Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị

Lời cảm ơn
Để hoàn thành chương trình đào tạo cao học chuyên ngành Cấp Thoát
Nước – trường Đại học Thủy Lợi khóa học 20 (2012 - 2014), cần hoàn thiện
luận văn tốt nghiệp cuối khóa.
Trong quá trình học tập cũng như làm luận văn, tác giả đã nhận được sự
quan tâm, giúp đỡ của của Ban giám hiệu nhà trường, Phòng đào tạo đại học
và sau đại học, Khoa Kỹ Thuật Quản Lý Tài Nguyên Nước và toàn thể các
thầy, cô giáo.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn
Tuấn Anh – Người thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học, đã hết lòng giúp đỡ,
tận tình giảng giải cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Công ty Thoát Nước Hà Nội đã
tạo điều kiện cho tác giả đi thực tế và thu thập tài liệu về hệ thống thoát nước.
Cuối cùng, tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp
20CTN, các anh, chị khóa trước đã động viên, đóng góp ý kiến và hỗ trợ trong
suốt quá trình học tập và làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Ngày tháng năm

Học viên





Nguyễn Anh Hùng

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng, luận văn “ Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian
mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị” là công
trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu là trung thực, kết quả
nghiên cứu của luận văn này chưa từng được sử dụng trong bất cứ một luận
văn nào khác mà đã bảo vệ trước.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được
cảm ơn và các thông tin, tài liệu tham khảo đều được ghi rõ nguồn gốc trích
dẫn.
Ngày tháng năm
Học viên



Nguyễn Anh Hùng






MỤC LỤC
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3
1.1 KHÁI NIỆM VỀ MƯA THIẾT KẾ 3
1.1.1 Mưa 3
1.1.2 Mưa thiết kế 3
1.2 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ TRÊN THẾ
GIỚI 6

1.2.1 Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967) 7
1.2.2. Phương pháp khối xen kẽ 8
1.2.3 Mô hình mưa thiết kế của Keifer và Chu (1957) 9
1.2.4 Phương pháp mô hình mưa hình tam giác 11
1.3 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ Ở VIỆT
NAM 12

1.3.1 Các nghiên cứu của Việt Nam về công thức xác định cường độ mưa 12
1.3.2 Phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa điển hình
14

CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH CHUNG CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU 17
2.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 17
2.1.1 Vị trí địa lý 17
2.1.2 Địa lý, địa hình và địa mạo 18
2.1.3 Khí tượng 18




2.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI 26
2.2.1 Dân cư 26

2.2.2 Tình hình sử dụng đất 27
2.3 HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC, NGẬP ÚNG TRÊN KHU
VỰC NGHIÊN CỨU 29

2.3.1 Hiện trạng hệ thống thoát nước khu vực 29
2.3.2 Tính hình ngập úng trong vùng 29
2.3.3 Nguyên nhân gây ngập úng 30
2.4 ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH KHU VỰC TRONG NHỮNG NĂM TỚI . 34
2.4.1 Hướng phát triển chung không gian của đô thị 34
2.4.2 Định hướng phát triển giao thông 35
2.4.3 Định hướng quy hoạch san nền 36
2.4.4 Định hướng quy hoạch thoát nước mưa 37
CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN MƯA THIẾT KẾ
ĐẾN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CỦA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC QUẬN
THANH XUÂN – TP. HÀ NỘI 41

3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ VỚI CÁC THỜI GIAN MƯA
KHÁC NHAU 42

3.1.1 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 3 giờ, chu kỳ lặp lại T=10
năm 43

3.1.2 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 6 giờ, chu kỳ lặp lại T=10
năm 44

3.1.3 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 12 giờ, chu kỳ lặp lại T=10
năm 46

3.1.4 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 24 giờ, chu kỳ lặp lại T=10
năm 50

3.2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM ĐỂ MÔ PHỎNG MƯA – DÒNG CHẢY
VỚI CÁC MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ TRÊN 55

