóng góp mới của luận án.
1) Xác định được các giá trị lượng mưa ngày tính toán H
n,p
theo tần suất thiết kế ở 12
trạm khí tượng chọn nghiên cứu trên cơ sở chuỗi số liệu đo mưa thực tế dài, từ năm
1960 - 2010, trong đó thời gian cuối được cho là ứng với bối cảnh mới có sự tác
động của hiện tượng BĐKH, ứng dụng để tính toán lưu lượng thiết kế công trình
thoát nước nhỏ trên đường theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCVN9845:2013 [5]
hay sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết kế cho lưu vực vừa và
lớn (ở những khu vực có các trạm khí tượng này).
2) Xác định được các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 
T
cho khu vực 12
trạm khí tượng nghiên cứu với thời kỳ đo mưa từ năm 1960 - 2010, dùng để tính
cường độ mưa tính toán ứng với thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất
thiết kế sử dụng trong tiêu chuẩn TCVN9845:2013 [5] tính lưu lượng thiết kế công
trình thoát nước nhỏ trên đường. Đồng thời nó là tham số quan trọng dùng để tính
chuyển từ lượng mưa ngày tính toán H
n,p
sang lượng mưa tính toán từng thời
khoảng ngắn H
T,p
dùng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết kế cho lưu

vực vừa và lớn, trong tính toán mưa rào - dòng chảy bằng mô hình NAM - MIKE
cho kết quả tin cậy. Ngoài ra hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 
T
còn có thể
được dùng làm tiêu chí để phân vùng mưa.
3) Tổng kết và nghiên cứu cải tiến thành 7 dạng công thức thực nghiệm tính tham số
cường độ mưa tính toán a
T,p
ứng với thời gian tập trung nước của lưu vực và tần
suất thiết kế dùng để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường
tương ứng với các điều kiện khác nhau về dữ liệu mưa hiện có ở vùng thiết kế,
trong đó có 3 dạng là công thức cải tiến mới của luận án, các công thức còn lại các
hệ số trong công thức được luận án xây dựng mới cho khu vực 12 trạm khí tượng
chọn nghiên cứu với thời kỳ đo mưa từ năm 1960 - 2010.







- 6 -

Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước.
1.1.1. Sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực [15].
- Khi mưa rơi xuống lưu vực, ban đầu nước mưa đọng trên các lá cây, thảm phủ thực
vật, trữ vào trong các khe rỗng và chỗ trũng, một phần rất nhỏ lượng nước bốc hơi trở

lại khí quyển, đại bộ phận thấm xuống đất và chưa sinh dòng chảy trên bề mặt lưu
vực, cường độ mưa a
t
lúc này nhỏ hơn cường độ tổn thất g
t
. Giai đoạn này được gọi là
giai đoạn tổn thất hoàn toàn.
- Nếu mưa vẫn tiếp tục, khi cường độ mưa a
t
vượt quá cường độ tổn thất g
t
sẽ bắt đầu
sinh dòng chảy trên bề mặt và sẽ lớn dần lên. Dưới tác dụng của trọng lực nước sẽ
chảy tràn theo bề mặt sườn dốc lưu vực vào lòng sông suối và tập trung về mặt cắt đặt
công trình thoát nước, giai đoạn này được gọi là giai đoạn sinh dòng chảy.
- Trong giai đoạn sinh dòng chảy, tổn thất vẫn tiếp tục. Từ thời điểm kết thúc giai đoạn
sinh dòng chảy trở đi đến lúc mưa kết thúc lại có cường độ mưa a
t
nhỏ hơn cường độ
tổn thất g
t
. Như vậy trong giai đoạn này mặc dù mưa vẫn còn nhưng đã không còn tác
dụng cung cấp nước cho dòng chảy mặt trên lưu vực nữa.
- Quá trình trên có thể mô tả khái quát như ở Hình 1.1 sau.
+) Trong hình 1.1 các đường a
t


t và
đường g

t


t là đường quá trình m
ưa
và đường cong tổn thất, trong đó a
t
và g
t
lần lượt là cường độ mưa
và
cường độ tổn thất tại thời đi
ểm t bất
kỳ.
+) Thời gian mưa là T
mưa
,
trong giai
đoạn sinh dòng chảy có a
t
 g
t
,
kho
ảng thời gian này gọi là thời gian
mưa hiệu quả hay thời gian cấp nư
ớc

