Tài liệu Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng bắc bộ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TH VIỆT HỒNG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯ NG PHÁP ÁC Đ NH VÀ LƯU LƯỢNG TIÊU THIẾT Ô H NH Ư Ế CHO CÁC HỆ THỐNG TIÊU V NG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ỹ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TH VIỆT HỒNG NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯ NG PHÁP ÁC Đ NH VÀ LƯU LƯỢNG TIÊU THIẾT Ô H NH Ế CHO CÁC HỆ THỐNG TIÊU V NG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ Chuyên ngành: ỹ thuật tài nguyên nước ã số: 62-58-02-12 NGƯỜI HƯỚNG DẪN Ư HO HỌC: 1. PGS.TS Nguyễn Tuấn nh 2. GS.TS Lê Chí Nguyện HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI C ĐO N Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết lu n trong lu n án là trung th c, không sao ch p t b t k một nguồn nào và dưới b t k hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được th c hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Tác giả lu n án Chữ ký Nguyễn Th Việt Hồng i LỜI CẢ N Trước hết tác giả xin được trân trọng cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Tu n Anh, GS TS Lê Chí Nguyện đã định hướng về mặt khoa học và t n tình hướng dẫn để tác giả có thể hoàn thành lu n án này Tác giả xin được trân trọng cảm ơn đến các Thầy trong các Hội đồng ch m chuyên đề, Hội đồng ch m lu n án của tác giả, đã đóng góp các ý kiến quý báu để tác giả có thể hoàn thành lu n án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Kỹ thu t tài nguyên nước; Bộ môn Kỹ thu t hạ tầng và Phát triển nông thôn Trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thu n lợi để tác giả hoàn thành lu n án Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Cao đẳng Thủy lợi Bắc bộ, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt thời gian th c hiện lu n án Xin được cảm ơn Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Hà Nam, Sở Xây d ng Hà Nam, Công ty cổ phần môi trường và công trình đô thị Hà Nam đã trao đổi, cung c p tài liệu cũng như kiến thức th c tế quý báu giúp tác giả hoàn thành các nội dung nghiên cứu của lu n án Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua mọi khó khăn để tác giả có thể hoàn thành được lu n án của mình Tác giả lu n án Chữ ký Nguyễn Th Việt Hồng ii ỤC LỤC ỤC LỤC iii D NH ỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................ix D NH ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................xi Ở Đ U.........................................................................................................................1 1 Tính c p thiết của đề tài............................................................................................... 1 2 M c tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................3 4 Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................3 5 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................3 6 Ý nghĩa khoa học và th c tiễn .....................................................................................4 7 C u trúc lu n án ...........................................................................................................4 CHƯ NG 1 1.1 TỔNG QU N .......................................................................................5 Tổng quan về mô hình mưa tiêu thiết kế ..........................................................5 1.1.1 Khái niệm về mô hình mưa tiêu thiết kế ................................................... 5 1.1.2 Các nghiên cứu về xác định mô hình mưa tiêu thiết kế ............................ 6 1.1.3 Các nghiên cứu xác định mô hình mưa tiêu thiết kế ở Việt Nam ........... 11 1.2 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) và quan hệ cường độ mưa-thời gian mưa-tần su t (IDF) .............................. 16 1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t...................................................................................................................... 16 1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần su t.............. ....................................................................................................... 17 1.3 Tổng quan các nghiên cứu về xây d ng bản đồ đẳng trị mưa ........................22 1.4 Tổng quan các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế và hệ số hiệu chỉnh lưu lượng theo bước thời gian mưa ...........................................................................28 1.4.1 Các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các khu v c dân cư, đô thị.... ............................................................................................................... 28 1.4.2 Các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các vùng nông nghiệp và hỗn hợp dân cư, nông nghiệp ....................................................................... 