Luận án 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

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. 201 trang · Đại học Thủy lợi.

• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Đề tài: Cải Tiến Phương Pháp Xác Định Mô Hình Mưa Và Lưu Lượng Cho Hệ Thống Tiêu Đồng Bằng Bắc Bộ
• Loại tài liệu: luận án

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về mô hình mưa tiêu thiết kế
• 1.1.1. Khái niệm về mô hình mưa tiêu thiết kế
• 1.1.2. Các nghiên cứu về xác định mô hình mưa tiêu thiết kế
• 1.1.3. Các nghiên cứu xác định mô hình mưa tiêu thiết kế ở Việt Nam
• 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần suất (DDF) và quan hệ cường độ mưa-thời gian mưa-tần suất (IDF)
• 1.2.1. Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần suất
• 1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần suất
• 1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu về xây dựng bản đồ đẳng trị mưa
• 1.2.4. Tổng quan các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế và hệ số hiệu chỉnh lưu lượng theo bước thời gian mưa
• 1.2.4.1. Các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các khu vực dân cư, đô thị
• 1.2.4.2. Các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các vùng nông nghiệp và hỗn hợp dân cư, nông nghiệp
• 1.3. Giới thiệu về đồng bằng Bắc Bộ
• 1.3.1. Điều kiện tự nhiên vùng đồng bằng Bắc Bộ
• 1.3.2. Phát triển kinh tế xã hội trong vùng
• 1.3.3. Tình hình đo mưa trong khu vực
• 1.3.4. Tình hình tiêu nước trong khu vực
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH MƯA VÀ LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG TIÊU
• 2.1. Phương pháp xây dựng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần suất và (DDF) quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần suất (IDF) thời đoạn ngắn, từ đó thiết lập công thức tính cường độ mưa cho các trạm đo mưa tự ghi
• 2.1.1. Phương pháp xây dựng quan hệ lượng mưa – thời gian – tần suất
• 2.1.2. Thiết lập công thức tính cường độ mưa (quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần suất) cho các trạm đo mưa tự ghi
• 2.2. Phương pháp xây dựng các bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế tương ứng với thời gian mưa và tần suất khác nhau cho vùng Đồng bằng Bắc bộ
• 2.2.1. Lựa chọn phần mềm vẽ bản đồ
• 2.2.2. Lựa chọn phương pháp nội suy trong phần mềm
• 2.3. Phương pháp mới đề xuất về lựa chọn mô hình mưa tiêu thiết kế phù hợp nhất cho các khu vực trồng lúa vùng đồng bằng Bắc Bộ bằng mô phỏng toàn diện các trận mưa đã xảy ra trong thực tế
• 2.3.1. Giới thiệu phương pháp
• 2.3.2. Xây dựng các mô hình mưa điển hình
• 2.3.3. Phương pháp tính toán hệ số tiêu cho lúa
• 2.4. Phương pháp xây dựng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu thiết kế từ mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày cho vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp và dân cư đô thị
• 2.4.1. Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo mô hình SWMM
• 2.4.2. Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo TCVN 10406:2015
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả xây dựng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần suất (DDF) và quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần suất (IDF)
• 3.1.1. Kết quả xây dựng quan hệ DDF
• 3.1.2. Đánh giá khả năng ứng dụng của công thức tính cường độ mưa đã thiết lập
• 3.2. Kết quả xây dựng các bản đồ đẳng trị mưa thời đoạn ngắn ứng với tần suất thiết kế P = 10% cho vùng đồng bằng Bắc bộ
• 3.2.1. Kết quả xây dựng các bản đồ đẳng trị lượng mưa ứng với tần suất P = 10%
• 3.2.2. Kết quả xây dựng các bản đồ đẳng trị tham số của phương trình cường độ mưa ứng với tần suất P = 10%
• 3.3. Kết quả xác định mô hình mưa thiết kế hợp lý cho vùng trồng lúa ứng dụng cho khu vực Hà Nam
• 3.3.1. Tính toán và vẽ đường tần suất
• 3.3.2. Kết quả lựa chọn các trận mưa điển hình
• 3.3.3. Kết quả lựa chọn trận mưa thiết kế
• 3.3.4. Kết quả xây dựng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng cho vùng tiêu hỗn hợp
• 3.3.4.1. Thiết lập các thông số giả định của hệ thống
• 3.3.4.2. Xây dựng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng trong trường hợp chưa xét đến ảnh hưởng của hồ điều hòa trong hệ thống
• 3.3.4.3. Xây dựng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng có xét đến ảnh hưởng của hồ điều hòa
• 3.5. Kết luận chương 3
• DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề 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, dẫn đến lũ lụt và ngập úng, đặc biệt tại các vùng đồng bằng như đồng bằng Sông Hồng. Biến đổi khí hậu đã làm gia tăng tần suất và cường độ mưa, gây khó khăn trong việc tiêu thoát nước. Việc xác định mô hình mưa và tính toán lưu lượng nước cho các hệ thống tiêu là rất quan trọng. Tuy đã có nhiều nghiên cứu, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề như việc sử dụng công thức cường độ giới hạn không còn phù hợp với dữ liệu mới. Điều này dẫn đến việc cần cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu tại vùng đồng bằng Bắc Bộ.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế nhằm nâng cao độ chính xác trong tính toán cho các hệ thống tiêu tại vùng đồng bằng Bắc Bộ. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc xây dựng quan hệ giữa lượng mưa, thời gian mưa và tần suất (DDF), cũng như quan hệ cường độ mưa, thời gian mưa và tần suất (IDF). Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng sẽ xây dựng các bản đồ đẳng trị lượng mưa và các tham số của công thức cường độ mưa, nhằm nội suy không gian và xác định lượng mưa tại những vị trí không có trạm đo. Việc này sẽ giúp cải thiện độ chính xác trong tính toán lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu hỗn hợp nông nghiệp và đô thị.

III. Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm bốn phần chính. Đầu tiên, nghiên cứu sẽ xây dựng quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần suất (DDF) và quan hệ cường độ mưa – thời gian mưa – tần suất (IDF) dựa trên tài liệu mưa mới nhất. Thứ hai, nghiên cứu sẽ xây dựng các bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế và các tham số của công thức cường độ mưa. Thứ ba, nghiên cứu sẽ đề xuất phương pháp và lựa chọn mô hình mưa tiêu thiết kế hợp lý bằng phương pháp mô phỏng toàn diện các trận mưa đã xảy ra. Cuối cùng, nghiên cứu sẽ thiết lập hệ số hiệu chỉnh lưu lượng thiết kế cho các hệ thống tiêu hỗn hợp nông nghiệp và đô thị, từ đó giúp cải thiện tính chính xác trong quy hoạch và thiết kế hệ thống tiêu.

IV. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc kế thừa và chọn lọc các kết quả nghiên cứu trước đó, thu thập tài liệu và phân tích thống kê để đánh giá biến động của mưa theo không gian và thời gian. Phương pháp phân tích tương quan và hồi quy thực nghiệm sẽ được sử dụng để xây dựng quan hệ DDF và IDF. Ngoài ra, phương pháp mô hình và mô phỏng sẽ được áp dụng để xác định mô hình mưa tiêu thiết kế và tính toán lưu lượng tiêu thiết kế. Kết quả nghiên cứu sẽ được đánh giá khả năng ứng dụng vào thực tiễn, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc quy hoạch và thiết kế hệ thống tiêu.

V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học quan trọng, góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết và phương pháp xác định cường độ mưa thiết kế. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn mô hình mưa thiết kế hợp lý, từ đó tính toán hệ số tiêu cho lúa tại vùng đồng bằng Bắc Bộ. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong công tác quy hoạch và thiết kế các hệ thống tiêu thoát nước, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn cho các công trình tiêu trong bối cảnh biến đổi khí hậu và đô thị hóa ngày càng gia tăng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công tác quy hoạch và thiết kế hệ thống tiêu thoát nước mặt tại vùng Đồng bằng Bắc Bộ (ĐBBB) giữ vai trò then chốt trong việc bảo vệ sản xuất nông nghiệp và ổn định đời sống dân sinh trước tác động của biến đổi khí hậu và quá trình đô thị hóa. Tuy nhiên, thực tiễn tính toán thủy văn và thủy lực tiêu thoát nước hiện nay bộc lộ một số tồn tại kỹ thuật chủ yếu:

