TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN THIẾT KẾ Calculation of Design Hydrological Elements

Các đặc trưng thủy văn thiết kế

Tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế của từng loại công trình theo quy định hiện hành, nội dung cần tính toán có thể bao gồm một hoặc nhiều đặc trưng khác nhau.

Các đặc trưng khí tượng bao gồm lượng mưa hàng năm, mưa mùa, mưa vụ, mưa ngày lớn nhất và trận mưa thiết kế Bên cạnh đó, cần xem xét phân phối mưa năm và vụ thiết kế, cũng như mô hình trận mưa thiết kế Đặc biệt, cần xác định mưa lớn nhất có khả năng xảy ra và bốc hơi phụ thêm cùng với phân phối bốc hơi phụ thêm thiết kế.

Dòng chảy năm thiết kế bao gồm các yếu tố quan trọng như lưu lượng và phân phối dòng chảy, cùng với đường duy trì lưu lượng bình quân hàng ngày Đặc biệt, cần xem xét lưu lượng và phân phối dòng chảy năm thiết kế trong bối cảnh biến đổi khí hậu (BĐKH) để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong thiết kế.

Dòng chảy lũ thiết kế bao gồm các yếu tố quan trọng như lưu lượng đỉnh lũ thiết kế, tổng lượng lũ thiết kế và quá trình lũ thiết kế Đặc biệt, cần xem xét lũ lớn nhất khả năng và điều chỉnh các thông số này theo tác động của biến đổi khí hậu (BĐKH) Việc đánh giá kỹ lưỡng các yếu tố này giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong công tác quản lý lũ.

Dòng chảy nhỏ nhất thiết kế bao gồm ba yếu tố chính: lưu lượng dòng chảy trung bình ngày nhỏ nhất, lưu lượng dòng chảy trung bình tháng nhỏ nhất, và lưu lượng dòng chảy trung bình trong ba tháng nhỏ nhất Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả và tính bền vững của hệ thống.

Lưu lượng bùn cát trung bình nhiều năm

Mực nước thiết kế và lưu lượng thiết kế công trình bao gồm các yếu tố quan trọng như: mực nước và quá trình mực nước thiết kế, mực nước triều cùng quá trình mực nước triều thiết kế, lưu lượng và quá trình lưu lượng thiết kế Ngoài ra, cần xem xét mực nước và lưu lượng thiết kế trong bối cảnh biến đổi khí hậu (BĐKH) và tình trạng nước biển dâng để đảm bảo tính bền vững và an toàn cho công trình.

Yêu cầu số liệu khí tượng thủy văn

a) Các số liệu cần thu thập:

1) Số liệu đo đạc các yếu tố khí tượng (mưa, bốc hơi, tốc độ gió, nhiệt độ ) trên lưu vực và khu vực lân cận;

2) Số liệu đo đạc dòng chảy (lưu lượng, mực nước, bùn cát và quan hệ mực nước-lưu lượng) b) Yêu cầu về số liệu:

Chuỗi số liệu thu thập cần đảm bảo tính đại biểu, đồng nhất và độc lập Để kiểm tra và sàng lọc chuỗi quan trắc, có thể sử dụng một số kiểm định thống kê phổ biến được trình bày trong Phụ lục F.1.

2) Số liệu đo đạc thu thập từ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn Quốc gia, các trạm dùng riêng và các nguồn khác nếu có.

Yêu cầu các tài liệu khác

Để nghiên cứu lưu vực, cần thu thập các tài liệu quan trọng như đặc điểm địa chất thủy văn, địa hình, địa mạo, thổ nhưỡng và thảm thực vật Ngoài ra, tài liệu thiết kế và vận hành công trình trong hệ thống cũng rất cần thiết Cần điều tra các trận mưa, lũ lịch sử đặc biệt lớn trong vùng nghiên cứu và khu vực lân cận, và nếu cần, có thể tổ chức điều tra thực địa để bổ sung thông tin Tài liệu về thiên tai đã xảy ra trong lưu vực cũng cần được xem xét Bên cạnh đó, kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng mới nhất của Việt Nam là yếu tố quan trọng cần lưu ý Cuối cùng, các tài liệu về dân sinh kinh tế xã hội ở khu vực thượng và hạ lưu công trình cũng không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu.

Chuỗi số liệu đo đạc, được phân thành ba trường hợp

a) Có nhiều số liệu đo đạc:

1) số năm đo đạc n  30 đối với các đặc trưng khí tượng;

2) số năm đo đạc n  20 đối với các đặc trưng thủy văn; b) Có ít số liệu đo đạc:

1) số năm đo đạc n < 30 đối với các đặc trưng khí tượng;

2) số năm đo đạc n < 20 đối với các đặc trưng thủy văn; c) Không có số liệu đo đạc.

Phương pháp tính toán

Trong trường hợp có nhiều số liệu đo đạc, phương pháp thống kê xác suất sẽ được áp dụng Ngược lại, khi số liệu đo đạc ít, cần kéo dài số liệu bằng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp Sau khi kéo dài số liệu, các phép tính sẽ được thực hiện như đối với trường hợp có nhiều số liệu Thời gian kéo dài số liệu không được vượt quá thời gian thực đo Các phương pháp kéo dài số liệu đo đạc khí tượng thủy văn bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau.

Phương pháp phân tích tương quan và xây dựng phương trình hồi quy chỉ nên được áp dụng khi hệ số tương quan đạt từ 0,8 trở lên và số năm đo đạc ít nhất là 10 Nếu số năm đo đạc dưới 10, phương pháp này chỉ nên được sử dụng với mục đích tham khảo.

Phương pháp mô hình thủy văn và thủy lực chỉ có thể áp dụng khi các thông số của mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định đạt yêu cầu Trong trường hợp không có số liệu đo đạc, việc sử dụng các phương pháp này sẽ gặp khó khăn.

1) Đối với các đặc trưng khí tượng: phương pháp trạm tương tự, phương pháp tính trung bình lưu vực;

Đối với các đặc trưng dòng chảy, có thể áp dụng nhiều phương pháp như phương pháp lưu vực tương tự, phương pháp bản đồ đẳng trị, phương pháp công thức kinh nghiệm, và phương pháp mô hình toán thủy văn, thủy lực Bên cạnh đó, cần xem xét các đặc trưng mô tả sự biến đổi theo thời gian để có cái nhìn tổng thể và chính xác hơn về dòng chảy.

1) Phân phối mưa thiết kế: phương pháp phân phối mưa đại biểu;

2) Phân phối mưa lũ thiết kế: phương pháp phân phối mưa đại biểu, phương pháp khối xen kẽ;

3) Phân phối dòng chảy năm thiết kế: phương pháp năm đại biểu, phương pháp đường duy trì lưu lượng bình quân ngày;

4) Quá trình lũ thiết kế: phương pháp lũ điển hình, phương pháp dạng hình học, phương pháp công thức kinh nghiệm, phương pháp mô hình toán.

Điều kiện lựa chọn trạm tương tự và lưu vực tương tự

Trạm mưa, khí tượng tương tự

a) Có vị trí trong hoặc lân cận lưu vực tính toán, cùng trong một vùng mưa, cùng hướng đón gió gây mưa; b) Có nhiều số liệu đo đạc.

Trạm mực nước tương tự

Để tối ưu hóa vị trí các trạm quan trắc, cần ưu tiên những trạm gần nhau trên cùng một dòng sông, đồng thời đảm bảo tính đồng bộ trong dao động dòng chảy theo thời gian Các trạm cũng cần có hình dạng mặt cắt, điều kiện lòng dẫn và độ dốc lòng sông tương tự nhau Cuối cùng, việc có nhiều tài liệu đo đạc sẽ hỗ trợ cho quá trình phân tích và đánh giá hiệu quả.

Lưu vực tương tự

Để đảm bảo tính đồng nhất trong nghiên cứu thủy văn, cần xem xét các yếu tố như điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng, địa chất thủy văn và thảm phủ thực vật tương tự Đồng thời, dòng chảy cần có sự đồng bộ theo thời gian, với tỷ số diện tích không vượt quá 10 lần và chênh lệch cao trình bình quân của lưu vực không quá 300m Việc thu thập số liệu đo đạc cũng cần phong phú, và trong trường hợp có yếu tố làm thay đổi điều kiện tự nhiên, chỉ nên sử dụng chuỗi số liệu đo đạc trước thời điểm thay đổi để đảm bảo tính chính xác.

