Luận án Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc – Việt Nam

169 trang thiennha21 14/04/2022 4240

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc – Việt Nam", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_su_bien_dong_cua_mua_lu_va_de_xuat_co_so.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc – Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI DOÃN THỊ NỘI NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƢA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC–VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƢA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC–VIỆT NAM Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62-44-02-24 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Ngô Lê Long 2. PGS.TS Hoàng Thanh Tùng HÀ NỘI, NĂM 2016
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Doãn Thị Nội i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Ngô Lê Long, PGS.TS Hoàng Thanh Tùng đã tận tình hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH, Tập thể các Thầy cô giáo khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, Phòng Khoa học Công nghệ, Trƣờng Đại Học Thủy Lợi - Hà Nội, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại Học Giao Thông Vận Tải, Khoa Công Trình, Bộ môn Thủy Lực - Thủy Văn, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và công việc giúp tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn sát cánh động viên tác giả vƣợt qua mọi khó khăn để thực hiện luận án của mình. Tác giả luận án ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 6. Những đóng góp mới của luận án 3 7. Cấu trúc của luận án 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 5 1.1 Tổng quan về tính lũ thiết kế 5 1.1.1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới 5 1.1.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam 6 1.2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho công trình giao thông 8 1.2.1 Tính lũ thiết kế ở các nƣớc Nhật, phƣơng Tây và Mỹ 9 1.2.2 Tính lũ thiết kế ở các nƣớc Đông Âu và Nga 14 1.2.3 Tính lũ thiết kế ở Việt Nam 15 1.3 Những hạn chế trong tính lũ thiết kế cho giao thông ở Việt Nam 20 1.4 Đề xuất hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu 22 1.5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 24 1.5.1 Đặc điểm tự nhiên 24 1.5.2 Đặc điểm khí tƣợng thủy văn 26 1.5.3 Tình trạng giao thông và các sự cố công trình trong mùa mƣa lũ 30 1.5.4 Tình hình tài liệu nghiên cứu 36 iii
1.6 Kết luận chƣơng I 39 CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU 41 2.1 Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế 41 2.1.1 Phƣơng pháp của Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ (SCS - CN) 41 2.1.2 Phƣơng pháp mô hình quan hệ 47 2.1.3 Phƣơng trình hồi quy 51 2.2 Cơ sở dữ liệu của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế 53 2.2.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mƣa 53 2.2.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu mặt đệm 82 2.3 Kết luận chƣơng II 96 CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 98 3.1 Cơ sở phân nhóm công trình thoát nƣớc trong tính lũ thiết kế 98 3.2 Tính thử nghiệm theo các phƣơng pháp khác nhau 100 3.2.1 Thông số tính toán của các lƣu vực cầu tính thử nghiệm 100 3.2.2 Tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS - CN 108 3.2.3 Tính lũ thiết kế theo mô hình quan hệ 111 3.2.4 Tính lũ thiết kế theo phƣơng trình hồi quy tƣơng quan 112 3.2.5 Tính lũ theo pp Xokolopsky và CĐGH (TCVN 9845:2013) 115 3.2.6 Đánh giá kết quả tính theo các phƣơng pháp 117 3.3 Đề xuất phƣơng pháp tính phù hợp 119 3.4 Xây dựng chƣơng trình tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông 120 3.4.1 Giới thiệu chung về chƣơng trình tính 120 3.4.2 Cấu trúc của chƣơng trình tính 121 3.4.3 Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình tính 123 3.5 Kêt luận chƣơng III 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 131 PHỤ LỤC 136 iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông trên thế giới 8 Hình 1.2 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông ở Việt Nam 17 Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 23 Hình 1.4 Bản đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đông Bắc) 24 Hình 1.5 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) 25 Hình 1.6 Bản đồ các tuyến đƣờng chính khu vực nghiên cứu 31 Hình 1.7 Bản đồ bố trí các công trình thoát nƣớc khu vực nghiên cứu 32 Hình 1.8 Nƣớc chảy gây xói mái ta luy dƣơng vì không có rãnh dọc tuyến [39] 34 Hình 1.9 Tuyến đƣờng nội tỉnh ở Lạng Sơn bị ngập năm 2013 và xói ta luy âm 34 Hình 1.10 Nƣớc lũ tràn mặt đƣờng 34 Hình 1.11 Cầu Sam Lang lúc khánh thành và bị lũ cuốn trôi (sau hai tháng sử dụng) . 35 Hình 1.12 Bản đồ các trạm khí tƣợng khu vực nc (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) 36 Hình 2.1 Đƣờng quá trình lũ đơn vị theo phƣơng pháp SCS 44 Hình 2.2 Sơ đồ tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS-CN 46 Hình 2.3 Sơ đồ tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp mô hình quan hệ 51 Hình 2.4 Đƣờng đi của các trận bão năm 2012 và năm 2013 57 Hình 2.5 Đƣờng đi của trận bão Utor năm 2013 57 Hình 2.6 Thành Phố Lạng Sơn ngập trong nƣớc lũ năm 2014 59 Hình 2.7 Đƣờng đi của các trận bão năm 2014 và 2015 59 Hình 2.8 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn 62 Hình 2.9 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Hữu Lũng và Lạng Sơn 63 Hình 2.10 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Ngân Sơn và Thất Khê 63 Hình 2.11 Bản đồ hệ số biến thiên lƣợng mƣa ngày max (CV) vùng Đông Bắc 64 Hình 2.12 Sơ đồ xây dựng IDF theo hàm mũ 67 Hình 2.13 Tƣơng quan X1ng max-X1h max; X1ng max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) . 68 Hình 2.14 Tƣơng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12h max Bắc Kạn-Lạng Sơn(T=100) . 69 Hình 2.15 Tƣơng quan X1ng max- X24 h max tỉnh Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) 69 Hình 2.16 Tƣơng quan X1ng max-X1h max; X1ngay max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) . 69 Hình 2.17 Tƣơng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) 70 Hình 2.18 Tƣơng quan X1ng max-X24h max Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) 70 Hình 2.19 Sơ đồ các bƣớc xây dựng đƣờng cong IDF (khu vực nghiên cứu) 75 Hình 2.20 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 5 năm và T = 10 năm phút) 76 Hình 2.21 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 25 năm và T = 50 năm, phút) 76 Hình 2.22 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 100 và T = 200 năm, phút) 76 Hình 2.23 Bộ đƣờng cong IDF trạm Lạng Sơn và Đình Lập 77 Hình 2.24 Bản đồ đẳng trị cƣờng độ mƣa (I-1-100) (Bắc Kạn và Lạng Sơn) 78 Hình 2.25 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn 80 Hình 2.26 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Chợ Rã và Đình Lập 80 v
Hình 2.27 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Lạng Sơn và Ngân Sơn 81 Hình 2.28 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Thất Khê 81 Hình 2.29 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ chỉ số CN 84 Hình 2.30 Bản đồ loại đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 86 Hình 2.31 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 88 Hình 2.32 Bản đồ chỉ số CN tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 90 Hình 2.33 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy C 91 Hình 2.34 Bản đồ hệ số dòng chảy tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (S > 6%) 92 Hình 2.35 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning n 93 Hình 2.36 Bản đồ hệ số nhám Manning tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 94 Hình 2.37 Bản đồ lƣu vực cầu Bắc Khƣơng 95 Hình 3.1 Bản đồ lƣu vực cầu Can 100 Hình 3.2 Bản đồ lƣu vực cầu Bản Chắt 101 Hình 3.3 Bản đồ lƣu vực cầu Pắc Vằng 102 Hình 3.4 Bản đồ lƣu vực cầu Kỳ Lừa 103 Hình 3.5 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và hệ số nhám lƣu vực cầu Can 104 Hình 3.6 Bản đồ hệ số dòng chảy và chỉ số CN lƣu vực cầu Can 104 Hình 3.7 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lƣu vực cầu Bản Chắt 105 Hình 3.8 Bản đồ hệ số dòng chảy và hệ số nhám lƣu vực cầu Bản Chắt 105 Hình 3.9 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lƣu vực cầu Pắc Vằng 106 Hình 3.10 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy C lƣu vực cầu Pắc Vằng 106 Hình 3.11 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và chỉ số CN lƣu vực cầu Kỳ Lừa 107 Hình 3.12 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy lƣu vực cầu Kỳ Lừa 107 Hình 3.13 Quá trình lũ thực đo và tính toán tại Trạm Lạng Sơn (2008 và 2013) 109 Hình 3.14 Quá trình mƣa và lũ thiết kế lƣu vực cầu Kỳ Lừa và cầu Pắc Vằng 110 Hình 3.15 Quá trình mƣa và lũ thiết kế lƣu vực cầu Bản Chắt và cầu Can 111 Hình 3.16 Các bƣớc tính theo phƣơng pháp CIA 112 Hình 3.17 Tƣơng quan giữa Q100 ~A và Q50~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn 114 Hình 3.18 Tƣơng quan giữa Q25~A và Q10 ~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn 114 Hình 3.19 Giao diện ban đầu trên nền ảnh vệ tinh của Google map 121 Hình 3.20 Sơ đồ khối xây dựng chƣơng trình tính 122 Hình 3.21 Giao diện ban đầu của chƣơng trình tính trên nền bản đồ 123 Hình 3.22 Kết quả tính lũ cầu Can theo pp CIA (Trên nền ảnh vệ tinh) 124 Hình 1 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 5 năm và T = 10 năm 136 Hình 2 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 25 năm và T = 50 năm 136 Hình 3 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 100 năm và T = 200 năm 136 Hình 4 Bộ đƣờng cong IDF trạm Thác Giềng và Chợ Mới 137 Hình 5 Bộ đƣờng cong IDF trạm Chợ Đồn và An Tịnh 137 Hình 6 Bộ đƣờng cong IDF trạm Bằng Khẩu và Bằng Lũng 137 Hình 7 Bộ đƣờng cong IDF trạm Bằng Phúc và Cốc Đán 137 vi