3.2.1 Giới thiệu mô hình SWMM 55
3.2.1.1 Các khả năng của mô hình 55
3.2.1.2 Các ứng dụng của mô hình 56
3.2.2 Ứng dụng mô hình SWMM mô phỏng mưa thiết kế – dòng chảy thiết kế
cho lưu vực quận Thanh Xuân với các mô hình mưa thiết kế kể trên 56

3.2.2.1 Dữ liệu đầu vào 56
3.2.2.2 Xây dựng mô hình SWMM 57
3.2.2.3 Kết quả mô phỏng các trận mưa thiết kế tại các vị trí tính toán 59
3.3 XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CỦA CỐNG DỰA TRÊN MÔ
PHỎNG CÁC TRẬN MƯA THỰC ĐO TRONG QUÁ KHỨ 63

3.3.1 Mô phỏng các trận mưa trong quá khứ 63
3.3.2 Tính tần suất lưu lượng từ đỉnh lũ mô phỏng các trận mưa trong quá khứ
68

3.4 SO SÁNH KẾT QUẢ LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ GIỮA MÔ PHỎNG TRẬN
MƯA THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁC TRẬN MƯA THỰC ĐO 71

3.5 ĐỀ XUẤT THỜI GIAN MƯA THIẾT KẾ HỢP LÝ 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các hệ số trong phương trình (1.1) cho thời kỳ xuất hiện lại 10 năm tại
một số địa phương ở Hoa Kỳ 6

Bảng 1.2 Giá trị của các tham số của đường DDF 14
Bảng 2.1: Nhiệt độ trung bình tháng tại Hà Nội (0C) 18
Bảng 2.2: Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại Hà Nội (%) 19
Bảng 2.3: Thống kê lượng mưa các thời đoạn lớn nhất tại trạm khí tượng Láng 19
Bảng 2.4: Lượng mưa thiết kế 1, 3, 5, 7 ngày max (đơn vị: mm) 20
Bảng 2.5: Phân phối trận mưa 3 ngày max ứng với tần suất P = 10% (đơn vị: mm)
20

Bảng 2.6: Lượng mưa 72 giờ tại trạm Láng (mm) 20
Bảng 2.7: Lượng mưa 3 ngày của trận mưa đặc biệt lớn năm 2008 (mm) 22
Bảng 2.8: Lượng bốc hơi trung bình tháng tại Hà Nội (mm) 22
Bảng 2.9: Các mực nước sông Hồng tại trạm Hà Nội ứng với các tần suất tính toán
(liệt số liệu 1970-2008) 24

Bảng 2.10: Mực nước thấp nhất sông Hồng tại Hà Nội (cm) 24
Bảng 2.11: Các mực nước Sông Hồng tại Yên Sở ứng với các tần suất tính toán 26
Bảng 2.12: Tình hình dân cư vùng nghiên cứu 26
Bảng 3.1: Giá trị các tham số của đường DDF 42
Bảng 3.2: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 3giờ, tần suất lặp T=10 năm 43
Bảng 3.3: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 6giờ, tần suất lặp T=10 năm 44
Bảng 3.4: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 12giờ, tần suất lặp T=10 năm 46

Bảng 3.5: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 24giờ, tần suất lặp T=10 năm 50
Bảng 3.6: Thống kê diện tích các cửa xả đảm nhận tiêu thoát 58




Bảng 3.7: Kết quả lưu lượng lớn nhất thiết kế tương ứng các mô hình mưa thiết kế
60

Bảng 3.8: Danh sách các trận mưa lớn nhất toàn liệt 63
Bảng 3.9: Lưu lượng đỉnh được mô phỏng bởi các trận mưa lớn nhất toàn liệt 65
Bảng 3.10: Kết quả lưu lượng lớn nhất năm thiết kế từ các trận mưa toàn liệt 68
Bảng 3.11: Lưu lượng lớn nhất thiết kế giữa mô phỏng các trận mưa thiết kế và mô
phỏng trận các trận mưa toàn liệt, chu kỳ lặp T=10 năm 72

Bảng 3.12: Chênh lệch giữa QTL(P) và QTK(P) 72




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung bình
của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983) 4

