Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Mạng lưới giao thông đường bộ đóng vai trò huyết mạch trong phát triển kinh tế - xã hội và bảo đảm an ninh quốc phòng. Tại Việt Nam, địa hình đồi núi chiếm hơn 2/3 diện tích tự nhiên, trong đó hệ thống đường bộ miền núi chiếm trên 70% tổng chiều dài toàn quốc. Phần lớn các tuyến đường miền núi được xây dựng ở quy mô kỹ thuật cấp thấp (chủ yếu là cấp V, một số đoạn đạt cấp III và IV), các hạng mục thoát nước như cầu, cống, rãnh xả nước chưa được đầu tư và tính toán thủy văn, thủy lực đầy đủ.

Trong bối cảnh quy chuẩn thiết kế đường và công trình giao thông có sự chuyển đổi (từ các tiêu chuẩn 22 TCN 4054-85, 22 TCN 4054-98 sang 22 TCN 4054-2005; các tiêu chuẩn tính lũ từ 22 TCN-1995, 22 TCN 273-01, 22 TCN 273-05 sang TCVN 9845:2013), yêu cầu kỹ thuật và an toàn công trình ngày càng nâng cao. Đồng thời, tác động của biến đổi khí hậu kết hợp điều kiện tự nhiên nhiệt đới gió mùa khiến mưa lũ xuất hiện với cường độ lớn và diễn biến phức tạp. Tình trạng sạt lở taluy âm, taluy dương, xói trôi mố trụ, ngập lụt mặt đường diễn ra thường xuyên, gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và gián đoạn lưu thông.

Khoảng trống nghiên cứu then chốt xuất phát từ việc tính toán dòng chảy lũ thiết kế cho công trình giao thông tại Việt Nam hiện nay chủ yếu dựa trên TCVN 9845:2013 (kế thừa từ quy phạm QP.TL C-6-77). Các phương pháp này (như công thức Cường độ giới hạn, Xokolopsky) sử dụng nhiều hệ số, bảng tra hình thành từ Liên Xô cũ trong điều kiện chuỗi số liệu quan trắc ngắn, chưa được chuẩn hóa phù hợp với đặc thù mặt đệm và mưa lũ tại Việt Nam. Bên cạnh đó, vùng núi Đông Bắc đối mặt với tình trạng thiếu hụt dữ liệu mưa và dòng chảy thời đoạn ngắn (chủ yếu chỉ có số liệu mưa ngày), dẫn đến sai số lớn và phụ thuộc nhiều vào tính chủ quan của người thiết kế. Do đó, việc nghiên cứu biến động mưa lũ, chi tiết hóa tham số mưa và mặt đệm để xác lập cơ sở khoa học tính lũ cho các công trình giao thông khu vực Đông Bắc là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là: Nghiên cứu những biến động của mưa lũ, chi tiết hóa mưa và mặt đệm, xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc – Việt Nam.

Luận án đặt ra 5 câu hỏi nghiên cứu cụ thể:

  1. Dựa trên tiêu chí nào để lựa chọn phương pháp tính lũ thiết kế đang được sử dụng ở các nước tiên tiến trong trường hợp không có tài liệu thực đo?
  2. Cơ sở khoa học nào dùng tính đặc trưng mưa và mặt đệm trong điều kiện thiếu tài liệu mưa thời đoạn ngắn, chi tiết hóa mặt đệm để ứng dụng các phương pháp tính lũ đã lựa chọn?
  3. Các phương pháp nào có thể được ứng dụng để tính thử nghiệm cho các công trình thực tế?
  4. Những tồn tại và hướng giải quyết trong công tác thiết kế các công trình thoát nước cho công trình giao thông?
  5. Bằng cách nào có thể tích hợp được cơ sở dữ liệu trong chương trình tính lũ nhằm thuận tiện trong tính lũ thiết kế?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mưa và dòng chảy lũ thiết kế phục vụ tính toán, xây dựng các công trình thoát nước (cầu, cống, rãnh thoát nước) trên các tuyến quốc lộ.
  • Phạm vi không gian: Tập trung trên địa bàn hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn thuộc vùng núi Đông Bắc – Việt Nam, khảo sát các tuyến quốc lộ chính gồm QL1A, QL1B, QL3, QL3B, QL4A, QL4B, QL31, QL279.
  • Phạm vi thời gian và số liệu: Chuỗi dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn thu thập từ năm 1958 đến năm 2014; dữ liệu sự cố và thống kê thiệt hại giao thông giai đoạn 2012–2013; kiểm định các trận lũ lịch sử (năm 1986, 2008, 2013, 2014).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Vấn đề tính toán dòng chảy lũ thiết kế cho công trình kỹ thuật nói chung và giao thông nói riêng được phân thành hai nhóm phương pháp chính: phương pháp trực tiếp (thống kê xác suất khi có chuỗi số liệu thực đo đủ dài) và phương pháp gián tiếp (tính toán từ mưa và đặc trưng mặt đệm khi thiếu hoặc không có số liệu dòng chảy).

