Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị

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 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng, luận văn “ Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị” là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu là trung thực, kết quả nghiên cứu của luận văn này chưa từng được sử dụng trong bất cứ một luận văn nào khác mà đã bảo vệ trước. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn và các thông tin, tài liệu tham khảo đều được ghi rõ nguồn gốc trích dẫn. Ngày tháng năm Học viên Nguyễn Anh Hùng MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................8 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 - Xà HỘI...................................................................26 2.2.1 Dân cư .....................................................................................................26 2.2.2 Tình hình sử dụng đất ..............................................................................27 2.3 HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC, NGẬP ÚNG TRÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU ............................................................................................29 2.3.1 Hiện trạng hệ thống thoát nước khu vực ..................................................29 2.3.2 Tính hình ngập úng trong vùng ................................................................29 2.3.3 Nguyên nhân gây ngập úng .....................................................................30 2.4 ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH KHU VỰC TRONG NHỮNG NĂM TỚI .34 2.4.1 Hướng phát triển chung không gian của đô thị ........................................34 2.4.2 Định hướng phát triển giao thông ...........................................................35 2.4.3 Định hướng quy hoạch san nền ................................................................36 2.4.4 Định hướng quy hoạch thoát nước mưa ..................................................37 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN MƯA THIẾT KẾ ĐẾN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CỦA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC QUẬN THANH XUÂN – TP. HÀ NỘI ................................................................................41 3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ VỚI CÁC THỜI GIAN MƯA KHÁC NHAU .......................................................................................................42 3.1.1 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 3 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm ....................................................................................................................43 3.1.2 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 6 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm ....................................................................................................................44 3.1.3 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 12 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm ....................................................................................................................46 3.1.4 Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa bằng 24 giờ, chu kỳ lặp lại T=10 năm ....................................................................................................................50 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 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các hệ số trong phương trình (1.1) cho thời kỳ xuất hiện lại 10 năm tại một số địa phương ở Hoa Kỳ ......................................................................................6 Bảng 1.2 Giá trị của các tham số của đường DDF ..................................................14 Bảng 2.1: Nhiệt độ trung bình tháng tại Hà Nội (0C) ...............................................18 Bảng 2.2: Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại Hà Nội (%) ...................................19 Bảng 2.3: Thống kê lượng mưa các thời đoạn lớn nhất tại trạm khí tượng Láng .....19 Bảng 2.4: Lượng mưa thiết kế 1, 3, 5, 7 ngày max (đơn vị: mm).............................20 Bảng 2.5: Phân phối trận mưa 3 ngày max ứng với tần suất P = 10% (đơn vị: mm) ...................................................................................................................................20 Bảng 2.6: Lượng mưa 72 giờ tại trạm Láng (mm) ....................................................20 Bảng 2.7: Lượng mưa 3 ngày của trận mưa đặc biệt lớn năm 2008 (mm) ...............22 Bảng 2.8: Lượng bốc hơi trung bình tháng tại Hà Nội (mm) ...................................22 Bảng 2.9: Các mực nước sông Hồng tại trạm Hà Nội ứng với các tần suất tính toán (liệt số liệu 1970-2008) .............................................................................................24 