Tiến Sĩ Nghiên cứu xác định một số tham số về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2014

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN. ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG. xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. xiii
PHẦN MỞ ĐẦU. 1
1. Giới thiệu tóm tắt luận án 1
2. Lý do chọn đề tài 1
3. Mục đích nghiên cứu 3
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3
6. Những đóng góp mới của luận án 5
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. 6
1.1. Các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài nước 6
1.1.1. Sự hình thành dòng chảy lũ do mưa trên lưu vực 6
1.1.2. Các công thức tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường 7
1.1.2.1. Những cơ sở của lý thuyết tập trung nước từ lưu vực 7
1.1.2.2. Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở một số nước trên thế giới 10
1.1.2.3. Các công thức xác định lưu lượng thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam. 12
+ Công thức theo TCVN9845:2013 Tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ 12
+ Công thức cường độ giới hạn của Đại học Xây Dựng Hà Nội 13
+ Công thức cường độ giới hạn sử dùng trong tính toán thoát nước đô thị theo tiêu chuẩn TCVN 7957:2008 14
1.1.2.4. Công thức Sôkôlôpsky 15
1.1.2.5. Xác định lưu lượng theo phương trình cân bằng lượng nước 15
1.1.2.6. Nhận xét về các công thức tính lưu lượng thiết kế 17
1.1.3. Vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường 17
1.1.3.1. Lượng mưa ngày tính toán Hn,p 18
1.1.3.2. Hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và phân vùng mưa 18
1.1.3.3. Xác định cường độ mưa tính toán aT,p 19
1.1.4. Nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính toán lưu lượng lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường 24
1.1.4.1. Khái quát chung về các nhân tố ảnh hưởng 24
1.1.4.2. Ảnh hưởng của nhân tố mưa 25
1.1.4.3. Ảnh hưởng của các yếu tố mặt đệm 26
1.1.4.4. Ảnh hưởng của giá trị tần suất thiết kế tới trị số lưu lượng lũ tính toán 27
1.1.4.5. Tính chất ảnh hưởng tổng hợp của thông số cường độ mưa tính toán trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường 27
1.2. Những vấn đề còn tồn tại luận án tập trung giải quyết 28
1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài 29
1.4. Phương pháp nghiên cứu 30
1.5. Nhận xét, kết luận chương 1 30

Chương 2: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG. 32
2.1. Khái quát về điều kiện khí hậu Việt Nam 32
2.2. Giới thiệu về mạng lưới các trạm khí tượng và nguồn số liệu đo mưa ở nước ta 36
2.3. Nghiên cứu đặc điểm biến đổi của mưa chịu tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu và ảnh hưởng của nó đến tính toán lưu lượng đỉnh lũ thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. 38
2.3.1. Đặt vấn đề 38
2.3.2. Nội dung nghiên cứu 39
2.3.2.1. Mùa mưa, mùa khô 39
2.3.2.2. Tháng mưa nhiều ngày, ít ngày 40
2.3.2.3. Xu hướng và mức độ biến thiên lượng mưa năm và số ngày mưa trong năm 41
2.3.2.4. Xu hướng và mức độ biến thiên của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày max và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm 44
2.3.2.5. Giá trị trung bình trong nhiều nămX và hệ số Cv, Cs của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày max và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aT max 54
2.3.2.6. Chu kỳ biến đổi lớn - nhỏ - trung bình của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày max và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aT max 58
2.3.2.7. Tương quan biến đổi về giá trị và thời điểm xuất hiện cùng nhau của lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày max và cường độ mưa thời đoạn tính toán lớn nhất năm aT max 62
2.4. Nhận xét, kết luận chương 2 67

Chương 3: XÁC ĐỊNH LƯỢNG MƯA NGÀY TÍNH TOÁN VÀ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH DẠNG CƠN MƯA. 70
3.1. Xác định lượng mưa ngày tính toán theo tần suất thiết kế 70
3.1.1. Đặt vấn đề 70
3.1.2. Xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p 70
3.1.2.1. Vấn đề lấy mẫu thống kê 71
3.1.2.2. Kiểm định mẫu thống kê lượng mưa ngày lớn nhất năm Hngày max 71
3.1.2.3. Tìm giá trị lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p 74
3.1.2.4. Xử lý khi gặp những trận mưa đặc biệt lớn 75
