Tóm tắt 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

ng mưa ngày như trong công thức (1.9) của tiêu chuẩn thiết kế [5]. Trên quan điểm đó, từ những năm 1980, GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục đã đề xuất sử dụng công thức (1.10) sau đây để tính lưu lượng thiết kế Qp cho công trình thoát nước nhỏ trên đường với diện tích lưu vực F £ 30 km2 ở Việt Nam. (1.10) Với: f hệ số triết giảm lưu lượng dòng chảy phụ thuộc diện tích lưu vực. - Công thức cường độ giới hạn sử dụng trong tính toán thoát nước đường đô thị theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN7957:2008 [8]. (1.11) Với: C là hệ số dòng chảy, phụ thuộc vào tính chất bề mặt lưu vực và p qt,p là mô đuyn dòng chảy mưa hay cường độ mưa theo thể tích tính toán ứng với thời gian tập trung nước t và tần suất thiết kế p qt,p = 166.67at,p Ở đây: qt,p tính là lít/s/ha, at,p tính là mm/ph. 1.1.2.3. Công thức Sôkôlôpsky [3], [15], [32]. Đây thuộc loại công thức thể tích, được sử dụng để tính lưu lượng công trình thoát nước trên đường với diện tích lưu vực F >100 km2. (1.12) Với: Ht,p là lượng mưa tính toán ở thời gian tập trung nước t của lưu vực và tần suất p. Chính là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tập trung nước t và tần suất p (mm) H0 là lớp nước mưa tổn thất ban đầu (mm) f là hệ số hình dạng lũ , tl là thời gian lũ lên (h) d là hệ số xét đến ảnh hưởng giảm nhỏ lưu lượng của ao hồ, đầm lầy và rừng cây trên lưu vực Q0 là lưu lượng nước trong sông trước khi có lũ (m3/s). 1.1.3. Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường là: Lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất thiết kế p; Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT và vấn đề phân vùng mưa; Cường độ mưa tính toán at,p ở thời gian tập trung nước t và tần suất thiết kế p. 1.1.3.1. Lượng mưa ngày tính toán Hn,p. - Lượng mưa ngày tính toán Hn,p được xác định theo phương pháp phân tích thống kê trên cơ sở chuỗi số liệu đo lượng mưa ngày thực tế nhiều năm liên tục tại các trạm đo mưa ở khu vực thiết kế công trình. - Tính đến nay, cơ sở dữ liệu về Hn,p đầy đủ nhất ở nước ta được thành lập năm 1987 trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5], cho 589 điểm đo mưa trên toàn quốc với các mức tần suất p = 1%, 2%, 4%, 10%, 25%, 50%. Từ đó đến nay đã trải qua trên 25 năm, chế độ mưa ở nước ta đã bị thay đổi, chịu ảnh hưởng của hiện tượng BĐKH nên cơ sở dữ liệu này đến nay đã kém chính xác. 1.1.3.2. Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT và phân vùng mưa. - Tính đến nay ở nước ta đã có một số công trình phân vùng mưa và xây dựng hệ số YT ~ T cho từng vùng mưa. Các công trình phân vùng mưa này đều phân khu theo kiểu cường độ mưa, tức chỉ chú ý đến quan hệ triết giảm cường độ mưa theo thời khoảng tính toán aT ~ T. Như phân vùng mưa năm 1977 của quy phạm thủy lợi QP.TL.C-6-77 [7] phân miền Bắc thành 10 vùng mưa; phân vùng mưa năm 1980 của Hoàng Minh Tuyển phân toàn bộ lãnh thổ Việt Nam thành 15 vùng mưa [60]; phân vùng mưa năm năm 1991 của Hoàng Niêm và Đỗ Đình Khôi chia toàn toàn quốc thành 18 vùng mưa. Năm 1993, TS Trịnh Nhân Sâm cũng phân toàn lãnh thổ thành 18 vùng mưa như trên nhưng giá trị hệ số YT xác lập ở các vùng mưa có khác đi chút ít [29], [40]. Kết quả phân vùng mưa năm 1993 được đưa vào trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2010 [5] hiện đang dùng để tính Qp cho công trình thoát nước trên đường. - Như vậy qua thời kỳ các năm, chế độ mưa ở nước ta bị thay đổi dẫn đến việc phân vùng mưa cũng được hiệu chỉnh cho phù hợp, giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT ở các vùng mưa cũng được hiệu chỉnh, xác lập lại cho phù hợp. 1.1.3.3. Xác định cường độ mưa tính toán aT,p: có các hướng sau đây. - Tính trực tiếp aT,p : trên cơ sở có đủ số liệu quan trắc đo mưa tự ghi thực tế tại các trạm khí tượng, dùng phương pháp phân tích thống kê tính ra giá trị cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn mưa tính toán T và tần suất thiết kế p. Trong tính toán lưu lượng công trình thoát nước, thời đoạn mưa tính toán T lấy bằng thời gian tập trung nước t của lưu vực. - 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 YT. (1.14) Phương pháp này do Alêchxâyep đề xuất. Nó đang được sử dụng ở Việt Nam để tính Qp trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN9845:2013 [5]. - Xây dựng các công thức thực nghiệm để tính aT,p. Các công thức thực nghiệm được xây dựng đều dựa vào đặc trưng sức mưa S và hệ số hình dạng cơn mưa m để xác định cường độ mưa tính toán aT,p. Dạng công thức cơ bản là: aT,p = Sp / Tm = (A + B.lgN) / Tm. Từ dạng công thức cơ bản này đã phát triển ra rất nhiều dạng công thức thực nghiệm khác để phù hợp với điều kiện khí hậu ở từng nước, như các công thức của Mỹ, Ấn Độ, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Indonesia, Malaysia, . . . Trong các công thức này so với dạng công thức cơ bản trên có thể thêm vào hoặc bớt đi một vài hệ số hồi quy. Ở Việt Nam cũng đã có nhiều nghiên cứu để phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta, điển hình như: ./ Nghiên cứu của GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục năm 1980 cho 18 trạm khí tượng: ./ Nghiên cứu của TS.Trần Hữu Uyển năm 1973 cho 34 trạm khí tượng: ./ Nghiên cứu của TS.Trần Việt Liễn năm 1979 cho 47 trạm khí tượng: ./ Nghiên cứu của GS.TS Ngô Đình Tuấn năm 1980 cho 10 trạm khí tượng: 1.1.4. Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. - Các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường có thể chia làm 3 loại là: Điều kiện khí hậu, mà cụ thể là mưa; Các yếu tố mặt đệm; Tác động của các hoạt động kinh tế - xã hội của con người. +) Trong điều kiện khí hậu ở nước ta thì mưa là nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy lũ của lưu vực nhỏ, mưa là nguyên nhân sinh dòng chảy lũ trên lưu vực nhỏ ở nước ta. +) Các yếu tố mặt đệm bao gồm: vị trí địa lý, đặc điểm địa hình, địa mạo, điều kiện địa chất, thổ nhưỡng, đặc điểm bề mặt, hình dạng lưu vực, . . . Các yếu tố này ảnh hưởng tới hai khâu chính là: quyết định đến quá trình tập trung dòng chảy và lượng tổn thất. Ngoài ra vị trí địa lý, đặc điểm địa hình ảnh hưởng đến điều kiện khí hậu thể hiện bằng các vùng, miền khí hậu khác khau trên cả nước. Địa hình tác động đến mưa, đến dòng chảy lũ của lưu vực vừa trực tiếp, vừa gián tiếp. Trực tiếp: tạo ra lượng mưa lớn do đón gió, tạo ra lượng mưa bé do khuất gió. Gián tiếp: tập trung nước nhanh hay chậm do độ dốc lớn hay bé, mạng lưới sông suối hình nan quạt hay hình lông chim, . . . +) Hoạt động kinh tế - xã hội của con người ngày nay càng lớn, có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực, như ảnh hưởng gây ra hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, ảnh hưởng làm thay đổi các yếu tố mặt đệm lưu vực. Xét nó thông qua hai nhân tố mưa và các yếu tố mặt đệm. - Ngoài ra, lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Qp còn chịu ảnh hưởng của tần suất thiết kế p. Với giá trị tần suất p càng lớn (p = 10%, 20%, 50%, . . .) thì Qp tính ra càng nhỏ và ngược lại thiết kế với giá trị p càng nhỏ (p = 3%, 2%, 1%, . . .) thì Qp tính ra càng lớn. - Thông số cường độ mưa tính toán at,p là một đại lượng ảnh hưởng tổng hợp trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Bởi vì nó thể hiện tác động của tất cả các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ thiết kế của công trình thoát nước nhỏ trên đường là nhân tố về mưa, các yếu tố mặt đệm và tần suất thiết kế. +) Thật vậy: at,p = Ht,p / t ./ Chế độ mưa ở vùng thiết kế quyết định đến trị số lượng mưa lớn nhất thời đoạn tính toán Ht,p nên ảnh hưởng tới at,p. ./ Tần suất thiết kế p ảnh hưởng tới Ht,p nên ảnh hưởng tới at,p. ./ Các yếu tố mặt đệm ảnh hưởng tới thông số thời gian tập trung nước t của lưu vực do vậy ảnh hưởng đến at,p. +) Ngoài ra, khác với thông số lượng mưa ngày tính toán Hn,p thì thông số cường độ mưa tính toán at,p còn phản ảnh được ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa. Hình 1.4 cho thấy mặc dù có cùng lượng mưa ngày tính toán Hn,p nhưng ở hai vùng mưa I và vùng mưa II có hình dạng cơn mưa khác nhau thì lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán Ht,p ở hai vùng mưa khác nhau và kết quả là cường độ mưa tính toán at,p = Ht,p / t cũng khác nhau. Hình 1.4: Ảnh hưởng của hình dạng cơn mưa tới cường độ mưa at,p - Như vậy, trong công thức cường độ giới hạn dùng tính Qp cho công trình thoát nước nhỏ đã sẵn có một thông số ảnh hưởng tổng hợp là at,p. 1.2. Những vấn đề còn tồn tại luận án tập trung giải quyết. - Qua các phân tích, đánh giá ở trên thì vấn đề tồn tại cấp thiết nhất nổi lên trong việc tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay là việc xác định các tham số về mưa trong các công thức tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường. Các tham số về mưa hiện đang dùng do được xác lập những năm về trước đây nên chưa phù hợp với yêu cầu tính toán Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện tình hình thời tiết khí hậu ở nước ta hiện nay. - Việc phân vùng mưa (quá rộng, đã lâu) như đang dùng trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCVN9845:2013 [5] là chưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện hiện nay ở nước ta, cần đặt vấn đề nghiên cứu hiệu chỉnh. - Thông số cường độ mưa tính toán có tính tổng hợp, tính đại diện cho chế độ mưa và hình dạng cơn mưa của vùng mưa, cho các đặc trưng mặt đệm lưu vực, cho thời gian tập trung nước và tần suất thiết kế, nó mang đặc trưng riêng biệt của điều kiện khí hậu Việt Nam, do vậy nó là thông số cần thiết cho tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, phản ánh sát hơn với điều kiện khí hậu và địa hình VN. Cần nghiên cứu xác định tham số cường độ mưa tính toán aT,p trong điều kiện khí hậu VN sử dụng để xác định lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường Qp đảm bảo mức độ chính xác yêu cầu. 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 2.1. Khái quát về điều kiện khí hậu Việt Nam. - Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, gió mùa. Lượng mưa và thời gian mưa hàng năm tương đối lớn, trung bình từ 1100 – 8000 mm/năm và từ 67 - 223 ngày mưa/năm, so với các nước cùng vĩ độ thì cao gấp khoảng 2.4 lần [25]. - Chế độ mưa ở nước ta chịu ảnh hưởng của ba yếu tố chính là: (i) Các hình thế thời tiết gây mưa hay nguyên nhân gây mưa (ii) Gió (iii) Địa hình. 2.2. Giới thiệu về mạng lưới các trạm khí tượng và nguồn số liệu đo mưa ở nước ta. - Theo nguồn của Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia, hiện nay toàn quốc có khoảng trên 800 điểm đo mưa (bao gồm các trạm khí tượng, trạm thủy văn và các điểm đo mưa nhân dân đang hoạt động) phân bố trên toàn lãnh thổ, đạt mật độ trung bình cả nước khoảng 433 km2/điểm đo mưa. Thiết bị đo mưa tự ghi đã có ở hầu hết các trạm khí tượng, chiếm khoảng 20% tổng số các trạm đo mưa, mỗi tỉnh đều có ³ 1 trạm khí tượng có máy đo mưa tự ghi, có tỉnh có đến ³ 2 – 3 trạm, các điểm đo mưa còn lại chỉ có thiết bị đo lượng mưa ngày. - Về thời điểm quan trắc: ở miền Bắc có số liệu quan trắc đồng đều từ khoảng năm 1960 trở về đây, ở miền Nam do hoàn cảnh lịch sử để lại nên có số liệu quan trắc liên tục, tin cậy từ khoảng năm 1980 trở về đây. - Trong luận án thu thập số liệu đo mưa từ năm 1960 – 2010 (các trạm miền Bắc), từ 1980 – 2010 (các trạm miền Nam). Chuỗi số liệu nghiên cứu dài 30 - 50 năm nên kết quả đảm bảo độ tin cậy cần thiết. 2.3. Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa chịu tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu và ảnh hưởng của nó đến tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Việc nghiên cứu được thực hiện qua 7 chỉ tiêu liên quan đến tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường như sau. 2.3.1. Mùa mưa, mùa khô. - Để phân biệt mùa mưa, mùa khô trong năm luận án sử dụng chỉ tiêu ‘‘vượt tổn thất’’ [34]. Theo chỉ tiêu này: mùa mưa là mùa gồm những tháng liên tục có lượng mưa vượt lượng tổn thất (thường lấy là 100 mm/tháng, theo nghiên cứu [34]) với tần suất vượt p ³ 50%. Nghĩa là: p{ (Htháng)i ³ 100 mm/tháng } ³ 50%. - Kết quả nghiên cứu về mùa mưa trong năm trên chuỗi số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 ở 12 trạm khí tượng điển hình chọn nghiên cứu như ở Bảng 2.2 dưới đây. Nhận thấy về tổng thể mùa mưa ở nước ta chưa có sự dịch chuyển, thay đổi so với các kết quả nghiên cứu trước đây, tuy nhiên có những dao động trong những năm về gần đây. 2.3.2. Tháng mưa nhiều ngày, ít ngày. - Để phân loại tháng mưa nhiều ngày