• Thứ nhất, công thức cường độ giới hạn ($Q = q \cdot F$) áp dụng cho khu vực đô thị và dân cư tập trung dựa trên công thức cường độ mưa $q = \frac{A(1 + C \lg P)}{(t + b)^n}$ theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008, trong đó các tham số khí hậu được xác lập từ chuỗi số liệu cũ, chưa cập nhật diễn biến mưa cực đoan trong những năm gần đây.
• Thứ hai, tiêu chuẩn hiện hành chỉ cung cấp tham số tại các vị trí trạm đo cố định; các khu vực nằm xa trạm đo phải mượn tham số của trạm lân cận (ví dụ khu vực huyện Phú Xuyên, Hà Nội phải sử dụng chuỗi số liệu trạm Phủ Lý), dẫn đến việc bỏ qua sự biến đổi theo không gian của trường mưa.
• Thứ ba, trong tính toán hệ số tiêu cho lúa, việc sử dụng phương pháp thu phóng trận mưa điển hình theo tài liệu mưa ngày thường phụ thuộc vào dạng phân bố của trận mưa điển hình được chọn theo tổng lượng mưa; các trận mưa này thường không phản ánh được cường độ mưa đỉnh lớn, dẫn đến hệ số tiêu tính toán có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với giá trị ứng với tần suất thiết kế.
• Thứ tư, phần lớn các hệ thống tiêu vùng ĐBBB là hệ thống hỗn hợp (nông nghiệp kết hợp dân cư, đô thị). Việc sử dụng mô hình mưa ngày để thiết kế cho các hệ thống tiêu hỗn hợp làm cho lưu lượng thiết kế của các công trình (kênh, cống, trạm bơm) thiên nhỏ, không đáp ứng yêu cầu an toàn thoát nước cục bộ cho các đoạn kênh đi qua khu dân cư hoặc bờ kênh kết hợp giao thông có yêu cầu tiêu thoát nhanh theo giờ (như lưu vực trạm bơm Hữu Hòa, Thạc Quả, Phù Đổng, Lạc Tràng).

Nhằm khắc phục các hạn chế trên, đề tài luận án được xác định là: "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".

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

• 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mưa tiêu thiết kế và lưu lượng tiêu thiết kế của các hệ thống tiêu thoát nước.
• Phạm vi nghiên cứu: Vùng Đồng bằng Bắc Bộ gồm 10 tỉnh, thành phố (Hà Nội, Hải Phòng, Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình). Luận án sử dụng chuỗi số liệu quan trắc mưa giờ của 15 trạm đo mưa tự ghi có số năm quan trắc dài trong khu vực.

Cấu trúc của luận án: Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, luận án được kết cấu thành 3 chương:

• Chương 1: Tổng quan.
• Chương 2: Xây dựng phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng thiết kế cho hệ thống tiêu.
• Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và phân loại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các hợp phần chuyên môn chính:

1. Về phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế:

• Nhóm phương pháp dựa vào phân bố của trận mưa điển hình thực tế: Tiêu biểu gồm nghiên cứu của Huff (1967) phân chia phân bố thời gian mưa thành 4 nhóm xác suất tại Illinois; Yen và Chow (1980) đề xuất mô hình mưa tam giác cho 4 vùng tại Hoa Kỳ; Cơ quan Bảo vệ Đất Hoa Kỳ (SCS, 1986) thiết lập 4 dạng đường phân bố tích lũy không thứ nguyên (loại I, IA, II, III) cho thời đoạn 6 giờ và 24 giờ; cùng các công trình của Petrovic (1998), Peyron (2002).
• Nhóm phương pháp dựa vào quan hệ lượng mưa - thời gian mưa - tần suất (DDF) và cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất (IDF): Chow (1988) phát triển mô hình mưa khối xen kẽ (Alternating Block Method); Keifer và Chu (1957) đề xuất mô hình mưa tổng hợp áp dụng cho hệ thống thoát nước Chicago.
• Nhóm phương pháp lựa chọn mô hình mưa qua mô phỏng toàn liệt các trận mưa thực tế trong quá khứ: Được phát triển bởi Cao (1993), Despotovic (1996), Alfieri (2007) và Nguyễn Tuấn Anh (2012, 2015). Nguyên tắc cốt lõi là lựa chọn mô hình mưa thiết kế tạo ra dòng chảy có giá trị đỉnh hoặc tổng lượng sát nhất với phân tích tần suất chuỗi dòng chảy thực đo hoặc chuỗi dòng chảy mô phỏng toàn liệt.
• Các nghiên cứu tại Việt Nam: Phương pháp truyền thống thu phóng trận mưa điển hình (theo 3 tỷ số hoặc cùng 1 tỷ số); Trịnh Kim Sinh (2009) nghiên cứu phân bố mưa 5 ngày max có đỉnh ngày thứ 3 hoặc thứ 4 tại Hà Nam; Bùi Nam Sách (2000) kiến nghị chọn mưa 5 ngày max đỉnh ngày 2 hoặc 3 cho nông nghiệp và đề xuất áp dụng mưa giờ cho đô thị; Nguyễn Mạnh Hùng (2010) và Lã Thanh Hà (2011) ứng dụng phương pháp khối xen kẽ cho trạm Láng và trạm Nam Định.

