Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi đông bắc việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

DOÃN THỊ NỘI

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƢA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT
CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CƠNG TRÌNH
GIAO THƠNG VÙNG NÚI ĐƠNG BẮC–VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

DOÃN THỊ NỘI

NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƢA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT
CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CƠNG TRÌNH
GIAO THƠNG VÙNG NÚI ĐƠNG BẮC–VIỆT NAM

Chun ngành:

Thủy văn học

Mã số:

62-44-02-24

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS Ngô Lê Long
2. PGS.TS Hoàng Thanh Tùng

HÀ NỘI, NĂM 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã
đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án

Doãn Thị Nội

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin đƣợc bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Ngơ Lê Long,
PGS.TS Hồng Thanh Tùng đã tận tình hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên
cứu và thực hiện luận án.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phịng Đào tạo ĐH&SĐH, Tập
thể các Thầy cơ giáo khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, Phòng Khoa học Công nghệ,
Trƣờng Đại Học Thủy Lợi - Hà Nội, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn
thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại Học Giao Thơng Vận Tải, Khoa Cơng
Trình, Bộ môn Thủy Lực - Thủy Văn, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện về
thời gian và công việc giúp tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, bạn bè ln sát cánh động viên tác giả
vƣợt qua mọi khó khăn để thực hiện luận án của mình.

Tác giả luận án

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................x
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1.

Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1

2.

Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................2

3.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................3

4.

Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu...........................................................3

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..............................................................................4

6.

Những đóng góp mới của luận án ........................................................................4

7.

Cấu trúc của luận án .............................................................................................4

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CƠNG
TRÌNH GIAO THƠNG ...................................................................................................5
1.1

Tổng quan về tính lũ thiết kế ............................................................................5

1.1.1

Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới ........................................5

1.1.2

Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam .........................................6

1.2

Tổng quan tính lũ thiết kế cho cơng trình giao thơng .......................................8

1.2.1

Tính lũ thiết kế ở các nƣớc Nhật, phƣơng Tây và Mỹ ..............................9

1.2.2

Tính lũ thiết kế ở các nƣớc Đơng Âu và Nga..........................................14

1.2.3

Tính lũ thiết kế ở Việt Nam.....................................................................15

1.3

Những hạn chế trong tính lũ thiết kế cho giao thông ở Việt Nam..................20

1.4

Đề xuất hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu .....................................22

1.5

Tổng quan về khu vực nghiên cứu..................................................................24

1.5.1

Đặc điểm tự nhiên ...................................................................................24

1.5.2

Đặc điểm khí tƣợng thủy văn ..................................................................26

1.5.3

Tình trạng giao thơng và các sự cố cơng trình trong mùa mƣa lũ...........30

1.5.4

Tình hình tài liệu nghiên cứu ..................................................................36
iii


1.6

Kết luận chƣơng I ...........................................................................................39

CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CƠNG
TRÌNH GIAO THƠNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................................41
2.1

Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ....................................41

2.1.1

Phƣơng pháp của Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ (SCS - CN) ......41

2.1.2

Phƣơng pháp mơ hình quan hệ ................................................................ 47

2.1.3

Phƣơng trình hồi quy ...............................................................................51

2.2

Cơ sở dữ liệu của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế .......................................53

2.2.1

Xây dựng cơ sở dữ liệu mƣa ...................................................................53

2.2.2

Xây dựng cơ sở dữ liệu mặt đệm ............................................................84

2.3

Kết luận chƣơng II ..........................................................................................99

CHƢƠNG 3 TÍNH TỐN THỬ NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP TÍNH

LŨ THIẾT KẾ CHO CÁC CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG.......................................101
3.1

Cơ sở phân nhóm cơng trình thốt nƣớc trong tính lũ thiết kế .....................101

3.2

Tính thử nghiệm theo các phƣơng pháp khác nhau ......................................103

3.2.1

Thơng số tính tốn của các lƣu vực cầu tính thử nghiệm .....................103

3.2.2

Tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS - CN .......................................111

3.2.3

Tính lũ thiết kế theo mơ hình quan hệ ...................................................114

3.2.4

Tính lũ thiết kế theo phƣơng trình hồi quy tƣơng quan ........................115

3.2.5

Tính lũ theo pp Xokolopsky và CĐGH (TCVN 9845:2013) ................118

3.2.6

Đánh giá kết quả tính theo các phƣơng pháp ........................................120

3.3

Đề xuất phƣơng pháp tính phù hợp ..............................................................122

3.4

Xây dựng chƣơng trình tính lũ thiết kế cho các cơng trình giao thơng ........123

3.4.1

Giới thiệu chung về chƣơng trình tính ..................................................123

3.4.2

Cấu trúc của chƣơng trình tính ..............................................................124

3.4.3

Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình tính ..................................................126

3.5

Kêt luận chƣơng III .......................................................................................128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................129
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................133
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................134

PHỤ LỤC ....................................................................................................................139

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thơng trên thế giới .....................................8
Hình 1.2 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thơng ở Việt Nam ....................................17
Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu ..............................................................................23
Hình 1.4 Bản đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đơng Bắc) ...............................................24
Hình 1.5 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) ..............25
Hình 1.6 Bản đồ các tuyến đƣờng chính khu vực nghiên cứu ......................................31
Hình 1.7 Bản đồ bố trí các cơng trình thốt nƣớc khu vực nghiên cứu ........................32
Hình 1.8 Nƣớc chảy gây xói mái ta luy dƣơng vì khơng có rãnh dọc tuyến [39] .........34
Hình 1.9 Tuyến đƣờng nội tỉnh ở Lạng Sơn bị ngập năm 2013 và xói ta luy âm .........34
Hình 1.10 Nƣớc lũ tràn qua mặt đƣờng .........................................................................34
Hình 1.11 Cầu Sam Lang lúc khánh thành và bị lũ cuốn trôi (sau hai tháng sử dụng) .35
Hình 1.12 Bản đồ các trạm khí tƣợng khu vực nc (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) .........36
Hình 2.1 Đƣờng quá trình lũ đơn vị theo phƣơng pháp SCS ........................................44
Hình 2.2 Sơ đồ tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS-CN .........................................46
Hình 2.3 Sơ đồ tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp mơ hình quan hệ ................51
Hình 2.4 Đƣờng đi của các trận bão năm 2012 và năm 2013 .......................................57
Hình 2.5 Đƣờng đi của trận bão Utor năm 2013 ...........................................................57
Hình 2.6 Thành phố Lạng Sơn ngập trong nƣớc lũ năm 2014 ......................................59
Hình 2.7 Đƣờng đi của các trận bão năm 2014 và 2015 ...............................................59
Hình 2.8 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn ......................63
Hình 2.9 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Hữu Lũng và Lạng Sơn ..................63
Hình 2.10 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Ngân Sơn và Thất Khê .................63
Hình 2.11 Bản đồ hệ số biến thiên lƣợng mƣa ngày max (CV) vùng Đơng Bắc ..........65
Hình 2.12 Sơ đồ xây dựng IDF theo hàm mũ ...............................................................68