Hình 1.2 Các đường cong IDF của mưa lớn nhất tại Chicago 5
Hình 1.3 Phân bố xác suất của các trận mưa nhóm thứ nhất 7
Hình 1.4 Biểu đồ xác suất 10% các trận mưa nhóm thứ nhất 8
Hình 1.5 Biểu đồ xác suất 50% các trận mưa nhóm thứ nhất 8
Hình 1.6 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế xây dựng bằng phương pháp khối xen kẽ 9

Hình 1.7 Biểu thị biểu đồ quá trình mưa bằng các đường cong 10
Hình 1.8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác 11
Hình 2.1: Vị trí hệ thống thoát nước Quận Thanh Xuân – Lưu vực sông Tô Lịch 17
Hình 3.1: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 3 giờ. 44
Hình 3.2: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 6 giờ 46
Hình 3.3: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 12 giờ 49
Hình 3.4: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 24 giờ 54
Hình 3.5: Khai báo các thông số SWMM 58
Hình 3.6: Các thông số cơ bản SWMM 58
Hình 3.7: Sơ đồ mạng thoát nước - phần mềm SWMM 59
Hình 3.8 Đường biểu diễn Qmax thiết kế của các mô hình mưa thiết kế

tại vị trí các cửa xả 60
Hình 3.9 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả được mô phỏng bởi trận mưa 3h . 61
Hình 3.10 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa 6h
61

Hình 3.11 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa
12h 62





Hình 3.12 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa
24h 62

Hình 3.13 : Một số trận mưa toàn liệt tại trạm khí tượng Láng 64
Hình 3.14 : Quá trình lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận thực
đo 12/9/1985 67

Hình 3.15 : Quá trình lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận thực
đo 23/10/1988 67

Hình 3.16 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 1 68
Hình 3.17 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 2 69
Hình 3.18 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 3 69











1
MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, việc tính toán thiết kế hệ thống thoát nước mưa đô thị được
dựa theo tiêu chuẩn thiết kế : TCVN 7957 – 2008, gồm 2 bước :
Bước thứ nhất : Tính lưu lượng dòng chảy lớn nhất thiết kế (Q) theo
công thức cường độ giới hạn :
Q = q.C.F
Trong đó : q : cường độ mưa tính toán (l /s.ha)
C : hệ số dòng chảy
F : diện tích lưu vực tính đến mặt cắt tính toán (ha) từ đó
tính đường kính cống (Dc).

Bước thứ hai : Sử dụng mô hình toán để tính toán mưa – dòng chảy và
diễn toán thủy lực trong hệ thống thoát nước nhằm kiểm tra lại kết quả sơ bộ
ở bước thứ nhất.
Khi sử dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy cần một
trận mưa thiết kế, tuy nhiên trong tiêu chuẩn thiết kế chưa quy định rõ thời
gian của trận mưa thiết kế chọn như thế nào. Có tác giả chọn thời gian mưa
thiết kế bằng thời gian tập trung dòng chảy, có tác giả chọn thời gian mưa
thiết kế là 3 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 24 giờ hoặc là dài hơn nữa. Do vậy, khó khăn
cho kỹ sư tính toán thiết kế, nên cần có nghiên cứu về thời gian mưa thiết kế,
đó là lý do đề tài ‘‘ Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu
lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị’’ được đề xuất nghiên cứu.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đánh giá ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế
của hệ thống thoát nước đô thị. Từ đó kiến nghị kỹ sư lựa chọn thời gian mưa
thiết kế hợp lý khi tính toán thiết kế hệ thống thoát nước đô thị.




2
III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu điển hình cho hệ thống thoát nước mưa Quận Thanh Xuân,
TP Hà Nội (phạm vi lưu vực sông Tô Lịch). Sử dụng tài liệu trạm khí tượng
Láng.
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp khảo sát, điều tra thực địa.
- Phương pháp thu thập, thống kê và phân tích số liệu.
- Phương pháp kế thừa.
- Phương pháp sử dụng mô hình toán
.

