phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. Chƣơng 2: Xây dựng cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam. Chƣơng 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phƣơng pháp tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 1.1 Tổng quan về tính lũ thiết kế 1.1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới Dòng chảy lũ là đặc trƣng quan trọng trong tính toán thiết kế các công trình, bởi vậy tính toán lũ là một vấn đề đặc biệt đƣợc quan tâm nghiên cứu.
Lũ thiết kế là trận lũ đƣợc sử dụng trong thiết kế công trình có trạng thái bất lợi, độ lớn phụ thuộc vào cấp công trình và đƣợc quy định bởi từng quốc gia. Lũ thiết kế bao gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ. Hiện nay, tính lũ thiết kế phân thành hai nhóm: phƣơng pháp trực tiếp (phân tích thống kê xác suất) và phƣơng pháp gián tiếp (phân tích mƣa và mặt đệm). Việc tính lũ thiết kế trải qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa và phát triển nhằm chính xác và hiện đại hóa phục vụ xây dựng các công trình an toàn trong mùa mƣa lũ đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện tại.
Một số nghiên cứu về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến nhƣ: Chow (1964), Shaw [1] là cuốn sổ tay tính toán thủy văn có đề cập đến phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế phụ thuộc vào diện tích lƣu vực và tình trạng số liệu: đối với lƣu vực lớn, đủ số liệu thì dùng phƣơng pháp ngẫu nhiên (thống kê xác suất), đối với lƣu vực nhỏ dùng phƣơng pháp mô hình quan hệ, đường lũ đơn vị và quan hệ lưu lượng với diện tích và thời gian. Chow, Maidment (1988) [2] là tài liệu cơ bản nhất có đề cập đến tính toán thủy văn và các đặc trƣng thủy văn thiết kế nhƣ quá trình thu phóng, lựa chọn mƣa thiết kế và xây dựng đƣờng cong IDF, biểu đồ mƣa thiết kế dạng đƣờng cong tích lũy 24h, ƣớc tính thời gian mƣa giới hạn, tính toán lƣợng mƣa lớn nhất khả năng (PMF), các bản đồ đẳng trị mƣa với các thời gian mƣa, D = 5 - 60 phút hay 30 phút - 24h cho các thời kỳ lặp lại T = 1 - 100 năm. Các phƣơng pháp chuyển đổi mƣa hiệu quả và xác định dòng chảy thiết kế gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ thiết kế dùng để thiết kế công trình thoát nƣớc, mô phỏng vùng ngập lụt, thiết kế hồ chứa, sử dụng và quản lý tài nguyên nƣớc. Đối với thoát nƣớc, Chow cũng giới thiệu phương pháp tính lũ cho lưu vực vừa và nhỏ theo mô hình quan hệ với A là diện tích lưu vực, I là cường độ mưa, C 5 là hệ số dòng chảy.
Ngoài ra, các đường lũ đơn vị cũng được đề cập sử dụng cho các lưu vực vừa và nhỏ. Vijay (2002) [3] trình bày các mô hình toán ứng dụng để tính lũ cho lƣu vực lớn và các lƣu vực nhỏ. Đối với các lƣu vực nhỏ các mô hình ứng dụng trình bày 15 mô hình đại diện trên toàn thế giới. Về lý thuyết cơ bản để xây dựng các mô hình đều là những kiến thức ứng dụng từ các tài liệu của Chow hay Maidment.
Phần tính lũ thiết kế gồm tổng lƣợng lũ, đỉnh lũ, tần suất lũ, xác suất rủi ro với các phƣơng pháp đề xuất nhƣ: Đƣờng lũ đơn vị tức thời, mô hình Nash, mô hình Clark, đƣờng lũ đơn vị SCS, hồi quy tuyến tính, phân tích thống kê xác suất, mô hình toán, tính lũ tại vị trí không có số liệu quan trắc theo phƣơng pháp hồi quy đa biến. Ngoài các tài liệu cơ bản đã nêu, còn có rất nhiều các tài liệu nghiên cứu liên quan đề cập đến các phƣơng pháp tính lũ thiết kế trên thế giới. Về cơ bản, lý thuyết tập trung dòng chảy hay phƣơng thức chuyển đổi mƣa hiệu quả vẫn nhƣ những tài liệu trên, tuy nhiên từ hai thập kỷ trở lại đây với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ máy tính, kỹ thuật viễn thám và GIS cho phép các nhà khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật những công nghệ hiện đại nhằm chính xác hóa các tham số mà các phƣơng pháp trƣớc đây chƣa xây dựng đƣợc.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam Một số các tài liệu điển hình đề cập đến tính lũ thiết kế ở Việt Nam nhƣ: Quy phạm QP.TL C-6-77 (1977) [5] trình bày phƣơng pháp tính toán các đặc trƣng thủy văn cần thiết cho việc thiết kế các công trình thủy lợi trên các sông không bị ảnh hƣởng của thủy triều ở Việt Nam. Các đặc trƣng thủy văn đƣợc hƣớng dẫn tính trong quy phạm này bao gồm: lƣu lƣợng bình quân năm, lƣu lƣợng lớn nhất, lƣu lƣợng nhỏ nhất, sự phân phối dòng chảy năm, các loại mực nƣớc thiết kế và các thông số khác.