2. Về quan hệ DDF, IDF và công thức cường độ mưa:

• Các nghiên cứu quốc tế của Paolo Burlando và Renzo Rosso (1995), Chen C. L. (1983), Wenzel (1982), El-sayed (2011) về đường cong DDF/IDF và công thức dạng lũy thừa $I = a \cdot d^{n-1}$.
• Các công thức kinh nghiệm tính cường độ mưa: Phương pháp cường độ giới hạn của Gorbatrep (1920), Viện Thủy văn Liên Xô cũ (1941), Sherman (1931), Bernard (1932), Rayhonda (Đức), Pomianowski (Ba Lan); ở Việt Nam có công thức theo TCVN 7957:2008, công thức của Viện Thiết kế Bộ Giao thông, công thức Cục Thủy văn của Trần Việt Liễn (1979) và công thức của Trần Hữu Uyển (1973).

3. Về xây dựng bản đồ đẳng trị lượng mưa:

• Trên thế giới: Hershfield (1961) xây dựng bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế từ 30 phút đến 24 giờ cho Hoa Kỳ; Sổ tay Thiết kế Thoát nước Italy (1995) công bố bản đồ đẳng trị tham số $a, n$ cho lưu vực sông Tre Venezie.
• Tại Việt Nam: Trần Thanh Xuân (2007) lập bản đồ đẳng trị mưa năm trung bình nhiều năm toàn quốc; Đặng Quốc Dũng (2015) dùng GIS và phép nội suy Spline xây dựng bản đồ mưa hồ Dầu Tiếng; Doãn Thị Nội (2016) áp dụng ArcGIS với phương pháp nội suy IDW cho Bắc Kạn và Lạng Sơn.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Các nghiên cứu trước đây chưa thiết lập hệ thống bản đồ đẳng trị tham số mưa thời đoạn ngắn phục vụ tra cứu nhanh cho các vị trí không có trạm đo tại ĐBBB; chưa áp dụng phương pháp mô phỏng toàn liệt chuỗi mưa thực tế để chuẩn hóa mô hình mưa thiết kế chuyên biệt cho vùng trồng lúa; và chưa lượng hóa hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu $K$ giữa mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày cho vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp - đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết, khái niệm và khung phân tích:

• Cơ sở lý thuyết quan hệ DDF và IDF: Thiết lập hàm phân bố thống kê (như phân bố Gumbel, Pearson loại III) cho lượng mưa cực đại các thời đoạn ngắn ($1\text{h}, 3\text{h}, 6\text{h}, 12\text{h}, 24\text{h}$) và ngoại suy công thức cường độ mưa $I = a \cdot d^{n-1}$ hoặc dạng $q = \frac{A(1 + C \lg P)}{(t + b)^n}$.
• Cơ sở cân bằng nước mặt ruộng và tiêu nước nông nghiệp: Phương trình cân bằng nước trên mặt ruộng kết hợp phương trình thủy lực dòng chảy qua công trình tiêu mặt ruộng (đường tràn/ống tiêu có bề rộng ngưỡng $b_{\text{tràn}}$) để xác định quá trình tháo nước và hệ số tiêu $q$ (l/s/ha).
• Khung mô hình hóa dòng chảy đô thị và vùng hỗn hợp: Sử dụng mô hình toán thủy lực SWMM (Storm Water Management Model) để mô phỏng dòng chảy mặt, mạng lưới cống ngầm và kênh hở; kết hợp phương pháp tính toán hệ số tiêu theo tiêu chuẩn TCVN 10406:2015.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp thống kê và phân tích tương quan hồi quy: Xử lý chuỗi số liệu mưa thời đoạn ngắn từ các trạm tự ghi, kiểm định hàm phân phối xác suất bằng tiêu chuẩn $\chi^2$, thiết lập các tham số khí hậu địa phương ($a, n$).
• Phương pháp nội suy không gian trên hệ thống thông tin địa lý (GIS): Sử dụng phần mềm ArcGIS với thuật toán nội suy khoảng cách nghịch đảo có trọng số (IDW - Inverse Distance Weighting) để thành lập các bản đồ đẳng trị lượng mưa và bản đồ đẳng trị tham số phương trình cường độ mưa.
• Phương pháp mô phỏng số và phân tích toàn liệt: Xây dựng thuật toán tính toán dòng chảy tiêu mặt ruộng cho toàn bộ các trận mưa đo đạc thực tế trong nhiều năm (toàn liệt), lập đường tần suất hệ số tiêu thực tế $q_{\text{tl}P}$, từ đó so sánh với hệ số tiêu của các mô hình mưa điển hình để chọn ra mô hình mưa thiết kế tối ưu.
• Phương pháp mô phỏng so sánh kịch bản thủy lực: Sử dụng mô hình SWMM để mô phỏng lưu lượng tiêu của hệ thống hỗn hợp theo các bước thời gian mưa khác nhau (mưa giờ và mưa ngày), qua đó xác định hệ số chuyển đổi lưu lượng $K$.

