Xác định cường độ mưa tính toán trong thiết kế thoát nước mưa thành phố Hà Nội

Tổng hợp cơ sở lý luận và thực tiễn xác định cường độ mưa tính toán, xây dựng công thức ứng dụng trong thiết kế thoát nước mưa tại thành phố Hà Nội.

• Tác giả: Hà Xuân Ánh
• Người hướng dẫn: Pgs. Trần Thị Việt Nga
• Trường học: Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Sở Hạ Tầng
• Đề tài: Xác Định Cường Độ Mưa Tính Toán Trong Thiết Kế Thoát Nước Mưa Thành Phố Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về cường độ mưa tính toán trong thiết kế thoát nước

Cường độ mưa tính toán là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế hệ thống tiêu thoát nước mưa tại các thành phố hiện đại, đặc biệt là tại Hà Nội. Đây là giá trị mưa cực đại được sử dụng để xác định kích thước và công suất của các công trình thoát nước nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả. Cường độ mưa được định nghĩa là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian (mm/phút hoặc mm/giờ), được tính toán dựa trên các dữ liệu khí tượng lịch sử và các phương pháp thống kê hiện đại. Việc xác định chính xác công thức cường độ mưa tính toán giúp tối ưu hóa chi phí xây dựng và nâng cao khả năng chống chịu lũ lụt đô thị.

1.1. Định nghĩa cường độ mưa và ứng dụng trong thoát nước

Cường độ mưa là một chỉ số khí tượng thủy văn biểu thị lượng mưa trong một khoảng thời gian xác định. Trong bối cảnh thiết kế thoát nước mưa thành phố, việc sử dụng các công thức cường độ mưa chính xác là cần thiết để tính toán quy mô của hệ thống. Điều này giúp ngăn chặn tình trạng ngập lụt đô thị và bảo vệ cơ sở hạ tầng.

1.2. Tầm quan trọng của công thức tính cường độ mưa

Công thức tính cường độ mưa tính toán là nền tảng cho các nhà thiết kế và kỹ sư xây dựng trong việc quyết định thông số kỹ thuật của các hệ thống tiêu thoát. Sử dụng công thức cường độ mưa phù hợp với điều kiện khí hậu địa phương của Hà Nội giúp nâng cao hiệu quả kinh tế và độ tin cậy của công trình.

II. Các phương pháp xác định cường độ mưa tính toán tại Hà Nội

Hà Nội, với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, có nhu cầu cấp thiết trong việc xác định cường độ mưa tính toán chính xác. Các phương pháp hiện đại như phân phối Pearson III, Log-Pearson III và Gumbel được sử dụng để phân tích dữ liệu mưa từ các trạm quan trắc mưa trong thành phố. Những phương pháp này dựa trên lý thuyết xác suất và thống kê, giúp xác định mối quan hệ Cường độ - Thời gian - Tần suất (IDF) cho các trạm như Láng và Hà Đông. Việc áp dụng các công thức toán học tiên tiến cho phép tính toán công thức cường độ mưa với độ chính xác cao, từ đó cải thiện hiệu quả thiết kế hệ thống tiêu thoát nước mưa.

2.1. Phân phối xác suất trong tính toán cường độ mưa

Các mô hình phân phối xác suất như Pearson III, Log-Pearson III và Gumbel được sử dụng để phân tích dữ liệu mưa lịch sử. Mỗi phân phối có những ưu điểm riêng trong việc mô phỏng hành vi của cường độ mưa tại các địa điểm khác nhau ở Hà Nội. Lựa chọn đúng phân phối xác suất là bước quan trọng để đảm bảo độ chính xác của công thức cường độ mưa tính toán.

2.2. Đường cong quan hệ IDF Intensity Duration Frequency

Đường cong IDF là công cụ quan trọng biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ mưa, thời gian mưa và tần suất xuất hiện. Xây dựng đường cong IDF cho các trạm như Láng và Hà Đông giúp kỹ sư dễ dàng tìm ra cường độ mưa tính toán cho bất kỳ thời đoạn và tần suất nào, hỗ trợ thiết kế thoát nước mưa hiệu quả.