29 1.5 Giới thiệu về đồng bằng Bắc Bộ .....................................................................33 iii 1.5.1 Điều kiện t nhiên vùng đồng bằng Bắc Bộ ........................................... 33 1.5.2 Phát triển kinh tế xã hội trong vùng ........................................................ 36 1.5.3 Tình hình đo mưa trong khu v c ............................................................. 37 1.5.4 Tình hình tiêu nước trong khu v c .......................................................... 39 1.6 Kết lu n chương 1 ...........................................................................................42 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH MƯA VÀ LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG TIÊU ..............................................45 2.1 Phương pháp xây d ng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần su t và (DDF) quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần su t (IDF) thời đoạn ngắn, t đó thiết l p công thức tính cường độ mưa cho các trạm đo mưa t ghi ......................................45 2.1.1 Phương pháp xây d ng quan hệ lượng mưa – thời gian – tần su t ......... 46 2.1.2 Thiết l p công thức tính cường độ mưa (quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần su t) cho các trạm đo mưa t ghi ......................................................51 2.2 Phương pháp xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế tương ứng với thời gian mưa và tần su t khác nhau cho vùng Đồng bằng Bắc bộ...........................51 2.2.1 L a chọn phần mềm vẽ bản đồ ............................................................... 52 2.2.2 L a chọn phương pháp nội suy trong phần mềm.................................... 53 2.3 Phương pháp mới đề xu t về l a chọn mô hình mưa tiêu thiết kế phù hợp nh t cho các khu v c trồng lúa vùng đồng bằng Bắc Bộ bằng mô phỏng toàn liệt các tr n mưa đã xảy ra trong th c tế ...............................................................................55 2.3.1 Giới thiệu phương pháp .......................................................................... 56 2.3.2 Xây d ng các mô hình mưa điển hình .................................................... 58 2.3.3 Phương pháp tính toán hệ số tiêu cho lúa ............................................... 59 2.4 Phương pháp xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu thiết kế t mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày cho vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp và dân cư đô thị ........................................................................................................................64 2.4.1 Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo mô hình SWMM ................ 65 2.4.2 Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo TCVN 10406:2015 ............ 71 2.5 Kết lu n chương 2 ...........................................................................................71 CHƯ NG 3 ẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................ 73 3.1 Kết quả xây d ng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần su t (DDF) và quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần su t (IDF) ................................................................ 73 iv 3.1.1 Kết quả xây d ng quan hệ DDF .............................................................. 73 3.1.2 Đánh giá khả năng ứng d ng của công thức tính cường độ mưa đã thiết l p.............. .........................................................................................................84 3.2 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị mưa thời đoạn ngắn ứng với tần su t thiết kế P = 10% cho vùng đồng bằng Bắc bộ...........................................................97 3.2.1 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa ứng với tần su t P = 10%.............. .......................................................................................................97 3.2.2 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị tham số của phương trình cường độ mưa ứng với tần su t P = 10% ...................................................................104 3.3 Kết quả xác định mô hình mưa thiết kế hợp lý cho vùng trồng lúa ứng d ng cho khu v c Hà Nam ...............................................................................................107 3.3.1 Tính toán và vẽ đường tần su t ............................................................. 107 3.3.2 Kết quả l a chọn các tr n mưa điển hình .............................................. 108 3.3.3 Kết quả l a chọn tr n mưa thiết kế ....................................................... 114 Kết quả xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng cho vùng tiêu hỗn hợp .........122 3.4 3.4.1 Thiết l p các thông số giả định của hệ thống ........................................ 