3.1.2.5. Kiểm định sự phù hợp của đường tần suất lý luận Hn,p với tài liệu thực đo 78
3.1.3. Kết quả xác định lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p ở 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với chuỗi số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 79
3.1.4. So sánh lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất thiết kế p tính từ năm 1960 tới năm 2010 so với Hn,p tính tới năm 1987. Nhận xét và kiến nghị 79
3.2. Nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T và đề xuất tiêu chí phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường 80
3.2.1. Khái niệm và đặc tính của hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 80
3.2.2. Mục đích, ý nghĩa của việc nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T 82
3.2.3. Phương pháp xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T theo T trong một vùng mưa 83
3.2.3.1. Phương pháp xây dựng 83
3.2.3.2. Kết quả xây dựng hàm hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T  T cho 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu với chuỗi số liệu đo mưa thực tế từ năm 1960 - 2010 84
3.2.3.3. Đánh giá sai số của hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T trong một vùng mưa với các giá trị hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T,pi ở các tần suất pi khác nhau. Nhận xét và kiến nghị 85
3.2.4. Đề xuất tiêu chí, phương pháp phân vùng mưa phù hợp đối với yêu cầu tính toán lưu lượng lũ lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ trên đường 86
3.3. Nhận xét, kết luận chương 3 91

Chương 4: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THAM SỐ CƯỜNG ĐỘ MƯA TRONG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NHỎ TRÊN ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM. 93
4.1. Khái niệm về cường độ mưa 93
4.1.1. Khái niệm 93
4.1.2. Cường độ mưa tức thời at 93
4.1.3. Cường độ mưa trung bình lớn nhất trong thời khoảng tính toán, aT 93
4.2. Các giả thiết khi xác định cường độ mưa tính toán aT của thời đoạn T 95
4.3. Các phương pháp xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất thiết kế p 95
4.4. Phương pháp trực tiếp xác định cường độ mưa tính toán aT,p ở thời đoạn T và tần suất p 96
4.4.1. Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượng là liên tục 97
4.4.2. Trường hợp chuỗi số liệu đo mưa tự ghi thực tế ở các trạm khí tượngbị gián đoạn một hoặc một vài năm quan trắc 98
4.4.3. Kết quả xây dựng đường cong a - T - p (cường độ mưa - thời gian - tần suất) bằng phương pháp trực tiếp ở 12 trạm khí tượng nghiên cứu với chuỗi số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960 - 2010. Nhận xét và kiến nghị
4.5. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p dựa vào lượng mưa ngày tính toán Hn,p và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa T 100
4.5.1. Điều kiện áp dụng 100
4.5.2. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo lượng mưa ngày tính toán và hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa 100
4.5.3. Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị 100
4.6. Nghiên cứu xây dựng công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p theo đặc trưng sức mưa và hệ số hình dạng cơn mưa 101

4.6.1. Điều kiện áp dung 101
4.6.2. Phân tích chọn dạng công thức thực nghiệm và phương pháp hồi quy xác định giá trị các hệ số trong công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p 101
4.6.3. Xác định hệ số hình dạng cơn mưa m cho từng vùng mưa 103
4.6.4. Xác định sức mưa Sp ở tần suất p 106
4.6.5. Xác định hệ số vùng khí hậu A, B cho từng vùng mưa 108
4.6.6. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo sức mưa Sp và hệ số hình dạng cơn mưa m. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 111
4.6.7. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo hệ số vùng khí hậu A, B và hệ số hình dạng cơn mưa m. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 111
4.7. Khảo sát quan hệ giữa sức mưa Sp theo tần suất và lượng mưa ngày tính toán Hn,p theo tần suất trong cùng vùng mưa 112
4.7.1. Đặt vấn đề 112
4.7.2. Xác định hệ số hồi quy  của vùng mưa 113
4.7.3. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo hệ số hồi quy của vùng khí hậu , hệ số hình dạng cơn mưa m và lượng mưa ngày tính toán Hn,p. Đánh giá mức độ sai số, nhận xét và kiến nghị 115