Hình 8 Bộ đƣờng cong IDF trạm Côn Minh và Đông Lạc 137 Hình 9 Bộ đƣờng cong IDF trạm Dƣơng Phong và Hảo Nghĩa 137 Hình 10 Bộ đƣờng cong IDF trạm Liên Thụy và Nà Pạc 137 Hình 11 Bộ đƣờng cong IDF trạm Thuận Mang và Xuân Dƣơng 137 Hình 12 Bộ đƣờng cong IDF trạm Xuân Lạc và Yên Hán 137 Hình 13 Bộ đƣờng cong IDF trạm Yên Nhuận và Yên Tịnh 137 Hình 14 Bộ đƣờng cong IDF trạm Vu Loan 137 Hình 15 Bản đồ lƣu vực cầu Khuổi Lu 137 Hình 16 Bản đồ phân vùng mƣa theo Đa giác Theissen cầu Can và Bản Chắt 137 Hình 17 Bản đồ phân vùng mƣa theo Đa giác Theissen cầu Pắc Vằng và Kỳ Lừa 137 Hình 18 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Thất Khê 137 Hình 19 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Thất Khê 137 Hình 20 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Ngân Sơn 137 Hình 21 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Ngân Sơn 137 Hình 22 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Lạng Sơn 137 Hình 23 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Lạng Sơn 137 Hình 24 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Hữu Lũng 137 Hình 25 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Hữu Lũng 137 Hình 26 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Đình Lập 137 Hình 27 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Đình Lập 137 Hình 28 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Chợ Rã 137 Hình 29 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Chợ Rã 137 Hình 30 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Bắc Sơn 137 Hình 31 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Bắc Sơn 137 Hình 32 Biến đổi lƣợng mƣa 1h và 3h lớn nhất trạm Bắc Kạn 137 Hình 33 Biến đổi lƣợng mƣa 6h và 12h lớn nhất trạm Bắc Kạn 137 Hình 0.34 Kết quả tính lũ cầu Pắc Vằng theo pp SCS (Trên nền ảnh vệ tinh) 137 Hình 0.35 Kết quả tính lũ cầu Pắc Vằng theo pp SCS (Trên nền ảnh vệ tinh) 137 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tóm tắt các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho giao thông ở Mỹ 10 Bảng 1.2 Bảng thống kê các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Đông Âu và Nga 15 Bảng 1.3 Quy định về tần suất lũ 16 Bảng 1.4 Các đặc trƣng khí tƣợng trung bình nhiều năm 27 Bảng 1.5 Dòng chảy trung bình nhiều năm khu vực nghiên cứu 29 Bảng 1.6 Bảng phân loại cầu theo chiều dài khu vực nghiên cứu 33 Bảng 1.7 Các sự cố công trình giao thông khu vực nghiên cứu 35 Bảng 1.8 Các trạm đo mƣa thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 37 Bảng 1.9 Các trạm quan trắc thủy văn thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn 38 Bảng 2.1 Xác suất bão, ATNĐ có lƣợng mƣa 24 giờ cực đại các cấp (%) 54 Bảng 2.2 Xác suất bão, ATNĐ có tổng lƣợng mƣa theo các cấp (%) 54 Bảng 2.3 Kết quả kiểm định xu thế lƣợng mƣa ngày lớn nhất 63 Bảng 2.4 Bảng hệ số CV lƣợng mƣa ngày lớn nhất vùng Đông Bắc 65 Bảng 2.5 Bảng thông số ở các trạm, tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (T=100 năm) 68 Bảng 2.6 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn 77 Bảng 2.7 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn 77 Bảng 2.8 Kết quả tính cƣờng độ mƣa theo hàm mũ cho khu vực nghiên cứu 78 Bảng 2.9 Bảng so sánh kết quả tính theo luận án và TCVN 9845:2013 81 Bảng 2.10 Bảng phần trăm sai số giữa kết quả tính theo luận án và TCVN 82 Bảng 2.11 Bảng phân loại các nhóm đất khu vực nghiên cứu 86 Bảng 2.12 Bảng thống kê hiện trạng sử dụng đất trên khu vực nghiên cứu 87 Bảng 2.13 Bảng giá trị CN đối với tình hình sử dụng đất và các nhóm đất 89 Bảng 2.14 Bảng tra hệ số dòng chảy C (nhóm A và B) 91 Bảng 2.15 Bảng tra hệ số dòng chảy C (nhóm C và D) 92 Bảng 2.16 Bảng tra hệ số nhám Manning 94 Bảng 2.17 Kết quả tính các đặc trƣng (lƣu vực cầu Bắc Khƣơng) 95 Bảng 3.1 Các đặc trƣng lƣu vực (tính toán từ GIS) tại cầu Can 100 Bảng 3.2 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính toán từ GIS) tại cầu Bản Chắt 101 Bảng 3.3 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính toán từ GIS) tại Cầu Pắc Vằng 102 Bảng 3.4 Các đặc trƣng trƣng lƣu vực (tính toán từ GIS) tại Kỳ Lừa 103 Bảng 3.5 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Can 104 Bảng 3.6 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Bản Chắt 105 Bảng 3.7 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Pắc Vằng 106 Bảng 3.8 Các thông số CN, hệ số nhám và hệ số dòng chảy của cầu Kỳ Lừa 108 Bảng 3.9 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp SCS-CN 110 Bảng 3.10 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo mô hình quan hệ 112 Bảng 3.11 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng trình hồi quy 115 Bảng 3.12 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế Xokolopsky 116 viii
Bảng 3.13 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp cƣờng độ giới hạn 117 Bảng 3.14 Kết quả tính lƣu lƣợng thiết kế theo 5 phƣơng pháp khác nhau 117 Bảng 3.15 Kiến nghị phƣơng pháp tính lũ cho công trình giao thông 120 Bảng 1 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn 137 Bảng 2 Bảng hệ số của phƣơng trình đƣờng cong IDF, I = a.Dn 137 Bảng 3 Các công trình cầu đƣợc tính thử nghiệm trong luận án 137 Bảng 4 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 trạmLạng Sơn ( Gumbel) 137 Bảng 5 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Thất Khê) 137 Bảng 6 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Bắc Kạn) 137 Bảng 7 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Bắc Sơn) 137 Bảng 8 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Chợ Rã) 137 Bảng 9 Kết quả kiểm tra chỉ tiêu χ2 theo pp Gumbel (Ngân Sơn) 137 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội đƣờng cao tốc liên bang và quốc lộ Hoa Kỳ) AASHTO - LRFD American Association of State Highway and Transportation Officials - Load & Resistance Factor Design (Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng - Hiệp hội đƣờng cao tốc liên bang và quốc lộ Hoa Kỳ). C50 hệ số dòng chảy ứng với thời kỳ lặp lại T = 50 năm. AR&R Australian Rainfall & Runoff CTBD Cao Áp Thái Bình Dƣơng CN Curve Number EVT 1 Extreme Value Type - I distribution FHWA Federal Highway Administration (Cục liên bang đƣờng bộ Mỹ) GIS Geographical Information Systems (Hệ thống thông tin địa lý) GTVT Giao Thông Vận Tải GEV Gumbel's Extreme Value distribution HTNĐ Hội tụ nhiệt đới HEC-HMS Hydrologic Engineering Center- Hydrologic Modeling System IDF Intensity - Duration - Frequency (Cƣờng độ mƣa - Thời gian - Tần suất) ID Identification (Mã kí hiệu) MIKE Viện nghiên cứu tài nguyên nƣớc Đan Mạch DHI Danish Hydraulic Institute (Viện Thủy lực Đan Mạch) NHI National Highway Institute (Viện nghiên cứu đƣờng bộ Mỹ) NRCS Natural Resources Conservation Service (Cơ quan bảo vệ tài nguyên thiên nhiên - Mỹ) PMP Probable Maximum Precipitation (Mƣa lớn nhất khả năng) PMF Probable Maximum Flood (Lũ lớn nhất khả năng) QP Quy phạm QPTL C - 6 - 77 Quy phạm tính toán các đặc trƣng thủy văn thiết kế SCS - CN Soil Conversation service - Curve Number (Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng - chỉ số đƣờng cong) x