Hình 2.13 Tƣơng quan X1ng max-X1h max; X1ng max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) .69
Hình 2.14 Tƣơng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12h max Bắc Kạn-Lạng Sơn(T=100) .69
Hình 2.15 Tƣơng quan X1ng max- X24 h max tỉnh Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) .................70
Hình 2.16 Tƣơng quan X1ng max-X1h max; X1ngay max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) .70
Hình 2.17 Tƣơng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) ...70
Hình 2.18 Tƣơng quan X1ng max-X24h max Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) ............................71
Hình 2.19 Sơ đồ các bƣớc xây dựng đƣờng cong IDF (khu vực nghiên cứu) ..............76
Hình 2.20 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 5 năm và T = 10 năm phút) ...............76
Hình 2.21 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 25 năm và T = 50 năm, phút) ............77
Hình 2.22 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 100 và T = 200 năm, phút) ................77
Hình 2.23 Bộ đƣờng cong IDF trạm Lạng Sơn và Đình Lập ........................................78
Hình 2.24 Bản đồ đẳng trị cƣờng độ mƣa (I-1-100) (Bắc Kạn và Lạng Sơn) ..............80
Hình 2.25 Đƣờng cong IDF trạm Hữu Lũng thực đo và tƣơng quan hàm mũ ..............81
Hình 2.26 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn ..................................82
v


Hình 2.27 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Chợ Rã và Đình Lập ..................................82
Hình 2.28 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Lạng Sơn và Ngân Sơn ..............................83
Hình 2.29 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Thất Khê.....................................................83
Hình 2.30 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ chỉ số CN.................................................86
Hình 2.31 Bản đồ loại đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn ..................................................88
Hình 2.32 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn ..........................90
Hình 2.33 Bản đồ chỉ số CN tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn ..............................................93
Hình 2.34 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số dịng chảy C ...................................94
Hình 2.35 Bản đồ hệ số dòng chảy tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (S > 6%) .....................95
Hình 2.36 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning n ............................96
Hình 2.37 Bản đồ hệ số nhám Manning tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn ............................97
Hình 2.38 Bản đồ lƣu vực cầu Bắc Khƣơng .................................................................98
Hình 3.1 Bản đồ lƣu vực cầu Can ...............................................................................103

Hình 3.2 Bản đồ lƣu vực cầu Bản Chắt .......................................................................104
Hình 3.3 Bản đồ lƣu vực cầu Pắc Vằng ......................................................................105
Hình 3.4 Bản đồ lƣu vực cầu Kỳ Lừa..........................................................................106
Hình 3.5 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và hệ số nhám lƣu vực cầu Can...................107
Hình 3.6 Bản đồ hệ số dịng chảy và chỉ số CN lƣu vực cầu Can ...............................107
Hình 3.7 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lƣu vực cầu Bản Chắt ................................108
Hình 3.8 Bản đồ hệ số dịng chảy và hệ số nhám lƣu vực cầu Bản Chắt ....................108
Hình 3.9 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lƣu vực cầu Pắc Vằng ...............................109
Hình 3.10 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy C lƣu vực cầu Pắc Vằng ..............109
Hình 3.11 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và chỉ số CN lƣu vực cầu Kỳ Lừa .............110
Hình 3.12 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy lƣu vực cầu Kỳ Lừa.....................110
Hình 3.13 Quá trình lũ thực đo và tính tốn tại Trạm Lạng Sơn (2008 và 2013) .......112
Hình 3.14 Quá trình mƣa và lũ thiết kế lƣu vực cầu Kỳ Lừa và cầu Pắc Vằng ..........113
Hình 3.15 Quá trình mƣa và lũ thiết kế lƣu vực cầu Bản Chắt và cầu Can ................114
Hình 3.16 Các bƣớc tính theo phƣơng pháp CIA ........................................................115
Hình 3.17 Tƣơng quan giữa Q100 ~A và Q50~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn ................117
Hình 3.18 Tƣơng quan giữa Q25~A và Q10 ~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn ..................117
Hình 3.19 Giao diện ban đầu trên nền ảnh vệ tinh của Google map ...........................124
Hình 3.20 Sơ đồ khối xây dựng chƣơng trình tính ......................................................125
Hình 3.21 Giao diện ban đầu của chƣơng trình tính trên nền bản đồ..........................126
Hình 3.22 Kết quả tính lũ cầu Can theo pp CIA (Trên nền ảnh vệ tinh) ....................127
Hình 1 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 5 năm và T = 10 năm ..........................139
Hình 2 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 25 năm và T = 50 năm ........................139
Hình 3 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 100 năm và T = 200 năm ....................139
Hình 4 Bộ đƣờng cong IDF trạm Thác Giềng và Chợ Mới ........................................140
Hình 5 Bộ đƣờng cong IDF trạm Chợ Đồn và An Tịnh ..............................................140
Hình 6 Bộ đƣờng cong IDF trạm Bằng Khẩu và Bằng Lũng ......................................140

vi

Hình 7 Bộ đƣờng cong IDF trạm Bằng Phúc và Cốc Đán ..........................................140
Hình 8 Bộ đƣờng cong IDF trạm Cơn Minh và Đơng Lạc .........................................140
Hình 9 Bộ đƣờng cong IDF trạm Dƣơng Phong và Hảo Nghĩa ..................................140
Hình 10 Bộ đƣờng cong IDF trạm Liên Thụy và Nà Pạc ...........................................140
Hình 11 Bộ đƣờng cong IDF trạm Thuận Mang và Xuân Dƣơng ..............................140
Hình 12 Bộ đƣờng cong IDF trạm Xuân Lạc và Yên Hán ..........................................140
Hình 14 Bộ đƣờng cong IDF trạm Yên Nhuận ...........................................................140
Hình 14 Bộ đƣờng cong IDF trạm Yên Tịnh ..............................................................140
Hình 14 Bộ đƣờng cong IDF trạm Vu Loan ...............................................................140
Hình 15 Bản đồ lƣu vực cầu Khuổi Lu .......................................................................140
Hình 16 Bản đồ phân vùng mƣa theo Đa giác Theissen cầu Can và Bản Chắt ..........140
Hình 17 Bản đồ phân vùng mƣa theo Đa giác Theissen cầu Pắc Vằng và Kỳ Lừa ....140
Hình 18 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Thất Khê ..................................140
Hình 19 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Thất Khê ................................140
Hình 20 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Ngân Sơn .................................140
Hình 21 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Ngân Sơn ...............................140
Hình 22 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Lạng Sơn .................................140
Hình 23 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Lạng Sơn ...............................140
Hình 24 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Hữu Lũng ................................140
Hình 25 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Hữu Lũng ..............................140
Hình 26 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Đình Lập .................................140
Hình 27 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Đình Lập ...............................140
Hình 28 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Chợ Rã ....................................140
Hình 29 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Chợ Rã ..................................140
Hình 30 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Bắc Sơn ...................................140
Hình 31 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Bắc Sơn .................................140
Hình 32 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Bắc Kạn ...................................140
Hình 33 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Bắc Kạn .................................140
Hình 34 Kết quả tính lũ cầu Pắc Vằng theo pp SCS (Trên nền ảnh vệ tinh) ..............140