4.7 Khi tính toán dòng chảy lũ thiết kế theo các phương pháp của tiêu chuẩn này, cần thu thập hoặc xác định các đặc trưng địa lý thủy văn của lưu vực nghiên cứu tính đến tuyến xây dựng công trình

Bài viết này trình bày các đặc trưng quan trọng của lưu vực từ các bản đồ tỷ lệ 1:10.000 hoặc mô hình số độ cao (DEM) đáng tin cậy Các thông số bao gồm: diện tích lưu vực F (km²), chiều dài sông chính L (km), độ dốc lòng sông chính J (0/00), tính theo đường thẳng dọc sông để cân bằng diện tích thừa và thiếu Ngoài ra, cần xác định cao trình bình quân của lưu vực so với mặt biển HBQ (m), tỷ lệ rừng fr = (Fr / F) x 100%, tỷ lệ hồ ao fa = (Fa / F) x 100%, tỷ lệ đầm lầy fđl = (Fđl / F) x 100%, và tỷ lệ đá vôi fđv = (Fđv / F) x 100% Bên cạnh đó, loại địa hình lưu vực (đồng bằng, trung du, núi) và loại địa chất thổ nhưỡng trên bề mặt cũng cần được xem xét Cuối cùng, mức độ điều tiết dòng chảy của các hồ chứa (số lượng, vị trí, dung tích điều tiết) cũng là yếu tố quan trọng, đặc biệt là đối với các lưu vực có diện tích dưới 100 km².

1) Độ dốc bình quân lưu vực Jlv ( 0 /00) tính theo một trong những phương pháp sau đây:

- Theo trị số bình quân của một số trị số độ dốc lớn nhất (5÷10) xác định trên bản đồ địa hình hoặc bình đồ;

J l v = ( l’ )/ F ( 1 ) trong đó:  - Chênh lệch cao độ giữa các đường đồng mức;

 l’ - Tổng chiều dài các đường đồng mức nằm trong phạm vi lưu vực (km)

2) Mật độ lưới sông và khe suối  (km/km 2 )

 = ( l + L) / F ( 2 ) trong đó: F, L - Diện tích và độ dài sông chính

 l - Tổng chiều dài các khe suối phụ (km)

5 Tính toán mưa, bốc hơi phục vụ tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế

Tính toán lượng mưa và phân phối mưa năm thiết kế

Tính toán lượng mưa năm thiết kế

5.1.1.1 Trường hợp có nhiều số liệu đo đạc

Để tính toán lượng mưa năm thiết kế theo phương pháp thống kê xác suất, cần lưu ý các bước sau: a) Nếu trên lưu vực hoặc khu vực lân cận có từ 2 trạm đo mưa trở lên với nhiều số liệu, nên tính lượng mưa bình quân lưu vực; b) Lựa chọn hàm phân phối xác suất phù hợp với chuỗi số liệu lượng mưa năm, có thể thực hiện bằng cách vẽ đường tần suất lý luận hoặc dựa vào các chỉ tiêu kiểm định thống kê; c) Sau khi xác định hàm phân phối xác suất, lượng mưa năm tương ứng với tần suất thiết kế có thể tính trực tiếp từ hàm phân phối hoặc từ đường tần suất lý luận; d) Nếu sử dụng hai hàm phân phối xác suất Pearson III và Kritsky Menken, có thể tham khảo các bảng tra phụ trợ.

1) Xác định ba tham số thống kê (X0, CV, CS) của đường tần suất lý luận lượng mưa năm (xem Phụ lục F.2.2) rồi tính lượng mưa năm thiết kế theo công thức:

𝐗 𝐏 = 𝐤 𝐏 𝐱𝐗 𝐨 ( 3 ) trong đó kP là hệ số phụ thuộc vào CS, CV, tần suất P;

2) Nếu sử dụng dạng hàm phân phối xác suất Pearson III thì

𝐤 𝐏 = 𝚽(𝐂 𝐒 , 𝐏) × 𝐂 𝐯 + 𝟏 ( 4 ) trong đó, Φ(𝐶 𝑆 , 𝑃) tung độ đường cong Pearson III lấy từ bảng tra Fôxtơ - Rưp-kin, phụ thuộc Cs và

3) Nếu sử dụng hàm Kritsky Menken thì 𝑘 𝑃 tra trực tiếp từ bảng tra Kritsky Menkel, phụ thuộc vào P,

CS và CV (xem Phụ lục F.5)

5.1.1.2 Trường hợp có ít số liệu đo đạc

Phân tích mối quan hệ giữa số liệu trạm đại biểu của lưu vực tính toán và các trạm tương tự là bước quan trọng Nếu hệ số tương quan đạt từ 0,8 trở lên, cần xây dựng phương trình hồi quy để bổ sung và kéo dài số liệu cho trạm đại biểu Tiếp theo, tính toán lượng mưa năm bình quân cho lưu vực thiết kế sẽ được thực hiện như trong trường hợp có nhiều số liệu Ngược lại, nếu hệ số tương quan dưới 0,8, phương pháp tính toán sẽ tương tự như khi không có số liệu.

5.1.1.3 Trường hợp không có số liệu đo đạc

5.1.1.3.1 Phương pháp trạm tương tự

Chọn một trạm tương tự (xem 4.6.1), tính toán lượng mưa năm thiết kế như trường hợp có nhiều số liệu trong 5.1.1.1

Để xác định lượng mưa năm bình quân của lưu vực X0, trước tiên cần sử dụng bản đồ đẳng trị chuẩn mưa năm trong Phụ lục A.6 Tiếp theo, chọn một hoặc vài trạm tương tự có chuẩn mưa năm gần với giá trị đã xác định Sau đó, xác định hệ số biến đổi CV và hệ số không đối xứng CS cho chuỗi số liệu của các trạm mưa đã chọn Cuối cùng, dựa trên các tham số thống kê X0, Cv và Cs, xác định lượng mưa năm thiết kế như đã trình bày trong phần 5.1.1.1.

Tính toán phân phối mưa năm thiết kế theo thời khoảng mùa

5.1.2.1 Trường hợp có nhiều số liệu đo đạc a) Phân mùa mưa và mùa khô Mùa mưa là thời kỳ có lượng mưa tập trung và vượt quá một ngưỡng giới hạn nhất định với sự ổn định nào đó Ngưỡng giới hạn thường lấy là lượng tổn thất ổn định tương ứng trên lưu vực (thường dao động từ 100 đến 150 mm tùy từng vùng khí hậu) và sự ổn định thường lấy là tần suất lớn hơn hoặc bằng 50% cho vùng có sự tương phản rõ rệt giữa mùa mưa và mùa khô, và lớn hơn hoặc bằng 75% đối với vùng còn lại; b) Tính toán mô hình mưa năm theo thời khoảng mùa theo phương pháp năm đại biểu như sau:

1) Tính toán lượng mưa mùa mưa và lượng mưa mùa khô ứng với tần suất thiết kế (xem 5.1.1.1);

2) Chọn năm đại biểu là năm nằm trong chuỗi số liệu thực đo, có lượng mưa năm xấp xỉ với lượng mưa năm thiết kế, lượng mưa mùa khô xấp xỉ lượng mưa mùa khô thiết kế;

3) Thu phóng mô hình mưa đại biểu thành mô hình mưa thiết kế

Phân tích mối quan hệ giữa số liệu trạm đại biểu và các trạm tương tự là cần thiết Nếu hệ số tương quan đạt ≥ 0,8, cần xây dựng phương trình hồi quy để bổ sung và kéo dài số liệu cho trạm đại biểu, đồng thời tính toán phân phối lượng mưa theo mùa Ngược lại, nếu hệ số tương quan < 0,8, sẽ tiến hành tính toán như trường hợp không có số liệu.

Chọn một trạm tương tự có chuẩn mưa năm gần giống với lưu vực tính toán Sau đó, xác định mô hình phân phối mưa năm thiết kế theo từng mùa cho trạm đã chọn, tương tự như phương pháp áp dụng cho các trạm có nhiều số liệu đo đạc.

Tính toán phân phối mưa năm thiết kế theo thời khoảng tháng

Mô hình phân phối mưa hàng năm được thiết kế dựa trên thời gian tháng và được xác định thông qua phương pháp năm đại biểu Quy trình thực hiện tương tự như trong phần 5.1.2.1, với bước thời gian tính toán là tháng.