  • Tại Hoa Kỳ và các nước phương Tây: Chow (1964), Shaw [1], Chow và Maidment (1988) [2] đã hệ thống hóa các phương pháp tính toán thủy văn thiết kế, xây dựng đường cong cường độ - thời gian - tần suất mưa (IDF), đường cong tích lũy mưa 24 giờ, tính toán mưa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), mô hình quan hệ (Rational Method: $Q = C \cdot I \cdot A$). Vijay (2002) [3] tổng kết 15 mô hình toán tính lũ cho lưu vực nhỏ (mô hình Nash, Clark, SCS, đường lũ đơn vị tức thời). Hướng dẫn của AASHTO [17], [18], FHWA [19], [20], tiêu chuẩn TR55 (WinTR55) của NRCS [21], [22] và phương trình hồi quy vùng của USGS được ứng dụng rộng rãi. Bruce (2007) [30] điểm lại lịch sử các công thức thoát nước đường bộ tại Mỹ từ bảng Dun (1890, 1906), công thức Myers (1879), Talbot (1887), Burkli-Ziegler (1880) đến mô hình quan hệ (Mulvany 1851, Dooge 1957).
  • Tại Nhật Bản: Hướng dẫn kỹ thuật kiểm soát lũ [13], [14] và DPWH (2002) [26] quy định lưu vực $A < 20\text{ km}^2$ sử dụng mô hình quan hệ kết hợp đường cong IDF; lưu vực $A > 20\text{ km}^2$ kết hợp thêm đường lũ đơn vị và phương trình lượng trữ; lưu vực có số liệu đo đạc ($n \ge 10\text{ năm}$) sử dụng phân tích tần suất theo Bulletin (1982).
  • Tại Anh và Úc: Cơ quan đường bộ quốc gia Anh [15], [16] quy định tính toán cho lưu vực $A < 20\text{ km}^2$ dựa trên mưa năm, diện tích và thổ nhưỡng. Tại Úc, tiêu chuẩn AR&R (Engineers Australia 2006, 2013) [28], [29] hướng dẫn mô hình quan hệ với hệ số dòng chảy $C$ phân theo thời kỳ lặp lại ($C_2, C_5, C_{20}, C_{50}$ chuyển đổi từ $C_{10}$) cho lưu vực $A < 50\text{ km}^2$, và mô hình toán RORB cho lưu vực $A \ge 50\text{ km}^2$.
  • Tại Nga và Đông Âu: Quy trình BCH 63-67, tiêu chuẩn CH 435-72, các công trình của Fedorov (1972, 1975), Kocherin, Protodiakonov, Bephan, Alekceev xây dựng các phương pháp Cường độ giới hạn (lưu vực $F < 100\text{ km}^2$) và Xokolopsky (công thức thể tích, lưu vực $F > 100\text{ km}^2$).

Các nghiên cứu tại Việt Nam và khoảng trống luận án giải quyết

Tại Việt Nam, cơ sở tính toán thủy văn thiết kế chủ yếu dựa trên Quy phạm QP.TL C-6-77 [5] và các giáo trình, tài liệu chuyên khảo của Đỗ Cao Đàm và nnk (1990) [6], Lê Đình Thành (1997) [7] về PMP/PMF, Lê Văn Nghinh (2000) [8], Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước (2003) [9], Hà Văn Khối và nnk (2012) [11], Ngô Lê Long và nnk (2015) [12]. Trong ngành giao thông, các tài liệu hướng dẫn gồm tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-01, tiêu chuẩn thiết kế đường 22 TCN 273-01, Sổ tay tính toán thủy văn - thủy lực cầu đường (Bộ GTVT, 2006) [35], tài liệu của Trần Đình Nghiên (2003) [33], Nguyễn Quang Chiêu và Trần Tuấn Hiệp (2004) [34], Nguyễn Xuân Trục (2009) [37], TCVN 9845:2013.

Các nghiên cứu thực trạng sự cố công trình giao thông của Mai Anh Tuấn (2003) [32], Đoàn Như Thái Dương (2012) [38], Nguyễn Tiến Cương (2012) [39] chỉ ra hư hỏng đường miền núi chủ yếu do mưa lũ vượt thiết kế, tắc nghẽn hoặc thiếu khẩu độ thoát nước. Nghiên cứu của Nguyễn Anh Tuấn (2014) [40] tính toán lại mưa ngày thiết kế ($H_{n,p}$) tại 14 trạm khí tượng nhưng chưa giải quyết đồng bộ bài toán dòng chảy lũ mặt đệm cho công trình giao thông.

