CHƯƠNG IV. LŨ LỤT VÀ DÒNG CHẢY LỚN NHẤT
VII. DÒNG CHẢY LỚN NHẤT
3. Sự hình thành dòng chảy lũ và công thức tính lưu lượng lũ lớn nhất
Khi ở một nơi nào đó trong lưu vực bắt đầu có mưa, nước mưa đọng trên lá cây, lấp các khe rỗng trên mặt đất và thấm ướt lớp đất mặt, lớp nước mưa ban đầu bị tổn thất hoàn toàn.
Nếu mưa vẫn tiếp tục với cường độ tăng dần và lớn hơn cường độ thấm thì trên mặt đất bắt đầu hình thành dòng chảy mặt.
Do mưa thay đổi theo không gian và thời gian nên có khi toàn bộ lưu vực hoặc
chỉ một phần diện tích của lưu vực sinh dòng chảy. Dòng chảy sinh ra trên các phần của lưu vực do tác dụng của trọng lực lập tức chảy theo sườn dốc, một phần tích lại ở các chỗ trũng, hang hốc, một phần tiếp tục chảy từ nơi cao tới nơi thấp.
Khi dòng chảy đổ vào sông, mực nước sông bắt đầu dâng cao, trong quá trình chảy trong sông nó không ngừng được bổ sung thêm nước do hai bên sườn dốc dọc sông đổ vào.
Quá trình chảy tụ về mặt cắt cửa ra dòng nước vẫn không ngừng bị tổn thất.
Trên thực tế, các quá trình đó xảy ra đồng thời và lẫn lộn với nhau không thể tách biệt được, nhưng trong tính toán lại phải chia ra để dễ dàng xử lý
A - cường độ mưa K - cường độ thấm
H - cường độ sinh dòng chảy
Hình 4.9 là sơ đồ khái quát quá trình mưa, quá trình thấm (lượng tổn thất chính trong dòng chảy lũ) và quá trình hình htành dòng chảy.
Lúc bắt đầu mưa, cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm (at < Kt), lượng mưa bị tổn thất hoàn toàn (H0).
Từ thời điểm t1, cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm, dòng chảy mặt hình thành. Cường độ mưa tăng lên, cường độ thấm giảm dần, lớp nước trên bề mặt mỗi lúc một dày thêm, cường độ sinh dòng tăng lên ht = at -Kt (còn gọi là cường độ cấp nước), lưu lượng ở mặt cắt cửa ra cũng dần dần tăng lên.
Hình 4.9
Quá trình mưa đạt tới cường độ lớn nhất sau đó giảm dần, quá trình cấp nước kéo dài đến thời điểm t2 khi at = Kt, lúc đó do lớp nước mặt trên mặt lưu vực đạt lớn nhất sau đó giảm dần, quá trình cấp nước kéo dài đến thời điểm t2 khi at = Kt, lúc đó lớp nước mặt trên mặt lưu vực đạt lớn nhất.
Thời gian từ t1 đến t2 gọi là thời gian cấp nước Tcn và t dt
K t
t t t
t dt ht
YTcn ( )
2
1 2
1
−
=
= ∫ ∫ a (4.18)
YTCN được gọi là lớp nước cấp.
Khi t > t2 cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm (at < Kt), tuy quá trình cấp nước đã kết thúc nhưng dòng chảy trên sườn dốc giảm dần vẫn cung cấp nước cho sông tới khi hết, quá trình lũ được duy trì một thời gian nữa bằng thời gian chảy tụ trên lưu vực t.
Vì trong giai đoạn nước rút vẫn còn tổn thất nên lớp cấp nước thường lớn hơn lớp dòng chảy trận lũ y (YTcn > y), nhưng khi tính toán, để đơn giản, người ta vẫn cho chuùng baèng nhau.
VIII. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG LŨ TỪ TÀI LIỆU MƯA RÀO Hiện nay trên thế giới cũng như nước ta sử dụng rất nhiều công thức dùng để tính Qmax từ mưa rào.
Qua thực tế áp dụng chúng tôi chỉ giới thiệu một số công thức được sử dụng nhiều nhất và thiên về an toàn nhất ở Việt Nam để chúng ta tham khảo.