Phương pháp kéo dài, bổ sung số liệu và thu phóng theo năm đại biểu thực hiện tương tự 5.1.2.2, với bước thời gian tính toán là tháng

5.1.3.3.1 Phương pháp trạm tương tự

Phương pháp thực hiện xem 5.1.2.3 với bước thời gian tính toán là tháng

Phương pháp tính theo mô hình phân phối đại biểu bao gồm việc lựa chọn mô hình tỷ lệ phần trăm phân phối mưa năm từ một trạm mưa trong Phụ lục A.8, sao cho trạm mưa này gần với lưu vực tính toán và có chuẩn mưa năm tương đương Nếu có nhiều trạm mưa phù hợp, áp dụng phương pháp xác định mưa bình quân lưu vực để tính mô hình phân phối trung bình từ các trạm đã chọn Tiếp theo, thu phóng mô hình phân phối đại biểu thành mô hình mưa năm thiết kế cho lưu vực bằng cách nhân tỷ lệ phần trăm các tháng với lượng mưa năm thiết kế của lưu vực đó.

Tính toán lượng mưa và phân phối mưa vụ thiết kế

Tính toán lượng mưa vụ thiết kế

a) Chọn thời vụ tính toán theo yêu cầu sản xuất nông nghiệp Yêu cầu này phụ thuộc vào từng địa phương, thời tiết, giống cây trồng và nguồn nước

Đối với vụ chiêm xuân, có hai thời kỳ cần nước khẩn trương vào tháng I và tháng IV Do đó, cần tính toán lượng mưa cho toàn vụ chiêm xuân từ tháng I đến tháng V theo tần suất thiết kế (𝑋 𝑣ụ 𝑃) Cụ thể, tính lượng mưa trong thời kỳ đổ ải từ 1 đến 31 tháng I với tần suất thiết kế (𝑋 𝐼 𝑃) và lượng mưa trong thời kỳ ngậm sữa, chắc xanh từ 1 đến 30 tháng IV cũng theo tần suất thiết kế (𝑋 𝐼𝑉 𝑃).

19 b) Tính toán lượng mưa vụ thiết kế tương tự như tính toán lượng mưa năm thiết kế (xem 5.1.1), nhưng áp dụng cho chuỗi lượng mưa vụ cần tính.

Tính toán phân phối mưa vụ thiết kế

Trong trường hợp có nhiều số liệu đo đạc, cần chọn mô hình mưa vụ đại biểu theo yêu cầu thiết kế từ năm quan trắc, đảm bảo lượng mưa toàn vụ bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa vụ thiết kế (𝑋 𝑣ụ 𝑃) và lượng mưa trong thời kỳ dùng nước khẩn trương cũng phải tương đương với thiết kế Sau đó, mô hình mưa vụ đại biểu sẽ được thu phóng thành mô hình mưa vụ thiết kế bằng cách sử dụng các hệ số thu phóng thích hợp.

VÍ DỤ Đối với vụ chiêm xuân, các hệ số thu phòng xác định như sau:

1) Hệ số thu phóng toàn vụ, 𝑘 𝑣ụ , là:

2) Hệ số thu phóng cho thời kỳ đổ ải (tháng I), 𝑘 𝐼 , là:

3) Hệ số thu phóng cho thời kỳ ngậm sữa chắc xanh (tháng IV), 𝑘 𝐼𝑉 , là:

4) Hệ số thu phóng cho các tháng còn lại trong toàn vụ, k II,III,V , là:

5) Lượng mưa các ngày trong thời kỳ đổ ải (tháng I), được thu phóng như sau:

6) Lượng mưa các ngày trong thời kỳ ngâm sữa chắc xanh (tháng IV), được thu phóng như sau:

7) Lượng mưa các ngày của các tháng còn lại, được thu phóng như sau:

X ng P = k II,III, V x X ng đb ( 11 ) trong đó, X ng P là lượng mưa ngày trong thời vụ tính toán ứng với tần suất thiết kế P

Việc xác định phân phối mưa trong vụ thiết kế có thể thực hiện giống như khi có nhiều số liệu Nếu không thể chọn được mô hình mưa đại biểu, cần tiến hành tính toán theo phương pháp dành cho trường hợp không có số liệu.

Chọn một trạm mưa có lượng mưa năm tương tự với lưu vực tính toán để sử dụng làm trạm mưa tính toán Tiến hành xác định mô hình phân phối mưa cho vụ thiết kế của lưu vực từ trạm đã chọn, tương tự như các số liệu được trình bày trong mục 5.2.2.1.

Tính toán lượng mưa ngày lớn nhất thiết kế

Trường hợp có nhiều số liệu đo đạc

Tính toán lượng mưa ngày lớn nhất thiết kế được thực hiện tương tự như cách tính lượng mưa năm thiết kế, nhưng áp dụng cho chuỗi số liệu lượng mưa ngày lớn nhất hàng năm khi có đủ dữ liệu.

Trường hợp có ít số liệu đo đạc

Phân tích quan hệ tương quan giữa số liệu trạm đại biểu và các trạm tương tự là bước quan trọng trong việc xây dựng phương trình hồi quy Nếu hệ số tương quan đạt ≥ 0,8, cần tiến hành bổ sung và kéo dài số liệu cho trạm đại biểu, đồng thời tính toán lượng mưa ngày lớn nhất như trong trường hợp có nhiều số liệu Ngược lại, nếu hệ số tương quan < 0,8, việc tính toán sẽ được thực hiện như trong trường hợp không có số liệu.

Trường hợp không có số liệu đo đạc

Phương pháp trạm tương tự yêu cầu chọn một trạm có chuẩn mưa năm gần giống với lưu vực tính toán Nếu trạm đã chọn có lượng mưa năm chênh lệch đáng kể, cần hiệu chỉnh chuỗi lượng mưa ngày lớn nhất theo hệ số Khc, là tỷ số giữa chuẩn mưa năm của lưu vực và trạm tương tự Sau khi hiệu chỉnh, tiến hành tính toán lượng mưa ngày lớn nhất thiết kế cho trạm tương tự như trong các trường hợp đã được đề cập.

5.3.3.2 Phương pháp sử dụng bản đồ đẳng trị lượng mưa một ngày lớn nhất bình quân toàn quốc a) Xác định lượng mưa một ngày lớn nhất bình quân của lưu vực tính toán dựa trên bản đồ đẳng trị lượng mưa một ngày lớn nhất bình quân toàn quốc trong Phụ lục A.7; b) Chọn một trạm tương tự có lượng mưa một ngày lớn nhất bình quân xấp xỉ lượng mưa một ngày lớn nhất bình quân của lưu vực đã xác định ở mục a) Xác định các hệ số Cv, Cs; c) Xác định lượng mưa một ngày lớn nhất thiết kế dựa trên các tham số thống kê X1maxtb, Cv và Cs của lưu vực, tương tự như trong 5.1.1.1.

Tính toán lượng mưa trận lũ thiết kế

Tính toán lượng mưa trận lũ thiết kế với thời gian của trận mưa 𝝉 ≥ 1 ngày

Để tính toán lượng mưa trong trận lũ lớn nhất trong khoảng thời gian 𝜏 (ví dụ: 𝜏 = 1, 3, 5, 7 ngày) tương ứng với tần suất thiết kế P, quy trình thực hiện tương tự như việc tính toán lượng mưa năm thiết kế Tuy nhiên, trong trường hợp này, cần áp dụng cho chuỗi lượng mưa lớn nhất trong thời gian tính toán 𝜏 hàng năm.

Khi chọn chuỗi số liệu lượng mưa lớn nhất trong thời gian tính toán hàng năm 𝜏, cần lưu ý rằng nhóm ngày mưa thường bắt đầu từ ngày có mưa và kéo dài sang những ngày sau, với khả năng có những ngày không có mưa trong nhóm Hơn nữa, để đảm bảo tính đồng nhất, lượng mưa lớn nhất của nhóm ngày mưa ngắn ngày phải nằm trong giới hạn của nhóm ngày mưa dài ngày có cùng tần suất.

Tính lượng mưa lũ thiết kế với thời gian của trận mưa 𝝉 ≤ 24 giờ

Phương pháp trạm đại biểu bao gồm hai bước chính: đầu tiên, thu thập và xử lý chuỗi số liệu cường độ mưa lớn nhất trong thời gian tính toán 𝜏 của trạm mưa đại biểu cho lưu vực; thứ hai, lựa chọn hàm phân phối xác suất phù hợp với chuỗi dữ liệu đã chọn và xác định giá trị cường độ mưa thiết kế tương tự như mục 5.1.1.1.

Phương pháp gián tiếp sử dụng quan hệ cường độ mưa không thứ nguyên - thời khoảng mưa - tần suất bao gồm các bước sau: Đầu tiên, thu thập và xử lý chuỗi số liệu cường độ mưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán 𝜏 của trạm mưa đại biểu cho lưu vực Tiếp theo, xác định giá trị trung bình nhiều năm của chuỗi số liệu này, ký hiệu là 𝜇̂ 𝑘,𝜏 Sau đó, lựa chọn phân khu mưa rào của lưu vực tính toán Tiếp theo, xác định cường độ mưa không thứ nguyên với tần suất thiết kế P và thời đoạn tính toán 𝜏 tương ứng, ký hiệu là 𝑞̂ 𝜏 (𝑃), bằng cách sử dụng bảng tra trong Phụ lục A.2 Cuối cùng, tính toán giá trị cường độ mưa thiết kế cho lưu vực theo công thức đã quy định.

