Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Thủy văn học (mã số 62-44-02-24) của nghiên cứu sinh Doãn Thị Nội, thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Ngô Lê Long và PGS.TS. Hoàng Thanh Tùng, tập trung giải quyết bài toán xác lập cơ sở khoa học tính toán lũ thiết kế cho công trình thoát nước giao thông vùng núi Đông Bắc Việt Nam trong bối cảnh hạn chế về chuỗi số liệu đo đạc thủy văn và mưa thời đoạn ngắn.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Mạng lưới giao thông đường bộ tại Việt Nam có hơn 70% tổng chiều dài nằm ở khu vực miền núi (với địa hình đồi núi chiếm trên 2/3 diện tích cả nước). Phần lớn các tuyến đường miền núi thuộc cấp IV, V và VI. Trong quá trình khai thác, các công trình thoát nước như cầu nhỏ, cống, rãnh thoát nước dọc thường xuyên chịu hư hỏng nặng nề vào mùa mưa lũ: sạt lở ta luy âm và ta luy dương, trôi cầu cống, xói lở mố trụ cầu và ngập lụt cắt đứt giao thông.
Thực tế thiết kế công trình đường bộ tại Việt Nam đã chuyển đổi qua các tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô (từ 22 TCN 4054-85 sang 22 TCN 4054-98, 22 TCN 4054-2005) và các tiêu chuẩn tính toán thủy văn, cầu đường (22 TCN 220-95, 22 TCN 272-01, 22 TCN 273-01, 22 TCN 273-05 sang TCVN 9845:2013). Tuy nhiên, phương pháp tính lũ thiết kế hiện hành trong TCVN 9845:2013 (dựa trên Quy phạm QP-TL C-6-77) chủ yếu áp dụng các công thức kinh nghiệm từ Liên Xô cũ như công thức Cường độ giới hạn và công thức Xokolopsky. Các công thức này tồn tại nhiều thông số khó xác định, phạm vi biến thiên rộng, bảng tra cứu chưa được cập nhật và được xây dựng trên nền chuỗi số liệu ngắn, tỉ lệ bản đồ nhỏ. Bên cạnh đó, việc tính toán thủy văn cho lưu vực vừa và nhỏ vùng núi gặp trở ngại lớn do thiếu trạm đo lưu lượng dòng chảy và thiếu chuỗi quan trắc mưa thời đoạn ngắn (dưới 1 giờ), phần lớn chỉ có dữ liệu mưa ngày.
Mục tiêu 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.
Hệ thống câu hỏi nghiên cứu được luận án đặt ra gồm:
- Dựa trên tiêu chí nào để lựa chọn phương pháp tính lũ thiết kế đang được sử dụng ở các nước trên thế giới trong trường hợp không có tài liệu thực đo?
- 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?
- Các phương pháp nào có thể được ứng dụng để tính thử nghiệm cho các công trình thực tế?
- Những tồn tại và hướng giải quyết trong công tác thiết kế các công trình thoát nước cho công trình giao thông?
- 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
- Phạm vi không gian: Khu vực miền núi Đông Bắc Việt Nam, giới hạn nghiên cứu thực nghiệm tại hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn.
- Phạm vi đối tượng: Mưa sinh lũ và lũ thiết kế (đỉnh lũ, đường quá trình lũ) phục vụ xây dựng và kiểm toán các công trình thoát nước (cầu, cống, rãnh dọc) trên các trục quốc lộ chính thuộc khu vực nghiên cứu gồm: QL3, QL3B, QL279, QL1B, QL4A, QL4B, QL1A.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trên thế giới
Các phương pháp tính toán lũ thiết kế trên thế giới được tổng thuật và phân chia thành hai nhóm chính:
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨ THIẾT KẾ
NHÓM TRỰC TIẾP NHÓM GIÁN TIẾP
(Phân tích thống kê xác suất) (Từ mưa và thông số mặt đệm)
Trường phái Trường phái Trường phái Trường phái
Phương Tây Đông Âu & Nga Phương Tây Đông Âu & Nga
(Bulletin 17B, (Đường tần suất (Mô hình quan hệ Rational, (Cường độ giới hạn,
Log-Pearson III) Pearson III, Kritsky- SCS-CN, Hồi quy vùng USGS, Xokolopsky,
Menkel) WinTR-55, AR&R) Alekseev, Bephan)
-
Nhóm nghiên cứu tại Mỹ, Nhật Bản, Tây Âu và Úc:
- Các công trình nền tảng của Chow (1964), Shaw (1964), Chow và Maidment (1988), Vijay (2002), Raghunath (2006) hệ thống hóa lý thuyết chuyển đổi mưa - dòng chảy, xây dựng đường cong quan hệ Cường độ - Thời gian - Tần suất mưa (IDF), đường tích lũy mưa 24 giờ và đường lũ đơn vị (Unit Hydrograph).
