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

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

i


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

ii


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

7

nhỏ trên đường
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

10

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

12

nước nhỏ trên đường ở Việt Nam.
+ Công thức theo TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng

12

chảy lũ
+ 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

14

nước đô thị theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008
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

17

lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường
1.1.3.1.

Lượng mưa ngày tính toán Hn,p
iii

18


1.1.3.2. Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

T

và phân vùng mưa

1.1.3.3. Xác định cường độ mưa tính toán aT,p
1.1.4. Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu

18
19
24

lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường
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.

27

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

1.1.4.5.

Tính chất ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính

27

toán trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ
trên đường
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

32

HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TRONG TÍNH TOÁN LƯU
LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN
ĐƯỜNG.
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

36

mưa ở nước ta
2.3.

Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa chịu tác động của hiện

38

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.
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.

41

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

2.3.2.4.

Xu hướng và mức độ biến thiên của lượng mưa ngày lớn nhất
max

và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm

năm Hngày
iv

44


max

aT . 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
max

mưa ngày lớn nhất năm Hngày

54

và cường độ mưa thời đoạn tính

max

toán lớn nhất năm aT
2.3.2.6. Chu kỳ biến đổi lớn - nhỏ - trung bình của lượng mưa ngày lớn
max

nhất năm Hngày

58

và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất

năm aTmax
2.3.2.7. Tương quan biến đổi về giá trị và thời điểm xuất hiện cùng nhau
max
và cường độ mưa thời

62

của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày
max

đoạn tính toán lớn nhất năm aT
2.4. Nhận xét, kết luận chương 2
Chương 3: XÁC ĐỊNH LƯỢNG MƯA NGÀY TÍNH TOÁN VÀ

67
70

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH DẠNG CƠN
MƯA.
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 Hn,p theo tần suất thiết kế p
3.1.2.1. Vấn đề lấy mẫu thống kê

70
71
max

3.1.2.2. Kiểm định mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày
3.1.2.3. Tìm giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p
3.1.2.4. Xử lý khi gặp những trận mưa đặc biệt lớn
3.1.2.5. Kiểm định sự phù hợp của đường tần suất lý luận Hn,p với tài liệu
thực đo
3.1.3. Kết quả xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế
p ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với chuỗi số liệu đo mưa

71
74
75
78
79

thực tế từ năm 1960 - 2010
3.1.4. So sánh lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p tính từ

79

năm 1960 tới năm 2010 so với Hn,p tính tới năm 1987. Nhận xét và
kiến nghị
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

80

lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường
3.2.1. Khái niệm và đặc tính của hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa
v

80


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

82

T

3.2.3. Phương pháp xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa
theo T trong một vùng mưa

T

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

84

mưa thực tế từ năm 1960 - 2010
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

ở các tần suất pi khác nhau. Nhận xét và kiến nghị
3.2.4. Đề xuất tiêu chí, phương pháp phân vùng mưa phù hợp đối với yêu

85

T,pi

86

cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước
nhỏ trên đường
3.3.

Nhận xét, kết luận chương 3

91

Chương 4: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THAM SỐ CƯỜNG ĐỘ MƯA

93

TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT
NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM.
4.1.

Khái niệm về cường độ mưa

93

4.1.1. Khái niệm

93

4.1.2. Cường độ mưa tức thời at

93

4.1.3. Cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời khoảng tính toán, aT
4.2. Các giả thiết khi xác định cường độ mưa tính toán aT của thời

93
95

đoạn T
4.3.

Các phương pháp xác định cường độ mưa tính toán aT,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 aT,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

97

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

98

bị gián đoạn một hoặc một vài năm quan trắc
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
vi

98


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 aT,p dựa vào lượng

mưa ngày tính toán Hn,p và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa
4.5.1. Điều kiện áp dụng

100

T

100

4.5.2. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,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.