Phân tích mối quan hệ giữa số liệu trạm đại biểu của lưu vực với các trạm tương tự là cần thiết Nếu hệ số tương quan đạt ≥ 0,8, chúng ta sẽ xây dựng phương trình hồi quy để bổ sung và kéo dài số liệu cho trạm đại biểu Đồng thời, tính toán lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn 𝜏 sẽ được thực hiện như trong trường hợp có nhiều số liệu Ngược lại, nếu hệ số tương quan < 0,8, chúng ta sẽ tiến hành tính toán như khi không có số liệu.

Trong trường hợp này, phương pháp tính toán được áp dụng theo mục 5.4.2.1.2, với giá trị 𝝁̂ 𝒌,𝜏 được xác định dựa trên các công thức trong Phụ lục A.3 Giá trị chuẩn mưa năm Xn có thể được xác định thông qua bản đồ đẳng trị chuẩn mưa năm, như đã đề cập trong Phụ lục A.6.

Tính toán mô hình mưa trận lũ thiết kế

Tính toán mô hình mưa trận lũ thiết kế với 𝝉 ≥ 1 ngày

Để tính toán mô hình mưa trận lũ thiết kế, cần thực hiện các bước sau: đầu tiên, chọn mô hình mưa đại biểu đáp ứng các tiêu chí như đã xảy ra trong thực tế, số ngày mưa hiệu quả nằm trong nhóm ngày mưa tính toán, và lượng mưa toàn trận bằng hoặc xấp xỉ lượng mưa trong khoảng thời gian 𝝉 tương ứng với tần suất thiết kế Sau đó, thu phóng mô hình mưa đại biểu thành mô hình mưa trận lũ thiết kế bằng một trong các phương pháp phù hợp.

1) Thu phóng cùng tần suất: giả thiết lượng mưa của các nhóm ngày mưa có cùng tần suất Cách này thường dùng cho lưu vực tính toán có diện tích lưu vực nhỏ

Hệ số thu phóng được xác định như sau cho trận mưa 5 ngày lớn nhất thiết kế:

- Ngày thứ nhất thu phóng theo tỷ số k 1 :

- Hai ngày còn lại trong ba ngày lớn nhất thu phóng theo tỷ số k 2 :

- Hai ngày còn lại trong năm ngày lớn nhất thu phóng theo tỷ số k 3 :

X 5Max Đb, X 3Max Đb và X 1Max Đb là các chỉ số lượng mưa đại biểu trong một ngày, ba ngày và năm ngày, tương ứng Trong đó, X 1Max P, X 3Max P và X 5Max P đại diện cho lượng mưa lớn nhất trong các khoảng thời gian tương ứng với tần suất thiết kế P Những chỉ số này rất quan trọng trong việc đánh giá và dự báo lượng mưa, giúp các nhà quy hoạch và kỹ sư thiết kế hệ thống thoát nước hiệu quả hơn.

2) Thu phóng cùng tỷ số: thường áp dụng cho vùng có diện tích lưu vực lớn Hệ số thu phóng tính theo công thức sau:

Trong bài viết này, 𝑋 𝝉 𝑀𝑎𝑥 𝑃 (16) đại diện cho lượng mưa lớn nhất trong thời gian tính toán với tần suất thiết kế P, trong khi 𝑋 𝝉 𝑀𝑎𝑥 Đ𝑏 là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tính toán 𝜏 của trận mưa đại biểu.

Tính toán mô hình mưa trận lũ thiết kế với thời gian 𝝉 ≥ 1 ngày có thể thực hiện trong điều kiện thiếu dữ liệu, tương tự như khi có nhiều dữ liệu (tham khảo 5.5.1.1) Nếu không thể chọn được mô hình mưa đại biểu, cần tiến hành tính toán theo phương pháp không có số liệu (xem 5.5.1.3).

Chọn một trạm mưa có chuẩn mưa năm tương tự với lưu vực để thực hiện tính toán Tiến hành mô hình hóa mưa trận lũ thiết kế với thời gian 𝝉 ≥ 1 ngày cho trạm hoặc các trạm đã chọn, tương tự như trường hợp có đủ tài liệu.

Tính toán mô hình mưa trận lũ thiết kế với 𝝉 ≤ 24 giờ

5.5.2.1 Trường hợp có nhiều số liệu đo mưa thời đoạn ngắn

Để tính toán mô hình mưa trận lũ thiết kế theo phương pháp mô hình mưa đại biểu, trước tiên cần chọn một mô hình mưa đại biểu phù hợp với các yêu cầu như đã xảy ra thực tế, thời gian mưa hiệu quả gần bằng thời gian tính toán 𝝉, và lượng mưa toàn trận tương đương hoặc xấp xỉ với lượng mưa trận lũ thiết kế Sau đó, tiến hành thu phóng mô hình mưa đại biểu thành mô hình mưa trận lũ thiết kế cho thời đoạn 𝝉 bằng cách sử dụng hệ số thu phóng chung cho toàn trận mưa trong thời đoạn này.

Trong nghiên cứu này, 𝑋 𝝉 𝑀𝑎𝑥 𝑃 đại diện cho lượng mưa lớn nhất trong thời gian tính toán với tần suất thiết kế 𝝉 và 𝑋 𝝉 𝑀𝑎𝑥 Đ𝑏 là lượng mưa lớn nhất trong thời gian tính toán 𝜏 của trận mưa đại biểu.

5.5.2.2 Trường hợp lưu vực tính toán không có tài liệu đo mưa thời đoạn ngắn

Có thể sử dụng một trong các phương pháp sau:

Phương pháp khối xen kẽ được thực hiện qua các bước sau: đầu tiên, xác định phân khu mưa rào cho lưu vực tính toán; tiếp theo, xác định cường độ mưa thiết kế cho từng thời đoạn theo phân khu mưa rào; sau đó, tính lượng mưa lũy tích cho toàn bộ thời gian trận mưa từ các giá trị cường độ mưa thiết kế; tiếp theo, lấy hiệu số giữa các giá trị liên tiếp của lượng mưa lũy tích để tính lượng mưa thiết kế cho mỗi thời đoạn và gọi các hiệu số này là các khối; cuối cùng, sắp xếp các khối theo thời gian để tạo ra mô hình mưa thiết kế, với cường độ mưa lớn nhất ở giữa và các khối còn lại được sắp xếp xen kẽ theo thứ tự giảm dần.

Mô hình mưa trận lũ thiết kế theo dạng tam giác sử dụng biểu đồ mưa hình tam giác, trong đó chiều dài đáy 𝜏 biểu thị thời gian của trận mưa tính toán, còn chiều cao 𝐼 đại diện cho cường độ mưa lớn nhất trong quá trình mưa, như minh họa trong Hình 1.

Hình 1 - Biểu đồ tổng quát mô hình mưa trận lũ thiết kế dạng tam giác

Trong đó Xmaxp là lượng mưa trận lũ thiết kế

Gọi r là hệ số trước đỉnh, là tỷ số của thời gian xuất hiện đỉnh mưa, τ a so với tổng thời gian mưa τ:

Hệ số r có thể được xác định dựa trên kinh nghiệm hoặc từ các trạm tương tự Giá trị r được tính toán từ nhiều trận mưa thực đo với thời gian mưa khác nhau, và được lấy giá trị trung bình theo trọng số thời gian mưa.

Phương pháp mô hình mưa lũ tổng hợp cho các phân vùng mưa bao gồm các bước sau: đầu tiên, xác định phân khu mưa rào cho lưu vực tính toán (xem Phụ lục A.1); tiếp theo, xác định cường độ mưa trận lũ thiết kế, ký hiệu là I τ Max P, tương tự như trong mục 5.4.2.3; cuối cùng, tính lượng mưa trận lũ thiết kế theo công thức đã quy định.

𝐗 𝛕 𝐌𝐚𝐱 𝐏 = 𝐈 𝛕 𝐌𝐚𝐱 𝐏 𝛕 (20) d) Phân phối lượng mưa từng thời khoảng X t được xác định như sau:

R D tra từ Phụ lục A.5 cho các phân khu mưa rào tương ứng.