III. Ứng dụng cường độ mưa tính toán trong thiết kế thoát nước Hà Nội

Thiết kế thoát nước mưa tại Hà Nội phải dựa trên các công thức cường độ mưa đã được xác định từ dữ liệu thực tế. Các trạm quan trắc mưa chính như trạm Láng và trạm Hà Đông cung cấp dữ liệu quý báu để tính toán cường độ mưa tính toán phù hợp với từng khu vực. Hiện nay, Hà Nội đang phải đối mặt với tình trạng ngập lụt đô thị do hệ thống tiêu thoát nước mưa không được thiết kế phù hợp với các cơn mưa cực đoan. Việc áp dụng các công thức cường độ mưa tính toán hiện đại, dựa trên phương pháp xác suất thống kê, sẽ giúp nâng cao chất lượng hệ thống thoát nước mưa và giảm thiểu rủi ro lũ lụt cho thành phố.

3.1. Dữ liệu mưa từ các trạm quan trắc tại Hà Nội

Trạm Láng và trạm Hà Đông là những trạm quan trắc mưa quan trọng cung cấp dữ liệu mưa lâu dài để xác định công thức cường độ mưa tính toán. Những dữ liệu này là cơ sở để xây dựng các mô hình cường độ mưa chính xác, phục vụ cho thiết kế hệ thống tiêu thoát nước mưa hiệu quả tại Hà Nội.

3.2. Thiết kế hệ thống tiêu thoát nước mưa dựa trên công thức tính toán

Việc sử dụng công thức cường độ mưa tính toán đúng cách giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống thoát nước mưa với kích thước ống, mạng lưới và bể chứa phù hợp. Điều này đảm bảo hệ thống thoát nước có khả năng xử lý các cơn mưa với cường độ và tần suất xác định, từ đó bảo vệ thành phố khỏi ngập lụt.

IV. Những thách thức và giải pháp trong xác định cường độ mưa tính toán

Việc xác định cường độ mưa tính toán tại Hà Nội đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm sự thay đổi của khí hậu toàn cầu ảnh hưởng đến cường độ mưa và thời gian mưa. Các công thức cường độ mưa cũ có thể không còn phù hợp với các điều kiện mưa mới. Ngoài ra, mạng lưới trạm quan trắc mưa tại Hà Nội vẫn còn nhiều khoảng trống địa lý, gây khó khăn trong việc xác định cường độ mưa tính toán chính xác cho toàn bộ thành phố. Để khắc phục, cần tiếp tục nâng cấp hệ thống quan trắc, áp dụng các phương pháp xác suất thống kê hiện đại và công thức cường độ mưa được cập nhật thường xuyên dựa trên dữ liệu mưa mới nhất.

4.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến cường độ mưa

Biến đổi khí hậu làm thay đổi đặc tính cường độ mưa và tần suất các cơn mưa cực đoan tại Hà Nội. Các công thức cường độ mưa tính toán cũ được xây dựng từ dữ liệu lịch sử có thể không phản ánh chính xác các điều kiện mới. Việc cập nhật công thức cường độ mưa định kỳ là cần thiết để đảm bảo thiết kế thoát nước mưa luôn phù hợp với thực tế.

4.2. Cải thiện mạng lưới quan trắc và công thức tính toán

Giải pháp cơ bản là nâng cấp mạng lưới trạm quan trắc mưa để bao phủ toàn bộ Hà Nội, cung cấp dữ liệu mưa chính xác hơn. Đồng thời, áp dụng các công thức cường độ mưa tính toán hiện đại sử dụng phương pháp xác suất thống kê nâng cao, kết hợp với công nghệ Big data để tăng độ tin cậy của hệ thống tiêu thoát nước mưa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về cường độ mưa tính toán 1. Khái niệm về cường độ mưa và cường độ mưa tính toán 1. Cường độ mưa Tổng lượng mưa là lượng mưa (hay còn gọi là lớp nước mưa hoặc độ sâu lớp nước mưa) quan trắc được tại một trạm đo đạc đại diện cho một khu vực nào đó trong một khoảng thời gian nhất định.