sử dụng hệ số phân loại Kmưa-nhiều-ngày = Số ngày mưa trong tháng / 30 - Tháng mưa nhiều ngày: Kmưa-nhiều-ngày ³ 0.5 Bảng 2.2: Tổng hợp kết quả nghiên cứu tháng mưa nhiều ngày trong năm, so sánh với kết quả nghiên cứu tháng mùa mưa trong năm tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu từ năm 1960 – 2010 TT Trạm khí tượng, địa danh Tháng mưa nhiều ngày trong năm (bình quân) Tháng mùa mưa trong năm (bình quân) Số tháng Thời điểm xuất hiện Số tháng mùa mưa Thời điểm mùa mưa 1 Trạm TX. Mường Lay 4 tháng T5 ® T8 6 tháng T4 ® T9 2 Trạm TP. Tuyên Quang 6 tháng T3 ® T8 7 tháng T4 ® T10 3 Trạm TP. Lạng Sơn 4 tháng T5 ® T8 5 tháng T5 ® T9 4 Trạm Láng - Hà Nội 6 tháng T3 ® T8 6 tháng T5 ® T10 5 Trạm Hà Đông - Hà Nội 6 tháng T3 ® T8 6 tháng T5 ® T10 6 Trạm TX. Sơn Tây - HN 6 tháng T3 ® T8 6 tháng T5 ® T10 7 Trạm TP. Vinh 4 tháng T2 ® T3 & T9 ® T10 4 tháng T8 ® T11 8 Trạm TP. Đồng Hới 4 tháng T9 ® T12 4 tháng T8 ® T11 9 Trạm TP. Đà Nẵng 4 tháng T9 ® T12 5 tháng T8 ® T12 10 Trạm TP. Nha Trang 4 tháng T9 ® T12 6 tháng T7 ® T12 11 Trạm TP. Buôn Ma Thuột 6 tháng T5 ® T10 6 tháng T5 ® T10 12 Trạm TP. Cần Thơ 7 tháng T5 ® T11 7 tháng T5 ® T11 - Nhận xét: Tháng mùa mưa chưa hẳn là tháng mưa nhiều ngày và ngược lại. Điều đó cho thấy lượng mưa không rải đều ở các ngày mưa mà tập trung vào một số đợt mưa lớn. 2.3.3. Xu hướng và mức độ biến thiên lượng mưa năm và số ngày mưa trong năm. - Sử dụng đường xu hướng trung bình và đường trung bình trượt kép 5 năm để nghiên cứu xu hướng và mức độ biến thiên theo thời gian của đại lượng mưa khảo sát. Hình 2.1, hình 2.2 dưới đây là ví dụ về xu hướng biến thiên của lượng mưa năm và số ngày mưa trong năm tại trạm Láng-TP.HN, từ năm 1960-2010. - Nhận xét: ở tất cả 12 trạm nghiên cứu, càng về những năm gần đây thì sự biến đổi của lượng mưa năm Hnăm và số ngày mưa trong năm càng nhiều hơn, khác hơn và bất thường hơn, xuất hiện các giá trị lớn đột biến cực đoạn trong những năm càng về gần đây. 1-Thực đo; 2-Xu hướng trung bình; 3-Trung bình trượt kép 5 năm ‘‘ ’’ các giá trị lớn đột biến xuất hiện trong những năm gần đây Hình 2.1: Xu hướng biến thiên lượng mưa năm Hnăm trạm Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010 Hình 2.2: Xu hướng biến thiên số ngày mưa trong năm trạm Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010 2.3.4. Xu hướng và mức độ biến thiên của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aTmax. Tính đột biến cực đoan do ảnh hưởng của hiện tượng BĐKH. 1-Thực đo; 2-Xu hướng trung bình; 3-Trung bình trượt kép 5 năm ‘‘ ’’ các giá trị lớn đột biến xuất hiện trong những năm gần đây Hình 2.3: Xu hướng biến thiên Hngàymax tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010 Hình 2.4: Xu hướng biến thiên aTmax ở T= 60ph tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 - 2010 - Mục đích: so sánh, làm rõ quy luật biến đổi của hai thông số về mưa rất quan trọng trong tính toán lưu lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường là Hngàymax và aTmax, đánh giá được sự khác biệt giữa chúng. Nghiên cứu này còn đặc biệt cần thiết cho việc tính toán xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế và cường độ mưa tính toán thời đoạn aT,p theo tần suất thiết kế ở các chương 3 và chương 4 trong vấn đề xử lý mưa đặc biệt lớn. Ngoài ra, từ nghiên cứu này cũng đề xuất biện pháp chủ động ứng phó với hiện tượng BĐKH trong tính toán thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường hiện nay ở nước ta. - Kết quả nghiên cứu: nhận thấy ở tất cả 12 trạm nghiên cứu, thông số Hngàymax và thông số aTmax đều biến đổi liên tục và không đều, có những thời điểm đột biến lớn xuất hiện trong những năm càng về gần đây. Trong cùng một trạm thì xu hướng và mức độ của xu hướng biến thiên theo thời gian của Hngàymax và aTmax là không như nhau, biên thiên của Hngàymax và lượng mưa 24 giớ lớn nhất năm H24hmax là không giống nhau, biên thiên của H24hmax không tương đồng với biến thiên của lượng mưa lớn nhất năm HTmax ở các thời đoạn tính toán T ngắn khác. +) Tính đột biến cực đoạn của Hngàymax, aTmax xảy ra ở tất cả các trạm nghiên cứu. Sự cực đoan về cả giá trị và thời điểm xuất hiện. ./ Cực đoan về giá trị: các giá trị (Hngàymax)*, (aTmax)* lớn đột biến đều vượt quá các giá trị Hn,p , aT,p ở tần suất thiết kế thường dùng cho công trình thoát nước nhỏ p = 4%, thậm chí vượt cả giá trị ở p = 1%. ./ Cực đoan về thời điểm xuất hiện: giá trị lớn đột biến (Hngàymax)*, (aTmax)* có thể xảy ra vào cả thời điểm thiết tưởng đã bước vào mùa khô. Ngay cả thời điểm xuất hiện giá trị (Hngàymax)*, (aTmax)* lớn đột biến ở cùng một trạm cũng không trùng nhau. Ví dụ đối với trạm Láng - HN, từ năm 1960 - 2010, thời điểm xuất hiện giá trị (Hngàymax)* là 31/10/2008 nhưng thời điểm xuất hiện giá trị (a20phmax)* là 03/5/2005, (a30phmax)* là 03/5/2005, trong khí đó năm 2005 lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax được tạo ra lại rơi vào ngày 27/9/2005. Như vậy, với sự xuất hiện của cơn mưa có cường độ mưa lớn đột biến mặc dù không tạo ra giá trị lượng mưa ngày lớn nhất năm, không tạo ra giá trị lượng mưa ngày lớn đột biến thì vẫn gây ra lũ lớn đột biến cho công trình thoát nước nhỏ trên đường do tính chất lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường có thời gian tập trung nước ngắn. Đây là điều cần đặc biệt lưu tâm trong tính toán thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. +) Sự biến đổi của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax, cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aTmax trong những năm càng về gần đây làm cho giá trị Hn,p , aT,p theo tần suất xác lập với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập đến năm 2010 có xu hướng tăng lên so với kết quả tính Hn,p , aT,p với chuỗi số liệu đo mưa thu thập đến những năm về trước kia, và kết quả là làm tăng trị số Qp tính được. 2.3.5. Giá trị trung bình trong nhiều năm`X và hệ số phân tán Cv, hệ số thiên lệch Cs của Hngàymax và aTmax. - Mục đích: nghiên cứu này phục vụ cho việc tính toán xác định Hn,p , aT,p theo tần suất thiết kế ở các chương 3 và 4 trong vấn đề ước tính các tham số thống kê; trong vấn đề xác định số năm quan trắc lấy mẫu cần thiết nyc để bảo đảm sai số lấy mẫu vì khi chuỗi thống kê Hngàymax, aTmax có hệ số Cv