Tính toán mưa lớn nhất khả năng (PMP)

Phương pháp cực đại hoá trận mưa lớn thực đo

5.6.1.1 Xác định hệ số hiệu chỉnh cực đại a) Chọn các trạm mưa đại biểu trên lưu vực tính toán có nhiều số liệu mưa thời đoạn ngắn; b) Từ mỗi trạm, chọn từ 3 đến 5 trận mưa đại biểu, thỏa mãn 3 điều kiện sau:

1) Trận mưa đã xảy ra trên lưu vực với lượng mưa lớn, phân bố rộng trên toàn lưu vực;

2) Tâm mưa nằm ở vị trí bất lợi, đã tạo ra lũ lớn trên lưu vực sông;

3) Có đủ các số liệu thực đo theo thời khoảng ngắn như nhiệt độ điểm sương, hướng gió, tốc độ gió, mưa, lưu lượng c) Phân tích quan hệ tương quan giữa lượng mưa lớn nhất thời khoảng XT (T= 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10 ngày) và lượng mưa toàn trận X với lớp dòng chảy trận lũ Ymax và lưu lượng đỉnh lũ Qmax tương ứng Từ đó chọn thời khoảng T có hệ số tương quan lớn nhất là thời khoảng đặc trưng gây ra lũ lớn trên lưu vực; d) Với thời khoảng T đã chọn, xác định lượng mưa trung bình lưu vực của các trận mưa đại biểu theo thời khoảng T; e) Có thể xây dựng quan hệ lượng mưa với thời khoảng XT~T cho tất cả các trận mưa lớn đã chọn lên cùng một biểu đồ, sau đó lấy đường bao trên làm quan hệ tính toán; f) Xác định các hệ số hiệu chính cực đại KMA:

WPM: lượng nước có thể mưa ứng với nhiệt độ điểm sương lớn nhất trong chuỗi số quan trắc nhiều năm (tra ở Bảng A.51 – Phụ lục A.9);

WPS là lượng nước có thể mưa được tính dựa trên nhiệt độ điểm sương của trận mưa lớn thực đo, nhằm điều chỉnh hiệu quả cho toàn bộ lưu vực hoặc một phần lưu vực.

1) Trích nhiệt độ điểm sương của trận mưa lớn nhất 12 giờ hoặc 24 giờ của các tháng mưa lớn nhất (mùa mưa) trong chuỗi quan trắc của các trạm đo (tính WPM) và nhiệt độ điểm sương của trận mưa lớn thực đo được chọn (tính WPS);

2) Chuyển các nhiệt độ điểm sương này của các trạm tương ứng (ứng với độ cao của từng trạm) về điểm sương của mặt chuẩn 1000 mb (mặt biển) theo hình A.4 (Phụ lục A.9) Từ độ cao trạm tại đo ở trục tung, dịch chuyển đến vị trí có nhiệt độ điểm sương tương ứng ở trục hoành, sau đó đi theo đường chéo trong hình về đến độ cao 0 km để có được nhiệt độ điểm sương ở mức 1000mb tại độ cao 0 m;

3) Từ nhiệt độ điểm sương ở mức 1000 mb, tra bảng A.52 (Phụ lục A.9) sẽ được WPM và WPS tương ứng; g) Hệ số KMA có xét hiệu chỉnh theo độ cao:

WPM12000 là lượng nước có thể mưa tương ứng với nhiệt độ điểm sương cao nhất trong chuỗi số quan trắc nhiều năm, được đo ở độ cao 12000m trong cột không khí.

WPMh: lượng nước có thể mưa mưa ứng với nhiệt độ điểm sương lớn nhất trong chuỗi số quan trắc nhiều năm tại độ cao của trạm đo;

WPS12000 thể hiện lượng nước có thể mưa tính từ nhiệt độ điểm sương trong một trận mưa lớn thực tế, với điều kiện độ cao tối đa của cột không khí đạt 12000m.

WPSh là lượng nước mưa được tính dựa trên nhiệt độ điểm sương của trận mưa lớn thực đo, tương ứng với độ cao của trạm đo Ngoài ra, hệ số hiệu chỉnh theo tốc độ gió của dòng ẩm cũng cần được xem xét.

Lựa chọn hướng gió và tốc độ gió mang ẩm tới trận mưa:

1) Hướng gió: Phải từ hướng có nguồn ẩm đến khối không khí gây mưa;

Dựa trên chuỗi số liệu tốc độ gió trong nhiều năm, chúng tôi đã xác định tốc độ gió bình quân 24 giờ lớn nhất VWM trong mùa mưa lớn theo hướng đã được chỉ định.

Trong quá trình hiệu chỉnh cho trận mưa lớn, cần xác định tốc độ gió trung bình trong 24 giờ tương ứng với thời gian xảy ra trận mưa lớn nhất, theo hướng gió đã được xác định trước đó.

Tính hệ số hiệu chỉnh cực đại gió KWA:

VWM: tốc độ gió trung bình lớn nhất bình quân 24 giờ đã quan trắc theo hướng gió mang nguồn ẩm tới lưu vực;

VWS: tốc độ gió trung bình lớn nhất thời khoảng mưa theo hướng gió nói trên của trận mưa điển hình i) Hệ số hiệu chỉnh tổng hợp

1) Đối với từng trạm đo:

2) Đối với toàn lưu vực:

+ Nếu các KMWi sai khác không lớn thì: 𝐾 𝑀𝑊 = ∑ 𝐾 𝑀𝑊𝑖

𝑛 với n là số trạm (27) + Nếu sai khác đáng kể thì chia lưu vực thành các bộ phận, hoặc dùng đường đẳng trị KMW

5.6.1.2 Tính lượng mưa PMP và phân bố PMP theo thời khoảng ngắn a) Tính PMP 1 ngày tại 1 trạm đo hay trung bình lưu vực:

PMP1: lượng mưa 1 ngày lớn nhất khả năng (mm);

X1: lượng mưa 1 ngày lớn nhất của trận mưa đại biểu được chọn

Nếu lưu vực không lớn mà đã tính KMW trung bình lưu vực thì PMP1 tính trực tiếp theo công thức (28)

Để tính toán PMP1 cho một lưu vực lớn với sự biến đổi đáng kể giữa các trạm, cần thực hiện tính PMP1 riêng cho từng trạm Sau đó, xây dựng bản đồ đẳng trị PMP1 để xác định giá trị PMP1 trung bình cho toàn bộ lưu vực Ngoài ra, cũng cần tính toán PMPT cho các khoảng thời gian khác nhau như T = 2, 3, 4 ngày.

PMPT: PMP thời khoảng T ngày;

PMP1: PMP thời khoảng 1 ngày;

KT: hệ số hiệu chỉnh theo công thức (29) c) Xác định phân bố PMP theo thời khoảng ngắn (giờ):

1) Tùy theo độ lớn của lưu vực mà chọn thời khoảng t, với điều kiện t   là thời gian tập trung dòng chảy;

2) Dạng phân bố mưa thời khoảng ngắn chọn theo dạng phân bố điển hình của một trận mưa thực đo có dạng hình thành trận lũ bất lợi;

3) Lượng mưa PMP phân bố theo thời khoảng ngắn là:

Nếu lưu vực F có diện tích lớn, có thể phân chia thành nhiều lưu vực bộ phận dựa trên đặc điểm mưa và địa hình Việc này giúp tính toán được PMP và phân bố của chúng theo từng khoảng thời gian riêng biệt, nhưng cần đảm bảo rằng bình quân của các PMP bộ phận phải tương đương với PMP bình quân của toàn bộ lưu vực.

Phương pháp thống kê

Phương pháp này được áp dụng để tính toán PMP cho các khu vực có nhiều dữ liệu mưa nhưng thiếu thông tin khí tượng như nhiệt độ điểm sương, gió, và áp suất Nó đặc biệt hữu ích cho các yêu cầu tính toán nhanh các giá trị PMP Lượng mưa lớn nhất có khả năng xảy ra trong thời gian T trong năm được xác định theo công thức của Hershfield.