- Tại Mỹ: Các hướng dẫn của AASHTO, FHWA, Soil Conservation Service (NRCS - TR-55, WinTR-55), USACE. Các phương pháp áp dụng phổ biến gồm: Mô hình quan hệ Rational ($Q = C \cdot I \cdot A$) cho lưu vực nhỏ ($A < 1{,}3\text{ km}^2$ hoặc $A < 65\text{ km}^2$ tùy tiêu chuẩn), phương pháp số đường cong SCS-CN, đường lũ đơn vị tổng hợp SCS, phương trình hồi quy vùng của USGS và phân tích thống kê Bulletin 17B.
- Tại Nhật Bản: Hướng dẫn kỹ thuật DPWH (2002), Bộ Xây dựng Nhật Bản sử dụng mô hình quan hệ cho lưu vực $A < 20\text{ km}^2$ kết hợp đường cong IDF; đối với $A > 20\text{ km}^2$ kết hợp mô hình quan hệ, đường lũ đơn vị và phương trình lượng trữ.
- Tại Úc và Anh: Tiêu chuẩn AR&R (Engineers Australia, 2006, 2013) sử dụng mô hình quan hệ có hiệu chỉnh hệ số dòng chảy theo chu kỳ lặp ($C_y$) và mô hình toán RORB cho $A > 50\text{ km}^2$; Hướng dẫn thiết kế cầu đường của Cơ quan Đường bộ Quốc gia Anh phân chia tính toán theo diện tích $A < 20\text{ km}^2$.
- Lịch sử phát triển các công thức kinh nghiệm: Bảng Dun (James Dun, 1890/1906), công thức Myers (1879), công thức Talbot, công thức Bürkli-Ziegler (1880), công thức Rational theo Mulvany (1851) và Dooge (1957).
-
Nhóm nghiên cứu tại Liên Xô (cũ) và Đông Âu:
- Quy trình BCH 63-67, tiêu chuẩn CH 435-72, các nghiên cứu của Bapkov (1972), Paôdonhekov (1978), Kocherin, Protodiakonov, Bephan, Alekseev. Hai phương pháp cốt lõi là công thức Cường độ giới hạn (áp dụng cho lưu vực $A \le 100\text{ km}^2$) và công thức thể tích Xokolopsky (áp dụng cho lưu vực $A > 100\text{ km}^2$).
Các nghiên cứu trong nước
- Quy phạm QP-TL C-6-77 (1977) của Bộ Thủy lợi đặt nền tảng tính toán đặc trưng thủy văn thiết kế ở Việt Nam.
- Các giáo trình, tài liệu chuyên khảo: Đỗ Cao Đàm và nnk (1990), Lê Văn Nghinh (2000, 2003), Bộ môn Thủy văn và Tài nguyên nước (2003), Hà Văn Khối và nnk (2012).
- Các nghiên cứu chuyên sâu: Lê Đình Thành (1997) nghiên cứu mưa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF); Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) lập phần mềm tính lũ thiết kế theo QP-TL C-6-77 và SCS; Ngô Lê Long và nnk (2015) nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế lũ hồ chứa có xét biến đổi khí hậu; Mai Anh Tuấn (2003) phân tích các bất cập trong tính toán thủy văn thủy lực ngành giao thông; Nguyễn Quang Chiêu và Trần Tuấn Hiệp (2004) giới thiệu công thức Bônđakốp; Sổ tay tính toán thủy văn - thủy lực cầu đường (Bộ GTVT, 2006); Nguyễn Xuân Trục (2009); Doãn Như Thái Dương (2012); Nguyễn Tiến Cương (2012); Nguyễn Anh Tuấn (2014) tính toán lại lượng mưa ngày lớn nhất $H_{24p}$ cho 14 trạm khí tượng điển hình.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về thủy văn công trình giao thông, việc áp dụng tiêu chuẩn hiện hành TCVN 9845:2013 tại vùng núi Đông Bắc gặp các hạn chế lớn:
- Quy định tần suất lũ thiết kế chỉ căn cứ theo cấp đường mà chưa xét đến yếu tố bất lợi về điều kiện tự nhiên, địa hình và khí tượng thủy văn cục bộ.