TCN Tiêu chuẩn ngành TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TR55 Technical Release 55 (Tiêu chuẩn kỹ thuật 55) TxDOT Texas Department of Transportation (Sở giao thông Bang Texas) USGS United state Geological Survey (Cơ quan khảo sát địa chất Mỹ) XT Xoáy thuận XN Xoáy nghịch RTN Rãnh thấp nóng USACE United States Army Corps of Engineers (Hiệp hội kỹ sƣ quân sự Mỹ) xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Giao thông đƣợc coi là huyết mạch của mỗi quốc gia, muốn phát triển đất nƣớc cần phải hoàn thiện và hiện đại hệ thống giao thông. Hàng năm nhà nƣớc đã đầu tƣ rất nhiều kinh phí cho phát triển giao thông trên toàn quốc. Các tuyến đƣờng đƣợc đầu tƣ xây mới, nâng cấp và mở rộng để đảm bảo giao thƣơng kinh tế văn hóa các vùng trên cả nƣớc và quốc tế. Với trên 2/3 diện tích của đất nƣớc là địa hình đồi núi, theo thống kê của Bộ GTVT đƣờng miền núi chiếm hơn 70% km trong tổng km chiều dài đƣờng bộ cả nƣớc. Đƣờng miền núi chủ yếu cấp V, chỉ một số km là cấp III và IV cho nên các công trình thoát nƣớc nhƣ cầu, cống và rãnh thoát nƣớc chƣa đƣợc chú trọng trong thiết kế và xây dựng, việc tính toán thủy văn thủy lực còn hạn chế. Trong những năm gần đây, việc thiết kế đƣờng ô tô đã chuyển từ tiêu chuẩn 22 - TCN - 4054 - 85 sang 22 - TCN - 4054 - 98, 22TCN - 4054 - 2005 và các tiêu chuẩn tính toán lũ thoát nƣớc cũng chuyển từ 22TCN - 1995, 22TCN 273 - 01; 22TCN 273 - 05 sang TCVN 9845:2013 với các yêu cầu kỹ thuật cao hơn, các tuyến đƣờng cần cải tạo theo tiêu chuẩn mới để tăng mức độ an toàn chạy xe nhằm đáp ứng chiến lƣợc an toàn giao thông quốc gia và nâng cao hiệu quả vận tải. Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa với chế độ mƣa lũ rất khắc nghiệt và dƣờng nhƣ mức độ đó ngày càng tăng lên do biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho các công trình giao thông thƣờng bị hƣ hỏng nặng nề. Các hƣ hỏng của hệ thống đƣờng bộ có nhiều nguyên nhân nhƣ: chế độ khí hậu có sự thay đổi đáng kể và xu thế ngày càng ác liệt; do các nguyên nhân địa chất, nền móng và có thể do công tác xây dựng, vận hành và bảo dƣỡng. Tuy nhiên trong các nhóm nguyên nhân kể trên thì vấn đề ảnh hƣởng của mƣa, lũ là nguyên nhân chính gây tác động đáng kể tới các hƣ hỏng của công trình. Các hƣ hỏng thƣờng kể đến nhƣ hiện tƣợng sạt lở ta luy dƣơng, âm, trôi cầu cống, hỏng mố trụ đều do nguyên nhân tính lũ thiết kế chƣa đúng hoặc chƣa phù hợp. 1
Trong TCVN 9845:2013,''Tiêu chuẩn tính toán đặc trƣng dòng chảy lũ'' (đƣợc biên soạn dựa theo QP.TL C - 6 - 77) đã giới thiệu một số phƣơng pháp tính lũ thiết kế từ mƣa rào nhƣ Cƣờng độ giới hạn, Xokolopsky, phƣơng pháp của trƣờng Đại học Xây dựng. Các phƣơng pháp trên do các tác giả Liên Xô (cũ) xây dựng và đã đƣợc đƣa vào sử dụng ở nƣớc ta. Tuy nhiên, các công thức này có nhiều thông số đƣợc xác định trong điều kiện của nƣớc Nga, khi đƣa vào quy phạm tính toán của Việt Nam dù đã đƣợc hiệu chỉnh nhƣng trong điều kiện rất thiếu số liệu nên chƣa đƣợc chuẩn hóa; có những thông số rất khó xác định, với phạm vi thay đổi quá lớn, dẫn tới kết quả tính toán có độ chính xác không cao, tùy thuộc vào quan điểm lựa chọn thông số của mỗi ngƣời sử dụng và hậu quả là rủi ro hƣ hỏng công trình cũng tăng lên. Khó khăn chính trong tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam là thiếu các tài liệu từ các đặc trƣng lƣu vực, đất đai, lớp phủ, đặc biệt là mƣa và dòng chảy thực đo thời đoạn ngắn thƣờng chỉ có tài liệu mƣa ngày, tuy nhiên khối lƣợng cũng rất hạn chế. Vì vậy, luận án“Nghiên cứu sự biến động của mưa lũ và đề xuất cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam” mà NCS lựa chọn là rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học. Kết quả của luận án là cơ sở khoa học đề xuất các phƣơng pháp tính lũ thiết kế đơn giản với độ tin cậy và mức độ ổn định cao hơn, phục vụ xây dựng các công trình thoát nƣớc trên đƣờng, góp phần cập nhật và xây dựng qui trình tính hợp lý cho công tác duy tu, bảo dƣỡng và nâng cấp các công trình hiện có, cũng nhƣ xây dựng các công trình mới an toàn, giảm thiểu các thiệt hại cho các công trình giao thông. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu những biến động của mƣa lũ, chi tiết hóa mƣa và mặt đệm, xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn nằm trong vùng núi Đông Bắc - Việt Nam; - Đối tƣợng nghiên cứu là mƣa và lũ thiết kế phục vụ xây dựng các công trình thoát nƣớc nằm trên các quốc lộ QL3, 3B, 279, 3, 4A, 4B, 1A thuộc khu vực nghiên cứu. 2
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, tác giả đã thu thập các số liệu, tài liệu cần thiết, tiến hành nghiên cứu tổng quan những biến động về mƣa lũ (mƣa sinh lũ), các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở trong nƣớc và trên thế giới từ đó lựa chọn hƣớng tiếp cận phù hợp, vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong nghiên cứu. Các phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong luận án bao gồm: i) phƣơng pháp phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu đã có nhằm tập hợp, đánh giá những biến động về mƣa lũ trong khu vực nghiên cứu; ii) phƣơng pháp phân tích ảnh viễn thám, GIS phục vụ mô phỏng lƣu vực trong các mô hình toán và xây dựng các bản đồ chyên đề làm cơ sở khoa học cho các phƣơng pháp tính lũ kiến nghị; iii) phƣơng pháp mô hình toán, tính toán thử nghiệm làm cơ sở cho việc kiến nghị các phƣơng pháp tính lũ thiết kế phù hợp cho các công trình giao thông khu vực Đông Bắc - Việt Nam. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Quá trình phát triển dân sinh kinh tế ở Việt Nam hiện nay đòi hỏi phải nâng cấp và xây mới hàng loạt các tuyến đƣờng giao thông huyết mạch, đặc biệt là các tuyến đƣờng giao thông miền núi vì vậy kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao vì đã giải quyết những khó khăn hiện nay trong tính toán thủy văn, thủy lực hiện nay. Việc nghiên cứu biến động của mƣa lũ cho khu vực Đông Bắc và xác lập cơ sở khoa học tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông ở khu vực này có ý nghĩa khoa học trong việc tiếp cận với những phƣơng pháp tính toán hiện đại và tiện lợi làm tiền đề cho việc xây dựng một quy trình tính toán phù hợp với điều kiện của Việt Nam trong tƣơng lai gần. 6. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã hoàn thiện phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông có xét đến biến động của mƣa lũ và chi tiết hóa đặc điểm tự nhiên của khu vực Đông Bắc, trên cơ sở ứng dụng thành tựu công nghệ hiện đại là hệ thống thông tin địa lý (GIS); - Đã bƣớc đầu xây dựng đƣợc phần mềm hỗ trợ tính lũ cho công trình thoát nƣớc trên đƣờng giao thông. 3
7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về nghiên cứu tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. Chƣơng 2: Xây dựng cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam. Chƣơng 3: Tính thử nghiệm và đề xuất phƣơng pháp tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc - Việt Nam. 4
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 1.1 Tổng quan về tính lũ thiết kế 1.1.1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới Dòng chảy lũ là đặc trƣng quan trọng trong tính toán thiết kế các công trình, bởi vậy tính toán lũ là một vấn đề đặc biệt đƣợc quan tâm nghiên cứu. Lũ thiết kế là trận lũ đƣợc sử dụng trong thiết kế công trình có trạng thái bất lợi, độ lớn phụ thuộc vào cấp công trình và đƣợc quy định bởi từng quốc gia. Lũ thiết kế bao gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ. Hiện nay, tính lũ thiết kế phân thành hai nhóm: phƣơng pháp trực tiếp (phân tích thống kê xác suất) và phƣơng pháp gián tiếp (phân tích mƣa và mặt đệm). Việc tính lũ thiết kế trải qua một quá trình dài nghiên cứu mang tính kế thừa và phát triển nhằm chính xác và hiện đại hóa phục vụ xây dựng các công trình an toàn trong mùa mƣa lũ đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện tại. Một số nghiên cứu về lũ thiết kế điển hình có thể kể đến nhƣ: Chow (1964), Shaw [1] là cuốn sổ tay tính toán thủy văn có đề cập đến phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế phụ thuộc vào diện tích lƣu vực và tình trạng số liệu: đối với lƣu vực lớn, đủ số liệu thì dùng phƣơng pháp ngẫu nhiên (thống kê xác suất), đối với lƣu vực nhỏ dùng phƣơng pháp mô hình quan hệ, đường lũ đơn vị và quan hệ lưu lượng với diện tích và thời gian. Chow, Maidment (1988) [2] là tài liệu cơ bản nhất có đề cập đến tính toán thủy văn và các đặc trƣng thủy văn thiết kế nhƣ quá trình thu phóng, lựa chọn mƣa thiết kế và xây dựng đƣờng cong IDF, biểu đồ mƣa thiết kế dạng đƣờng cong tích lũy 24h, ƣớc tính thời gian mƣa giới hạn, tính toán lƣợng mƣa lớn nhất khả năng (PMF), các bản đồ đẳng trị mƣa với các thời gian mƣa, D = 5 - 60 phút hay 30 phút - 24h cho các thời kỳ lặp lại T = 1 - 100 năm. Các phƣơng pháp chuyển đổi mƣa hiệu quả và xác định dòng chảy thiết kế gồm đỉnh lũ, tổng lƣợng và quá trình lũ thiết kế dùng để thiết kế công trình thoát nƣớc, mô phỏng vùng ngập lụt, thiết kế hồ chứa, sử dụng và quản lý tài nguyên nƣớc. Đối với thoát nƣớc, Chow cũng giới thiệu phương pháp tính lũ cho lưu vực vừa và nhỏ theo mô hình quan hệ với A là diện tích lưu vực, I là cường độ mưa, C 5