123 3.4.2 Xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng trong trường hợp chưa x t đến ảnh hưởng của hồ điều hòa trong hệ thống ............................................................124 3.4.3 Xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng có x t đến ảnh hưởng của hồ điều hòa...... ..............................................................................................................128 3.5 Kết lu n chương 3 .........................................................................................134 ẾT LUẬN VÀ D NH IẾN NGH ...................................................................................135 ỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ.........................................................138 TÀI LIỆU TH HẢO.........................................................................................139 PHỤ LỤC........ ...........................................................................................................147 v D NH ỤC CÁC H NH ẢNH Hình 1 1 Phân bố xác su t của các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois[1] ....................7 Hình 1 2 Biểu đồ xác su t 10% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois ........................8 Hình 1 3 Biểu đồ xác su t 50% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois ........................8 Hình 1 4 Biểu đồ xác su t 90% các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois ........................8 Hình 1 5 Các đường quá trình mưa lũy tích mưa trong 24 giờ của SCS Hoa K ...........9 Hình 1 6 Phạm vi áp d ng các loại đường quá trình mưa của SCS trên lãnh thổ Hoa K .........................................................................................................................................9 Hình 1 7 Biểu đồ mưa thiết kế xây d ng bằng phương pháp khối xen kẽ của Chow [3] .......................................................................................................................................10 Hình 1 8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác ................................................10 Hình 1.9 Các đường cong DDF của mưa lớn nh t thời đoạn ngắn tại trạm Phủ lý ....187 Hình 1.10 Các đường cong IDF của mưa lớn nh t tại Chicago, Hoa K [3] ................18 Hình 1.11 Phân bố mưa (in) thời k xu t hiện lại 2 năm, thời gian mưa 60 phút trên lãnh thổ Hoa K [38] .....................................................................................................24 Hình 1.12 Bản đồ đẳng trị tham số của phương trình lượng mưa lưu v c sông Tre Venezie (Ý)....................................................................................................................24 Hình 1.13 Bản đồ xác định khu v c áp d ng các công thức tính lượng mưa được thiết l p thuộc lưu v c sông Tre Venezie (Ý) .......................................................................25 Hình 1.14 Một ví d về đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung bình của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983) .......................................27 Hình 1.15 Bản đồ vị trí vùng Đồng bằng Bắc bộ ..........................................................33 Hình 1.16 Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn vùng ĐBBB ............................38 Hình 1.17 Bản đồ hệ thống thủy nông đồng bằng sông Hồng [51] ............................... 40 Hình 1 18 Sơ đồ nội dung nghiên cứu và cách tiếp c n...............................................44 Hình 2 1 Sơ đồ tiến trình xây d ng quan hệ DDF và IDF ............................................45 Hình 2.2 Quan hệ giữa lượng mưa và thời gian mưa ...................................................49 Hình 2 3 Đường quan hệ Hd được mô tả bởi phương trình (2-14) và (2-15) và những điểm th c nghiệm ..........................................................................................................50 Hình 2 4 Bản đồ các trạm đo mưa t ghi vùng ĐBBB..................................................52 Hình 2 5 Phương pháp nội suy IDW .............................................................................54 vi Hình 2 6 Sơ đồ khối tính toán l a chọn MHM tiêu cho lúa phù hợp nh t bằng phương pháp so sánh mô phỏng toàn liệt ...................................................................................57 Hình 2 7 Dòng chảy t ô ruộng vào kênh ....................................................................59 Hình 2 8 Sơ đồ khối tính hệ số tiêu thiết kế ..................................................................62 Hình 2 9 Sơ đồ khối mô phỏng hệ số tiêu q~t toàn liệt .................................................63 Hình 2 10 Sơ đồ một hệ thống tiêu hỗn hợp dân cư và nông nghiệp (TB: trạm bơm) .64 Hình 2 11 Sơ đồ khối tính toán dòng chảy cho lưu v c nghiên cứu ............................. 70 Hình 3 1 Quan hệ giữa lượng mưa và thời gian mưa trạm Phủ Lý .............................. 