CHƯƠNG 1 TONG QUAN 1.1 Tổng quan về mô hình mưa tiêu thiết kế 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 suất thiết kế được xác định dùng để thiết kế một hệ thống tiêu nào đó. Mô hình trận mưa tiêu thiết kế bao gồm: thời gian mưa; tổng lượng mưa của cả trận mưa tương ứng với tần suất thiết kế và phân bố mưa theo thời gian của trận mưa tương ứng với tần suất thiết kế. Mưa thiết kế được tính toán xác định dựa trên cơ sở các số liệu đo đạc về mưa trong nhiều năm tại một địa điểm hoặc dựa theo các đặc tính chung của mưa trong các vùng lân cận, 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 dụng của mưa thiết kế rất rộng lớn từ việc sử dụng 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 vực ngăn nước mưa cho các khu dân cư, đô thị hoặc là cơ sở để đề ra các giải pháp cải tạo, nâng cấp 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 xuất hiện tại một điểm đơn độc trong không gian, nó đối lập với mưa diện là mưa xuất hiện trên một vùng nào đó. Trong luận án, để thống nhất 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).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: 1) Xác định mô hình mưa thiết kế dựa vào phân bố mưa của trận mưa điển hình đã xảy ra trong thực tế; li) Mô hình mưa thiết kế được xác định dựa vào quan hệ lượng mưa - thời gian mưa — tần suất (DDF) và cường độ mưa - thời gian mưa — tần suất (IDF); iii) Lua chon m6 hinh mưa thiết kế dựa vào mô phỏng toàn liệt các trận mưa đã xảy ra trong thực tế.1 Nhóm phương pháp thứ nhất Xác định mô hình mưa thiết kế dựa vào phân bố mưa của trận mưa điển hình đã xảy ra trong thực tế. Gồm các nghiên cứu điên hình như: Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967), đã xây dựng một mô hình mưa thiết kế dạng phân bố theo thời gian cho vùng IIinois[1]. Yen và Chow (1980) đã đề xuất một mô hình mưa dạng tam giác cho bốn vung cua My la: Illinois; Massachusetts; New Jersey và California[2]; Cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ (SCS, 1986) đã xây dựng 04 mô hình mưa thiết kế không thứ nguyên với thời gian mưa 6 giờ và 24 giờ và phân vùng sử dụng các mô hình mưa đó cho toàn lãnh thô Hoa Kỳ [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 trận mưa đã xảy ra trong thực tế.
Tuy nhiên cũng có mặt hạn chế đó là chưa có tiêu chí cụ thê để nhận dạng trận mưa điển hình; đồng thời kết quả phụ thuộc vào chủ quan người tính toán xác định, mất nhiều thời gian. Như vậy muốn chọn được mô hình trận mưa điển hình phù hợp với điều kiện cụ thể của từng vùng đòi hỏi phải phân tích kỹ số liệu thống kê để xác định được dạng mô hình thường gặp (có tần suất xuất hiện lớn nhất).2 Nhóm phương pháp thứ hai Mô hình mưa thiết kế được xác định dựa vào quan hệ lượng mưa - thời gian mưa — tần suất (DDF) và cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất (IDF) điển hình như: Chow (1988) đã đề xuất mô hình mưa khối xen kẽ dựa trên mỗi quan hệ lượng mưa-thời gian mưa-tần suất [3]; Keifer và Chu (1957) đã đề xuất 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 IDE. Tuy nhiên cũng có nhược điểm đó là dạng phân bố của mô hình mưa không giống trận mưa thực tế.3 Nhóm phương pháp thứ ba Cơ sở của phương pháp lựa chọn mô hình mưa thiết kế thích hợp nhất đựa trên kết quả mô phỏng mưa toàn liệt các trận mưa xảy ra trong quá khứ, điển hình như: Cao (1993)[7]; Despotovic (1996)[8]; Alfieri (2007) [9] và Nguyễn Tuấn Anh (2012) [17] với nguyên tắc là: mô hình mưa tiêu thiết kế được gọi là thích hợp nhất khi nó tạo ra dòng chảy lớn nhất xác định được từ phân tích tần suất liệt dòng chảy đo đạc hoặc liệt dòng chảy mô phỏng từ các trận mưa đã đo đạc.