1. Công thức Xôkôlôpxki
0, 28 ( T o)
mp ng
L
H H
Q f F Q
t
∝ −
= × + (4.19)
Ở đây: Qmp: lưu lượng lũ ứng với tần suất thiết kế (P%) α: hệ số dòng chảy trận lũ
HT: lượng mưa lớn nhất trong thời đoạn tính toán T HT = aT × T
Trong đó: at: cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời đoạn T
at có thể xác định theo một trong các công thức đã giới thiệu trước đây hoặc có thể tính theo công thức của Xôkôlôpxki như sau:
3 T 2
T a = S
Ở đây: T: thời đoạn tính toán
S: là sức mưa, tính theo lượng mưa lớn nhất Hnp. (khi T =1.0)
3 1
24 1 1, Hnp S=
Ở đây:
tL = T
Thời gian tập trung nước được xem như thời gian lũ lên. Ở nước ta mưa rào lớn và kéo dài cho nên thời gian mưa khi tính thường lấy T= τ
Hnp: lượng mưa ngày lớn nhất F: hệ số hình dạng lũ
W t Q f 3600 × L
=
V 6 , 3 tL = L
Ở đây: L: chiều dài sông chính (Km)
V: tốc độ tập trung nước trung bình trong lòng sông chính V = 0,70Vmax
Vmax: tốc độ trung bình lớn nhất của mặt cắt đo đạc tại khu vực nghiên cứu
W: tổng lượng lũ
H0: lượng tổn thất ban đầu (mm) F: diện tích lưu vực (km2)
Qng: lưu lượng cơ bản trong sông trước khi có lũ
(Ở nước ta, khi nghiên cứu những lưu vực nhỏ, do lưu lượng đỉnh lũ lớn gấp nhiều lần so với lưu lượng cơ bản nên thường coi Qng = 0)
Bảng xác định giá trị ∝(H - Ho) và ∝max theo kiến nghị của Cục Thủy văn (thuộc Tổng cục KTTV)
Bảng 4.10
Khu vực H = a(H-H0) amax
Khu vực H = a(H-H0) amax
Lưu vực sông Nậm Rốm, thượng nguồn sông Mã Lưu vực sông Đà, hữu ngạn sông Thao
Lưu vực thượng nguồn sông chảy, sông Lô
Lưu vực sông Gâm, hạ lưu sông Lô, sông Chảy, s. Phó Đáy Lưu vực sông Cầu, sông Bằng, sông Bắc, sông Thượng Lưu vực sông Kỳ Cùng, sông Lục Nam
Lưu vực các sông ven biển đông Bắc Quảng Ninh Lưu vực các sông từ sông Chu tới sông Bến Hải
h = 0,65(H-20) h = 0,91(H-22) h = 0,82(H-20) h = 0,66(H_26) h = 0,77(H-22) h = 0,86(H-19) h = 8,89(H-15) h = 0,92(H-21)
0,50 - 0,60 0,70 - 0,85 0,65 - 0,75 0,50 - 0,60 0,60 - 0,70 0,70 - 0,80 0,75 - 0,85 0,75 - 0,85
2. Công thức Alecxâyep
F H qF
Qmp = =16.67∝ npΨT (4.20)
Ở đây: Qmp: Lưu lượng lũ lớn nhất ứng với tần suất thiết kế P%
q: môđun lưu lượng lớn nhất ứng với tần suất P% (m3/Skm2) F: diện tích lưu vực (km2)
∝: hệ số dòng chảy lũ
Hnp: lượng mưa ngày lớn nhất ứng với P% (mm) ΨT : tung độ của đường cong triết giảm mưa
Trong tính toán thường dùng dạng biến đổi đơn giản như sau:
Nếu gọi: q
S H
∝ P
= 100 là môđun lưu lượng phụ H F
FP P
100
=∝ là diện tích phụ
U = 4
1 3 P 1
F
mJ là tốc độ tập trung nước phụ
Ở đây hệ số tập trung nước m ≅ 0,15, còn J là độ dốc lòng sông tính bằng % U )
KL 67 , E 16
( = là thời gian tập trung nước phụ Trong đó K thường lấy K ≅ 2, sau khi biến đổi ta có: E=T4 S T- thời gian mưa tính toán
Cuối cùng ta viết được: S = 16, 67ΨT
Với tần suất đã biết P%, giảù thiết nhiều giá trị T khác nhau sẽ cho ta các giá
trị ΨT tương ứng, từ đó tính được giá trị S và các giá trị E và xây dựng quan hệ S = f(E).
Trong tính toán cụ thể có thể tham khảo biểu đồ S~E do Tổng cục KTTV Việt Nam xây dựng để tính Qmax (do Nhà xuất bản Nông thôn xuất bản 1974)
Cuối cùng ta có:
Q = S × FP
(4.21)
Ví dụ 4.6: Tại một địa điểm có diện tích lưu vực F = 36,1 km2 của suối Hành, cách thị trấn Cam Ranh độ 7km về phía tây. Độ dốc lòng sông J = 103‰
Chiều dài sông chính L = 8,5 km Hệ số dòng chảy lũ ∝ = 0,85
Để phục vụ cho việc xây dựng hồ chứa nước suối Hành tỉnh Khánh Hòa nhằm lấy nước tưới cho 700ha và vùng hạ lưu suối Hành, theo yêu cầu thiết kế, cần xác định lưu lượng lũ lớn nhất ứng với các tần suất mưa ngày lớn nhất từ 1÷5% đã cho trong bản.