là hệ số dòng chảy. Ngoài ra, các đường lũ đơn vị cũng được đề cập sử dụng cho các lưu vực vừa và nhỏ. Vijay (2002) [3] trình bày các mô hình toán ứng dụng để tính lũ cho lƣu vực lớn và các lƣu vực nhỏ. Đối với các lƣu vực nhỏ các mô hình ứng dụng trình bày 15 mô hình đại diện trên toàn thế giới. Về lý thuyết cơ bản để xây dựng các mô hình đều là những kiến thức ứng dụng từ các tài liệu của Chow hay Maidment. Raghunath (2006) [4] là tài liệu về nguyên lý thủy văn, trình bày các vấn đề về tính thủy văn vùng Tapti, Ấn độ (miền trung Ấn độ). Phần tính lũ thiết kế gồm tổng lƣợng lũ, đỉnh lũ, tần suất lũ, xác suất rủi ro với các phƣơng pháp đề xuất nhƣ: Đƣờng lũ đơn vị tức thời, mô hình Nash, mô hình Clark, đƣờng lũ đơn vị SCS, hồi quy tuyến tính, phân tích thống kê xác suất, mô hình toán, tính lũ tại vị trí không có số liệu quan trắc theo phƣơng pháp hồi quy đa biến. Ngoài các tài liệu cơ bản đã nêu, còn có rất nhiều các tài liệu nghiên cứu liên quan đề cập đến các phƣơng pháp tính lũ thiết kế trên thế giới. Về cơ bản, lý thuyết tập trung dòng chảy hay phƣơng thức chuyển đổi mƣa hiệu quả vẫn nhƣ những tài liệu trên, tuy nhiên từ hai thập kỷ trở lại đây với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ máy tính, kỹ thuật viễn thám và GIS cho phép các nhà khoa học phân tích và thử nghiệm, cập nhật những công nghệ hiện đại nhằm chính xác hóa các tham số mà các phƣơng pháp trƣớc đây chƣa xây dựng đƣợc. 1.1.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam Một số các tài liệu điển hình đề cập đến tính lũ thiết kế ở Việt Nam nhƣ: Quy phạm QP.TL C-6-77 (1977) [5] trình bày phƣơng pháp tính toán các đặc trƣng thủy văn cần thiết cho việc thiết kế các công trình thủy lợi trên các sông không bị ảnh hƣởng của thủy triều ở Việt Nam. Các đặc trƣng thủy văn đƣợc hƣớng dẫn tính trong quy phạm này bao gồm: lƣu lƣợng bình quân năm, lƣu lƣợng lớn nhất, lƣu lƣợng nhỏ nhất, sự phân phối dòng chảy năm, các loại mực nƣớc thiết kế và các thông số khác. Khi tính lũ phục vụ thiết kế các công trình trên sông trong trƣờng hợp đủ số liệu thì tiến hành phân tích tần suất, trong trƣờng hợp không có số liệu thì sử dụng các công thức kinh nghiệm nhƣ: công thức cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực có diện tích nhỏ hơn 6
100 km2, công thức Triết giảm và Xokolopxky cho lƣu vực có diện tích trên 100 km2. Cho đến nay quy định về phƣơng pháp tính lũ thiết kế vẫn chủ yếu dựa trên quy phạm này nên có một số bất cập nhƣ các bảng tra không đƣợc cập nhập; việc xác định một số thông số vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm và chủ quan của ngƣời tính toán. Đỗ Cao Đàm và nnk (1990) [6] đã xuất bản cuốn Thủy văn công trình, trong tài liệu có trình bày cách tính lũ thiết kế, các phƣơng pháp này chủ yếu cũng là các phƣơng pháp đã đƣợc đề cập trong QP.TL C - 6 - 77. Lê Đình Thành (1997) [7] đã nghiên cứu tìm ra khả năng và điều kiện ứng dụng phƣơng pháp tính mƣa lớn nhất khả năng (PMP) và lũ lớn nhất khả năng (PMF), từ đó kiến nghị một tiêu chuẩn tính lũ thiết kế hợp lý hơn cho điều kiện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã đề cập một cách chi tiết đến các phƣơng pháp cũng nhƣ tính lũ liên quan đến lũ lớn nhất khả năng, tuy nhiên đối với công trình giao thông mức độ và tiêu chuẩn cũng nhƣ tính chất của công trình nếu xét theo bài toán này cần phải có những nghiên cứu cụ thể hơn nữa trong tƣơng lai. Lê Văn Nghinh (2000) [8] đã biên soạn cuốn Nguyên lý Thủy văn, đây cũng là một tài liệu quan trọng đề cập đến tính toán các đặc trƣng thiết kế nhƣ dòng chảy năm, tháng, lũ, kiệt và mực nƣớc thiết kế. Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cũng bao gồm các phƣơng pháp nằm trong QP.TL C - 6 - 77. Tuy nhiên, tài liệu chủ yếu đề cập đến dòng chảy tháng và năm thiết kế phục vụ cho xây dựng và vận hành hồ chứa. Bộ môn TV&TNN (2003) [9] đã biên soạn cuốn Thủy văn thiết kế, đây cũng là tài liệu quan trọng dùng để tính toán các đặc trƣng thiết kế công trình. Tuy nhiên các phƣơng pháp và cách tiếp cận cũng dựa trên nền của QP.TL C - 6 - 77. Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) [10], đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu cảnh báo dự báo lũ vƣợt thiết kế - Giải pháp tràn sự cố” đã tiến hành xây dựng phần mềm tính lũ thiết kế. Phần mềm này cho phép tính lũ theo tần suất thiết kế dựa vào các công thức kinh nghiệm trong QP.TL C - 6 - 77 nêu trên, phƣơng pháp tính lũ đơn vị SCS, tính lũ lớn nhất khả năng PMF theo phƣơng pháp thống kê của Hasfield. Tuy nhiên phần mềm này cũng chƣa có sự cập nhập mới nào về bảng tra. 7
Hà Văn Khối và nnk (2012) [11] đã cập nhật và cho tái bản cuốn giáo trình Thủy văn công trình (ấn phẩm đầu tiên đƣợc xuất bản năm 1993) gồm 2 tập trong đó Tập 1 trình bày các phƣơng pháp tính toán lũ thiết kế. Về cơ bản các phƣơng pháp tính toán đều theo QP.TL C - 6 - 77, tuy nhiên cuốn giáo trình có cập nhập và giới thiệu thêm các kỹ thuật mới sử dụng trong tính toán lũ thiết kế nhƣ mô hình toán thủy văn bao gồm các mô hình thủy văn tất định tính toán dòng chảy từ mƣa, các mô hình lũ đơn vị. Ngô Lê Long và nnk (2015) [12] trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nƣớc “Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất các tiêu chuẩn thiết kế lũ, đê biển trong điều kiện biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng ở Việt Nam và giải pháp phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại” đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các công trình hồ chứa có xét tới tác động của biến đổi khí hậu. Nghiên cứu cũng đã xác lập đƣợc cơ sở khoa học và thực tiễn của các tiêu chuẩn thiết kế lũ đƣợc đề xuất trong điều kiện biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng ở nƣớc ta đảm bảo an toàn, an sinh xã hội. 1.2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho công trình giao thông Việc tính lũ phục vụ thiết kế các công trình giao thông trên thế giới đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Qua tìm hiểu và phân tích các tài liệu liên quan, có thể phân các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho các công trình thoát nƣớc trong giao thông nói chung thành hai nhóm chính: i) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Nhật, phương Tây và Mỹ và ii) nhóm các phương pháp sử dụng ở các nước Đông Âu, Nga và Việt Nam (hình 1.1). Hình 1.1 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông trên thế giới 8
1.2.1 Tính lũ thiết kế ở các nước Nhật, phương Tây và Mỹ +) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Nhật bản Tính lũ thiết kế ở Nhật đƣợc đề cập trong nhiều tài liệu tính toán thủy văn ở các hƣớng dẫn, quy phạm, quy chuẩn thiết kế công trình; một trong những tài liệu cơ bản mang tính pháp lý đƣợc sử dụng nhiều cho ngành giao thông là: Hƣớng dẫn tính thủy văn thủy lực - Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật cho các dự án thiết kế (phần kiểm soát lũ) [13], [14]. Nội dung của tài liệu đề cập đến việc sử dụng phƣơng pháp mô hình quan hệ cho những lƣu vực có diện tích A 100km2). Đối với các lƣu vực A > 20km2 ngoài phƣơng pháp mô hình quan hệ còn sử dụng đƣờng lũ đơn vị và phƣơng trình lƣợng trữ. Tại các công trình có số liệu lũ thực đo sử dụng phƣơng pháp thống kê xác suất theo lý thuyết của Bulletin (1982) với yêu cầu tối thiểu n ≥ 10 năm đo đạc. +) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Anh Tính lũ thiết kế đƣợc trình bày trong Hƣớng dẫn thiết kế cầu đƣờng Tiêu chuẩn kỹ thuật của Cơ quan đƣờng bộ quốc gia [15], [16] hoặc nhiều tài liệu khác, ở đây các phƣơng pháp cũng phân theo diện tích: đối với diện tích lƣu vực nhỏ (A < 20km2) và không đủ số liệu đo đạc lũ thì sử dụng các công thức đơn giản từ mƣa (mƣa năm), diện tích lƣu vực và các chỉ số về đất; còn đối với trƣờng hợp nhiều số liệu lũ thực đo thì tính theo phƣơng pháp thống kê xác suất. +) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Mỹ Các phƣơng pháp dùng tính lũ thiết kế trong giao thông ở Mỹ thƣờng đƣợc đề cập trong các tài liệu nhƣ: [17] Hƣớng dẫn tính thoát nƣớc trên đƣờng (AASHTO) [18]; Tài liệu giới thiệu mô hình toán thủy văn HEC; Thủy văn đƣờng bộ (FHWA) [19], [20]; Hƣớng dẫn kỹ thuật (TR55) hay các tiêu chuẩn thiết kế [21], [22], [23], [24]; Nhìn chung, các phƣơng pháp này đƣợc chia thành hai nhóm: i) Đối vùng rộng lớn, có số liệu thực đo sử dụng phƣơng pháp thống kê xác suất với các phân bố nhƣ Log Normal, PIII, Gumbell; ii) Đối với vùng không có số liệu thì dựa vào đặc tính của vùng để tính theo các phƣơng pháp nhƣ: mô hình quan hệ; đƣờng lũ đơn vị tổng hợp 9
SCS; các phƣơng trình hồi quy vùng và hồi quy theo USGS (dùng trong quy hoạch). Ngoài ra, phƣơng pháp TR55 (mô hình WinTR55) thƣờng dùng để tính lũ cho lƣu vực nhỏ A(F) 1h) đƣợc chuyển đổi thành lƣợng mƣa thời đoạn ngắn hơn (d 10 năm thống kê: Log PIII; liệu đầy đủ * Số liệu H, Q Bullentin 17B 2 2 7) Chuyển đổi * Lƣu vực tƣơng tự * Q, A1 (km ) và A2 (km ) +) Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Úc. Phƣơng pháp tính lũ thiết kế đƣợc đề cập 10
