Luận văn thạc sĩ về ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng hệ thống thoát nước đô thị

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng hệ thống thoát nước đô thị, góp phần cải thiện hạ tầng đô thị.

• Tác giả: Nguyễn Anh Hùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh
• Trường học: Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Cấp Thoát Nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Thời Gian Mưa Đến Lưu Lượng Thiết Kế Của Hệ Thống Thoát Nước Đô Thị
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. KHÁI NIỆM VỀ MƯA THIẾT KẾ
• 1.2. TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ TRÊN THẾ GIỚI
• 1.2.1. Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967)
• 1.2.2. Phương pháp khối xen kẽ
• 1.2.3. Mô hình mưa thiết kế của Keifer và Chu (1957)
• 1.2.4. Phương pháp mô hình mưa hình tam giác
• 1.3. TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM
• 1.3.1. Các nghiên cứu của Việt Nam về công thức xác định cường độ mưa
• 1.3.2. Phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa điển hình
• 2. CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH CHUNG CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 2.1. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN
• 2.1.1. Vị trí địa lý
• 2.1.2. Địa lý, địa hình và địa mạo
• 2.2. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI
• 2.2.1. Tình hình sử dụng đất
• 2.3. HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC, NGẬP ÚNG TRÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 2.3.1. Hiện trạng hệ thống thoát nước khu vực
• 2.3.2. Tình hình ngập úng trong vùng
• 2.3.3. Nguyên nhân gây ngập úng
• 2.4. ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH KHU VỰC TRONG NHỮNG NĂM TỚI
• 2.4.1. Hướng phát triển chung không gian của đô thị
• 2.4.2. Định hướng phát triển giao thông
• 2.4.3. Định hướng quy hoạch san nền
• 2.4.4. Định hướng quy hoạch thoát nước mưa
• 3. CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN MƯA THIẾT KẾ ĐẾN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CỦA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC QUẬN THANH XUÂN - TP. HÀ NỘI
• 3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ VỚI CÁC THỜI GIAN MƯA
• 3.1.1. Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 3 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm
• 3.1.2. Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 6 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm
• 3.1.3. Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 12 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm
• 3.1.4. Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 24 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm
• 3.2. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM ĐỂ MÔ PHỎNG MƯA - DÒNG CHẢY VỚI CÁC MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ
• 3.2.1. Giới thiệu mô hình SWMM
• 3.2.2. Các ứng dụng của mô hình
• 3.2.3. Ứng dụng mô hình SWMM mô phỏng mưa thiết kế - dòng chảy thể cho lưu vực quận Thanh Xuân với các mô hình mưa thiết kế tiên tiến
• 3.2.3.1. Dữ liệu đầu vào
• 3.2.3.2. Xây dựng mô hình SWMM
• 3.2.3.3. Kết quả mô phỏng các trận mưa thiết kế tại các vị trí tính toán
• 3.3. XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CỦA CÔNG DỰA TRÊN MÔ PHỎNG CÁC TRẬN MƯA THỰC ĐO TRONG QUÁ KHỨ
• 3.3.1. Mô phỏng các trận mưa trong quá khứ
• 3.3.2. Tính tần suất lưu lượng từ mô phỏng các trận mưa trong quá khứ
• 3.4. SO SÁNH KẾT QUẢ LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ GIỮA MÔ PHỎNG TRẬN MƯA THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁC TRẬN MƯA THỰC ĐO
• 3.5. BỀ XUẤT THỜI GIAN MƯA THIẾT KẾ HỢP LÝ
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của thời gian mưa đến lưu lượng nước trong thiết kế hệ thống thoát nước đô thị. Việc tính toán lưu lượng thiết kế là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống thoát nước hoạt động hiệu quả, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng tần suất các trận mưa lớn. Thời gian mưa thiết kế có thể ảnh hưởng đến cường độ và tổng lượng mưa, từ đó tác động đến khả năng thoát nước của hệ thống. Các phương pháp tính toán lưu lượng thường dựa vào các mô hình mưa thiết kế như mô hình Huff và mô hình Keifer và Chu. Những mô hình này giúp xác định mối quan hệ giữa cường độ mưa, thời gian mưa và tần suất xuất hiện của các trận mưa lớn.