101

Nghiên cứu xây dựng công thức xác định cường độ mưa tính toán

aT,p theo đặc trưng sức mưa và hệ số hình dạng cơn mưa
4.6.1. Điều kiện áp dung

101

4.6.2. Phân tích chọn dạng công thức thực nghiệm và phương pháp hồi quy

101

xác định giá trị các hệ số trong công thức tính cường độ mưa tính
toán aT,p
4.6.3. Xác định hệ số hình dạng cơn mưa m cho từng vùng mưa

103

4.6.4. Xác định sức mưa Sp ở tần suất p
4.6.5. Xác định hệ số vùng khí hậu A, B cho từng vùng mưa

106

4.6.6. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo sức mưa Sp 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 aT,p theo hệ số vùng khí hậu
A, B và hệ số hình dạng cơn mưa m. Đánh giá sai số, nhận xét và

111

108

kiến nghị
4.7.

Khảo sát quan hệ giữa sức mưa Sp theo tần suất và lượng mưa

112

ngày tính toán Hn,p theo tần suất trong cùng vùng mưa
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 aT,p theo hệ số hồi quy của
vùng khí hậu , hệ số hình dạng cơn mưa m và lượng mưa ngày tính

115

toán Hn,p. Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị
4.8.

Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p theo cường độ

115

mưa chuẩn aTo,p
4.8.1. Đặt vấn đề

115

4.8.2. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo cường độ mưa

116

chuẩn aT0,p
vii


4.8.3. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị
4.9. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng phương

pháp sử dụng trạm tựa

117
117

4.9.1. Cơ sở của phương pháp

117

4.9.2. Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội

118

suy theo lượng mưa ngày tính toán Hn,p
4.9.3. Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội

119

suy theo đặc trưng sức mưa Sp
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

121

thức tính cường độ mưa tính toán aT,p
4.10.1. Phương pháp, nội dung đánh giá sai số của các công thức tính cường

121

độ mưa tính toán aT,p
4.10.2. Kết quả đánh giá và so sánh mức độ sai số của các công thức tính

122

cường độ mưa tính toán aT,p trong cùng một vùng mưa và giữa các
vùng mưa khác nhau.
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

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu

Ý nghĩa

1

A

Hệ số vùng khí hậu

2

a

Cường độ mưa

3

aT,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
5

a ,p

Cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước của lưu vực

aTmax

và tần suất p (chính là cường độ mưa tính toán aT,p khi tính ở thời
đoạn T = )
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
7

B
Blv

Hệ số vùng khí hậu
Chiều rộng bình quân của lưu vực

8

bsd

Chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực

9

F

Diện tích lưu vực

10
11
12

gCường độ tổn thất
HLượng mưa
Lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p

H

n,p

13

HT,p

14

H ,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
Lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước của lưu vực
và tần suất p (chính là lượng mưa tính toán HT,p khi tính ở thời
đoạn T = )

15
16
17

Hngày

max

HTmax
i

18

J

19

J

20
21

Lls

ls

sd

22

li
m

23

mls =1/nls

Lượng mưa ngày lớn nhất năm: được xác định từ số liệu đo
lượng mưa ngày thực tế tại các điểm đo mưa
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
Cường độ thấm
Độ dốc dọc trung bình lòng sông suối chính
Độ dốc trung bình sườn dốc lưu vực
Chiều dài sông suối chính
Tổng chiều dài các suối nhánh
Hệ số hình dạng cơn mưa
Thông số đặc trưng cho nhám lòng sông suối chính
ix


24
25
26
27
28
29
30

msd =1/nsd

31

q

Thông số đặc trưng cho nhám sườn dốc lưu vực

nls

Hệ số nhám trung bình lòng sông suối chính

nsd

Hệ số nhám trung bình sườn dốc lưu vực

N = 100/p

Chu kỳ lặp lại cơn mưa tính toán (năm)

p
Q
Qp

Tần suất thiết kế (%)
Lưu lượng
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
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
33
34
35

S
Sp
T
Tcn

Sức mưa
Sức mưa ở tần suất p
Thời đoạn mưa tính toán
Thời gian mưa hiệu quả, hay thời gian cung cấp nước, hay thời
gian mưa sinh dòng chảy
Thời gian

36
37
38

t

Vận tốc

v

Thể tích

W

Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa
Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời đoạn tính toán T

39
40

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 = )
Hệ số hồi quy của vùng khí hậu
Hệ số tổn thất do ao hồ, đầm lầy

42
43

Hệ số xét đến việc mưa không đều trên lưu vực
1

44

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

45

vực

46

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

47
*

Các từ viết tắt:

48
49

BĐKH
ĐBL

50

VN

51

WMO

Biến đổi khí hậu
Đặc biệt lớn
Việt Nam
Tổ chức Khí tượng thế giới
x


TT

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tiêu đề

Số hiệu

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

40

năm, so sánh với kết quả nghiên cứu tháng mùa mưa trong
năm tại 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
3

Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả nghiên cứu xu hướng biến thiên của

43

lượng mưa năm và số ngày mưa trong năm tại 12 trạm khí
tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
4

Bảng 2.4 Tổng hợp kết quả nghiên cứu xu hướng biến thiên của
lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày

max

47

và cường độ mưa

max
aT

lớn nhất năm
ở các thời đoạn từ T = 5ph 1440ph
tại 12 trạm khí tượng nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
5

6

Bảng 2.5 So sánh các giá trị (Hngàymax)*, (aTmax)* lớn đột biến với giá
p = 4%, 1%
trị Hn,p , aT,p ở các mức tần suất thường dùng
cùng thời kỳ từ năm 1960 - 2010
Bảng 2.6 Giá trị Cv và Cs của lượng mưa ngày lớn nhất năm
max

Hngày
1960 - 2010
7

53

56

tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm

Bảng 2.7 Giá trị Cv và Cs của cường độ mưa lớn nhất năm aTmax ở
các thời đoạn tính toán T =5ph 1440ph tại 12 trạm khí

57

tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010
8

Bảng 2.8 Tổng hợp kết quả nghiên cứu chu kỳ biến đổi của lượng
mưa ngày lớn nhất năm Hngày

9

max

và cường độ mưa lớn nhất

năm aTmax ở các thời đoạn T =5ph 1440ph tại 12 trạm
khí tượng nghiên trong thời gian khảo sát đến năm 2010
Bảng 2.9 Bảng mầu đánh giá sự trùng lặp về thời điểm xuất hiện
max

cùng ngày tháng năm của Hngày

max

và aT

tháng xuất hiện trong năm của cường độ mưa lớn nhất năm
aTmax ở các thời đoạn tính toán T = 5ph 1440ph so với
ngày tháng xuất hiện trong năm của lượng mưa ngày lớn
max
tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ
năm 1960 - 2010
xi

65

từ 5ph

1440ph tại trạm Láng - Hà Nội từ năm 1960 - 2010
10 Bảng 2.10 Tổng hợp kết quả nghiên cứu mức độ trùng lặp về ngày

nhất năm Hngày

61

66


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

73

trạm khí tượng chọn nghiên cứu
12 Bảng 3.2 Giá trị và thời điểm xuất hiện lượng mưa ngày lớn đột biến

76

max *

(Hngày ) trong chuỗi số liệu từ năm 1960 - 2010 tại 12
trạm khí tượng chọn nghiên cứu
13 Bảng 3.3 Kết quả kiểm định theo tiêu chuẩn Smirnov - Kolmogorov

79

về sự phù hợp với số liệu thực đo của đường tần suất lý
luận lượng mưa ngày tính toán Hn,p tại 12 trạm khí tượng

chọn nghiên cứu với mức ý nghĩa cho phép = 5%
14 Bảng 3.4 Tóm tắt quá trình xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn

84

mưa T
15 Bảng 3.5 Kết quả đánh giá sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn

86

mưa T thiết lập cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu
với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010
16 Bảng 3.6 Sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở các trạm

90

Láng, trạm Hà Đông, trạm Sơn Tây tính so với đường T
trung bình 3 trạm
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

2

19 Bảng 4.3 Hệ số tương quan hồi quy R 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 Sp ở tần suất p
21 Bảng 4.5 Tổng hợp hệ số tương quan hồi quy R2 trong phép hồi quy

107
108

xác định sức mưa Sp 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
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

113

khí hậu
24 Bảng 4.8 Tổng hợp hệ số tương quan hồi quy R2 trong phép hồi quy
xác định hệ số ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với

114

số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010
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 aT,p với số

liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010 tại 12 trạm nghiên cứu
xii

