›
›

Bài giảng Thủy văn công trình - Chương 5: Tính toán dòng chảy lũ thiết kế

ppt 95 trang hapham 2200
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Thủy văn công trình - Chương 5: Tính toán dòng chảy lũ thiết kế", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_thuy_van_cong_trinh_chuong_5_tinh_toan_dong_chay_l.ppt

Nội dung text: Bài giảng Thủy văn công trình - Chương 5: Tính toán dòng chảy lũ thiết kế

  1. Chương 5: Tính toán dòng chảy lũ thiết kế
  2. I. Khái niệm chung 1. Lũ và các đặc trưng về lũ a. Khái niệm ⚫ Dòng chảy lũ được hiểu là quá trình không ngừng tăng lên hoặc giảm đi của lưu lượng hoặc mực nước. Trong quá trình thay đổi đó lưu lượng hoặc mực nước đạt một hoặc vài trị số cực đại. Nếu có một trị số cực đại gọi là quá trình lũ đơn. Nếu có hai trị số cực đại trở lên gọi là quá trình lũ kép.
  3. b. Các đặc trưng biểu thị 3 ⚫ Lưu lượng đỉnh lũ Qmax (m /s): là giá trị lớn nhất của lưu lượng trong một trận lũ. 3 ⚫ Tổng lượng lũ Wmax (m ): là tổng lượng dòng chảy trong một trận lũ t2 n W = Qdt Wmax = Qi ti i=1 ⚫ Đường quá trìnht1 lũ Q~t: là sự thay đổi của lưu lượng theo thời gian của một trận lũ, bao gồm nhánh nước lên và nhánh nước xuống. Tương ứng với quá trình thay đổi lưu lượng là quá trình thay đổi mực nước trong sông H~t.
  4. Sơ họa một đường quá trình lũ Q(m3/s) Qmax (Q~t) Wmax t T
  5. Các đặc trưng biểu thị khác ⚫ Thời gian lũ T (giờ, ngày): là khoảng thời gian kể từ thời điểm bắt đầu có lũ đến khi kết thúc lũ ⚫ Thời gian lũ lên Tl là thời gian kể từ khi bắt đầu có lũ đến thời điểm xuất hiện đỉnh lũ Qmax. ⚫ Thời gian lũ xuống Tx là thời gian kể từ thời điểm xuất hiện đỉnh lũ Qmax đến khi lũ kết thúc. Như vậy: T= Tl+Tx ⚫ Hệ số bất đối xứng: g = Tx/Tl Đối với các lưu vực vừa và nhỏ g 2  3.
  6. 2. Sự hình thành dòng chảy lũ t0 t1 t2 t3 H0 Kt ~ t Ycn at ~ t Q (m3/s) Q~t t
  7. 2. Sự hình thành dòng chảy lũ ⚫ Tại t0: thời điểm bắt đầu mưa ⚫ Từ t0  t1: at Kt thời kỳ cấp nước ht=at – Kt gọi là cường độ cấp nước (hoặc cường độ mưa hiệu quả) ⚫ Tại t2: at = Kt kết thúc thời kỳ cấp nước t2 t2 Y = h dt = a − K dt cn t ( t t ) t1 t1 Trong đó Ycn: Lớp cấp nước (lượng mưa hiệu quả) ⚫ Từ t2 t3: at<Kt ⚫ Tại t3: kết thúc quá trình dòng chảy lũ
  8. ⚫Quá trình hình thành dòng chảy lũ phụ thuộc vào: Quá trình mưa Quá trình tổn thất (chủ yếu do thấm) Quá trình tập trung nước về tuyến cửa ra
  9. 3. Các đặc trưng lượng mưa và cường độ mưa ⚫ Cường độ mưa tức thời: là lượng mưa đo được trong một đơn vị thời gian tại một thời điểm bất kỳ ở một vị trí quan trắc. Ký hiệu: at. Đơn vị mm/h hoặc mm/phút ⚫ Đường quá trình mưa: Sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian trong một trận mưa gọi là quá trình mưa. Đồ thị biểu thị sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian gọi là đường quá trình mưa. K/h: at ~t ⚫ Cường độ mưa bình quân thời đoạn: Là cường độ mưa tính bình quân trong khoảng thời gian t, được tính theo công thức: H a = t1−t 2 t t
  10. Đường quá trình mưa at ~t at (mm/ph) at max aT Ht1-t2 t1 t2 t T
  11. 3. Các đặc trưng lượng mưa và cường độ mưa (tiếp) ⚫ Lượng mưa lớn nhất thời đoạn: Là lượng mưa trong khoảng thời gian T được chọn trên đường quá trình mưa at ~t sao cho lượng mưa trong thời đoạn đó là lớn nhất. K/h: HT Thông thường, khoảng thời gian T có chứa đỉnh mưa amax, sẽ cho lượng mưa lớn nhất thời đoạn T. ⚫ Cường độ mưa bình quân lớn nhất thời đoạn: Là cường độ mưa trong khoảng thời gian T được chọn trên đường quá trình mưa at ~t sao cho cường độ mưa trong thời đoạn đó là lớn nhất H a = T T T
