Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu những biến động của mưa lũ, chi tiết hóa mưa và mặt đệm, xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung tài liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O B NỌNG NGHI P VÀ PTNT TR NG Đ I H C TH Y L I DOÃN TH N I NGHIÊNăC UăS ăBI NăĐ NGăC AăM AăLǛ VÀăĐ ăXU Tă C ăS ăKHOAăH CăTệNHăLǛăCHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNGăNÚIăĐỌNGăB CậVI TăNAM Chuyên ngành: Th yăvĕnăh c Mƣăsốăchuyên ngành: 62-44-02-24 TịM T T LU N ÁN TIẾN SĨ KỸ THU T HÀăN I, NĔMă2016
Côngătrìnhăđ ợcăhoƠnăthƠnhătạiăTr ng Đ i h c Th y l i Ng iăh ớngădẫnăkhoaăh că1: PGS.TS. Ngô Lê Long Ng iăh ớngădẫnăkhoaăh că2: PGS.TS. Hoàng Thanh Tùng Ph năbi nă1:ăGS.TS Trần Th c, Vi năKHKTV&BĐKH Ph năbi nă2:ăPGS.TS Trần Đình Nghiên,ăChuyênăgiaăđ căl p Ph năbi nă3:ăTS Nguy n L p Dân,ăVi năĐ aăLỦ,ăVi năHàn Lâm KHVN Lu năánăs ăđ ợcăb oăv ătr ớcăH iăđồngăch mălu năánăh pătại………….. ------------------------------------------------------------------------------------------ vào lúc gi ăăăăăăăăngƠyăăă tháng nĕm Cóăthểătìmăhiểuălu năánătạiăth ăvi n: - Th ăvi n Quốc gia - Th ăvi năTr ngăĐại h c Th y lợi
M Đ U 1. Tính c p thi t c a đ tài Giao thông là huyết m ch của mỗi quốc gia, muốn phát triển đất nước cần ph i hoàn thiện và hiện đ i hệ thống giao thông. Hàng năm, nhà nước đã đầu tư rất nhiều kinh phí cho đầu tư xây mới, nâng cấp và m rộng hệ thống giao thông để đ m b o giao thương kinh tế văn hóa các vùng trên c nước và quốc tế. Với trên 2/3 diện tích là địa hình đồi núi, đư ng miền núi chiếm hơn 70% tổng km chiều dài đư ng bộ c nước. Đư ng miền núi chủ yếu thuộc lo i cấp III-V, các h ng mục công trình thoát nước (cầu, cống, rãnh) chưa được chú trọng trong thiết kế và xây dựng, các tính toán thủy văn, thủy lực còn h n chế. Dưới nh hư ng của khí hậu nhiệt đới gió mùa, với chế độ mưa lũ khắc nghiệt, mức độ ngày càng tăng đã làm cho các công trình giao thông bị hư hỏng nặng nề. Một trong những nguyên nhân gây tác động đáng kể tới độ bền vững của công trình gây s t l ta luy dương, âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ…thì những tác động của mưa, lũ trong đó việc tính toán lũ thiết kế chưa đúng hoặc chưa phù hợp là nguyên nhân chính. Trong TCVN 9845:2013 (viết dựa trên cơ s của QP.TL C-6-77) đã giới thiệu một số phương pháp tính lũ thiết kế từ mưa như: Cư ng độ giới h n, Xokolopxky...có nguồn gốc của các tác gi iên Xô (cũ), có nhiều thông số chưa phù hợp với điều kiện Việt am, khó xác định, vì vậy khi áp dụng vào tính toán kết qu tính có thể chưa phù hợp với thực tế d n tới kh u độ các công trình thoát nước chưa đáp ứng được yêu cầu. Việc thiếu tài liệu quan trắc mưa và dòng ch y, đặc biệt là tài liệu quan trắc th i đo n ngắn cũng gây khó khăn khi tính toán lũ thiết kế cho các công trình. Với tất c lí do trên, luận án“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” mà CS lựa chọn là hết sức cấp thiết. 1