càng lớn thì số năm quan trắc yêu cầu nyc càng phải dài để đảm bảo có được kết quả tính toán xác định Hn,p, aT,p là tin cậy. Tỷ số Cs / Cv cũng là một điều kiện để quyết định lựa chọn luật phân bố xác xuất phù hợp khi tính toán xác định Hn,p , aT,p nhằm cho kết quả tốt nhất. Ngoài ra giá trị`X, Cv, Cs cũng phản ánh tính chất biến đổi theo thời gian của thông số Hngàymax, aTmax mà ta cần nghiên cứu, so sánh, làm rõ. - Kết quả nghiên cứu ở 12 trạm khí tượng từ năm 1960 – 2010: lượng mưa ngày lớn nhất năm có giá trị trung bình`Hngàymax từ 89.31 - 237.46 mm, hệ số Cv = 0.24 - 0.55, Cs = 0.34 - 2.99, Cs/Cv = 1.4 - 5.7; cường độ mưa lớn nhất năm aTmax ở các thời đoạn T = 5ph - 1440ph có giá trị trung bình`aTmax từ 3.01 - 0.07 mm/ph, Cv = 0.18 - 0.63, Cs = (-0.25) - 3.58, Cs/Cv = 0.05 - 8.0, cùng một trạm hệ số Cv, Cs của aTmax ở các thời đoạn T càng ngắn thì thường có giá trị càng nhỏ và ngược lại. 2.3.6. Chu kỳ biến đổi lớn – nhỏ – trung bình của Hngàymax và aTmax. - Mục đích: nghiên cứu này phục vụ cho việc kiểm tra tính đại biểu của thời kỳ quan trắc lấy mẫu của chuỗi số liệu thống kê Hngàymax, aTmax đưa vào tính toán tần suất để xác định Hn,p , aT,p ở chương 3 và 4. Được coi là có tính đại biểu, phản ánh gần đúng với quy luật thay đổi chung của tổng thể thì thời kỳ lấy mẫu Hngàymax, aTmax phải có được một số năm thuộc thời kỳ mưa lớn và một số năm thuộc thời kỳ mưa nhỏ liên tiếp nhau. Ngoài ra, nghiên cứu chu kỳ biến đổi cũng phản ánh sự biến đổi theo thời gian của Hngàymax, aTmax mà ta cần nghiên cứu, so sánh, làm rõ. Hình 2.7: Chu kỳ biến đổi của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 – 2010 +/ Thời kỳ lớn: (1983 - 1994), (2007 - 2010). +/ Thời kỳ nhỏ: (1956 - 1983), (1999 -2007). +/ Thời kỳ trung bình: (1994 - 1999). +/ Có 2 chu kỳ. Hình 2.8: Chu kỳ biến đổi cường độ mưa lớn nhất năm aTmax ở thời đoạn tính toán T = 30ph tại trạm Láng - TP.Hà Nội từ năm 1960 – 2010 +/ Thời kỳ lớn: (1996 - 2010). +/ Thời kỳ nhỏ: (1986 - 1996). +/ Thời kỳ trung bình: (1961 - 1986). +/ Có 1 chu kỳ. - Để tìm chu kỳ biến đổi của Hngàymax, aTmax ta sử dụng đường lũy tích sai chuẩn St = S(Ki – 1) với Ki = (Xi /`X) là hệ số biến xuất. Trên đường lũy tích sai chuẩn St , nếu xét xu thế chung sẽ thấy có những nhóm năm đường lũy tích luôn đi lên ứng với thời kỳ mưa lớn, hoặc luôn đi xuống ứng với thời kỳ mưa nhỏ, hoặc luôn nằm ngang ứng với thời kỳ mưa trung bình. Một chu kỳ mưa bao gồm một thời kỳ mưa lớn và một thời kỳ mưa nhỏ hoặc một thời kỳ mưa lớn, một thời kỳ mưa nhỏ và một thời kỳ mưa trung bình liên tiếp nhau. Ví dụ như ở hình 2.7, hình 2.8 trên. - Nhận xét: Hngàymax, aTmax thay đổi có tính chu kỳ, chiều dài một chu kỳ biến đổi của chúng dao động từ 20 – 50 năm. Trong cùng một trạm, chu kỳ biến đổi của Hngàymax và aTmax là không như nhau, ở thời đoạn tính toán T càng ngắn thì khác nhau càng nhiều và ngược lại. Với độ dài chuỗi số liệu khảo sát đến năm 2010 ở các trạm khí tượng chọn nghiên cứu, Hngàymax và aTmax ở T = 5ph - 1440ph đều đạt được tối thiểu 1 chu kỳ biến đổi, có khi đạt được >= 2 chu kỳ biến đổi. 2.3.7. Tương quan biến đổi về giá trị và thời điểm xuất hiện cùng nhau của Hngàymax và aTmax. - So sánh biến đổi về giá trị: sử dụng tiêu chuẩn đồ thị để so sánh hệ số biến xuất Ki của Hngàymax và aTmax. Hình 2.9: Đồ thị so sánh biến đổi về giá trị giữa Hngàymax và aTmax ở các thời đoạn tính toán T = 5 ® 1440ph tại trạm Láng – Hà Nội từ năm 1960 - 2010 - So sánh về thời điểm xuất hiện trong cùng một ngày tháng trong năm của Hngàymax và aTmax: đánh giá bằng bảng mầu. Bảng 2.9: Bảng mầu đánh giá sự trùng lặp về thời điểm xuất hiện cùng ngày tháng trong năm của Hngàymax và aTmax từ 5 ® 1440ph tại trạm Láng – TP. HN từ năm 1960 – 2010, (cùng mầu là trùng lặp) - Nhận xét: Sự biến đổi của thông số lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax và thông số cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aTmax ở cùng một trạm không có sự trùng lặp hoàn toàn mà có sự khác biệt, thậm chí rất khác biệt. Sự khác biệt này xảy ra ở mọi khía cạnh: về xu hướng biến thiên, chu kỳ biến đổi, về mức độ biến đổi, về hệ số Cv, Cs, về thời điểm xuất hiện trùng nhau trong cùng một ngày tháng trong năm, . . . . Sự khác biệt này giữa Hngàymax và aTmax phụ thuộc vào thời đoạn tính toán T: ở các thời đoạn tính toán T càng nhỏ thì sự khác biệt giữa aTmax (hay HTmax = T.aTmax) so với Hngàymax càng lớn, sự khác biệt giữa aTmax (HTmax) và Hngàymax càng giảm đi khi thời đoạn tính toán T tăng dần, tuy nhiên tới giá trị T = 24h thì giữa a1440phmax (hay H24hmax) và Hngàymax vẫn không đạt được sự trùng lặp hoàn toàn mà vẫn còn tồn tại sự khác biệt. Khi xác định lưu lượng lũ của lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường, thường tính ở phân khúc thời đoạn T nhỏ vì thời gian tập trung nước t của lưu vực nhỏ thường ngắn, nếu sử dụng thông số lượng mưa ngày để tính toán có thể bỏ sót thời đoạn có cường độ mưa lớn hoặc không xét được cơn mưa có cường độ mưa rất lớn nhưng lại có lượng mưa ngày không phải là lớn nhất. Như vậy, để nâng cao mức độ chính xác trong tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường, phản ánh sát hơn điều kiện khí hậu và địa hình Việt Nam thì nên sử dụng trực tiếp thông số cường độ mưa để tính toán. Chương 3: XÁC ĐỊNH LƯỢNG MƯA NGÀY TÍNH TOÁN VÀ 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 Hn,p. 3.1.1. Đặt vấn đề. - Hn,p hiện là thông số mưa được dùng để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường theo TCVN9845:2013 [5], thậm chí nó còn được dùng để tính Qp% của lưu vực vừa và lớn. Bởi vì trong điều kiện ở nước ta hiện nay, dữ liệu đo lượng mưa ngày rất phổ biến, phủ đều trên phạm vi toàn lãnh thổ, đầy đủ và liên tục trong nhiều năm liền. - Cơ sở dữ liệu Hn,p đầy đủ nhất trong [5] được lập năm 1987, từ đó đến nay đã trên 25 năm, giá trị Hn,p đã bị thay đổi nhiều do chế độ mưa ở nước ta bị thay đổi, đặc biệt thay đổi nhiều những năm càng về gần đây do tác động của hiện tượng BĐKH. Do vậy cần nghiên cứu thành lập cơ sở dữ liệu mới về Hn,p phù hợp với các diễn biến thời tiết ở nước ta hiện nay để sử dụng trong tính toán Qp công trình thoát nước trên đường. 