Cường độ mưa thường được định nghĩa là độ sâu lớp nước mưa rơi trong một đơn vị thời gian. Khối lượng mưa khi rơi xuống tùy theo trạng thái từng trận mưa sẽ khác nhau. Mỗi trận mưa được đặc trưng bởi hai giá trị chính gồm lượng nước mưa rơi xuống quan trắc được qua các thiết bị đo đạc và thời gian mưa. Giá trị thứ nhất được biểu diễn bằng bề dày lớp nước theo đơn vị dài hay thể tích nước mưa trên một đơn vị diện tích.

Giá trị thứ hai được tính bằng đơn vị thời gian thể hiện bằng phút, giây, giờ [12]. Như vậy, đại lượng cơ bản đặc trưng quan trọng của các trận mưa là cường độ mưa được xác định bằng tỷ số giữa lượng nước mưa với thời gian mưa, có đơn vị tính là mm/phút hoặc lít/giây. Cường độ mưa có thể được chia làm hai loại là cường độ mưa tức thời và cường độ mưa trung bình thời đoạn. Cường độ mưa tức thời là cường độ mưa thực tế đo được trong từng thời điểm và biến đổi liên tục.

Cường độ mưa trung bình thời đoạn là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian tính trung bình trong thời khoảng đó. Trong quá trình mưa, cường độ mưa được đo liên tục, cho nên trong thực tế người ta sử dụng khái niệm “Cường độ trung bình trong một khoảng thời gian nào đó”. Chính vì vậy trong tính toán, ta thường dùng cường độ mưa trung bình, được biểu thị bởi công thức tổng quát sau: ℎ 𝑖= (1.1) 𝑡 trong đó: 𝑖 - cường độ mưa còn được gọi là cường độ mưa theo lớp nước (mm/phút); ℎ - độ sâu mưa, đo bằng 𝑚𝑚; 𝑡 - thời gian mưa, thường tính bằng phút. 8 Cường độ mưa theo thể tích được tính theo cường độ mưa theo lớp nước 𝑖 thông qua một hệ số chuyển đổi, công thức như sau: 𝑞 = 166.2) Trong đó: 𝑞 là cường độ mưa theo thể tích, l/s.7 là hệ số chuyển đổi đơn vị; 𝑖 là cường độ mưa theo lớp nước, mm/phút.

(Ví dụ thực tế cường độ mưa 6 mm/phút sử dụng các công thức tính toán trên xác định được cường độ mưa tương ứng là 1 l/s. Cường độ mưa tính toán Trong tính toán thiết kế hệ thống tiêu thoát nước mưa đô thị thường quan tâm đến cường độ mưa trung bình lớn nhất trong khoảng thời gian tính toán t nào đó. Khi đó, cường độ mưa trung bình lớn nhất trong khoảng thời gian tính toán t được xác định qua công thức dưới đây: ℎ𝑡 𝑖𝑡 = (1.3) 𝑡 trong đó 𝑖𝑡 – là cường độ mưa trung bình lớn nhất trong khoảng thời gian tính toán t, đơn vị (mm/phút); ℎ𝑡 – là lượng mưa lớn nhất hay độ sâu mưa lớn nhất đo được trong khoảng thời gian t, đơn vị (𝑚𝑚) 𝑡 - thời đoạn mưa tính toán, thường tính bằng phút. Trong tính toán thiết kế nói chung người ta thường quan tâm đến giá trị tần suất hay độ lặp lại của các hiện tượng.