2. Mục tiêu nghiên c u ghiên cứu những biến động của mưa lũ, chi tiết hóa lượng mưa và mặt đệm, xác lập cơ s khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. 3. Đối t ợng và phạm vi nghiên c u - Ph m vi nghiên cứu: hai tỉnh Bắc K n và ng Sơn thuộc vùng núi Đông Bắc-Việt am; - Đối tượng nghiên cứu: mưa và lũ thiết kế phục vụ xây dựng các công trình thoát nước nằm trên các quốc lộ Q 3, 3B, 279, 3, 4A, 4B, 1A thuộc khu vực nghiên cứu. 4. Cách ti p c n vƠ ph ng pháp nghiên c u Để đ t được mục tiêu đề ra, luận án đã thu thập các tài liệu cần thiết, nghiên cứu tổng quan những biến động về mưa lũ, các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thông trong nước và trên thế giới từ đó lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp, mang tính kế thừa, đ m b o tính sáng t o trong nghiên cứu. Các phương pháp sử dụng trong luận án: i) phương pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các nghiên cứu liên quan; ii) phương pháp phân tích nh viễn thám, GIS phục vụ mô phỏng lưu vực trong các mô hình toán và xây dựng các b n đồ chuyên đề làm cơ s khoa học cho các phương pháp tính lũ kiến nghị; iii) phương pháp mô hình toán, tính toán thử nghiệm làm cơ s cho việc kiến nghị các phương pháp tính lũ thiết kế phù hợp cho các công trình giao thông khu vực Đông Bắc, Việt am. 5. Ý nghĩa khoa h c và th c ti n Kết qu nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao vì đã gi i quyết một phần khó khăn hiện nay trong tính toán thủy văn cầu đư ng. Việc nghiên cứu biến động của mưa lũ khu vực Đông Bắc và xác lập cơ s khoa học tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông có ý nghĩa khoa học trong việc tiếp cận với những phương pháp tính toán hiện đ i làm tiền đề cho việc xây dựng một quy trình tính toán phù hợp với điều kiện của Việt am. 2
6. Nh ng đóng góp mới c a lu n án - uận án đã hoàn thiện phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông có xét đến biến động mưa lũ và đặc điểm tự nhiên khu vực Đông Bắc, trên cơ s ứng dụng mô hình toán thủy văn và GIS. - uận án đã bước đầu xây dựng được phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nước trên đư ng giao thông. 7. C u trúc c a lu n án goài phần M đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 3 chương: Ch ng 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. Ch ng 2: Xây dựng cơ s khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc-Việt am. Ch ng 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phương pháp tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc-Việt am. CH NG 1 T NG QUAN V NGHIÊN C U TệNH LǛ THI T K CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 1.1 T ng quan v tính lǜ thi t k 1.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Việc tính lũ thiết kế đã tr i qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa và phát triển nhằm chính xác và hiện đ i hóa phục vụ xây dựng các công trình an toàn trong mùa mưa lũ, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay. Một số nghiên cứu về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến như nghiên cứu của Chow và Shaw (1964), Chow và Maidment (1988), Vijay (2002), Raghunath (2006), và nhiều nghiên cứu khác. Về cơ b n, các phương pháp tính toán đều dựa trên lý thuyết căn nguyên dòng ch y và các cách chuyển đổi mưa hiệu qu thành dòng ch y. Tuy nhiên, từ hai thập kỷ tr l i đây với sự phát triển vượt bậc của công nghệ máy tính, kỹ thuật viễn thám và GIS đã cho phép các nhà 3
khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật những công nghệ hiện đ i nhằm chính xác hóa các tham số mà các phương pháp trước đây chưa xây dựng được. 1.1.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam Các nghiên cứu tính lũ thiết kế Việt am được đề cập trong nhiều tài liệu, tiêu chu n, quy chu n, giáo trình, đề tài, luận án như QP.T C-6-77 (1977); Giáo trình Thủy văn Công trình của Đỗ Cao Đàm và nnk (1990), ATS nghiên cứu về mưa, lũ cực h n cho Việt am của ê Đình Thành (1997); Giáo trình guyên lý Thủy văn và Tính toán thủy văn thiết kế của PGS.TS ê Văn ghinh (2000 & 2003); báo cáo CKH cấp Bộ đề tài “ ghiên cứu c nh báo dự báo lũ vượt thiết kế-Gi i pháp tràn sự cố” của GS.TS. Ph m gọc Quý và nnk (2005), Giáo trình Thủy văn Công trình của GS.TS Hà Văn Khối và nnk (2012); ĐTKH cấp hà nước “ ghiên cứu cơ s khoa học đề xuất các tiêu chu n thiết kế lũ, đê biển trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng Việt am và gi i pháp phòng tránh, gi m nhẹ thiệt h i” do PGS.TS gô ê ong làm chủ nhiệm. Các nghiên cứu này đã trình bày các phương pháp tính lũ thiết kế hiện nay, các các mô hình thủy văn tính toán dòng ch y, xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế hay đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế cho các công trình hồ chứa có xét tới tác động của biến đổi khí hậu. 1.2 T ng quan tính lǜ thi t k cho công trình giao thông 1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới Tính lũ thiết kế cho công trình giao thông trên thế giới được tổng hợp trong các tài liệu hướng d n và tiêu chu n thiết kế: hật trong Hướng d n tính thủy văn thủy lực - Hướng d n và tiêu chu n kỹ thuật cho các dự án thiết kế (phần kiểm soát lũ); Anh trong Hướng d n thiết kế cầu đư ng-Tiêu chu n kỹ thuật của Cơ quan đư ng bộ quốc gia; Mỹ trong các tài liệu Hướng d n tính thoát nước trên đư ng (AASHTO); Tài liệu giới thiệu mô hình toán thủy văn HEC; Thủy văn đư ng bộ (FHWA); Hướng d n kỹ thuật (TR55) hay các tiêu chu n thiết kế; Columbia trong tài liệu ''Hướng d n và tiêu chu n thiết kế cầu''; 4
Nga trong Quy trình BCH 63 - 67 - Quy trình kh o sát và thiết kế công trình vượt sông trên đư ng sắt và đư ng ô tô và nhiều tài liệu khác. Qua kết qu tổng quan, có thể phân thành hai nhóm chính: i) nhóm các phương pháp sử dụng các nước phương Tây, hật và Mỹ và ii) nhóm các phương pháp sử dụng các nước Đông Âu và ga (hình Hình 1.1 Các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao 1.1). thông trên thế giới 1.2.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam Tính lũ thiết kế cho giao thông Việt am được tổng kết và đề cập trong TCVN 9845:2013 - Tiêu chu n tính toán đặc trưng dòng ch y lũ; trong Sổ tay tính toán thủy lực thủy văn cầu đư ng (2006) của Bộ GTVT; trong các nghiên cứu của Mai Anh Tuấn (2003), Trần Đình ghiên (2003), guyễn Quang Chiêu & Trần Tuấn Hiệp (2004), guyễn Xuân Trục (2009), Đoàn hư Thái Dương (2012), guyễn Tiến Cương (2012), và gần đây nhất là trong ATS của guyễn Anh Tuấn (2014). Các phương pháp tính lũ thiết kế Việt am phụ thuộc vào diện tích, tình tr ng số liệu thủy văn và mức độ quan trọng của công trình (cấp công trình), có thể phân thành hai nhóm: i) nhóm phương pháp phân tích thống kê và ii) nhóm phân tích nguyên nhân hình Hình 1.2 Các phương pháp tính lũ thiết kế cho giao thành (hình 1.2). thông Việt am 5