3.1.2. Xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p. Lấy mẫu và kiểm định mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngàymax thu thập thực tế Kiểm tra tính đại biểu: ./ Kiểm tra sai số lấy mẫu ./ Kiểm tra thời kỳ lấy mẫu Tính tần suất kinh nghiệm: ./ Công thức kỳ vọng Xử lý mưa đặc biệt lớn Tìm đường tần suất lý luận phù hợp: ./ Hàm phân bố Kritski - Menkel (K-M) ./ Vẽ tìm đường tần suất lý luận phù hợp theo phương pháp đường thích hợp Kiểm định sự phù hợp của đường tần suất lý luận với tài liệu thực đo: ./ Sử dụng tiêu chuẩn kiểm định Smirnov - Kolmogorov Hình 3.1: Sơ đồ xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p bằng phân tích thống kê với chuỗi số liệu đo lượng mưa ngày ở các trạm đo mưa ở nước ta thường là liên tục 3.1.3. Kết quả xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu, nhận xét và kiến nghị. - Áp dụng sơ đồ tính ở Hình 3.1 thiết lập giá trị Hn,p tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với chuỗi số liệu đo mưa ngày thực tế thu thập từ năm 1960 – 2010 cho kết quả đảm bảo độ tin cậy cần thiết, Rtincậy ³ 95%, phù hợp với đặc điểm của chế độ mưa ở nước ta trong tình hình thời tiết khí hậu hiện nay chịu tác động của hiện tượng BĐKH. - Khi so sánh giá trị Hn,p luận án lập với số liệu đo mưa đến năm 2010 với giá trị Hn,p lập trong [5] với số liệu đo mưa đến năm 1987 nhận thấy: sau 23 năm, từ 1987 - 2010, ở tất cả các trạm khí tượng nghiên cứu ở các vùng miền trên toàn quốc, giá trị Hn,p ở các tần suất p thay đổi rất nhiều. Ở các mức p càng nhỏ thì sự thay đổi thường càng lớn, có khi tăng lên gấp 1.5 - 2 lần, ở mức p càng lớn thì sự chênh lệch ít hơn. Kết qủa so sánh này phù hợp với các nghiên cứu về quy luật biến đổi của mưa tại các trạm khí tượng đã thực hiện ở chương 2, đó là chế độ mưa ở nước ta đã có sự thay đổi và thay đổi đáng kể những năm càng về gần đây. - Do vậy kiến nghị sử dụng các số liệu lượng mưa ngày tính toán theo tần suất Hn,p lập cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với số liệu đo mưa từ năm 1960 – 2010 như trong Phụ lục 1 để tính Qp công trình thoát nước trên đường tại những khu vực có các trạm khí tượng này. 3.2. Nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT và đề xuất tiêu chí phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường. 3.2.1. Khái niệm và đặc tính của hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa Y. - Gọi YT,p là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa ở thời đoạn T và tần suất p tại một vùng mưa nào đó. (3.9) - Bằng lý luận cũng như thực tiễn (ví dụ như kết quả nghiên cứu trên số liệu đo mưa thực tế ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với số liệu mưa thu thập từ năm 1960 – 2010 trong luận án) đã chứng minh rằng: trong một vùng mưa đã được xác định thì họ các đường cong quan hệ YT,p ~ T ở các tần suất p khác nhau rất sít nhau, có nghĩa có thể xem như chúng không phụ thuộc vào tần suất p nữa. Bởi vậy lấy đường trung bình của họ các đường cong YT,p ~ T ở các tần suất p để đại diện cho vùng mưa đó, đường trung bình này được ký hiệu là YT , như vậy YT chỉ còn phụ thuộc vào T, không phụ thuộc vào p, ta có công thức (3.10). (3.10) Với: HT,p là lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán T ở tần suất p Hn,p là lượng mưa ngày tính toán ở tần suất p T là thời đoạn mưa tính toán. Khi tính Qp lấy T = t. - Hàm YT có tính vùng rõ rệt: ở các vùng mưa khác nhau thì đường cong quan hệ YT ~ T sẽ khác nhau nên sử dụng đường quan hệ YT ~ T để phân vùng mưa. Hệ số YT phản ánh hình dạng cơn mưa của vùng: xét lại Hình 1.4 ở hai vùng mưa I, II có cùng lượng mưa ngày tính toán Hn,p nhưng hình dạng cơn mưa khác nhau nên HT,pI ¹ HT,pII, như vậy có thể dùng tỷ số (HT,p / Hn,p) để đặc trưng cho hình dạng cơn mưa của vùng mưa và YT = HT,p / Hn,p được gọi là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa. 3.2.2. Mục đích, ý nghĩa của việc nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT. - Để xác định Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường theo tiêu chuẩn TCVN9845:2013 [5], ngoài việc xác định được thông số Hn,p như ở mục 3.1 trên, còn cần phải xác được giá trị của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT ở thời đoạn tính toán T cho vùng mưa thiết kế phù hợp và cập nhật được các diễn biến về mưa đến thời điểm hiện nay ở nước ta. - Đồng thời, hệ số YT còn dùng để xác định lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán HT,p theo tần suất tính từ Hn,p theo tần suất, HT,p = YT.Hn,p , sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky tính lưu lượng thiết kế cho lưu vực vừa và lớn, nó cũng là thông số quan trọng 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 YT ~ T là một thông số rất quan trọng sử dụng trong việc phân vùng mưa. - Từ những phân tích như trên thì việc nghiên cứu xác định hệ số YT là một trong những nội dung nghiên cứu có ý nghĩa khoa học, thực tiễn. 3.2.3. Kết quả xây dựng hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu, nhận xét và kiến nghị. - Với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960 – 2010 tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu, giá trị YT được thiết lập có sai số rất thấp theo tiêu chí đánh giá của tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) sử dụng chỉ tiêu độ hữu hiệu Rhh2, đều đạt mức Khá, Tốt. - Kiến nghị sử dụng các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT ở các thời đoạn tính toán T = 5ph ® 1440ph lập với số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 tại khu vực 12 trạm khí tượng nghiên cứu như trong Phụ lục 2, để tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở những khu vực này. 3.2.4. Đề xuất tiêu chí, phương pháp phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường. - Trong thực tiễn tính toán, phải phân diện tích lãnh thổ thành những vùng mưa và xây dựng giá trị bình quân của các thông số đặc trưng về mưa trên toàn vùng để sử dụng chung cho tất cả các diện tích lưu vực nằm trong vùng mưa đó. Phải làm như vậy bởi vì không phải tại bất cứ một vị trí diện tích lưu vực nào cũng có đặt trạm đo mưa. - Kết quả phân vùng mưa có ảnh hưởng tương đối lớn tới mức độ chính xác của kết quả tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường. Các công trình phân vùng mưa hiện nay ở nước ta, ngay cả phân vùng mưa đang dùng trong tiêu chuẩn thiết kế [5] được