- Phương pháp tính hiện hành chỉ tập trung xác định lưu lượng đỉnh lũ ($Q_{max}$) mà chưa tính toán đầy đủ tổng lượng lũ ($W$) và đường quá trình lũ ($Q \sim t$), dẫn đến việc xác định khẩu độ thoát nước không đảm bảo, gây ứ đọng nước thượng lưu và phá hoại nền đường.
- Các bảng tra thông số (hệ số dòng chảy, thời gian tập trung dòng chảy trên sườn dốc, mô đun đỉnh lũ, hệ số triết giảm mưa, hệ số nhám Manning) được lập từ lâu trên cơ sở số liệu hạn chế của Liên Xô hoặc chuỗi đo ngắn của Việt Nam, mang tính chủ quan cao khi tra cứu.
- Thiếu giải pháp chi tiết hóa dữ liệu mưa từ mưa ngày sang mưa thời đoạn ngắn và thiếu sự hỗ trợ của công nghệ thông tin địa lý (GIS), viễn thám trong việc cập nhật thuộc tính mặt đệm lưu vực.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết của các phương pháp lựa chọn
Luận án lựa chọn và xây dựng cơ sở khoa học cho 3 phương pháp tính lũ thiết kế gián tiếp từ mưa và mặt đệm:
-
Phương pháp của Cơ quan Bảo vệ Thổ nhưỡng Hoa Kỳ (SCS-CN):
- Cơ chế gồm 2 phần: Tính toán tổn thất (lượng mưa hiệu quả $P_e$) thông qua chỉ số đường cong trạng thái mặt đệm (Curve Number - $CN$) và chuyển đổi mưa hiệu quả thành dòng chảy qua đường lũ đơn vị không thứ nguyên SCS (SCS Dimensionless Unit Hydrograph).
- Biểu thức tính lượng dòng chảy mặt ($P_e$):
$$P_e = \frac{(P - I_a)^2}{(P - I_a) + S}$$
Trong đó $P$ là lượng mưa tổng cộng, $I_a$ là lượng tổn thất ban đầu ($I_a = 0{,}2S$), $S$ là lượng trữ tiềm năng cực đại của đất ($S = \frac{25400}{CN} - 254$).
-
Phương pháp Mô hình quan hệ (Rational Method - CIA):
- Áp dụng xác định đỉnh lũ thiết kế cho lưu vực vừa và nhỏ:
$$Q_{max} = \frac{C \cdot I \cdot A}{3{,}6}$$
Trong đó $Q_{max}$ 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 $T_c$ ($\text{mm/h}$); $A$ là diện tích lưu vực ($\text{km}^2$).
-
Phương pháp Phương trình hồi quy vùng (Regional Recurrent Equation):
- Xây dựng quan hệ tương quan thực nghiệm giữa lưu lượng đỉnh lũ thiết kế $Q_p$ và diện tích lưu vực $A$ cho các tần suất thiết kế khác nhau theo dạng hàm lũy thừa:
$$Q_p = a \cdot A^b$$
Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật phân tích
- Phương pháp thống kê và kiểm định xu thế: Áp dụng kiểm định phi tham số Mann-Kendall và phương pháp ước lượng độ dốc Theil-Sen để đánh giá tính phi dừng và xu thế biến đổi của chuỗi lượng mưa ngày lớn nhất ($X_{max}$). Sử dụng các phân phối xác suất Gumbel (EVT1), Pearson III, Log-Pearson III, Kritsky-Menkel cùng tiêu chuẩn kiểm định $\chi^2$ để tính toán mưa thiết kế.
- Phương pháp xây dựng đường cong IDF và chi tiết hóa mưa: Xây dựng quan hệ Cường độ - Thời gian - Tần suất mưa (IDF) dạng hàm mũ $I = a \cdot D^b$ (với $D$ là thời gian mưa từ 5 phút đến 1440 phút). Thiết lập phương trình tương quan chuyển đổi mưa thời đoạn ngắn từ lượng mưa ngày $X_{24h}$ và xây dựng đường phân bố tích lũy mưa 24 giờ điển hình.
- Phương pháp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS): Sử dụng mô hình số độ cao (DEM) để tự động hóa trích xuất ranh giới lưu vực, hướng dòng chảy, chiều dài sông suối, độ dốc lưu vực ($S$). Chồng xếp lớp bản đồ thổ nhưỡng (loại đất nhóm A, B, C, D) và bản đồ hiện trạng sử dụng đất từ ảnh vệ tinh để thành lập bản đồ số phân bố không gian của chỉ số $CN$, hệ số dòng chảy $C$, hệ số nhám Manning mặt đệm $n$.
Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu
- Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu mưa ngày lớn nhất và mưa tự ghi tại các trạm thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (Bắc Kạn, Lạng Sơn, Bắc Sơn, Hữu Lũng, Ngân Sơn, Thất Khê, Chợ Ra, Đình Lập, Thác Giềng, Chợ Đồn, v.v.).
- Dữ liệu thủy văn: Dữ liệu quan trắc mực nước, lưu lượng tại các trạm thủy văn trong khu vực.
- Dữ liệu địa lý và không gian: Bản đồ địa hình tỉ lệ 1:50.000, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ thảm phủ thực vật, ảnh vệ tinh độ phân giải cao (Google Map, ảnh IKONOS-1m).
- Dữ liệu công trình: Khảo sát thực tế hơn 40 lưu vực cầu, cống thoát nước trên các tuyến quốc lộ thuộc hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn.
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 và thực tiễn về tính toán lũ cho công trình giao thông trong và ngoài nước, đồng thời phân tích các điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu.
Quy định tần suất lũ thiết kế
Văn bản tổng kết quy định tần suất lũ thiết kế theo cấp đường và loại công trình theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-01 và 22 TCN 273-01:
| Cấp đường / Loại công trình |
Đường cao tốc, Cấp I, II, III |
Cấp IV |
Cấp V, VI |
| Nền đường |
Như đối với cầu nhỏ và cống |
Như đối với cầu nhỏ và cống |
Như đối với cầu nhỏ và cống |
| Cầu lớn và cầu trung ($L > 25\text{ m}$) |
$1%$ ($1:100$) |
$1%$ ($1:100$) |
$2%$ ($1:50$) |
| Cầu nhỏ và cống ($L \le 25\text{ m}$) |
$1%$ ($1:100$) |
$2%$ ($1:50$) |
$4%$ ($1:25$) |
| Rãnh thoát nước dọc |
$4%$ ($1:25$) |
$4%$ ($1:25$) |
$4%$ ($1:25$) |
Ghi chú: Đối với cầu có khẩu độ $L_0 > 10\text{ m}$ và kết cấu vĩnh cửu, tần suất tính toán lấy bằng $1%$ không phụ thuộc vào cấp đường.
Đặc điểm khu vực nghiên cứu và các sự cố điển hình
Vùng núi Đông Bắc (trọng tâm là Bắc Kạn và Lạng Sơn) có địa hình đồi núi hiểm trở, độ dốc lớn, chia cắt mạnh. Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9, chiếm 75 - 80% tổng lượng mưa cả năm; lượng mưa lớn nhất tập trung vào tháng 7 và tháng 8. Khu vực chịu ảnh hưởng của các hình thế thời tiết gây mưa cực đoan như bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), dải hội tụ nhiệt đới (HTNĐ), rãnh thấp nóng (RTN), cao áp Thái Bình Dương (CTBD), xoáy thuận (XT) và xoáy nghịch (XN).
Các trận lũ lịch sử (năm 1986, 2008, 2013, 2014) đã gây ngập lụt nghiêm trọng thành phố Lạng Sơn và các tuyến quốc lộ. Luận án dẫn chứng các sự cố công trình điển hình: hiện tượng xói mái ta luy đường do thiếu rãnh dọc, xói lở ta luy âm tuyến đường nội tỉnh Lạng Sơn (2013), nước lũ tràn qua mặt đường gây cắt đứt giao thông, và sự cố cầu Sâm Lang bị lũ cuốn trôi chỉ sau 2 tháng đưa vào sử dụng.
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC - VIỆT NAM
Chương 2 tập trung giải quyết việc chuẩn hóa và xây dựng cơ sở dữ liệu mưa và mặt đệm trên nền tảng GIS và viễn thám.
CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ THIẾT KẾ (CHƯƠNG 2)
CƠ SỞ DỮ LIỆU MƯA CƠ SỞ DỮ LIỆU MẶT ĐỆM
Xử lý chuỗi mưa Mô hình hóa không gian Trích xuất lưu vực Xây dựng bản đồ số
- Kiểm định - Bộ đường cong IDF bằng DEM thông số thủy văn
Mann-Kendall ($I = a \cdot D^b$) (Diện tích $A$, - Bản đồ đất (A, B, C, D)
và độ dốc Sen - Đường tích lũy mưa 24h chiều dài $L$, - Hiện trạng sử dụng đất
- Phân phối Gumbel - Bản đồ đẳng trị cường độ độ dốc $S$) - Bản đồ chỉ số $CN$
và kiểm định mưa $I_{1-1-100}$ - Bản đồ hệ số dòng chảy $C$
$\chi^2$ - Bản đồ biến thiên $C_v$ - Bản đồ độ nhám Manning $n$
Xây dựng cơ sở dữ liệu mưa
- Kiểm định xu thế và phân tích tần suất: Luận án thực hiện kiểm định Mann-Kendall và tính toán hệ số biến thiên $C_v$ lượng mưa ngày cực đại tại các trạm Bắc Kạn, Lạng Sơn, Bắc Sơn, Hữu Lũng, Ngân Sơn, Thất Khê, Chợ Ra, Đình Lập. Kết quả kiểm tra chỉ tiêu $\chi^2$ cho thấy phân phối Gumbel phù hợp tốt với chuỗi số liệu mưa cực trị khu vực nghiên cứu.