1.1. Khái niệm về mưa thiết kế

Mưa thiết kế được định nghĩa là một mô hình mưa được xác định nhằm phục vụ cho việc thiết kế hệ thống thoát nước. Mưa thiết kế đặc trưng bởi chu kỳ lặp lại và thời gian mưa. Để tính toán lưu lượng thiết kế, cần xác định độ sâu và cường độ mưa trong một khoảng thời gian nhất định. Cường độ mưa là lượng mưa rơi xuống trong một đơn vị thời gian, và có thể được biểu diễn qua các đường cong IDF (Intensities-Durations-Frequencies). Việc xác định đúng thời gian mưa là rất quan trọng, vì nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính toán lưu lượng nước trong hệ thống thoát nước.

II. Tình hình chung của khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu là quận Thanh Xuân, Hà Nội, nơi có hệ thống thoát nước đang đối mặt với nhiều thách thức do tình trạng ngập úng ngày càng gia tăng. Các yếu tố tự nhiên như địa hình, khí hậu và tình hình sử dụng đất đều ảnh hưởng đến khả năng thoát nước. Theo thống kê, khu vực này thường xuyên chịu ảnh hưởng của các trận mưa lớn, đặc biệt trong mùa mưa. Hệ thống thoát nước hiện tại chưa đáp ứng đủ nhu cầu xử lý nước mưa, dẫn đến tình trạng ngập úng. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa đến lưu lượng thiết kế sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc cải thiện và nâng cấp hệ thống thoát nước, giúp giảm thiểu thiệt hại do ngập úng.

2.1. Điều kiện tự nhiên

Quận Thanh Xuân có vị trí địa lý thuận lợi, nhưng cũng phải đối mặt với nhiều thách thức do tình hình mưa lớn. Các yếu tố như địa hình và loại hình sử dụng đất ảnh hưởng đến dòng chảy và khả năng thoát nước. Địa hình tương đối phẳng, với nhiều khu vực xây dựng dày đặc, làm giảm khả năng hấp thụ nước mưa. Thời gian mưa và lượng mưa lớn có thể gây ra tình trạng ngập úng, đặc biệt là trong các khu vực có hệ thống thoát nước chưa được cải thiện. Việc áp dụng các mô hình mưa thiết kế phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa khả năng thoát nước và giảm thiểu tình trạng ngập úng trong khu vực.

III. Đánh giá ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế

Đánh giá ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Qua việc phân tích các mô hình mưa thiết kế, có thể thấy rằng thời gian mưa dài hơn thường dẫn đến lưu lượng nước lớn hơn. Điều này có thể giải thích bởi việc tích lũy lượng mưa trong thời gian dài sẽ tạo ra áp lực lớn hơn lên hệ thống thoát nước. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc lựa chọn thời gian mưa thiết kế không hợp lý có thể dẫn đến tình trạng quá tải trong hệ thống thoát nước, gây ra ngập úng. Do đó, cần có những quy định rõ ràng và khoa học trong việc xác định thời gian mưa thiết kế để đảm bảo tính hiệu quả của hệ thống thoát nước.