4.8. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p theo cường độ mưa chuẩn aTo,p 115
4.8.1. Đặt vấn đề 115
4.8.2. Công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p theo cường độ mưa chuẩn aT0,p 116
4.8.3. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 117
4.9. Nghiên cứu xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng phương pháp sử dụng trạm tựa 117
4.9.1. Cơ sở của phương pháp 117
4.9.2. Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội suy theo lượng mưa ngày tính toán Hn,p 118
4.9.3. Công thức xác định cường độ mưa tính toán aT,p bằng trạm tựa nội suy theo đặc trưng sức mưa Sp 119
4.9.4. Điều kiện áp dụng 120
4.9.5. Đánh giá sai số, nhận xét và kiến nghị 120
4.10. Phương pháp, nội dung và kết quả đánh giá sai số của các công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p 121
4.10.1. Phương pháp, nội dung đánh giá sai số của các công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p 121
4.10.2. Kết quả đánh giá và so sánh mức độ sai số của các công thức tính cường độ mưa tính toán aT,p trong cùng một vùng mưa và giữa các vùng mưa khác nhau. 122
4.11. Nhận xét, kết luận chương 4 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 128
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN. 133
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 134

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu tóm tắt luận án.
- Mạng lưới giao thông ngày càng mở rộng, đặc biệt là vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa; khu dân cư, khu đô thị phát triển với tốc độ nhanh; khu công nghiệp ngày một gia tăng. Chúng đòi hỏi có công thức tính toán lưu lượng lũ thiết kế cho lưu vực nhỏ của công trình thoát nước nhỏ đơn giản, dễ tính toán và có độ chính xác chấp nhận được. Cùng với nhiều công trình nghiên cứu khác, công trình nghiên cứu trong luận án góp phần tiếp tục hoàn thiện công thức tính lưu lượng đỉnh lũ thiết kế đối với lưu vực nhỏ, cụ thể là vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng đỉnh
lũ thiết kế cho công trình thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay.
- Nội dung luận án gồm có 4 chương; phần mở đầu; kết luận và kiến nghị; ngoài ra còn có 1 quyển phụ lục đóng riêng.
+/ Phần mở đầu.
+/ Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
+/ Chương 2: Nghiên cứu đặc điểm mưa chịu tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường.
+/ Chương 3: Xác định lượng mưa ngày tính toán và nghiên cứu xác định hệ số đặc trưng hình dạng cơn mưa.
+/ Chương 4: Nghiên cứu xác định tham số cường độ mưa trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường ở Việt Nam.
+/ Kết luận và kiến nghị.
+/ Quyền Phụ lục luận án: được đóng riêng, trong đó là các đồ thị, bảng tra kết quả tính các thông số về mưa như Hn,p , đường cong a - T - p lập bằng phương pháp tính trực tiếp, các giá trị T, Sp, m, A, B,  tại 12 trạm khí tượng chọn nghiên cứu lập với số liệu đo mưa thực tế thu thập từ năm 1960 - 2010; và các nội dung khác.
2. Lý do chọn đề tài.
- Các công trình thoát nước nhỏ trên đường thường chiếm một tỷ trọng khiêm tốn trong tổng giá thành xây dựng một con đường. Mặc dù chiếm tỷ trọng không lớn hơn so với các hạng mục khác như nền, mặt đường, . nhưng khả năng hoạt động tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ lại ảnh hưởng rất lớn tới độ bền vững, chi phí khai thác và hiệu quả sử dụng của con đường, ví dụ: xói lở ở hạ lưu gây hư hỏng công trình cống thoát nước ngang đường khi gặp mưa lũ lớn kéo theo hư hỏng một đoạn nền, mặt đường, gây đình trệ giao thông, làm phát sinh lớn chi phí duy tu, sửa chữa công
trình. Đồng thời, ở một mức độ nào đó, khả năng tiêu thoát lũ của công trình thoát nước nhỏ trên đường còn ảnh hưởng tới môi trường sản xuất, sinh hoạt của cư dân trong vùng có công trình, như: hiện tượng tích nước ở thượng lưu làm ngập úng ruộng đồng, làng mạc ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp thường hay xảy ra ở miền Trung hiện nay sau khi xây dựng xong các con đường; hiện tượng ngập úng đường phố sau các cơn mưa lớn ở một số đô thị của nước ta hiện nay gây khó khăn, xáo trộn sinh hoạt và sản xuất, Tất cả những vấn đề trên đều liên quan đến khâu thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, trong đó có việc tính toán xác định lưu lượng thiết kế Qp.
