Lời cảm ơn
Để hoàn thành chương trình đào tạo cao học chuyên ngành Cấp Thoát
Nước – trường Đại học Thủy Lợi khóa học 20 (2012 - 2014), cần hoàn thiện
luận văn tốt nghiệp cuối khóa.
Trong quá trình học tập cũng như làm luận văn, tác giả đã nhận được sự
quan tâm, giúp đỡ của của Ban giám hiệu nhà trường, Phòng đào tạo đại học
và sau đại học, Khoa Kỹ Thuật Quản Lý Tài Nguyên Nước và toàn thể các
thầy, cô giáo.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn
Tuấn Anh – Người thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học, đã hết lòng giúp đỡ,
tận tình giảng giải cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Công ty Thoát Nước Hà Nội đã
tạo điều kiện cho tác giả đi thực tế và thu thập tài liệu về hệ thống thoát nước.
Cuối cùng, tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp
20CTN, các anh, chị khóa trước đã động viên, đóng góp ý kiến và hỗ trợ trong
suốt quá trình học tập và làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Ngày tháng năm
Học viên Nguyễn Anh Hùng
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3
1.1 KHÁI NIỆM VỀ MƯA THIẾT KẾ 3
1.1.1 Mưa 3
1.1.2 Mưa thiết kế 3
1.2 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ TRÊN THẾ
GIỚI 6
1.2.1 Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967) 7
1.2.2. Phương pháp khối xen kẽ 8
1.2.3 Mô hình mưa thiết kế của Keifer và Chu (1957) 9
1.2.4 Phương pháp mô hình mưa hình tam giác 11
1.3 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ Ở VIỆT
NAM 12
1.3.1 Các nghiên cứu của Việt Nam về công thức xác định cường độ mưa 12
1.3.2 Phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa điển hình
14
CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH CHUNG CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU 17
2.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 17
2.1.1 Vị trí địa lý 17
2.1.2 Địa lý, địa hình và địa mạo 18
2.1.3 Khí tượng 18
2.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI 26
2.2.1 Dân cư 26
3.2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SWMM ĐỂ MÔ PHỎNG MƯA – DÒNG CHẢY
VỚI CÁC MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ TRÊN 55
3.2.1 Giới thiệu mô hình SWMM 55
3.2.1.1 Các khả năng của mô hình 55
3.2.1.2 Các ứng dụng của mô hình 56
3.2.2 Ứng dụng mô hình SWMM mô phỏng mưa thiết kế – dòng chảy thiết kế
cho lưu vực quận Thanh Xuân với các mô hình mưa thiết kế kể trên 56
3.2.2.1 Dữ liệu đầu vào 56
3.2.2.2 Xây dựng mô hình SWMM 57
3.2.2.3 Kết quả mô phỏng các trận mưa thiết kế tại các vị trí tính toán 59
3.3 XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CỦA CỐNG DỰA TRÊN MÔ
PHỎNG CÁC TRẬN MƯA THỰC ĐO TRONG QUÁ KHỨ 63
3.3.1 Mô phỏng các trận mưa trong quá khứ 63
3.3.2 Tính tần suất lưu lượng từ đỉnh lũ mô phỏng các trận mưa trong quá khứ
68
3.4 SO SÁNH KẾT QUẢ LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ GIỮA MÔ PHỎNG TRẬN
MƯA THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁC TRẬN MƯA THỰC ĐO 71
3.5 ĐỀ XUẤT THỜI GIAN MƯA THIẾT KẾ HỢP LÝ 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75
Bảng 3.5: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 24giờ, tần suất lặp T=10 năm 50
Bảng 3.6: Thống kê diện tích các cửa xả đảm nhận tiêu thoát 58
Bảng 3.7: Kết quả lưu lượng lớn nhất thiết kế tương ứng các mô hình mưa thiết kế
60
Bảng 3.8: Danh sách các trận mưa lớn nhất toàn liệt 63
Bảng 3.9: Lưu lượng đỉnh được mô phỏng bởi các trận mưa lớn nhất toàn liệt 65