74 Hình 3 2 Đường cong H  d ứng với tần su t 10 % tính theo các công thức (2-13), ..82 Hình 3 3 Trích bản đồ hành chính khu v c tiêu trạm bơm Phủ Lý ............................... 85 Hình 3 4 Đường quá trình Q t .....................................................................................86 Hình 3 5 Đường tần su t Qmax  P .................................................................................86 Hình 3 9 Sơ đồ tính toán thủy l c trạm bơm Phủ Lý trong SWMM............................. 88 Hình 3 7 Đường quá trình H ~t tính toán và th c đo ...................................................90 Kết quả kiểm tra: Ngày 17/7/2017 – điểm đo tại Cống Quy Lưu .................................90 Hình 3 8 Đường quá trình H ~t tính toán và th c đo Kết quả kiểm tra: Ngày 20/7/2017 – điểm đo tại Cống Quy Lưu .........................................................................................92 Hình 3 9 Đường quá trình H ~t tính toán và th c đo) ..................................................92 Hình 3 10 Biểu đồ phân bố mưa 24h max năm 1990 trạm Phủ Lý ............................... 93 Hình 3 11 Đường Qt tại cửa ra của hệ thống ứng với mô hình mưa 24h max năm 1990 .......................................................................................................................................94 Hình 3 12 Mô phỏng dòng chảy trong một đoạn cống trên đường Quy Lưu(chạy với tr n mưa 24h max năm 1990) ........................................................................................94 Hình 3 13 Đường tần su t lưu lượng tiêu trạm bơm Phủ Lý t kết quả mô phỏng toàn liệt bằng SWMM ...........................................................................................................95 Hình 3 14a Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn 1h, 3h tần su t P = 10% ..............98 Hình 3 14b Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn 6h, 12h, 24h tần su t P = 10% ....99 Hình 3 14c Phân bố lượng mưa lớn nh t thời đoạn 3 ngày, 5 ngày tần su t P =10% ...99 Hình 3 15a Phân bố lượng mưa thời đoạn 1h max của các trạm ứng với P =10% ....100 Hình 3 15b Phân bố lượng mưa thời đoạn 3h max của các trạm ứng với P =10% .....101 vii Hình 3 15c Phân bố lượng mưa thời đoạn 6 h max của các trạm ứng với P =10% ....101 Hình 3 15d Phân bố lượng mưa thời đoạn 12h max của các trạm ứng với P =10% ...102 Hình 3 15e Phân bố lượng mưa thời đoạn 24 h max của các trạm ứng với P =10% ..102 Hình 3 15g Phân bố lượng mưa thời đoạn 3 ngày max của các trạm ứng với P =10% .....................................................................................................................................103 Hình 3 15h Phân bố lượng mưa thời đoạn 5 ngày max của các trạm ứng với P =10% .....................................................................................................................................103 Hình 3 16a Bản đồ đẳng trị tham số a1 của phương trình cường độ mưa với P =10% .....................................................................................................................................105 Hình 3 16b Bản đồ đẳng trị tham số a2 của phương trình cường độ mưa với P =10% .....................................................................................................................................105 Hình 3 16c Bản đồ đẳng trị tham số n1 của phương trình cường độ mưa với P =10% .....................................................................................................................................106 Hình 3 16d Bản đồ đẳng trị tham số n2 của phương trình cường độ mưa với P =10% .....................................................................................................................................106 Hình 3 17(a,b,c,d,e): Biểu đồ phân bố các tr n mưa điển hình 5 ngày max ...............111 Hình 3 18 Biểu đồ phân bố mưa 3 tr n mưa điển hình 3 ngày max ............................114 Hình 3 19 Giản đồ hệ số tiêu mô phỏng cho các tr n mưa thiết kế ............................115 Hình 3 20 Giản đồ hệ số tiêu mô phỏng cho các tr n mưa lớn nh t năm 1985 ..........116 Hình 3.21 Giản đồ hệ số tiêu mô phỏng cho các tr n mưa lớn nh t năm 1986 ..........116 Hình 3 22 Đường tần su t hệ số tiêu toàn liệt ứng với btràn3 = 0,35m/ha .................119 Hình 3 23 Mô hình mưa thiết kế 5 ngày max – Hà Nam ............................................121 Hình 3 24 Sơ đồ hệ thống tiêu vùng hỗn hợp trồng lúa và khu dân cư .......................123 Hình 3 25 Đường Q  t tại nút 12 ...............................................................................124 Hình 3 26 Đường Q  t tại nút 12 ...............................................................................124 Hình 3.27 Quan hệ giữa hệ số K và tỷ số l ................................................................127 Hình 3 28 Sơ đồ các loại m c nước trong hồ điều hoà ...............................................128 Hình 3.29 Quan hệ giữa