Bảng 2.10: Mực nước thấp nhất sông Hồng tại Hà Nội (cm) ...................................24 Bảng 2.11: Các mực nước Sông Hồng tại Yên Sở ứng với các tần suất tính toán ...26 Bảng 2.12: Tình hình dân cư vùng nghiên cứu .........................................................26 Bảng 3.1: Giá trị các tham số của đường DDF .........................................................42 Bảng 3.2: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 3giờ, tần suất lặp T=10 năm ....43 Bảng 3.3: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 6giờ, tần suất lặp T=10 năm ....44 Bảng 3.4: Mô hình mưa thiết kế với thời gian mưa 12giờ, tần suất lặp T=10 năm ..46 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 1.7 Biểu thị biểu đồ quá trình mưa bằng các đường cong ..............................10 Hình 1.8 Biểu đồ quá trình mưa thiết kế hình tam giác ............................................11 Hình 2.1: Vị trí hệ thống thoát nước Quận Thanh Xuân – Lưu vực sông Tô Lịch...17 Hình 3.1: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 3 giờ.................................................44 Hình 3.2: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 6 giờ.................................................46 Hình 3.3: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 12 giờ...............................................49 Hình 3.4: Mô hình mưa thiết kế với gian mưa 24 giờ...............................................54 Hình 3.5: Khai báo các thông số SWMM .................................................................58 Hình 3.6: Các thông số cơ bản SWMM ....................................................................58 Hình 3.7: Sơ đồ mạng thoát nước - phần mềm SWMM ...........................................59 Hình 3.8 Đường biểu diễn Qmax thiết kế của các mô hình mưa thiết kế tại vị trí các cửa xả ....................................................................................................60 Hình 3.9 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả được mô phỏng bởi trận mưa 3h .61 Hình 3.10 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa 6h ...................................................................................................................................61 Hình 3.11 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa 12h .............................................................................................................................62 Hình 3.12 : Đường lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận mưa 24h .............................................................................................................................62 Hình 3.13 : Một số trận mưa toàn liệt tại trạm khí tượng Láng ................................64 Hình 3.14 : Quá trình lưu lượng tại các vị trí cửa xả - được mô phỏng bởi trận thực đo 12/9/1985 ..............................................................................................................67 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). Bước thứ hai : Sử dụng mô hình toán để tính toán mưa – dòng chảy và diễn toán thủy lực trong hệ thống thoát nước nhằm kiểm tra lại kết quả sơ bộ ở bước thứ nhất. Khi sử dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy cần một trận mưa thiết kế, tuy nhiên trong tiêu chuẩn thiết kế chưa quy định rõ thời gian của trận mưa thiết kế chọn như thế nào. Có tác giả chọn thời gian mưa thiết kế bằng thời gian tập trung dòng chảy, có tác giả chọn thời gian mưa thiết kế là 3 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 24 giờ hoặc là dài hơn nữa. Do vậy, khó khăn cho kỹ sư tính toán thiết kế, nên cần có nghiên cứu về thời gian mưa thiết kế, đó là lý do đề tài ‘‘ Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị’’ được đề xuất nghiên cứu. II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Đánh giá ảnh hưởng của thời gian mưa thiết kế đến lưu lượng thiết kế của hệ thống thoát nước đô thị. Từ đó kiến nghị kỹ sư lựa chọn thời gian mưa thiết kế hợp lý khi tính toán thiết kế hệ thống thoát nước đô thị. 2 III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu điển hình cho hệ thống thoát nước mưa Quận Thanh Xuân, TP Hà Nội (phạm vi lưu vực sông Tô Lịch). Sử dụng tài liệu trạm khí tượng Láng. IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp khảo sát, điều tra thực địa. - Phương pháp thu thập, thống kê và phân tích số liệu. - Phương pháp kế thừa. - Phương pháp sử dụng mô hình toán. 