- Trong những năm gần đây, hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng diễn ra rất mạnh mẽ trên toàn cầu. Đây là hiện tượng đã được các nhà khoa học xác định là có thực và theo đánh giá thì Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng này. Dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan gia tăng, ảnh hưởng đến chế độ mưa ở nước ta. Do vậy ảnh hưởng đến các thông số về mưa sử dụng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường, làm cho việc sử dụng các thành quả nghiên cứu các dữ liệu về mưa trước đây trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trở nên giảm độ tin cậy.
- Thực tiễn hiện nay ở nước ta cho thấy, các hiện tượng bất lợi như trên đối với công trình thoát nước nhỏ trên đường ngày một gia tăng. Có những tuyến đường xuất hiện các hư hỏng tại các công trình thoát nước nhỏ trên đường do mưa lũ ngay sau khi hoặc chỉ sau một vài năm đưa vào sử dụng. Thực tế trên đường Hồ Chí Minh do khẩu độ cầu, cống tính toán không đủ tiêu thoát đã tạo ra những trận lũ quét dữ dội ‘‘thế năng biến thành động năng’’, ví dụ trận lũ quét lịch sử tại Sơn Diệm năm 2002. Rõ ràng, còn có vấn đề tồn tại trong việc tính toán xác định lưu lượng thiết kế công trình
thoát nước nhỏ trên đường ở nước ta hiện nay. Nổi lên là vấn đề xác định các tham số về mưa trong các công thức tính lưu lượng thiết kế.
- Từ những đòi hỏi cấp thiết như trên, luận án “Nghiên cứu xác định một số tham số về mưa góp phần hoàn thiện công thức tính lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam’’ được chọn nghiên cứu.
3. Mục đích nghiên cứu.
- Luận án chỉ tập trung nghiên cứu và giải quyết thông số về mưa (lượng mưa, cường độ mưa, phân vùng mưa và các đặc trưng khác về mưa) dùng trong tính toán lưu lượng thiết kế công trình thoát nước nhỏ trên đường. Đây là thông số quyết định, quan trọng nhất, bất định nhất trong tính toán lưu lượng thiết kế Qp và hoàn toàn phụ thuộc vào đặc trưng khí hậu của riêng Việt Nam.
- Các thông số khác về điều kiện mặt đệm như đặc trưng về địa hình, địa mạo, địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật, thấm, tổn thất, . được xác định bằng các số liệu khảo sát đo đạc của lưu vực khi thiết kế (có thể xem cách xác định các thông số này như trong phụ lục 9 quyển phụ lục luận án). Thông số thời gian tập trung nước  của lưu vực được xác định bằng cách giải phương trình động lực học dòng chảy, các công thức nửa lý thuyết hay các công thức thực nghiệm. Đã có nhiều kết quả nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước về các thông số này thu được kết quả khích lệ khi
áp dụng ở Việt Nam cho lưu vực nhỏ, như trong [1], [10], [12], [13], [15], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [31], [32], [33], [34], [35], [37], [38], [39], [40], [42], [44], [47], [48], [49], [50], [51], [53], [54], [55], [56],
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu: công trình thoát nước nhỏ (cầu nhỏ, cống, rãnh thoát nước mặt) trên đường bộ, đường sắt, đường đô thị, sân bay.
- Phạm vi nghiên cứu: cho lưu vực nhỏ, ở Việt Nam.