i) hóm phương pháp thống kê xác suất sử dụng khi có nhiều số liệu đo đ c lũ. Hiện nay, có nhiều phần mềm vẽ đư ng tần suất được xây dựng để tính các tham số thống kê nhằm tăng độ chính xác và tiện dụng. Tuy vậy, các công trình giao thông trong khu vực nghiên cứu phần lớn đều có vị trí t i các sông, suối không có số liệu lũ thực đo để ứng dụng phương pháp này. ii) hóm phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành, gồm các công thức kinh nghiệm theo Liên Xô cũ và các công thức kinh nghiệm xây dựng cho từng vùng. 1.3 Nh ng hạn ch trong tính lǜ thi t k cho giao thông Vi t Nam Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá cho thấy tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông Việt Nam còn một số h n chế sau: - Hiện nay, việc chọn tần suất mới dựa vào cấp đư ng mà chưa xét đến các điều kiện bất lợi khác như điều kiện tự nhiên và khí tượng thủy văn của vùng xây dựng công trình d n đến tình tr ng công trình không đủ năng lực và gặp nhiều sự cố. - Việc tính lũ thiết kế mới chú trọng đỉnh lũ mà chưa xét đến tổng lượng lũ (W) d n đến tổng lượng nước đổ dồn vào công trình, không kịp thoát (kh u độ nhỏ), t o hiện tượng tích nước thượng lưu đối với các công trình, t o áp lực khí gây hỏng mố cầu cống hay đuôi cống, mặt đư ng bị phá hai bên thân cống. - Các b ng tra là cơ s khoa học của các phương pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông hiện t i đã cũ, chủ yếu sử dụng các nghiên cứu iên Xô cũ và được xây dựng từ số liệu rất h n chế Việt am (b n đồ tỉ lệ nhỏ, chuỗi số liệu quan trắc ngắn), kh năng hỗ trợ trong tính toán còn theo cách truyền thống, chưa cập nhập các công cụ hiện đ i nên kết qu không tránh khỏi những sai số không mong muốn và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm ngư i tính. 1.4 H ớng ti p c n vƠ ph ng pháp nghiên c u Từ những h n chế trong tính lũ cho giao thông Việt am, tính ưu việt trong một số phương pháp tính lũ thiết kế đang được sử dụng các nước Phương 6
Tây, hật và Mỹ, tác gi lựa chọn hướng tiếp cận như minh họa trong hình 1.3 bao gồm: i) ) ghiên cứu lựa chọn các phương pháp, điều kiện ứng dụng và yêu cầu số liệu và cơ s khoa học của các phương pháp. ii) Nghiên cứu đặc trưng mưa: biến động của mưa lũ qua thống kê và đánh giá các hình thế th i tiết gây mưa lũ trong khu vực; sự biến động của mưa lũ theo không gian và th i gian, trong đó a) phương pháp Mann-Kendall và Sen được sử dụng để đánh giá sự biến động của mưa theo th i gian; phương pháp phân tích tần suất, xây dựng các bộ đư ng cong IDF cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực cũng như chi tiết hóa (chuyển đổi) mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn; b) kỹ thuật viễn thám và GIS được sử dụng để cập nhập các số liệu mới từ nh vệ tinh và phân tích không gian để đánh giá sự biến động của mưa theo không gian và xây dựng các b n đồ đẳng trị về biến đổi lượng mưa, hệ số biến đổi lượng mưa Cv theo không gian trong khu vực nghiên cứu. iii) ghiên cứu phân tích điều kiện mặt đệm của khu vực Đông Bắc bao gồm phân tích các đặc trưng hình thái của tiểu lưu vực thoát nước qua cầu, xây dựng b n đồ chỉ số C , b n đồ hệ số dòng ch y C, b n đồ hệ số nhám Manning và các b ng tra phụ trợ, kỹ thuật Viễn thám và mô hình phân tích không gian trong GIS được sử dụng để tận dụng ưu điểm của dữ liệu không gian và kh năng cập nhật nhanh những dữ liệu này khi áp dụng thực tế. iv) Tính toán thử nghiệm, đánh giá kết qu : phân tích cơ s và các điều kiện áp dụng từng phương pháp lựa chọn để đề xuất các phương pháp phù hợp cho từng lo i công trình và phù hợp với đặc điểm của vùng nghiên cứu. v) Xây dựng chương trình tính nhằm tích hợp tất c các kết qu đ t được cùng với quy trình hướng d n tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông thuộc khu vực vùng núi Đông Bắc với mong muốn chương trình này gi i quyết được một số h n chế trong tính toán hiện nay, đồng th i để m để các nhà nghiên cứu tiếp tục cập nhật và hoàn thiện. 7