- Xây dựng bộ đường cong IDF: Thiết lập quan hệ $I = a \cdot D^b$ cho các thời kỳ lặp lại $T = 5, 10, 25, 50, 100, 200$ năm tại các trạm khí tượng. Chuyển đổi mưa ngày thiết kế sang các thời đoạn ngắn (1h, 3h, 6h, 12h) và xây dựng đường phân bố lũy tích mưa 24 giờ.
- Bản đồ hóa đặc trưng mưa: Xây dựng bản đồ phân bố hệ số biến thiên $C_v$ lượng mưa ngày cực đại và bản đồ đẳng trị cường độ mưa ($I_{1-1-100}$) trên không gian vùng núi Đông Bắc. Kết quả chỉ ra rằng việc quy ước toàn bộ vùng Đông Bắc là một vùng mưa đồng nhất theo TCVN 9845:2013 dẫn đến sai số lớn do mưa biến động mạnh theo không gian và địa hình.
Xây dựng cơ sở dữ liệu mặt đệm
- Phân loại đất thủy văn: Chia thổ nhưỡng khu vực thành 4 nhóm đất thủy văn (A, B, C, D) theo khả năng thấm nước dựa trên tiêu chuẩn NRCS.
- Bản đồ hóa chỉ số $CN$: Kết hợp bản đồ nhóm đất và bản đồ hiện trạng sử dụng đất để xây dựng bản đồ phân bố chỉ số $CN$ số hóa cho tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn, phục vụ tính toán tổn thất và lượng mưa hiệu quả.
- Bản đồ hóa hệ số dòng chảy $C$ và hệ số nhám $n$: Xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy $C$ (cho độ dốc $S > 6%$) và bản đồ hệ số nhám Manning mặt đệm ($n$) tương ứng với các trạng thái thảm phủ thực vật và lớp phủ bề mặt.
- Chiết xuất đặc trưng lưu vực: Ứng dụng DEM chiết xuất tự động diện tích ($A$), chiều dài sông suối ($L$), chiều dài đến trọng tâm ($L_c$), độ dốc bình quân lưu vực ($S$) cho hơn 40 tiểu lưu vực thoát nước qua cầu đường (như lưu vực cầu Bắc Khương, cầu Khuổi Lù, cầu Can, cầu Bản Chắt, cầu Pác Vàng, cầu Kỳ Lừa).
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨ CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
Chương 3 tiến hành thử nghiệm, so sánh các phương pháp tính toán, đề xuất khung ứng dụng theo quy mô công trình và phát triển phần mềm tính lũ chuyên dụng.
Phân nhóm công trình và tính toán thử nghiệm
Luận án phân chia các công trình thoát nước giao thông thành các nhóm theo quy mô diện tích lưu vực hứng nước:
- Nhóm 1: Công trình có lưu vực nhỏ ($A < 5\text{ km}^2$), chủ yếu là cống và cầu nhỏ (chiếm khoảng 50% tổng số công trình thoát nước trên đường).
- Nhóm 2: Công trình có lưu vực vừa ($A = 5 - 30\text{ km}^2$), bao gồm cầu nhỏ và cầu trung (chiếm khoảng 40% công trình).
- Nhóm 3: Công trình có lưu vực $A = 30 - 100\text{ km}^2$ và $A > 100\text{ km}^2$ (cầu lớn và trung), điều kiện mặt đệm phức tạp cần chia thành các tiểu lưu vực.