3.1. Mô hình mưa thiết kế

Mô hình mưa thiết kế được xây dựng dựa trên các phương pháp như phương pháp khối xen kế và mô hình hình tam giác. Những mô hình này giúp xác định cường độ mưa và phân bố lượng mưa theo thời gian. Bằng cách áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại, có thể mô phỏng các trận mưa thiết kế với thời gian khác nhau (3 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 24 giờ) để đánh giá ảnh hưởng đến lưu lượng thiết kế. Kết quả từ các mô hình này sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc thiết kế và cải thiện hệ thống thoát nước đô thị.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thoát nước đô thị đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát ngập úng và bảo vệ môi trường sống tại các thành phố lớn. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực quận Thanh Xuân, Hà Nội, tình trạng ngập úng thường xuyên xảy ra do hệ thống thoát nước không đồng bộ, xuống cấp và không đáp ứng được lưu lượng mưa lớn. Theo thống kê, khu vực này có diện tích lưu vực tự nhiên khoảng 18.652 ha, với lượng mưa trung bình năm đạt khoảng 1.836 mm và số ngày mưa từ 130 đến 140 ngày mỗi năm. Mưa thiết kế là yếu tố then chốt trong việc tính toán lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước, tuy nhiên, thời gian mưa thiết kế được lựa chọn chưa có sự thống nhất, gây khó khăn cho kỹ sư trong quá trình thiết kế.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị tại quận Thanh Xuân, từ đó đề xuất thời gian mưa thiết kế hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào lưu vực sông Tô Lịch, sử dụng dữ liệu khí tượng trạm Láng trong giai đoạn 1985-2010. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện khả năng tiêu thoát nước, giảm thiểu ngập úng và nâng cao chất lượng cuộc sống cho cư dân đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình mưa thiết kế tiêu biểu:

• Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967): Phân bổ lượng mưa theo thời gian dựa trên các nhóm xác suất, giúp mô phỏng quá trình mưa rào trên diện tích rộng.
• Phương pháp khối xen kẽ (Chow, 1988): Xây dựng mô hình mưa thiết kế dựa trên đường cong quan hệ cường độ-thời gian-tần suất (IDF hoặc DDF), phân chia lượng mưa thành các khối thời gian có cường độ khác nhau.
• Mô hình mưa hình tam giác (Yen và Chow, 1980): Mô hình đơn giản hóa quá trình mưa thiết kế với hình dạng tam giác, xác định cường độ mưa dựa trên độ sâu và thời gian mưa.
• Khái niệm chính: Cường độ mưa (mm/h), thời gian mưa (giờ), tần suất (chu kỳ lặp lại), lưu lượng thiết kế (m³/s), lưu vực thoát nước, mô hình thủy văn SWMM.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp khảo sát thực địa, thu thập và phân tích số liệu khí tượng, thủy văn, cùng với mô hình toán học và mô phỏng thủy lực:

• Nguồn dữ liệu: Số liệu mưa thực đo tại trạm khí tượng Láng (1985-2010), dữ liệu địa hình, hiện trạng hệ thống thoát nước quận Thanh Xuân.
• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình mưa thiết kế theo phương pháp khối xen kẽ với các thời gian mưa 3h, 6h, 12h, 24h, chu kỳ lặp lại 10 năm (tần suất 10%). Sử dụng phần mềm SWMM để mô phỏng dòng chảy thiết kế và các trận mưa thực đo.
• Cỡ mẫu: Lựa chọn các trận mưa lớn nhất trong giai đoạn nghiên cứu, tổng cộng khoảng 10 trận mưa tiêu biểu.
• Timeline nghiên cứu: Từ năm 2012 đến 2014, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế:
   Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 3 giờ cho lưu lượng thiết kế cao nhất, đạt khoảng 15% lớn hơn so với mô hình 24 giờ. Lưu lượng thiết kế giảm dần khi thời gian mưa tăng lên, ví dụ lưu lượng thiết kế với thời gian mưa 6 giờ thấp hơn 8% so với 3 giờ, và với 12 giờ thấp hơn 5% so với 6 giờ.

2. So sánh lưu lượng thiết kế mô phỏng với lưu lượng từ các trận mưa thực đo:
   Lưu lượng thiết kế từ mô hình mưa 6 giờ có sự tương đồng cao nhất với lưu lượng đỉnh thực tế, sai số trung bình khoảng 7%. Mô hình 3 giờ và 24 giờ có sai số lần lượt là 15% và 12%, cho thấy mô hình 6 giờ phù hợp hơn với điều kiện thực tế tại quận Thanh Xuân.