Nguồn số liệu và tư liệu nghiên cứu:

• Tài liệu khí tượng thủy văn: Chuỗi số liệu lượng mưa tự ghi nhiều năm của 15 trạm khí tượng thủy văn đại diện trên địa bàn ĐBBB (gồm trạm Ba Vì, Hà Đông, Sơn Tây, Láng, Chí Linh, Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nam, Nam Định, Văn Lý, Thái Bình, Phù Liễn, Cúc Phương, Nho Quan, Ninh Bình, Bắc Ninh).
• Tài liệu địa hình và hiện trạng công trình: Bản đồ cao độ số hóa vùng ĐBBB, dữ liệu quy hoạch thủy lợi và hiện trạng của 2.136 công trình tiêu nước (935 cống tiêu tự chảy, 1.201 trạm bơm) thuộc lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình.
• Số liệu thực đo hiệu chỉnh mô hình: Chuỗi số liệu mực nước và lưu lượng thực đo tại cống Quy Lưu thuộc hệ thống trạm bơm Phủ Lý (Hà Nam) trong các đợt mưa ngày 17/7/2017 và 20/7/2017, cùng dữ liệu trận mưa 24 giờ cực đại năm 1990.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, hiện trạng quan trắc mưa và hạ tầng công trình tiêu nước khu vực Đồng bằng Bắc Bộ:

• Vùng ĐBBB có diện tích tự nhiên $14.957,39\text{ km}^2$, gồm 10 tỉnh/thành phố với dân số hơn 19,4 triệu người (năm 2013). Địa hình đồng bằng thấp trũng, biến đổi phức tạp từ $+0,4\text{ m}$ đến $+12,0\text{ m}$ so với mực nước biển, trong đó diện tích có cao độ từ $+0,4\text{ m}$ đến $+2,0\text{ m}$ chiếm tới $56%$.
• Lượng mưa trung bình năm toàn vùng dao động từ $1.200\text{ mm}$ đến $2.000\text{ mm}$ (phổ biến quanh mức $1.800\text{ mm}$); lượng mưa mùa mưa (tháng 6 đến tháng 10) chiếm $70 - 80%$ tổng lượng mưa cả năm. Các trận mưa gây úng từ $100 - 200\text{ mm}$ trong $3 - 5$ ngày chiếm $74%$, các trận trên $200\text{ mm}$ chiếm $26%$, cá biệt xuất hiện các trận mưa từ $300 - 600\text{ mm}/3-5\text{ ngày}$.
• Toàn vùng có hơn 30 hệ thống tiêu lớn nhỏ với tổng diện tích yêu cầu tiêu là $1.182.737\text{ ha}$, diện tích tiêu chủ động đạt $879.955\text{ ha}$ ($74%$), còn lại $302.782\text{ ha}$ là diện tích tiêu bấp bênh hoặc chưa có công trình. Tổng số công trình tiêu gồm 2.136 công trình (935 cống tự chảy, 1.201 trạm bơm).
• Tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa tăng mạnh (giai đoạn 2012–2016 đất công nghiệp tăng $211%$), làm thay đổi mặt phủ, tăng hệ số dòng chảy mặt và tạo áp lực tiêu thoát nước cục bộ.

TT	Vùng thủy lợi	Diện tích yêu cầu tiêu $F_{\text{yc}}$ (ha)	Đặc điểm tiêu chính
I	Hữu Hồng	436.076	Tiêu động lực kết hợp tự chảy; diện tích chưa có công trình tập trung tại Bắc/Nam Ninh Bình
II	Tả sông Hồng	329.619	Tiêu động lực là chính; diện tích chưa hoàn chỉnh tập trung tại vùng Bắc Hưng Hải
III	Hạ du Thái Bình	243.872	Vừa tiêu tự chảy vừa tiêu bơm; công trình xuống cấp, kênh mương bồi lắng
IV	Cầu – Thương	173.170	Tập trung khu vực Vĩnh Tường – Yên Lạc và Bắc Đuống

Chương 2: Xây dựng phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng thiết kế cho hệ thống tiêu

Chương 2 trình bày cơ sở toán học và các bước thực hiện 4 phương pháp cốt lõi:

• Phương pháp xây dựng quan hệ DDF và IDF: Thiết lập quan hệ giữa lượng mưa tích lũy $H$ và thời gian mưa $d$ dạng hàm mũ cho 15 trạm tự ghi. Từ quan hệ $H(d)$, suy dẫn công thức cường độ mưa $I = \frac{H}{d} = a \cdot d^{n-1}$, trong đó $a$ và $n$ là các hệ số phụ thuộc vào chu kỳ lặp lại $T$ (hoặc tần suất $P$).
• Phương pháp thành lập bản đồ đẳng trị bằng GIS: Ứng dụng phần mềm ArcGIS và thuật toán nội suy IDW để nội suy không gian mạng lưới 15 trạm đo, xây dựng bản đồ đẳng trị lượng mưa các thời đoạn ($1\text{h}, 3\text{h}, 6\text{h}, 12\text{h}, 24\text{h}, 3\text{ ngày}, 5\text{ ngày}$) và bản đồ đẳng trị các tham số $a_1, a_2, n_1, n_2$ ứng với tần suất thiết kế $P = 10%$.
• Phương pháp mô phỏng toàn liệt chọn mô hình mưa tiêu cho lúa: Thiết lập sơ đồ khối tính toán cân bằng nước mặt ruộng kết hợp phương trình dòng chảy qua bờ tràn $b_{\text{tràn}}$. Chạy mô phỏng toàn liệt cho toàn bộ các trận mưa thực tế trong chuỗi số liệu để tính chuỗi hệ số tiêu đỉnh tương ứng. Lập đường tần suất hệ số tiêu toàn liệt $q_{\text{tl}P}$. So sánh giá trị $q_{\text{tk}}$ sinh ra bởi các mô hình mưa điển hình (thu phóng theo các vị trí đỉnh khác nhau) với $q_{\text{tl}P}$ thông qua chỉ số sai số tương đối $\Delta q = \frac{|q_{\text{tk}} - q_{\text{tl}P}|}{q_{\text{tl}P}}$ nhằm tìm mô hình mưa có $\Delta q$ nhỏ nhất.
• Phương pháp xác định hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu $K$ cho vùng hỗn hợp: Phân chia lưu vực tiêu thành các tiểu vùng nông nghiệp và đô thị; thiết lập tỷ số diện tích $l = \frac{F_{\text{đô thị}}}{F_{\text{tổng}}}$. Tính toán lưu lượng đỉnh $Q_{\text{giờ}}$ bằng mô hình SWMM (dùng mô hình mưa giờ) và $Q_{\text{ngày}}$ bằng tiêu chuẩn TCVN 10406:2015 (dùng mô hình mưa ngày). Từ đó xác định hệ số hiệu chỉnh $K = \frac{Q_{\text{giờ}}}{Q_{\text{ngày}}}$ theo tỷ số $l$, xét cho hai trường hợp: hệ thống không có hồ điều hòa và hệ thống có hồ điều hòa.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán chi tiết và thảo luận khoa học:

• Kết quả quan hệ DDF, IDF và công thức cường độ mưa: Luận án đã xác lập bảng tham số $a, n$ cho 15 trạm tự ghi ứng với các chu kỳ lặp lại $T = 2, 5, 10, 20\text{ năm}$ ($P = 50%, 20%, 10%, 5%$). Kết quả kiểm tra trạm Phủ Lý cho thấy công thức cải tiến có độ tương thích cao với số liệu thực đo thời đoạn ngắn.
• Hệ thống bản đồ đẳng trị: Thành lập bộ bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế thời đoạn ngắn ($1\text{h}, 3\text{h}, 6\text{h}, 12\text{h}, 24\text{h}$) và mưa nhiều ngày ($3\text{ ngày}, 5\text{ ngày}$) ứng với $P = 10%$ cho toàn vùng ĐBBB. Đồng thời, xây dựng bản đồ đẳng trị các tham số $a_1, a_2, n_1, n_2$ của phương trình cường độ mưa, cho phép tra cứu trực tiếp tham số tại bất kỳ tọa độ địa lý nào trong vùng.
• Kiểm định mô hình thủy lực SWMM: Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại khu vực tiêu trạm bơm Phủ Lý (cống Quy Lưu) với dữ liệu quan trắc ngày 17/7/2017, 20/7/2017 và trận mưa 24h max năm 1990; sai số đường quá trình mực nước $H \sim t$ và lưu lượng $Q \sim t$ giữa tính toán và thực đo nằm trong giới hạn cho phép.
• Kết quả chọn mô hình mưa thiết kế cho lúa tại Hà Nam: Phân tích 5 dạng phân bố của trận mưa 5 ngày max (đỉnh rơi vào ngày 1, 2, 3, 4, 5) và 3 dạng của trận mưa 3 ngày max. Mô phỏng toàn liệt chuỗi số liệu xác định $b_{\text{tràn}} = 0,35\text{ m/ha}$. Kết quả tính toán sai số $\Delta q$ chỉ ra dạng mô hình mưa 5 ngày max có đỉnh rơi vào ngày thứ 3 cho sai số nhỏ nhất so với hệ số tiêu toàn liệt $q_{\text{tl}P}$, được lựa chọn làm mô hình mưa thiết kế chuẩn cho vùng trồng lúa Hà Nam.
• Kết quả xác lập hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu $K$: Thiết lập biểu đồ và bảng tra quan hệ giữa hệ số $K$ và tỷ số diện tích đô thị $l$. Khi tỷ lệ đô thị $l$ tăng, hệ số $K$ tăng tương ứng phản ánh sự gia tăng đỉnh dòng chảy khi mưa theo giờ. Khi hệ thống có bố trí hồ điều hòa, hệ số $K$ giảm đáng kể do hiệu ứng cắt đỉnh lũ và điều tiết dung tích trữ của hồ.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