Hình 35 Kết quả tính lũ cầu Pắc Vằng theo pp SCS (Trên nền ảnh vệ tinh) ..............140

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tóm tắt các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho giao thơng ở Mỹ ....................10
Bảng 1.2 Bảng thống kê các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Đông Âu và Nga ............15
Bảng 1.3 Quy định về tần suất lũ ..................................................................................16
Bảng 1.4 Các đặc trƣng khí tƣợng trung bình nhiều năm .............................................27
Bảng 1.5 Dịng chảy trung bình nhiều năm khu vực nghiên cứu ..................................29
Bảng 1.6 Bảng phân loại cầu theo chiều dài khu vực nghiên cứu.................................33
Bảng 1.7 Các sự cố cơng trình giao thơng khu vực nghiên cứu ....................................35
Bảng 1.8 Các trạm đo mƣa thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn .......................................37
Bảng 1.9 Các trạm quan trắc thủy văn thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn .....................38
Bảng 2.1 Xác suất bão, ATNĐ có lƣợng mƣa 24 giờ cực đại các cấp (%) ...................54
Bảng 2.2 Xác suất bão, ATNĐ có tổng lƣợng mƣa theo các cấp (%) ...........................54
Bảng 2.3 Kết quả kiểm định xu thế lƣợng mƣa ngày lớn nhất ......................................64
Bảng 2.4 Bảng hệ số CV lƣợng mƣa ngày lớn nhất vùng Đông Bắc ............................65
Bảng 2.5 Bảng thông số ở các trạm, tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (T=100 năm) ............68
Bảng 2.6 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn ...............................78
Bảng 2.7 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn ...............................78
Bảng 2.8 Kết quả tính cƣờng độ mƣa theo hàm mũ cho khu vực nghiên cứu ..............79
Bảng 2.9 Chênh lệch kết quả giữa hai đƣờng cong IDF(%) .........................................81
Bảng 2.10 Bảng so sánh kết quả tính theo luận án và TCVN 9845:2013 .....................83
Bảng 2.11 Bảng phần trăm sai số giữa kết quả tính theo luận án và TCVN .................84
Bảng 2.12 Bảng phân loại các nhóm đất khu vực nghiên cứu ......................................88
Bảng 2.13 Bảng thống kê hiện trạng sử dụng đất trên khu vực nghiên cứu .................89
Bảng 2.14 Bảng giá trị CN ứng với sử dụng đất và các nhóm đất (tham chiếu) ...........91
Bảng 2.15 Bảng giá trị CN đối với tình hình sử dụng đất và các nhóm đất ..................92

Bảng 2.16 Bảng tra hệ số dịng chảy C (nhóm A và B) ................................................94
Bảng 2.17 Bảng tra hệ số dòng chảy C (nhóm C và D) ................................................95
Bảng 2.18 Bảng tra hệ số nhám Manning .....................................................................97
Bảng 2.19 Kết quả tính các đặc trƣng (lƣu vực cầu Bắc Khƣơng) ...............................98
Bảng 3.1 Các đặc trƣng lƣu vực (tính tốn từ GIS) tại cầu Can .................................103
Bảng 3.2 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính tốn từ GIS) tại cầu Bản Chắt ...............104
Bảng 3.3 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính tốn từ GIS) tại Cầu Pắc Vằng ..............105
Bảng 3.4 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính tốn từ GIS) tại Kỳ Lừa ........................106
Bảng 3.5 Các thơng số CN, hệ số nhám và hệ số dịng chảy của cầu Can..................107
Bảng 3.6 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Bản Chắt .........108
Bảng 3.7 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Pắc Vằng.........109
Bảng 3.8 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Kỳ Lừa ............111
Bảng 3.9 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp SCS-CN .......................113
Bảng 3.10 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo mơ hình quan hệ...............................115
viii


Bảng 3.11 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng trình hồi quy .......................118
Bảng 3.12 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế Xokolopsky ..............................................119
Bảng 3.13 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp cƣờng độ giới hạn ......120
Bảng 3.14 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo 5 phƣơng pháp khác nhau ................120
Bảng 3.15 Kiến nghị phƣơng pháp tính lũ cho cơng trình giao thơng ........................123
Bảng 1 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn ................................140
Bảng 2 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn ................................140
Bảng 3 Các công trình cầu đƣợc tính thử nghiệm trong luận án .................................140
Bảng 4 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 trạmLạng Sơn ( Gumbel) ...................................140
Bảng 5 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Thất Khê) ...............................140
Bảng 6 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Bắc Kạn) ................................140
Bảng 7 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Bắc Sơn) .................................140
Bảng 8 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Chợ Rã) ..................................140

Bảng 9 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Ngân Sơn) ..............................140

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp
hội đƣờng cao tốc liên bang và quốc lộ Hoa Kỳ)
AASHTO - LRFD American Association of State Highway and Transportation
Officials - Load & Resistance Factor Design (Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải
trọng và hệ số sức kháng - Hiệp hội đƣờng cao tốc liên bang và quốc lộ Hoa Kỳ).
C50 hệ số dòng chảy ứng với thời kỳ lặp lại T = 50 năm.
AR&R Australian Rainfall & Runoff
CTBD Cao Áp Thái Bình Dƣơng
CN Curve Number
EVT 1 Extreme Value Type - I distribution
FHWA Federal Highway Administration (Cục liên bang đƣờng bộ Mỹ)
GIS Geographical Information Systems (Hệ thống thông tin địa lý)
GTVT Giao Thông Vận Tải
GEV Gumbel's Extreme Value distribution
HTNĐ Hội tụ nhiệt đới
HEC-HMS Hydrologic Engineering Center- Hydrologic Modeling System
IDF Intensity - Duration - Frequency (Cƣờng độ mƣa - Thời gian - Tần suất)
ID Identification (Mã kí hiệu)
MIKE Viện nghiên cứu tài nguyên nƣớc Đan Mạch
DHI Danish Hydraulic Institute (Viện Thủy lực Đan Mạch)
NHI National Highway Institute (Viện nghiên cứu đƣờng bộ Mỹ)
NRCS Natural Resources Conservation Service (Cơ quan bảo vệ tài nguyên thiên
nhiên - Mỹ)
PMP Probable Maximum Precipitation (Mƣa lớn nhất khả năng)