T ng quan các tƠi li u, các nghiên c u, các bƠi báo PP mô hình quan h : PP SCS-CN PT h i quy vùng - Hệ số dòng ch y C - B n đồ chỉ số C ; - Diện tích lưu vực A - Cư ng độ mưa I - Diện tích lưu vực A - Độ dốc S - Diện tích lưu vực A - Mưa thiết kế - Mưa thiết kế Nghi n c u đặc tr ng m a Nghiên c u đặc tr ng mặt đ m Bi n động theo KG: Tính m a thi t k : Xây Xây Xây Xây - Biến động hệ số - Chuyển đổi mưa ngày dựng và dựng dựng dựng CV; thành mưa th i đo n phân b n b n b n Bi n động theo TG: ngắn tích lưu đồ đồ hệ đồ hệ - Tăng gi m theo xu - Cư ng độ mưa IDF vực và chỉ số số thế của Mann kendall - ượng mưa thiết kế đặc số dòng nhám và Sen - Đư ng cong lũy tích trưng CN ch y n mưa 24h lưu vực C Tính th nghi m - hóm cầu có A< 5km2 - hóm cầu có A=5-30 km2 - hóm cầu A=30-100 km2 - hóm cầu có A>100km2 Đ xu t ph ng pháp phù hợp cho khu v c nghiên c u Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 1.5 T ng quan v khu v c nghiên c u Khu vực Đông Bắc, Việt am (hình 1.4) phía bắc và phía đông tiếp giáp với Trung Quốc, phía đông nam trông ra vịnh Bắc Bộ, phía nam được giới h n b i dãy núi Tam Đ o và vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng. Đây là khu vực có địa hình đồi núi dốc cao, vực thẳm, chia cắt m nh, nằm trong những tâm mưa lớn. Mùa mưa lũ, tình tr ng s t trượt núi, cắt đứt đư ng, làm trôi cầu giao thông x y ra khá nghiêm trọng. Hai tỉnh ng Sơn và Bắc C n thuộc vùng núi Đông Bắc với 80% diện tích đồi núi, là vùng đầu nguồn của các con sông lớn với độ dốc phức t p; là nơi có các tâm mưa lớn của c nước như tâm mưa Bắc 8
Quang, Móng Cái, Đình ập. Mùa mưa từ tháng V đến tháng IX, với tổng lượng mưa chiếm từ 75-80% tổng lượng mưa năm.Tháng có lượng mưa lớn nhất là tháng VII và tháng VIII với lượng mưa phân bố trên 300mm/tháng. Các quốc lộ ch y qua vùng Đông Bắc bao gồm: QL1A, QL4A, QL4B, QL31, Hình 1.4 B n đồ khu vực nghiên cứu (vùng QL3, QL3B. Đông Bắc) Các công trình thoát nước vùng Đông Bắc bao gồm: cầu lớn và cầu trung ( c>25m); cầu nhỏ và cống ( c
CH NG 2 XÂY D NG C S KHOA H C TệNH LǛ THI T K CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU V C NGHIÊN C U 2.1 C s lý thuy t c a các ph ng pháp tính lǜ thi t k 2.1.1 Phương pháp SCS-CN Phương pháp này được Cơ quan b o vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (SCS) xây dựng và chính thức đưa vào Sổ tay Kỹ thuật Hoa Kỳ năm 2004, hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Phương pháp SCS-C bao gồm 2 phần chính: tính tổn thất dòng ch y (mưa hiệu qu , từ C ) và tính chuyển mưa hiệu qu thành dòng ch y theo lũ đơn vị SCS. Số liệu đầu vào của phương pháp bao gồm: lượng mưa, lo i đất, địa hình, độ m, hiện tr ng sử dụng đất. Sơ đồ tính hình 2.2. Hình 2.2 Sơ đồ tính lưu lượng thiết kế theo Hình 2.3 Sơ đồ tính lưu lượng tk theo pp SCS-CN pp mô hình quan hệ 2.1.2 Phương pháp mô hình quan hệ (Rational Method) Phương pháp mô hình quan hệ (hay là Q = C.I.A) được đề cập trong hầu hết các tiêu chu n thiết kế công trình giao thông các nước trên thế giới, dựa trên mối quan hệ giữa dòng ch y và các đặc trưng cơ b n của lưu vực, cư ng độ mưa trung bình và diện tích lưu vực. Công thức tính đỉnh lũ thiết kế có d ng: QmaxP = (C.I.A)/3,6 (2-9) Trong đó: QmaxP là lưu lượng đỉnh lũ thiết kế (m3/s); C là hệ số dòng ch y; I là cư ng độ mưa ứng với th i gian tập trung dòng ch y (mm/h); A là diện tích lưu vực (km2). Các bước tính toán của phương pháp mô hình quan hệ được tóm tắt trong sơ đồ hình 2.3. 10