Bảng 3.10: Kết quả lưu lượng lớn nhất năm thiết kế từ các trận mưa toàn liệt 68
Bảng 3.11: Lưu lượng lớn nhất thiết kế giữa mô phỏng các trận mưa thiết kế và mô
phỏng trận các trận mưa toàn liệt, chu kỳ lặp T=10 năm 72
Bảng 3.12: Chênh lệch giữa QTL(P) và QTK(P) 72
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung bình
của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983) 4
Hình 1.2 Các đường cong IDF của mưa lớn nhất tại Chicago 5
Hình 1.3 Phân bố xác suất của các trận mưa nhóm thứ nhất 7
Hình 1.4 Biểu đồ xác suất 10% các trận mưa nhóm thứ nhất 8
Hình 1.5 Biểu đồ xác suất 50% các trận mưa nhóm thứ nhất 8
Hình 1.6 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế xây dựng bằng phương pháp khối xen kẽ 9
Hình 3.15 : Quá trình lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận thực
đo 23/10/1988 67
Hình 3.16 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 1 68
Hình 3.17 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 2 69
Hình 3.18 Đường tần suất Qmax tại Cửa Xả 3 69 1
MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, việc tính toán thiết kế hệ thống thoát nước mưa đô thị được
dựa theo tiêu chuẩn thiết kế : TCVN 7957 – 2008, gồm 2 bước :
Bước thứ nhất : Tính lưu lượng dòng chảy lớn nhất thiết kế (Q) theo
công thức cường độ giới hạn :
Q = q.C.F
Trong đó : q : cường độ mưa tính toán (l /s.ha)
C : hệ số dòng chảy
F : diện tích lưu vực tính đến mặt cắt tính toán (ha) từ đó
tính đường kính cống (Dc).
3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 KHÁI NIỆM VỀ MƯA THIẾT KẾ
1.1.1 Mưa
Mưa là quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong sự hình thành dòng
chảy trên lưu vực. Lượng mưa và quá trình mưa (P~t) quyết định lưu lượng và
quá trình dòng chảy trong cống.
Một trận mưa rào trên lưu vực được đặc trưng bởi:
- Thời gian mưa (phút, giờ, ngày).
- Tổng lượng mưa (mm).
- Phân bố mưa theo thời gian P(t).
1.1.2 Mưa thiết kế
Trận mưa thiết kế là một mô hình mưa được xác định dùng để thiết kế
một hệ thống thủy văn. Mưa thiết kế được đặc trưng bởi:
- Chu kỳ lặp lại của trận mưa thiết kế (tần suất thiết kế).
- Thời gian mưa (phút, giờ, ngày).
- Độ sâu mưa (lượng mưa)
- Phân bố mưa theo thời gian P(t).
1.1.2.1 Độ sâu mưa thiết kế
Là độ sâu lớp nước mưa trong một khoảng thời gian mưa nào đó. Đơn vị
đo độ sâu mưa thường tính bằng mm. Độ sâu mưa thiết kế có thể là độ sâu
3 giê
6 giê
24 giê
DiÖn tÝch (mi )
2
DiÖn tÝch (km )
2
®èi víi mét khu vùc cho tríc
Hình 1.1 Đồ thị quan hệ độ sâu mưa và diện tích mưa để tính các giá trị trung
bình của mưa diện (Tổ chức khí tượng thế giới, 1983)
Đồ thị quan hệ độ sâu mưa – diện tích đối với các thời gian mưa khác
nhau được thiết lập từ kết quả phân tích về độ sâu mưa- diện tích mưa- thời
gian mưa trong đó đã chuẩn bị sẵn các bản đồ đẳng lượng mưa cho mỗi thời
gian mưa. Các bản đồ này được xây dựng từ bảng ghi về lượng mưa lớn nhất
thực đo trên một vùng có trạm đo mưa dầy, người ta xác định diện tích nằm
bên trong mỗi đường đẳng lượng mưa trên các bản đồ này và lập biểu đồ độ
sâu mưa trung bình quan hệ với diện tích đối với từng thời gian mưa.
1.1.2.2 Quan hệ giữa cường độ mưa- thời gian mưa- tần suất
Cường độ mưa là lượng mưa rơi xuống mặt đất trong một đơn vị thời
gian.
5
Quan hệ giữa cường độ mưa - thời gian mưa - tần suất thông thường
được biểu diễn dưới dạng đồ thị trong đó thời gian mưa được đặt trên trục
hoành, cường độ mưa đặt trên trục tung và các đường cong tương ứng với thời
kỳ xuất hiện lại.
