Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "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" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Việt Hồng, chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước (mã số: 62-58-02-12) tại Trường Đại học Thủy lợi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Tuấn Anh và TS. Lê Chí Nguyện vào năm 2018.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vùng đồng bằng Bắc Bộ (ĐBBB) là khu vực hạ lưu châu thổ sông Hồng và sông Thái Bình, thường xuyên chịu tác động của các hình thái thời tiết gây mưa lớn cực đoan. Cùng với quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, diện tích đất canh tác nông nghiệp giảm, bề mặt bị bê tông hóa làm gia tăng hệ số dòng chảy, khiến công tác tiêu thoát nước phục vụ dân sinh và sản xuất nông nghiệp ngày càng phức tạp. Trong quy hoạch và thiết kế hệ thống tiêu, việc xác định mô hình mưa thiết kế và tính toán lưu lượng tiêu thiết kế là khâu then chốt nhưng công tác này tại Việt Nam đang tồn tại 5 vấn đề kỹ thuật lớn:

  1. Sự lạc hậu của các thông số khí hậu: Đối với các khu vực đô thị và dân cư tập trung, phương pháp tính lưu lượng tiêu thiết kế hiện hành vẫn áp dụng công thức cường độ giới hạn ($Q = q \cdot C \cdot F$), trong đó các tham số tính toán cường độ mưa ($q$) được xác định từ các chuỗi số liệu đo đạc quá khứ, chưa phản ánh được các biến động của mưa cực đoan trong giai đoạn gần đây.
  2. Hạn chế trong nội suy không gian của tiêu chuẩn hiện hành: Tiêu chuẩn TCVN 7957:2008 chỉ cung cấp các hằng số khí hậu tại các vị trí có trạm đo quan trắc. Các khu vực nằm xa trạm đo buộc phải sử dụng tham số của trạm lân cận (ví dụ khu vực huyện Phú Xuyên, Hà Nội phải lấy số liệu trạm Phủ Lý), dẫn đến bỏ qua sự biến đổi không gian của lượng mưa và cường độ mưa.
  3. Sai lệch do phương pháp thu phóng trận mưa điển hình: Khi tính toán hệ số tiêu cho lúa, việc thu phóng trận mưa điển hình theo tài liệu mưa ngày phụ thuộc vào dạng phân bố của trận mưa được chọn (thường chọn theo tổng lượng mưa toàn trận). Những trận mưa có tổng lượng lớn thường không chứa đỉnh mưa có cường độ cực đại, dẫn đến hệ số tiêu thiết kế tính ra có thể thiên lớn hoặc thiên nhỏ so với tần suất thiết kế.
  4. Bất cập trong tính toán hệ thống tiêu hỗn hợp: Đa số các hệ thống tiêu vùng ĐBBB là hệ thống hỗn hợp (kết hợp đất trồng lúa, cây màu, đất thổ cư nông thôn và đô thị, công nghiệp). Việc chỉ dùng mô hình mưa ngày để tính toán lưu lượng tiêu cho toàn hệ thống dẫn đến kích thước các công trình (kênh tiêu, cống, trạm bơm) bị thiên nhỏ, không đáp ứng yêu cầu tiêu thoát nhanh (mưa giờ nào tiêu hết giờ đó) cho các đoạn kênh đi qua khu dân cư tập trung hoặc bờ kênh kết hợp đường giao thông.
  5. Thiếu công cụ số hóa phục vụ tra cứu nhanh: Chưa có bộ bản đồ đẳng trị lượng mưa và tham số cường độ mưa thời đoạn ngắn được số hóa đồng bộ bằng công nghệ GIS để tra cứu trực tiếp cho các vùng không có trạm đo mưa trên toàn lãnh thổ ĐBBB.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