Luận án tiến hành tính toán lưu lượng lũ thiết kế theo 5 phương pháp: Mô hình quan hệ (CIA), SCS-CN, Hồi quy tương quan vùng, Xokolopsky và Cường độ giới hạn (TCVN 9845:2013) cho 4 công trình đại diện:
| Tên công trình đại diện |
Diện tích lưu vực ($A$) |
Đại diện phân nhóm |
| Cầu Can |
$A < 5\text{ km}^2$ |
Nhóm 1 (Lưu vực nhỏ, cống và cầu nhỏ) |
| Cầu Bản Chắt |
$A = 5 - 30\text{ km}^2$ |
Nhóm 2 (Lưu vực vừa) |
| Cầu Pác Vàng |
$A = 30 - 100\text{ km}^2$ |
Nhóm 3a (Lưu vực lớn hơn) |
| Cầu Kỳ Lừa |
$A > 100\text{ km}^2$ |
Nhóm 3b (Lưu vực lớn) |
Kết quả so sánh cho thấy các phương pháp được hỗ trợ bởi cơ sở dữ liệu GIS và mưa chi tiết hóa (SCS-CN, CIA) phản ánh sát điều kiện thực tế của lưu vực, loại bỏ được tính chủ quan khi tra cứu bảng số liệu cũ trong TCVN 9845:2013.
Đề xuất áp dụng phương pháp tính lũ cho công trình giao thông
| Nhóm công trình / Diện tích lưu vực ($A$) |
Phương pháp đề xuất chính |
Phương pháp kết hợp / Bổ trợ |
| Lưu vực $A < 5\text{ km}^2$ |
Phương pháp Mô hình quan hệ (CIA) |
Phương pháp SCS-CN |
| Lưu vực $A = 5 - 30\text{ km}^2$ |
Phương pháp SCS-CN |
Mô hình quan hệ (CIA) |
| Lưu vực $A = 30 - 100\text{ km}^2$ |
Phương pháp SCS-CN (chia tiểu lưu vực) |
Phương pháp Cường độ giới hạn |
| Lưu vực $A > 100\text{ km}^2$ |
Phương pháp SCS-CN kết hợp các mô hình thủy văn |
Phương pháp Xokolopsky |
| Quy hoạch tuyến / Thiết kế sơ bộ |
Phương pháp Hồi quy vùng ($Q_p = a \cdot A^b$) |
Tra cứu nhanh trên phần mềm |
Xây dựng chương trình tính toán lũ thiết kế
Luận án phát triển một chương trình máy tính chuyên dụng viết bằng ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Visual Basic, tích hợp cơ sở dữ liệu không gian (GEO-database) trên nền giao diện Google Maps và ảnh vệ tinh IKONOS-1m.
CẤU TRÚC PHẦN MỀM TÍNH LŨ THIẾT KẾ
MODULE TÍNH TOÁN MODULE DỮ LIỆU (GEO-DATABASE)
- Thuật toán Mô hình quan hệ (CIA) - Lớp Raster/Vector bản đồ số:
- Thuật toán SCS-CN (Tổn thất & lũ đơn vị) $CN$, $C$, nhám $n$, $C_v$, Đẳng trị $I$
- Thuật toán Phương trình hồi quy vùng - Cơ sở dữ liệu đường cong IDF
- Mô phỏng đường quá trình lũ thiết kế - Tích hợp giao diện bản đồ Google Maps & IKONOS
Quy trình vận hành chương trình gồm 3 bước:
- Bước 1: Khởi động chương trình qua kết nối mạng, chọn chế độ hiển thị bản đồ số hoặc ảnh vệ tinh Google Maps của khu vực tính toán.
- Bước 2: Lựa chọn phương pháp tính toán (Mô hình quan hệ, SCS-CN hoặc Hồi quy) phù hợp với quy mô diện tích công trình.
- Bước 3: Nhập thông tin công trình (tên, tọa độ kinh/vĩ độ, tần suất thiết kế, diện tích lưu vực). Chương trình tự động zoom đến vị trí, tự động trích xuất các tham số từ GEO-database (thời gian tập trung dòng chảy $T_c$, độ dốc $S$, hệ số $C$ hoặc $CN$, cường độ mưa $I$), thực hiện tính toán và xuất kết quả lưu lượng đỉnh lũ ($Q_{max}$), bảng số liệu và biểu đồ đường quá trình lũ thiết kế.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Đổi mới phương pháp luận tính toán thủy văn cho công trình giao thông miền núi: Xây dựng khung phương pháp luận tiếp cận hiện đại trong điều kiện thiếu chuỗi số liệu đo đạc mưa thời đoạn ngắn và dòng chảy thực đo. Phương pháp luận dựa trên việc chi tiết hóa mưa ngày thành mưa giờ (qua bộ đường cong IDF, đường tích lũy mưa 24 giờ) và chi tiết hóa các tham số mặt đệm lưu vực bằng công nghệ viễn thám và GIS.