  12. 4. Tổn thất dòng chảy lũ ⚫Bao gồm: Tổn thất thấm (chủ yếu) Điền trũng Bốc hơi Giữ lại ở lớp thảm thực vật ⚫Các phương pháp tính toán tổn thất: Sử dụng hệ số dòng chảy lũ Tính tổn thất theo cường độ thấm Sử dụng đường cong SCS
  13. a. Hệ số dòng chảy lũ ⚫ Hệ số dòng chảy đỉnh lũ (aT) là tỷ số giữa lớp nước lũ trong khoảng thời gian cấp nước Tcn với lượng mưa lớn nhất trong khoảng thời gian đó (HTcn). Thường chọn T=t (thời gian tập trung dòng chảy) Yt at = Ht ⚫ Hệ số dòng chảy trận lũ (j): là tỷ số giữa lớp dòng chảy lũ của toàn trận lũ với lượng mưa tương ứng sinh ra trận lũ đó (H). Y j = H Hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào lượng mưa, cường độ mưa, và các yếu tố mặt đệm như loại đất trên lưu vực, mật độ che phủ của rừng
  14. b. Một số công thức tính thấm ⚫ CT Horton −t Kt = Kc + (K0 − Kc )e A ⚫ CT Philip K = K + t c t a .t − t d ⚫ CT Phê-đô-rốp: Kt = Kc + (at − Kc )e
  15. Chú thích: Kt: Cường độ thấm tại thời điểm tính toán (mm/phút) K0: Cường độ thấm ban đầu (mm/phút) Kc: Cường độ thấm ổn định (mm/phút) : Hệ số biểu thị sự triết giảm cường độ thấm theo thời gian A: Thông số đặc trưng cho loại đất và đặc điểm bề mặt lưu vực d: Độ thiếu hụt bão hòa của độ ẩm đất at: Cường độ mưa tại thời điểm tính toán (mm/phút) t: thời gian tính toán kể từ khi bắt đầu mưa (phút)
  16. c. Đường cong SCS của Cơ quan Bảo vệ Thổ nhưỡng Hoa Kỳ ⚫ Đặt: P là lượng mưa của trận mưa (mm) Pe là lượng mưa hiệu quả (mm) Ia: tổn thất ban đầu, giả thiết bằng 0.2S S: Giới hạn độ sâu nước bị cầm giữ tiềm năng (mm) ⚫ Khi đó: (P − 0.2S)2 P = Khi P 0.2S e P + 0.8S Pe=0 khi P<0.2S
  17. Đường cong SCS (tiếp) ⚫ Trị số S được xác định theo quan hệ giữa S và CN (số hiệu đường cong dòng chảy) như sau: 1000 S = −10 CN ⚫ CN lấy giá trị trong khoảng (0, 100). Đối với bề mặt không thấm nước hoặc mặt nước CN=100. Đối với bề mặt tự nhiên CN <100. ⚫ Các số hiệu CN được lập thành bảng sẵn dựa trên phân loại đất và tình hình sử dụng đất
  18. Dòng chảy (in) Q tiếp trực chảy Dòng Lượng mưa P (in)
  19. 5. Thời gian tập trung dòng chảy ⚫Khái niệm: Là khoảng thời gian để một chất điểm nước tại vị trí xa nhất trên lưu vực chuyển động tới tuyến cửa ra. Ký hiệu: t ⚫Quá trình tập trung nước gồm hai giai đoạn: Tập trung dòng chảy trên sườn dốc (td) Tập trung dòng chảy trong sông (ts) Hai quá trình này thực chất không thể phân tách ra được
  20. 6. Công thức căn nguyên dòng chảy ⚫CT được thiết lập nhằm khái quát hóa và tính toán quá trình lưu lượng ở tuyến cửa ra của lưu vực trên cơ sở lý thuyết đường đẳng thời. ⚫Đường đẳng thời là đường cong nối tất cả các điểm trên lưu vực có cùng thời gian tập trung dòng chảy về tuyến cửa ra.
  21. Trường hợp 1: t < Tcn Ví dụ 1: ⚫ Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu quả là 5 giờ với lượng mưa tương ứng là h1, h2, h3, h4, h5. Tcn=5 (giờ) ⚫ Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1, f2, f3. t = 3 (giờ) Như vậy t < Tcn
  22. f2 f1 i f3 f f3 t f2 h3 h2 i f1 h h4 h1 h5
  23. Xác định quá trình lưu lượng ⚫ Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của lưu vực là: Q0 = 0 ⚫ Sau 1h: Q1= h1f1 ⚫ Sau 2h: Q2= h1f2 + h2f1 ⚫ Sau 3h: Q3= h1f3+h2f2+h3f1 ⚫ Sau 4h: Q4= h2f3 +h3f2 +h4f1 ⚫ Sau 5h: Q5= h3f3+ h4f2+h5f1 ⚫ Sau 6h: Q6= h4f3+h5f2 ⚫ Sau 7h: Q7= h5f3 ⚫ Sau 8h: Q8=0
  24. Quá trình lưu lượng 4500 4000 3500 3000 2500 2000 Q(m3/s) 1500 1000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t (giờ)