Hình 1.1: Mô tả khái quát sự hình thành
dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực

hay thời gian cung cấp dòng chảy T
cn
, ta luôn có T
cn
< T
mưa
.
+) Hiệu số a
hqt
= (a
t
- g
t
)  0 trong giai đoạn sinh dòng chảy gọi là cường độ mưa hiệu
quả hay cường độ cấp nước hay cường độ dòng chảy tại thời điểm t.
t
Sinh dßng ch¶y
Tæn thÊt hoµn toµn
T
cn
T
0
at
g
t
hqt
a
ma
at
g

t
- 7 -

1.1.2. Các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên
đường.
Hiện nay, lý luận cũng như phương pháp, công thức tính toán dòng chảy lũ có rất
nhiều. Đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường, việc xác định lưu lượng thiết kế
hiện nay ở các nước có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Anh, Pháp, Nga, Nhật Bản,
Trung Quốc, . . . đều sử dụng công thức cường độ giới hạn. Ở Việt Nam, trong các
tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ
[5] và TCVN7957:2008, Thoát nước - mạng lưới và công trình bên ngoài [8] cũng sử
dụng công thức cường độ giới hạn để xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát
nước nhỏ trên đường ô tô và đường đô thị.
Công thức cường độ giới hạn xác định lưu lượng đỉnh lũ thiết kế được rút ra từ
công thức căn nguyên dòng chảy nổi tiếng mà cơ sở của nó là lý thuyết tập trung
nước từ lưu vực. Lý thuyết này đầu tiên được các nhà bác học Liên Xô (cũ) phân tích,
nghiên cứu (N.E. Đôngôv, M.E. Velikanov và M.M. Prôtôđiakônov) và hiện nay nó
được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực tính toán thủy văn. Dưới đây là
trình bày tóm tắt lý thuyết tập trung nước từ lưu vực, theo tài liệu [32].
1.1.2.1. Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực [32].
 Các giả thiết của M.M. Prôtôđiakônov.
+) Lưu vực có dạng đều, ở giữa là lòng sông suối.
+) Mưa và tổn thất phân bố đồng đều trên toàn lưu vực và có cường độ không thay
đổi trong thời gian tính toán.
+) Coi tần suất mưa sinh ra dòng chảy lũ bằng tần suất dòng chảy lũ trên lưu vực.
 Thời gian tập trung nước của lưu vực, ký hiệu là : là thời gian để một giọt nước xa
nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước.
 Đường đẳng thời: là đường nối các điểm trên lưu vực có cùng thời gian nước chảy về
mặt cắt đặt công trình thoát nước.
 Công thức xác định lưu lượng cực đại của dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực.

- Phân tích quy luật nước chảy từ các sườn dốc lưu vực về công trình thoát nước, các
tác giả của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực nhận thấy rằng: lưu lượng nước mưa
chảy về công trình tăng dần theo thời gian và đạt giá trị cực đại khi giọt nước từ điểm
xa nhất trên lưu vực kịp chảy về mặt cắt đặt công trình thoát nước. Thực tế đó được
chứng minh qua sơ đồ ở các hình 1.2, hình 1.3 và các phân tích sau đây.
- 8 -

+ Lu vc F cú thi gian tp trung nc l , v trờn lu vc nhng ng ng thi
gian nc chy v mt ct t cụng trỡnh thoỏt nc sau 1, 2, 3, 4, . . .

n v thi gian
(vtg), trong tớnh toỏn cng ma n v thi gian thng tớnh l phỳt.
+ Gi a l cng ma v gi s cha xột n tn tht thỡ a s bng chiu dy cung
cp dũng chy trong 1 n v thi gian, thng tớnh l phỳt. Quy lut thay i lu
lng qua mt ct t cụng trỡnh thoỏt nc nh sau.



F = f
1
+ f
2
+ f
3
+ f
4

Thi gian tp trung nc ca lu
vc l = 4 vtg, thng tớnh l
phỳt

Hỡnh 1.2: Bỡnh lu vc
Hỡnh 1.3: S giỏ tr lu lng chy qua
cụng trỡnh sau tng n v thi gian
+ Sau phỳt th nht ch cú lng nc ma trờn phn din tớch f
1
ca lu vc kp
chy v mt ct t cụng trỡnh thoỏt nc, lng nc ma trờn cỏc phn din tớch
lu vc f
2
, f
3
, f
4
mi ang tin dn v phớa mt ct t cụng trỡnh thoỏt nc. Do ú
lu lng nc chy qua mt ct t cụng trỡnh thoỏt nc sau phỳt th nht s l:
Q
1
= a.f
1