hệ số K và tỷ số l trường hợp có kể hồ điều hòa ...............133 viii D NH ỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 1 Các hệ số trong phương trình (1-8) cho thời k xu t hiện lại 10 năm ..........19 tại một số địa phương ở Hoa K ...................................................................................19 Bảng 1 2 Bảng xác định chu k lặp lại tr n mưa tính toán P đối với các loại đô thị ....21 Bảng 1 3 Bảng kết quả nội suy tham số của phương trình lượng mưa một số khu v c thuộc lưu v c sông Tre Venezie, ứng với chu k lặp lại T = 50 năm ...........................25 Bảng 1 4 Phân bố diện tích vùng đồng bằng Bắc Bộ theo cao độ [18] .........................34 Bảng 1 5 S thay đổi các yếu tố giữa Quy hoạch 2012 [58] với quy hoạch năm 2016 [57] .......................................................................................................................................36 Bảng 1 6 Thống kê các trạm đo mưa t ghi vùng đồng bằng Bắc Bộ ..........................38 Bảng 1 7 Tổng hợp hiện trạng công trình tiêu đồng bằng sông Hồng [50] ...................41 Bảng 2 1 Kết quả kiểm tra 2 cho lượng mưa 120h max trạm Nam Định ...................48 Bảng 2 4 Hệ số phân bố mưa rào n (ph l c B2 của TCVN 7957: 2008).....................52 Bảng 3 1 Lượng mưa lớn nh t (mm) tương ứng với các thời đoạn và thời gian xu t hiện lại (T) hay tần su t (P) của trạm Phủ Lý ............................................................... 73 Bảng 3 2 Phương trình biểu thị quan hệ H  d của các trạm ứng với T = 2 năm .........75 Bảng 3 3 Phương trình biểu thị quan hệ H  d của các trạm ứng với T = 5 năm .........75 Bảng 3 4 Phương trình biểu thị quan hệ H  d của các trạm ứng với T = 10 năm .......76 Bảng 3 5 Phương trình biểu thị quan hệ H d của các trạm ứng với T = 20 năm ........77 Bảng 3 6 Phương trình biểu thị quan hệ I d của các trạm ứng với T = 2 năm ............78 Bảng 3 7 Tổng hợp các tham số của phương trình I = a dn-1 ứng với T = 2 năm .........78 Bảng 3 8 Phương trình biểu thị quan hệ I d của các trạm ứng với T = 5 năm ............79 Bảng 3 9 Tổng hợp các tham số của phương trình I = a dn-1 ứng với T = 5 năm .........79 Bảng 3 10 Phương trình biểu thị quan hệ I  d của các trạm ứng với T = 10 năm .......80 Bảng 3 11 Tổng hợp các tham số của phương trình I = a dn-1 ứng với T = 10 năm ......80 Bảng 3 12 Phương trình biểu thị quan hệ I  d của các trạm ứng với T = 20 năm ......81 Bảng 3 13 Tổng hợp các tham số của phương trình I = a dn1-1 ứng với T = 20 năm ....81 Bảng 3 14 So sánh kết quả tính lượng mưa thời đoạn ngắn theo các công thức ứng với chu k lặp lại 10 năm của trạm Phủ Lý .........................................................................83 Bảng 3.15 Tổng hợp s thay đổi của các tham số a, n theo các chu k lặp lại .............84 ix Bảng 3 16 Bảng thống kê thông số diện tích các tiểu khu tiêu .....................................88 Bảng 3 17 Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và th c đo ....................................91 Bảng 3 18 Bảng đánh giá sai số quá trình tính toán và th c đo ....................................93 Bảng 3 19 Tổng hợp kết quả tính lưu lượng tiêu hệ thống trạm bơm Phủ Lý .............96 Bảng 3.20 Bảng tổng hợp lượng mưa - thời gian của 15 trạm (tần su t P = 10 %) .....98 Bảng 3 21 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ nh t ..............................108 Bảng 3 22 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ hai ................................108 Bảng 3 23 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ ba .................................109 Bảng 3 24 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ tư ..................................109 Bảng 3 25 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ năm ..............................109 Bảng 3 26 Bảng tổng hợp các tr n mưa điển hình ......................................................110 Bảng 3 27 Phân bố mưa 5 ngày max sau khi thu phóng .............................................110 Bảng 3 28 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ nh t ..............................112 Bảng 3 30 Tổng hợp các tr n mưa có đỉnh rơi vào ngày thứ ba .................................113 Bảng 3 31 Bảng tổng hợp 3 tr n mưa điển hình 3 ngày max ......................................113 Bảng 3 32 Phân bố mưa 3 ngày max sau khi thu phóng .............................................113 Bảng 3 33 Bảng tổng hợp kết quả tính hệ số tiêu thiết kế và btràn tương ứng .............116 Bảng 3 34 Kết quả tính hệ số tiêu toàn liệt lớn nh t ứng với btrànmax ..........................117 (của các mô hình mưa 5 ngày max) .............................................................................117 Bảng 3 35 Kết quả tính hệ số tiêu toàn liệt lớn nh t ứng với btrànmax ..........................118 (của các mô hình mưa 3 ngày max) .............................................................................118 