3. Tần suất lưu lượng dòng chảy:
   Lưu lượng đỉnh thiết kế với tần suất 10 năm dao động từ 25 m³/s đến 40 m³/s tùy theo thời gian mưa thiết kế. Mô hình 6 giờ và 12 giờ cho kết quả ổn định hơn, trong khi mô hình 3 giờ có biến động lớn hơn do cường độ mưa cao trong thời gian ngắn.

4. Hiện trạng hệ thống thoát nước và ngập úng:
   Hệ thống thoát nước hiện tại không đồng bộ, nhiều đoạn cống nhỏ, xuống cấp, dẫn đến 9 điểm ngập úng cục bộ khi mưa lớn khoảng 100 mm trong 1-2 giờ. Thời gian ngập kéo dài từ 1 đến 12 giờ, độ sâu ngập trung bình 0,2-0,5 m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân lưu lượng thiết kế phụ thuộc mạnh vào thời gian mưa thiết kế là do đặc điểm phân bố cường độ mưa theo thời gian tại khu vực nghiên cứu. Mưa ngắn hạn với cường độ cao (3 giờ) tạo ra lưu lượng đỉnh lớn hơn, nhưng không phản ánh chính xác quá trình thoát nước thực tế do hệ thống thoát nước có khả năng điều hòa dòng chảy trong thời gian dài hơn. Mô hình 6 giờ cân bằng giữa cường độ mưa và khả năng tiêu thoát của hệ thống, phù hợp với đặc điểm khí hậu và hiện trạng hạ tầng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế và trong nước cho thấy kết quả tương đồng với các khu vực đô thị có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nơi thời gian mưa thiết kế từ 6 đến 12 giờ thường được áp dụng để tính toán lưu lượng thiết kế. Việc lựa chọn thời gian mưa thiết kế phù hợp giúp giảm thiểu sai số trong thiết kế, tránh đầu tư quá mức hoặc thiếu hụt công suất thoát nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lưu lượng thiết kế theo các thời gian mưa khác nhau và bảng thống kê sai số giữa lưu lượng mô phỏng và thực đo, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Lựa chọn thời gian mưa thiết kế 6 giờ cho hệ thống thoát nước đô thị quận Thanh Xuân:
   Động từ hành động: Áp dụng; Target metric: Giảm sai số lưu lượng thiết kế dưới 10%; Timeline: Áp dụng trong các dự án thiết kế mới và cải tạo hệ thống trong 2 năm tới; Chủ thể thực hiện: Sở Xây dựng, các đơn vị tư vấn thiết kế.

2. Nâng cấp, mở rộng hệ thống cống thoát nước hiện có:
   Động từ hành động: Cải tạo; Target metric: Tăng khả năng tiêu thoát nước lên 20%; Timeline: Triển khai trong 3-5 năm; Chủ thể thực hiện: Công ty Thoát nước Hà Nội, UBND quận Thanh Xuân.

3. Xây dựng hệ thống hồ điều hòa và trạm bơm tại các điểm ngập úng trọng điểm:
   Động từ hành động: Xây dựng; Target metric: Giảm thời gian ngập úng xuống dưới 2 giờ; Timeline: Hoàn thành trong 5 năm; Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng thành phố, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

4. Tăng cường công tác quản lý, duy tu, nạo vét hệ thống thoát nước:
   Động từ hành động: Tổ chức; Target metric: Giảm tắc nghẽn cống xuống dưới 5% tổng mạng lưới; Timeline: Thường xuyên hàng năm; Chủ thể thực hiện: Công ty Thoát nước Hà Nội.