  25. Trường hợp 2: t = Tcn Ví dụ 2: ⚫ Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu quả là 3 giờ với lượng mưa tương ứng là h1, h2, h3. Tcn=3 (giờ) ⚫ Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1, f2, f3. t = 3 (giờ) Như vậy t = Tcn
  26. f2 f1 i f3 f f3 t f2 f1 h1 h2 h3
  27. Xác định quá trình lưu lượng ⚫ Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của lưu vực là: Q0 = 0 ⚫ Sau 1h: Q1= h1f1 ⚫ Sau 2h: Q2= h1f2 + h2f1 ⚫ Sau 3h: Q3= h1f3+h2f2+h3f1 ⚫ Sau 4h: Q4= h2f3 +h3f2 ⚫ Sau 5h: Q5= h3f3 ⚫ Sau 6h: Q6=0
  28. Quá trình lưu lượng 4000 3500 3000 2500 2000 Q(m3/s) 1500 1000 500 0 1 2 3 4 5 6 t (giờ)
  29. Trường hợp 3: t > Tcn Ví dụ 3: ⚫ Giả sử có một trận mưa với thời gian mưa hiệu quả là 2 giờ với lượng mưa tương ứng là h1, h2, h3. Tcn=2 (giờ) ⚫ Giả sử lưu vực A được phân chia bởi các đường đẳng thời thành các diện tích bộ phận f1, f2, f3. t = 3 (giờ) Như vậy t > Tcn
  30. f2 f1 i f3 f f3 t f2 f1 h1 h2
  31. Xác định quá trình lưu lượng ⚫Tại thời điểm ban đầu, lưu lượng đo tại tuyến cửa ra của lưu vực là: Q0 = 0 ⚫Sau 1h: Q1= h1f1 ⚫Sau 2h: Q2= h1f2 + h2f1 ⚫Sau 3h: Q3= h1f3+h2f2 ⚫Sau 4h: Q4= h2f3 ⚫Sau 5h: Q5= 0
  32. Quá trình lưu lượng 1800 1600 1400 1200 1000 800 Q(m3/s) 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 t (giờ)
  33. Công thức tổng quát k=i Qi = hk fi−k+1 k =1 ⚫Trong đó: i: thời điểm tính toán k m, với m là số thời đoạn mưa hiệu quả i-k <n, với n là số mảnh diện tích được phân chia bởi các đường đẳng thời
  34. Sự hình thành lưu lượng đỉnh lũ ⚫ Từ công thức căn nguyên dòng chảy tổng quát, ta có: k=i Qmax = max hk fi−k+1 k=1 ⚫ TH 1: t Tcn, theo VD3 thì Qmax = Q2 = h1f2 + h2f1 NX: Chỉ một phần diện tích lưu vực tham gia vào sự hình thành lưu lượng đỉnh lũ Dòng chảy không hoàn toàn.
  35. II. Xác định dòng chảy lũ thiết kế 1. Khái niệm ⚫ Dòng chảy lũ thiết kế là dòng chảy lũ được tính ứng với tần suất thiết kế nào đó. ⚫ Tần suất thiết kế lũ là tần suất nhằm đảm bảo chống được trận lũ nào đó theo yêu cầu. Ký hiệu: P (%). Tần suất này được chọn tùy theo quy mô cấp bậc công trình. ⚫ Các đặc trưng biểu thị dòng chảy lũ thiết kế: 3 Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Qmaxp (m /s) 3 Tổng lượng dòng chảy lũ thiết kế Wmaxp (m ) Quá trình lũ thiết kế (Q~t)p
  36. 2. Bài toán tính lũ thiết kế Cho biết: ⚫ Tài liệu khí tượng thủy văn ⚫ Tài liệu địa hình địa chất ⚫ Tài liệu dân sinh kinh tế ⚫ Tần suất thiết kế P Yêu cầu tính toán dòng chảy lũ thiết kế: ⚫ Tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Qmaxp ⚫ Tính tổng lượng lũ thiết kế Wmaxp ⚫ Xác định quá trình lũ thiết kế (Q~t)p Phương pháp giải: ⚫ Phương pháp thống kê xác suất ⚫ Phương pháp công thức kinh nghiệm ⚫ Phương pháp lưu vực tương tự ⚫ Phương pháp mô hình toán
  37. 3. Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc thủy văn a) Xác định Qmaxp ⚫Lược đồ giải: Chọn mẫu thống kê Xử lý lũ đặc biệt lớn (nếu có) Lựa chọn dạng phân phối xác suất ⚫Nếu là PIII: Qmaxp = Qmax (F(Cs,P).Cv+1) ⚫Nếu là KM: Qmaxp = Qmax.Kp Tính hệ số an toàn (nếu cần)
  38. i) Chọn mẫu thống kê: 2 phương pháp ⚫Phương pháp mỗi năm chọn một trị số: Chọn giá trị lưu lượng lớn nhất trong năm.Nếu có n năm chọn được n giá trị. Đặc điểm: ⚫Đảm bảo tính độc lập, tính đồng nhất nhưng tính đại biểu không cao ⚫Tổng số mẫu lấy được S = Tổng số năm n ⚫Tần suất tính toán lũ là tần suất năm. (VD: P=1% nghĩa là lũ 100 năm xuất hiện 1 lần).