Khoảng trống giải quyết: Luận án tập trung xử lý sự bất cập của các bảng tra truyền thống, khắc phục việc thiếu số liệu mưa thời đoạn ngắn bằng phương pháp chuyển đổi toán học, đồng thời ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để số hóa các bản đồ chuyên đề mặt đệm (chỉ số $CN$, hệ số $C$, hệ số nhám Manning $n$), xây dựng công cụ tính toán đồng bộ cho vùng núi Đông Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

Luận án tiếp cận 3 phương pháp tính lũ gián tiếp phổ biến trên thế giới:

  1. Phương pháp mô hình quan hệ (Rational Method / CIA): $$Q = 0{,}278 \cdot C \cdot I \cdot A$$ Trong đó: $Q$ là lưu lượng đỉnh lũ thiết kế ($\text{m}^3/\text{s}$); $C$ là hệ số dòng chảy không thứ nguyên; $I$ là cường độ mưa thiết kế ứng với thời gian tập trung dòng chảy $T_c$ ($\text{mm}/\text{h}$); $A$ là diện tích lưu vực ($\text{km}^2$).
  2. Phương pháp SCS-CN (Soil Conservation Service - Curve Number): Xác định lượng dòng chảy sinh lũ ($P_e$) và đường lũ đơn vị tổng hợp dựa trên chỉ số đường cong dòng chảy $CN$, phân nhóm đất thủy văn (A, B, C, D) và hiện trạng thảm phủ bề mặt: $$S = \frac{25400}{CN} - 254$$ $$P_e = \frac{(P - 0{,}2S)^2}{P + 0{,}8S} \quad (\text{với } P > 0{,}2S)$$
  3. Phương trình hồi quy vùng: Xác định tương quan giữa lưu lượng đỉnh lũ thiết kế theo tần suất ($Q_{100}, Q_{50}, Q_{25}, Q_{10}$) với diện tích lưu vực ($A$) và các yếu tố hình thái, lượng mưa.
  4. Phương pháp đối chứng hiện hành (TCVN 9845:2013 / QP.TL C-6-77):
    • Phương pháp Cường độ giới hạn: $Q_p = K \cdot A_p \cdot \alpha_\tau \cdot F$ (lưu vực $F \le 100\text{ km}^2$).
    • Phương pháp Xokolopsky: công thức thể tích dựa trên đường cong triết giảm mưa và thời gian lũ lên (lưu vực $F > 100\text{ km}^2$).

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

  • Phương pháp thống kê toán học: Sử dụng kiểm định phi tham số Mann-Kendall và hệ số độ dốc Sen để phát hiện xu thế biến đổi lượng mưa ngày lớn nhất theo chuỗi thời gian; phân tích tần suất theo phân phối Gumbel (EVT1) và kiểm định độ phù hợp bằng chỉ tiêu $\chi^2$ (Chi-bình phương).
  • Phương pháp viễn thám và GIS: Xử lý mô hình số độ cao (DEM), giải đoán ảnh vệ tinh xác định hiện trạng sử dụng đất, phân tích không gian xác định ranh giới tiểu lưu vực, độ dốc lưu vực ($S$), chiều dài sông chính ($L, L_c$), thành lập bản đồ số hóa $CN$, $C$, $n$ và bản đồ đẳng trị cường độ mưa ($I_{1-100}$).
  • Phương pháp mô hình toán và tính toán thử nghiệm: Tính toán kiểm chứng 5 phương pháp cho 40 lưu vực công trình cầu thực tế tại hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn.
  • Kỹ thuật phần mềm: Xây dựng phần mềm tích hợp cơ sở dữ liệu trên nền ảnh vệ tinh Google Maps và GIS để tự động hóa quy trình tra cứu và tính toán lũ.

Cơ sở dữ liệu sử dụng

Nhóm dữ liệu Quy mô và phạm vi số liệu Mục đích sử dụng
Mưa ngày 154 trạm toàn vùng Đông Bắc (32 trạm đo dài từ 1975 đến 2014); 42 trạm tại Bắc Kạn và Lạng Sơn (23 trạm có chuỗi quan trắc dài). Đánh giá xu thế biến đổi mưa theo không gian/thời gian; xây dựng bản đồ hệ số biến sai $C_v$.
Mưa tự ghi (mưa giờ) 08 trạm đo tự ghi: Bắc Kạn, Chợ Rã, Ngân Sơn, Bắc Sơn, Lạng Sơn, Hữu Lũng, Thất Khê, Đình Lập. Xây dựng quan hệ tương quan mưa ngày - mưa giờ; thiết lập bộ đường cong IDF và đường phân bố lũy tích 24h.
Dòng chảy thủy văn 07 trạm thủy văn chính: Lạng Sơn (sông Kỳ Cùng), Vân Mịch (sông Bắc Giang), Bắc Khê (sông Bắc Khê), Chi Lăng (sông Thương), Cầu Sơn (sông Thương), Hữu Lũng (sông Trung), Thác Giềng (sông Cầu). Đánh giá đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm và hiệu chỉnh mô hình.
Mặt đệm & Địa hình Bản đồ địa hình tỉ lệ 1:50.000, bản đồ thổ nhưỡng (khoảng 20 phân vị địa tầng), bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất. Phân nhóm đất thủy văn, tính toán các thông số $CN, C, n$, độ dốc và diện tích tiểu lưu vực.
Hạ tầng & Sự cố giao thông Thống kê 147 công trình cầu trên các quốc lộ QL1A, 1B, 3, 3B, 4A, 4B, 31, 279; số liệu thiệt hại do Sở GTVT Bắc Kạn và Lạng Sơn cung cấp (2012–2013). Phân loại khẩu độ công trình, đánh giá nguyên nhân hư hỏng và lựa chọn lưu vực thử nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận, tiêu chuẩn quốc tế và trong nước về tính toán thủy văn công trình giao thông, đồng thời phân tích điều kiện tự nhiên, hiện trạng hạ tầng và nguyên nhân sự cố tại vùng nghiên cứu.