5. Đào tạo, nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ hệ thống thoát nước:
   Động từ hành động: Tuyên truyền; Target metric: Giảm tình trạng xả rác, lấp cống trái phép 50%; Timeline: Liên tục trong 3 năm; Chủ thể thực hiện: UBND quận, các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế hệ thống thoát nước đô thị:
   Hưởng lợi từ các phân tích chi tiết về ảnh hưởng thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng, giúp lựa chọn mô hình phù hợp, nâng cao hiệu quả thiết kế.

2. Cơ quan quản lý đô thị và môi trường:
   Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch thoát nước, giảm thiểu ngập úng và cải thiện môi trường sống.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy lợi, môi trường:
   Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình mô phỏng và dữ liệu thực tế để phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

4. Các đơn vị vận hành và bảo trì hệ thống thoát nước:
   Áp dụng các khuyến nghị về duy tu, nâng cấp hệ thống, cải thiện công tác quản lý vận hành nhằm giảm thiểu sự cố ngập úng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thời gian mưa thiết kế lại ảnh hưởng đến lưu lượng thiết kế?
   Thời gian mưa thiết kế quyết định cách phân bố cường độ mưa trong quá trình mưa, ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng đỉnh dòng chảy. Thời gian ngắn với cường độ cao tạo lưu lượng lớn hơn, trong khi thời gian dài hơn giúp dòng chảy được điều hòa.

2. Làm thế nào để chọn thời gian mưa thiết kế phù hợp cho một khu vực?
   Cần dựa trên đặc điểm khí hậu, địa hình, hiện trạng hệ thống thoát nước và dữ liệu mưa thực tế. Nghiên cứu tại quận Thanh Xuân cho thấy 6 giờ là thời gian phù hợp nhất.

3. Phần mềm SWMM có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   SWMM được sử dụng để mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy, tính toán lưu lượng thiết kế và đánh giá hiệu quả hệ thống thoát nước dựa trên các mô hình mưa thiết kế khác nhau.

4. Ngập úng tại quận Thanh Xuân có nguyên nhân chính là gì?
   Nguyên nhân chủ yếu là hệ thống thoát nước xuống cấp, không đồng bộ, kích thước cống nhỏ, cùng với sự gia tăng dân số và mật độ xây dựng làm tăng lưu lượng nước mưa cần tiêu thoát.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
   Có thể áp dụng cho các đô thị có điều kiện khí hậu và địa hình tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh tham số mô hình dựa trên dữ liệu địa phương để đảm bảo tính chính xác.

Kết luận

• Thời gian mưa thiết kế có ảnh hưởng rõ rệt đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị, với lưu lượng giảm khi thời gian mưa tăng lên.
• Mô hình mưa thiết kế với thời gian 6 giờ phù hợp nhất với điều kiện thực tế tại quận Thanh Xuân, giúp giảm sai số lưu lượng thiết kế xuống dưới 10%.
• Hệ thống thoát nước hiện tại tại quận Thanh Xuân còn nhiều hạn chế, gây ra tình trạng ngập úng cục bộ khi mưa lớn.
• Cần có các giải pháp đồng bộ bao gồm nâng cấp hạ tầng, xây dựng hồ điều hòa, cải thiện công tác quản lý và nâng cao nhận thức cộng đồng.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn thời gian mưa thiết kế và cải thiện thiết kế hệ thống thoát nước đô thị, góp phần giảm thiểu ngập úng và nâng cao chất lượng cuộc sống.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình mưa thiết kế 6 giờ trong các dự án thiết kế mới, đồng thời tiến hành cải tạo hệ thống thoát nước hiện hữu. Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo mở rộng phạm vi và cập nhật dữ liệu mới.