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 mưa điểm hoặc độ sâu mưa diện. Mưa điểm là mưa xuất xuất hiện tại một địa điểm đơn độc trong không gian, còn mưa mưa diện là mưa xuất hiện trên một vùng nào đó. 4 Đối với mỗi thời gian mưa, ta tiến hành phân tích tần suất để tính các độ sâu mưa thiết kế ứng với các thời kỳ xuất hiện lại khác nhau, sau đó các độ sâu mưa thiết kế được chuyển đổi thành cường độ mưa bằng cách đem chia chúng cho thời gian mưa tương ứng. Sè phÇn tr¨m cña l­îng m­a ®iÓm ®èi víi mét khu vùc cho tr­íc 0 100 48 97 DiÖn tÝch (mi 2 ) 145 193 241 290 331 24 giê 90 6 giê 80 3 giê 70 1 giê 30 phót 60 50 0 125 250 375 500 DiÖn tÝch (km2 ) 625 750 875 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. + Cường độ mưa: i = P T (mm/h hoặc in/h) (1.1) + Độ sâu mưa: P (mm hoặc in) + Thời gian mưa: T (h) + Tần suất được biểu thị theo thời kỳ xuất hiện lại, đó là khoảng thời gian trung bình giữa các biến cố mưa có độ lớn bằng hoặc lớn hơn trị số thiết kế. Trong nhiều trường hợp người ta đã xác định sẵn những đường cong mẫu của quan hệ giữa cường độ mưa-thời gian mưa-tần suất (gọi là quan hệ IDF) cho các địa điểm nghiên cứu. C¸c ®­êng cong IDF cña m­a lín nhÊt t¹i Chicago 10 8 C­êng ®é m­a (in/h) 5 4 3 2 100 50 25 10 5 1 0,8 Thêi kú xuÊt hiÖn l¹i (n¨m) 6 2 0,6 5 6 8 10 20 40 Thêi gian m­a (phót) 60 80 100 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 : i= c Tde (1.2) +f Trong đó: - i: cường độ mưa thiết kế (in/h) - Td : thời gian mưa (phút) - c,e,f: là các hệ số thay đổi theo địa điểm và theo thời kỳ xuất hiện lại Bảng 1.1 Các hệ số trong phương trình (1.1) cho thời kỳ xuất hiện lại 10 năm tại một số địa phương ở Hoa Kỳ TT Địa phương c e f 1 Atlanta 97,5 0,83 6,88 2 Chicago 94,9 0,88 9,04 3 Cleveland 73,7 0,86 8,25 4 Denver 96,6 0,97 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 mi2 tại Illinois. Mô hình phân bố theo thời gian được xây dựng cho 4 nhóm xác suất, từ nhóm mưa ác liệt nhất (nhóm thứ nhất) đến nhóm mưa ít ác liệt nhất (nhóm thứ tư). Hình 1.3 trình bày phân bố xác suất của các trận mưa rào thuộc nhóm đầu tiên (nhóm mưa ác liệt nhất), Đó là những đường cong trơn chu, chúng phản ảnh phân bố theo thời gian của lượng mưa trung bình và không thể hiện được các đặc tính thay đổi gấp của các trận mưa rào thực tế. 100 Sè phÇn tr¨m cña tæng l­îng m­a 90 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 80 70 60 90% X¸c suÊt 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian m­a 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. Sè phÇn tr¨m cña tæng l­îng m­a 60 X¸c suÊt 10% 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian m­a Sè phÇn tr¨m cña tæng l­îng m­a Hình 1.4 Biểu đồ xác suất 10% các trận mưa nhóm thứ nhất 40 X¸c suÊt 50% 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sè phÇn tr¨m tÝch lòy cña thêi gian m­a Hình 1.5 Biểu đồ xác suất 50% các trận mưa nhóm thứ nhất 1.2.2. Phương pháp khối xen kẽ Phương pháp này được đề xuất bởi Chow (1988). Với phương pháp này mô hình mưa thiết kế từ một đường cong quan hệ cường độ- thời gian mưa- 9 tần suất (IDF) hoặc quan hệ lượng mưa- thời gian mưa- tần suất (DDF). Mô hình mưa này được đặc trưng bởi độ sâu mưa xuất hiện trong n khoảng thời gian ∆t kế tiếp nhau trên tổng thời gian mưa Td = n.∆t . Sau khi lựa chọn thời kỳ xuất hiện lại thiết kế, ta đọc cường độ mưa cho mỗi thời gian mưa ∆t , 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. 0,7 L­îng m­a (in) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thêi gian (phót) 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 thiết kế hệ thống thoát nước ở Chicago. Nguyên tắc tính toán tương tự như phương pháp khối xen kẽ, cơ sở của mô hình này là từ một phương trình đã 10 biết của đường cong quan hệ cường độ mưa-thời gian mưa-tần suất (gọi là quan hệ IDF), ta có thể xây dựng được các phương trình về sự thay đổi của cường độ mưa theo thời gian trong đường quá trình mưa thiết kế. Độ sâu mưa tương ứng với một thời gian mưa Td chung quanh đỉnh mưa thì bằng với giá trị xác định bằng đường cong hoặc phương trình của đường cong IDF (cường C­êng ®é m­a i độ mưa ở đây được coi là biến đổi một cách liên tục trong quá trình mưa) Td f(tb) f(ta) ta Thêi gian tb Hình 1.7 Biểu thị biểu đồ quá trình mưa bằng các đường cong Đường quá trình mưa gồm hai nhánh đường cong với i a = f ( t a ) và i b = f ( t b ) 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: R= rTd ∫ f ( t a )dt a + 0 Với r = ta t t ⇒ Td = a = b Td r 1− r (1− r ) Td ∫ f ( t b )dt b 0 (1.3) 11 Đối với thời gian mưa Td bất kỳ, f ( t a ) = f ( t b ) và lấy đạo hàm theo T d’ ta có: dR = f (t a ) = f (t b ) dTd Gọi cường độ mưa trung bình trong thời gian Td là i av ta có: R=T d .i av . lấy đạo hàm theo Td ta được: di dR = i av + Td av = f ( ta ) = f ( tb) dTd dTd Với i av = c Tde + f (1.4) ⇒ vi phân và thay vào phương trình trên ta có phương trình [ c (1 − e)Tde + f của cường độ mưa i: i = (Tde + f ) 2 ] (1.5) 1.2.4 Phương pháp mô hình mưa hình tam giác Phương pháp này được đề xuất bởi Yen và Chow (1980). Với mô hình mưa hình tam giác có cạnh đáy là thời gian mưa Td, chiều cao h là cường độ mưa. Khi biết độ sâu mưa và thời gian mưa ta xác định được cường độ mưa là chiều cao h: h= 2P Td tb r= ta Td h C­êng ®é m­a i ta Thêi gian t 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 ).