- Xác lập cơ sở khoa học cho hệ thống tham số thủy văn khu vực: Khắc phục các nhược điểm của phương pháp truyền thống (bảng tra tĩnh, chuỗi đo ngắn, ranh giới vùng mưa quá rộng) bằng việc xây dựng hệ thống bản đồ số chuyên đề có độ phân giải không gian cao ($CN$, $C$, $n$, $C_v$, đẳng trị cường độ mưa) cho vùng núi Đông Bắc.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Khái quát hóa kết quả và hướng dẫn ứng dụng cho kỹ sư thiết kế: Đưa ra bảng hướng dẫn cụ thể về phạm vi áp dụng các phương pháp tính toán lũ (Mô hình quan hệ CIA, SCS-CN, Hồi quy vùng) tương ứng với từng nhóm diện tích lưu vực của công trình cầu, cống, rãnh thoát nước.
- Phát triển phần mềm tính toán tích hợp trên nền ảnh vệ tinh: Xây dựng thành công phần mềm tính toán lũ thiết kế với mã nguồn mở trên nền Google Maps và cơ sở dữ liệu GEO-database, cho phép kỹ sư tra cứu thông số tự động theo tọa độ công trình, rút ngắn thời gian tính toán và giảm thiểu sai số chủ quan.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
Theo nội dung tự đánh giá trong văn bản, luận án tồn tại một số hạn chế:
- Mới chỉ đánh giá sự biến động của yếu tố mưa sinh lũ theo không gian và thời gian, chưa đánh giá được toàn diện sự biến động của dòng chảy lũ thực đo do mạng lưới trạm quan trắc thủy văn trên các sông suối nhỏ vùng núi còn rất thưa thớt.
- Chương trình tính toán mới chỉ xác định lưu lượng đỉnh lũ thiết kế và mô phỏng dạng đường quá trình lũ lý thuyết (dạng tam giác, hình thang), chưa kiểm chứng được đường quá trình lũ thực tế chi tiết cho toàn bộ các lưu vực thử nghiệm do thiếu chuỗi số liệu thủy văn đo đạc liên tục.
Hướng phát triển tiếp theo
- Tiếp tục cập nhật, bổ sung và hoàn thiện cơ sở dữ liệu không gian (GEO-database) với các ảnh viễn thám và chuỗi số liệu khí tượng thủy văn mới nhất.
- Hoàn thiện và nâng cấp phần mềm tính toán, chia sẻ rộng rãi chương trình trên nền tảng web để tiếp nhận đóng góp chuyên môn từ các nhà khoa học và kỹ sư thực hành.
- Mở rộng phạm vi nghiên cứu và xây dựng cơ sở dữ liệu tương tự cho các khu vực miền núi khác trên toàn quốc (vùng Tây Bắc, Tây Nguyên, Duyên hải Miền Trung).
- Kiến nghị các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Giao thông Vận tải, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) nghiên cứu cập nhật, sửa đổi Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9845:2013 và các hướng dẫn tính toán thủy văn cho công trình giao thông theo hướng tiếp cận công nghệ mới.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn trong các lĩnh vực:
- Kỹ sư và tư vấn thiết kế công trình giao thông, thủy lợi: Tham khảo quy trình xác định thông số mặt đệm ($CN$, $C$, $n$) và bộ đường cong IDF khi thiết kế cầu, cống, rãnh dọc thoát nước trên các tuyến đường miền núi thiếu trạm đo.
- Cơ quan quản lý và quy hoạch hạ tầng giao thông: Sử dụng các phương trình hồi quy vùng và khung phân nhóm công trình để ước tính nhanh khẩu độ thoát nước, rà soát khả năng thoát lũ và đánh giá an toàn của các công trình hiện hữu trong mùa mưa lũ.
- Cơ sở đào tạo và nghiên cứu: Cung cấp tài liệu giảng dạy, nghiên cứu cho giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Thủy văn học, Kỹ thuật tài nguyên nước, Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông về ứng dụng GIS, viễn thám và mô hình thủy văn trong tính toán công trình.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án phân chia các công trình thoát nước giao thông thành những nhóm nào để áp dụng phương pháp tính lũ thiết kế?
Luận án phân chia công trình thoát nước dựa trên quy mô diện tích lưu vực ($A$):
- Nhóm 1 ($A < 5\text{ km}^2$): Cống và cầu nhỏ (chiếm khoảng 50% công trình trên đường), áp dụng phương pháp Mô hình quan hệ (CIA).
- Nhóm 2 ($A = 5 - 30\text{ km}^2$): Cầu nhỏ và cầu trung (chiếm khoảng 40% công trình), áp dụng phương pháp SCS-CN.
- Nhóm 3 ($A = 30 - 100\text{ km}^2$ và $A > 100\text{ km}^2$): Cầu lớn và trung, áp dụng phương pháp SCS-CN có phân chia tiểu lưu vực hoặc kết hợp các mô hình thủy văn.