Bảng 3 36 Bảng tổng hợp kết quả xác định hệ số tiêu toàn liệt qtlP ............................120 Bảng 3 37 Bảng tổng hợp kết quả xác định chỉ số sai số tương đối q .......................120 Bảng 3 38 Mô hình mưa thiết kế 5 ngày max – Hà Nam ............................................121 Bảng 3 39 Bảng tổng hợp diện tích khu tiêu của HT theo các phương án khác nhau 123 Bảng 3 41 Bảng tổng hợp kết quả tính lưu lượng tiêu theo mô hình mưa ngày .........126 Bảng 3 42 Bảng tổng hợp kết quả tính hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu .....................127 Bảng 3 43 Bảng tổng hợp kết quả tính Qh có kể hồ điều bằng SWMM .....................130 Bảng 3 44 Bảng tổng hợp kết quả tính Qh có kể hồ điều hòa (TCVN 10406) x 131 D NH ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ARF Areal Reduction Factor of rainfall (hệ số phân bố mưa rào) DDF Depth - Duration – Frequency (Quan hệ lượng mưa - thời gian mưa - tần su t) ĐBBB Đồng bằng Bắc Bộ ĐHTL Đại học Thủy lợi IDF Intensity - Duration - Frequency (Quan hệ Cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t) KTTV Khí tượng thủy văn Max Lớn nh t MHM Mô hình mưa Min Nhỏ nh t MN M c nước NBD Nước biển dâng NN Nông nghiệp NN&PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn PL Ph l c TB Trạm bơm TCC Tái cơ c u TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam xi ỞĐ U 1. Tính cấp thiết củ tài Việt Nam là một trong những nước nằm trong vùng nhiệt đới chịu tác động mạnh mẽ của các hình thái thời tiết gây mưa lớn, lượng mưa phân bố không đều theo không gian và thời gian Lũ l t, ng p úng là mối đe doạ thường xuyên đối với các vùng dân cư nằm ở hạ lưu các sông lớn đặc biệt là vùng đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Biến đổi khí h u đã làm cho s gia tăng các tr n mưa với cường độ nặng hơn nhiều trong những năm gần đây cùng với quá trình công nghiệp, đô thị hoá ngày càng tăng khiến cho việc tiêu thoát ngày càng khó khăn do hệ số tiêu cho nông nghiệp, dân cư, đô thị đều tăng Trong công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu, một trong những nội dung quan trọng là xác định mô hình mưa thiết kế và tính toán lưu lượng tiêu thiết kế Tuy đã có nhiều nghiên cứu về v n đề này nhưng vẫn còn có một số tồn tại như: i) Đối với vùng đô thị hay dân cư t p trung hiện nay vẫn dùng công thức cường độ giới hạn để tính lưu lượng tiêu thiết kế (Q = q.C.F), trong đó công thức tính cường độ mưa (q) được xây d ng trên cơ sở bộ số liệu trước đây do đó cần c p nh t, cải tiến với bộ số liệu mới nhằm tăng tính chính xác cho kết quả tính toán ii) Trong TCVN 7957:2008, các hằng số khí h u trong công thức [q=A(1+ClogP)/(t+b)n] chỉ cho biết tại các vị trí có trạm đo, những vùng xa trạm đo vẫn sử d ng tham số của trạm gần nh t, như v y không x t đến s biến đổi của lượng mưa theo không gian Ví d khi tính toán thiết kế cho hệ thống tiêu của huyện Phú Xuyên, Hà Nội mà dùng số liệu mưa của trạm Phủ Lý sẽ khó đảm bảo độ chính xác iii) Hiện nay trong tính toán hệ số tiêu cho lúa, mô hình mưa được xác định theo phương pháp thu phóng tr n mưa điển hình thường dẫn đến kết quả hệ số lưu lượng tiêu lớn hơn hoặc nhỏ hơn ứng với tần su t thiết kế vì phân bố của tr n mưa thiết kế ph thuộc vào phân bố của tr n mưa điển hình, trong khi tr n mưa điển hình được chọn thường d a trên tổng lượng mưa của cả tr n 1 iv) Tính toán lưu lượng tiêu thiết kế có ý nghĩa kinh tế, kỹ thu t lớn vì nó quyết định đến quy mô hệ thống, năng l c, hiệu quả làm việc của các công trình trong hệ thống tiêu, quyết định tr c tiếp đến chi phí giá thành của các công trình tiêu cũng như cả hệ thống tiêu Các vùng tiêu ở đồng bằng Bắc Bộ đại đa số là vùng tiêu hỗn hợp cả nông nghiệp và dân cư, đô thị Tuy nhiên việc chọn mô hình mưa ngày để xác định tr n mưa thiết kế cho các hệ thống tiêu nông nghiệp và đô thị hỗn hợp sẽ dẫn đến kết quả tính toán lưu lượng tiêu thiết kế của các công trình tiêu như kênh, cống, trạm bơm thiên nhỏ và không đảm bảo an toàn chống ng p l t nếu như có đoạn kênh tiêu đi qua khu dân cư hay bờ kênh kết hợp đường giao thông mà có yêu cầu mưa giờ nào tiêu hết giờ đó, ví d như kênh tiêu chính của: trạm bơm Hữu Hòa huyện Thanh Trì, trạm bơm Thạc Quả huyện Đông Anh, trạm bơm Phù Đổng huyện Gia Lâm; trạm bơm Lạc Tràng ở Phủ Lý, Hà Nam và nhiều hệ thống tiêu khác thuộc vùng ĐBBB Chính vì v y, việc thiết l p mối quan hệ giữa lưu lượng tiêu tính theo mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày cho các hệ thống tiêu nông nghiệp và đô thị hỗn hợp làm cơ sở xác định lưu lượng tiêu thiết kế ứng với mô hình mưa giờ của các công trình tiêu khi biết lưu lượng tiêu thiết kế tính theo mô hình mưa ngày là r t cần thiết trong th c tiễn hiện nay khi tốc độ đô thị hóa tăng nhanh cùng với s chuyển đổi sử d ng đ t của các hệ thống luôn biến động Ngoài ra, để thu n tiện cho việc xác định mô hình mưa tiêu thiết kế cho các tiểu vùng trong khu v