3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 KHÁI NIỆM VỀ MƯA THIẾT KẾ
1.1.1 Mưa
Mưa là quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong sự hình thành dòng
chảy trên lưu vực. Lượng mưa và quá trình mưa (P~t) quyết định lưu lượng và
quá trình dòng chảy trong cống.
Một trận mưa rào trên lưu vực được đặc trưng bởi:
- Thời gian mưa (phút, giờ, ngày).
- Tổng lượng mưa (mm).
- Phân bố mưa theo thời gian P(t).
1.1.2 Mưa thiết kế
Trận mưa thiết kế là một mô hình mưa được xác định dùng để thiết kế
một hệ thống thủy văn. Mưa thiết kế được đặc trưng bởi:
- Chu kỳ lặp lại của trận mưa thiết kế (tần suất thiết kế).
- Thời gian mưa (phút, giờ, ngày).
- Độ sâu mưa (lượng mưa)
- Phân bố mưa theo thời gian P(t).
1.1.2.1 Độ sâu mưa thiết kế
Là độ sâu lớp nước mưa trong một khoảng thời gian mưa nào đó. Đơn vị
đo độ sâu mưa thường tính bằng mm. Độ sâu mưa thiết kế có thể là độ sâu

mưa điểm hoặc độ sâu mưa diện.
Mưa điểm là mưa xuất xuất hiện tại một địa điểm đơn độc trong không
gian, còn mưa mưa diện là mưa xuất hiện trên một vùng nào đó.




4
Đối với mỗi thời gian mưa, ta tiến hành phân tích tần suất để tính các độ
sâu mưa thiết kế ứng với các thời kỳ xuất hiện lại khác nhau, sau đó các độ
sâu mưa thiết kế được chuyển đổi thành cường độ mưa bằng cách đem chia
chúng cho thời gian mưa tương ứng.

Sè phÇn tr¨m cña lîng ma ®iÓm
0
125 250
375 500 625
750 875
50
60
70
80
90
100
0 48
97
145 193
241 290 331
30 phót
1 giê

3 giê
6 giê
24 giê
DiÖn tÝch (mi )
2
DiÖn tÝch (km )
2
®èi víi mét khu vùc cho tríc

Hình 1.1 Đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung
bình của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983)
Đồ thị quan hệ độ sâu mưa – diện tích đối với các thời gian mưa khác
nhau được thiết lập từ kết quả phân tích về độ sâu mưa- diện tích mưa- thời
gian mưa trong đó đã chuẩn bị sẵn các bản đồ đẳng lượng mưa cho mỗi thời
gian mưa. Các bản đồ này được xây dựng từ bảng ghi về lượng mưa lớn nhất
thực đo trên một vùng có trạm đo mưa dầy, người ta xác định diện tích nằm
bên trong mỗi đường đẳng lượng mưa trên các bản đồ này và lập biểu đồ độ
sâu mưa trung bình quan hệ với diện tích đối với từng thời gian mưa.
1.1.2.2 Quan hệ giữa cường độ mưa- thời gian mưa- tần suất
Cường độ mưa là lượng mưa rơi xuống mặt đất trong một đơn vị thời
gian.




5
Quan hệ giữa cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất thông thường
được biểu diễn dưới dạng đồ thị trong đó thời gian mưa được đặt trên trục
hoành, cường độ mưa đặt trên trục tung và các đường cong tương ứng với thời
kỳ xuất hiện lại.