Khi tính lũ phục vụ thiết kế các công trình trên sông trong trƣờng hợp đủ số liệu thì tiến hành phân tích tần suất, trong trƣờng hợp không có số liệu thì sử dụng các công thức kinh nghiệm nhƣ: công thức Cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực có diện tích nhỏ hơn 6 100 km2, công thức Triết giảm và Xokolopxky cho lƣu vực có diện tích trên 100 km2. Cho đến nay quy định về phƣơng pháp tính lũ thiết kế vẫn chủ yếu dựa trên quy phạm này nên có một số bất cập nhƣ các bảng tra không đƣợc cập nhập; việc xác định một số thông số vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm và chủ quan của ngƣời tính toán. Đỗ Cao Đàm và nnk (1990) [6] đã xuất bản cuốn Thủy văn công trình, trong tài liệu có trình bày cách tính lũ thiết kế, các phƣơng pháp này chủ yếu cũng là các phƣơng pháp đã đƣợc đề cập trong QP. Lê Đình Thành (1997) [7] đã nghiên cứu tìm ra khả năng và điều kiện ứng dụng phƣơng pháp tính mƣa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), từ đó kiến nghị một tiêu chuẩn tính lũ thiết kế hợp lý hơn cho điều kiện Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu đã đề cập một cách chi tiết đến các phƣơng pháp cũng nhƣ tính lũ liên quan đến lũ lớn nhất khả năng, tuy nhiên đối với công trình giao thông mức độ và tiêu chuẩn cũng nhƣ tính chất của công trình nếu xét theo bài toán này cần phải có những nghiên cứu cụ thể hơn nữa trong tƣơng lai. Lê Văn Nghinh (2000) [8] đã biên soạn cuốn Nguyên lý Thủy văn, đây cũng là một tài liệu quan trọng đề cập đến tính toán các đặc trƣng thiết kế nhƣ dòng chảy năm, tháng, lũ, kiệt và mực nƣớc thiết kế. Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cũng bao gồm các phƣơng pháp nằm trong QP. Tuy nhiên, tài liệu chủ yếu đề cập đến dòng chảy tháng và năm thiết kế phục vụ cho xây dựng và vận hành hồ chứa.
Bộ môn TV&TNN (2003) [9] đã biên soạn cuốn Thủy văn thiết kế, đây cũng là tài liệu quan trọng dùng để tính toán các đặc trƣng thiết kế công trình. Tuy nhiên các phƣơng pháp và cách tiếp cận cũng dựa trên nền của QP. Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) [10] đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu cảnh báo dự báo lũ vƣợt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế. Phần mềm này cho phép tính lũ theo tần suất thiết kế dựa vào các công thức kinh nghiệm trong QP.TL C - 6 - 77 nêu trên, phƣơng pháp tính lũ đơn vị SCS, tính lũ lớn nhất khả năng PMF theo phƣơng pháp thống kê của Hasfield.
Tuy nhiên phần mềm này cũng chƣa có sự cập nhập mới nào về bảng tra. 7 Hà Văn Khối và nnk (2012) [11] đã cập nhật và cho tái bản cuốn giáo trình Thủy văn công trình (ấn phẩm đầu tiên đƣợc xuất bản năm 1993) gồm 2 tập trong đó Tập 1 trình bày các phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế. Về cơ bản các phƣơng pháp tính toán đều theo QP.TL C - 6 - 77, tuy nhiên cuốn giáo trình có cập nhập và giới thiệu thêm các kỹ thuật mới sử dụng trong tính toán lũ thiết kế nhƣ mô hình toán thủy văn bao gồm các mô hình thủy văn tất định tính toán dòng chảy từ mƣa, các mô hình lũ đơn vị. Ngô Lê Long và nnk (2015) [12] trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nƣớc “Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất các tiêu chuẩn thiết kế lũ, đê biển trong điều kiện biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng ở Việt Nam và giải pháp phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại” đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các công trình hồ chứa có xét tới tác động của biến đổi khí hậu.
Nghiên cứu cũng đã xác lập đƣợc cơ sở khoa học và thực tiễn của các tiêu chuẩn thiết kế lũ đƣợc đề xuất trong điều kiện biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng ở nƣớc ta đảm bảo an toàn, an sinh xã hội.2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho công trình giao thông Việc tính lũ phục vụ thiết kế các công trình giao thông trên thế giới đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Qua tìm hiểu và phân tích các tài liệu liên quan, có thể phân các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các công trình thoát nƣớc trong giao thông nói chung thành hai nhóm chính: i) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Nhật, phương Tây và Mỹ và ii) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Đông Âu, Nga và Việt Nam (hình 1.1 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông trên thế giới 8 1.1 Tính lũ thiết kế ở các nước Nhật, phương Tây và Mỹ +) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Nhật bản Tính lũ thiết kế ở Nhật đƣợc đề cập trong nhiều tài liệu tính toán thủy văn ở các hƣớng dẫn, quy phạm, quy chuẩn thiết kế công trình; một trong những tài liệu cơ bản mang tính pháp lý đƣợc sử dụng nhiều cho ngành giao thông là: Hƣớng dẫn tính thủy văn thủy lực - Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật cho các dự án thiết kế (phần kiểm soát lũ) [13], [14].