2.1.3 Phương trình hồi quy vùng Phương trình hồi quy vùng là một trong những phương pháp thư ng được sử dụng trong quy ho ch hoặc tính toán thiết kế sơ bộ cho các công trình thoát nước vùng không có số liệu. Cơ s khoa học của phương pháp là tổng kết các đặc trưng lưu vực, mặt đệm, mưa thiết kế để xây các phương trình hồi quy vùng dưới d ng quan hệ giữa mô đun hay lưu lượng đỉnh lũ với diện tích lưu vực cho các khu vực khác nhau trên lãnh thổ (ví dụ 2.2 C s d li u c a các ph ng pháp tính lǜ thi t k Để ứng dụng của các phương pháp lựa chọn (mục 1.5 và 2.1) cần xây dựng cơ s dữ liệu về mưa và mặt đệm như sau: 2.2.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mưa Mưa là đặc trưng quan trọng quyết định sự hình thành dòng ch y trên lưu vực. ghiên cứu về mưa gồm: ượng mưa, th i gian mưa, cư ng độ mưa, phân bố (biến động) mưa theo không gian và th i gian. uận án đã thống kê các hình thế th i tiết gây mưa lớn khu vực nghiên cứu, biến động của mưa theo không gian và th i gian, chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn, xây dựng bộ đư ng cong ''Cư ng độ mưa -Th i gian mưa - Tần suất mưa (IDF)'', xây dựng các b n đồ biến thiên lượng mưa, các đư ng cong tích lũy mưa cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên cứu. Một số kết qu điển hình được minh họa tóm tắt trong các hình và b ng sau: B ng 2.3 Kết qu kiểm định xu thế lượng mưa ngày lớn nhất Test Z1-α/2 K t lu n theo Độ dốc theo Sen Chuỗi m a n Z (α = 5%) Mann-Kendall (mm/năm) Xn max Bắc K n 57 1,20 1,96 Xu thế tăng 176,0 Xn max Bắc Sơn 39 0,33 1,96 Xu thế tăng 28,0 Xn max Chợ Rã 39 1,72 1,96 Xu thế tăng 143,0 Xn max Đình ập 39 - 0,93 1,96 Xu thế gi m -78,0 Xn max Hữu ũng 39 -0,80 1,96 Xu thế gi m -67,0 Xn max ng Sơn 55 1,79 1,96 Xu thế tăng 247,0 Xn max gân Sơn 52 1,10 1,96 Xu thế tăng 141,0 Xn max Thất Khê 47 -1,72 1,96 Xu thế gi m -189,0 11
Hình 2.11 B n đồ hệ số biến thiên lượng Hình 2.24 B n đồ đẳng trị cư ng độ mưa mưa ngày max (CV), Đông Bắc I-1-100 (Bắc K n và ng Sơn) B ng 2.6 B ng hệ số của phương trình đư ng cong IDF, I = a.Dn T=5 T = 10 T = 25 Tr m a n a n a n Bắc C n 50,9 -1,25 63,0 -1,25 79,1 -1,25 Bắc Sơn 59,3 -1,32 74,9 -1,38 95,9 -1,45 Chợ Rã 38,2 -1,18 47,5 -1,17 59,9 -1,16 Đình ập 54,8 -1,14 71,1 -1,14 93,8 -1,14 ng Sơn 46,9 -1,24 56,2 -1,24 68 -1,24 Thất Khê 58,2 -1,32 72,5 -1,31 91,5 -1,29 gân Sơn 57,7 -1,25 71,8 -1,27 89,6 -1,3 Hữu ũng 67,5 -1,36 83,9 -1,39 105,9 -1,41 Hình 2.23 Bộ đư ng cong IDF tr m ng Sơn và Đình ập Kết qu nghiên cứu cho thấy nếu c khu vực Đông Bắc chỉ được coi là một trong 18 vùng của Việt am để sử dụng các hệ số triết gi m mưa cũng như chỉ sử dụng Hnp% trong tính toán lũ thiết kế trong giao thông là chưa hợp lý vì lượng mưa đây có sự biến động lớn c về không gian và th i gian giữa các 12
khu vực (b ng 2.3, hình 2.11 và hình 2.24). hư vậy, việc chi tiết hóa lượng mưa ngày thành mưa gi và xây dựng các b n đồ phân bố mưa ngày, họ đư ng cong IDF cho các khu vực khác nhau trong vùng nghiên cứu là rất cần thiết. Hình 2.25 Phân bố lũy tích mưa 24h tr m Bắc K n và Bắc Sơn 2.2.1 Xây d ng c s d li u mặt đ m Xây dựng cơ s dữ liệu mặt đệm phục vụ tính toán lũ thiết kế công trình giao thông cho khu vực nghiên cứu bao gồm việc khoanh lưu vực, xác định các đặc trưng lưu vực (diện tích chiều dài, độ dốc..), xây dựng các b n đồ (b ng tra) hệ số dòng ch y, xây dựng b n đồ (b ng tra) chỉ số C , và xây dựng các b n đồ hệ số nhám. Trong nghiên cứu này, uận án đã ứng dụng công cụ viễn thám và GIS nhằm cập nhật dữ liệu, phân tích thuộc tính không gian và xây dựng các b n đồ chuyên dùng, phục vụ tính lũ. Thu thập và phân tích tài liệu nh vệ tinh GoogleEarth B n đồ đất B n đồ hiện tr ng Hiện tr ng sử dụng đất qua sử dụng đất gi i đoán nh Vệ tinh Hiện tr ng sử dụng đất đã cập nhật Phân tích không gian trong GIS B n đồ C cho vùng nghiên cứu Hình 2.29 Sơ đồ các bước xây dựng b n đồ chỉ số C 13
2.2.1.1. Xây dựng bản đồ chỉ số CN Việc xây dựng b n đồ chỉ số CN cho khu vực nghiên cứu được thực hiện theo sơ đồ hình 2.29. Kết qu được minh họa hình 2.32. Phần giá trị CN của tiểu lưu vực thoát nước qua cầu B n Chắt được trích xuất từ b n đồ CN của Hình 2.32 B n đồ chỉ số C tỉnh Bắc K n và khu vực nghiên cứu. ng Sơn 2.2.1.2. Xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy C dạng ô lưới Việc xây dựng b n đồ hệ số dòng ch y C d ng ô lưới cho khu vực nghiên cứu được thực hiện theo sơ đồ hình 2.33. Kết qu được minh họa trong hình 2.34 Hình 2.33 Sơ đồ các bước xây dựng Hình 2.34 B n đồ hệ số dòng ch y C tỉnh Bắc b n đồ hệ số dòng ch y C K n và ng Sơn 2.2.1.3. Xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning n Việc xây dựng b n đồ hệ số nhám n cho khu vực nghiên cứu được thực hiện theo sơ đồ hình 2.35. Kết qu được minh họa trong hình 2.36. 14
Hình 2.35 Sơ đồ các bước xd bđ hệ số nhám Manning Hình 2.36 B n đồ hệ số nhám (BK và LS) 2.2.1.4. Phân chia và tính toán các đặc trưng lưu vực từ DEM Việc tính toán các đặc trưng lưu vực thoát nước rất cần thiết; đặc trưng lưu vực ph n ánh độ cao, hướng dòng ch y và là dữ liệu để tính các tham số như: th i gian tập trung dòng ch y, diện tích lưu vực. Luận án đã xác định ranh giới và xây dựng b n đồ cho các lưu vực thoát nước (hơn 40 lưu vực thoát nước) của khu vực Đông Bắc. Kết qu tính toán các đặc trưng lưu vực Bắc Khương được minh họa hình 2.37 và b ng 2.17. Hình 2.37 B n đồ lv cầu Bắc Khương B ng 2.17 Kết qu tính các đặc trưng (lưu vực cầu Bắc Khương) TT Các đặc tr ng c u Bắc Kh ng Kí hi u Đ nv Tr số 1 Tần suất thiết kế P % 2 Diện tích lưu vực F km2 506,5 3 Chiều dài dòng chủ L km 27,3 4 Tổng chiều dài dòng nhánh ∑ i km 40,1 5 Chiều dài lưu vực Llv km 56,2 6 Độ rộng bình quân lưu vực B km2/km 9,0 7 Số sư n lưu vực n 2,0 8 Độ dốc lưu vực J(Sb) % 23,6 9 Độc dốc lòng sông Js(Sr)% 0,4 2.3 K t lu n ch ng II 15
Kết qu nghiên cứu cho thấy, Vùng Đông Bắc được chia thành một vùng mưa trong 18 vùng mưa của c nước (TCV 9845:20013) là chưa hợp lý b i sự biến đổi lượng mưa theo không gian là rất lớn. Việc chi tiết hóa mưa ngày thành mưa th i đo n ngắn, xây dựng bộ đư ng cong IDF, bộ đư ng cong lũy tích mưa 24h, b n đồ đẳng trị lượng mưa phù hợp với tính toán cho công trình thoát nước vừa và nhỏ. Việc chi tiết hóa và cập nhật mặt đệm thông qua xây dựng b n đồ lưu vực, b n đồ chỉ số C , hệ số dòng ch y C, độ nhám Manning nhằm chính xác hóa các thông số mặt đệm, là cơ s dự liệu để áp dụng các phương pháp lựa chọn trong uận án. CH NG 3 TÍNH TOÁN TH NGHI M VÀ Đ XU T PH NG PHÁP TệNH LǛ THI T K CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 3.1 C s phơn nhóm công trình thoát n ớc trong tính lǜ thi t k Các căn cứ để phân chia các nhóm lưu vực và phương pháp tính lũ thiết kế: + Căn cứ vào điều kiện áp dụng: Phương pháp mô