PMP(T) = Xn(T) + Kn(T) x Sn(T) (31) trong đó:

PMP: lượng mưa lớn nhất khả năng;

Xn(T): trị số trung bình của các giá trị mưa lớn nhất trong khoảng thời gian T:

Kn(T): là thông số thống kê tuỳ thuộc vào dạng phân phối xác suất tương ứng với giá trị lớn nhất;

Xm (T) của chuỗi thực đo trong khoảng thời gian T:

Sn(T): độ lệch chuẩn, xác định theo công thức:

Các giá trị Xn, Kn, Sn sau khi tính toán theo các công thức (32), (33), (34) sẽ được hiệu chỉnh lại theo các biểu đồ hình từ A.5 đến A.8 phụ lục A:

1) Hình A.5 và hình A.6 được sử dụng để hiệu chỉnh trị số trung bình Xn và khoảng lệch chuẩn Sn theo trị số lớn nhất quan trắc được trong chuối số Trong các biểu đồ này, hệ số hiệu chỉnh trị số trung bình (%) và khoảng lệch chuẩn của mưa (%) được xác định theo tỷ số Xn-m/Xn và Sn-m/Sn

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân tích 29 năm dữ liệu quan trắc mưa, trong đó Xn-m đại diện cho giá trị trung bình và Sn-m là khoảng lệch chuẩn của chuỗi số liệu mưa, sau khi đã loại bỏ giá trị lớn nhất.

2) Hình A.7 được sử dụng để hiệu chỉnh số trung bình Xn và khoảng lệch tiêu chuẩn Sn theo chiều dài của chuỗi thực đo Trị số trung bình và khoảng lệch chuẩn của chuỗi số có xu hướng giảm theo độ dài của chuỗi số Bởi vậy, giá trị trung bình Xn và khoảng lệch tiêu chuẩn Sn tính theo chuỗi thực đo cần được hiệu chỉnh (theo chiều dài của chuỗi số);

3) Hình A.8 được sử dụng để xác định hệ số Kn khi giá trị trung bình Xn (sau khi đã hiệu chỉnh) đã được xác định

Lưu ý rằng các biểu đồ được xây dựng cho thời gian ngắn hơn 24 giờ, do đó, phương pháp thống kê để xác định lượng mưa lớn nhất khả năng chỉ áp dụng cho các thời đoạn ngắn Các bước tính toán lượng mưa lớn nhất khả năng trong thời gian ngắn tại một trạm đo được thực hiện như sau:

Bước đầu tiên là lựa chọn các trận mưa lớn từ trạm quan trắc hoặc các khu vực lân cận cho một vùng cụ thể Thông thường, mỗi năm nên chọn một trận mưa lớn, nhưng cũng có thể xem xét một số trận mưa lớn khác tương tự, giống như phương pháp chọn mẫu khi tính toán lũ thiết kế, đặc biệt khi có nhiều tài liệu có sẵn.

Bước 2: Chọn các thời đoạn tính toán;

Bước 3: Tính lượng mưa trung bình Xn và độ lệch chuẩn Sn theo các thời đoạn tính toán;

Bước 4 là quá trình hiệu chỉnh giá trị lượng mưa trung bình Xn và độ lệch chuẩn Sn, đặc biệt khi có những trận mưa lớn trong chuỗi số liệu thực đo Các giá trị tính toán ở bước 3 sẽ được nhân với hệ số hiệu chỉnh theo các hình A.4 và A.5 trong Phụ lục A.10 Tuy nhiên, nếu chuỗi số liệu không ghi nhận trận mưa đặc biệt lớn nào, bước này có thể không cần thiết thực hiện.

Bước 5: Điều chỉnh lượng mưa trung bình Xn và độ lệch chuẩn Sn dựa trên chiều dài chuỗi số liệu thực đo Các giá trị Xn và Sn đã được tính toán ở bước 3 và 4 sẽ được nhân với hệ số điều chỉnh xác định theo hình A.6 Nếu số liệu thực đo có kích thước đủ lớn, thì không cần thực hiện điều chỉnh (hệ số điều chỉnh sẽ bằng 1).

Bước 6: Xác định hệ số Kn theo biểu đồ hình A.7 – Phụ lục A.10;

Bước 7: Tính lượng mưa lớn nhất có khả năng xảy ra theo các thời đoạn tính toán T;

Bước 8: Điều chỉnh lượng mưa tính toán theo thời gian cố định của số liệu thực đo Giá trị PMP được tính toán ở các bước trước phải tương ứng với các thời đoạn được chọn trong quá trình mưa, đảm bảo lượng mưa đạt giá trị lớn nhất.

Các biểu đồ lập sẵn được xây dựng cho các thời đoạn 5 phút, 1 giờ, 6 giờ và 24 giờ, và khi sử dụng thời đoạn khác, cần áp dụng phương pháp nội suy tuyến tính để xác định các đặc trưng Để tính lượng mưa PMP cho lưu vực nghiên cứu, cần sử dụng phương pháp tính mưa trung bình từ các giá trị PMP tại các trạm đo, đồng thời có thể hiệu chỉnh mưa PMP theo trạm nếu tâm mưa nằm trong lưu vực thông qua mối quan hệ giữa lượng mưa, thời đoạn và diện tích (DDA) Phân phối lượng mưa của một trận mưa được xác định dựa trên phân phối của trận mưa điển hình Phương pháp thống kê ứng dụng cho phép tính toán nhanh tại những nơi có đầy đủ số liệu quan trắc mưa giờ tự ghi, nhưng theo WMO, phương pháp này chỉ phù hợp cho vùng có diện tích nhỏ hơn 1000 km² Cần lưu ý rằng ở Việt Nam, những lưu vực nhỏ hơn 1000 km² vẫn có thể gặp lượng mưa lớn hơn 24 giờ, đây là một hạn chế của phương pháp thống kê.

Tính toán lượng và phân phối bốc hơi phụ thêm thiết kế

Tính toán lượng bốc hơi phụ thêm

Để tính toán lượng bốc hơi phụ thêm, quy trình tương tự như việc xác định lượng mưa năm thiết kế Cần xác định các tham số thống kê và đường tần suất của chuỗi bốc hơi phụ thêm.

ZPz = f(Z0, Cv, Cs, Pz) (35) trong đó:

ZPz là lượng bốc hơi phụ thêm thiết kế;

Z0 là lượng bốc hơi phụ thêm bình quân nhiều năm (mm);

Hệ số phân tán (Cv) và hệ số thiên lệch (Cs) được xác định từ chuỗi số liệu đo bốc hơi mặt nước trung bình trong nhiều năm (Zni ~ t) tại các trạm khí tượng trong lưu vực hoặc khu vực lân cận.

Pz là tần suất thiết kế được xác định theo các trường hợp sau:

1) Nếu quan hệ giữa bốc hơi và lượng mưa (hoặc lượng dòng chảy) là quan hệ nghịch biến thì

Pz0-P, trong đó P là mức đảm bảo cấp nước của mưa (hoặc dòng chảy năm);

2) Nếu quan hệ giữa bốc hơi và lượng mưa (hoặc dòng chảy) không rõ ràng thì có thể lấy giá trị trung bình nhiều năm b) Lượng bốc hơi phụ thêm bình quân nhiều năm Z0 được xác định theo công thức như sau:

Zn0 là chỉ số bốc hơi mặt nước trung bình nhiều năm, được xác định từ dữ liệu thực đo bốc hơi trong thùng, sau đó nhân với hệ số chuyển đổi dựa trên tài liệu thực đo của các trạm khí tượng trong khu vực lưu vực hoặc vùng lân cận.

Zlv0 là lớp bốc hơi lưu vực bình quân nhiều năm được xác định từ phương trình cân bằng nước:

Xo là chuẩn mưa năm và Yo là chuẩn lớp dòng chảy năm của lưu vực.

Tính toán phân phối bốc hơi phụ thêm thiết kế

Phân phối bốc hơi phụ thêm được thiết kế dựa trên các bước sau: đầu tiên, sử dụng dạng phân phối bốc hơi mặt nước trung bình nhiều năm Zni ~ t; tiếp theo, xác định chênh lệch bốc hơi hàng tháng trong năm thông qua một công thức cụ thể.

Zi là chênh lệch bốc hơi tháng thứ i;

Ki là hệ số phân phối bốc hơi tháng thứ i lấy theo mô hình bốc hơi mặt nước:

Zni là lượng bốc hơi mặt nước tháng thứ i, Zn là lượng bốc hơi mặt nước năm

6 Tính toán dòng chảy năm thiết kế

Tính toán dòng chảy năm thiết kế khi có nhiều số liệu đo đạc

Tính toán dòng chảy năm thiết kế

Dòng chảy năm được xác định dựa trên năm thuỷ văn, trong đó các tháng mùa lũ là những tháng có lưu lượng dòng chảy bình quân tháng vượt quá lưu lượng dòng chảy bình quân năm và có tần suất xuất hiện trên 50%.

Những tháng còn lại thuộc mùa cạn

6.1.1.2 Tính dòng chảy năm thiết kế theo phương pháp thống kê xác suất

Nội dung thực hiện tương tự mục 5.1.1.1 b, c, d.