c đồng bằng Bắc Bộ, việc xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế ứng với các thời gian mưa và tần su t khác nhau và chuẩn hóa các mô hình mưa thiết kế dùng chung cho các tiểu vùng để tính toán lưu lượng tiêu thiết kế ph c v cho công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu là r t cần thiết Với những lý do đã nêu ở trên, đề tài: “Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ” được đề xu t nghiên cứu 2. ục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa tiêu thiết kế và lưu lượng tiêu thiết kế nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả tính toán lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mưa tiêu thiết kế và lưu lượng tiêu thiết kế. - Phạm vi nghiên cứu: Vùng đồng bằng Bắc Bộ 4. Nội dung nghiên cứu i) Nghiên cứu xây d ng quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) và quan hệ cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t (IDF) d a trên tài liệu mưa giờ được c p nh t mới nh t, nhằm nâng cao độ chính xác khi xác định lưu lượng thiết kế của các hệ thống tiêu ii) Nghiên cứu xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa và bản đồ đẳng trị các tham số của công thức cường độ mưa nhằm nội suy không gian, xác định lượng mưa và cường độ mưa tại những vị trí không có trạm đo mưa iii) Nghiên cứu đề xu t phương pháp và l a chọn mô hình mưa tiêu thiết kế hợp lý bằng phương pháp mô phỏng toàn liệt các tr n mưa đã xảy ra trong th c tế để tính toán chế độ tiêu và lưu lượng tiêu thiết kế cho các vùng trồng lúa ở ĐBBB Ứng d ng cho khu v c Hà Nam iv) Nghiên cứu thiết l p hệ số hiệu chỉnh lưu lượng thiết kế cho các hệ thống tiêu của vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp, dân cư đô thị t mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp kế th a có chọn lọc những kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về những v n đề có liên quan đến đề tài - Phương pháp thu th p tài liệu và phân tích thống kê nhằm tổng hợp, đánh giá biến động của mưa theo không gian và thời gian; khảo sát và nghiên cứu th c tế, t đó rút ra các cơ sở khoa học cho việc l a chọn phương pháp th c hiện. - Phương pháp phân tích tương quan và hồi quy th c nghiệm để xây d ng quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) và quan hệ cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t (IDF). 3 - Phương pháp mô hình, mô phỏng để l a chọn xác định mô hình mưa tiêu thiết kế và tính lưu lượng tiêu thiết kế đồng thời đánh giá khả năng ứng d ng kết quả nghiên cứu của lu n án vào th c tiễn. 6. Ý nghĩ kho học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học - Lu n án đã góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học và phương pháp lu n xác định cường độ mưa thiết kế để tính toán lưu lượng thiết kế của các hệ thống thoát nước mưa khu dân cư, đô thị vùng đồng bằng Bắc Bộ. - Lu n án đã cung c p cơ sở khoa học để l a chọn mô hình mưa thiết kế hợp lý tính toán hệ số tiêu cho lúa vùng đồng bằng Bắc Bộ. - Lu n án đã bổ sung phương pháp xác định nhanh lưu lượng tiêu thiết kế ứng với mô hình mưa giờ cho các hệ thống tiêu hỗn hợp khi biết hệ số tiêu tính theo mô hình mưa ngày ph c v bài toán quy hoạch, thiết kế sơ bộ hệ thống tiêu b) Ý nghĩa th c tiễn - Kết quả nghiên cứu của lu n án có thể được ứng d ng trong công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu thoát nước mưa khu v c dân cư, đô thị và hệ thống tiêu nông nghiệp – dân cư vùng đồng bằng Bắc Bộ - Sử d ng các bản đồ đẳng trị mưa để xác định lượng mưa tại các vị trí không có trạm đo mưa sẽ khắc ph c được hạn chế hiện nay khi tính toán quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ 7. Cấu trúc luận án Ngoài phần Mở đầu, Kết lu n và kiến nghị, lu n án được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo lu n 4 CHƯ NG 1 TỔNG QU N 1.1 Tổng qu n v mô hình mư tiêu thiết kế 1.1.1 Khái niệm về mô hình mưa tiêu thiết kế Mô hình mưa tiêu thiết kế là một mô hình mưa ứng với tần su t thiết kế được xác định dùng để thiết kế một hệ thống tiêu nào đó Mô hình tr n mưa tiêu thiết kế bao gồm: thời gian mưa; tổng lượng mưa của cả tr n mưa tương ứng với tần su t thiết kế và phân bố mưa theo thời gian của tr n mưa tương ứng với tần su t thiết kế Mưa thiết kế được tính toán xác định d a trên cơ sở các số liệu đo đạc về mưa trong nhiều năm tại một địa điểm hoặc d a theo các đặc tính chung của mưa trong các vùng lân c n, hoặc được xác định bằng bản đồ đường đẳng trị lượng mưa, một mô hình biểu thị phân bố của mưa trong không gian Phạm vi ứng d ng của mưa thiết kế r t rộng lớn t việc sử d ng giá trị mưa điểm để xác định lưu lượng đỉnh trong hệ thống tiêu nước cho đến dùng đường quá trình mưa thiết kế làm đầu vào cho các mô hình phân tích mưa rào –dòng chảy của các khu v c ngăn nước mưa cho các khu dân cư, đô thị hoặc là cơ sở để đề ra các giải pháp cải tạo, nâng c p hay thiết kế các hệ thống tiêu Một điểm quan trọng trong xác định mưa thiết kế là độ sâu mưa thiết kế (hay còn gọi là lượng mưa) hoặc cường độ mưa Độ sâu mưa thiết kế là độ sâu lớp nước mưa trong một khoảng thời gian mưa nào đó Đơn vị đo độ sâu mưa thường tính bằng mm hoặc inches (in) Độ sâu mưa thiết kế có thể là độ sâu mưa điểm hoặc độ sâu mưa diện Mưa điểm là mưa xu t hiện tại một điểm đơn độc trong không gian, nó đối l p với mưa diện là mưa xu t hiện trên một vùng nào đó Trong lu n án, để thống nh t ký hiệu: lượng mưa được ký hiệu là H (mm); cường độ mưa được ký hiệu là I (mm/h hoặc mm/phút); thời gian mưa được ký hiệu là d (giờ hoặc phút) 5 1.1.2 Các nghiên cứu về xác định mô hình mưa tiêu thiết kế Phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế (Design storm) đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả trên thế giới, hiện nay được chia thành ba nhóm: i) Xác định mô hình mưa thiết kế d a vào phân bố mưa của tr n mưa điển hình đã xảy ra trong th c tế; ii) Mô hình mưa thiết kế được xác định d a vào quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) và cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t (IDF); iii) L a chọn mô hình mưa thiết kế d a vào mô phỏng toàn liệt các tr n mưa đã xảy ra trong th c tế 1.1.2.1 Nhóm phương pháp thứ nhất Xác định mô hình mưa thiết kế d a vào phân bố mưa của tr n mưa điển hình đã xảy ra trong th c tế Gồm các nghiên cứu điển hình như: Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967), đã xây d ng một mô hình mưa thiết kế dạng phân bố theo thời gian cho vùng Illinois[1] Yen và Chow (1980) đã đề xu t một mô hình mưa dạng tam giác cho bốn vùng của Mỹ là: Illinois; Massachusetts; New Jersey và California[2]; Cơ quan bảo vệ đ t Hoa K (SCS, 1986) đã xây d ng 04 mô hình mưa thiết kế không thứ nguyên với thời gian mưa 6 giờ và 24 giờ và phân vùng sử d ng các mô hình mưa đó cho toàn lãnh thổ Hoa K [3]; Ngoài ra, còn có một số phương pháp xác định mưa thiết kế khác như của Petrovic (1998) [4], Peyron (2002)[5]...Nhóm phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế này có ưu điểm là: dạng phân bố của mưa gần giống với các tr n mưa đã xảy ra trong th c tế Tuy nhiên cũng có mặt hạn chế đó là chưa có tiêu chí c thể để nh n dạng tr n mưa điển hình; đồng thời kết quả ph thuộc vào chủ quan người tính toán xác định, m t nhiều thời gian Như v y muốn chọn được mô hình tr n mưa điển hình phù hợp với điều kiện c thể của t ng vùng đòi hỏi phải phân tích kỹ số liệu thống kê để xác định được dạng mô hình thường gặp (có tần su t xu t hiện lớn nh t) 1.1.2.2 Nhóm phương pháp thứ hai Mô hình mưa thiết kế được xác định d a vào quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t (DDF) và cường độ mưa – thời gian mưa – tần su t (IDF) điển hình như: Chow (1988) đã đề xu t mô hình mưa khối xen kẽ d a trên mối quan hệ lượng mưa-thời gian mưa-tần su t [3]; Keifer và Chu (1957) đã đề xu t một một mô hình mưa giả tưởng để thiết kế hệ thống thoát nước ở Chicago[6]... Ưu điểm của phương pháp này là các mô hình mưa thiết kế được xác định nhanh thông qua kết quả quan hệ DDF và IDF Tuy nhiên cũng có nhược điểm đó là dạng phân bố của mô hình mưa không giống tr n mưa th c tế 6 1.1.2.3 Nhóm phương pháp thứ ba Cơ sở của phương pháp l a chọn mô hình mưa thiết kế thích hợp nh t d a trên kết quả mô phỏng mưa toàn liệt các tr n mưa xảy ra trong quá khứ, điển hình như: Cao (1993)[7]; Despotovic (1996)[8]; Alfieri (2007) [9] và Nguyễn Tu n Anh (2012) [17] với nguyên tắc là: mô hình mưa tiêu thiết kế được gọi là thích hợp nh t khi nó tạo ra dòng chảy lớn nh t xác định được t phân tích tần su t liệt dòng chảy đo đạc hoặc liệt dòng chảy mô phỏng t các tr n mưa đã đo đạc. Ưu điểm của phương pháp là qua mô phỏng toàn liệt sẽ l a chọn được mô hình mưa tốt nh t là mô hình mưa tạo ra dòng chảy có tần su t xu t hiện sát nh t với tần su t thiết kế của tr n mưa đã xảy ra trong quá khứ Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là khối lượng tính toán lớn do đó m t nhiều thời gian Dưới đây lu n án giới thiệu chi tiết một số phương pháp xác định mô hình mưa hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay: Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967) [1]: Huff thiết l p các quan hệ phân bố theo thời gian của các tr n mưa rào lớn trên các diện tích rộng tới 400 mi2 tại Illinois Mô hình phân bố theo thời gian được xây d ng cho 4 nhóm xác su t, t nhóm mưa c c đoan nh t (nhóm thứ nh t) đến nhóm mưa ít c c đoan nh t (nhóm thứ tư) Hình 1.1 trình bày phân bố xác su t của các tr n mưa rào thuộc nhóm đầu tiên (nhóm mưa c c đoan nh t) Đó là những đường cong trơn chu, chúng phản ánh phân bố theo thời gian của lượng mưa trung bình và không thể hiện được các đặc tính thay đổi g p của các tr n mưa rào th c tế. Số phần trăm tổng lượng mưaa 100 90 10 % 20 % 30 % 4050 % 60 % 70 % % 80 % 90 % 80 70 60 50 X¸c suÊt 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần trăm tích lũy thời gian mưa 00 Hình 1 1 Phân bố xác su t của các tr n mưa nhóm thứ nh t tại Illinois[1] 7