Chương 7. DÒNG CHẢY LỚN NHẤT
7.4. MƯA RÀO VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
Mưa rào là loại mưa có cường độ lớn, tập trung trong thời gian ngắn trên diện tích không lớn lắm.
Mưa rào - mưa dầm có thời gian mưa rất dài, cường độ mưa trung bình tương đối lớn, diện tích mưa cũng khá rộng, có lúc cường độ rất lớn, dễ gây ra những trận lũ nguy hại.
Đặc điểm của mưa rào là cường độ mưa thay đổi đột ngột theo thời gian. Giai đoạn đầu của mưa rào, cường độ mưa không lớn, phần nhiều làm ướt mặt đất và cây cối mà không sinh ra dòng chảy. Giai đoạn cuối của mưa rào, cường độ mưa cũng không lớn, chỉ làm kéo dài thời gian rút nước lũ mà không tham gia vào việc tạo nên đỉnh lũ. Thời gian có cường độ mưa lớn so với toàn bộ trận mưa không dài song có tác dụng quyết định trong việc hình thành con lũ, lượng mưa trong thời gian này thường chiếm 80÷ 90% lượng mưa toàn trận.
Như ta đã biết cường độ mưa rào thay đổi theo thời gian, do đó tiêu chuẩn định lượng mưa rào cũng khác nhau, tuỳ theo thời gian kéo dài mưa.
7.4.2. Công thức triết giảm cường độ mưa
Cường độ mưa là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian đo bằng mm/ph hoặc mm/h. Trong tính toán thiết kế cần phân biệt cường độ mưa tức thời và cường độ mưa trung bình lớn nhất trong các thời khoảng khác nhau.
Nếu gọi HT là lượng mưa trong khoảng thời gian T thì cường độ mưa trung bình trong khoảng thời gian đó bằng:
) /
; /
(mm phmm h
T
aT=HT (7.12) Còn cường độ mưa tức thời là:
t
a Ht
t t Δ
= Δ
→
Δlim0 (7.13) trong đó ΔHt là lượng mưa trong khoảng thời gian Δt.
Cường độ mưa tức thời thay đổi liên tục trong suốt quá trình mưa. Thời gian có cường độ mưa lớn có tác dụng quyết định trong việc hình thành đỉnh lũ, do đó người ta thường quan tâm đến cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời khoảng T, để đơn giản ta còn gọi là cường độ mưa trung bình lớn nhất (aT), trị số trung bình lớn nhất đó nằm bao đỉnh mưa (hình7.3).
Cường độ mưa thiết kế là chỉ cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời khoảng chảy tụ τ của lưu vực ứng với tần suất thiết kế (aτp).
1. Công thức triết giảm cường độ mưa
Từ hình (7.3) ta thấy cường độ mưa trung bình lớn nhất giảm dần khi T tăng lên, do đó quy luật triết giảm cường độ mưa theo thời khoảng, đường cong biểu diễn aT giảm dần theo T gọi là đường cong triết
a (mm/ph) a max
at2 at1
at1 t2 t1
t T1
Hình 7.3. Quá trình thay đổi cường độ mưa và cường độ trung bình lớn nhất
88
giảm mưa. Quy luật này lần đầu tiên được E.I.Bécgơ và M.M. Prôtôđiakônốp khảo sát trên cơ sở phân tích các bảng mưa tự ghi của phần lãnh thổ thuộc châu Âu ở Liên Xô. Công thức đầu tiên mô tả quy luật triết giảm cường độ mưa theo thời khoảng có dạng:
Tn
aΤ= S (7.14) trong đó:
n- chỉ số triết giảm cường độ mưa
S- sức mưa, bằng cường độ mưa lớn nhất (khi T = 1).
Các công thức mô tả quy luật triết giảm cường độ mưa theo thời khoảng hiện nay có rất nhiều, thường được biểu diễn dưới dạng tương tự như (7.14)
( )n
T T
a S +1
= hoặc
( )n
T T c
a S
= + (7.15)1 T n
T C a S
= + (7.15)2
CT aT S
= +
1 . (7.15)3 Sức mưa S và chỉ số triết giảm n được xác định ngược lại từ công thức trên theo kết quả đo đạc của máy đo mưa tự ghi. Thí dụ như công thức (7.14):
lgSP = lgaTP+ nlgT (7.16) trong đó aTP là cường độ mưa trung bình lớn nhất ứng với tần suất P.