Tương tự với tính toán thiết kế hệ thống tiêu thoát nước mưa, nếu xét thêm yếu tố tần suất mưa tính toán (p %) thì có thể thêm chỉ số tần suất vào các kí hiệu của i và h trong công thức 1. Khi đó, cường độ mưa độ mưa trung bình lớn nhất trong khoảng thời gian tính toán t tương ứng với tần suất p sẽ được tính qua công thức sau: ℎ𝑡,𝑝 𝑖𝑡,𝑝 = (1.4) 𝑡 9 trong đó 𝑖𝑡,𝑝 – là cường độ mưa trung bình lớn nhất trong khoảng thời đoạn tính toán t ứng với tần suất p hay còn gọi là cường độ mưa tính toán ở thời đoạn t và tần suất p, hoặc cũng có thể gọi là cường độ mưa giới hạn lớn nhất trong thời đoạn tính toán t và tần suất p, đơn vị (mm/phút); ℎ𝑡,𝑝 – là lượng mưa lớn nhất hay độ sâu mưa lớn nhất trong khoảng thời gian t tương ứng với tần suất p hay còn gọi là lượng mưa tính toán ở thời đoạn t và tần suất p, đơn vị (𝑚𝑚) 𝑡 - thời đoạn mưa tính toán, thường tính bằng phút. Thông thường trong một số các công thức tính toán cường độ mưa thì thời đoạn t được lấy bằng thời gian tập trung nước của lưu vực. Qua phân tích các tài liệu liên quan đến xác định cường độ mưa tính toán có thể phân chia làm hai nhóm chính như sau dựa trên các số liệu mưa thu thập hoặc quan trắc tại các vị trí nghiên cứu: + Nhóm thứ nhất là tính toán theo phương pháp phân tích thống kê.

Phương pháp này cho phép xác định trực tiếp giá trị cường độ mưa tính toán 𝑖𝑡,𝑝 đối với thời đoạn t với tần suất là p dựa vào các số liệu quan trắc mưa thực tế tại các trạm khí tượng hoặc trạm đo mưa sử dụng các thiết bị đo mưa tự ghi hay tự động. Như vậy, nhóm phương pháp này chỉ áp dụng được cho các khu vực có chuỗi số liệu quan trắc mưa đủ dài (nhiều năm). Phương pháp đặc trưng thuộc nhóm này là đường cong quan hệ Cường độ mưa – Thời đoạn – Tần suất sẽ được trình bày tổng quan trong Tiểu mục 1. + Nhóm thứ hai là tính toán theo các công thức thực nghiệm hay còn gọi là công thức kinh nghiệm.

Nhóm phương pháp này được xây dựng dựa trên nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp hồi quy toán học hoặc dựa vào lượng mưa ngày tính toán,. Các công thức thực nghiệm thường hay chứa các hệ số thực nghiệm khác nhau, các hệ số này thường được xác định thông qua phương pháp thí nghiệm hay thực nghiệm. Mỗi tác giả khi nghiên cứu đề xuất các công thức thực nghiệm sẽ dựa trên các giả thiết và quan điểm khác nhau dẫn đến nhóm phương pháp này khá 10 phong phú và đa dạng. Ưu điểm của nhóm phương pháp này là không sử dụng nhiều số liệu quan trắc tại các trạm khí tượng hoặc trạm đo mưa.

Do vậy có thể sử dụng hiệu quả cho các khu vực không có số liệu đo mưa tự ghi hoặc thiếu số liệu đo mưa tự ghi (thời gian quan trắc ngắn, chưa đủ dài). Tổng quan về các công thức thực nghiệm cường độ mưa tính toán trên thế giới và ở Việt Nam sẽ được trình bày ngay sau đây. Các công thức cường độ mưa tính toán trên thế giới và Việt Nam Một trong số các vấn để thường gặp nhất khi thiết kế thoát nước mưa là lựa chọn đúng cường độ mưa tính toán- công thức cơ bản để tính lưu lượng nước mưa và thông số cho các công trình thoát nước mưa. Hiện nay có một số phương pháp đưa ra để tính toán cường độ mưa.