Ưu điểm của phương pháp là qua mô phỏng toàn liệt sẽ lựa chọn được mô hình mưa tốt nhất là mô hình mưa tạo ra dòng chảy có tần suất xuất hiện sát nhất với tần suất thiết kế của trận mưa đã xảy ra trong quá khứ. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là khối lượng tính toán lớn do đó mất nhiều thời gian. Dưới đây luận án giới thiệu chỉ 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 lập các quan hệ phân bố theo thời gian của các trận mưa rào lớn trên các diện tích rộng tới 400 mi2 tại Illinois. M6 hình phân bố theo thời gian được xây dựng cho 4 nhóm xác suất, từ nhóm mưa cực đoan nhất (nhóm thứ nhất) đến nhóm mưa ít cực đoan nhất (nhóm thứ tư).1 trình bày phân bố xác suất của các trận mưa rào thuộc nhóm đầu tiên (nhóm mưa cực đoan nhất).
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 gấp của các trận mưa rào thực tế. 100 90 80 70 60J—~ 50 40 30 20 Số phần trăm tổng lượng mưaa 0 ^ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần trăm tích lũy thời gian mưa Hình 1.1 Phân bố xác suất của các trận mưa nhóm thứ nhất tại Illinois[ I ] 7 Từ biểu đồ phân bố xác suất của trận mưa nhóm thứ nhất người ta thiết lập các biểu đồ chọn lọc cho các trận mưa nhóm thứ nhất Ứng với các xác suất lũy tích 10%, 50% và 90% (Hình 1.4), mỗi biểu đồ biểu thị số phần trăm của tổng lượng mưa trong mỗi khoảng số gia 10% của thời gian mưa. 604 Xác suất 10% 50 4 40 4 30 4 20 4 Số phần trăm tổng lượng mưaa Vư⁄⁄Z* 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần trăm tích lũy của thời gian mưa Hình 1.2 Biểu đồ xác suất 10% các trận mưa nhóm thứ nhất tại Illinois 8 Xác suất 50% 7 sp _ iy g 30 /⁄⁄⁄ ° My 5 V⁄⁄⁄⁄ ⁄⁄ wily oe 7 X⁄⁄2⁄ 5 1 ⁄⁄ a ⁄ NL, AML, = oY Yi SLL s, 111127; x ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ 3 11112777 7 YI MS/VSLNL AMINATION 0 -⁄⁄1⁄⁄⁄ NẬ(1⁄⁄21⁄⁄2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần trăm tích lũy của thời gian mưa Hình 1.3 Biểu đồ xác suất 50% các trận mưa nhóm thứ nhất tại Illinois 0 s 5 = 40> Xác suất 90% on 5 5 30 — 2 = 204 iy 5 AMAL, E ⁄ 107 ⁄ Vs 5 VIM, ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ä ạ ⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄⁄ 3 xo n 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số phần trăm tích lũy thời gian mưa Hình 1.4 Biểu đồ xác suất 90% các trận mưa nhóm thứ nhất tại Illinois 8 Cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ (SCS, 1986)[3]: Đã xây dựng 04 mô hình mưa thiết kế không thứ nguyên với thời gian mưa 6 giờ và 24 giờ và phân vùng sử dụng các mô hình mưa đó cho toàn lãnh thổ Hoa Kỳ. Các phân bố mưa thiết kế gồm 4 loại: L, IA, HL, II trong đó loại I và IA xây dựng cho vùng biển Thái Bình Dương; loại III xây dựng cho các vùng ở Mexico và bờ biển Đại Tây Dương nơi có trận mưa rào nhiệt đới với lượng mưa 24h rất lớn; các vùng còn lại đùng loại II.
Tỷ số đối với lượng mưa 24h @ 3 6 ? a t “ at ” Thoi gian (h) Hình 1.5 Cac đường quá trình mưa lũy tích mưa trong 24 giờ của SCS Hoa Kỳ Hình 1.6 Phạm vi áp dụng các loại đường quá trình mưa của SCS trên lãnh thô Hoa Kỳ Phương pháp mô hình mưa khối xen kẽ của Chow (1988) [3]: 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 này được đặc trưng bởi độ sâu mưa xuất hiện trong n khoảng thời gian At kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa Tị =n. Sau khi lựa chọn thời kỳ xuất hiện lại thiết kế, ta đọc cường độ mưa cho mỗi thời gian mưa At , 2At, 3At. từ một đường IDF tương ứng với thời kỳ xuất hiện lại đã chọn và tính độ sâu mưa lũy tích bằng cách nhân cường độ mưa với thời gian mưa.
Lấy hiệu số giữa hai giá trị 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 và bên trái của khối trung tâm.