PMF Probable Maximum Flood (Lũ lớn nhất khả năng)
QP Quy phạm
QP.TL C - 6 - 77 Quy phạm tính tốn các đặc trƣng thủy văn thiết kế
SCS - CN Soil Conversation service - Curve Number (Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng chỉ số đƣờng cong)

x


TCN Tiêu chuẩn ngành
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TR55 Technical Release 55 (Tiêu chuẩn kỹ thuật 55)
TxDOT Texas Department of Transportation (Sở giao thông Bang Texas)
USGS United state Geological Survey (Cơ quan khảo sát địa chất Mỹ)
XT Xoáy thuận
XN Xoáy nghịch
RTN Rãnh thấp nóng
USACE United States Army Corps of Engineers (Hiệp hội kỹ sƣ quân sự Mỹ)

xi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Giao thơng đƣợc coi là huyết mạch của mỗi quốc gia, muốn phát triển đất nƣớc cần
phải hoàn thiện và hiện đại hệ thống giao thông. Hàng năm nhà nƣớc đã đầu tƣ rất
nhiều kinh phí cho phát triển giao thơng trên tồn quốc. Các tuyến đƣờng đƣợc đầu tƣ
xây mới, nâng cấp và mở rộng để đảm bảo giao thƣơng kinh tế văn hóa các vùng trên
cả nƣớc và quốc tế.
Với trên 2/3 diện tích của đất nƣớc là địa hình đồi núi, theo thống kê của Bộ GTVT
đƣờng miền núi chiếm hơn 70% km trong tổng km chiều dài đƣờng bộ cả nƣớc.

Đƣờng miền núi chủ yếu cấp V, chỉ một số km là cấp III và IV cho nên các cơng trình
thốt nƣớc nhƣ cầu, cống và rãnh thốt nƣớc chƣa đƣợc chú trọng trong thiết kế và xây
dựng, việc tính tốn thủy văn thủy lực cịn hạn chế.
Trong những năm gần đây, việc thiết kế đƣờng ô tô đã chuyển từ tiêu chuẩn 22 - TCN
- 4054 - 85 sang 22 - TCN - 4054 - 98, 22TCN - 4054 - 2005 và các tiêu chuẩn tính
tốn lũ thốt nƣớc cũng chuyển từ 22TCN - 1995, 22TCN 273 - 01; 22TCN 273 - 05
sang TCVN 9845:2013 với các yêu cầu kỹ thuật cao hơn, các tuyến đƣờng cần cải tạo
theo tiêu chuẩn mới để tăng mức độ an toàn chạy xe nhằm đáp ứng chiến lƣợc an tồn
giao thơng quốc gia và nâng cao hiệu quả vận tải.
Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa với chế độ mƣa lũ
rất khắc nghiệt và dƣờng nhƣ mức độ đó ngày càng tăng lên do biến đổi khí hậu tồn
cầu làm cho các cơng trình giao thơng thƣờng bị hƣ hỏng nặng nề. Các hƣ hỏng của hệ
thống đƣờng bộ có nhiều nguyên nhân nhƣ: chế độ khí hậu có sự thay đổi đáng kể và
xu thế ngày càng ác liệt; do các nguyên nhân địa chất, nền móng và có thể do cơng tác
xây dựng, vận hành và bảo dƣỡng. Tuy nhiên trong các nhóm ngun nhân kể trên thì
vấn đề ảnh hƣởng của mƣa, lũ là nguyên nhân chính gây tác động đáng kể tới các hƣ
hỏng của cơng trình. Các hƣ hỏng thƣờng kể đến nhƣ hiện tƣợng sạt lở ta luy dƣơng,
âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ đều do nguyên nhân tính lũ thiết kế chƣa đúng hoặc
chƣa phù hợp.

1


Trong TCVN 9845:2013,''Tiêu chuẩn tính tốn đặc trƣng dịng chảy lũ'' (đƣợc biên
soạn dựa theo QP.TL C - 6 - 77) đã giới thiệu một số phƣơng pháp tính lũ thiết kế từ
mƣa rào nhƣ Cƣờng độ giới hạn, Xokolopsky, phƣơng pháp của trƣờng Đại học Xây
dựng. Các phƣơng pháp trên do các tác giả Liên Xô (cũ) xây dựng và đã đƣợc đƣa vào
sử dụng ở nƣớc ta. Tuy nhiên, các cơng thức này có nhiều thơng số đƣợc xác định
trong điều kiện của nƣớc Nga, khi đƣa vào quy phạm tính tốn của Việt Nam dù đã
đƣợc hiệu chỉnh nhƣng trong điều kiện rất thiếu số liệu nên chƣa đƣợc chuẩn hóa; có

những thơng số rất khó xác định, với phạm vi thay đổi quá lớn, dẫn tới kết quả tính
tốn có độ chính xác khơng cao, tùy thuộc vào quan điểm lựa chọn thông số của mỗi
ngƣời sử dụng và hậu quả là rủi ro hƣ hỏng cơng trình cũng tăng lên.
Khó khăn chính trong tính tốn lũ thiết kế cho cơng trình giao thơng ở Việt Nam là
thiếu các tài liệu từ các đặc trƣng lƣu vực, đất đai, lớp phủ, đặc biệt là mƣa và dịng
chảy thực đo thời đoạn ngắn thƣờng chỉ có tài liệu mƣa ngày, tuy nhiên khối lƣợng
cũng rất hạn chế. Vì vậy, luận án“Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ
sở khoa học tính lũ cho cơng trình giao thơng vùng núi Đơng Bắc - Việt Nam” mà
nghiên cứu sinh (NCS) lựa chọn là rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học.
Kết quả của luận án là cơ sở khoa học đề xuất các phƣơng pháp tính lũ thiết kế đơn
giản với độ tin cậy và mức độ ổn định cao hơn, phục vụ xây dựng các cơng trình thốt
nƣớc trên đƣờng, góp phần cập nhật và xây dựng qui trình tính hợp lý cho công tác
duy tu, bảo dƣỡng và nâng cấp các công trình hiện có, cũng nhƣ xây dựng các cơng
trình mới an tồn, giảm thiểu các thiệt hại cho các cơng trình giao thơng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu những biến động của mƣa lũ, chi tiết hóa mƣa và mặt đệm, xác lập cơ sở
khoa học tính lũ thiết kế cho cơng trình giao thơng.
2.2 Câu hỏi nghiên cứu
- Dựa trên tiêu chí nào để lựa chọn phƣơng pháp tính lũ thiết kế đang đƣợc sử dụng ở
các nƣớc tiên tiến trong trƣờng hợp khơng có tài liệu thực đo? (trả lời câu hỏi tính cấp

2


thiết, những hạn chế của cách tính hiện nay).
- Cơ sở khoa học nào dùng tính đặc trƣng mƣa và mặt đệm trong điều kiện thiếu tài
liệu mƣa thời đoạn ngắn, chi tiết hóa mặt đệm để ứng dụng các phƣơng pháp tính lũ đã
lựa chọn? (trả lời câu hỏi bằng việc đánh giá biến động mƣa theo không gian và thời
gian, xây dựng phƣơng trình chuyển đổi mƣa thời đoạn dài thành thời đoạn ngắn).