  • Mục tiêu 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.
  • Nội dung nghiên cứu (được đánh số theo văn bản):
    • Nội dung i: Nghiên cứu 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 giờ được cập nhật mới nhất.
    • Nội dung ii: Nghiên cứu xây dựng các bản đồ đẳng trị lượng mưa và bản đồ đẳng trị các tham số của công thức cường độ mưa nhằm nội suy không gian, xác định lượng mưa và cường độ mưa tại những vị trí không có trạm đo mưa.
    • Nội dung iii: Nghiên cứu đề xuất phương pháp và lựa chọn mô hình mưa tiêu thiết kế hợp lý bằng phương pháp mô phỏng toàn liệt các trận mưa đã xảy ra trong thực tế để tính toán chế độ tiêu và lưu lượng tiêu thiết kế cho các vùng trồng lúa ở ĐBBB (ứng dụng cho khu vực tỉnh Hà Nam).
    • Nội dung iv: Nghiên cứu thiết lập hệ số hiệu chỉnh lưu lượng thiết kế cho các hệ thống tiêu của vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp, dân cư đô thị từ mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mưa tiêu thiết kế và lưu lượng tiêu thiết kế.
  • Phạm vi không gian: Vùng đồng bằng Bắc Bộ gồm 10 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương: Hà Nội, Hải Phòng, Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm và kiểm chứng chi tiết áp dụng cho lưu vực tiêu trạm bơm Phủ Lý (tỉnh Hà Nam).
  • Phạm vi thời gian và tư liệu: Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn đo mưa giờ và mưa ngày được cập nhật liên tục từ năm 1957 đến thời điểm nghiên cứu tại 16 trạm đo mưa tự ghi đang hoạt động trong vùng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu về mô hình mưa tiêu thiết kế

Luận án phân loại các nghiên cứu trên thế giới về xác định mô hình mưa thiết kế (Design storm) thành ba nhóm phương pháp:

  1. Nhóm xác định dựa vào phân bố mưa của trận mưa điển hình thực tế: Huff (1967) thiết lập quan hệ phân bố theo thời gian cho 4 nhóm xác suất tại Illinois; Yen và Chow (1980) đề xuất mô hình mưa dạng tam giác với hệ số trước đỉnh $r$ tại 4 vùng của Mỹ (Illinois, Massachusetts, New Jersey, California); Cơ quan Bảo vệ Đất Hoa Kỳ (SCS, 1986) xây dựng 4 dạng đường quá trình mưa lũy tích không thứ nguyên 24 giờ (Type I, IA, II, III); Petrovic (1998) và Peyron (2002). Nhóm này có ưu điểm là hình dạng mưa gần thực tế nhưng mang tính chủ quan khi chọn trận điển hình.
  2. Nhóm xác định dựa vào quan hệ DDF và IDF: Chow (1988) phát triển phương pháp khối xen kẽ (Alternating Block Method); Keifer và Chu (1957) đề xuất mô hình mưa giả tưởng cho hệ thống thoát nước Chicago. Nhóm này xác định nhanh từ đường cong IDF nhưng dạng phân bố mưa thiếu tính thực tế của các trận mưa thiên nhiên.
  3. Nhóm lựa chọn mô hình mưa dựa trên mô phỏng toàn liệt (Continuous Simulation): Tiêu biểu có Cao (1993), Despotovic (1996), Alfieri (2007) và Nguyễn Tuấn Anh (2012). Nguyên tắc cốt lõi: mô hình mưa thiết kế thích hợp nhất là mô hình tạo ra dòng chảy có giá trị đỉnh hoặc tổng lượng sát nhất với kết quả phân tích tần suất của chuỗi dòng chảy thực tế đo đạc hoặc chuỗi dòng chảy mô phỏng từ toàn bộ các trận mưa lịch sử.

Tại Việt Nam, phương pháp truyền thống là thu phóng trận mưa điển hình (theo 3 tỷ số $k_1, k_2, k_3$ hoặc cùng tỷ số $k$). Các công trình của Trịnh Kim Sinh (2009) chỉ ra dạng mưa 5 ngày max có đỉnh ngày 3 hoặc 4 cho hệ số tiêu lớn nhất tại Hà Nam. Bùi Nam Sách (2000) xác định dạng mưa 5 ngày đỉnh ngày 2 hoặc 3 cho nông nghiệp ĐBBB và đề xuất tính mưa giờ cho đô thị, công nghiệp. Nguyễn Mạnh Hùng (2010) và Lã Thanh Hà (2011) ứng dụng phương pháp khối xen kẽ cho trạm Láng (khu vực Hữu Hòa - Thanh Trì) và trạm Nam Định (TP. Nam Định). Tuy nhiên, các tác giả chủ yếu xem xét mưa điểm mà chưa giải quyết phân bố không gian cho các lưu vực vừa và lớn.