  39. Chọn mẫu thống kê (tiếp) ⚫ Phương pháp chọn mỗi năm nhiều trị số: Cách 1: Chọn mỗi năm một số mẫu cố định (2, 3, 4 trị số lớn nhất) Cách 2: Thống kê tất cả các giá trị lớn hơn hoặc bằng Qgh. Trong đó: Qgh là giá trị lưu lượng giới hạn, có thể là: ⚫ 3 đến 5 lần Q0 ⚫ Là giá trị lớn nhất của năm có lũ nhỏ nhất Đặc điểm: ⚫ Bảo đảm tính đại biểu nhưng tính đồng nhất và độc lập thường bị vi phạm ⚫ Tổng số mẫu S khác với tổng số năm n ⚫ Tần suất tính toán lũ là tần suất lần Ps. Trong tính toán phải chuyển về tần suất năm. m Pn =1− (1− Ps ) Với m = S/n
  40. ii) Xử lý lũ đặc biệt lớn ⚫Khái niệm: Lũ đặc biệt lớn là trận lũ có trị số rất lớn do tổ hợp thời tiết bất lợi trên lưu vực sinh ra và rất lâu mới gặp lại. ⚫Nội dung: Xác định thời kỳ xuất hiện lại N Tính tần suất xuất hiện của trận lũ đặc biệt lớn Xác định lại các tham số thống kê
  41. Xử lý lũ đặc biệt lớn (tiếp) ⚫Xác định thời kỳ xuất hiện lại: Căn cứ vào năm phát sinh con lũ Căn cứ vào mức độ lặp lại con lũ đó ⚫Tính tần suất của lũ đặc biệt lớn theo công thức: M P = 100% N +1 Trong đó: M là số thứ tự của lũ đặc biệt lớn; N là thời kỳ xuất hiện lại lớn nhất
  42. Qmax (m3/s) 10000 12000 14000 16000 18000 20000 2000 4000 6000 8000 0 0.01% 0.10% TẦNĐƯỜNG SUẤT LƯU LƯỢNG LŨ LỚN NHẤT TRẠM HY 0.20% 0.33% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 3.00% 5.00% Khi chưaxửđặc lýlũ biệtlớn 10.00% 20.00% 25.00% 30.00% 40.00% 50.00% 60.00% 70.00% 75.00% 80.00% bè:ph©n D¹ng Pearson III 85.00% C¸c sèkª tham thèng Qmax 90.00% 95.00% C C TB V S = 3460 m3/s =2, 72 97.00% = 0,49 99.00% 99.90% 99.99% P(%)
  43. Xử lý lũ đặc biệt lớn (tiếp) ⚫Xác định các tham số thống kê: Trường hợp lũ đặc biệt lớn nằm trong liệt thực đo 1 N −1 n−1 Qmax N = Qmax N + Qmax i N n −1 i=1 n−1 1 2 N −1 2 CvN = (K max N −1) + (kmax i −1) N −1 n −1 i=1 CsN = m. CvN Trong đó kmaxi = Qmaxi/QmaxN
  44. Xử lý lũ đặc biệt lớn (tiếp) ⚫Xác định các tham số thống kê: Trường hợp lũ đặc biệt lớn nằm ngoài liệt thực đo 1 N −1 n Qmax N = Qmax N + Qmax i N n i=1 n 1 2 N −1 2 CvN = (K max N −1) + (K max i −1) N −1 n i=1 CsN = m. CvN
  45. Qmax (m3/s) 10000 12000 14000 2000 4000 6000 8000 0 0.01% 0.10% TẦNĐƯỜNG SUẤT LƯU LƯỢNG LŨ LỚN NHẤT TRẠM HY 0.20% 0.33% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 3.00% Sauxử khiđặc lýlũ biệtlớn 5.00% 10.00% 20.00% 25.00% 30.00% 40.00% 50.00% 60.00% 70.00% 75.00% 80.00% bè:ph©n D¹ng Pearson III 85.00% C¸c sèkª tham thèng Qmax 90.00% 95.00% C C TB S = 3179 m3/s 97.00% V =1,50 = 0,4 99.00% 99.90% 99.99% P(%)
  46. iii) Xác định Qmaxp Nếu là PIII: Qmaxp = Qmax (F(Cs,P).Cv+1) Nếu là KM: Qmaxp = Qmax.Kp, trong đó Kp =f(P, Cv, Cs) ⚫ Đối với các công trình thủy công lâu dài xét trong điều kiện làm việc bất thường (tần suất <0.01%), sẽ không an toàn nếu không xét đến sai số do mẫu có dung lượng nhỏ gây ra. ⚫ Hệ số hiệu chỉnh an toàn: aEP Q = Qmp N Trong đó: a là hệ số phụ thuộc vào mức độ tin cậy của tài liệu thủy văn ⚫ a=0.7 với các lưu vực đã được nghiên cứu đầy đủ ⚫ a=1.5 với các lưu vực ít được nghiên cứu Ep xác định trên biểu đồ hoặc tra bảng Q không được vượt quá 20%Qmp
  47. b) Xác định Wmaxp ⚫ Tổng lượng lũ toàn trận là lượng dòng chảy sinh ra trong một trận lũ. K/h: Wmax. tc W = Q t dt max ( ) tđ tc-tđ = T (thời gian kéo dài trận lũ) ⚫ Tổng lượng lũ thời khoảng là lượng dòng chảy sinh ra trong một thời khoảng nào đó t2 W = Q t dt T ( ) t1 t2-t1 = T (thời khoảng tính toán) Trong thực tế T có thể là 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày,