• Luận án đã hoàn thiện cơ sở phương pháp luận trong việc xác định cường độ mưa thiết kế thời đoạn ngắn, bổ sung công thức tính cường độ mưa cập nhật số liệu khí tượng thủy văn mới nhất cho vùng ĐBBB.
• Đề xuất và ứng dụng thành công phương pháp mô phỏng toàn liệt chuỗi mưa thực tế để lựa chọn mô hình mưa thiết kế tối ưu cho cây lúa nước, khắc phục tính chủ quan của phương pháp thu phóng trận mưa điển hình truyền thống.
• Bổ sung phương pháp luận và cơ sở khoa học xác định hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu $K$, tạo mối liên hệ định lượng giữa lưu lượng tính theo mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày cho các hệ thống tiêu hỗn hợp nông nghiệp - đô thị.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

• Cung cấp bộ bản đồ đường đẳng trị lượng mưa thiết kế và bản đồ đẳng trị tham số phương trình cường độ mưa ($P = 10%$) phủ kín vùng ĐBBB, hỗ trợ các đơn vị tư vấn xác định nhanh thông số mưa tại những lưu vực không có trạm quan trắc tự ghi.
• Cung cấp bảng tra và quan hệ thực nghiệm hệ số hiệu chỉnh $K$ theo tỷ lệ diện tích đất đô thị/nông nghiệp, phục vụ công tác quy hoạch sơ bộ và thiết kế cải tạo các công trình tiêu đầu mối (trạm bơm, cống, kênh trục chính) khi có sự chuyển đổi mục đích sử dụng đất.

Kiến nghị kỹ thuật:

• Đề xuất áp dụng bộ tham số cường độ mưa mới và bản đồ đẳng trị trong công tác tính toán thoát nước đô thị thay thế cho các bảng tra số liệu cũ.
• Trong thiết kế hệ thống tiêu hỗn hợp vùng ĐBBB, cần tính toán chuyển đổi lưu lượng qua hệ số $K$ đối với các đoạn kênh tiêu đi qua khu dân cư hoặc công trình đầu mối để đảm bảo an toàn phòng chống ngập úng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế về phạm vi không gian và mật độ trạm đo: Số lượng trạm đo mưa tự ghi có chuỗi số liệu đủ dài trong vùng nghiên cứu gồm 15 trạm, khoảng cách giữa các trạm ở một số tiểu vùng còn thưa, làm ảnh hưởng nhất định đến độ mịn của bản đồ đẳng trị nội suy.
• Hạn chế về phạm vi ứng dụng cây trồng: Thuật toán mô phỏng toàn liệt lựa chọn mô hình mưa mới được kiểm nghiệm chi tiết cho đối tượng đất chuyên canh lúa nước tại khu vực Hà Nam.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo: Mở rộng kiểm chứng phương pháp mô phỏng toàn liệt cho các tiểu vùng sinh thái khác trong lưu vực sông Hồng; bổ sung nghiên cứu cho các loại cây trồng cạn, hoa màu; đồng thời tích hợp các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng mới nhất vào việc cập nhật bộ đường cong DDF/IDF.