Sự đa dạng các công thức cường độ mưa chủ yếu vẫn dựa trên các lập luận khí tượng về tính toán kênh dẫn nước mưa và sự phụ thuộc của các yếu tố khí tượng thuỷ văn của vị trí tính toán. Đa phần, việc thiết lập công thức cường độ mưa tính toán dựa trên cơ sở bắt đầu từ các dữ liệu khí tượng về lượng mưa trung bình có tính đến khí hậu của vùng đã khảo sát. Một vài trường hợp khác dựa trên cơ sở kinh nghiệm đã có về các trận mưa và các tham số của trận mưa rào, mà các tham số này xác định cường độ mưa và sự phụ thuộc của nó vào thời gian mưa. Ngoài ra, còn có phương pháp dựa trên cơ sở xác định cường độ mưa tính toán theo sự thiếu hụt độ ẩm và theo lượng mưa trong một ngày.

Các phương pháp tính cường độ mưa hiện nay có thể chia thành phương pháp chính xác và gần đúng. Sự phụ thuộc cường độ mưa vào vào thời gian mưa được biểu diễn dưới dạng tổng quát sau: 𝐴 𝑞= (1.11) trong đó: 𝐴, 𝑏, 𝑐, 𝑛 là các tham số được xác định vào vị trí đo mưa. Từ công thức (1.5), khi 𝑏 = 0 thì nhận được công thức (1.6), khi 𝑛 = 1 thì nhận được (1.7), và khi 𝑛 = 1 và 𝑏 = 0, ta nhận được công thức (1. Trong tất cả các công thức nêu trên, khi tính toán thủy khí của mạng lưới mưa, thì các công thức (1.7) thường được sử dụng nhiều nhất.

Để biểu diễn quan hệ giữa cường độ mưa hay tham số 𝐴 với xác xuất hay chu kỳ tràn kênh 𝑃, có thể sử dụng các công thức sau: 𝐴 = 𝐴1 + 𝐵.14) trong đó: 𝐴, 𝐴1 , 𝐵, 𝐷, 𝑦, 𝜏, 𝑑 là các tham số, là hằng số đối với vị trí và khu vực đã cho. Dạng công thức (1.12) phản ánh tốt các quan trắc đã cho với giới hạn thay đổi rộng của 𝑃 từ 0,25 năm đến 100 năm và hiện nay được sử dụng phổ biến nhất. Dạng công thức (1.13) cho kết quả thỏa đáng chỉ trong một giới hạn thay đổi không lớn 𝑃 từ 1 năm đến 10 năm. Dạng công thức (1.14) thích ứng tốt với sự quan trắc trong giới hạn thay đổi 𝑃 từ 0,2 năm đến 20 năm.

Công thức tính cường độ mưa chính xác nhất đối với một vùng nào đó có thể thực hiện trên cơ sở phân tích chi tiết của các vũ lượng kế tự ghi tại các trạm khí tượng địa phương theo chu kỳ không nhỏ hơn 15-25 năm. Ở Liên Xô cũ chu kỳ quan 12 trắc không nhỏ hơn 20 – 25 năm [32]. Các diễn giải, các công thức trong tiểu mục có thể xem chi tiết hơn trong Luận án Tiến sĩ Khoa học của GS. Trần Hữu Uyển [32].

Công thức cường độ mưa tính toán trên thế giới a) Công thức cường độ mưa của GS Gorbachev (phương pháp cường độ giới hạn) Phương pháp tính toán kênh dẫn nước mưa của Gorbachev còn được gọi là “Phương pháp cường độ mưa giới hạn”. Như đã biết đây không những là phương pháp xác định lưu lượng tính toán mà còn là phương pháp tổng quát để thiết lập cường độ mưa tính toán. Đây là một trong những phương pháp tính đầu tiên được sử dụng ở Liên Xô cũ, đã được thực hiện từ năm 1920. Gorbachev đã đưa ra một khái niệm mới về sức mạnh của trận mưa theo công thức dưới đây: Δ = 𝑖.15) trong đó: Δ: sức mạnh của trận mưa, 𝑖 : Cường độ mưa (mm/phút), 𝑡: độ dài trận mưa (phút).5 Sức mạnh của trận mưa đặc trưng cho điều kiện khí hậu của địa phương.