123


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tiêu đề

TT

Số hiệu

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

8

công trình sau từng đơn vị thời gian
4
5

Hình 1.4

Ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa tới cường độ mưa

28

Hình 2.1

tính toán a ,p
Xu hướng biến thiên lượng mưa năm tại trạm Láng,

42

trạm Hà Đông, trạm TX.Sơn Tây của TP.Hà Nội từ
năm 1960 - 2010
6

Hình 2.2

Xu hướng biến thiên số ngày mưa trong năm tại trạm

42

Láng, trạm Hà Đông, trạm TX.Sơn Tây của TP.Hà Nội
từ năm 1960 - 2010
max

7

Hình 2.3

Xu hướng biến thiên của Hngày
tại 12 trạm khí tượng
chọn nghiên cứu từ năm 1960 - 2010

45

8

Hình 2.4

Xu hướng biến thiên của aTmax 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

55

max

năm Hngày

10

nhiều

tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ

Hình 2.6

năm 1960 - 2010
Cường độ mưa lớn nhất năm bình quân

Hình 2.7

năm aT
ở các thời đoạn từ T =5ph 1440ph tại 12
trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ 1960 - 2010
Chu kỳ biến đổi của lượng mưa ngày lớn nhất năm

nhiều

56

max

11

H

ngày

12

Hình 2.8

13

Hình 2.9

14

Hình 3.1

max

60

tại trạm Láng - Hà Nội từ năm 1960 - 2010

Chu kỳ biến đổi của cường độ mưa lớn nhất năm aTmax
ở các thời đoạn tính toán T = 30ph, 180ph, 1440ph tại
trạm Láng – TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010
max

Đồ thị so sánh biến đổi về giá trị giữa Hngày
và aT
ở các thời đoạn tính toán T = 5ph 1440ph tại trạm
Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010

Sơ đồ xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,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
xiii

60

max

64

71


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

77

trong chuỗi số liệu thống kê
17
18
19

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
Hình 3.5 Phân vùng mưa bằng đường cong hệ số đặc trưng hình
dạng cơn mưa T T
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

81
81
88

vùng khi cùng điều kiện mặt đệm và tần suất, khảo sát
với số liệu đo mưa từ năm 1960 - 2010
20

Hình 3.7 Các đường cong hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa

90

T tại 3 trạm Láng, trạm Hà Đông, trạm Sơn Tây
của TP. Hà Nội từ năm 1960 - 2010
T

21

Hình 4.1 Diễn biến lượng mưa tích lũy Ht và cường độ mưa tức

93

22

thời at trong một trận mưa thực tế
Hình 4.2 Phương pháp xác định cường độ mưa trung bình lớn
nhất trong khoảng thời gian tính toán T trên giấy đo

94

mưa tự ghi
23

Hình 4.3 Quan hệ cường độ mưa tính toán aT , lượng mưa lớn

94

nhất trong khoảng thời gian tính toán HT và thời đoạn
mưa tính toán T
24

Hình 4.4 Sơ đồ xác đinh cường độ mưa tính toán aT,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

99

của nước ta đủ dài, không liên tục, bị gián đoạn một số
năm quan trắc
25

Hình 4.5 Kết quả hồi quy tìm hệ số hình dạng cơn mưa m cho

105

trạm Láng - TP.Hà Nội với số liệu đo mưa thu thập từ
năm 1960 - 2010
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

xiv

114


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 Hn,p , đường cong a - T - p lập bằng phương pháp tính
trực tiếp, các giá trị T, Sp, 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
-1-

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 Qp.
- 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.
-2-


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 aT,p , phân vùng mưa hợp lý và các đặc trưng khác về mưa: T, Sp, 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 Hn,p , hệ
-3-


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 aT,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 aT,p trong luận án; vấn đề chuyển lượng mưa ngày tính toán
Hn,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 Hn,p theo tần suất thiết kế, hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T, sức mưa Sp, 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.
-4-


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 HT,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 aT,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.

-5-


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 at 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 gt. 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 at t và
đường gt t là đường quá trình mưa

at
Tæn thÊt hoµn toµn

gt

Sinh dßng ch¶y

và đường cong tổn thất, trong đó at
ahqt

và gt lần lượt là cường độ mưa và
cường độ tổn thất tại thời điểm t bất

g
t

0

kỳ.