- Các phƣơng pháp nào có thể đƣợc ứng dụng để tính thử nghiệm cho các cơng trình
thực tế?
- Những tồn tại và hƣớng giải quyết trong cơng tác thiết kế các cơng trình thốt nƣớc
cho cơng trình giao thơng? (Trả lời câu hỏi bằng việc xây dựng các bản đồ chuyên
dùng, quy trình cập nhật các thơng số mặt đệm).
- Bằng cách nào có thể tích hợp đƣợc cơ sở dữ liệu trong chƣơng trình tính lũ nhằm
thuận tiện trong tính lũ thiết kế?
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn nằm trong vùng
núi Đông Bắc - Việt Nam;
- Đối tƣợng nghiên cứu là mƣa và lũ thiết kế phục vụ xây dựng các cơng trình thốt
nƣớc nằm trên các quốc lộ QL3, 3B, 279, 3, 4A, 4B, 1A thuộc khu vực nghiên cứu.
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, tác giả đã thu thập các số liệu, tài liệu cần thiết, tiến hành
nghiên cứu tổng quan những biến động về mƣa lũ (mƣa sinh lũ), các phƣơng pháp tính
lũ thiết kế cho cơng trình giao thơng ở trong nƣớc và trên thế giới từ đó lựa chọn
hƣớng tiếp cận phù hợp, vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong
nghiên cứu.
Các phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong luận án bao gồm: i) phƣơng pháp phân tích,
thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập hợp, đánh giá những biến
động về mƣa lũ trong khu vực nghiên cứu; ii) phƣơng pháp phân tích ảnh viễn thám,
GIS phục vụ mô phỏng lƣu vực trong các mơ hình tốn và xây dựng các bản đồ chyên

3


đề làm cơ sở khoa học cho các phƣơng pháp tính lũ kiến nghị; iii) phƣơng pháp mơ
hình tốn, tính toán thử nghiệm làm cơ sở cho việc kiến nghị các phƣơng pháp tính lũ
thiết kế phù hợp cho các cơng trình giao thơng khu vực Đơng Bắc - Việt Nam.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Quá trình phát triển dân sinh kinh tế ở Việt Nam hiện nay đòi hỏi phải nâng cấp và xây
mới hàng loạt các tuyến đƣờng giao thông huyết mạch, đặc biệt là các tuyến đƣờng
giao thơng miền núi vì vậy kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao vì
đã giải quyết những khó khăn hiện nay trong tính toán thủy văn, thủy lực hiện nay.
Việc nghiên cứu biến động của mƣa lũ cho khu vực Đông Bắc và xác lập cơ sở khoa
học tính lũ thiết kế cho các cơng trình giao thơng ở khu vực này có ý nghĩa khoa học
trong việc tiếp cận với những phƣơng pháp tính tốn hiện đại và tiện lợi làm tiền đề
cho việc xây dựng một quy trình tính tốn phù hợp với điều kiện của Việt Nam trong
tƣơng lai gần.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Luận án đã có đóng góp mới về phƣơng pháp luận và cách tính mƣa lũ thiết kế cho
cơng trình giao thơng miền núi, nơi có rất ít số liệu mƣa thời đoạn ngắn
- Luận án đã khái quát hóa những kết quả tính tốn cho tồn khu vực miền núi Đơng
Bắc Việt Nam, giúp cho các kỹ sƣ thiết kế có thể tra cứu dễ dàng.
7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho cơng trình giao thơng.
Chƣơng 2: Xây dựng cơ sở khoa học tính lũ cho cơng trình giao thơng vùng núi Đơng
Bắc - Việt Nam.
Chƣơng 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phƣơng pháp tính lũ cho cơng trình giao thơng
vùng núi Đơng Bắc - Việt Nam.

4


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ
CHO CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG
1.1 Tổng quan về tính lũ thiết kế
1.1.1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới

Dòng chảy lũ là đặc trƣng quan trọng trong tính tốn thiết kế các cơng trình, bởi vậy
tính tốn lũ là một vấn đề đặc biệt đƣợc quan tâm nghiên cứu. Lũ thiết kế là trận lũ
đƣợc sử dụng trong thiết kế cơng trình có trạng thái bất lợi, độ lớn phụ thuộc vào cấp
cơng trình và đƣợc quy định bởi từng quốc gia. Lũ thiết kế bao gồm đỉnh lũ, tổng
lƣợng và q trình lũ. Hiện nay, tính lũ thiết kế phân thành hai nhóm: phƣơng pháp
trực tiếp (phân tích thống kê xác suất) và phƣơng pháp gián tiếp (phân tích mƣa và mặt
đệm). Việc tính lũ thiết kế trải qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa và
phát triển nhằm chính xác và hiện đại hóa phục vụ xây dựng các cơng trình an toàn
trong mùa mƣa lũ đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện tại. Một số nghiên cứu
về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến nhƣ:
Chow (1964), Shaw [1] là cuốn sổ tay tính tốn thủy văn có đề cập đến phƣơng pháp
tính tốn lũ thiết kế phụ thuộc vào diện tích lƣu vực và tình trạng số liệu: đối với lƣu
vực lớn, đủ số liệu thì dùng phƣơng pháp ngẫu nhiên (thống kê xác suất), đối với lƣu
vực nhỏ dùng phƣơng pháp mơ hình quan hệ, đường lũ đơn vị và quan hệ lưu lượng
với diện tích và thời gian.
Chow, Maidment (1988) [2] là tài liệu cơ bản nhất có đề cập đến tính tốn thủy văn
và các đặc trƣng thủy văn thiết kế nhƣ quá trình thu phóng, lựa chọn mƣa thiết kế và
xây dựng đƣờng cong IDF, biểu đồ mƣa thiết kế dạng đƣờng cong tích lũy 24h, ƣớc
tính thời gian mƣa giới hạn, tính tốn lƣợng mƣa lớn nhất khả năng (PMF), các bản đồ
đẳng trị mƣa với các thời gian mƣa, D = 5 - 60 phút hay 30 phút - 24h cho các thời kỳ
lặp lại T = 1 - 100 năm. Các phƣơng pháp chuyển đổi mƣa hiệu quả và xác định dòng
chảy thiết kế gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ thiết kế dùng để thiết kế cơng
trình thốt nƣớc, mơ phỏng vùng ngập lụt, thiết kế hồ chứa, sử dụng và quản lý tài
nguyên nƣớc. Đối với thốt nƣớc, Chow cũng giới thiệu phương pháp tính lũ cho lưu
vực vừa và nhỏ theo mơ hình quan hệ với A là diện tích lưu vực, I là cường độ mưa, C