  48. i) Xác định Wmax cho một trận lũ bất kỳ ⚫ Do số liệu lưu lượng dòng chảy thực đo là rời rạc nên các công thức định nghĩa được chuyển về: n Wmax = Qi ti i=1 m W T = Qj t j j=1 Trong đó: Qi, Qj là lưu lượng bình quân trong thời đoạn thứ i, j. n, m là số thời đoạn tính toán
  49. ii) Xác định Wmaxp hoặc W T,p ⚫Tùy theo yêu cầu tính Wmaxp hoặc W T,p ⚫Cách làm giống như xác định Qmaxp Nếu là PIII: Wmaxp = Wmax (F(Cs,P).Cv+1) Nếu là KM: Wmaxp = Wmax.Kp, trong đó Kp =f(P, Cv, Cs)
  50. c) Xác định quá trình lũ thiết kế (Q~t)p ⚫Phương pháp: chọn một trận lũ điển hình, sau đó thu phóng để có quá trình lũ thiết kế ⚫Yêu cầu của một trận lũ điển hình Phải là một trận lũ thực đo Đỉnh lũ (hoặc lượng lũ) của trận lũ điển hình xấp xỉ với đỉnh lũ (hoặc lượng lũ) thiết kế Có hình dạng bất lợi đối với công trình VD: đỉnh lũ lớn, thời gian duy trì đỉnh kéo dài
  51. i) Phương pháp thu phóng cùng tỷ số ⚫ Nhân tung độ của đường quá trình lũ điển hình với cùng một tỷ số KQ hoặc KW thời gian giữ nguyên không đổi được đường quá trình lũ thiết kế. Qmp Wmp KQ = Hoặc KW = Qmdh W Trong đó: mdh Qmp, Qmđh: Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế và lũ điển hình Wmp, Wmđh: Tổng lượng lũ thiết kế và lũ điển hình ⚫ Khi đó: Qip = Qiđh. KQ hoặc Qip = Qiđh. KW Trong đó Qip, Qiđh là tung độ của đường quá trình lũ thiết kế và lũ điển hình
  52. Đường quá trình lũ thiết kế thu phóng theo phương pháp cùng tỷ số 14000 12000 10000 8000 Q (m3/s) Q 6000 4000 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Thời đoạn (ngày) Quá trình lũ điển hình Quá trình lũ thu phóng theo KQ Quá trình lũ thu phóng theo KW
  53. Nhận xét: ⚫ Nếu thu phóng theo tỉ số KQ thì đảm bảo đường quá trình lũ thiết kế có đỉnh lũ bằng đỉnh lũ thiết kế ⚫ Nếu thu phóng theo tỉ số KW thì đảm bảo đường quá trình lũ thiết kế có tổng lượng lũ bằng tổng lượng lũ thiết kế ⚫ Nếu quan hệ tương quan giữa đỉnh lũ và tổng lượng lũ là chặt chẽ thì KQ KW. Khi đó sẽ đảm bảo cả đỉnh lũ và tổng lượng lũ xấp xỉ đỉnh lũ thiết kế và tổng lượng lũ thiết kế
  54. ii) Phương pháp thu phóng Oghiepxki ⚫ Để đảm bảo đỉnh lũ sau khi thu phóng bằng đỉnh lũ thiết kế, các tung độ của đường quá trình lũ điển hình được nhân với tỉ số KQ để có tung độ của đường quá trình lũ thiết kế Qmp KQ = Qmdh ⚫ Giả sử sau khi thu phóng, diện tích khống chế bởi đường quá trình lũ thiết kế là Wp, thời gian kéo dài trận lũ thiết kế là Tp 2W p Tp = Qmp f f: hệ số hình dạng của đường quá trình lũ. Với lũ tam giác f =1. ⚫ Tương tự với trận lũ điển hình 2Wdh Tdh = Qmdh f
  55. Phương pháp thu phóng Oghiepxki (tiếp) ⚫ Nếu gọi KT là tỉ số thu phóng theo trục hoành thì: Tp Wp Qmdh KW KT = = = ⚫ Trong đó: Tdh Wdh Qmp K Q Wp KW = Wdh ⚫ Nhận xét: Nếu nhân tung độ của quá trình lũ điển hình theo tỉ số KQ, hoành độ theo KT thì sẽ đảm bảo đường quá trình lũ thiết kế có đỉnh lũ là Qmp và tổng lượng lũ là Wp.
  56. Các bước thực hiện: ⚫ Chọn đường quá trình lũ điển hình ⚫ Tính KQ, KW và KT theo công thức ⚫ Chia thời gian kéo dài trận lũ điển hình (Tđh) ra nhiều thời đoạn T1đh, T2đh, Tiđh ; Lưu lượng lũ lấy trên đường quá trình lũ điển hình ở cuối các thời đoạn trên sẽ là Q1đh, Q2đh, Qiđh ⚫ Tính Qip = Qiđh x KQ Tip = Tiđh x KT ⚫ Chấm các điểm (Qip, Tip) và nối chúng lại với nhau sẽ được đường quá trình lũ thiết kế.