+ Cường độ mưa:
T
P
i =
(mm/h hoặc in/h) (1.1)
+ Độ sâu mưa: P (mm hoặc in)
+ Thời gian mưa: T (h)
+ Tần suất được biểu thị theo thời kỳ xuất hiện lại, đó là khoảng thời
gian trung bình giữa các biến cố mưa có độ lớn bằng hoặc lớn hơn trị số thiết
kế.
Trong nhiều trường hợp người ta đã xác định sẵn những đường cong mẫu
của quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mưa-tần suất (gọi là quan hệ IDF)
cho các địa điểm nghiên cứu.
Cêng ®é ma (in/h)
0,6
0,8
1
2
3
4
5
6
8
10
2
5
10
25
50
100

5 6
8 10 20 40 60 80 100
Thêi gian ma (phót)
Thêi kú xuÊt hiÖn l¹i (n¨m)
C¸c ®êng cong IDF cña ma lín nhÊt t¹i Chicago

Hình 1.2 Các đường cong IDF của mưa lớn nhất tại Chicago




6
Khi có đủ các số liệu tại địa phương ta có thể xây dựng các đường cong
IDF bằng phân tích tần suất. Một phân bố xác suất thường hay dùng trong
phân tích tần suất mưa là phân bố giá trị cực hạn loại I hay phân bố Gumbel.
Các đường cong (IDF) quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mưa-tần
suất còn được biểu thị bằng phương trình, ví dụ phương trình do Wenzel
(1982) đề nghị :

fT
c
i
e
d
+
=
(1.2)
Trong đó:
- i: cường độ mưa thiết kế (in/h)
-

d
T
: thời gian mưa (phút)
- c,e,f: là các hệ số thay đổi theo địa điểm và theo thời kỳ xuất hiện lại
Bảng 1.1 Các hệ số trong phương trình (1.1) cho thời kỳ xuất hiện lại 10 năm tại
một số địa phương ở Hoa Kỳ
TT
Địa phương
c
e
f
1
Atlanta
97,5
0,83
6,88
2
Chicago
94,9
0,88
9,04
3
Cleveland
73,7
0,86
8,25
4
Denver
96,6
0,97

13,9
5
Houston
97,4
0,77
4,8
6
Los Angeles
20,3
0,63
2,06
7
New York
78,1
0,82
6,57
1.2 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ
TRÊN THẾ GIỚI
Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về xây dựng mô hình mưa
thiết kế, cụ thể như một số tác giả sau:




7
1.2.1 Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967)
Huff thiết lập các quan hệ phân bố theo thời gian của các trận mưa rào
lớn trên các diện tích rộng tới 400 mi
2
tại Illinois. Mô hình phân bố theo thời

gian được xây dựng cho 4 nhóm xác suất, từ nhóm mưa ác liệt nhất (nhóm thứ
nhất) đến nhóm mưa ít ác liệt nhất (nhóm thứ tư). Hình 1.3 trình bày phân bố
xác suất của các trận mưa rào thuộc nhóm đầu tiên (nhóm mưa ác liệt nhất),
Đó là những đường cong trơn chu, chúng phản ảnh phân bố theo thời gian của
lượng mưa trung bình và không thể hiện được các đặc tính thay đổi gấp của
các trận mưa rào thực tế.

Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian ma
0 10 20 30
40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Sè phÇn tr¨m cña tæng lîng ma
X¸c suÊt
90%
80%
70%
60%
50%
10%
20%

30%
40%

Hình 1.3 Phân bố xác suất của các trận mưa nhóm thứ nhất
Từ biểu đồ phân bố xác suất của trận mưa nhóm thứ nhất người ta thiết
lập các biểu đồ chọn lọc cho các trận mưa nhóm thứ nhất ứng với các xác suất
lũy tích 10%, 50% và 90% (Hình 1.4 đến hình 1.6), mỗi biểu đồ biểu thị số




8
phần trăm của tổng lượng mưa trong mỗi khoảng số gia 10% của thời gian
mưa.
X¸c suÊt 10%
0
Sè phÇn tr¨m cña tæng lîng ma
20
40
60
50
30
10
Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian ma
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hình 1.4 Biểu đồ xác suất 10% các trận mưa nhóm thứ nhất
0
Sè phÇn tr¨m cña tæng lîng ma
20

40
30
10
X¸c suÊt 50%
Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian ma
0 10 20 30 40 50
60 70 80 90 100

Hình 1.5 Biểu đồ xác suất 50% các trận mưa nhóm thứ nhất

1.2.2. Phương pháp khối xen kẽ
Phương pháp này được đề xuất bởi Chow (1988). Với phương pháp này
mô hình mưa thiết kế từ một đường cong quan hệ cường độ- thời gian mưa-