5


là hệ số dịng chảy. Ngồi ra, các đường lũ đơn vị cũng được đề cập sử dụng cho các

lưu vực vừa và nhỏ.
Vijay (2002) [3] trình bày các mơ hình tốn ứng dụng để tính lũ cho lƣu vực lớn và
các lƣu vực nhỏ. Đối với các lƣu vực nhỏ các mơ hình ứng dụng trình bày 15 mơ hình
đại diện trên tồn thế giới. Về lý thuyết cơ bản để xây dựng các mơ hình đều là những
kiến thức ứng dụng từ các tài liệu của Chow hay Maidment.
Raghunath (2006) [4] là tài liệu về nguyên lý thủy văn, trình bày các vấn đề về tính
thủy văn vùng Tapti, Ấn độ (miền trung Ấn độ). Phần tính lũ thiết kế gồm tổng lƣợng
lũ, đỉnh lũ, tần suất lũ, xác suất rủi ro với các phƣơng pháp đề xuất nhƣ: Đƣờng lũ đơn
vị tức thời, mơ hình Nash, mơ hình Clark, đƣờng lũ đơn vị SCS, hồi quy tuyến tính,
phân tích thống kê xác suất, mơ hình tốn, tính lũ tại vị trí khơng có số liệu quan trắc
theo phƣơng pháp hồi quy đa biến.
Ngoài các tài liệu cơ bản đã nêu, cịn có rất nhiều các tài liệu nghiên cứu liên quan đề
cập đến các phƣơng pháp tính lũ thiết kế trên thế giới. Về cơ bản, lý thuyết tập trung
dòng chảy hay phƣơng thức chuyển đổi mƣa hiệu quả vẫn nhƣ những tài liệu trên, tuy
nhiên từ hai thập kỷ trở lại đây với sự phát triển vƣợt bậc của cơng nghệ máy tính, kỹ
thuật viễn thám và GIS cho phép các nhà khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật
những công nghệ hiện đại nhằm chính xác hóa các tham số mà các phƣơng pháp trƣớc
đây chƣa xây dựng đƣợc.

1.1.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam
Một số các tài liệu điển hình đề cập đến tính lũ thiết kế ở Việt Nam nhƣ:
Quy phạm QP.TL C-6-77 (1977) [5] trình bày phƣơng pháp tính tốn các đặc trƣng
thủy văn cần thiết cho việc thiết kế các cơng trình thủy lợi trên các sông không bị ảnh
hƣởng của thủy triều ở Việt Nam. Các đặc trƣng thủy văn đƣợc hƣớng dẫn tính trong
quy phạm này bao gồm: lƣu lƣợng bình quân năm, lƣu lƣợng lớn nhất, lƣu lƣợng nhỏ
nhất, sự phân phối dòng chảy năm, các loại mực nƣớc thiết kế và các thơng số khác.
Khi tính lũ phục vụ thiết kế các cơng trình trên sơng trong trƣờng hợp đủ số liệu thì
tiến hành phân tích tần suất, trong trƣờng hợp khơng có số liệu thì sử dụng các cơng
thức kinh nghiệm nhƣ: công thức Cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực có diện tích nhỏ hơn
6

100 km2, công thức Triết giảm và Xokolopxky cho lƣu vực có diện tích trên 100 km2.
Cho đến nay quy định về phƣơng pháp tính lũ thiết kế vẫn chủ yếu dựa trên quy phạm
này nên có một số bất cập nhƣ các bảng tra không đƣợc cập nhập; việc xác định một
số thông số vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm và chủ quan của ngƣời tính tốn.
Đỗ Cao Đàm và nnk (1990) [6] đã xuất bản cuốn Thủy văn cơng trình, trong tài liệu
có trình bày cách tính lũ thiết kế, các phƣơng pháp này chủ yếu cũng là các phƣơng
pháp đã đƣợc đề cập trong QP.TL C - 6 - 77.
Lê Đình Thành (1997) [7] đã nghiên cứu tìm ra khả năng và điều kiện ứng dụng
phƣơng pháp tính mƣa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), từ đó
kiến nghị một tiêu chuẩn tính lũ thiết kế hợp lý hơn cho điều kiện Việt Nam. Kết quả
nghiên cứu đã đề cập một cách chi tiết đến các phƣơng pháp cũng nhƣ tính lũ liên
quan đến lũ lớn nhất khả năng, tuy nhiên đối với cơng trình giao thơng mức độ và tiêu
chuẩn cũng nhƣ tính chất của cơng trình nếu xét theo bài tốn này cần phải có những
nghiên cứu cụ thể hơn nữa trong tƣơng lai.
Lê Văn Nghinh (2000) [8] đã biên soạn cuốn Nguyên lý Thủy văn, đây cũng là một
tài liệu quan trọng đề cập đến tính tốn các đặc trƣng thiết kế nhƣ dòng chảy năm,
tháng, lũ, kiệt và mực nƣớc thiết kế. Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cũng bao gồm
các phƣơng pháp nằm trong QP.TL C - 6 - 77. Tuy nhiên, tài liệu chủ yếu đề cập đến
dòng chảy tháng và năm thiết kế phục vụ cho xây dựng và vận hành hồ chứa.
Bộ môn TV&TNN (2003) [9] đã biên soạn cuốn Thủy văn thiết kế, đây cũng là tài
liệu quan trọng dùng để tính tốn các đặc trƣng thiết kế cơng trình. Tuy nhiên các
phƣơng pháp và cách tiếp cận cũng dựa trên nền của QP.TL C - 6 - 77.
Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) [10] đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu
cảnh báo dự báo lũ vƣợt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng phần
mềm tính lũ thiết kế. Phần mềm này cho phép tính lũ theo tần suất thiết kế dựa vào các
công thức kinh nghiệm trong QP.TL C - 6 - 77 nêu trên, phƣơng pháp tính lũ đơn vị
SCS, tính lũ lớn nhất khả năng PMF theo phƣơng pháp thống kê của Hasfield. Tuy
nhiên phần mềm này cũng chƣa có sự cập nhập mới nào về bảng tra.

7


Hà Văn Khối và nnk (2012) [11] đã cập nhật và cho tái bản cuốn giáo trình Thủy văn
cơng trình (ấn phẩm đầu tiên đƣợc xuất bản năm 1993) gồm 2 tập trong đó Tập 1 trình
bày các phƣơng pháp tính tốn lũ thiết kế. Về cơ bản các phƣơng pháp tính tốn đều
theo QP.TL C - 6 - 77, tuy nhiên cuốn giáo trình có cập nhập và giới thiệu thêm các kỹ
thuật mới sử dụng trong tính tốn lũ thiết kế nhƣ mơ hình tốn thủy văn bao gồm các
mơ hình thủy văn tất định tính tốn dịng chảy từ mƣa, các mơ hình lũ đơn vị.
Ngơ Lê Long và nnk (2015) [12] trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nƣớc
“Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất các tiêu chuẩn thiết kế lũ, đê biển trong điều kiện
biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng ở Việt Nam và giải pháp phòng tránh, giảm nhẹ thiệt
hại” đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các cơng
trình hồ chứa có xét tới tác động của biến đổi khí hậu. Nghiên cứu cũng đã xác lập
đƣợc cơ sở khoa học và thực tiễn của các tiêu chuẩn thiết kế lũ đƣợc đề xuất trong điều
kiện biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng ở nƣớc ta đảm bảo an toàn, an sinh xã hội.
1.2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho cơng trình giao thơng
Việc tính lũ phục vụ thiết kế các cơng trình giao thơng trên thế giới đƣợc nhiều nhà
khoa học quan tâm nghiên cứu. Qua tìm hiểu và phân tích các tài liệu liên quan, có thể
phân các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các cơng trình thốt nƣớc trong giao thơng
nói chung thành hai nhóm chính: i) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Nhật,
phương Tây và Mỹ và ii) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Đơng Âu, Nga
và Việt Nam (hình 1.1).