Các nghiên cứu về quan hệ DDF, IDF và công thức cường độ mưa

Các nghiên cứu quốc tế về DDF/IDF gồm Paolo Burlando và Renzo Rosso (1995) với mô hình thu phóng đơn và đa chiều; Villela và Mattos (1975); Wenzel (1982) với phương pháp đường cong cường độ mưa; Chen (1996); El-sayed (2011). Các công thức tính cường độ mưa kinh điển được điểm lại:

  • Công thức Wenzel (1982): $i = \frac{c}{T_d^e + f}$
  • Phương pháp cường độ giới hạn Gorbatrep (1920): $I = \frac{A}{t^{0,5}}$
  • Công thức Viện Thủy văn Liên Xô (1941): $I = \frac{A + B \lg P}{t^n}$ (sai lệch thực tế 30 - 50%)
  • Công thức Rayhonda (Đức): $q_{15} = \frac{a}{(t+b)^n}$
  • Công thức GS. Poomianoopskl (Ba Lan): $I = \frac{a \cdot P^{0,25}}{t^{0,67}}$
  • Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7957:2008: $q = \frac{A(1 + C \lg P)}{(t + b)^n}$
  • Công thức Viện Thiết kế Bộ Giao thông: $q = \frac{10 + 12,5 \lg N}{(t + 12)^{0,66}}$
  • Công thức Cục Thủy văn (Trần Việt Liễn - 1979): $q = \frac{[20 + 5 P_{max} (1 + C \lg P)]}{(t + b)^n}$
  • Công thức TS. Trần Hữu Uyên (1973): $q = \frac{35^n q_{20} (1 + C \lg P)}{(t + 15)^n}$

Các nghiên cứu về bản đồ đẳng trị mưa và tính toán lưu lượng tiêu

  • Bản đồ đẳng trị: Hershfield (1961) lập bản đồ cho toàn Hoa Kỳ; Sổ tay thiết kế thoát nước Italy lập bản đồ tham số phương trình lượng mưa cho lưu vực sông Tre Venezie; WMO (1983) phân tích quan hệ độ sâu - diện tích - thời gian (DAD). Ở Việt Nam, Trần Thanh Xuân (2007) lập bản đồ mưa năm cho cả nước; Đặng Quốc Dũng (2015) dùng phương pháp Spline cho hồ Dầu Tiếng; Doãn Thị Nội (2016) dùng IDW trong ArcGIS lập bản đồ cường độ mưa thời đoạn ngắn cho Bắc Kạn và Lạng Sơn.
  • Tiêu chuẩn tính tiêu: Giáo trình Thủy nông ĐHTL (1970); Quy phạm 14TCN60-88 (cân bằng nước mặt ruộng và phương trình động lực dòng chảy tràn/cống); Tiêu chuẩn TCVN 10406:2015 (hệ số tiêu thiết kế cho đa dạng đối tượng đất nông nghiệp, thổ cư, công nghiệp, xét hệ số điều chỉnh giờ mưa hiệu quả $K_{mh} = \frac{24}{T_{ha}}$); đề tài của Trung tâm Khoa học và Triển khai kỹ thuật thủy lợi (2010); ứng dụng các mô hình thủy văn - thủy lực (SWMM, MIKE, KOD, VRSAP).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết 4 khoảng trống: (1) Cập nhật và chuẩn hóa công thức DDF/IDF từ chuỗi số liệu mưa giờ mới nhất cho ĐBBB; (2) Số hóa bản đồ đẳng trị lượng mưa và tham số cường độ mưa thời đoạn ngắn bằng ArcGIS (phương pháp IDW); (3) Xây dựng phương pháp lựa chọn mô hình mưa thiết kế cho lúa bằng mô phỏng toàn liệt; (4) Thiết lập hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu $K$ giữa mưa giờ và mưa ngày cho vùng tiêu hỗn hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và công thức toán học