9
tần suất (IDF) hoặc quan hệ lượng mưa- thời gian mưa- tần suất (DDF). Mô
hình mưa này được đặc trưng bởi độ sâu mưa xuất hiện trong n khoảng thời
gian
t∆
kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa
t.nT
d
∆=
. Sau khi lựa chọn thời
kỳ xuất hiện lại thiết kế, ta đọc cường độ mưa cho mỗi thời gian mưa
t∆
,

2
t∆
, 3
t∆
từ một đường IDF tương ứng với thời kỳ xuất hiện lại đã chọn và
tính độ sâu mưa mưa lũy tích bằng cách nhân cường độ mưa với thời gian
mưa. Lấy hiệu số giữa hai giá trị liên tiếp của độ sâu mưa lũy tích, ta sẽ tính
được độ sâu mưa thiết kế ứng với mỗi
t∆
và được gọi là các khối. Các khối
được sắp xếp với cường độ mưa lớn nhất được xếp ở giữa hoặc ở thời gian
xuất hiện đỉnh của thời gian mưa, các khối còn lại được sắp xếp theo thứ tự
giảm dần và được chia đều ở bên phải và bên trái của khối trung tâm.


Thêi gian (phót)
Lîng ma (in)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Hình 1.6 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế xây dựng bằng phương pháp khối xen kẽ
1.2.3 Mô hình mưa thiết kế của Keifer và Chu (1957)
Keifer và Chu (1957) đã đề xuất một một mô hình mưa giả tưởng để

thiết kế hệ thống thoát nước ở Chicago. Nguyên tắc tính toán tương tự như
phương pháp khối xen kẽ, cơ sở của mô hình này là từ một phương trình đã




10
biết của đường cong quan hệ cường độ mưa-thời gian mưa-tần suất (gọi là
quan hệ IDF), ta có thể xây dựng được các phương trình về sự thay đổi của
cường độ mưa theo thời gian trong đường quá trình mưa thiết kế. Độ sâu mưa
tương ứng với một thời gian mưa Td chung quanh đỉnh mưa thì bằng với giá
trị xác định bằng đường cong hoặc phương trình của đường cong IDF (cường
độ mưa ở đây được coi là biến đổi một cách liên tục trong quá trình mưa)
Cêng ®é ma i
Thêi gian
Td
ta tb
f(tb)
f(ta)

Hình 1.7 Biểu thị biểu đồ quá trình mưa bằng các đường cong
Đường quá trình mưa gồm hai nhánh đường cong với
)t(f
i
aa
=
và
)
t(f
i

bb
=
với i
a
, i
b
là các cường độ mưa trước và mưa sau đỉnh. Tổng độ sâu
mưa R trong thời gian mưa Td được tính bằng diện tích nằm bên dưới các
nhánh đường cong:
∫ ∫
−
+=
rTd
0
Td)r1(
0
bbaa
dt)t(fdt)t(fR
(1.3)
Với
r1
t
r
t
T
T
t
r
ba
d

d
a
−
==⇒=





11
Đối với thời gian mưa Td bất kỳ,
)t(f
a
=
)t(f
b
và lấy đạo hàm theo T
d’

ta có:
)t(f)t(f
dTd
dR
ba
==

Gọi cường độ mưa trung bình trong thời gian Td là i
av
ta có: R=T
d

.i
av
.
lấy đạo hàm theo Td ta được:
)tb
(f
)
ta(
f
dTd
di
Tdi
dTd
dR
av
av
==
+=
(1.4)
Với
⇒
+
=
f
T
c
i
e
d
av

vi phân và thay vào phương trình trên ta có phương trình
của cường độ mưa i:
[
]
2
e
d
e
d
)fT
(
f
T)
e1
(
c
i
+
+
−
=
(1.5)
1.2.4 Phương pháp mô hình mưa hình tam giác
Phương pháp này được đề xuất bởi Yen và Chow (1980). Với mô hình
mưa hình tam giác có cạnh đáy là thời gian mưa Td, chiều cao h là cường độ
mưa. Khi biết độ sâu mưa và thời gian mưa ta xác định được cường độ mưa là
chiều cao h:
d
T
P2

h =

ta
tb
Thêi gian t
h
Cêng ®é ma i
r =
ta
Td

Hình 1.8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác
Ta định nghĩa một hệ số trước đỉnh r, đó là tỉ số của thời gian xuất hiện
đỉnh mưa (t
a
) so với tổng thời gian mưa (T
d
).