1. Khung quy định tần suất thiết kế công trình giao thông: Quy chuẩn thiết kế cầu đường bộ (22 TCN 272-01, 22 TCN 273-01) xác định tần suất lũ thiết kế dựa theo cấp đường và loại công trình:

Cấp đường Nền đường Cầu lớn và cầu trung ($L > 25\text{ m}$) Cầu nhỏ và cống ($L < 25\text{ m}$) Rãnh thoát nước
Đường cao tốc, Cấp I, II Như cầu nhỏ/cống $1:100$ ($p = 1%$) $1:100$ ($p = 1%$) $1:25$ ($p = 4%$)
Cấp III Như cầu nhỏ/cống $1:100$ ($p = 1%$) $1:50$ ($p = 2%$) $1:25$ ($p = 4%$)
Cấp IV Như cầu nhỏ/cống $1:50$ ($p = 2%$) $1:25$ ($p = 4%$) $1:25$ ($p = 4%$)

Ghi chú trong tiêu chuẩn: Cầu có khẩu độ $L_c \ge 10\text{ m}$ và kết cấu vĩnh cửu có tần suất tính toán là $1:100$ không phụ thuộc cấp đường.

2. Đặc trưng khí hậu và thủy văn vùng nghiên cứu: Khu vực Bắc Kạn và Lạng Sơn có địa hình đồi núi chiếm 80%, độ chia cắt sâu và độ dốc lớn. Nhiệt độ trung bình năm từ 20–22°C, độ ẩm trung bình 84%, lượng bốc hơi trung bình năm 753,5 mm. Lượng mưa tập trung 75–80% vào mùa mưa (tháng V đến tháng IX). Lượng mưa ngày lớn nhất lịch sử ghi nhận: tại Đình Lập đạt 306,4 mm (14/7/1971); tại Bắc Kạn đạt 456,1 mm (17/10/1984).

Dòng chảy trung bình nhiều năm tại các trạm thủy văn đại diện:

  • Trạm Lạng Sơn (sông Kỳ Cùng): $Q = 29{,}5\text{ m}^3/\text{s}$; $M = 18{,}9\text{ l}/\text{s}\cdot\text{km}^2$; $Y = 595\text{ mm}$.
  • Trạm Vân Mịch (sông Bắc Giang): $Q = 43{,}5\text{ m}^3/\text{s}$; $M = 18{,}4\text{ l}/\text{s}\cdot\text{km}^2$; $Y = 612\text{ mm}$.
  • Trạm Bắc Khê (sông Bắc Khê): $Q = 11{,}0\text{ m}^3/\text{s}$; $M = 18{,}6\text{ l}/\text{s}\cdot\text{km}^2$; $Y = 617\text{ mm}$.
  • Trạm Chi Lăng (sông Thương): $Q = 3{,}62\text{ m}^3/\text{s}$; $M = 14{,}7\text{ l}/\text{s}\cdot\text{km}^2$; $Y = 489\text{ mm}$.
  • Trạm Cầu Sơn (sông Thương): $Q = 36{,}4\text{ m}^3/\text{s}$; $M = 15{,}6\text{ l}/\text{s}\cdot\text{km}^2$; $Y = 498\text{ mm}$.
  • Trạm Hữu Lũng (sông Trung): $Q = 26{,}5\text{ m}^3/\text{s}$; $M = 21{,}7\text{ l}/\text{s}\cdot\text{km}^2$; $Y = 701\text{ mm}$.
  • Trạm Thác Giềng (sông Cầu): $Q = 17{,}3\text{ m}^3/\text{s}$; $Y = 650\text{ mm}$.