đánh giá là quá rộng, chưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường. Việc phân thành những vùng mưa rộng lớn đã làm bình quân hóa quá rộng giá trị các thông số mưa đặc trưng trên toàn vùng, làm mất đi tính đặc trưng riêng biệt của những diện tích lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường. Ngoài ra theo các nghiên cứu chương 2, chế độ mưa ở nước ta đến nay đã bị thay đổi đáng kể trong những năm càng về gần đây do chịu ảnh hưởng của BĐKH. - Luận án đã kiến nghị, đề xuất một phương pháp, tiêu chí phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường như sau: Việc phân vùng mưa căn cứ vào chỉ tiêu chính là hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT ~ T, tức quan hệ triết giảm cường độ mưa theo thời khoảng tính toán, với mức độ sai số khi tính toán phân vùng giữa các giá trị (YT,p)k ở các vị trí k trong vùng mưa so với giá trị trung bình YT đặc trưng cho cả vùng mưa không được vượt quá mức độ sai số cho phép, tức phải đảm bảo điều kiện Rhh2 ³ [Rhh2]cp; và kết hợp với việc phân tích tổng hợp một số yếu tố ảnh hưởng đến chế độ mưa lũ như nguyên nhân gây mưa lũ, mùa mưa lũ, đặc điểm địa hình. +) Với phương pháp phân vùng này đã có thể tính toán định lượng được mức độ sai số khi phân vùng mưa bằng chỉ tiêu độ hữu hiệu Rhh2. +) Giá trị [Rhh2]cp chọn càng lớn thì kết quả phân vùng càng chi tiết và ngược lại, giá trị [Rhh2]cp không được chọn thấp hơn 40% là mức quy định tối thiểu phải đạt được của WMO. + Ví dụ vận dụng: thực hiện phân vùng cho TP.Hà Nội với số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 -2010 của 3 trạm Láng, Hà Đông, Tx.Sơn Tây với mức [Rhh2]cp = 85%, ở mức Tốt theo tiêu chí của WMO, thì TP.Hà Nội được chia làm 2 vùng mưa: vùng mưa gồm các quận nội thành và các huyện phía nam có địa hình đồng bằng và vùng mưa gồm thị xã Sơn Tây và các huyện phía bắc có địa hình bán sơn địa. 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 4.1. Phương pháp trực tiếp xác định cường độ mưa tính toán aT,p. Phương pháp này cho kết quả xác định aT,p chính xác, nhưng chỉ sử dụng được khi có được số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở vùng thiết kế với số năm quan trắc đủ dài đến thời điểm thiết kế công trình. 4.1.1. Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượng là liên tục. Việc tính trực tiếp aT,p tương tự như sơ đồ tính ở Hình 3.1 4.1.2. Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượng bị gián đoạn một hoặc một vài năm quan trắc. Hình 4.4: Sơ đồ xác đinh cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p bằng phân tích thống kê trong trường hợp số liệu đo mưa tự ghi ở các trạm khí tượng của nước ta đủ dài, không liên tục, bị gián đoạn một số năm quan trắc Trong trường hợp này việc xác định aT,p bằng phương pháp phân tích thống kê theo sơ đồ ở Hình 4.4 dưới đây. 4.2. 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 YT. (4.3) Là phương pháp gián tiếp, được dùng khi điều kiện về tài liệu đo mưa tự ghi không có hoặc còn thiếu, chưa đủ dài để có thể áp dụng phương pháp tính trực tiếp. Phương pháp này cho phép tận dụng được nguồn số liệu đo lượng mưa ngày rất đầy đủ, sẵn có, liên tục, đủ dài ở tất cả các trạm đo mưa trên toàn quốc để tính aT,p khi biết YT ở vùng mưa. 4.3. 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. 4.3.1. Phân tích chọn dạng công thức thực nghiệm và phương pháp hồi quy xác định giá trị các hệ số trong công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p. - Chọn công thức dạng cơ bản để xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p: - Dạng công thức cơ bản có ưu điểm là đơn giản trong tính toán, thuận lợi khi phân tích hồi quy tìm giá trị các hệ số trong công thức và kết quả tính toán vẫn đảm bảo sai số cho phép. 4.3.2. Xác định hệ số hình dạng cơn mưa m cho vùng mưa và xác định sức mưa Sp theo tần suất trong vùng mưa. - Từ công thức cơ bản, ta có: aT,p = Sp / Tm +) Lấy logarit cơ số 10 hai vế được: lgaT,p = (-m).lgT + lgSp +) Đặt: y = lgaT,p ; x = lgT ; c = -m ; d = lgSp +) Như vậy có được dạng phương trình đường thẳng: y = c.x + d , thực hiện hồi quy cho dạng phương trình đường thẳng này tìm được hệ số hình dạng cơn mưa m = - c và sức mưa Sp ở tần suất p là Sp = 10d. - Hệ số hình dạng cơn mưa xác lập chung cho toàn vùng mưa ở mọi mức tần suất p nên áp dụng phương pháp hồi quy trọng tâm để tìm m. 4.3.3. Xác định hệ số vùng khí hậu A, B cho từng vùng mưa. - Từ công thức cơ bản, có: +) Đặt: y = aT,p ; x = lgN ; c = B / Tm ; d = A / Tm +) Trong 1 vùng mưa thì A, B, m là không thay đổi. Do vậy ở cùng 1 giá trị thời đoạn tính toán T thì: c = const, d = const. +) Có dạng phương trình đường thẳng: y = c.x + d. Hồi quy cho dạng phương trình này tìm được c và d, từ đó tìm được các hệ số A và B ở các thời đoạn T: A = d.Tm , B = c.Tm - Giá trị A, B được xác lập chung cho toàn bộ vùng mưa ở mọi thời đoạn tính toán T nên được lấy trung bình cộng. 4.3.4. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo sức mưa Sp và hệ số hình dạng cơn mưa m. - Công thức có dạng: (4.10) - Thuộc nhóm phương pháp gián tiếp. Được sử dụng trong trường hợp tài liệu đo mưa thực tế bằng máy đo mưa tự ghi không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, ngay cả trong trường hợp số liệu đo lượng mưa ngày cũng không có hoặc còn thiếu, chưa đủ dài. Nhưng lại biết được hệ số hình dạng cơn mưa m của vùng mưa và sức mưa Sp ở tần suất p. 4.3.5. 