  57. Đường quá trình lũ thiết kế thu phóng theo phương pháp Oghiepxki 14000 12000 10000 8000 Q (m3/s) Q 6000 4000 2000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Thời đoạn (ngày) Quá trình lũ điển hình Quá trình lũ thiết kế
  58. 4. Trường hợp không có tài liệu ⚫ Công thức lý luận: là loại công thức được xây dựng trên cơ sở công thức căn nguyên dòng chảy, từ đó xây dựng mối liên hệ giữa đỉnh lũ với các đặc trưng mưa gây lũ và các yếu tố ảnh hưởng của mặt đệm. Điển hình: công thức cường độ giới hạn ⚫ Công thức kinh nghiệm: là loại công thức đã hoàn toàn dựa trên cơ sở tổng hợp tài liệu thực đo về lũ nhằm xác định mối quan hệ giữa lưu lượng đỉnh lũ với các nhân tố ảnh hưởng, từ đó dùng một công thức toán học để thể hiện mối quan hệ đó. Điển hình: công thức triết giảm mô đun đỉnh lũ theo diện tích lưu vực sông. ⚫ Công thức bán kinh nghiệm: là loại công thức trung gian của 2 loại trên, nghĩa là vừa dựa vào phân tích căn nguyên của sự hình thành dòng chảy lũ vừa tổng hợp theo tài liệu thực đo để tham số hóa các công thức tính toán. Điển hình: công thức Xôkôlôpxki
  59. a) Công thức cường độ giới hạn ⚫ Dựa theo công thức căn nguyên dòng chảy, lưu lượng đỉnh lũ cho trường hợp dòng chảy hoàn toàn có thể viết dưới dạng: Qmax=ht.F Trong đó: ht – cường độ mưa hiệu quả t - thời gian tập trung dòng chảy F - diện tích lưu vực ⚫ ht có thể tính theo cường độ mưa at theo công thức: ht = a. at Trong đó: a – hệ số dòng chảy lũ
  60. Công thức cường độ giới hạn (tiếp) ⚫Công thức viết lại thành: Qmax= K. a. at.F Trong đó K – hệ số chuyển đổi đơn vị. 3 2 Với Qmax (m /s); F (km ): Khi at tính theo mm/phút thì K = 16.67 Khi at tính theo mm/h thì K=2.78 ⚫Khi tính đỉnh lũ thiết kế: Qmaxp= K. a. atp.F Trong đó atp là cường độ mưa thiết kế
  61. i) Cường độ mưa thiết kế ⚫Khái niệm: là cường độ mưa bình quân lớn nhất thời đoạn t ứng với tần suất thiết kế ⚫Trong đó t là thời gian tập trung dòng chảy của lưu vực ⚫Xác định cường độ mưa thiết kế theo 2 phương pháp: Công thức kinh nghiệm Đường cong triết giảm mưa
  62. Đường cong triết giảm mưa ⚫ Tác giả: Alechxayep ⚫ Dựa vào tài liệu mưa tự ghi lập tỉ số giữa lượng mưa lớn nhất thời đoạn t ứng với tần suất thiết kế P và lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế P. Htp tp = Hnp Trong đó: Htp – Lượng mưa thiết kế Hnp – Lượng mưa ngày thiết kế
  63. Đường cong triết giảm mưa (tiếp) ⚫Hàm (tp) có các tính chất sau: Có tính phân vùng rõ rệt: ⚫Lãnh thổ Việt Nam được chia làm 15 vùng mưa ứng với 15 cụm đường (tp) ~ t Trong một vùng mưa các đường tần suất rất sít nhau, nghĩa là tọa độ của đường cong không phụ thuộc vào P. Bởi vậy, chọn đường bình quân của các đường cong trong cùng khu vực để sử dụng. Khi đó thay (tp) bằng (t)
  64. Đường cong triết giảm mưa (tiếp) ⚫ Đặt   = t t t ⚫ Ứng với mỗi đường (t) ~ t sẽ có một đường(t) ~ t ⚫ Khi t tăng thì (t) giảm. Nên đường (t) ~ t được gọi là đường cong triết giảm mưa.
  65. Ứng dụng đường cong triết giảm mưa tính cường độ mưa thiết kế H H  a = tp = np t = H  tp t t np t ⚫ Trong thực hành, đường cong triết giảm mưa được cho dưới dạng bảng tọa độ và bản đồ phân khu mưa rào. Ph©n khu Giíi h¹n ph©n khu Thêi khoảng (phót) 10 20 60 120 (1) (2) (3) (4) IV Vïng thîng nguån s«ng е tõ t 0.125 0.200 0.35 0.48 biªn giíi ®Õn NghÜa Lé 16,67t 0.208 0.167 0.100 0.0677
  66. Đường cong triết giảm mưa phân khu mưa 1 0.01 0.009 0.008 0.007 0.006 ) t ( 0.005  0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Thời gian (phút)
  67. Công thức cường độ giới hạn (tiếp) ⚫Sau khi biết atp theo đường cong triết giảm mưa, thay vào công thức cường độ giới hạn tính lưu lượng đỉnh lũ: ⚫Qmaxp= K. a. atp.F ⚫Qmaxp= K. a. (Hnp.(t)).F Nếu t tính theo phút thì ⚫Qmaxp= 16.67(t). a. Hnp.F
  68. ii) Thời gian tập trung dòng chảy ⚫Thời gian tập trung nước là thời gian để cho một chất điểm nước nào đó trên lưu vực di chuyển về tuyến cửa ra. ⚫Quá trình tập trung nước gồm hai giai đoạn: Quá trình tập trung nước trên sườn dốc Quá trình tập trung nước trong lòng sông về tuyến cửa ra t = t d +t s
  69. Thời gian chảy tụ trên sườn dốc td (1000L )0,6 t = d d m J 0,3h0,4 ⚫ Trong đó: d d td Ld: chiều dài bình quân sườn dốc lưu vực (km) md: thông số tập trung dòng chảy trên sườn dốc, phụ thuộc vào tình hình bề mặt sườn dốc 0 Jd: độ dốc sườn dốc ( /00) htd: cường độ cấp nước bình quân lớn nhất trong thời đoạn t . d h = aa = a H td td (t d ) np Với lưu vực cụ thể thì a và Hnp đã biết.
  70. Thời gian chảy tụ trên sườn dốc (tiếp) ⚫ Thay htd vào biểu thức có: 0,6 (1000Ld ) t d = m J 0,3 (a H )0,4 d d (t d ) np Không thể giải trực tiếp ra td nên biến đổi như sau: 0,6 0,4 (1000L ) t   = d = F d (t d ) 0,3 0,4 d md J d (aH np ) Trong đó: Fd: hệ số địa mạo thủy văn sườn dốc ⚫ Quan hệ td ~ Fd được xây dựng dưới dạng bảng tọa độ cho từng vùng mưa khác nhau.