3. Hiện trạng mạng lưới cầu và thống kê thiệt hại do mưa lũ: Thống kê 147 cây cầu trên các tuyến quốc lộ tại 2 tỉnh cho thấy: cầu lớn và trung ($L > 25\text{ m}$) có 72 chiếc (chiếm 48%); cầu nhỏ ($L < 25\text{ m}$) có 75 chiếc (chiếm 52%). Có 07 cầu có chiều dài $L > 50\text{ m}$ (Thác Giềng, Kỳ Lừa, Sáu Hai, Hát Deng, Pác Cáp, Nà Làng, Nà Thi).

Thống kê sự cố giao thông trong mùa mưa lũ tại khu vực:

  • Năm 2012: Đường tỉnh sạt lở $62.365{,}5\text{ m}^3$ taluy dương, hỏng $1.187{,}5\text{ m}^2$ mặt đường, xói lở 380 m lề đường, thiệt hại 3,7 tỷ đồng; Tuyến QL3B sạt lở 150 rọ đá taluy âm, hỏng $662\text{ m}^3$ mặt đường, hỏng 1/4 mố cầu, thiệt hại 1,3 tỷ đồng; Tuyến QL279 sạt lở taluy âm 44 rọ đá, thiệt hại 650 triệu đồng.
  • Năm 2013: Đường tỉnh sạt lở $298.029\text{ m}^3$ taluy dương, $2.863$ rọ taluy âm, hỏng $2.900\text{ m}^2$ mặt đường, hỏng 01 cống tại Km 312+880, xói lề đường 500 m, tổng thiệt hại 51,2 tỷ đồng; Tuyến QL3B thiệt hại 1,3 tỷ đồng; Tuyến QL279 sạt lở 322 rọ taluy âm, thiệt hại 3,1 tỷ đồng.

4. Hạn chế cốt lõi của phương pháp tính toán hiện hành: Việc chọn tần suất thiết kế chỉ theo cấp đường mà chưa xét yếu tố khắc nghiệt cục bộ; tính toán chỉ chú trọng đỉnh lũ $Q_{\max}$ mà bỏ qua tổng lượng lũ $W$ dẫn đến tích nước thượng lưu, tạo áp lực phá hủy mố trụ và thân cống; các bảng tra hệ số dòng chảy, thời gian tập trung dòng chảy, mô đun đỉnh lũ và đường cong triết giảm mưa trong TCVN 9845:2013 quá cũ, phân vùng mưa quá rộng, gây sai số tích lũy lớn.

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán thiếu số liệu mưa thời đoạn ngắn và số hóa các tham số mặt đệm bằng các công cụ toán thống kê, viễn thám và GIS.

1. Xây dựng cơ sở dữ liệu mưa:

  • Đánh giá xu thế biến đổi: Luận án áp dụng kiểm định Mann-Kendall và độ dốc Sen trên chuỗi mưa ngày cực đại ($X_{1\text{ng}\max}$) tại các trạm đo; xây dựng bản đồ phân bố hệ số biến thiên $C_v$ lượng mưa ngày lớn nhất toàn vùng Đông Bắc.
  • Chuyển đổi mưa ngày thành mưa thời đoạn ngắn: Do thiếu trạm tự ghi, tác giả thiết lập hàm tương quan giữa mưa ngày lớn nhất ($X_{1\text{ng}\max}$) và mưa các thời đoạn ngắn ($X_{1\text{h}\max}, X_{3\text{h}\max}, X_{6\text{h}\max}, X_{12\text{h}\max}, X_{24\text{h}\max}$) ứng với tần suất $T = 50\text{ năm}$ và $T = 100\text{ năm}$ cho hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn.
  • Xây dựng bộ đường cong cường độ mưa (IDF): Thiết lập phương trình đường cong IDF dạng hàm mũ $I = \frac{a}{(t + b)^c}$ cho các trạm quan trắc (Lạng Sơn, Đình Lập, Hữu Lũng, Thất Khê, Chợ Rã, Ngân Sơn, Bắc Sơn, Bắc Kạn) ứng với các chu kỳ lặp lại $T = 5, 10, 25, 50, 100, 200\text{ năm}$; xây dựng bản đồ đẳng trị cường độ mưa 1 giờ ứng với chu kỳ 100 năm ($I_{1-100}$).
  • Đường phân bố lũy tích mưa 24 giờ: Xây dựng biểu đồ phân bố tích lũy mưa phục vụ tính toán diễn toán lũ theo mô hình SCS.