Giải:
I -Tính Qmax theo Alecxaâyep 1. Xác định diện tích phụ:
P P P
P H 0,317H
100 1 , 36 85 , F 0 100
F H × × =
=
∝ ×
=
2. Xác định tốc độ tập trung nước phụ U:
(với m = 0,15) (J = 103‰, U = 4
1 4 P
3 P 1
F 702 , 0 F
mJ =
1
3. Xác định thời gian tập trung nước phụ E U
KL 67 ,
E=16 (với L = 8,5 km)
Ở đây K = 2 là hệ số kinh nghiệm-biểu thị mối quan hệ giữa thời gian tập trung nước trên lưu vực T và thời gian tập trung nước trong lòng sông
U 2 , 282 U
5 , 8 2 67 ,
E 16 × × =
=
4. Xác định môđun lưu lượng phụ S dựa vào quan hệ E~S tra ra S 5. Tính Qmax = FP × S (như biểu dưới đây)
Kết quả tính Qmax cho công trình suối Hành theo Alecxâyep Bảng 4.11
P% Hmax FP FP1/4 U E S Qmax
1 1,5 2,0 5,0
330 310,6 295,0 253,6
104,6 98,3 90,6 800,4
3,20 3,15 3,08 2,99
2,25 2,21 2,16 2,10
125,4 127,7 130,6 134,4
6,5 6,6 6,6 6,8
680,0 648,8 598,0 546,7 II. Tính Qmax theo Xoâkoâloâpxki
L ng 0
max T f Q
t
F ) H H ( 288 ,
Q 0 − ∝× × +
=
Ví dụ 4.7: Khu vực sông Âm thuộc lưu vực Long Chánh có diện tích F = 330km2, độ dốc lòng sông chính L = 50 km. Độ dốc lòng sông I = 14,4 %.
Lượng mưa ngày lớn nhất trung bình trên lưu vực của trận lũ 11-1966 ứng với P = 2% là HngP% = 300mm (lượng mưa lớn nhất trong thời gian tính toán T). Yêu cầu tính Q2% theo công thức trên.
Giải:
Tính HT = 114mm/h
24 300 1 , 1 24
H 1 , ST 1
3 1 3
1 3 np
1
× =
=
=
Tính T = tL
Mà T = 4,59h
5 , 4 70 , 0
50 28 , 0 V
7 , 0
L 28 , 0
max
× =
= ×
(Qua điều tra xác định được Vmax = 4,5m/giây) Tính HT = S × 3
1
T = 114 × 3
1
) 59 , 4
( = 190mm
Theo kết quả nghiên cứu của Tổng cục KTTV thì dòng chảy lũ ∝ = 0.92 Theo hình dạng lũ f = 0,85
Tổn thất ban đầu H0 = 21 Vậy Qmax=
59 , 4
85 , 0 330 ) 21 190 ( 92 , 0 28 ,
0 × − × × = 2660m3/s
Ví dụ 4.7: Tài liệu đã cho ở khu vực suối Hành (ví dụ 4.6) Giải:
Tính HT. Lớp nước mưa tính toán trong T giờ HT = It × T Neáu τ = t >T thì It = 0,34( )
t H
6 , 0P
Neáu τ = t < T thì It = 0,34( ) ) T t (
H
3 , 0 P
×
Ở đây: I có quan hệ với độ lặp lại N; ứng với mỗi giá trị của N ta tra được T (theo khu vực 4)
F: hệ số hình dạng lũ lấy trung bình f = 0,90
TL: thời gian lũ lên bằng thời gian mưa có hiệu quả T TL = T =
V∗
6 , 3
L mà V
* =0,70 Vmax
Vmax = 2,50m/sec Tìm được: tL =1,35 giờ = T
Bởi vì tL = τ < T nên công thức tính It sẽ có dạng It = 0,34 P0,3 ) T t (
H
×
Nhóm hạng số α(H - H0) thay đổi theo từng vùng-đối chiếu với kết quả nghiên cứu của Tổng cục KTTV ta có: α (H - H0) = 0,92(H - 21)
Từ đó Qmax = [ ]
35 , 1
1 , 36 9 , 0 ) H H ( 92 , 0 28 ,
0 − 0 ×
Hoặc Qmax = 6,21(H - 21)
Kết quả tính Qmax theo các tần suất mưa như sau:
P% HP Qmax
1 1,5 2,0 5,0
330,0 310,6 295,0 253,6
496,8 463,9 441,5 393,7
Ngoài những công thức vừa sử dụng làm ví dụ trên đây, ở Việt Nam ta còn dùng các công thức khác để tính Qmax như công thức của Viện Nghiên cứu Khoa học Thủy lợi Bắc Kinh TQ.
Công thức của Cục Thủy văn thuộc Tổng cục Khí tượng thủy văn chúng ta có thể tham khảo trong những giáo trình khác.