12
(
)
da
d
b
d
a

Tr
1
tT
t
T
t
r −=
−
=⇒=
(1.6)
Với giá trị của r = 0,5 tương ứng với cường độ mưa lớn nhất xuất hiện
tại điểm giữa của thời gian mưa T
d
. Với r <0,5 thì thời điểm xuất hiện cường
độ mưa lớn nhất sẽ sớm hơn và ngược lại nếu r>0,5 thì sẽ chậm hơn.
Giá trị thích hợp của r được xác định bằng cách tính toán tỷ số của thời
gian xuất hiện đỉnh so với tổng thời gian mưa của nhiều trận mưa thực đo với
thời gian mưa khác nhau và lấy giá trị trung bình theo trọng số thời gian mưa
của các tỷ số đó.
1.3 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ Ở
VIỆT NAM
1.3.1 Các nghiên cứu của Việt Nam về công thức xác định cường độ mưa
a. Công thức tính cường độ mưa của Viện thiết kế Bộ Giao Thông
( )
[ ]
( )
K
t
N
b

bt
NBA
b
t
S
a
n
n
n
.
12
lg
5,
1210lg
)(
66
,0
+
+
=
+
+
=
+
=
(1.7)
Trong đó:
A=10
B=12,5
A, B là tham số địa lý

N: độ lặp lại
S: sức mạnh trận mưa ứng với p% mm/h, mm/ph
n: chỉ số giảm dần cường độ (a) theo thời gian t, n = o,66
b: tham số hiệu chỉnh, b = 12
t: thời gian mưa
K: hệ số khí hậu (hệ số hiệu chỉnh tùy thuộc vào từng vùng khí hậu)




13
b. Theo đề nghị của TS. Trần Hữu Uyển, cường độ mưa ở Việt Nam có
thể tính theo công thức :
n
n
t
PC
q
q
)
15(
)lg1
(35
20
+
+
=
l/s.ha (1.8)
Khi xác định cường độ mưa tính toán cho một vùng nào đó cần tuân thủ
theo các quy định của quy phạm.

Như vậy, tùy theo đồi tượng nghiên cứu và quy mô của lưu vực cũng
như số liệu quan trắc có được mà công thức tính toán cường dộ mưa có những
dạng khác nhau. Nhưng nhìn chung quan hệ giữa cường độ mưa và thời gian
biểu thị theo quy luật:
n
t
A
q
=
(1.9)
Những nôi có số liệu quan trắc bằng máy đo tự ghi trong nhiều năm có
thể dùng phương pháp toán học để xác định các giá trị A và n.
c. Dựa trên đặc điểm của mưa và số liệu mưa của vùng đồng bằng Bắc
Bộ tác giả PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh – trường Đại học Thủy Lợi đã nghiên
cứu và xây dựng quan hệ lượng mưa- thời gian mưa- tần suất (đường quan hệ
DDF) như sau:

)fLnTe(
11d
11
d)cLnTb()T(H
+
+=
(1.10)
đối với d ≤ α

T
β

)fLnTe(
22d
22
d)cLnTb()T(H
+
+=
(1.11)
đối với d > α

T
β


Công thức (1.2) và công thức (1.3) biểu thị mối quan hệ lượng mưa -
thời gian mưa - chu kỳ lặp lại. Nếu thay T = 1/P sẽ có mối quan hệ lượng
mưa – thời gian mưa – tần suất như sau:

)f)P/1(Lne(
11d
11
d)c)
P/1(Lnb()P(
H
+
+=
(1.12)