  71. Thời gian chảy tụ trong sông ts 1000L t = s s 1/ 3 1/ 4 ms J s Qmax p ⚫Trong đó: Ls: chiều dài sông ms: thông số tập trung nước trong sông phụ thuộc vào tình hình sông suối của lưu vực Js: độ dốc lòng sông Qmaxp: lưu lượng đỉnh lũ thiết kế ⚫Qmaxp= 16.67(t). a. Hnp.F
  72. Thời gian chảy tụ trong sông ts ⚫Thay Qmaxp vào công thức và diễn đạt lại như sau: 1000L t .A1/ 4 = s = F s 1/ 3 1/ 4 s ms J s (aH np F ) ⚫Trong đó: A = 16,67(t) Fs = hệ số thủy địa mạo lòng sông Quan hệ A ~ Fs ~ td ~ vùng mưa được cho dưới dạng bảng tọa độ
  73. Trình tự tính toán thời gian tập trung dòng chảy t ⚫ Xác định td: Xác định Hnp Xác định Ld, md, Jd Xác định Fd Tra bảng Fd ~ td ~ vùng mưa xác định td ⚫ Xác định ts: Xác định Ls, ms, Js Xác định Fs Tra bảng A ~ Fs ~ td ~ vùng mưa xác định A Thay vào công thức tính ts ⚫ Xác định t = f(td, ts) Một công thức kinh nghiệm thường dùng: 1,1 t = t d +1,15t s
  74. Công thức cường độ giới hạn (tiếp) ⚫ Qmaxp=16,67.(t). Hnp. a.F.d1.d2 Trong đó: Hnp: lượng mưa thiết kế, được xác định từ tài liệu mưa a: hệ số dòng chảy lũ phụ thuộc vào loại đất cấu tạo nên lưu vực, Hnp và F d1: hệ số triết giảm đỉnh lũ do ao hồ 1 d1 = 1+ ca fa fa – tỉ lệ diện tích ao hồ (fa = Fao hồ/F) c – hệ số phụ thuộc vào lớp dòng chảy lũ Đối với vùng mưa lũ kéo dài c = 0.1 Đối với vùng mưa lũ ngắn c = 0.2 d2: hệ số triết giảm đỉnh lũ do rừng 1 d 2 = 1+ cr fr fr – tỉ lệ diện tích rừng (fr = Frừng/F)
  75. b) Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích ⚫ Môđun đỉnh lũ: Q q = max (m3 / s.km2 ) max F ⚫ Môđun đỉnh lũ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm mưa, đặc điểm địa hình, lớp phủ thực vật, diện tích lưu vực 3 2 ⚫ Môđun đỉnh lũ thiết kế: qmaxp (m /s.km )
  76. Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích (tiếp) ⚫ Theo nhiều nghiên cứu, môđun đỉnh lũ giảm khi diện tích lưu vực tăng và được mô tả bằng hàm số mũ: A q = p max p F n ⚫ Trong đó: n là hệ số triết giảm; Ap là tham số địa lý khí hậu thay đổi theo vùng lãnh thổ; F là diện tích lưu vực sông. ⚫ Hệ số n và tham số Ap có thể xác định theo tài liệu thực đo, bằng cách lấy logarit 2 vế: lgqmaxp = lgAp – nlgF ⚫ n chính là hệ số góc của đường quan hệ lgqmaxp ~ lgF ⚫ n là hệ số triết giảm được tổng hợp từ tài liệu thực đo lũ và được phân vùng theo lãnh thổ
  77. 1% Lg(qmaxp)=y 1.5509= -0.4459x – 0.4459 + 1.5509 lg(F) 1.5 Lg(qmaxp) 1 Series1 0.5 Linear (Series1) 0 -0.5 0 1 2 3 4 Lg(F)
  78. i) Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị số quy chuẩn của môđun đỉnh lũ ⚫ Môđun đỉnh lũ quy chuẩn q100 ứng với diện tích 100km2 và tần suất 10% được xây dựng thành bản đồ đẳng trị ⚫ Theo công thức triết giảm: A q = 10% 100 100n ⚫ n là hệ số triết giảm được tổng hợp từ tài liệu thực đo lũ và được phân vùng theo lãnh thổ n ⚫ Từ đó suy ra: 100 Ap qmax p = q100 F A10%
  79. i) Xác định lưu lượng đỉnh lũ theo trị số quy chuẩn của môđun đỉnh lũ (tiếp) A  = p ⚫ Đặt p A gọi là hệ số chuyển đổi tần suất 10% (tra bảng theo phân vùng lãnh thổ) ⚫ Viết lại công thức dưới dạng: n 100 qmax p = q100 p F ⚫ Từ đó có lưu lượng đỉnh lũ thiết kế Qmax p = qmax p.F
  80. ii) Xác định Qmaxp theo lưu vực tương tự ⚫ Giả sử chọn được lưu vực có điều kiện khí hậu, mặt đệm tương tự như lưu vực nghiên cứu ⚫ Coi tham số Ap của hai lưu vực là như nhau tt n Ap = Ap = qmax pFtt ⚫ Dùng hệ số triết giảm n theo bản đồ phân vùng ⚫ Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế: 1−n tt Ftt Qmax p = Qmax p F
  81. c) Công thức Xô-kô-lốp-sky ⚫Công thức được xây dựng trên các sơ sở: Chỉ xét các nhân tố chủ đạo ảnh hưởng đến dòng chảy lũ trong phạm vi độ chính xác thực dụng và các nhân tố đó có thể xác định dễ dàng Coi tần suất mưa là tần suất lũ Không những xét đến đỉnh lũ, mà còn xét đến lượng lũ, đường quá trình lũ Tổn thất lũ tính bằng hệ số dòng chảy tổng lượng
  82. Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky ⚫ Tác giả đã đơn giản hóa quá trình lũ thành hai đường cong parabol gặp nhau tại đỉnh m Phương trình của nhánh lũ lên t Qt = Qm tl n t − t Phương trình của nhánh lũ xuống x Qt = Qm t x Trong đó m và n là các bậc của đường Parabol
  83. 1200.00 Qmaxp 1000.00 800.00 600.00 m n 400.00 200.00 0.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 tl tx
  84. Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp) ⚫ Khi đó, tổng lượng lũ được xác định theo phép tích phân: t m t n 1 t x t − t W = Q dt + Q x dt m m 0 tl 0 t x tl t x = Qm + m +1 n +1 1 g ⚫ Đặt t = g.t W = Qmtl + x l m +1 n +1 W (m +1)(n +1) Qm = ⚫ Từ đó rút ra tl (n +1)+ g (m +1)
  85. Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp) (m +1)(n +1) ⚫ Cho f = gọi là hệ số hình dạng lũ (n +1)+ g (m +1) ⚫ Ta có: W Qm = f tl ⚫ Mặt khác, tổng lượng lũ Wmp có thể tính theo lớp dòng chảy lũ yTp theo công thức: Wmp = yTp.F Trong đó yTp = a(HTP-H0) a: hệ số dòng chảy lũ; HTP = lượng mưa thiết kế trong thời đoạn T; H0 = lớp tổn thất ban đầu.