Tính toán phân phối dòng chảy năm thiết kế

6.1.2.1 Phân phối dòng chảy năm thiết kế theo thời đoạn tháng

Năm điển hình là năm có các tiêu chí sau:

- Năm có đầy đủ số liệu thực đo;

- Lượng dòng chảy năm của năm điển hình xấp xỉ lượng dòng chảy năm thiết kế tương ứng;

- Dạng phân phối bất lợi đối với công trình, thí dụ thời kỳ kiệt dài, phân phối trong thời kỳ kiệt không đều

6.1.2.1.2 Phương pháp thu phóng a) Phương pháp cùng tỷ số:

Phân phối dòng chảy năm điển hình được xác định bằng cách so sánh tỷ số giữa lưu lượng thiết kế và lưu lượng điển hình Từ đó, ta có thể tính toán được dòng chảy năm thiết kế một cách chính xác.

Qi,dh lưu lượng bình quân của thời khoảng i của phân phối dòng chảy năm điển hình;

Qi,p lưu lượng bình quân của thời khoảng i của phân phối dòng chảy năm thiết kế b) Phương pháp cùng tần suất

Phương pháp thu phóng theo nhiều tỷ số khống chế các thời khoảng trong năm cùng tần suất để tìm phân phối dòng chảy năm thiết kế

Yêu cầu lượng dòng chảy 3 tháng, 5 tháng và cả năm đều phù hợp với tần suất thiết kế p, khi đó tỷ lệ thu phóng của các thời khoảng là:

2 tháng trong 5 tháng nhỏ nhất: K (5−3) = W (5)p −W (3)p

(12)đh −W (5)đh (44) trong đó W(t) = Q(t)xt (45) với W là tổng lượng dòng chảy, K là hệ số thu phóng, t là thời khoảng tính

6.1.2.2 Đường duy trì lưu lượng bình quân ngày Đường duy trì lưu lượng bình quân ngày là đường cong quan hệ giữa hai đại lượng Ti và Qi Trong đó:

Qi là lưu lượng trung bình hàng ngày tương ứng với cấp i; Ti là thời gian mà lưu lượng duy trì lớn hơn hoặc bằng giá trị Qi của cấp đó, được tính bằng Ti = T(Q ≥ Qi).

Để phân tích chuỗi lưu lượng bình quân ngày, trước tiên cần thống kê giá trị nhỏ nhất (Qmin) và lớn nhất (Qmax) Tiếp theo, chọn các cấp lưu lượng Q1, Q2, , Qi, , Qm trong khoảng từ Qmin đến Qmax Sau đó, đếm số ngày có lưu lượng lớn hơn hoặc bằng mỗi giá trị Qi, từ đó xác định thời gian duy trì Ti cho từng cấp lưu lượng Cuối cùng, tính tỷ lệ % của Ti so với tổng số ngày trong chuỗi thống kê để xây dựng đường quan hệ giữa cấp lưu lượng Qi và tỷ lệ thời gian Ti tương ứng.

Tính toán dòng chảy năm thiết kế khi có ít số liệu đo đạc

6.2.1.1 B ổ sung, kéo dài chuỗi số liệu đo đạc bằng phương pháp phân tích tương quan hoặc bằng phương pháp mô hình toán rồi tính toán dòng chảy năm thiết kế tương tự trường hợp có đủ tài liệu

6.2.1.2 Kéo dài chu ỗi số liệu theo phương pháp trực tiếp

6.2.1.2.1 Phương pháp quan hệ tương quan

Phương pháp phân tích dòng chảy năm dựa trên ba yếu tố chính: thứ nhất, xác định mối quan hệ tương quan giữa lượng dòng chảy năm của lưu vực nghiên cứu và lưu vực tương tự, với hệ số tương quan tối thiểu là 0,8; thứ hai, phân tích mối liên hệ giữa lượng mưa bình quân năm và dòng chảy năm của lưu vực nghiên cứu; và thứ ba, sử dụng mối quan hệ giữa mực nước và lưu lượng Nếu lưu vực có dữ liệu mực nước đủ dài, có thể áp dụng mối quan hệ H-Q để kéo dài số liệu dòng chảy, tuy nhiên cần chú ý đến điều kiện mặt cắt và sai số có thể xảy ra, đặc biệt là khi khoảng thời gian tính toán xa thời điểm xây dựng đường H-Q Nếu mặt cắt thay đổi mạnh, nên sử dụng đường H-Q gần nhất; nếu ổn định lâu dài, có thể dùng đường H-Q trung bình.

Phương pháp mô hình toán thường được áp dụng trong nghiên cứu thủy văn, đặc biệt là mô hình mưa - dòng chảy Các thông số của mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên chuỗi số liệu quan trắc tại lưu vực nghiên cứu, với các tiêu chí đánh giá như hệ số Nash (Ef), hệ số tương quan R và hệ số sai số tổng lượng EV Sau khi xác định được bộ thông số phù hợp, chúng được sử dụng để khôi phục số liệu dòng chảy từ lượng mưa và bốc hơi trong giai đoạn không có số liệu thực đo Đối với các lưu vực lớn (trên 2000 km²), mô hình thủy văn phân bố hoặc bán phân bố là lựa chọn hợp lý để mô tả sự biến động của các đặc trưng khí tượng và thủy văn Khi áp dụng mô hình này, các hệ số đánh giá sự phù hợp giữa mô phỏng và thực đo có thể được tính toán độc lập tại từng trạm đo tương ứng với dữ liệu dòng chảy hiện có.

Hệ số sai số tổng lượng EV (%): 𝐸𝑉 = ∑ (𝑄 𝑡𝑑

𝑄 𝑡𝑑 𝑖 , 𝑄 𝑚𝑝 𝑖 lần lượt là lưu lượng dòng chảy thực đo và mô phỏng thời điểm i;

𝑄 𝑡𝑑 ̅̅̅̅̅, 𝑄̅̅̅̅̅̅ 𝑚𝑝 lần lượt là lưu lượng dòng chảy thực đo và mô phỏng trung bình liệt số liệu

Bảng 1 – Các chỉ số đánh giá chất lượng mô hình toán thủy văn

Khi chuỗi số liệu thực đo để đánh giá chất lượng mô phỏng có độ dài tối thiểu 20 năm, các số liệu về mưa và bốc hơi đại diện cho lưu vực cần đạt chỉ số đánh giá ở mức Tốt Trong trường hợp khác, mô hình mô phỏng có thể được sử dụng với chất lượng đánh giá Khá Mức độ Trung bình chỉ nên được xem như tài liệu tham khảo.

6.2.1.3 Kéo dài chu ỗi số liệu theo phương pháp gián tiếp

6.2.1.3.1 Xác định dòng chảy chuẩn a) Theo phương pháp lưu vực tương tự

Dựa trên chuỗi số liệu dòng chảy trong cùng giai đoạn giữa lưu vực nghiên cứu và lưu vực tương tự, giả thiết rằng hai chuỗi số liệu này có mối quan hệ tương quan bậc nhất Từ đó, chúng ta có thể xác định phương trình hồi quy tuyến tính với dạng cụ thể.

Q, M tương ứng là lưu lượng bình quân và mô đun dòng chảy năm của lưu vực nghiên cứu;

Trong nghiên cứu lưu vực, Qa và Ma đại diện cho lưu lượng bình quân và mô đun dòng chảy hàng năm của lưu vực tương tự Các hằng số k, km, b, và bm là các hệ số trong phương trình hồi quy tuyến tính, giúp mô tả mối quan hệ giữa lưu vực nghiên cứu và lưu vực tương tự.

Lưu vực tương tự có nhiều tài liệu thực đo nên xác định được các tham số thống kê Q0a, M0a, CVa và CSa

Sử dụng các phương trình (49), (50) để xác định các tham số Q0, M0 tại lưu vực nghiên cứu b) Theo quan hệ tương quan mưa – dòng chảy

Nếu mối quan hệ giữa lượng mưa hàng năm và lớp dòng chảy hàng năm là chặt chẽ, thì có thể thiết lập một mối quan hệ tương quan bậc nhất giữa chúng Phương trình tương quan sẽ có dạng cụ thể.

Y là lớp dòng chảy năm;

X là lượng mưa năm bình quân của lưu vực tính toán; a, b là các hằng số

Tài liệu lượng mưa năm đủ dài có thể xác định được chuẩn lượng mưa năm X0 từ đó tính được Y0 và các giá trị Q0, W0 và M0

6.2.1.2.2 Xác định hệ số phân tán C V a) Phương pháp Kritsky - Menken

Khi hệ số tương quan giữa lưu lượng hoặc mô đun dòng chảy năm của hai lưu vực đạt giá trị tương đối lớn (r ≥ 0,8), hệ số phân tán sẽ được tính theo công thức Kritsky–Menken.