- Quy hoạch và đánh giá nhanh: Áp dụng phương trình Hồi quy vùng ($Q_p = a \cdot A^b$).
2. Vì sao phương pháp tính lũ theo TCVN 9845:2013 bộc lộ nhiều hạn chế khi áp dụng cho giao thông vùng núi Đông Bắc?
TCVN 9845:2013 (kế thừa từ QP-TL C-6-77) sử dụng các công thức kinh nghiệm từ Liên Xô cũ (Cường độ giới hạn, Xokolopsky) với các bảng tra thông số ($C$, thời gian tập trung dòng chảy, mô đun đỉnh lũ, độ nhám) lập từ lâu trên bản đồ tỉ lệ nhỏ và chuỗi số liệu ngắn. Việc coi toàn bộ vùng Đông Bắc là một vùng mưa đồng nhất không phản ánh được sự biến động mưa rất lớn theo địa hình; đồng thời phương pháp này chỉ tập trung tính đỉnh lũ mà bỏ qua tổng lượng và đường quá trình lũ, dẫn đến nguy cơ sai số lớn và phụ thuộc vào cảm tính người tính toán.
3. Luận án giải quyết vấn đề thiếu số liệu mưa thời đoạn ngắn bằng cách nào?
Luận án sử dụng phương pháp thống kê phân tích tần suất (phân phối Gumbel EVT1), thiết lập các phương trình tương quan chuyển đổi mưa ngày ($X_{24h}$) thành mưa các thời đoạn ngắn (1h, 3h, 6h, 12h), xây dựng bộ đường cong quan hệ Cường độ - Thời gian - Tần suất mưa (IDF dạng hàm mũ $I = a \cdot D^b$) và biểu đồ đường phân bố tích lũy mưa 24 giờ cho từng tiểu vùng khí tượng tại Bắc Kạn và Lạng Sơn.
4. Cơ sở dữ liệu mặt đệm phục vụ tính toán dòng chảy lũ trong luận án gồm những gì?
Cơ sở dữ liệu mặt đệm được xây dựng bằng công nghệ GIS và phân tích ảnh vệ tinh, bao gồm:
- Bản đồ phân loại 4 nhóm đất thủy văn (A, B, C, D).
- Bản đồ hiện trạng sử dụng đất.
- Bản đồ phân bố số đường cong $CN$ (Curve Number).
- Bản đồ hệ số dòng chảy $C$ (cho sườn dốc $S > 6%$).
- Bản đồ hệ số nhám Manning mặt đệm ($n$).
- Các đặc trưng hình học trích xuất từ DEM cho hơn 40 tiểu lưu vực (diện tích $A$, chiều dài sông $L$, độ dốc $S$).
5. Phần mềm tính toán lũ thiết kế được xây dựng trong luận án có cấu trúc như thế nào?
Phần mềm được lập trình bằng ngôn ngữ Visual Basic, tích hợp trực tiếp trên nền ảnh vệ tinh Google Maps và IKONOS-1m, gồm 2 module chính:
- Module tính toán: Chứa các thuật toán con thực thi 3 phương pháp (Mô hình quan hệ CIA, SCS-CN, Hồi quy tương quan vùng).
- Module quản lý dữ liệu (GEO-database): Quản lý các lớp dữ liệu không gian dạng Raster/Vector ($CN$, $C$, $n$, $C_v$, IDF, ranh giới lưu vực). Người dùng chỉ cần nhập tọa độ và diện tích, phần mềm sẽ tự động trích xuất thông số mặt đệm và tính toán kết quả đỉnh lũ, xuất đường quá trình lũ thiết kế.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Doãn Thị Nội đã giải quyết vấn đề tính toán thủy văn phục vụ thiết kế công trình thoát nước giao thông tại vùng núi Đông Bắc Việt Nam trong điều kiện thiếu dữ liệu thực đo. Bằng việc kết hợp lý thuyết tính lũ quốc tế (SCS-CN, Mô hình quan hệ) với công nghệ GIS và viễn thám, luận án đã xây dựng thành công hệ thống cơ sở dữ liệu số về mưa (đường cong IDF, phân bố mưa 24h) và mặt đệm ($CN$, $C$, $n$). Nghiên cứu đã đề xuất khung phân loại áp dụng phương pháp tính theo quy mô lưu vực và phát triển phần mềm tính lũ tự động tích hợp trên Google Maps, tạo tiền đề khoa học cho việc cập nhật, hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế thủy văn công trình giao thông tại Việt Nam.