Dựa vào kết quả đó người ta tiến hành phân vùng và sử dụng trong trường hợp thiếu tài liệu. Trên cơ sở phân tích tài liệu mưa tự ghi của Liên Xô với giả thiết cường độ mưa trung bình lớn nhất tuân theo quy luật phân bố Guđrích, Viện thủy văn Liên Xô cho rằng sức mưa là hàm tuyến tính của lgN (N -thời kỳ xuất hiện lại)
SP = A + BlgN. (7.17) Các thông số A, B được tác giả phân vùng sẵn để sử dụng.
Các công thức trên n được coi là không đổi theo T, thực ra điều kiện này không đúng. Qua phân tích tài liệu thực tế ta thấy quan hệ (7.16), điểm T0 gọi là điểm chuyển tiếp. (Theo kết quả nghiên cứu của Cục Thủy văn được Bộ Thủy lợi duyệt cho sử dụng trong thiết kế các công trình loại nhỏ có diện tích lưu vực <
100km2).
Ngoài ra Viện thiết kế Giao thông đề nghị dùng một công thức chung cho cả miền Bắc, có hiệu chỉnh cho từng vùng.
(T ) K
a N
Tp 120,66 lg 5 , 12 10
+
= + (7.18)
trong đó:
K- hệ số hiệu chỉnh
140 K = M ; N- thời kỳ xuất hiện lại T- tính bằng phút
M- lượng mưa ngày lớn nhất trung bình
2. Đường cong triết giảm mưa Ψ( )τ của Alexâyev.
Dựa vào tài liệu mưa tự ghi người ta xây dựng quan hệ giữa lượng mưa lớn nhất thời khoảng HTP của lượng mưa ngày lớn nhất (ứng với tần suất p) qua hàm ψ(τ) như sau:
p p
n t
p H
= H (τ)
ψ . (7.19) Sau khi xây dựng được hàm ψ(τ) ta dễ dàng tính được lượng mưa lớn nhất thời khoảng (ứng với tần suất p) từ tài liệu mưa ngày.
p
p n
t H
H =ψ(τ). (7.20) Cường độ mưa trung bình lớn nhất của thời khoảng ứng với tần suất p được xác định bằng cách chia tung độ ψ(τ) cho thời khoảng T
( )
p
p n
t H
T
a = Ψpτ . (7.21) Đặt ( ) ( )
T ΨTpτ
=
Ψ ta có:
( ) p
p n
t p H
a =Ψ τ. . (7.22) Suy ra:
( )
p p
n t
p H
= a
Ψ τ . (7.23) Quan hệ Ψ( )τ ~ T thể hiện sự triết giảm
p p
n t
H
a theo T. Người ta đã xây dựng đường cong triết giảm
( )τ
Ψ cho các khu vực địa lý khác nhau và phát hiện hai đặc điểm quan trọng sau đây:
Quan hệ Ψ( )τ ~ T phụ thuộc ít vào tần suất P, có nơi chúng nhập vào nhau, nhất là trong phạm vi tần suất nhỏ.
Trong một khu vực lớn hình dạng Ψp(T) ~ T khá ổn định. Do hai đặc điểm trên và cường độ mưa trung bình lớn nhất thời khoảng atp dễ dàng xác định được từ tài liệu mưa ngày (khi đã có quan hệ
) (T
Ψp ~T, mặt khác nó khắc phục được nhược điểm của công thức dạng (7.14)(7.15) coi trị số triết giảm n không đổi theo T nên hiện nay đường cong triết giảm mưa Alecxâyev ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong tính toán thiết kế.
Đối với các tỉnh phía Bắc, Bộ môn Thủy văn công trình trường Đại học Thủy lợi đã xây dựng quan hệ Ψ(τ)~ T và Ψ( )τ ~ T trong quy phạm tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế (Bộ Thủy lợi).