  86. Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp) Từ đó có dạng công thức cuối cùng: y.F a(HT − H 0 ) Qmax = K f = 0,278 F. f tl Tl Trong đó K là hệ số chuyển đổi đơn vị. Khi thời gian lũ lên Tl tính theo giờ, cường độ mưa tính theo mm/h thì K =0.278
  87. Xây dựng công thức Xô-kô-lốp-sky (tiếp) ⚫ Khi xét đến ảnh hưởng của ao hồ, lớp phủ thực vật và lưu lượng nước ngầm thì: a(Htp − H0 ) Qmax p = 0,278 F. f .d1.d2.d3 + Qng Tl d1: hệ số triết giảm đỉnh lũ do ảnh hưởng ao hồ d2: hệ số triết giảm đỉnh lũ do ảnh hưởng lớp phủ thực vật d3: hệ số triết giảm đỉnh lũ do ảnh hưởng điều tiết của lòng sông Qng: lưu lượng nước ngầm trước khi có lũ
  88. Cách xác định các tham số trong công thức: ⚫ Thời gian lũ lên tính bằng thời gian tập trung nước trong sông: L- chiều dài sông chính (km) L t = t = (3,6 hệ số đổi đơn vị); l s 3,6V Vt = (0,60,7)Vm; t với Vm – tốc độ trung bình lớn nhất ở mặt cắt cửa ra ⚫ Nhóm thông số a(Htp- H0) được xác định theo sơ đồ phân khu mưa rào dòng chảy. Trong đó Htp là lượng mưa thiết kế được xác định từ đường cong triết giảm mưa ⚫ Hệ số hình dạng lũ f được xác định theo sơ đồ phân khu hoặc mượn lưu vực tương tự 3600Qmatla f a = Wa ⚫ Trị số Qng được lấy bằng trị số Q0 đối với lưu vực lớn và bỏ qua đối với lưu vực nhỏ.
  89. Phạm vi ứng dụng các công thức tính lưu lượng đỉnh lũ: ⚫ Công thức cường độ giới hạn: F 100 km2 ⚫ Công thức triết giảm môđun đỉnh lũ theo diện tích lưu vực: F 100km2 ⚫ Công thức Xô-kô-lốp-sky: F 100km2
  90. d) Xác định Wmaxp ⚫ Mượn quan hệ Qmaxp ~ Wmaxp của lưu vực tương tự ⚫ Sử dụng công thức kinh nghiệm: 2 3 Với lưu vực nhỏ F<1km thì: Wmp = 10 a(150).Hnp.F 2 3 Với lưu vực có F =1 50km : 10 a.Hnp.F Trong đó: Hnp – lượng mưa ngày thiết kế
  91. e) Xác định đường quá trình lũ thiết kế ⚫ Phương pháp sử dụng mô hình toán thủy văn ⚫ Phương pháp khái quát hóa đường quá trình lũ theo dạng toán học nào đó
  92. i) Đường quá trình lũ dạng tam giác ⚫Thời gian kéo dài trận lũ: 2Wmp Tlu = Qmp Tlũ = Tl + Tx T ⚫Có g = x Tl Đối với lưu vực nhỏ ít điều tiết g =1,52 Đối với lưu vực điều tiết nhiều g =2,53,5 hoặc lấy theo lưu vực tương tự
  93. 1200 Qmaxp 1000 800 600 400 Wmaxp 200 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Tlũ
  94. ii) Đường quá trình lũ dạng hình thang 2W ⚫ Thời gian kéo dài trận lũ mp Tlu = 1,1Qmp 1200 Tđ 1000 Qmaxp 800 600 400 Wmaxp 200 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 Tl Tx Tlũ
  95. iii) Đường quá trình lũ dạng Xô-kô-lốp-sky 1200.00 m t Q 1000.00 maxp Qt = Qm tl 800.00 n t − t x 600.00 Qt = Qm m n t x 400.00 200.00 ⚫ Đối với lũ do mưa rào 0.00 đề nghị lấy m=2, n=3 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 tl tx