  1. Quan hệ DDF và IDF:
    • Lượng mưa thiết kế biểu diễn theo hàm thời gian: $H = a \cdot d^n$
    • Cường độ mưa thiết kế: $I = \frac{H}{d} = a \cdot d^{n-1} = a \cdot d^{-n'}$ hoặc dạng tổng quát: $I = \frac{a}{(d + b)^n}$
  2. Cân bằng nước mặt ruộng lúa:
    • Phương trình cân bằng nước tầng mặt ruộng trong khoảng thời gian $\Delta t$: $$H_t = H_{t-1} + P_t - E_t - I_t - q_t \cdot \Delta t$$ Trong đó: $H_t, H_{t-1}$ là mức nước trên mặt ruộng; $P_t$ là lượng mưa; $E_t$ là bốc hơi; $I_t$ là lượng nước ngấm; $q_t$ là lưu lượng tháo tiêu qua công trình mặt ruộng.
    • Lưu lượng tháo qua đường tràn mặt ruộng: $q = m \cdot b_{tran} \sqrt{2g} \cdot h^{3/2}$ (với $b_{tran}$ là chiều rộng tràn tiêu trên một đơn vị diện tích m/ha).
  3. Mô hình tính lưu lượng đô thị:
    • Công thức cường độ giới hạn (TCVN 7957:2008): $Q = q \cdot C \cdot F$
    • Mô hình dòng chảy sóng động lực trong mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model) giải hệ phương trình Saint-Venant 1D cho mạng lưới cống, kênh và hồ điều hòa.
  4. Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu vùng hỗn hợp:
    • Tỷ số hiệu chỉnh: $K = \frac{Q_{gio}}{Q_{ngay}}$ được xác lập quan hệ với tỷ số lưu lượng tiêu đô thị $Q_u = \frac{Q_{do_thi}}{Q_{tong}}$ hoặc tỷ lệ diện tích đô thị hóa $\alpha = \frac{F_{do_thi}}{F_{tong}}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp thống kê thủy văn: Phân tích chuỗi số liệu mưa cực đại các thời đoạn ngắn ($1h, 3h, 6h, 12h, 24h, 3$ ngày, $5$ ngày), kiểm định phân phối lý luận bằng tiêu chuẩn $\chi^2$ (Chi-square test) và phân phối Gumbel (Cực trị loại I) / Pearson III.
  • Phương pháp hồi quy phi tuyến: Xác định bộ tham số $a, n$ trong phương trình DDF/IDF cho từng trạm quan trắc.
  • Phương pháp Hệ 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 Weighted) để xây dựng bề mặt liên tục của lượng mưa và các tham số khí hậu trên toàn vùng ĐBBB.
  • Phương pháp mô phỏng toàn liệt (Continuous Simulation): Mô phỏng liên tục chuỗi số liệu mưa lịch sử nhiều năm vào mô hình cân bằng nước ruộng lúa và mô hình SWMM để xác định đường tần suất dòng chảy đỉnh thực tế, làm thước đo chuẩn lựa chọn mô hình mưa thiết kế.
Phương pháp nghiên cứu Công cụ / Tiêu chuẩn áp dụng Mục đích áp dụng trong luận án
Phân tích tần suất thống kê Kiểm định $\chi^2$, phân phối xác suất Xác định mưa thiết kế các thời đoạn ứng với tần suất $P = 10%$ ($T = 10$ năm)
Hồi quy tương quan thực nghiệm Microsoft Excel, MATLAB Thiết lập phương trình quan hệ DDF và IDF cho 16 trạm tự ghi
Nội suy không gian GIS ArcGIS (Thuật toán IDW) Xây dựng bản đồ đẳng trị lượng mưa và tham số $a_1, a_2, n_1, n_2$
Mô phỏng thủy văn ruộng lúa Thuật toán cân bằng nước và dòng tràn Lựa chọn mô hình mưa tiêu cho lúa và tính hệ số tiêu thiết kế
Mô phỏng thủy lực mạng lưới Mô hình SWMM Tính toán lưu lượng tiêu hệ thống hỗn hợp và kiểm chứng tại Phủ Lý

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

  • Số liệu khí tượng: Chuỗi số liệu đo mưa tự ghi của 16 trạm khí tượng thủy văn vùng ĐBBB (Láng, Phủ Lý, Nam Định, Ninh Bình, Sơn Tây, Hà Đông, Hưng Yên, Thái Bình...).
  • Số liệu địa hình và công trình: Bản đồ hành chính, cao độ địa hình ĐBBB (56% diện tích có cao độ từ $+0,4$ m đến $+2,0$ m), số liệu hiện trạng công trình thủy lợi tiêu thoát nước ĐBBB theo Báo cáo Rà soát quy hoạch tái cơ cấu thủy lợi năm 2012 và 2016.
  • Dữ liệu thực nghiệm thực địa: Chuỗi số liệu mực nước, lưu lượng thực đo tại cống Quy Lưu và trạm bơm Phủ Lý (Hà Nam) trong các đợt mưa ngày 17/7/2017 và ngày 20/7/2017.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về mô hình mưa tiêu thiết kế, quan hệ DDF/IDF, các phương pháp xây dựng bản đồ đẳng trị mưa và các tiêu chuẩn tính toán tiêu nước hiện hành. Đồng thời, chương này phân tích đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội của vùng ĐBBB:

  • Diện tích tự nhiên toàn vùng là $14.957,39\text{ km}^2$, dân số trên $19,4$ triệu người (năm 2013), mật độ dân số gấp 4,33 lần bình quân cả nước.
  • Địa hình dạng tam giác châu thổ trũng thấp, kẹp giữa các dãy núi và bờ biển, chia cắt bởi $3.000\text{ km}$ đê sông và $1.500\text{ km}$ đê biển.
  • Lượng mưa trung bình năm từ $1.400 - 2.000\text{ mm}$, mùa mưa (tháng 6 đến tháng 10) chiếm $70 - 80%$ tổng lượng mưa cả năm. Các trận mưa gây úng từ $100 - 200\text{ mm}$ chiếm $74%$, các trận lớn trên $200\text{ mm}$ chiếm $26%$ tổng số trận mưa gây úng.
  • Quá trình chuyển dịch cơ cấu: Giai đoạn 2012 - 2016, đất công nghiệp tăng $211%$, diện tích đất canh tác nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản có xu hướng giảm, làm thay đổi căn bản điều kiện hình thành dòng chảy tiêu.
Hạng mục biến động tại ĐBBB Quy hoạch 2012 (ha) Quy hoạch 2016 (ha) Tỷ lệ tăng / giảm (%)
Diện tích canh tác lúa, màu 587.060 Có xu hướng giảm Giảm
Đất công nghiệp và đô thị - Tăng mạnh Tăng 211%
Mưa gây úng $100 - 200\text{ mm}$ (3-5 ngày) Chiếm 74% tổng số trận Chiếm 74% tổng số trận -
Mưa gây úng $> 200\text{ mm}$ (3-5 ngày) Chiếm 26% tổng số trận Chiếm 26% tổng số trận -

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

Chương 2 thiết lập khung phương pháp luận hoàn chỉnh của luận án gồm 4 quy trình kỹ thuật:

  1. Thiết lập công thức tính cường độ mưa thời đoạn ngắn: Xây dựng quy trình xử lý tài liệu mưa giờ tự ghi, phân tích thống kê xác định lượng mưa lớn nhất các thời đoạn $d = 1, 3, 6, 12, 24, 72, 120\text{ giờ}$ ứng với các chu kỳ lặp lại $T = 2, 5, 10, 20\text{ năm}$ ($P = 50%, 20%, 10%, 5%$). Thiết lập phương trình quan hệ $H \sim d$ và $I \sim d$ theo dạng hàm mũ từng đoạn để nâng cao độ chính xác.
  2. Quy trình lập bản đồ đẳng trị bằng GIS: Lựa chọn phần mềm ArcGIS và phương pháp nội suy khoảng cách nghịch đảo có trọng số (IDW) với bậc lũy thừa phù hợp để xây dựng các lớp bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế và bản đồ phân bố các tham số khí hậu ($a, n$).
  3. Phương pháp mô phỏng toàn liệt chọn mô hình mưa cho lúa: Xây dựng sơ đồ khối mô phỏng hệ số tiêu $q \sim t$ từ toàn bộ chuỗi các trận mưa lịch sử quan trắc được trong 22 - 30 năm. Phân tích đường tần suất của hệ số tiêu cực đại toàn liệt ($q_{max}^{TL} \sim P$) để đối chiếu với hệ số tiêu tính toán từ các mô hình mưa điển hình thu phóng, từ đó chọn ra mô hình mưa tiêu tối ưu nhất.
  4. Quy trình xác định hệ số hiệu chỉnh $K$ cho vùng tiêu hỗn hợp: Thiết lập mô hình toán SWMM cho hệ thống tiêu hỗn hợp mẫu với các tỷ lệ đô thị hóa khác nhau, so sánh kết quả lưu lượng đỉnh khi chạy với mô hình mưa giờ ($Q_{gio}$) và mô hình mưa ngày ($Q_{ngay}$ theo TCVN 10406:2015), từ đó xác lập quan hệ $K = f(Q_u)$ trong hai trường hợp: không có và có hồ điều hòa.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học:

  • Kết quả DDF và IDF: Luận án đã thiết lập bộ phương trình DDF ($H = a \cdot d^n$) và IDF ($I = a \cdot d^{-n}$) cho 16 trạm đo mưa tự ghi vùng ĐBBB ứng với các chu kỳ lặp lại $T = 2, 5, 10, 20\text{ năm}$. Điển hình tại trạm Phủ Lý, phương trình DDF ứng với $T = 10\text{ năm}$ ($P = 10%$) thể hiện sự tương thích cao giữa đường lý luận và điểm thực tế qua kiểm định sai số.
  • Kết quả xây dựng bản đồ đẳng trị: Thành lập thành công tập bản đồ số đẳng trị lượng mưa lớn nhất thời đoạn $1h, 3h, 6h, 12h, 24h, 3\text{ ngày}, 5\text{ ngày}$ và bản đồ đẳng trị các tham số $a_1, a_2, n_1, n_2$ của phương trình cường độ mưa ứng với tần suất $P = 10%$ cho vùng ĐBBB.
  • Kết quả kiểm chứng mô hình SWMM: Mô hình SWMM thiết lập cho hệ thống tiêu trạm bơm Phủ Lý được hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu thực đo ngày 17/7/2017 và ngày 20/7/2017 tại cống Quy Lưu. Kết quả đường quá trình mực nước tính toán ($H_{tt}$) và thực đo ($H_{td}$) có hệ số tương quan cao, sai số nằm trong giới hạn cho phép.
  • Kết quả chọn mô hình mưa cho vùng lúa Hà Nam: Sau khi mô phỏng toàn liệt chuỗi trận mưa 5 ngày max từ năm 1985 đến 2014, luận án xác định mô hình mưa thiết kế 5 ngày max có đỉnh rơi vào ngày thứ 3 và ngày thứ 4 cho kết quả hệ số tiêu sát nhất với tần suất thiết kế $P = 10%$.
  • Kết quả hệ số hiệu chỉnh $K$ cho hệ thống tiêu hỗn hợp: Thiết lập bảng tra và đồ thị quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh $K$ và tỷ số $Q_u$:
    • Khi chưa xét đến hồ điều hòa: $K$ biến thiên tăng dần từ $1,15$ đến $1,85$ khi tỷ số lưu lượng đô thị $Q_u$ tăng.
    • Khi có xét đến dung tích điều tiết của hồ điều hòa: Giá trị $K$ giảm đáng kể (dao động từ $1,05$ đến $1,35$), chứng minh hiệu quả giảm tải lưu lượng đỉnh của hồ chứa nước mưa trong đô thị.
Trọng tâm nghiên cứu tại Chương 3 Kết quả định lượng chính Ý nghĩa thực tiễn
Phương trình DDF & IDF Bộ tham số $a, n$ cho 16 trạm tự ghi ($T = 2, 5, 10, 20\text{ năm}$) Cập nhật công thức tính cường độ mưa chuẩn xác cho ĐBBB
Bản đồ đẳng trị lượng mưa Bản đồ số GIS thời đoạn $1h$ đến $5\text{ ngày}$ ($P = 10%$) Tra cứu lượng mưa và cường độ mưa cho vùng không có trạm
Mô hình mưa tiêu cho lúa Trận mưa 5 ngày max đỉnh ngày 3 - 4 tại Hà Nam Xác định hệ số tiêu lúa chính xác theo tần suất thiết kế
Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng $K$ Đường cong quan hệ $K \sim Q_u$ (có và không có hồ điều hòa) Cho phép chuyển đổi nhanh từ lưu lượng mưa ngày sang mưa giờ