5 6
8 10 20 40 60 80 100
Thêi gian ma (phót)
Thêi kú xuÊt hiÖn l¹i (n¨m)
C¸c ®êng cong IDF cña ma lín nhÊt t¹i Chicago
Hình 1.2 Các đường cong IDF của mưa lớn nhất tại Chicago
6
Khi có đủ các số liệu tại địa phương ta có thể xây dựng các đường cong
IDF bằng phân tích tần suất. Một phân bố xác suất thường hay dùng trong
phân tích tần suất mưa là phân bố giá trị cực hạn loại I hay phân bố Gumbel.
Các đường cong (IDF) quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mưa-tần
suất còn được biểu thị bằng phương trình, ví dụ phương trình do Wenzel
(1982) đề nghị :
fT
c
i
e
d
+
=
(1.2)
Trong đó:
- i: cường độ mưa thiết kế (in/h)
-
13,9
5
Houston
97,4
0,77
4,8
6
Los Angeles
20,3
0,63
2,06
7
New York
78,1
0,82
6,57
1.2 TỔNG QUAN MƯA THIẾT KẾ CHO THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ
TRÊN THẾ GIỚI
Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về xây dựng mô hình mưa
thiết kế, cụ thể như một số tác giả sau:
7
1.2.1 Mô hình mưa thiết kế của Huff (1967)
Huff thiết lập các quan hệ phân bố theo thời gian của các trận mưa rào
lớn trên các diện tích rộng tới 400 mi
2
tại Illinois. Mô hình phân bố theo thời
30%
40%
Hình 1.3 Phân bố xác suất của các trận mưa nhóm thứ nhất
Từ biểu đồ phân bố xác suất của trận mưa nhóm thứ nhất người ta thiết
lập các biểu đồ chọn lọc cho các trận mưa nhóm thứ nhất ứng với các xác suất
lũy tích 10%, 50% và 90% (Hình 1.4 đến hình 1.6), mỗi biểu đồ biểu thị số
8
phần trăm của tổng lượng mưa trong mỗi khoảng số gia 10% của thời gian
mưa.
X¸c suÊt 10%
0
Sè phÇn tr¨m cña tæng lîng ma
20
40
60
50
30
10
Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian ma
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Hình 1.4 Biểu đồ xác suất 10% các trận mưa nhóm thứ nhất
0
Sè phÇn tr¨m cña tæng lîng ma
20
2
t∆
, 3
t∆
từ một đường IDF tương ứng với thời kỳ xuất hiện lại đã chọn và
tính độ sâu mưa mưa lũy tích bằng cách nhân cường độ mưa với thời gian
mưa. Lấy hiệu số giữa hai giá trị liên tiếp của độ sâu mưa lũy tích, ta sẽ tính
được độ sâu mưa thiết kế ứng với mỗi
t∆
và được gọi là các khối. Các khối
được sắp xếp với cường độ mưa lớn nhất được xếp ở giữa hoặc ở thời gian
xuất hiện đỉnh của thời gian mưa, các khối còn lại được sắp xếp theo thứ tự
giảm dần và được chia đều ở bên phải và bên trái của khối trung tâm. Thêi gian (phót)
Lîng ma (in)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Hình 1.6 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế xây dựng bằng phương pháp khối xen kẽ
1.2.3 Mô hình mưa thiết kế của Keifer và Chu (1957)
Keifer và Chu (1957) đã đề xuất một một mô hình mưa giả tưởng để
bb
=
với i
a
, i
b
là các cường độ mưa trước và mưa sau đỉnh. Tổng độ sâu
mưa R trong thời gian mưa Td được tính bằng diện tích nằm bên dưới các
nhánh đường cong:
∫ ∫
−
+=
rTd
0
Td)r1(
0
bbaa
dt)t(fdt)t(fR
(1.3)
Với
r1
t
r
t
T
T
t
r
ba
d
.i
av
.
lấy đạo hàm theo Td ta được:
)tb
(f
)
ta(
f
dTd
di
Tdi
dTd
dR
av
av
==
+=
(1.4)
Với
⇒
+
=
f
T
c
i
e
d
av
h =
ta
tb
Thêi gian t
h
Cêng ®é ma i
r =
ta
Td
Hình 1.8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác
Ta định nghĩa một hệ số trước đỉnh r, đó là tỉ số của thời gian xuất hiện
đỉnh mưa (t
a
) so với tổng thời gian mưa (T
d
).