Các đơn vị quản lý và thiết kế hệ thống thoát nước cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu, đồng thời tăng cường công tác duy tu, bảo trì nhằm nâng cao hiệu quả tiêu thoát nước đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TONG QUAN VAN DE NGHIÊN CỨU. 1-1 KHÁI NIỆM VE MƯA THIET KE, 1.1 Mưa Mưa là quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong sự hình thành dòng chảy trên lưu vực. Lượng mưa và quá trình mưa (Pt) quyết định lưu lượng và qui trình đồng chảy trong cổng. Một trận mưa rào trên lưu vực được đặc trưng bởi ~ Thời gian mưa (phút, giờ, ngày) ~ Tổng lượng mưa (mm), ~ Phân bố mưa theo thời gian P(t).2 Mưa thiết kết ‘Trin mưa thiết kế là một mô hình mưa được xác định dùng để thiết kế một hệ thống thủy văn.

Mưa thiết kế được đặc trưng bởi: ~ Chu kỳ lặp lại của trận mưa thiết kế (tan suất Thời gian mưa (phút, giờ, ngày).1 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 thưởng tính bằng mm. Độ sâu mưa thiết kế có thể là độ mưa điểm hoặc độ sâu mưa diện Mưa điểm là mưa xuất xuất hiện tại một địa điểm đơn độc trong không. gian, côn mưa mưa điện là mưa xuất hiện trên một vùng nào đó.

4 Đối với mỗi thời gian mưa, ta hành phân tích tin suất để tính các độ sâu mưa thiết kế ứng với các thời kỳ xuất hiện lại khác nhau, sau đó các độ. sâu mưa thiết kế được chuyển đổi thành cường độ mưa bằng cách dem chia chúng cho thời gian mưa tương ứng. Dien ih a) In ee Si ign ih km) Hình 1.1 Đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung bình của mưa điện (Tổ chức khí tượng thé giới, 1983) Đồ thị quan hệ độ sâu mưa ~ diện tích đổi với c thời gian mưa khác nhau được thiết lập từ kết quả phân tích về độ sâu mưa- diện tí sh mưa- thời gian mưa trong đó đã chuẩn bị sẵn các bản đỗ. đẳng lượng mưa cho mỗi thời gian mưa.

Các bản đồ này được xây dựng từ bảng ghỉ về lượng mưa lớn nhất thực đo trên một vùng có tram đo mưa diy, người ta xác định diện tích nằm. bên trong mỗi đường đẳng lượng mưa trên các bản đỏ này và lập biểu đồ độ lu mưa trung bình quan hệ với điện tích đối với từng thời gian mưa.2 Quan hệ cường độ mưa- thỏ ian mưa- tin suất Cường độ mưa là lượng mưa rơi xuống mặt đất trong một đơn vị thời gian. 5 Quan hệ giữa cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất thông thường. được biểu diễn dưới dạng đồ thị trong đó thời gian mưa được đặt trên trục hoành, cường độ mưa đặt trên trục tung và các đường cong tương ứng với thời kỳ xuất hiện lại P + Cường độ mưa: (mm/h hoặc ivh) ay + Độ sâu mưa: P (mm hoặc in) + Thời gian mưa: T (h) + Tần suất được biểu thị theo thời kỳ xuất hiện lại, đó là khoảng thời gian trung bình giữa các biến cố mưa có độ lớn bằng hoặc lớn hơn trị số thiết kế “Trong nhiều trường hợp người ta sẵn những đường cong của quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mua-tin suất (gọi là quan hệ IDF) cho các địa điểm nghiên cứu.

cs liTtshăaờạệm) Wan ma (ph) Hình 1.2 Các đường cong IDF của mưa lớn nỈ 6 Khi có du các số liệu tại địa phương ta có thé xây dựng các đường cong IDF bằng phân tích tần suất. Một phân bố xác suất thường hay dùng trong. phan tích tin suất mưa là phân bố giá trị cực hạn loại I hay phân bố Gumbel. = Ty : thời gian mưa (phút) ~ 6£ là các hệ số thay đổi theo địa điểm và theo thời kỳ xuất hiện lại Bảng 1.1 Các hệ số trong phương trình (1.1) cho thời kỳ xuất hiện lại 10 năm tại một số địa phương ở Hoa KY TT Địa phương.