Tcn

+) Thời gian mưa là Tmưa , trong giai
đoạn sinh dòng chảy có at

at

gt,

khoảng thời gian này gọi là thời gian

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

mưa hiệu quả hay thời gian cấp nước

hay thời gian cung cấp dòng chảy Tcn , ta luôn có Tcn < Tmưa.
+) Hiệu số ahqt = (at - gt) 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.
-6-

t

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.
-7-


+ 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.
ng

Bắt đầu:
Đờng phân thủy

F

Mặt cắt công trình

a.f4

f3

f

1

f

f3

Sau đvtg thứ nhất:

4

a.f2
a.f1

f4

f2

4 vtg
3 vtg

a.f4

a.f3

F = f1 + f2 + f3 + f4

f1

a.f4

f2

1 vtg

a.f3

Q1 = a.f1

a.f3
a.f2

a.f2
a.f1

a.f1

Sau đvtg thứ hai:
Q2 = a.(f1+f2)

2 vtg

a.f4
a.f4

a.f3

a.f4
a.f3
a.f2

a.f3

a.f2

a.f2
a.f1

a.f1

a.f4

a.f4

a.f3

a.f3
a.f2

a.f3
a.f2
a.f1

a.f2
a.f1

Sau đvtg thứ ba:
Q3 = a.(f1+f2+f3)

V trớ t cụng trỡnh
thoỏt nc
F = f 1 + f2 + f 3 + f4

a.f4

a.f4
a.f3

Sau đvtg thứ t:

Q4 = a.(f1+f2+f3+f4)

a.f4

Thi gian tp trung nc ca lu
a.f4

vc l = 4 vtg, thng tớnh l phỳt
Hỡnh 1.2: Bỡnh lu vc

a.f4
a.f3

a.f4
a.f3
a.f2

a.f3
a.f2
a.f1

a.f4
a.f3
a.f2
a.f1

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
f2, f3, f4 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:
Q1 = a.f1
+ Sau phỳt th hai, ngoi lng nc ma trờn phn din tớch f 1 cũn cú thờm lng
nc ma trờn phn din tớch f2 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:

Q2 = a.(f1 + f2)

+ 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:

Q3 = a.(f1 + f2 + f3)

-8-


Từ sau phút thứ tư trở đi là:
+

Q4 = a.(f1 + f2 + f3 + f4)

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 Qmax
đúng bằng thời gian tập trung nước

của lưu vực.

Như vây, để xác định lưu lượng đỉnh lũ Qmax 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 Qmax = 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 Qp 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.
Qp

Trong đó:

(1.1)

K. .a , p .F

Qp 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 Qp tính bằng m3/s, a ,p tính bằng
2

mm/ph, F tính bằng km , thì: K

10002
1000* 60 16.67

- 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.
-9-


- 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]
Q K.C.I.A

(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].
Qp

(1.3)

K. .C.I.A

Qp 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:
với:

Qp

.C.q.A

(1.3’)

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:

1 . .H.A.C Q.().tc
6

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 tc; 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.
- 10 -


Như vậy H / tc = atc chính là cường độ mưa tính toán ở thời gian tập trung nước tc
của lưu vực, viết lại có dạng công thức (1.4) như sau.

(1.4)
.C.atc .A
6.()
- Ở Nga và các nước thuộc Liên Xô (cũ): sử dụng công thức cường độ giới hạn.
Q

+) Công thức cường độ giới hạn của Viện Thiết kế đường Liên Xô (cũ) do
B.F.PEREVÔZNHEKÔP đề xuất [32].
Qp

(1.5)

K. .a , p .F. .Ki .K d

Qp 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; Kd 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

1

tỷ số ( sd / Tcn):
1

với

sd

là thời gian tập trung nước trên sườn dốc,

/ Tcn

sd

Tcn là thời gian cung cấp dòng chảy. Hoặc có thể tính
1

nghiệm theo F:

bằng công thức kinh

với C, n là các hệ số kinh nghiệm.

(F C)

n

+) Công thức cường độ giới hạn theo Tiêu chuẩn dòng chảy BCN 63-67 của Bộ Giao
Thông Vận Tải Liên Xô (cũ) [32].
Qp

K. .a , p .F. 1.

(1.6)

Qp 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].
Qp

A1% . .H n,1% .F. 1 . p

(1.7)

Qp là lưu lượng thiết kế ở tần suất p; A1% là mô đuyn dòng chảy đỉnh lũ tương
đối ứng với tần suất 1%, xác định phụ thuộc vào thời gian tập trung nước
- 11 -