trong các tài liệu nhƣ các văn bản hƣớng dẫn tính toán thoát nƣớc các tiêu chuẩn, các nghiên cứu, kiến nghị. Các phƣơng pháp tính lũ bao gồm: phƣơng pháp mô hình quan hệ cho lƣu vực nhỏ với hệ số dòng chảy cho vùng nông thôn và đô thị với mức độ lặp lại khác nhau (C50 cho nông thôn, C10 cho đô thị). Trong đó, điều kiện ứng dụng mô hình quan hệ là diện tích A 20 km2 dùng các phƣơng pháp: phân tích tần suất trạm - thống kê xác suất (Các phân phối xác suất đƣợc sử dụng gồm EVT1, Log Normal, Log Pearson III); phân tích tần suất vùng (hồi quy vùng); mô hình quan hệ. Đối với diện tích lƣu vực nhỏ và đô thị (A < 10 km2) dùng mô hình quan hệ. Một số nghiên cứu tiêu biểu về các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Mỹ, Anh, Úc, Nhật nhƣ sau: Richard H.Mc Cuen (2002) [25] biên soạn tài liệu hƣớng dẫn tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Mỹ. Tài liệu đề cập đến cách tiếp cận, phƣơng pháp và điều kiện áp dụng trong thiết kế các công trình thoát nƣớc qua đƣờng bộ. Trong đó đề cập đến phƣơng pháp tính mƣa thiết kế tính riêng cho vùng có và không có trạm; Các phƣơng pháp xác định đỉnh lũ thiết kế bao gồm thống kê xác suất theo Gumbel và log Pearson III, phương trình hồi quy, phương pháp SCS - CN, mô hình quan hệ. Các công thức kinh nghiệm để xác định lƣu lƣợng đỉnh lũ và các đƣờng lũ đơn vị dạng phân tích và tổng hợp để xác định quá trình lũ thiết kế; các công thức xác định thời gian tập trung dòng chảy Tc. DPWH(2002) [26] đã biên soạn ''Hƣớng dẫn và tiêu chuẩn kỹ thuật ở Nhật bản, 2002, phần phân tích thủy văn thiết kế. Nội dung tính toán thủy văn gồm: quá trình khảo sát, điều tra, phân tích mƣa và dòng chảy (trạm đại biểu). Số liệu yêu cầu để tính lũ bao gồm mƣa ngày, mƣa giờ, biểu đồ mƣa thiết kế theo hình hình thế thời tiết, mực nƣớc 11
lớn nhất ngày, lƣu lƣợng lũ tự ghi, quan hệ H~Q. Trong đó, phƣơng pháp tất định dùng để xác định lũ thiết kế trong trƣờng hợp không có số liệu đo đạc. Phần tính mƣa thiết kế, tài liệu đã trình bày cách xây dựng và ứng dụng đƣờng cong IDF dùng tính lũ theo công thức mô hình quan hệ trong trƣờng hợp A 20km2 thì tính theo các bƣớc: Ứng dụng GIS xây dựng lƣu vực với bản đồ địa hình 1:50.000; tính mƣa thiết kế trung bình bao gồm lƣợng mƣa trung bình năm lớn nhất, lƣợng mƣa trung bình theo thời kỳ lặp lại theo phƣơng pháp số học, đa giác Thessien; lựa chọn phân bố mƣa điển hình và thiết lập đƣờng cong lũy tích điển hình cho mỗi thời khoảng; Tính lũ thiết kế theo các phƣơng pháp mô hình quan hệ, đường lũ đơn vị và phương trình lượng trữ. USACE - AED [27] có trình bày hai phƣơng pháp tính lũ thiết kế gồm đường lũ đơn vị (SCS) và mô hình quan hệ, trong đó đề cập đến các yếu tố chính cần xác định gồm: bộ đƣờng cong IDF của mƣa 24h (thời kỳ lặp lại T = 10, 20 và 50 năm), hệ số dòng chảy C, thời gian tập trung dòng chảy Tc và các đặc trƣng lƣu vực (diện tích, chiều dài, độ dốc). Engineers Australia (2006), (2013) [28], [29] trong tài liệu Hƣớng dẫn tính mƣa - dòng chảy phần tổn thất ở Úc, đề cập chi tiết trong AR&R các phƣơng pháp tính lũ thiết kế: mô hình quan hệ với hệ số dòng chảy đƣợc thiết lập theo thời kỳ lặp lại. C2, C5, C20, C50 các giá trị này đều tính theo C10; Phương pháp mô hình quan hệ, mô hình toán (RORB). Trong đó phƣơng pháp mô hình quan hệ và chỉ số lũ dùng cho lƣu vực nhỏ (A < 50 km2), còn phƣơng pháp RORB thì ứng dụng cho A ≥ 50 km2. Đƣờng quá trình lũ thiết kế đƣợc xây dựng bằng phƣơng pháp RORB cho lƣu vực lớn, còn đối với lƣu vực nhỏ phải sử dụng đƣờng quá trình lũ điển hình. Bruce (2007) [30] đã tổng quan các phƣơng pháp tính lũ thiết kế và xác định khẩu độ thoát nƣớc qua công trình cống và cầu nhỏ trên đƣờng ô tô ở Mỹ, từ năm 1911 các nhân viên bảo trì và kỹ sƣ đƣờng sắt của Mỹ - Hiệp hội đƣờng (AREMWA) dùng 6 công thức tính diện tích thoát nƣớc và 21 công thức cho lƣu lƣợng đỉnh lũ thiết kế. Đến năm 1962, Chow đã xây dựng 12 công thức tính diện tích thoát nƣớc và 62 công thức tính lƣu lƣợng lũ thiết kế. Tuy nhiên chỉ một vài công thức đƣợc ứng dụng rộng 12
rãi dành cho ngành cầu đƣờng Mỹ nhƣ: Bảng Dun (Dun’s table), công thức Myers và Talbot để tính diện tích cần thiết thoát nƣớc và công thức của Burkli - Ziegler để tính lƣu lƣợng đỉnh lũ. Bảng Dun đƣợc phát triển bởi James Dun, một kỹ sƣ trƣởng của đƣờng sắt Atchison, Topeka và Santa Fe, phiên bản đầu tiên năm 1890 và bản cuối cùng năm 1906. Công thức Myers đƣợc kỹ sƣ đƣờng sắt, E.T.C Myers phát triển đầu tiên vào năm 1879 có dạng √ với A diện tích thoát nƣớc và D là diện tích lƣu vực, C là hệ số phụ thuộc vào điều kiện mặt đệm. Công thức Talbot đƣợc xây dựng năm 1887 do giáo sƣ A.N.Talbot của đại học Illinois với diện tích thoát nƣớc cần thiết bao gồm: . Công thức tính lƣu lƣợng lũ do Burkli - Ziegler, một kỹ sƣ ngƣời Thụy Sĩ xây dựng năm 1880; Công thức dạng √ với q lƣu lƣợng lũ đơn vị (cfs/arce); C là hệ số dòng chảy có giá trị từ 0,31 đến 0,75; I là cƣờng độ mƣa (in/h); S là độ dốc lƣu vực; A là diện tích lƣu vực(arcres). Phƣơng pháp mô hình quan hệ theo Dooge (1957) (thực tế đƣợc xây dựng bởi Thomas Mulvany, 1851) để tính toán lũ thiết kế với công thức Q = C.I.A. Đến nay phƣơng pháp đã cải tiến vì thêm thời khoảng lặp lại và tần suất mƣa (TR40). Ngoài ra, Các phƣơng pháp nhƣ phân tích tần suất lũ theo Bullentin 17, phƣơng pháp mô hình quan hệ và SCS theo TR55 cũng đƣợc giới thiệu và ứng dụng trong các thời đoạn tiếp theo. Phƣơng pháp BPR của Cục giao thông công chính năm 1950 xác định lũ thiết kế theo thời khoảng 5, 10, 25 và 50 cho lƣu vực nông thôn và nhỏ hơn 1000 arces ở Đông và trung Mỹ. Phƣơng trình hồi quy vùng ứng với tần suất lũ, xây dựng năm 1960 do USGS thay vì sử dụng đồ thị để tra nhƣ trƣớc đây. Những phƣơng trình hồi quy này đƣợc ứng dụng rộng rãi tính lũ cho vùng nông thôn ở Mỹ. Và còn rất nhiều các nghiên cứu khác nữa cũng đề cập đến các vấn đề này, tuy nhiên nội dung cũng tƣơng tự nhƣ các phƣơng pháp đã nêu ở phần trên. Kết luận, từ tổng quan các phƣơng pháp nghiên cứu cho thấy, phương pháp mô hình quan hệ và đường lũ đơn vị SCS đƣợc sử dụng hầu hết ở các nƣớc Nhật, phƣơng Tây và Mỹ dùng để thiết kế công trình giao thông. Điều này chứng tỏ, mức độ tin cậy và tính hiệu quả của các phƣơng pháp. 13
1.2.2 Tính lũ thiết kế ở các nước Đông Âu và Nga Các phƣơng pháp tính lũ thiết kế đƣợc đề cập chủ yếu trong các tài liệu và quy trình, tiêu chuẩn ở Nga bao gồm: Quy trình BCH 63-67,''Quy trình khảo sát và thiết kế công trình vƣợt sông trên đƣờng sắt và đƣờng ô tô'' (quy trình BCH 63-67) trình bày các phƣơng pháp tính đặc trƣng lũ thiết kế trong điều kiện thiếu số liệu thực đo là các phƣơng pháp Cƣờng độ giới hạn, Xokolopsky. Phƣơng pháp cƣờng độ giới hạn đƣợc xây dựng dựa theo lý thuyết tập trung dòng chảy dạng tổng quát là: Qp = K.aτ.ατ.F với K là hệ số chuyển đổi đơn vị; aτ là cƣờng độ mƣa ứng với thời đoạn lớn nhất; ατ là hệ số dòng chảy; F là diện tích lƣu vực. Còn phƣơng pháp Xokolopsky là dạng công thức thể tích. Tiêu chuẩn thiết kế CH 435-72 (1972) ''Những chỉ dẫn về xác định các đặc trƣng thủy văn tính toán'' đã trình bày một số phƣơng pháp tính toán lƣu lƣợng thiết kế từ mƣa và mặt đệm trong trƣờng hợp thiếu số liệu thực đo lũ, các phƣơng pháp tính toán dòng chảy lũ đề cập đến nhƣ: phƣơng pháp Cƣờng độ giới hạn, phƣơng pháp Xokolopsky cho trƣờng hợp thiếu số liệu thực đo. Các phƣơng pháp này chính là các phƣơng pháp giới thiệu trong QP.TL C - 6 - 77 và TCVN 9845:2013 ở Việt Nam. Bapkov V.F., Andreev O.V (1972) xuất bản cuốn Thiết kế đƣờng ô tô, nội dung của cuốn sách phần tính toán thủy văn thiết kế trình bày các phƣơng pháp tính lũ thiết kế đối với trƣờng hợp không có số liệu thực đo bao gồm các phƣơng pháp Cƣờng độ giới hạn, Xokolopsky tƣơng tự nhƣ trong TC CH 435-72. Pêrêvôđonhekov B.F (1975) ''Tính toán dòng chảy cực đại trong thiết kế các công trình đƣờng ô tô''. Trình bày phƣơng pháp tính lũ thiết kế cũng bằng phƣơng pháp Cƣờng độ giới hạn, Xokolopsky trong trƣờng hợp thiếu số liệu. Ngoài ra, còn rất nhiều nhà khoa học uy tín của Nga nghiên cứu xây dựng theo các dạng khác nhau, điển hình nhƣ Kocherin; Protodiakonov; Bephan; Alekceev. Có thể tóm tắt các phƣơng pháp sử dụng ở các nƣớc này nhƣ bảng sau: 14
Bảng 1.2 Bảng thống kê các phƣơng pháp tính lũ thiết kế ở Đông Âu và Nga Phƣơng pháp Tóm tắt yêu cầu của phƣơng pháp Số liệu yêu cầu 1) Thống kê xác * Có trạm đo đạc mực nƣớc và lƣu * Số liệu lũ thực đo (Q) (giờ), (m3/s) suất lƣợng lũ * Dòng chảy do mƣa rào * Lƣu vực lớn * Số liệu dài, tin cậy, đồng nhất, ngẫu nhiên; n > 30 năm 2) Lƣu vực tƣơng * Đồng nhất về địa hình và khí hậu * Diện tích lƣu vực A (km2) tự * Trạm tƣơng tự * Q, A1, A2 3) Cƣờng độ giới * Diện tích A 100 km2 * Hệ số dòng chảy, α * Đƣờng cong triết giảm mƣa * Hệ số hình dạng lũ, f * Lƣu lƣợng sông trƣớc lũ * Diện tích lƣu vực, A (km2) * Lƣợng mƣa thiết kế Hτ tính từ Ψτ * Lớp tổn thất ban đầu, Ho (mm) * Thời gian lũ lên bằng thời gian tập * Hệ số ao hồ đầm lầy δ trung dòng chảy * Thời gian lũ lên Tl (h) * Tần suất mƣa bằng tần suất lũ * Lƣợng mƣa ngày , Hnp% 1.2.3 Tính lũ thiết kế ở Việt Nam 1.2.3.1 Quy định về cấp đường và tần suất lũ thiết kế Công trình giao thông ở Việt Nam đƣợc quy hoạch và xây dựng theo các tuyến phục vụ giao thƣơng giữa các tỉnh thành và các nƣớc trong khu vực. Quy định cấp đƣờng 15