© ° f 1 Atlanta 915 083 6,88 H Chicago 99 088 9404 3 Cleveland BT 0.6 097 lào 3 Houston 914 O77 48 6 Los Angeles 203 063 1 206 7 New York 781 082) 657 1.2 TONG QUAN MƯA THIET KE CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ TREN THE GIỚI Trên thé giới đã có rất nhiều nghiên cứu về xây dựng mô hình mưa thiết kế, cụ thể như một số tác giả sau: 7 1.1 Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967) Huff thiết lập các quan hệ phân bổ theo thời gian của các trận mưa rio lớn trên các diện tích rộng tới 400 mi? tai Illinois. Mô hình phân bổ theo thời gian được xây dựng cho 4 nhóm xác suất, từ nhóm mưa ác liệt nhất (nhóm thứ nhất) đến nhóm mưa it dc liệt nhất (nhóm thứ tư).3 trình bày. phân bố xác suất của các trận mưa rào thuộc nhóm đầu tiên (nhóm mưa ác liệt nhất), "Đó là những đường cong trơn chu, chúng phản ảnh phân bồ theo thời gian của lượng mưa trung bình và không thể hiện được các đặc tinh thay đổi gấp của cúc trận mưa rao thực tế. 0 10 30 30 40 50 60 70 80 90 100 “Số phân tăm tích ly của thi gian mưa.3 Phân bố xác suất của các trận mưa nhóm thứ nhất ‘Tu biểu đồ phân bố xác suất của trận mưa nhóm thứ nhất người ta thiết lập các đồ chọn lọc cho trận mưa nhóm thứ nhất ứng với các xác suất lũy tích 10%, 50% và 90% (Hình 1.6), mỗi biểu đỗ biểu thị số.

8 phần trăm của tổng lượng mưa trong mỗi khoảng số gia 10% của thời gian mưa. ES Xác suất 10% 5 ramcủa‘Spi o 0 2 30 40 50 60 T0 80 9% 10 ‘5 phần trăm ích ay của tồi ian ma.4 Biểu đồ xác suất 10% các trận mưa nhóm thứ nhất Ễ go Xác suất 50% a 3 30 -| 3 04 : Z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần tram tích lũy của thi gian mưa Hình 1.5 Biểu đồ ác suất 50% các trận mưa nhóm thứ nhất -2. Phương pháp kl xen kế Phương pháp này được đề xuất bởi Chow (1988). Với phương pháp này mô hình mưa thiết kế từ một đường cong quan hệ cường độ- thời gian mưa- ° tần suất (IDF) hoặc quan hệ lượng mưa- thời gian mưa- tần suất (DDF).

Mô hình mưa nảy được đặc trưng bởi độ sâu mưa xuất hiện trong n khoảng thời gian At kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa Tạ = n. Sau khi lựa chọn thời kỳ xuất hiện lại thiết ế, ta đọc cường độ mưa cho mỗi thời gian mưa At, 2At, 3 At. tir một đường IDF tương ứng với thời kỳ xuất hiện lại đã chọn và tính độ sâu mưa mưa lũy tích bằng cách nhân cường độ mưa với thời gian mưa. Lay hiệu số giữa hai giá tị liên tiếp của độ sâu mưa lũy tích, ta sẽ tính được độ sâu mưa thiết kế ứng với mỗi At và được gọi là các khối.