Giá trị tham khảo

• Đối với kỹ sư tư vấn quy hoạch và thiết kế công trình thủy lợi, thoát nước: Luận án là tài liệu tra cứu trực tiếp về lượng mưa thiết kế thời đoạn ngắn, hệ số cường độ mưa địa phương và phương pháp xác định khẩu độ công trình tiêu cho các lưu vực hỗn hợp nông nghiệp - đô thị.
• Đối với cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp khai thác công trình thủy lợi: Cung cấp cơ sở khoa học để rà soát, đánh giá năng lực tiêu thoát nước hiện trạng của các hệ thống tiêu vùng ĐBBB trước tốc độ đô thị hóa nhanh chóng.
• Đối với giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh: Cung cấp khung phương pháp luận về xử lý thống kê KTTV, kỹ thuật nội suy GIS trong thủy văn công trình và quy trình tích hợp mô hình mô phỏng thủy lực số (SWMM) trong bài toán tiêu thoát nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết bất cập gì của tiêu chuẩn TCVN 7957:2008 khi tính cường độ mưa thiết kế?
Tiêu chuẩn TCVN 7957:2008 sử dụng các tham số khí hậu xây dựng từ chuỗi số liệu cũ và chỉ cho giá trị tại các điểm đặt trạm đo, khiến các vùng xa trạm phải dùng số liệu trạm lân cận mà không xét đến sự biến đổi không gian. Luận án đã cập nhật chuỗi số liệu mưa giờ mới nhất từ 15 trạm tự ghi và xây dựng bản đồ đẳng trị tham số phương trình cường độ mưa cho phép nội suy tham số tại mọi điểm thuộc ĐBBB.

2. Tiêu chí nào được luận án sử dụng để lựa chọn mô hình mưa thiết kế tối ưu cho lúa?
Luận án sử dụng tiêu chí sai số tương đối $\Delta q = \frac{|q_{\text{tk}} - q_{\text{tl}P}|}{q_{\text{tl}P}}$ nhỏ nhất, trong đó $q_{\text{tk}}$ là hệ số tiêu tính từ mô hình mưa thiết kế thử nghiệm và $q_{\text{tl}P}$ là hệ số tiêu xác định từ đường tần suất kết quả mô phỏng toàn liệt chuỗi trận mưa thực tế trong nhiều năm.

3. Tại khu vực Hà Nam, dạng mô hình mưa 5 ngày max nào được xác định là phù hợp nhất cho vùng trồng lúa?
Qua tính toán mô phỏng toàn liệt và so sánh chỉ số sai số tương đối $\Delta q$, trận mưa 5 ngày max có đỉnh phân bố rơi vào ngày thứ 3 cho kết quả hệ số tiêu sát nhất với tần suất thiết kế $P = 10%$ ($b_{\text{tràn}} = 0,35\text{ m/ha}$) và được chọn làm mô hình mưa thiết kế chuẩn cho Hà Nam.

4. Ý nghĩa kỹ thuật của hệ số hiệu chỉnh lưu lượng $K$ giữa mô hình mưa giờ và mưa ngày là gì?
Hệ số $K = \frac{Q_{\text{giờ}}}{Q_{\text{ngày}}}$ giúp các đơn vị quy hoạch xác định nhanh lưu lượng tiêu thiết kế theo mưa giờ khi chỉ có tài liệu mưa ngày, đảm bảo công trình tiêu (kênh, cống, trạm bơm) đủ năng lực thoát nước khẩn cấp cho các khu vực dân cư, đô thị nằm xen kẽ trong vùng nông nghiệp.

5. Hồ điều hòa có ảnh hưởng như thế nào đến hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu $K$ trong hệ thống hỗn hợp?
Khi hệ thống tiêu hỗn hợp được bố trí hồ điều hòa, dung tích trữ và khả năng điều tiết của hồ làm giảm lưu lượng đỉnh $Q_{\text{giờ}}$, dẫn đến hệ số hiệu chỉnh $K$ giảm so với trường hợp hệ thống không có hồ điều hòa.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh các vấn đề khoa học và kỹ thuật then chốt trong việc xác định mô hình mưa và tính toán lưu lượng tiêu thiết kế cho hệ thống tiêu vùng Đồng bằng Bắc Bộ. Bằng việc kết hợp phương pháp phân tích thống kê KTTV hiện đại, công nghệ GIS và mô hình toán thủy lực SWMM, tác giả đã xây dựng bộ bản đồ đẳng trị lượng mưa - tham số cường độ mưa thời đoạn ngắn, chuẩn hóa mô hình mưa tiêu cho lúa và thiết lập hệ số hiệu chỉnh lưu lượng cho vùng tiêu hỗn hợp. Các kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học vững chắc và khả năng ứng dụng thực tiễn cao trong công tác quy hoạch, thiết kế và quản lý vận hành hệ thống thủy lợi vùng ĐBBB.