dựa vào mật độ phƣơng tiện giao thông (lƣu lƣợng phƣơng tiện đi lại trên đƣờng), những nơi tuyến đƣờng đi qua nhƣ đô thị hoặc vùng trọng yếu xây dựng theo cấp cao (I, II, III) còn nhƣ vùng nông thôn, vùng đồi núi hay trung du là đƣờng cấp thấp (IV, V, VI). Các tuyến đƣờng đều có yêu cầu tính lũ thiết kế và có báo cáo thủy văn, thủy lực (sau năm 1995), đặc trƣng thủy văn thiết kế quan trọng là mực nƣớc đỉnh lũ và lƣu lƣợng đỉnh lũ, giá trị này dùng để xây dựng cầu, cống, rãnh thoát nƣớc. Những nơi không có đủ số liệu thì tính lũ thiết kế từ lƣợng mƣa 1ngày max và đặc trƣng mặt đệm. Đƣờng miền núi chiếm 70% tổng số km đƣờng trên toàn quốc đƣợc thiết kế với cấp IV, V và VI với tần suất lũ 2 - 4% các hạng mục thoát nƣớc không đầy đủ hoặc không đủ năng lực thoát nƣớc. Các phƣơng pháp tính phụ thuộc vào diện tích, tình trạng số liệu thủy văn và mức độ quan trọng của công trình. Đối với cầu lớn và cầu trung (chiều dài cầu L > 25m) và có nhiều số liệu thủy văn thì tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp thống kê xác suất; ngƣợc lại nếu không có số liệu thủy văn thì tính theo phƣơng pháp Xokolopsky. Đối với lƣu vực nhỏ, các công trình thoát nƣớc trên đƣờng nhƣ cầu nhỏ, cống và đƣờng tràn thƣờng dùng các công thức kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm nhƣ: công thức Cƣờng độ giới hạn, Triết giảm. Tần suất thiết kế công trình thoát nƣớc trên đƣờng giao thông theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 - 01 và tiêu chuẩn thiết kế đƣờng ôtô 22 TCN 273 - 01 [21] [31]. Bảng 1.3 Quy định về tần suất lũ Cấp đƣờng Loại công trình Đƣờng cao tốc, đƣờng cấp I II và III IV Nền đƣờng Nhƣ đối với cầu nhỏ và cống Cầu lớn và cầu trung 1: 100 1: 100 1: 50 Cầu nhỏ và cống 1: 100 1: 50 1: 25 Rãnh 1: 25 1: 25 1: 25 Ghi chú:1. Đối với các cầu có khẩu độ Lc ≥10m và các kết cấu vĩnh cửu thì tần suất lũ 16
tính toán lấy bằng 1:100 và không phụ thuộc vào cấp đƣờng II. Đối với đƣờng nâng cấp cải tạo nếu có khó khăn lớn về kỹ thuật hoặc phát sinh khối lƣợng lớn thì cho phép hạ tiêu chuẩn về tần suất lũ tính toán nếu đƣợc sự đồng ý của cơ quan có thẩm quyền. 1.2.3.2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế Tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam phụ thuộc vào diện tích lƣu vực, tình trạng số liệu thủy văn và mức độ quan trọng của công trình (cấp công trình). Có thể phân thành hai nhóm: i) nhóm phƣơng pháp phân tích thống kê và ii) nhóm phân tích nguyên nhân hình thành (hình 1.2): Hình 1.2 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông ở Việt Nam i) Nhóm phƣơng pháp thống kê xác suất khi có nhiều số liệu đo đạc lũ (các phân phối gồm Log Pearson III, Pearson III, Kritsky - Mennkel). Hiện nay, có nhiều phần mềm vẽ đƣờng tần suất đƣợc xây dựng để tính các tham số thống kê nhằm tăng độ chính xác và tiện dụng. Tuy vậy, các công trình giao thông phần lớn đều có vị trí tại các sông, suối không có số liệu lũ thực đo để ứng dụng phƣơng pháp thống kê xác suất. ii) Nhóm phƣơng pháp phân tích nguyên nhân hình thành, gồm các công thức kinh nghiệm theo Liên xô cũ (1-1); (1-2); (1-4) và các công thức kinh nghiệm xây dựng cho từng vùng: + Công thức Cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực F 100 km2 (1-1) 17
+ Công thức Cƣờng độ giới hạn cho lƣu vực nhỏ F 30 km2 (1-2) Trong đó a tính từ H và  :  (1-3) ,p n,p T + Công thức Xokolopsky cho lƣu vực F > 100 km2 ( ) (1-4) Thực tế, công thức Cƣờng độ giới hạn (A < 100 km2) là công thức tính đỉnh lũ theo cƣờng độ mƣa lớn nhất giới hạn trong khoảng thời gian tập trung dòng chảy. Các công thức đều cần các bảng tra nhƣ: Bảng tra hệ số dòng chảy; bảng tra thời gian tập trung dòng chảy; bảng tra mô đun đỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế, bảng tra hệ số triết giảm ao hồ, đầm lầy, bảng tra hệ số nhám sƣờn dốc và lòng sông. Công thức Xokolopsky thuộc nhóm công thức thể tích phụ thuộc vào lƣợng mƣa thời đoạn, lớp nƣớc tổn thất ban đầu (H0), hệ số hình dạng biểu đồ lũ và các thông số mặt đệm khác. Các phƣơng pháp khi áp dụng ở Việt Nam cho đến nay bộc lộ rất nhiều hạn chế. Một số nghiên cứu điển hình có đề cập đến tính lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam bao gồm: Mai Anh Tuấn (2003) [32] là luận án tiến sỹ nghiên cứu về các hạn chế trong tính thủy lực thủy văn, lũ thiết kế trong ngành giao thông, tác giả đã thống kê các hƣ hỏng trên đƣờng giao thông và đánh giá nguyên nhân xảy ra sự cố. Có nhiều nhóm nguyên nhân đƣợc đề cập nhƣ: do địa chất, kết cấu và thi công và do thủy lực thủy văn. Với những nguyên nhân này, tác giả đã kết luận một số vấn đề còn hạn chế trong tính thủy lực thủy văn nhƣ: việc quy định tần suất lũ, các hệ số, các bảng tra và các vấn đề liên quan đến tích nƣớc trƣớc cống và khẩu độ. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới dừng ở việc tổng kết những nhƣợc điểm của phƣơng pháp tính toán thủy văn, thủy lực chƣa đƣa ra lời giải thích hay cách khắc phục một cách triệt để. Trần Đình Nghiên (2003) [33] trình bày những thông tin cơ bản và cập nhật nhằm đáp ứng nhu cầu của sinh viên, các kỹ sƣ, học viên cao học trong lĩnh vực xây dựng công trình cầu, đƣờng nói riêng và cơ sở hạ tầng nói chung khi giải quyết vấn đề tác động tƣơng hỗ giữa công trình và dòng sông, đây một tài liệu cập nhật các kiến thức 18
thuỷ lực, động lực học dòng sông và thuỷ lực công trình cầu cống. Tác giả đã đƣa ra một số công thức mới của các nƣớc. Các phƣơng pháp mới dừng ở việc giới thiệu các phƣơng pháp cho ngƣời đọc. Nguyễn Quang Chiêu & Trần Tuấn Hiệp (2004) [34] đề cập đến việc điều tra khảo sát thủy văn, tính toán lƣu lƣợng nƣớc, chọn loại cống, cầu nhỏ, xác định khẩu độ cầu nhỏ, cống đƣờng tràn, tính toán các thiết bị tiêu năng, tính xói hạ lƣu các cầu cống. Trong tài liệu này có trình bày đến phƣơng pháp tính lũ theo công thức đơn giản của Bônđakôp (Nga), phƣơng pháp đƣợc cho là tiện dụng đối với công trình thoát nƣớc nhỏ. Tuy nhiên, trong điều kiện hiện nay cũng còn nhiều vấn đề chƣa đƣợc cập nhật. Bộ GTVT, Sổ tay tính toán thủy văn - thủy lực cầu đƣờng (2006) [35], [36], [31] Do nhóm kỹ sƣ thuộc Vụ khoa học công nghệ, Bộ Giao thông Vận tải viết về cách tính thủy văn, thủy lực cho các công trình giao thông trong các điều kiện về địa hình và tài liệu khác nhau. Các công thức vẫn chủ yếu dựa theo QP.TL C - 6 - 77 với các bảng tra đã đƣợc xây dựng từ những năm 80 trở về trƣớc, đƣợc áp dụng theo QP của Nga hoặc xây dựng trong điều kiện chuỗi số liệu còn ngắn, đến nay vẫn chƣa đƣợc cập nhập. Các phƣơng pháp mới chỉ mang tính giới thiệu chứ chƣa có quy trình tính và cập nhật theo các kỹ thuật hiện đại. Nguyễn Xuân Trục (2009 [37] đề cập theo hai vấn đề lớn: Đối với công trình vƣợt qua sông suối lớn (cầu lớn và cống), đề xuất công thức tính toán lƣu lƣợng và mực nƣớc thiết kế, xói lở lòng cầu và thƣợng hạ lƣu cầu, ảnh hƣởng nƣớc dâng khu vực cầu, đề xuất cao trình cầu, đƣờng dẫn theo các công thức của Liên xô và công thức thực nghiệm. Đối với công trình vƣợt qua sông suối nhỏ (cầu nhỏ và cống) tác giả đề xuất công thức tính lƣu lƣợng từ lƣợng mƣa thiết kế. Các công thức chính là các công thức thực nghiệm của Liên xô cũ có điều chỉnh các tham số. Thực tế, cho đến nay các công trình đều tính theo các phƣơng pháp nêu trong tài liệu này. Đoàn Nhƣ Thái Dƣơng (2012) [38] (Luận văn thạc sỹ), cũng chỉ ra các sự cố trên đƣờng miền núi sau mƣa lũ và đƣa ra các giải pháp thiết kế thiết kế nhằm giảm thiểu những ảnh hƣởng của mƣa lũ đến công trình giao thông. Giải pháp chỉ mang tính cải tiến về mặt xây dựng. Nguyễn Tiến Cƣơng (2012) [39] (Luận văn thạc sỹ), đã đề cập về thực trạng công trình giao thông thuộc tỉnh Hòa bình về những sự cố sau mƣa lũ: sụt trƣợt, xói lở công 19
trình cầu cống, công trình thoát nƣớc và xác định nguyên nhân tác động là do nƣớc mƣa, nƣớc ngầm, từ đó đề xuất các biện pháp công trình nâng cao hiệu quả khai thác. Trong tính thử nghiệm, vẫn sử dụng các phƣơng pháp tính lũ thiết kế theo TCVN 9845. Đề tài mới chỉ là đƣa ra giải pháp nhằm nâng cao năng lực của công trình chứ chƣa nghiên cứu chi tiết về phần tính lũ và đề xuất phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông. Nguyễn Anh Tuấn (2014) [40] (Luận án tiến sỹ kỹ thuật), đã tính lại Hn,p (lƣợng mƣa ngày lớn nhất ứng với tần suất) tại 14 trạm khí tƣợng điển hình trên toàn quốc và tọa độ đƣờng cong mƣa cho 1 - 1440 phút tại một số trạm trên phục vụ cho công tác tính lƣu lƣợng bằng công thức cƣờng độ giới hạn. Trong luận án có nghiên cứu cụ thể việc tính đặc trƣng mƣa ngày cho các trạm điển hình, tuy nhiên mới dừng lại ở phần tính toán đặc trƣng mƣa mà chƣa cụ thể đƣợc phƣơng pháp tính lũ cho công trình giao thông cho vùng nghiên cứu. 1.3 Những hạn chế trong tính lũ thiết kế cho giao thông ở Việt Nam Qua nghiên cứu, phân tích và đánh giá tổng quan cho thấy tính toán lũ thiết kế cho công trình giao thông ở Việt Nam có một số hạn chế nhƣ: i) Hiện nay, việc chọn tần suất mới dựa vào cấp đƣờng mà chƣa xét đến các điều kiện bất lợi khác nhƣ điều kiện tự nhiên và khí tƣợng thủy văn của vùng xây dựng công trình dẫn đến tình trạng công trình không đủ năng lực và gặp nhiều sự cố. Điển hình nhƣ lũ 2014 trên toàn tỉnh Lạng Sơn (lũ lịch sử năm 1986, 2008, 2014) rất nhiều tuyến đƣờng bị hƣ hỏng phải sửa, các taluy bị sạt lở, đƣờng bị ngập nhiều giờ gây ách tắc giao thông, công trình cầu cống bị hƣ hỏng nặng nề. ii) Việc tính lũ thiết kế mới chú trọng xác định đỉnh lũ mà chƣa xét đến tổng lƣợng lũ (W) dẫn đến tổng lƣợng nƣớc đổ dồn vào công trình, không kịp thoát (khẩu độ nhỏ), tạo hiện tƣợng tích nƣớc ở thƣợng lƣu đối với các công trình, tạo áp lực khí gây hỏng mố cầu cống hay đuôi cống, mặt đƣờng bị phá hai bên thân cống [32]. iii) Tiêu chuẩn 22TCN-220-95 [31] đƣợc xây dựng trong điều kiện tài liệu quan trắc lúc bấy giờ còn ít, không có điều kiện kiểm nghiệm, nên hƣớng tiếp cận là sử dụng các 20