Hình 1.1 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thơng trên thế giới

8

1.2.1 Tính lũ thiết kế ở các nước Nhật, phương Tây và Mỹ
+) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Nhật bản
Tính lũ thiết kế ở Nhật đƣợc đề cập trong nhiều tài liệu tính tốn thủy văn ở các hƣớng
dẫn, quy phạm, quy chuẩn thiết kế cơng trình; một trong những tài liệu cơ bản mang
tính pháp lý đƣợc sử dụng nhiều cho ngành giao thông là: Hƣớng dẫn tính thủy văn
thủy lực - Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật cho các dự án thiết kế (phần kiểm soát lũ)
[13], [14]. Nội dung của tài liệu đề cập đến việc sử dụng phƣơng pháp mơ hình quan
hệ cho những lƣu vực có diện tích A < 20km2 (dùng đƣờng cong IDF cho các vùng có
số liệu mƣa, trƣờng hợp khơng có số liệu mƣa thì có thể sử dụng từ vùng có diện tích
A > 100km2). Đối với các lƣu vực A > 20km2 ngoài phƣơng pháp mơ hình quan hệ cịn
sử dụng đƣờng lũ đơn vị và phƣơng trình lƣợng trữ. Tại các cơng trình có số liệu lũ
thực đo sử dụng phƣơng pháp thống kê xác suất theo lý thuyết của Bulletin (1982) với
yêu cầu tối thiểu n ≥ 10 năm đo đạc.
+) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Anh
Tính lũ thiết kế đƣợc trình bày trong Hƣớng dẫn thiết kế cầu đƣờng Tiêu chuẩn kỹ
thuật của Cơ quan đƣờng bộ quốc gia [15], [16] hoặc nhiều tài liệu khác, ở đây các
phƣơng pháp cũng phân theo diện tích: đối với diện tích lƣu vực nhỏ (A < 20km2) và
không đủ số liệu đo đạc lũ thì sử dụng các cơng thức đơn giản từ mƣa (mƣa năm), diện
tích lƣu vực và các chỉ số về đất; còn đối với trƣờng hợp nhiều số liệu lũ thực đo thì
tính theo phƣơng pháp thống kê xác suất.
+) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Mỹ
Các phƣơng pháp dùng tính lũ thiết kế trong giao thông ở Mỹ thƣờng đƣợc đề cập
trong các tài liệu nhƣ: [17] Hƣớng dẫn tính thốt nƣớc trên đƣờng (AASHTO) [18];
Tài liệu giới thiệu mơ hình tốn thủy văn HEC; Thủy văn đƣờng bộ (FHWA) [19],
[20]; Hƣớng dẫn kỹ thuật (TR55) hay các tiêu chuẩn thiết kế [21], [22], [23], [24];
Nhìn chung, các phƣơng pháp này đƣợc chia thành hai nhóm: i) Đối vùng rộng lớn, có
số liệu thực đo sử dụng phƣơng pháp thống kê xác suất với các phân bố nhƣ Log
Normal, PIII, Gumbell; ii) Đối với vùng khơng có số liệu thì dựa vào đặc tính của
vùng để tính theo các phƣơng pháp nhƣ: mơ hình quan hệ; đƣờng lũ đơn vị tổng hợp
9

SCS; các phƣơng trình hồi quy vùng và hồi quy theo USGS (dùng trong quy hoạch).
Ngoài ra, phƣơng pháp TR55 (mơ hình WinTR55) thƣờng dùng để tính lũ cho lƣu vực
nhỏ A(F) < 65km2 cho kết quả khá tốt. Do điều kiện số liệu đầy đủ chi tiết về mƣa và
mặt đệm nên ở Mỹ xây dựng rất nhiều bảng tra, bản đồ cƣờng độ mƣa thiết kế trên
toàn quốc, lƣợng mƣa thời đoạn dài (d > 1h) đƣợc chuyển đổi thành lƣợng mƣa thời
đoạn ngắn hơn (d < 1h). Các phƣơng pháp đƣợc tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 1.1 Tóm tắt các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho giao thơng ở Mỹ
Phƣơng pháp
1)Mơ hình quan hệ

Tóm tắt u cầu của phƣơng pháp
* Lƣu vực nhỏ (A < 1,3 km2)
* Thời gian tập trung dòng chảy Tc < 1h

Số liệu yêu cầu
* Tc thời gian tập trung dòng
chảy (h);

* A Diện tích lƣu vực (km2)
* Mƣa phân bố đều theo khơng gian và
thời gian
* C hệ số dịng chảy
* Dòng chảy tràn trên bề mặt là chủ yếu

* I cƣờng độ mƣa (mm/h)

* Lƣợng trữ trong kênh không đáng kể

2) Phƣơng trình hồi * Diện tích lƣu vực giới hạn từng vùng
* Diện tích lƣu vực A (km2)
quy vùng USGS
* Giá trị đỉnh lũ do điều kiện tự nhiên * Mƣa trung bình năm P(mm)
chứ khơng chịu tác động của các yếu tố
* Độ cao (độ dốc lƣu vực)
khác. Thƣờng dùng trong quy hoạch.
3) NRCS

* Lƣu vực vừa và nhỏ A < 65 km2

* Mƣa 24h

4) TR55

* Tc = 0,1–10h

* Phân bố mƣa dạng I, II, IA, III

* Dòng chảy gồm chảy tràn và chảy * Chỉ số CN
trong kênh
* Tc (h)
* Diễn toán trong kênh đơn giản
* A (km2)
5) Đƣờng lũ đơn vị * A = 0,4–2500 km2
SCS
* Thời gian mƣa và cƣờng độ mƣa đều

* Bản đồ đẳng trị, phân bố mƣa
* Diện tích A (km2)

* Quan hệ mƣa và dòng chảy là tuyến * Chiều dài lƣu vực L (km; m)
tính
* Chiều dài lƣu vực Lc (km; m)
* Biểu đồ lũ đơn vị tổng hợp
6) Phƣơng pháp
thống kê: Log PIII;
Bullentin 17B

* Lƣu vực vừa và lớn có trạm đo đạc, số *n > 10 năm
liệu đầy đủ
* Số liệu H, Q

7) Chuyển đổi

* Lƣu vực tƣơng tự

* Q, A1 (km2) và A2 (km2)

+) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Úc. Phƣơng pháp tính lũ thiết kế đƣợc đề cập

10


trong các tài liệu nhƣ các văn bản hƣớng dẫn tính tốn thốt nƣớc các tiêu chuẩn, các
nghiên cứu, kiến nghị. Các phƣơng pháp tính lũ bao gồm: phƣơng pháp mơ hình quan
hệ cho lƣu vực nhỏ với hệ số dịng chảy cho vùng nơng thơn và đơ thị với mức độ lặp
lại khác nhau (C50 cho nông thôn, C10 cho đơ thị). Trong đó, điều kiện ứng dụng mơ
hình quan hệ là diện tích A < 25 km2 (nơng thôn) và A < 1km2 (đô thị). Cƣờng độ mƣa
thiết kế (IDF) đƣợc đề cập trong hệ thống dữ liệu cƣờng độ mƣa lớn nhất của Viện khí

tƣợng và thủy văn quốc gia của NewZealand và của Cục khí tƣợng Úc (Bureau of
Meteorology).
+) Ở Columbia, theo tài liệu đại biểu nhƣ ''Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn thiết kế cầu'',
(2007) đã trình bày tính lũ theo cỡ lƣu vực, đối với lƣu vực có diện tích thốt nƣớc A >
20 km2 dùng các phƣơng pháp: phân tích tần suất trạm - thống kê xác suất (Các phân
phối xác suất đƣợc sử dụng gồm EVT1, Log Normal, Log Pearson III); phân tích tần
suất vùng (hồi quy vùng); mơ hình quan hệ. Đối với diện tích lƣu vực nhỏ và đơ thị (A
< 10 km2) dùng mơ hình quan hệ.
Một số nghiên cứu tiêu biểu về các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho cơng trình giao
thơng ở Mỹ, Anh, Úc, Nhật nhƣ sau:
Richard H.Mc Cuen (2002) [25] biên soạn tài liệu hƣớng dẫn tính lũ thiết kế cho
cơng trình giao thơng ở Mỹ. Tài liệu đề cập đến cách tiếp cận, phƣơng pháp và điều
kiện áp dụng trong thiết kế các công trình thốt nƣớc qua đƣờng bộ. Trong đó đề cập
đến phƣơng pháp tính mƣa thiết kế tính riêng cho vùng có và khơng có trạm; Các
phƣơng pháp xác định đỉnh lũ thiết kế bao gồm thống kê xác suất theo Gumbel và log
Pearson III, phương trình hồi quy, phương pháp SCS - CN, mơ hình quan hệ. Các
cơng thức kinh nghiệm để xác định lƣu lƣợng đỉnh lũ và các đƣờng lũ đơn vị dạng
phân tích và tổng hợp để xác định q trình lũ thiết kế; các cơng thức xác định thời
gian tập trung dòng chảy Tc.
DPWH(2002) [26] đã biên soạn ''Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật ở Nhật bản,
2002'', phần phân tích thủy văn thiết kế. Nội dung tính tốn thủy văn gồm: q trình
khảo sát, điều tra, phân tích mƣa và dịng chảy (trạm đại biểu). Số liệu yêu cầu để tính
lũ bao gồm mƣa ngày, mƣa giờ, biểu đồ mƣa thiết kế theo hình hình thế thời tiết, mực

11


nƣớc lớn nhất ngày, lƣu lƣợng lũ tự ghi, quan hệ H~Q. Trong đó, phƣơng pháp tất định
dùng để xác định lũ thiết kế trong trƣờng hợp khơng có số liệu đo đạc. Phần tính mƣa
thiết kế, tài liệu đã trình bày cách xây dựng và ứng dụng đƣờng cong IDF dùng tính lũ

theo cơng thức mơ hình quan hệ trong trƣờng hợp A < 20km2, trong trƣờng hợp không
đủ số liệu mƣa có thể lấy đƣờng cong IDF của lƣu vực tƣơng tự có số liệu. Đối với
diện tích lƣu vực A > 20km2 thì tính theo các bƣớc: Ứng dụng GIS xây dựng lƣu vực
với bản đồ địa hình 1:50.000; tính mƣa thiết kế trung bình bao gồm lƣợng mƣa trung
bình năm lớn nhất, lƣợng mƣa trung bình theo thời kỳ lặp lại theo phƣơng pháp số học,
đa giác Thessien; lựa chọn phân bố mƣa điển hình và thiết lập đƣờng cong lũy tích
điển hình cho mỗi thời khoảng; Tính lũ thiết kế theo các phƣơng pháp mơ hình quan
hệ, đường lũ đơn vị và phương trình lượng trữ.
USACE - AED [27] có trình bày hai phƣơng pháp tính lũ thiết kế gồm đường lũ đơn
vị (SCS) và mơ hình quan hệ, trong đó đề cập đến các yếu tố chính cần xác định gồm:
bộ đƣờng cong IDF của mƣa 24h (thời kỳ lặp lại T = 10, 20 và 50 năm), hệ số dòng
chảy C, thời gian tập trung dòng chảy Tc và các đặc trƣng lƣu vực (diện tích, chiều
dài, độ dốc).
Engineers Australia (2006), (2013) [28], [29] tài liệu Hƣớng dẫn tính mƣa - dịng
chảy phần tổn thất ở Úc, đề cập chi tiết trong AR&R, các phƣơng pháp tính lũ thiết kế:
mơ hình quan hệ với hệ số dòng chảy đƣợc thiết lập theo thời kỳ lặp lại. C 2, C5, C20,
C50 các giá trị này đều tính theo C10; Phương pháp mơ hình quan hệ, mơ hình tốn
(RORB). Trong đó phƣơng pháp mơ hình quan hệ và chỉ số lũ dùng cho lƣu vực nhỏ
(A < 50 km2), cịn phƣơng pháp RORB thì ứng dụng cho A ≥ 50 km2. Đƣờng quá trình
lũ thiết kế đƣợc xây dựng bằng phƣơng pháp RORB cho lƣu vực lớn, còn đối với lƣu
vực nhỏ phải sử dụng đƣờng quá trình lũ điển hình.
Bruce (2007) [30] đã tổng quan các phƣơng pháp tính lũ thiết kế và xác định khẩu độ
thốt nƣớc qua cơng trình cống và cầu nhỏ trên đƣờng ô tô ở Mỹ, từ năm 1911 các
nhân viên bảo trì và kỹ sƣ đƣờng sắt của Mỹ - Hiệp hội đƣờng (AREMWA) dùng 6
cơng thức tính diện tích thốt nƣớc và 21 cơng thức cho lƣu lƣợng đỉnh lũ thiết kế.
Đến năm 1962, Chow đã xây dựng 12 cơng thức tính diện tích thốt nƣớc và 62 cơng
thức tính lƣu lƣợng lũ thiết kế. Tuy nhiên chỉ một vài công thức đƣợc ứng dụng rộng
12