2. Xây dựng cơ sở dữ liệu mặt đệm:

  • Phân loại nhóm đất thủy văn: Dựa trên đặc điểm thổ nhưỡng phát sinh từ 20 phân vị địa tầng (đá granit, đá andezit, đá vôi, phiến sét, phù sa cổ), đất đai khu vực được phân chia thành 4 nhóm đất thủy văn (A, B, C, D) theo khả năng thấm nước.
  • Thành lập bản đồ số hóa:
    • Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và thảm phủ thực vật từ ảnh viễn thám.
    • Bản đồ phân bố chỉ số đường cong dòng chảy $CN$ cho tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn.
    • Bản đồ phân bố hệ số dòng chảy $C$ (xét trường hợp độ dốc lưu vực $S > 6%$).
    • Bản đồ phân bố hệ số nhám Manning $n$ cho sườn dốc và lòng dẫn.
    • Ứng dụng công cụ GIS trích xuất tự động các đặc trưng hình thái lưu vực (diện tích $A$, chiều dài sông chính $L$, độ dốc lưu vực $S$) cho các tiểu lưu vực thoát nước.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Chương 3 tiến hành thử nghiệm, so sánh các phương pháp tính lũ trên các lưu vực thực tế và đề xuất quy trình áp dụng cùng phần mềm hỗ trợ.

1. Phân nhóm lưu vực công trình thoát nước: Dựa trên quy mô diện tích đón nước ($A$), các công trình thoát nước được phân chia thành 4 nhóm:

  • Nhóm 1: Tiểu lưu vực rất nhỏ ($A < 5\text{ km}^2$).
  • Nhóm 2: Lưu vực nhỏ ($A = 5 - 30\text{ km}^2$).
  • Nhóm 3: Lưu vực vừa ($A = 30 - 100\text{ km}^2$).
  • Nhóm 4: Lưu vực lớn ($A > 100\text{ km}^2$).

2. Kết quả tính toán thử nghiệm: Luận án tính toán thử nghiệm trên 40 lưu vực cầu, trong đó phân tích chuyên sâu cho 4 lưu vực cầu điển hình đại diện cho các dải diện tích khác nhau: Cầu Can, Cầu Bản Chắt, Cầu Pắc Vằng, Cầu Kỳ Lừa (cùng các cầu Bắc Khương, Khuổi Lu...). Tiến hành so sánh kết quả lưu lượng đỉnh lũ thiết kế $Q_p$ theo 5 phương pháp:

  1. Phương pháp SCS-CN.
  2. Phương pháp mô hình quan hệ (CIA).
  3. Phương trình hồi quy tương quan ($Q_p \sim A$).
  4. Phương pháp Xokolopsky (TCVN 9845:2013).
  5. Phương pháp Cường độ giới hạn (TCVN 9845:2013).

Kết quả đối sánh cho thấy:

  • Phương pháp mô hình quan hệ (CIA) phù hợp và cho kết quả ổn định đối với các lưu vực nhỏ ($A < 5\text{ km}^2$), nơi thời gian tập trung dòng chảy ngắn ($T_c < 1\text{ h}$) và dòng chảy tràn bề mặt chiếm ưu thế.
  • Phương pháp SCS-CN phản ánh sát thực tế quá trình hình thành dòng chảy trên các lưu vực có diện tích từ $5\text{ km}^2$ đến $100\text{ km}^2$, nhờ tận dụng chi tiết bản đồ số hóa $CN$ và biểu đồ phân bố mưa 24 giờ, cho phép xác định đồng thời đỉnh lũ và quá trình lũ.
  • Phương trình hồi quy vùng ($Q_{100}, Q_{50}, Q_{25}, Q_{10} \sim A$) thích hợp cho công tác quy hoạch sơ bộ, lập dự án tiền khả thi khi chưa có điều kiện khảo sát chi tiết.
  • Các phương pháp theo TCVN 9845:2013 khi tra cứu thủ công từ bảng tra cũ dễ dẫn đến hiện tượng thiên lớn hoặc thiên nhỏ do tính chủ quan khi chọn hệ số.

3. Đề xuất phương pháp tính lũ thiết kế cho vùng núi Đông Bắc:

Quy mô diện tích lưu vực ($A$) Phương pháp kiến nghị áp dụng Cơ sở dữ liệu và thông số yêu cầu
$A < 5\text{ km}^2$ Phương pháp mô hình quan hệ (CIA) Bản đồ hệ số dòng chảy $C$, đường cong IDF, thời gian tập trung dòng chảy $T_c$, diện tích $A$.
$A = 5 - 100\text{ km}^2$ Phương pháp SCS-CN Bản đồ chỉ số $CN$, phân bố mưa 24 giờ, đường lũ đơn vị tổng hợp SCS, diện tích $A$.
$A > 100\text{ km}^2$ Phương pháp Xokolopsky hoặc mô hình thủy văn chuyên dụng Lượng mưa thiết kế, đường cong triết giảm mưa, hệ số hình dạng lũ, diễn toán thủy lực lòng dẫn.
Quy hoạch tuyến / Sơ bộ Phương trình hồi quy tương quan Tương quan $Q_p \sim A$ xây dựng riêng cho vùng Đông Bắc.