12
(
)
da
d
b
d
a
bt
NBA
b
t
S
a
n
n
n
.
12
lg
5,
1210lg
)(
66
,0
+
+
=
+
+
=
+
=
(1.7)
Trong đó:
A=10
B=12,5
A, B là tham số địa lý
Như vậy, tùy theo đồi tượng nghiên cứu và quy mô của lưu vực cũng
như số liệu quan trắc có được mà công thức tính toán cường dộ mưa có những
dạng khác nhau. Nhưng nhìn chung quan hệ giữa cường độ mưa và thời gian
biểu thị theo quy luật:
n
t
A
q
=
(1.9)
Những nôi có số liệu quan trắc bằng máy đo tự ghi trong nhiều năm có
thể dùng phương pháp toán học để xác định các giá trị A và n.
c. Dựa trên đặc điểm của mưa và số liệu mưa của vùng đồng bằng Bắc
Bộ tác giả PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh – trường Đại học Thủy Lợi đã nghiên
cứu và xây dựng quan hệ lượng mưa- thời gian mưa- tần suất (đường quan hệ
DDF) như sau:
)fLnTe(
11d
11
d)cLnTb()T(H
+
+=
(1.10)
đối với d ≤ α
T
β
14
đối với d ≤ α
T
β
)f)P/1(Lne(
22d
22
d)c)P/1(Lnb()P(H
+
+=
(1.13)
đối với d > α
T
βTrong đó:
- H
d
(P)= Lượng mưa (mm); d = thời gian mưa (h); P = tần suất;
- b1, c1, b2, c2, f1,f2, e1, e2, a, b là các tham số được cho trong bảng 1.2
Bảng 1.2 Giá trị của các tham số của đường DDF
Tham số
Trạm
0,0301
0,0115
0,013
f
1
0,2671
0,2125
0,2868
0,3267
0,2918
0,3053
b
2
42,844
61,84
19,264
61,119
25,283
30,784
c
2
61,174
32,01
34,386
56,281
63,183
54,005
0,0284
0,0779
1.3.2 Phương pháp xác định mô hình mưa thiết kế dựa trên trận mưa
điển hình
Hiện nay, ở Việt Nam xác định mô hình mưa dựa trện mưa điển hình.
Phương pháp này dựa trên quan điểm mưa các thời khoảng dài có chứa mưa
thời khoảng ngắn.
Chọn mô hình mưa điển hình theo các yêu cầu sau:
+ Trận mưa lớn đã xảy ra gây úng lớn trong thực tế đại biểu cho một
nguyên nhân gây mưa úng nhất định trong khu vực.
15
+ Có thời gian mưa hiệu quả bằng hoặc xấp xỉ thời gian mưa tính toán.
+ Có lượng mưa toàn trận mưa bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa trong thời
khoảng khống chế ứng với tần suất thiết kế.
Thu phóng mô hình mưa đại biểu thành mô hình mưa thiết kế theo 2
phương pháp như sau:
* Phương pháp thu phóng cùng tỷ số:
đbmax
Pmax
X
X
k =
(1.14)
Trong đó: k: hệ số thu phóng
X
3
XX
XX
k
−
−
=
(1.17)
Tương tự như vậy đối với mưa giờ ta cũng xác định được mô hình mưa
tiêu thiết kế bằng phương pháp thu phóng trận mưa đại biểu, phương pháp
này đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam.
Tóm lại: Trên thế giới, các yếu tố thủy văn nói chung, mưa thiết kế và
lưu lượng thiết kế nói riêng, được nghiên cứu từ lâu cụ thể như đã có nhiều
công thức tính và mô hình toán được xây dựng để phục vụ tính toán các yếu
16
tố này. Ở Việt Nam, ngoài một số phương pháp của tác giả nước ngoài được
áp dụng, đã có nhiều tác giả trong nước nghiên cứu, xây dựng công thức, mô
hình toán để phục vụ tính toán các yếu tố thủy văn phù hợp với điều kiện địa
lý, địa chất và khí hậu nước ta.
Copyright: Tài liệu đại học ©