hình quan hệ được áp dụng khi diện tích lưu vực A < 65 km2; Phương pháp SCS có giới h n từ 2 - 500 km2; Phương pháp hồi quy vùng sẽ tùy vào mức độ chi tiết số liệu đầu vào; + Căn cứ vào kết qu thu thập dữ liệu công trình (vị trí, tuyến, số lượng); + Căn cứ vào các thông số tính toán (nhóm đất, lo i th m phủ, hệ số C , hệ số dòng ch y và đặc trưng nhám, độ dốc lưu vực), cho thấy cỡ lưu vực tương ứng với mức độ phức t p trong tính các đặc trưng về mưa và mặt đệm. Từ các căn cứ trên và kết qu xây dựng cơ s khoa học, tiến hành phân chia nhóm công trình tính lũ thiết kế như sau: hóm thứ nhất: các công trình có diện tích lưu vực khống chế bé (A
có nhiều lo i đất và th m phủ; hóm thứ ba: Các công trình còn l i với diện tích lớn hơn 30 km chiếm số lượng ít. Các lưu vực này có điều kiện về địa chất 2 th m phủ phức t p hơn cần chia thành nhiều lưu vực con để tính các đặc trưng cho phù hợp, mặt khác kết hợp các phương pháp khác nhau để tính toán kiểm nghiệm. B ng 3.14 Kết qu tính lưu lượng thiết kế theo 5 phương pháp K t qu tính l u l ợng Q p% (m3/s) bằng các ph ng pháp A TT Tên c u Lu n án TCVN 9845:2013 (km2) CIA SCS Hồi quy Xokolosky CDGH 1 Can 3,16 95,8 74,6 87,8 93,0 71,0 2 B n Chắt 25,2 327,5 276,0 281,9 362,1 252,9 3 Pắc Vằng 129,2 652,2 610,9 707,4 712,5 711,9 4 Kỳ ừa 1559,9 2170,1 3420,0 3325,4 3960,0 3856,8 3.2 Tính thử nghiệm theo các phương pháp khác nhau unh thử nghiệm theo các phương pháp khác nhauện về địa chất th m phủ phức t p hơn cần chia thành nhiều lưu vực con để tính các đặc trưng cho phù hợp, mặt khác kết hợp các phương pháp khác nhau để tính toán kiểm nghiệmnhanh được lưu lượng lũ thiết kế;bộ đưho các cầu có diện tích lưu vực A < 5 km2; Cầu B n Chắt đ i diện cho các cầu có diện tích lưu vực 5 km2 < A < 30 km2; Cầu Pắc Vằng đ i diện cho các cầu có diện tích lưu vực 30 km2 < A < 100 km2; Cầu Kỳ ừa đ i diện cho các cầu có diện tích A > 100 km2. S dĩ có các kết qu tính toán khác nhau b i vì hai cách tiếp cận và điều kiện cơ s dữ liệu khác nhau. Ba phương pháp được lựa chọn trong uận án xây dựng từ cơ s phân tích dữ liệu mưa và mặt đệm chi tiết và cập nhật, với công nghệ hiện đ i cho phép truy xuất các kết qu cho từng tiểu lưu vực và có thể tính được giá trị trung bình trên lưu vực nên việc tính toán sẽ tr nên đơn gi n hơn, nhanh hơn và kết qu tính toán cũng hợp lý hơn. Còn 2 phương pháp hiện dùng đều coi c khu vực Đông Bắc là một phân vùng (1 trong 18 phân vùng 17
của Việt am) nên các hệ số sử dụng cho vùng là dùng chung cho mọi công trình trong khu vực nghiên cứu sẽ d n tới các hệ số một số khu vực là thiên cao, còn một số l i thiên thấp d n đến kết qu tính chưa hợp lý, thêm vào đó là các b ng tra được xây dựng từ lâu, trên nền dữ liệu h n chế và chưa được cập nhật. 3.3 Đề xuất phương pháp tính phù hợp Qua nghiên cứu lý thuyết ba phương pháp, xây dựng cơ s khoa học để áp dụng tính lũ thiết kế cho các công trình thoát nước khu vực Đông Bắc và tính toán thử nghiệm cho một số công trình, uận án đề xuất phương pháp tính cho các lo i công trình thoát nước trong giao thông như b ng 3.15. B ng 3.15 Kiến nghị phương pháp tính lũ cho công trình giao thông TT Nhi m Ph ng Công trình Cỡ l u v c A Các nội dung th c hi n vụ pháp (km2) - Tra b n đồ C Mô hình Cống nhỏ A 100 Cống Quy - Tra A từ b n đồ lưu vực ho ch, Hồi quy Cầu nhỏ - Chọn tần suất tính toán 2 A < 400 - Tra hệ số phương trình ập dự vùng Cầu trung án Q=f(A) Cầu lớn 18