4. Xây dựng chương trình tính lũ thiết kế: Tác giả đã lập trình phần mềm hỗ trợ tính lũ chạy trên nền giao diện ảnh vệ tinh Google Maps tích hợp GIS. Phần mềm cho phép người dùng định vị công trình cầu/cống, tự động trích xuất các thông số mặt đệm ($CN, C, n, A, S, L$) từ cơ sở dữ liệu số hóa, nhập thông số mưa từ bộ đường cong IDF và tính toán tự động lưu lượng đỉnh lũ thiết kế theo các phương pháp được kiến nghị.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và phương pháp luận

  1. Phương pháp luận chi tiết hóa mưa thời đoạn ngắn: Xây dựng thành công hệ phương trình tương quan chuyển đổi lượng mưa ngày thiết kế sang mưa các thời đoạn ngắn ($1\text{h}, 3\text{h}, 6\text{h}, 12\text{h}, 24\text{h}$) và bộ đường cong IDF dạng hàm mũ cho vùng núi Đông Bắc, giải quyết triệt để rào cản thiếu dữ liệu trạm mưa tự ghi.
  2. Số hóa cơ sở dữ liệu mặt đệm: Ứng dụng viễn thám và GIS để xây dựng hệ thống bản đồ chuyên đề tỷ lệ lớn gồm bản đồ nhóm đất thủy văn, bản đồ chỉ số $CN$, bản đồ hệ số dòng chảy $C$, bản đồ nhám Manning $n$ và bản đồ đẳng trị cường độ mưa $I_{1-100}$, thay thế các bảng tra định tính cũ.
  3. Chuẩn hóa khung phương pháp tính lũ cho công trình giao thông: Đưa ra tiêu chí phân chia quy mô lưu vực rõ ràng và xác lập phạm vi ứng dụng chuẩn xác cho các phương pháp tiên tiến (mô hình quan hệ cho $A < 5\text{ km}^2$, SCS-CN cho $A = 5 - 100\text{ km}^2$).

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  • Cung cấp bộ công cụ tra cứu tham số mưa và mặt đệm hoàn chỉnh cho các kỹ sư thiết kế công trình giao thông trên địa bàn hai tỉnh Bắc Kạn, Lạng Sơn và khu vực Đông Bắc.
  • Xây dựng phần mềm tích hợp giao diện Google Maps/GIS hỗ trợ tính toán tự động, giảm thiểu sai số chủ quan, nâng cao độ an toàn và độ tin cậy khi xác định khẩu độ cầu, cống, rãnh thoát nước.
  • Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo phục vụ rà soát, điều chỉnh và cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật ngành giao thông vận tải và thủy lợi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về phạm vi không gian và chuỗi số liệu: Luận án mới tập trung tính toán thử nghiệm chi tiết trên mạng lưới quốc lộ thuộc địa bàn hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn; chuỗi số liệu dòng chảy thực đo tại các sông suối nhỏ vùng núi còn rất ngắn và thiếu đồng bộ, hạn chế khả năng kiểm định mô hình bằng dữ liệu thủy văn thực đo.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    1. Mở rộng phạm vi nghiên cứu, thu thập bổ sung số liệu để số hóa bản đồ chuyên đề mặt đệm và đường cong IDF cho toàn bộ các tỉnh còn lại thuộc khu vực miền núi phía Bắc.
    2. Tiếp tục quan trắc, thu thập số liệu mưa - dòng chảy thực tế tại các lưu vực cầu nhỏ để kiểm nghiệm, hiệu chỉnh và tối ưu hóa bộ thông số của chương trình tính toán.
    3. Bổ sung các mô-đun tính toán thủy lực chi tiết (xói lở mố trụ cầu, diễn toán thủy lực cống có áp/bán áp) tích hợp hoàn chỉnh vào phần mềm.

Giá trị tham khảo

  • Đối với các kỹ sư tư vấn thiết kế cầu đường: Sử dụng trực tiếp bộ đường cong IDF, bản đồ số hóa ($CN, C, n$) và phần mềm để tính toán khẩu độ thoát nước cho các dự án xây dựng mới, nâng cấp quốc lộ và đường tỉnh miền núi.
  • Đối với cơ quan quản lý và bảo trì đường bộ (Sở GTVT, Tổng cục Đường bộ): Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá khả năng thoát nước của hệ thống cầu cống hiện hữu, xác định các điểm đen ngập lụt, sạt lở để lập kế hoạch duy tu, sửa chữa.
  • Đối với công tác đào tạo và nghiên cứu học thuật: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu cho giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật Công trình Giao thông, Thủy lợi và Tài nguyên nước về phương pháp ứng dụng GIS/viễn thám trong thủy văn công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các phương pháp tính lũ theo TCVN 9845:2013 bộc lộ nhiều hạn chế khi áp dụng cho công trình giao thông miền núi Đông Bắc?