14
đối với d ≤ α

T
β



)f)P/1(Lne(
22d
22
d)c)P/1(Lnb()P(H
+
+=
(1.13)
đối với d > α

T
β


Trong đó:
- H
d
(P)= Lượng mưa (mm); d = thời gian mưa (h); P = tần suất;
- b1, c1, b2, c2, f1,f2, e1, e2, a, b là các tham số được cho trong bảng 1.2
Bảng 1.2 Giá trị của các tham số của đường DDF
Tham số
Trạm

Hà Nội
Thái Bình
H. Dương
N. Bình
Nam Định
Phủ Lý
b
1

12,647
13,215
12,135
12,85
14,47
12,501
c
1

52,694
60,831
40,421
54,466
51,048
49,924
e
1

0,0169
0,0301
0,011

0,0301
0,0115
0,013
f
1

0,2671
0,2125
0,2868
0,3267
0,2918
0,3053
b
2

42,844
61,84
19,264
61,119
25,283
30,784
c
2

61,174
32,01
34,386
56,281
63,183
54,005

e
2

-0,0148
-0,0289
-0,002
-0,0157
0,0019
-0,0077
f
2

0,1899
0,2059
0,2842
0,2257
0,2244
0,2455
α
72,043
46,811
26,888
46,006
48,78
48,663
β
-0,0318
0,0488
0,2907
0,0117

0,0284
0,0779

1.3.2 Phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa
điển hình
Hiện nay, ở Việt Nam xác định mô hình mưa dựa trện mưa điển hình.
Phương pháp này dựa trên quan điểm mưa các thời khoảng dài có chứa mưa
thời khoảng ngắn.
Chọn mô hình mưa điển hình theo các yêu cầu sau:
+ Trận mưa lớn đã xảy ra gây úng lớn trong thực tế đại biểu cho một
nguyên nhân gây mưa úng nhất định trong khu vực.




15
+ Có thời gian mưa hiệu quả bằng hoặc xấp xỉ thời gian mưa tính toán.
+ Có lượng mưa toàn trận mưa bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa trong thời
khoảng khống chế ứng với tần suất thiết kế.
Thu phóng mô hình mưa đại biểu thành mô hình mưa thiết kế theo 2
phương pháp như sau:
* Phương pháp thu phóng cùng tỷ số:
đbmax
Pmax
X
X
k =
(1.14)
Trong đó: k: hệ số thu phóng
X

max P
: Lượng mưa thiết kế với tần suất P
X
max đb
: Lượng mưa của trận mưa đại biểu
* Phương pháp thu phóng cùng tần suất (theo 3 tỷ số):
- Ngày thứ nhất thu phóng theo tỷ số:
dbmax1
P
max
1
1
X
X
k =
(1.15)
- Hai ngày còn lại trong ba ngày max thu phóng theo tỷ số:
dbmax1dbmax3
Pmax1Pmax3
2
XX
XX
k
−
−
=
(1.16)
- Hai ngày còn lại trong 5 ngày max thu phóng theo tỷ số:
dbmax3dbmax5
Pmax3Pmax5

3
XX
XX
k
−
−
=
(1.17)
Tương tự như vậy đối với mưa giờ ta cũng xác định được mô hình mưa
tiêu thiết kế bằng phương pháp thu phóng trận mưa đại biểu, phương pháp
này đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam.
Tóm lại: Trên thế giới, các yếu tố thủy văn nói chung, mưa thiết kế và
lưu lượng thiết kế nói riêng, được nghiên cứu từ lâu cụ thể như đã có nhiều
công thức tính và mô hình toán được xây dựng để phục vụ tính toán các yếu




16
tố này. Ở Việt Nam, ngoài một số phương pháp của tác giả nước ngoài được
áp dụng, đã có nhiều tác giả trong nước nghiên cứu, xây dựng công thức, mô
hình toán để phục vụ tính toán các yếu tố thủy văn phù hợp với điều kiện địa
lý, địa chất và khí hậu nước ta.