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Hoàn thiện phương pháp luận xác định cường độ mưa thiết kế: Luận án đã cập nhật và thiết lập cơ sở khoa học cho các phương trình quan hệ DDF và IDF thời đoạn ngắn dựa trên chuỗi số liệu mưa giờ mới nhất của mạng lưới trạm tự ghi vùng ĐBBB.
  2. Đề xuất phương pháp mới lựa chọn mô hình mưa cho lúa: Luận án đề xuất phương pháp luận lựa chọn mô hình mưa tiêu thiết kế cho đất trồng lúa dựa trên nguyên lý mô phỏng toàn liệt chuỗi mưa lịch sử kết hợp bài toán cân bằng nước và động lực dòng chảy mặt ruộng, khắc phục triệt để tính chủ quan và sai lệch tần suất của phương pháp thu phóng trận mưa điển hình truyền thống.
  3. Phát triển phương pháp xác định nhanh lưu lượng tiêu hỗn hợp: Bổ sung phương pháp luận tính toán lưu lượng tiêu thiết kế cho hệ thống tiêu hỗn hợp nông nghiệp - đô thị thông qua việc thiết lập hệ số hiệu chỉnh lưu lượng $K$ từ mô hình mưa ngày sang mô hình mưa giờ.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Bộ công cụ tra cứu tham số khí hậu dạng số: Cung cấp hệ thống các công thức DDF/IDF và tập bản đồ đẳng trị lượng mưa thời đoạn ngắn ($1h, 3h, 6h, 12h, 24h, 3\text{ ngày}, 5\text{ ngày}$) cùng bản đồ đẳng trị các tham số $a_1, a_2, n_1, n_2$ tần suất $P = 10%$ trên nền tảng ArcGIS cho toàn vùng ĐBBB, giúp người làm công tác thiết kế tra cứu trực tiếp tại các vị trí không có trạm đo mưa.
  2. Mô hình mưa chuẩn hóa cho tỉnh Hà Nam: Xác định được dạng mô hình mưa thiết kế 5 ngày max hợp lý phục vụ tính toán tiêu úng cho vùng trồng lúa tỉnh Hà Nam.
  3. Công cụ tính toán cho hệ thống tiêu hỗn hợp: Bảng tra và biểu đồ hệ số hiệu chỉnh lưu lượng $K$ giúp các đơn vị tư vấn quy hoạch và thiết kế sơ bộ tính toán nhanh lưu lượng tiêu thiết kế ứng với mưa giờ cho các công trình tiêu (kênh, cống, trạm bơm) khi chỉ có sẵn tài liệu mưa ngày, xét đến cả trường hợp có hoặc không có hồ điều hòa.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Kiến nghị Bộ Nông nghiệp và PTNT, Bộ Xây dựng cập nhật bổ sung các kết quả nghiên cứu của luận án vào các tiêu chuẩn thiết kế tiêu thoát nước (như thay thế hoặc bổ sung cho TCVN 7957:2008 và TCVN 10406:2015).
  • Khuyến nghị các địa phương vùng ĐBBB khi quy hoạch hệ thống tiêu hỗn hợp cần bắt buộc áp dụng mô hình mưa giờ hoặc sử dụng hệ số hiệu chỉnh $K$ cho các đoạn kênh đi qua khu đô thị, dân cư để đảm bảo an toàn ngập úng.
  • Đề xuất tăng cường diện tích và dung tích các hồ điều hòa trong mạng lưới tiêu đô thị nhằm giảm hệ số hiệu chỉnh lưu lượng đỉnh, tiết kiệm chi phí đầu tư công trình đầu mối tiêu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi được trình bày trong văn bản luận án, các hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Phạm vi tần suất thiết kế: Các bản đồ đẳng trị lượng mưa và tham số phương trình cường độ mưa mới được xây dựng chi tiết cho tần suất thiết kế $P = 10%$ (chu kỳ lặp lại $T = 10\text{ năm}$). Hướng nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng xây dựng bản đồ cho các cấp tần suất khác như $P = 1%, 2%, 5%, 20%$ nhằm đáp ứng đa dạng các cấp công trình tiêu thoát nước.
  • Mở rộng phạm vi địa bàn áp dụng mô phỏng toàn liệt: Kết quả lựa chọn mô hình mưa thiết kế cho đất trồng lúa mới được thực nghiệm cụ thể cho tiểu vùng Hà Nam. Cần tiếp tục ứng dụng phương pháp mô phỏng toàn liệt cho các tiểu vùng sinh thái thủy nông khác trong vùng ĐBBB (như vùng ven biển Hải Phòng, Nam Định, Ninh Bình hoặc vùng trũng trung du Vĩnh Phúc, Bắc Ninh).
  • Quy mô và thông số hệ thống tiêu hỗn hợp: Các kịch bản tính toán hệ số hiệu chỉnh $K$ được thực hiện trên mô hình lưu vực giả định và kiểm chứng tại khu vực trạm bơm Phủ Lý. Hướng nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng kiểm nghiệm trên nhiều hệ thống tiêu có cấu trúc hình học, thảm phủ và tỷ lệ điều tiết hồ chứa đa dạng hơn.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật và học thuật cho các nhóm đối tượng:

  • Cơ quan quản lý nhà nước và lập quy hoạch: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Xây dựng, các Chi cục Thủy lợi của 10 tỉnh, thành phố vùng ĐBBB có thể sử dụng số liệu bản đồ đẳng trị và mô hình mưa thiết kế để rà soát, điều chỉnh quy hoạch tiêu thoát nước trong bối cảnh tốc độ đô thị hóa gia tăng.
  • Kỹ sư và đơn vị tư vấn thiết kế: Các kỹ sư công trình thủy lợi, hạ tầng kỹ thuật đô thị có thể sử dụng trực tiếp các công thức DDF/IDF, bản đồ GIS để tra cứu số liệu mưa cho các vùng không có trạm đo, đồng thời áp dụng hệ số hiệu chỉnh $K$ để tính toán khẩu độ cống, kênh và công suất trạm bơm tiêu hỗn hợp một cách nhanh chóng.
  • Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học, nghiên cứu sinh: Là tài liệu chuyên khảo tham khảo về phương pháp luận kết hợp mô hình số thủy văn - thủy lực (SWMM), công nghệ GIS (ArcGIS) và phương pháp mô phỏng toàn liệt chuỗi số liệu quan trắc trong giải quyết các bài toán thủy văn công trình và kỹ thuật tài nguyên nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án phân chia các phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế trên thế giới thành những nhóm nào?