+ Sau phỳt th hai, ngoi lng nc ma trờn phn din tớch f
1
cũn cú thờm lng
nc ma trờn phn din tớch f
2
ca lu vc chy v mt ct t cụng trỡnh thoỏt
nc. Theo nguyờn tc xp chng lng nc, lu lng nc chy qua mt ct t
cụng trỡnh thoỏt nc sau phỳt th hai l: Q
2
= a.(f

1
+ f
2
)
+ Cng lp lun tng t, cú c lu lng nc chy qua mt ct t cụng trỡnh
thoỏt nc sau phỳt th ba, th t l: Q
3
= a.(f
1
+ f
2
+ f
3
)
Sau đvtg thứ nhất:
Q1 = a.f1
f4
f2
f1
Đờng phân thủy
Mặt cắt công trình
Sau đvtg thứ hai:
Q2 = a.(f1+f2)
Sau đvtg thứ ba:
Q3 = a.(f1+f2+f3)
Sau đvtg thứ t:
F = f1 + f2 + f3 + f4
f3
a.f1
a.f2

a.f3
a.f4
a.f1
a.f2
a.f3
a.f4
a.f2
a.f3
a.f4
a.f1
a.f2
a.f3
a.f4
a.f2
a.f3
a.f4
a.f3
a.f4
a.f1
a.f2
a.f3
a.f4
Bắt đầu:
a.f1
a.f2
a.f3
a.f4
a.f1
a.f2
a.f3

a.f4
a.f1
a.f2
a.f3
a.f4
a.f1
a.f2
a.f3
a.f4
a.f2
a.f3
a.f4
a.f3
a.f4
a.f1
a.f2
a.f3
Q4 = a.(f1+f2+f3+f4)
a.f4
a.f4
F
f
1

f
2

f
3

f
4

V trớ t cụng trỡnh
thoỏt nc

ng
1 vtg

2 vtg

3 vtg

4 vtg

- 9 -

Từ sau phút thứ tư trở đi là: Q
4
= a.(f
1
+ f
2
+ f
3
+ f
4
)
+ Nhận thấy, lưu lượng lớn nhất chảy qua mặt cắt đặt công trình thoát nước sẽ do
toàn bộ diện tích lưu vực F tạo ra và thời đoạn mưa tạo ra lưu lượng lớn nhất Q

max

đúng bằng thời gian tập trung nước  của lưu vực.
Q
max
= a.F
Như vây, để xác định lưu lượng đỉnh lũ Q
max
chỉ cần xét trong thời đoạn mưa tính
toán T đúng bằng thời gian tập trung nước

của lưu vực. Cường độ mưa a của cơn
mưa tính toán giả thiết có giá trị không đổi được lấy bằng cường độ mưa trung bình
lớn nhất trong thời gian tập trung nước

, hay còn được gọi là cường độ mưa giới
hạn lớn nhất trong khoảng thời gian tập trung nước

, được xác định ở đoạn dốc nhất
của đường cong tích lũy mưa ứng với thời đoạn mưa tính toán T =

như ở Hình 4.2 -
Chương 4.
- Công thức Q
max
= a.F chưa xét đến các tổn thất, để phục vụ cho tính toán thực tế phải
xét tới tổn thất qua các hệ số thực nghiệm. Ngoài ra công trình thoát nước trên đường
được thiết kế với lũ tần suất p% nên Q
max
thường được ký hiệu là Q

p
và xét tới đơn vị
tính của các tham số trong công thức, có được công thức (1.1) tính lưu lượng đỉnh lũ
thiết kế tại mặt cắt đặt công trình thoát nước của lưu vực như sau.
FaKQ
pp

,



(1.1)
Trong đó: Q
p
là lưu lượng thiết kế ở tần suất p
F là diện tích lưu vực
 là hệ số dòng chảy, xét đến lượng nước mưa bị tổn thất
a
,p
là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu
vực và tần suất p. Chính là cường độ mưa trung bình lớn nhất trong
thời gian tập trung nước  và tần suất p, còn được gọi là cường độ
mưa giới hạn lớn nhất ở thời gian tập trung nước  và tần suất p.
K là hệ số chuyển đổi đơn vị khi các đại lượng trong công thức
không tính ở cùng đơn vị. Khi Q
p
tính bằng m
3
/s, a
,p

tính bằng
mm/ph, F tính bằng km
2
, thì: 67.16
60
*
1000
1000
2
K
- Công thức (1.1) là công thức cơ bản. Từ công thức cơ bản (1.1), rất nhiều các tác giả
đã nghiên cứu áp dụng và hoàn chỉnh cho phù hợp với điều kiện thực tế về quy luật
phân bố cường độ mưa, điều kiện nước chảy trên các lưu vực tự nhiên.
- 10 -