công thức chủ yếu từ Liên xô cũ với phƣơng pháp và các bảng tra chƣa đƣợc cập nhật dẫn đến sai số trong tính toán: - Việc tra hệ số dòng chảy (phụ thuộc vào cấp đất, diện tích lƣu vực và lƣợng mƣa). Cơ sở khoa học của bảng tra này rất hạn chế vì bản đồ loại đất và thảm phủ thực vật đều là các bản đồ giấy, đƣợc xây dựng từ lâu, nhất là cho khu vực Đông Bắc. Đặc biệt trên lƣu vực có nhiều loại đất và thảm phủ sẽ rất khó xác định hệ số dòng chảy. - Việc tra thời gian chảy truyền trên sƣờn dốc (phụ thuộc vào hệ số địa mạo sƣờn dốc và vùng mƣa) với hệ số địa mạo sƣờn dốc phụ thuộc vào cấp đất, vùng mƣa và các đặc trƣng lƣu vực; Các thông số này đều khó xác định chi tiết với cách tính truyền thống. - Việc tra mô đun dòng chảy theo tần suất (mô đun dòng chảy lớn nhất) phụ thuộc vào (thời gian chảy trên sƣờn dốc; hệ số địa mạo lòng sông; vùng mƣa); bảng tra đã đƣợc xây dựng từ lâu với điều kiện số liệu rất hạn chế, chuỗi số ngắn. Vùng mƣa rộng lớn quy định không rõ, rất khó xác định chính xác vùng mƣa của lƣu vực thoát nƣớc. - Việc tra tọa độ đƣờng cong triết giảm mƣa phụ thuộc vào vùng mƣa, thời đoạn mƣa, thời gian tập trung dòng chảy, trong đó thời tập trung dòng chảy phụ thuộc vào điều kiện của lƣu vực; bảng tra này cũng đƣợc xây dựng từ lâu trong điều kiện hạn chế về số liệu, chuỗi số liệu để xây dựng ngắn dẫn tính chính xác không đảm bảo. Vùng mƣa quá lớn, các kết quả tính mƣa thiết kế sẽ bị thiên lớn hoặc thiên nhỏ. - Việc tra hệ số nhám sƣờn dốc (n) (phụ thuộc vào hiện trạng sử dụng đất, tỷ lệ cây cỏ); Tra hệ số nhám lòng sông (phụ thuộc vào đặc điểm của lòng sông); Tra hệ số triết giảm do ảnh hƣởng của ao hồ (diện tích ao hồ đầm lầy). Các hệ số này cũng rất khó xác định. Kết luận, các bảng tra là cơ sở khoa học của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế cho công trình giao thông hiện tại đã cũ, chủ yếu sử dụng từ các nghiên cứu ở Liên Xô cũ và đƣợc xây dựng từ số liệu rất hạn chế ở Việt Nam (bản đồ tỉ lệ nhỏ, chuỗi số liệu quan trắc ngắn), khả năng hỗ trợ trong tính toán còn theo cách truyền thống, chƣa cập nhập 21
các công cụ hiện đại nên kết quả không tránh khỏi những sai số không mong muốn và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm ngƣời tính. 1.4 Đề xuất hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Từ những hạn chế trong các phƣơng pháp tính lũ cho ngành giao thông ở Việt Nam, và ƣu điểm trong một số phƣơng pháp tính lũ thiết kế đang đƣợc sử dụng ở các nƣớc phƣơng Tây, Nhật và Mỹ (Tính ƣu việt bởi khả năng cập nhật thông tin liên tục về bề mặt và việc sử dụng các mô hình toán, các kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) hỗ trợ tính toán), luận án đã lựa chọn hƣớng tiếp cận các phƣơng pháp nghiên cứu tính lũ thiết kế (Mô hình quan hê, SCS-CN và hồi quy vùng) cho các công trình thoát nƣớc cho khu vực vùng núi Đông Bắc nhƣ minh họa trong hình 1.3: i) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, điều kiện ứng dụng và yêu cầu số liệu (các thông số cần xác định) của các phƣơng pháp lựa chọn (chi tiết ở mục 1.5); ii) Nghiên cứu đặc trƣng mƣa (mục 2.2.1): gồm biến động của mƣa lũ thông qua thống kê và đánh giá các hình thế thời tiết gây mƣa lũ trong khu vực; sự biến động của mƣa lũ theo không gian và thời gian. Trong đó, phƣơng pháp Mann - Kendall và Sen đƣợc sử dụng để đánh giá sự biến động của mƣa theo thời gian, phƣơng pháp phân tích tần suất, xây dựng các bộ đƣờng cong IDF (Cƣờng độ mƣa - Thời gian mƣa - Tần suất) cho các tiểu vùng khác nhau trong khu vực cũng nhƣ chuyển đổi (chi tiết hóa) mƣa ngày thành mƣa thời đoạn ngắn. Kỹ thuật Viễn thám và GIS đƣợc sử dụng để cập nhập các số liệu mới từ ảnh vệ tinh và phân tích không gian để đánh giá sự biến động của mƣa theo không gian và xây dựng các bản đồ đẳng trị về biến đổi lƣợng mƣa, hệ số biến đổi lƣợng mƣa Cv theo không gian trong khu vực nghiên cứu; iii) Nghiên cứu phân tích điều kiện mặt đệm của khu vực Đông Bắc (mục 2.2.2) bao gồm nghiên cứu phân tích các đặc trƣng hình thái của tiểu lƣu vực thoát nƣớc qua cầu, nghiên cứu xây dựng bản đồ chỉ số CN, bản đồ hệ số dòng chảy C, bản đồ hệ số nhám Manning và các bảng tra phụ trợ, kỹ thuật Viễn thám và mô hình phân tích không gian trong GIS đƣợc sử dụng để tận dụng ƣu điểm của dữ liệu không gian và khả năng cập nhật nhanh những dữ liệu này khi áp dụng thực tế; 22
iv) Tính toán thử nghiệm, đánh giá kết quả: phân tích cơ sở và các điều kiện áp dụng từng phƣơng pháp lựa chọn đề xuất các phƣơng pháp phù hợp cho từng loại công trình và phù hợp với đặc điểm của vùng nghiên cứu (chƣơng III). Tổng quan tài liệu, các bài báo và các nghiên cứu. Lựa chọn phƣơng pháp Phƣơng pháp mô Phƣơng pháp SCS–CN Phƣơng trình hồi quy hình quan hệ - Bản đồ chỉ số CN vùng - Hệ số dòng chảy C - Đƣờng lũ đơn vị - Diện tích lƣu vực A - Cƣờng độ mƣa I - Diện tích lƣu vực A - Độ dốc lƣu vực S - Diện tích lƣu vực A - Mƣa Nghiên cứu đặc trƣng mƣa Nghiên cứu điều kiện mặt đệm - Biến động theo - Tính mƣa thiết kế: Xây dựng Xây Xây Xây dựng không gian: + Chi tiết hóa mƣa và phân dựng bản dựng bản bản đồ hệ Biến động hệ số ngày thành thời đoạn tích lƣu đồ chỉ số đồ hệ số số nhám CV; ngắn vực và đặc CN dòng Manning n - Biến động theo + Cƣờng độ mƣa trƣng lƣu chảy C thời gian: Tăng (IDF) vực giảmtheo xu thế + Lƣợng mƣa thiết của Mann kế Kendall và Sen + Đƣờng lũy tích mƣa 24h. Xây dựng cơ sở khoa học tính mƣa và mặt đệm Tính toán thử nghiệm cho công trình cầu - Nhóm cầu có A 100 km2 Xây dựng phần mềm hỗ trợ và đề xuất áp dụng phƣơng pháp phù hợp cho khu vực nghiên cứu Hình 1.3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 23
v) Xây dựng chƣơng trình tính nhằm tích hợp tất cả các kết quả đạt đƣợc cùng với quy trình hƣớng dẫn tính toán lũ thiết kế cho các công trình giao thông thuộc khu vực vùng núi Đông Bắc với mong muốn chƣơng trình này giải quyết đƣợc một số hạn chế trong tính toán hiện nay, đồng thời để mở cho phép ngƣời dùng tiếp tục cập nhật và hoàn thiện các phƣơng pháp tính (mục 3.4). 1.5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 1.5.1 Đặc điểm tự nhiên 1.5.1.1 Vị trí địa lý Theo phân chia trƣớc đây, vùng Đông Bắc nƣớc ta gồm các tỉnh nhƣ Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang, Bắc Ninh, Quảng Ninh, Hải Phòng.Trong nghiên cứu này, vùng Đông Bắc đƣợc giới hạn bởi các tỉnh Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Kạn, Lạng Sơn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Quảng Ninh. Lào Cai, Tuyên Quang, Yên Bái. Đông Bắc tiếp giáp với Trung Quốc ở phía bắc và phía đông, phía Đông nam trông ra vịnh Bắc Bộ, phía Nam giới hạn bởi dãy núi Tam Đảo và vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng. Hình 1.4 Bản đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đông Bắc) 24
1.5.1.2 Đặc điểm địa hình Vùng Đông Bắc là khu vực có địa hình đồi núi dốc cao, vực thẳm, chia cắt mạnh, lại nằm trong những tâm mƣa lớn, trong mùa mƣa lũ tình trạng sạt trƣợt núi, cắt đứt đƣờng, làm trôi cầu giao thông xảy ra khá nghiêm trọng. Hai tỉnh Lạng Sơn và Bắc Kạn thuộc vùng núi Đông Bắc với 80% diện tích đồi núi có địa hình thay đổi lớn nhƣ: Địa hình vùng núi cao, địa hình vùng đồi núi thấp, địa hình núi đá vôi, địa hình thung lũng kiến tạo - xâm thực. Ở đây là vùng đầu nguồn của các con sông lớn với độ dốc phức tạp tạo điều kiện hình thành các trận lũ quét, lũ ống hay lũ cực hạn nếu diễn biến về thảm phủ bị thay đổi theo chiều hƣớng xấu đi. Chiếm phần lớn là diện tích núi, đồi, có nhiều dãy núi cao ở phía Tây, đặc biệt dãy Hoàng Liên Sơn, chạy dọc theo hƣớng Đông Bắc - Tây Nam, ở phía Đông lại có những dãy núi cao chạy theo hình cánh cung, đồng thời có nhiều con sông, suối bắt đầu nguồn từ núi cao đổ xuống phía đồng bằng làm cho địa hình của Đông Bắc chia cắt phức tạp. Dƣới đây là bản đồ chi tiết về địa hình thuộc hai tỉnh nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án (Hình 1.5). Dãy núi Ngân Sơn Dãy núi Mẫu Sơn Hình 1.5 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) 25