Các phương pháp trong TCVN 9845:2013 (như Cường độ giới hạn, Xokolopsky) kế thừa từ quy phạm QP.TL C-6-77 của Liên Xô cũ. Khi áp dụng tại Việt Nam, các bảng tra thông số (hệ số dòng chảy, thời gian chảy sườn dốc, mô đun đỉnh lũ, tọa độ đường cong triết giảm mưa) được lập từ bản đồ giấy tỷ lệ nhỏ và chuỗi số liệu quan trắc ngắn trước đây. Việc tra cứu thủ công phụ thuộc nhiều vào cảm tính người tính, phân vùng mưa quá rộng, không phản ánh được sự biến động vi khí hậu và đặc điểm thảm phủ thực tế tại vùng núi Đông Bắc.

2. Luận án giải quyết khó khăn về thiếu số liệu mưa tự ghi thời đoạn ngắn bằng cách nào?

Luận án thu thập dữ liệu từ 8 trạm mưa tự ghi có chuỗi số liệu dài trong khu vực (Bắc Kạn, Chợ Rã, Ngân Sơn, Bắc Sơn, Lạng Sơn, Hữu Lũng, Thất Khê, Đình Lập) để thiết lập quan hệ tương quan giữa lượng mưa ngày lớn nhất ($X_{1\text{ng}\max}$) với mưa các thời đoạn $1\text{h}, 3\text{h}, 6\text{h}, 12\text{h}, 24\text{h}$ cực đại theo các tần suất ($T = 50, 100\text{ năm}$). Từ đó, chuyển đổi chuỗi số liệu mưa ngày tại 23 trạm đo sang mưa thời đoạn ngắn và thiết lập bộ đường cong IDF dạng hàm mũ $I = \frac{a}{(t + b)^c}$ cho toàn vùng.

3. Phương pháp SCS-CN được xây dựng dựa trên các tham số mặt đệm nào trong luận án?

Phương pháp SCS-CN dựa trên 3 nhóm tham số mặt đệm chính:

  1. Nhóm đất thủy văn (A, B, C, D) xác định từ bản đồ thổ nhưỡng và 20 phân vị địa tầng.
  2. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ thực vật giải đoán từ ảnh viễn thám.
  3. Chỉ số đường cong dòng chảy $CN$ được tích hợp số hóa trên bản đồ GIS từ ma trận kết hợp giữa nhóm đất và loại hình sử dụng đất, cho phép xác định lượng dòng chảy sinh lũ $P_e$ và đường lũ đơn vị tổng hợp.

4. Luận án kiến nghị lựa chọn phương pháp tính lũ thiết kế theo quy mô diện tích lưu vực như thế nào?

Luận án kiến nghị:

  • Lưu vực rất nhỏ ($A < 5\text{ km}^2$): Áp dụng phương pháp mô hình quan hệ (CIA / Rational Method) kết hợp đường cong IDF và bản đồ hệ số dòng chảy $C$.
  • Lưu vực nhỏ và vừa ($A = 5 - 100\text{ km}^2$): Áp dụng phương pháp SCS-CN kết hợp biểu đồ mưa 24 giờ và bản đồ chỉ số $CN$.
  • Lưu vực lớn ($A > 100\text{ km}^2$): Áp dụng phương pháp Xokolopsky hoặc mô hình thủy văn chuyên dụng.
  • Quy hoạch sơ bộ: Áp dụng phương trình hồi quy tương quan vùng ($Q_p \sim A$).

5. Phần mềm tính lũ thiết kế do tác giả xây dựng có những tính năng kỹ thuật nổi bật gì?

Phần mềm được xây dựng trên nền tảng tích hợp bản đồ ảnh vệ tinh Google Maps và công nghệ GIS. Người dùng chỉ cần định vị vị trí công trình cầu/cống trên bản đồ, phần mềm sẽ tự động xác định ranh giới lưu vực, tính diện tích $A$, độ dốc $S$, chiều dài dòng chính $L$, tự động trích xuất chỉ số $CN$, hệ số $C$, hệ số nhám $n$ từ cơ sở dữ liệu số hóa, nhập thông số mưa từ đường cong IDF và tính toán lưu lượng lũ thiết kế tự động.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Doãn Thị Nội đã giải quyết đồng bộ cơ sở khoa học tính toán dòng chảy lũ thiết kế phục vụ công trình giao thông tại vùng núi Đông Bắc Việt Nam. Bằng việc kết hợp phương pháp toán thống kê, công nghệ viễn thám và GIS, nghiên cứu đã khắc phục thành công tình trạng thiếu dữ liệu mưa thời đoạn ngắn và số hóa toàn diện các tham số mặt đệm. Các phương pháp tính toán kiến nghị (Mô hình quan hệ cho $A < 5\text{ km}^2$ và SCS-CN cho $A = 5 - 100\text{ km}^2$) cùng phần mềm hỗ trợ tính toán trên nền ảnh vệ tinh là giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, góp phần bảo đảm an toàn và nâng cao hiệu quả đầu tư công trình giao thông miền núi.