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. - Công thức có dạng: (4.11) - Thuộc nhóm phương pháp gián tiếp. Được sử dụng trong trường hợp tài liệu đo mưa thực tế bằng máy đo mưa tự ghi không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, ngay cả trong trường hợp số liệu đo lượng mưa ngày cũng không có hoặc còn thiếu, chưa đủ dài. Nhưng lại biết được hệ số hình dạng cơn mưa m và các hệ số vùng khí hậu A, B của vùng mưa. 4.4. Khảo sát quan hệ giữa sức mưa Sp theo tần suất và lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất trong cùng vùng mưa. - Nghiên cứu khảo sát số liệu đo mưa thực tế tại các trạm khí tượng ở nước ta cho thấy: trong cùng một vùng mưa thì sức mưa Sp ở tần suất p và lượng mưa ngày tính toán Hn,p ở tần suất p có quan hệ tương quan tương đối chặt chẽ theo công thức dưới đây (Ví dụ như ở Hình 4.6). Trong đó: a là hệ số hồi quy của vùng khí hậu, phụ thuộc vào vùng mưa. Hình 4.6: Kết quả hồi quy tìm hệ số hồi quy của vùng khí hậu a cho trạm TP.Lạng Sơn với số liệu đo mưa thu thập từ năm 1960 - 2010 - Phương pháp xác định hệ số a. +) Đặt: y = Sp ; x = Hn,p ; c = a +) Có được dạng quan hệ đường thẳng: y = c.x +) Hồi quy cho dạng đường thẳng y = c.x, tìm được hệ số c, từ đó tìm được hệ số hồi quy của vùng khí hậu a = c. (4.15) - Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo hệ số hồi quy của vùng khí hậu a, hệ số hình dạng cơn mưa m và lượng mưa ngày tính toán Hn,p. - Thuộc phương pháp gián tiếp. Được sử dụng khi tài liệu đo mưa tự ghi thực tế không có hoặc thiếu, chưa đủ dài, trong khi lại biết được hệ số hình dạng cơn mưa m, hệ số hồi quy của vùng khí hậu a của vùng mưa. Phương pháp này cho phép tận dụng được nguồn số liệu đo lượng mưa ngày rất đầy đủ, sẵn có, liên tục, đủ dài ở các trạm đo mưa toàn quốc. 4.5. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p theo cường độ mưa chuẩn aTo,p. - Tham số cường độ mưa tính toán aT,p là một đại lượng phụ thuộc vào rất nhiều các thông số đặc trưng của vùng khí hậu. Nếu trong công thức tính aT,p có một thông số có tính tổng hợp có thể đặc trưng cho các thông số của vùng mưa thì sẽ nâng cao được mức độ chính xác của kết quả tính toán. Thông số tổng hợp đó trong công thức tính aT,p được chọn là cường độ mưa chuẩn aTo,p. Đó chính là cường độ mưa tính toán ở tần suất p ứng với thời đoạn mưa chuẩn T0 của vùng mưa. T0 được chọn như sau: T0 = 20ph khi tính ở thời đoạn T £ 20’; T0 = 60ph khi tính ở thời đoạn 20’ 120’. - Công thức tính aT,p theo cường độ mưa chuẩn aTo,p. (4.16) - Như vậy, sử dụng công thức (4.16) có thể tính được cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p khi chỉ cần xây dựng bảng tra sẵn cho một số giá trị cường độ mưa chuẩn aTo,p ở tần suất p (3 thời đoạn mưa chuẩn T0 = 20ph, 60ph, 180ph) và biết được hệ số hình dạng cơn mưa m trong vùng mưa mà vẫn đảm bảo sự chính xác cần thiết. 4.6. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng phương pháp sử dụng trạm tựa. - Cơ sở của phương pháp. +) Như đã phân tích thì cơ sở để phân vùng mưa là sự tương đồng về chế độ, đặc điểm mưa giữa các điểm đo mưa. Trong cùng một vùng mưa thì đặc điểm của mưa tại các vị trí có sự khác biệt ít, được coi là không đổi. Các hệ số YT , m là những thông số đặc trưng cho đặc điểm mưa trong một vùng mưa nên được coi là không thay đổi, như nhau tại các vị trí trong cùng một vùng mưa. +) Dựa vào đặc điểm này, có thể xác định được cường độ mưa tại một trạm khi biết được cường độ mưa tại trạm lân cận ở trong cùng một vùng mưa. Trạm lân cận lấy làm cơ sở được gọi là trạm tựa, trạm tựa phải là trạm có đầy đủ số liệu đo mưa tự ghi quan trắc trong nhiều năm liên tục và có chế độ, đặc điểm mưa rất giống trạm cần tính. - Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội suy theo lượng mưa ngày tính toán Hn,p. (4.17) - Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội suy theo đặc trưng sức mưa Sp. (4.18) Trong các công thức trên thì ‘‘2’’ là trạm cần tính, ‘‘1’’ là trạm tựa. - Phương pháp trạm tựa dùng để xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở trạm không có số liệu đo mưa tự ghi, chỉ có số liệu đo lượng mưa ngày (công thức 4.17) hoặc được sử dụng để tính, hiệu chỉnh kết quả xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở những trạm mà số liệu đo mưa tự ghi còn ngắn hoặc bị khuyết một số năm quan trắc (công thức 4.17 hoặc 4.18), trong khi có sẵn một trạm tựa trong cùng vùng mưa. 4.7. Đánh giá sai số của các công thức tính aT,p. Nhận xét, kiến nghị. - Việc đánh giá sai số của các công thức thực nghiệm (4.3), (4.10), (4.11), (4.15), (4.16), (4.17), (4.18) tính cường độ mưa tính toán aT,p: sử dụng chỉ tiêu độ hữu hiệu Rhh2 và tiêu chí đánh giá của WMO. - Kết quả đánh giá cho thấy: tất cả các công thức tính aT,p trên đều đạt được Rhh2 ³ 40%, là mức tối thiểu quy định ‘‘Đạt’’ của tổ chức Khí tượng thế giới. Do vậy các công thức thực nghiệm trên đều có thể được sử dụng để gián tiếp xác định thông số cường độ mưa tính toán aT,p trong các trường hợp khác nhau về cơ sở dữ liệu mưa có thể có được ở vùng thiết kế, dùng để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường. - Sai số của các công thức khác nhau ở các vùng mưa khác nhau. Nó phụ thuộc vào chế độ mưa từng vùng. Có công thức tính ở vùng mưa này cho kết quả rất tốt nhưng sang vùng mưa khác lại cho kết quả bình thường, không đạt được mức tối ưu về sai số. Trong trường hợp có đủ điều kiện cùng lúc dùng được nhiều công thức tính aT,p ở vùng thiết kế thì nên ưu tiên chọn công thức nào cho sai số thấp nhất. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A- Các nhận xét, kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu và kiến nghị. 1) Đưa ra một số khuyến nghị trong tính toán thủy văn cầu cống ở nước ta như sau. 1.1. Cần thường xuyên cập nhật các số liệu về mưa phù hợp với diễn biến điều kiện thời tiết để xây dựng các tham số về mưa phục vụ việc tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. 1.2. Khi tính toán thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ngoài việc tính toán xác định theo lưu lượng ở tần suất thiết kế quy định Qp% còn cần phải kiểm tra thêm theo mực nước và lưu lượng lũ lịch sử Qlịchsử của những năm mưa lớn đột biến để có những giải pháp chủ động ứng phó với hiện tượng đột biến về lượng mưa, cường độ mưa và thời gian xuất hiện do tác động cực đoan của hiện tượng BĐKH. Đây là khuyến nghị mới của luận án. 2) Kiến nghị việc phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường cần dựa vào tiêu chí chính là hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT ~ T, tức quan hệ cường độ mưa và thời đoạn mưa tính toán, với mức độ sai số cho phép khi phân vùng mưa đảm bảo điều kiện Rhh2 ³ [Rhh2]gh và kết hợp với việc phân tích tổng hợp một số yếu tố ảnh hưởng đến chế độ mưa lũ như nguyên nhân gây mưa lũ, mùa mưa lũ, đặc điểm địa hình. Đây là kiến nghị có ý nghĩa khoa học và thực tiễn vì 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, đặc điểm địa hình của từng vùng. 3) Kiến nghị sử dụng 7 dạng công thức thực nghiệm khác nhau, đó là các công thức (4.3), (4.10), (4.11), (4.15), (4.16), (4.17), (4.18) để gián tiếp xác