Luận án phân chia thành 3 nhóm phương pháp chính:

  • 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 (tiêu biểu: Huff - 1967, Yen và Chow - 1980, SCS - 1986).
  • Nhóm 2: Xác định mô hình mưa thiết kế dựa vào quan hệ lượng mưa - thời gian - tần suất (DDF) và cường độ mưa - thời gian - tần suất (IDF) (tiêu biểu: phương pháp khối xen kẽ của Chow - 1988, mô hình Keifer và Chu - 1957).
  • Nhóm 3: Lựa chọn mô hình mưa thiết kế thích hợp nhất dựa vào kết quả mô phỏng toàn liệt chuỗi các trận mưa đã xảy ra trong thực tế (tiêu biểu: Cao - 1993, Despotovic - 1996, Alfieri - 2007, Nguyễn Tuấn Anh - 2012).

2. Vì sao phương pháp thu phóng trận mưa điển hình truyền thống lại dẫn đến sai số trong tính toán hệ số tiêu cho lúa?

Phương pháp thu phóng truyền thống lựa chọn trận mưa điển hình dựa trên tổng lượng mưa toàn trận (1 ngày, 3 ngày, 5 ngày). Những trận mưa có tổng lượng lớn trong lịch sử thường có phân bố mưa dàn đều mà không chứa các đỉnh mưa có cường độ cực lớn. Khi thu phóng trận mưa này, phân bố thời gian của trận mưa thiết kế bị phụ thuộc hoàn toàn vào trận điển hình, dẫn đến kết quả tính toán dòng chảy và hệ số tiêu có thể bị thiên nhỏ hoặc thiên lớn so với tần suất thiết kế thực tế.

3. Luận án đã xây dựng bản đồ đẳng trị lượng mưa cho những thời đoạn nào và ứng với cấp tần suất bao nhiêu?

Luận án đã ứng dụng phần mềm ArcGIS và phương pháp nội suy IDW để xây dựng bản đồ đẳng trị lượng mưa lớn nhất cho 7 thời đoạn: $1\text{ giờ}, 3\text{ giờ}, 6\text{ giờ}, 12\text{ giờ}, 24\text{ giờ}, 3\text{ ngày}, 5\text{ ngày}$ và bản đồ đẳng trị các tham số $a_1, a_2, n_1, n_2$ của phương trình cường độ mưa ứng với tần suất thiết kế $P = 10%$ (chu kỳ lặp lại $T = 10\text{ năm}$) cho toàn vùng đồng bằng Bắc Bộ.

4. Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu $K$ có ý nghĩa gì trong tính toán hệ thống tiêu hỗn hợp?

Hệ số hiệu chỉnh $K$ biểu thị tỷ số giữa lưu lượng tiêu tính theo mô hình mưa giờ ($Q_{gio}$) và lưu lượng tiêu tính theo mô hình mưa ngày ($Q_{ngay}$). Hệ số này cho phép các kỹ sư quy hoạch và thiết kế xác định nhanh lưu lượng tiêu thiết kế theo mưa giờ của các công trình (đặc biệt là các đoạn kênh, cống đi qua khu dân cư tập trung yêu cầu tiêu thoát nhanh) khi chỉ có sẵn số liệu mưa ngày, đồng thời đánh giá được mức độ giảm tải lưu lượng khi hệ thống có bố trí hồ điều hòa.

5. Mô hình thủy văn - thủy lực nào được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng mạng lưới tiêu trạm bơm Phủ Lý?

Luận án sử dụng phần mềm mô hình toán SWMM (Storm Water Management Model) để thiết lập sơ đồ tính toán thủy lực, mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy và dòng chảy trong mạng lưới cống, kênh dẫn của trạm bơm Phủ Lý. Mô hình đã được kiểm chứng với chuỗi số liệu mực nước thực đo tại cống Quy Lưu trong các đợt mưa ngày 17/7/2017 và ngày 20/7/2017.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Việt Hồng đã giải quyết đồng bộ bài toán 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 trong điều kiện tác động của biến đổi khí hậu và đô thị hóa. Tác giả đã cập nhật hệ thống phương trình DDF/IDF cho 16 trạm đo mưa tự ghi, thành lập bộ bản đồ đẳng trị lượng mưa và tham số cường độ mưa thời đoạn ngắn trên nền tảng GIS, đồng thời đề xuất phương pháp mô phỏng toàn liệt để xác định mô hình mưa thiết kế cho đất lúa tại Hà Nam. Bên cạnh đó, việc xác lập hệ số hiệu chỉnh lưu lượng $K$ đã cung cấp công cụ kỹ thuật phục vụ tính toán nhanh lưu lượng tiêu cho các hệ thống tiêu hỗn hợp nông nghiệp - đô thị có xét đến vai trò của hồ điều hòa.