- Với công thức (1.1) hoàn toàn có thể từ tài liệu về mưa để tính ra được lưu lượng
đỉnh lũ. Đối với lưu vực của công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta, điều
kiện tài liệu thường chỉ có số liệu đo mưa, không có số liệu đo lũ thực tế nên sử dụng
dạng công thức (1.1) để tính lưu lượng thiết kế là phù hợp.
1.1.2.2. Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên
đường ở một số nước trên thế giới.
Công thức cường độ giới hạn dạng (1.1) được sử dụng rộng rãi và phổ biến để
xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường. Ngay cả các
công thức thực nghiệm, nửa thực nghiệm cũng thường được đưa về dạng này, trong
đó việc thực nghiệm nhằm xác định các hệ số trong công thức.
- Ở Anh: công thức cường độ giới hạn [24], [50]
AICKQ


(1.2)

Q là lưu lượng dòng chảy; C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt
lưu vực; I là cường độ mưa trung bình ứng với thời gian tập trung nước; A là diện
tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.
- Ở Mỹ: sử dụng công thức cường độ giới hạn [20].
AICKQ
p




(1.3)

Q
p
là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số phân bố mưa rào, được xây dựng
thành đồ thị tra; C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào tính chất bề mặt và chu kỳ mưa;
I là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế
p; A là diện tích lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.
Ngoài ra còn viết ở dạng:
AqCQ
p



(1.3’)
với: K.I = q là mô đuyn dòng chảy mưa tính toán.
- Ở Pháp: Albert Caquot xây dựng công thức thực nghiệm biểu thị dưới dạng phương
trình cân bằng thể tích dựa trên nguyên lý hiệu quả năng lực của mạng lưới. Đây được
đánh giá là một trong những mô hình nổi tiếng của thế giới và được áp dụng từ lâu ở

Pháp:
c
tQCAH ) (
6
1



Q là lưu lượng tối đa tại mặt cắt tính toán;  là hệ số phân bố mưa rào, được xác
định bằng công thức  = A
-
; H là chiều cao lớp nước mưa hay độ sâu mưa trong thời
gian t
c
; A là diện tích lưu vực; C là hệ số dòng chảy; t
c
là thời gian tập trung nước của
lưu vực; , ,  là các hệ số thực nghiệm.
- 11 -

Như vậy H

/

t
c
= a
tc
chính là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước t
c

của lưu vực, viết lại có dạng công thức (1.4) như sau.
AaCQ
c
t

).(6





(1.4)

- Ở Nga và các nước thuộc Liên Xô (cũ): sử dụng công thức cường độ giới hạn.
+) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thiết kế đường Liên Xô (cũ) do
B.F.PEREVÔZNHEKÔP đề xuất [32].

dipp
KKFaKQ
,



(1.5)

Q
p
là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số dòng chảy trên sườn dốc; a
,p

là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất
thiết kế p; F là diện tích lưu vực; K
i
là hệ số xét ảnh hưởng của độ dốc lòng suối
và bề mặt lưu vực; K
d
là hệ số hình dạng lưu vực; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.
 là hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc vào diện tích lưu vực,
xác định tra bảng theo diện tích lưu vực F hay tính theo công thức phụ thuộc vào
tỷ số (
sd
/

T
cn
):
cnsd
T/1
1




với 
sd
là thời gian tập trung nước trên sườn dốc,
T
cn
là thời gian cung cấp dòng chảy. Hoặc có thể tính  bằng công thức kinh

nghiệm theo F:
n
CF )(
1



với C, n là các hệ số kinh nghiệm.
+) Công thức cường độ giới hạn theo Tiêu chuẩn dòng chảy BCN 63-67 của Bộ Giao
Thông Vận Tải Liên Xô (cũ) [32].





1,
FaKQ
pp

(1.6)

Q
p
là lưu lượng thiết kế ở tần suất p;  là hệ số dòng chảy hoàn toàn; a
,p
là
cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước  của lưu vực và tần suất thiết
kế p; F là diện tích lưu vực; 
1
là hệ số triết giảm do ao hồ;  là hệ số xét đến sự

phân bố mưa không đều trên lưu vực, phụ thuộc vào kích thước lớn nhất D
1
của
lưu vực và vùng khí hậu; K là hệ số chuyển đổi đơn vị.
+) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thủy văn Nhà nước Liên Xô (cũ), (quy
trình CH435-72) [32].

pnp
FHAQ




1%1,%1

(1.7)

Q
p
là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; A
1%
là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ
tương đối ứng với tần suất 1%, xác định phụ thuộc vào thời gian tập trung nước