định gần đúng thông số cường độ mưa tính toán aT,p dùng để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta trong trường hợp ở vùng thiết kế không có được số liệu đo mưa tự ghi hoặc có nhưng số năm quan trắc đến thời điểm thiết kế công trình chưa đủ dài nên không thể sử dụng được phương pháp tính trực tiếp aT,p. Trong các công thức trên thì công thức (4.15), (4.16), (4.18) là 3 dạng công thức cải tiến mới kiến nghị sử dụng của luận án, các công thức còn lại các hệ số trong công thức được xây dựng mới cho khu vực 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu. Các công thức thực nghiệm này có độ tin cậy cho phép, được sử dụng cho các điều kiện khác nhau về cơ sở dữ kiện mưa hiện có ở vùng thiết kế, cho phép đa dạng hóa việc xác định thông số aT,p đồng thời cho phép lựa chọn sử dụng công thức tính aT,p nào cho kết quả chính xác cao khi có đủ điều kiện cùng lúc dùng được nhiều công thức tính aT,p ở vùng thiết kế. Đây là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao bởi vì với điều kiện hiện nay ở nước ta, trạm đo mưa thì nhiều nhưng phần lớn là đo lượng mưa ngày, vấn đề xây dựng các công thức tính gián tiếp cường độ mưa tính toán aT,p ; vấn đề nghiên cứu tính chuyển từ lượng mưa ngày tính toán thành lượng mưa tính toán từng thời khoảng ngắn là rất cần thiết trong tính toán Qp công trình thoát nước trên đường Việt Nam. 4) Kiến nghị các giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế lập ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu trên cơ sở chuỗi số liệu đo mưa thực tế dài, từ năm 1960 - 2010 (Phụ lục 1),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 Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN9845:2013 [5]; dùng để xác định cường độ mưa tính toán aT,p theo các công thức thực nghiệm (4.3), (4.15), (4.17); hay sử dụng để tính Qp cho lưu vực vừa và lớn theo công thức Sôkôlôpsky. Ví dụ: một số giá trị Hn,p luận án lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội. p (%) 1% 4% 10% 20% 50% 99.99% Hn,p (mm) 402.93 299.19 230.10 182.00 122.26 89.20 Các mức tần suất p khác, các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 1. 5) Kiến nghị các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa YT lập cho khu vực 12 trạm khí tượng nghiên cứu với số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 (Phụ lục 2), dùng để tính cường độ mưa tính toán ứng với thời gian tập trung nước của lưu vực và tần suất thiết kế theo công thức thực nghiệm (4.3), sử dụng để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường theo tiêu chuẩn TCVN9845:2013 [5]. Đồng thời nó là tham số quan trọng dùng để tính chuyển từ lượng mưa ngày tính toán Hn,p sang lượng mưa tính toán từng thời khoảng ngắn HT,p theo công thức (3.10) HT,p = YT.Hn,p sử dụng trong công thức Sôkôlôpsky tính Qp cho lưu vực vừa và lớn, dùng 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 YT còn được dùng làm tiêu chí để phân vùng mưa. Ví dụ: một số giá trị YT luận án lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội: T (ph) 5’ 20’ 60’ 180’ 720’ 1440’ YT 0.087 0.224 0.401 0.577 0.928 1.134 Các thời đoạn tính toán T khác, các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 2. 6) Kiến nghị các giá trị đặc trưng sức mưa Sp ở tần suất p = 1 ® 99.99% lập cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu với số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 (Phụ lục 5), dùng để tính aT,p theo các công thức thực nghiệm (4.10), (4.18) để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường. Ví dụ: một số giá trị Sp luận án lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội: p (%) 1% 4% 10% 20% 50% 99.99% Sp 13.27 13.48 13.56 13.74 12.49 1.72 Các mức tần suất p khác, các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 5. 7) Kiến nghị các giá trị hệ số hình dạng cơn mưa m, hệ số vùng khí hậu A và B, hệ số hồi quy của vùng khí hậu a lập cho khu vực 12 trạm khí tượng nghiên cứu với số liệu đo mưa thực tế từ 1960 - 2010 (Phụ lục 6), dùng để tính aT,p theo các công thức thực nghiệm (4.10), (4.11), (4.15), (4.16) sử dụng để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường. Ví dụ: một số giá trị m, A, B, a lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội: Tên các hệ số m A B a Giá trị các hệ số 0.557 4.990 7.197 0.032 Các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 6. 8) Kiến nghị các giá trị cường độ mưa chuẩn aTo,p ở các thời đoạn mưa chuẩn T0 = 20’, 60’, 180’ và tần suất p = 1 ® 99.99% lập cho 12 trạm khí tượng nghiên cứu bằng phương pháp trực tiếp với số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 (Phụ lục 7), dùng để tính aT,p theo công thức thực nghiệm (4.16) để tính Qp công trình thoát nước nhỏ trên đường. Ví dụ: một số giá trị aTo,p (mm/ph) lập cho trạm Láng - TP.Hà Nội: p (%) 1% 4% 10% 20% 50% 99.99% aT0,p ở T0 = 20’ 3.33 2.91 2.58 2.31 1.84 0.62 aT0,p ở T0 = 60’ 2.11 1.83 1.61 1.42 1.11 0.28 aT0,p ở T0 = 180’ 1.15 0.92 0.75 0.63 0.45 0.27 Các mức tần suất p khác, các trạm khí tượng khác trong Phụ lục 7. 9) Kiến nghị các giá trị mô đuyn dòng chảy mưa tính toán qT,p được tính theo cường độ mưa tính toán aT,p (mm/ph) [qT,p = 166.67aT,p (lít/s/ha)] dùng để xác định lưu lượng thiết kế công trình thoát nước đô thị, QP = C.qt,p.F, theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008 [8]. 10) Các tham số về mưa nghiên cứu xác định trong luận án được sử dụng trong các công thức tính Qp cho công trình thoát nước nhỏ trên đường hiện đang dùng như (1.9) của TCVN9845:2013 [5] cho đường ngoài đô thị, (1.11) của TCVN7957:2008 [8] cho đường đô thị và các công thức {ví dụ (1.10), . . .} trong sổ tay tính toán thủy văn của Bộ Giao thông vận tải [3]. Ngoài ra, nó cũng được dùng trong công thức (1.12) Sôkôlôpsky trong [3] sử dụng để tính Qp cho lưu vực vừa và lớn. Giá trị các tham số về mưa lập cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu được kiến nghị tham khảo bổ sung mới hoặc thay thế mới cơ sở dữ liệu về mưa hiện đang sử dụng trong các tiêu chuẩn thiết kế [5], [8] dùng tính Qp ở những khu vực có các trạm khí tượng này hiện nay. Xây dựng bản đồ phân vùng mưa hợp lý với tỷ lệ lớn để tính Qp cho công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện từng địa phương ở VN./. B- Hướng nghiên cứu tiếp theo.