Khoảng lệch quân phương của chuỗi lưu lượng bình quân năm của lưu vực tương tự được tính cho thời kỳ đo đạc song song (n năm) với lưu vực nghiên cứu là na Trong khi đó, khoảng lệch quân phương của chuỗi lưu lượng bình quân năm của lưu vực tương tự cho thời kỳ có tài liệu đo đạc dài hơn N năm (với N > n) là Na Hệ số tương quan giữa hai chuỗi này được ký hiệu là r.

Khoảng lệch quân phương của chuỗi lưu lượng bình quân năm trong lưu vực nghiên cứu được ký hiệu là σn, trong khi σN đại diện cho khoảng lệch quân phương của chuỗi lưu lượng bình quân năm tính cho thời kỳ N năm Hệ số phân tán CvN của chuỗi lưu lượng bình quân năm được kéo dài đến thời kỳ N năm, và Q0 là lưu lượng dòng chảy chuẩn Phương pháp này được phát triển bởi Viện thuỷ năng Matxcơva.

Công thức Viện tính toán thuỷ năng Matxcơva có dạng:

M0a và Cva tương ứng là chuẩn mô đun dòng chảy và hệ số phân tán của lưu vực tương tự;

M0 và Cv đại diện cho chuẩn mô đun dòng chảy và hệ số phân tán của lưu vực nghiên cứu; tgα là hệ số góc của đường hồi quy, trong đó trục hoành thể hiện mô đun dòng chảy của lưu vực tương tự.

6.2.1.2.3 Xác định hệ số thiên lệch C S

Hệ số thiên lệch CS được tính toán theo biểu thức CS = mxCV, trong đó m lấy theo lưu vực tương tự: m

Tính toán phân phối dòng chảy năm thiết kế

Khi thiếu tài liệu quan trắc về lưu lượng phân phối dòng chảy hàng năm, có thể xác định lưu lượng bằng cách áp dụng hình thức phân phối từ một lưu vực tương tự Các bước tính toán sẽ được thực hiện theo quy trình đã được xác định.

Bước 1: Chọn lưu vực tương tự;

Bước 2: Xác định phân phối dòng chảy năm thiết kế của lưu vực tương tự bằng một trong những phương pháp đã trình bày ở mục 6.1.2;

Bước 3: Tính tỷ số phân phối dòng chảy năm thiết kế của lưu vực tương tự i:

Với 𝑊 𝑖𝑝 𝑡𝑡 , 𝑊 𝑝 𝑡𝑡 tương ứng là tổng lượng dòng chảy tháng thứ i và dòng chảy năm thiết kế của lưu vực tương tự

Bước 4: Xác định phân phối dòng chảy năm thiết kế của lưu vực tính toán theo công thức:

Wi, WP tương ứng là tổng lượng dòng chảy tháng i và tổng lượng dòng chảy năm thiết kế của lưu vực cần tính toán

Trong trường hợp sử dụng mô hình toán thủy văn để kéo dài dữ liệu, có thể trực tiếp sử dụng chuỗi số liệu kéo dài này để lựa chọn mô hình phân phối dòng chảy, tương tự như khi có đủ tài liệu.

Tính toán dòng chảy năm thiết kế khi không có số liệu đo đạc

6.3 1.1 Xác định chuẩn dòng chảy năm

6.3.1.1.1 Phương pháp lưu vực tương tự a) Tính theo lượng mưa năm: lớp chuẩn dòng chảy Y0 được tính theo công thức:

Y0 = 0xX0 (57) trong đó: X0 là chuẩn lượng mưa của lưu vực nghiên cứu;

0 là chuẩn hệ số dòng chảy, lấy theo lưu vực tương tự: 0 = 0a; 0a là chuẩn hệ số dòng chảy của lưu vực tương tự:

Y0a và X0a đại diện cho chuẩn lớp dòng chảy và lượng mưa bình quân nhiều năm của lưu vực tương tự Để xác định chuẩn mô đun dòng chảy M0, chúng ta có thể mượn trị số chuẩn mô đun dòng chảy từ lưu vực tương tự.

M0 là chuẩn mô đun dòng chảy lưu vực nghiên cứu;

M0a là chuẩn mô dun dòng chảy lưu vực tương tự;

K là hệ số hiệu chỉnh

1) Nếu có sự khác biệt về lượng mưa trung bình nhiều năm X0 và lượng bốc hơi năm trung bình nhiều năm Z0 thì hệ số K có thể được hiệu chỉnh theo công thức:

X0 và Z0 là lượng mưa năm và bốc hơi năm trung bình nhiều năm của lưu vực nghiên cứu;

X0a và Z0a là lượng mưa năm và bốc hơi năm trung bình nhiều năm của lưu vực tương tự

2) Nếu lưu vực nghiên cứu và lưu vực tương tự trong cùng vùng khí hậu thì hệ số hiệu chỉnh được tính theo công thức:

F và Fa tương ứng là diện tích lưu vực nghiên cứu và lưu vực tương tự;

X0 và X0A đại diện cho chuẩn mưa năm của lưu vực nghiên cứu và lưu vực tương tự Để xác định bộ thông số của mô hình thuỷ văn, cần thực hiện các bước hiệu chỉnh và kiểm định tại lưu vực tương tự, kết hợp với các số liệu khí tượng thuỷ văn liên quan Sau khi hoàn tất việc xác định bộ thông số đạt yêu cầu, mô hình thuỷ văn sẽ được sử dụng để mô phỏng dòng chảy của lưu vực nghiên cứu dựa trên số liệu khí tượng tại khu vực này.

6.3.1.1.2 Phương pháp tổng hợp địa lý

Trong trường hợp lưu vực thiếu dữ liệu đo đạc dòng chảy, việc nghiên cứu sơ bộ hoặc lập quy hoạch có thể thực hiện bằng cách sử dụng bản đồ đẳng trị dòng chảy năm Bản đồ này thường được biểu thị thông qua trị số mô đun dòng chảy năm M0 (l/s/km²) hoặc trị số lớp dòng chảy năm Y0 (mm).

Khi tính toán dòng chảy năm thiết kế, vị trí lưu vực đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chuẩn dòng chảy Để xác định dòng chảy chuẩn, có thể sử dụng bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy, giúp người dùng dễ dàng nhận diện các khu vực có giá trị dòng chảy tương ứng.

M0 được lập sẵn, trong đó có các đường đẳng trị cắt ngang lưu vực nghiên cứu, giá trị mô đun dòng chảy chuẩn M0 xác định theo công thức sau:

Mi là mô đun chuẩn dòng chảy năm tại đường đẳng trị thứ i; fi là diện tích lưu vực giữa đường đẳng trị thứ i-1 và thứ i

1) Trường hợp lưu vực không có đường đẳng trị đi qua, có thể lấy mô đun dòng chảy chuẩn của lưu vực bằng giá trị nội suy giữa 2 đường đẳng trị gần nhất

2) Bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy tại Phụ lục B.1 được xây dựng từ các lưu vực có tài liệu thực đo dòng chảy, có diện tích lưu vực lớn (F>100 km 2 ) Do đó, khi sử dụng để xác định chuẩn dòng chảy năm của lưu vực có diện tích nhỏ hơn 100 km 2 cần phải sử dụng những bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy chi tiết hơn tại địa phương, hoặc sử dụng công thức hiệu chỉnh có dạng:

MoBd là trị số trực tiếp tính từ bản đồ đẳng trị M0; n là số mũ biến đổi trong phạm vi n = 0,2 ~ 0,25

3) Cũng có thể xác định M0 bằng các bản đồ phân vùng mô đun dòng chảy chuẩn M0, lưu vực thuộc vùng nào thì lấy theo vùng đó b) Công thức quan hệ giữa lớp dòng chảy năm Y0 (mm), mưa năm X0 (mm) trung bình nhiều năm theo vùng thuỷ văn, có dạng:

0 là các hệ số kinh nghiệm theo vùng (xem Phụ lục B.3)

X : Lượng mưa bình quân lưu vực trung bình nhiều năm (mm);

Y : Lớp dòng chảy năm trung bình nhiều năm (mm);

Z0: Khả năng bốc hơi lớn nhất của lưu vực (mm); n : Thông số phản ánh đặc điểm của địa hình

Các thông số của quan hệ giữa lượng mưa và dòng chảy năm theo công thức (65) được trình bày ở bảng phụ lục B.2

6.3 1.2 Xác định hệ số phân tán dòng chảy năm C V

Khi diện tích lưu vực F

Định dạng
Số trang	227
Dung lượng	9,24 MB