Các khối được sắp xếp với cường độ mưa lớn nhất được xếp ở giữa hoặc ở thời gian xuất hiện đỉnh của thời gian mưa, các khối còn lại được sắp xếp theo thứ tự. giảm dần và được chia đều ở bên phải va bên trái của khối trung tâm. † + “hôi gan (hú) Hình 1.6 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế xây dựng bằng phương pháp khối xen kế 1.3 Mô hình mưa thiết kế của Keifer và Chu (1957) Keifer và Chu (1957) đã dé xuất một một mô hình mưa giả tưởng dé thiết kế hệ thối thoát nước ở Chicago. Nguyên tắc tính toán tương tự như phương pháp khối xen kẻ, cơ sở của mô hình này là từ một phương trình đã 10 biết của đường cong quan hệ cường độ mưa-thời gian mua-tin suất (gọi là quan hệ IDF), ta có thể xây dựng được các phương trình về sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian trong đường quá trình mưa thiết kế.

Độ sâu mưa tương ứng với một thời gian mưa Tả chung quanh đỉnh mưa thi bằng với giá trị xác định bằng đường cong hoặc phương trình của đường cong IDF (cường độ mưa ở đây được coi là biển đổi một cách liên tục trong quá trình mưa) đ“Cm¡ưộuờng Thời gian Hình 1.7 Biểu thị biểu đồ qua tình mưa bằng các đường cong Đường quá trình mưa gồm hai nhánh đường cong với i, =f((,)và i, = £(0,) với ig, ip là các cường độ mưa trước và mưa sau đỉnh. mưa R trong thời gian mưa Td được tính bằng diện tích nằm bên dưới các. nhánh đường cong: a wore R= f ft dt, + [f(ty)dty (13) Với r= ty = Tụ ù " Đối với thời gian mưa Td bat kỳ, f(t,)=f(t,) và lấy đạo hàm theo Ty 5 aR taco: (t= f(y) ata Goi cường độ mưa trung bình trong thời gian Td là i„ ta có: R=T yi lấy đạo ham theo Td ta được: a ai ata Td ara Hs — F(a) (ta) =F ) 14 (14) Với iy =" {> ¥i phan và thay vào phương trình tên ta có phương trình + "“.4 Phương pháp mô hình mưa hình tam giác Phương pháp này được đề xuất bởi Yen và Chow (1980). Với mô hình mưa hình tam giác có cạnh đáy là thời gian mưa Td, chiều cao h là cường độ.

Khi biết độ sâu mưa và thời gian mưa ta xác định được cường độ mưa là chiều caoh: =h In " ađmiộg “Thờ gian! Hình 1.8 Biểu đồ quả trình mưa thiết kế hình tam giác Ta định nghĩa một hệ số trước dinh r, đó là tỉ số của thời gian xuất hiện đình mưa (t,) so với tổng thời gian mưa (T,).6) A Với giá trị của r = 0,5 tương ứng với cường độ mưa lớn nhất xuất hiện. tại điểm giữa của thời gian mưa Ts. Với r <0,5 thì thời điểm xuất hiện cường độ mưa lớn nhất sẽ sớm hơn va ngược lại nếu r>0,5 thì hậm hơn, Giá trị thích hợp củar được xác định bằng cách tính toán tỷ số của thời gian xuất hiện đỉnh so với tổng thoi gian mưa của nhiều trận mưa thực đo với thời gian mưa khác nhau và lấy giá trị trung bình theo trọng số thời gian mưa của các tỷ số đó.3 TONG QUAN MƯA THỊ KE CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ Ở VIET NAM 1 Các nghiên cứu của Việt Nam về công thức xác định cường độ mưa. Công thức tính cường độ mưa của Viện thiết kế Bộ Giao Thông _Á+BIEN _1031250N 2 an Co [ +} Trong đó: A=l0 A,B là tham B=l2.5 N: độ lập lại S: sức mạnh trận mưa ứng với p% mmih, mm/ph n: chỉ số giảm dần cường độ (a) theo thời gian t, n = 0,66 b: tham số hiệu chỉnh, b = 12 t thời gian mua K: hệ số khí hậu (hệ số hiệu chỉnh tùy thuộc vao từng vùng kl 13 b.

Theo để nghị của TS. Tran Hữu Uyên, cường độ mưa ở Việt Nam có.