1.5.1.3 Đặc điểm địa chất thổ nhưỡng Sự hình thành cũng nhƣ quá trình phát sinh của lớp vỏ thổ nhƣỡng có mối liên quan chặt chẽ với đá và khoáng chất hình thành thổ nhƣỡng. Có khoảng 20 phân vị địa tầng, có tuổi từ Cambri đến Đệ Tứ. Đất đá chủ yếu trong các phân vị này nhƣ sau: Đá granit (thuộc nhóm đất macma a xít có hàm lƣợng SiO2 rất cao), đất đƣợc hình thành từ loại đá này thƣờng có thành phần cơ giới nhẹ, tầng mỏng, độ phì nhiêu thấp: o Đá Anđêzit (là loại đá thuộc nhóm macma trung tính chƣa nhiều loại khoáng chất, đây là loại đá dễ bị phong hóa cho lớp phủ thổ nhƣỡng dày, thành phần cơ giới nặng, cấu trúc tơi xốp. o Nhóm đá trầm tích gồm 6 loại đá và các mẫu đất:  Đá vôi, Đá granit; Đá phiến sét; Đá cát; Đá Macma trung tính; Sản phẩm bồi tụ;  Nhóm đất nâu đỏ; Nhóm đất nâu vàng; Nhóm đất xám feralit; Nhóm đất xám mùn trên núi; Nhóm đất phù sa chua, phèn tiềm tàng và xói mòn mạnh trơ sỏi đá [41]. Trong đó: Nhóm đất feralít đỏ vàng phát triển trên đá phiến thạch sét, phiến sa và biến chất. Loại đất này thƣờng có khả năng giữ nƣớc kém, tỷ lệ sắt trong đất cao, giầu canxi. Nhóm đất feralít đỏ vàng phát triển trên đá macma a xít, phân bố tập trung ở sƣờn một số dãy núi nằm ở phía Tây và Tây Nam khu vực; độ dày tầng đất vào loại trung bình và mỏng. Nhóm đất phát triển trên đá kiềm (đá vôi, đá bazic), loại đất đá vôi, đất tốt, thích hợp cho trồng cây nông nghiệp ngắn ngày, giầu chất canxi, nhƣng độ dày không đồng đều và thiếu nƣớc mặt, loại đất phát triển trên đá giầu chất dinh dƣỡng, độ dày thƣờng sâu. Nhóm đất phù sa, phát triển trên phù sa cổ tập trung ở phần hạ lƣu sông, đất có tầng sâu dày, nhƣng bạc màu. 1.5.2 Đặc điểm khí tượng thủy văn a) Đặc điểm khí tƣợng Vùng Đông Bắc là nơi tập trung tâm mƣa lớn của cả nƣớc nhƣ tâm mƣa Bắc Quang, Móng Cái, Đình Lập. Mùa mƣa ở khu vực Đông Bắc từ tháng V đến tháng IX, lƣợng mƣa chiếm từ 75 - 80% tổng lƣợng mƣa năm, tháng có lƣợng mƣa lớn nhất là tháng 26
VII và tháng VIII với lƣợng mƣa phân bố trên 300mm/ tháng. Các tâm mƣa lớn xuất hiện ở những vùng núi cao đón gió mùa ẩm, nhƣ ở dãy núi Tam Đảo ở hữu ngạn sông Công (trên 2600mm), dãy núi Yên Tử (trên 2000mm), vùng Bắc Quang, Đình Lập, Móng Cái. Mùa mƣa vào các tháng V - IX, có năm sớm hơn từ tháng IV. Lƣợng mƣa ngày lớn nhất đã quan trắc đƣợc ở một số trạm nhƣ sau: Tại Đình Lập: 306,4mm ngày 14/7/1971. Tại Bắc Kạn: 456,1mm ngày 17/10/1984. Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với đặc trƣng khí hậu miền Bắc có mùa đông lạnh, mƣa ít; mùa hè nóng ẩm, mƣa nhiều. Nhiệt độ trung bình năm là 20-22 0C, cao nhất là 32,50C, thấp nhất là 1,60C [41]. Gió mùa đã gây ra hiện tƣợng mƣa mùa và phân hoá theo không gian. Lƣợng mƣa trung bình năm bình quân khoảng 1.084 mm, phân bố không đều theo vùng và theo mùa. Mùa mƣa từ tháng IV đến tháng IX có mƣa nhiều, lƣợng mƣa chiếm khoảng 80 - 85% lƣợng mƣa cả năm. Độ ẩm không khí trung bình hàng năm vào khoảng 82,0%. Có 2 hƣớng gió chính là gió Đông Bắc thổi từ tháng XII đến tháng IV năm sau và gió Đông Nam thổi từ tháng V đến tháng XI. Nơi đây cũng có các tháng mùa hạ mƣa lớn, mƣa tập trung dễ gây ra lũ ống, lũ quét, xói mòn đất đai [41]. Các đặc trƣng trung bình nhiều năm có thể nêu tóm tắt trong bảng sau: Bảng 1.4 Các đặc trƣng khí tƣợng trung bình nhiều năm TT Các đặc trƣng Trung bình năm Cao nhất Thấp nhất 1 Nhiệt độ 20- 22oC 32,5oC 1,6 2 Mƣa 1000- 1510 mm 2000mm 800mm 3 Độ ẩm 84% 90% 61% 4 Bốc hơi 753,5 mm 823,2 682.8 5 Hƣớng gió thịnh hành Đông Bắc, Đông Nam Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng thuỷ văn, Bộ TN&MT( 2015) và [55] b) Đặc điểm thuỷ văn. Kết quả của các nghiên cứu [7], [9], [11] cho thấy: nguyên nhân gây lũ lớn ở các sông khu vực miền Bắc rất phức tạp do tổ hợp của nhiều loại hình thời tiết. Mùa lũ thƣờng kéo dài 4-5 tháng từ VI - IX hoặc X, chiếm 75-80% lƣợng nƣớc cả năm, trong đó 27
tháng có lũ lớn nhất thƣờng là tháng VII, VIII. Mùa lũ trên tất cả các sông là khá ổn định. Mùa lũ ở các sông vùng Đông và Đông Bắc kết thúc sớm hơn ở các sông vùng phía Tây phù hợp với quy luật mƣa trên khu vực.Với đặc điểm mƣa gây lũ và điều kiện địa hình lƣu vực, sông suối mà lũ ở các sông Miền Bắc có những đặc điểm nổi bật: - Lũ xảy ra khá đồng bộ trên các lƣu vực sông vì nguyên nhân gây mƣa trên diện rộng, nên có sự tƣơng quan đỉnh lũ lớn nhất hàng năm giữa các sông là khá chặt chẽ với hệ số tƣơng quan 0,40-0,50 trên lƣu vực sông Đà và 0,70-0,90 trên lƣu vực sông Thao, sông Lô; - Lũ thƣờng kéo dài nhiều ngày do nhiều hình thái thời tiết gây mƣa lũ kết hợp hoặc nối tiếp nhau (có những trận mƣa gồm 4-5 đợt mƣa kế tiếp nhau). Do vậy đa phần lũ có dạng kép nhiều đỉnh và thời gian lũ lên dài [7]. Trong khu vực nghiên cứu, đặc điểm của các hệ thống sông suối chính ở Bắc Kạn nhƣ sau: các sông suối có đặc điểm chung là lòng nhỏ và dốc, nên tốc độ dòng chảy rất lớn, nhất là trong mùa mƣa lũ. Sông Cầu chảy qua địa bàn tỉnh dài 103 km, diện tích lƣu 2 3 3 vực là 510 km , Qtb năm là 73 m /s, mùa lũ Qtb là 123 m /s, độ dốc dòng chảy trung bình là 1,75 %0, tổng lƣợng nƣớc khoảng 798 triệu m3. Sông Bắc Giang chảy qua trên địa bàn tỉnh dài 28,6 km, chiều rộng lòng sông từ 40 - 60 m, độ chênh cao giữa dòng và mặt ruộng khoảng 4 - 5 m, lƣu lƣợng bình quân vào mùa lũ lên tới 2.100 m3/s (năm 1979), tổng lƣợng nƣớc trên lƣu vực khoảng 794 triệu m3. Sông Yến Lạc trên địa bàn tỉnh dài 55,5 km uốn khúc theo chân các dãy núi cao, lƣu lƣợng thay đổi đột ngột, lòng sông hẹp. Sông Năng trên địa bàn tỉnh dài 87 km, tổng lƣợng nƣớc khoảng 1,33 tỷ m3 là nguồn cung cấp nƣớc chính cho hồ Ba Bể. Sông Gâm chảy qua địa bàn tỉnh Bắc Kạn dài 16 km với diện tích lƣu vực khoảng 154 km2. Sông Phó Đáy chảy qua trên địa bàn tỉnh dài 36 km với diện tích lƣu vực khoảng 250 km2 [41]. Còn ở Lạng Sơn, mật độ trung bình sông suối chính có từ 0,6 - 12 km/km2, có 3 hệ thống gồm: Sông Kỳ Cùng thuộc hệ thống sông Tây Giang (Trung Quốc), bắt nguồn từ vùng núi Bắc Xa (Đình Lập) chảy từ Đông Nam lên Tây Bắc qua Lộc Bình, thành phố Lạng Sơn, Văn Lãng và Tràng Định. Sông Kỳ Cùng có 77 phụ lƣu, mật độ lƣới sông trung bình là 0,88 km/km2, bao gồm 26 sông nhánh cấp I; 34 sông nhánh cấp II; 16 sông nhánh cấp III và 1 sông nhánh cấp IV với tổng chiều dài là 1.836 km. Sông Thƣơng, sông Lục 28
Nam thuộc hệ thống sông Thái Bình: Sông Thƣơng bắt nguồn từ dãy núi Na Pa Phƣớc chảy qua Chi Lăng, Hữu Lũng đổ về Bố Hạ. Sông Thƣơng có 2 sông nhánh là sông Hóa và sông Trung nằm trên tỉnh Lạng Sơn; Sông Lục Nam ở phía Đông nam của tỉnh, bắt nguồn từ vùng núi Kham Sâu Chòm ở độ cao 700 m thuộc huyện Đình Lập, diện tích lƣu vực ở Lạng Sơn là 612 km2 [41]. Sông Phố Cũ, sông Đông Quy thuộc hệ thống sông ngắn Quảng Ninh: Sông Phố Cũ bắt nguồn từ xã Kiên Mộc huyện Đình Lập, dài 53 km, diện tích lƣu vực ở Lạng Sơn là 166 km2, hƣớng chảy chính là Tây Bắc - Đông Nam; Sông Đông Quy là nhánh của sông Ba Chẽ, bắt nguồn từ xã Cƣờng Lợi, Đình lập, sông có chiều dài 25 km, diện tích lƣu vực ở Lạng Sơn là 104 km2 [41] Bảng 1.5 Dòng chảy trung bình nhiều năm khu vực nghiên cứu Thời kỳ quan trắc Trung bình nhiều năm TT Trạm Sông Q M Q M Y (m3/s) (l/s.km2) (m3/s) (l/s.km2) (mm) 1 Lạng Sơn Kỳ Cùng 29,5 18,9 29,5 18,9 595 2 Vân Mịch Bắc Giang 43,5 18,4 45,8 19,4 612 3 Bắc Khê Bắc Khê 11,0 18,6 11,9 19,6 617 4 Chi Lăng Thƣơng 3,62 14,7 3,83 15,5 489 5 Cầu Sơn Thƣơng 36,4 15,6 36,8 15,8 498 6 Hữu Lũng Trung 26,5 21,7 27,1 22,2 701 7 Thác Giềng Cầu 17.3 24.3 17.3 24.3 650 Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng thuỷ văn, Bộ TN&MT (2015) và [55] Do ảnh hƣởng của địa hình và cấu tạo địa chất đã chi phối mạng lƣới sông suối trong tỉnh. Phần lớn đồi núi bò sát thềm sông, thềm suối đã khống chế quá trình bồi tụ phù sa. Chính vì vậy trong tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn không có những cánh đồng phù sa rộng lớn, mà chỉ có những dải đất bồi tụ phù sa nhỏ hẹp và rải rác theo triền sông, triền suối. Mặt khác, do ảnh hƣởng của tốc độ dòng chảy xiết cho nên trong đất phù sa bồi tụ có nhiều hạt thô hơn so với vùng hạ lƣu [41]. Trong mùa mƣa, nƣớc chảy dồn từ các sƣờn núi xuống các thung lũng hẹp, nƣớc sông suối lên rất nhanh gây lũ, ngập lụt ở những vùng đất thấp, cộng với các tuyến đƣờng lại men theo đồi núi, một bên là núi 29
cao, một bên là vực sâu. Sự phân bố dòng chảy đối với các sông suối ở Bắc Kạn và Lạng Sơn theo mùa rõ rệt. Hầu hết các sông, suối ở tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn chịu ảnh hƣởng mạnh mẽ của mƣa lũ. Còn ở khu vực khác thuộc vùng núi Đông Bắc nơi có các tuyến quốc lộ đi qua cũng có điều kiện tƣơng tự [41]. 1.5.3 Tình trạng giao thông và các sự cố công trình trong mùa mưa lũ 1.5.3.1 Giao thông vùng Đông Bắc Các quốc lộ chạy qua vùng Đông Bắc bao gồm: QL1A, QL4A, QL4B, QL31, QL3, QL3B, QL4, QL70, QL18, QL12, QL32. Đƣờng miền núi chiếm 70% tổng số km đƣờng trên toàn quốc có đặc thù là đƣờng cấp thấp (III - VI) với quy định tần suất thiết kế lũ p = 2 - 4%. Theo thống kê của Bộ GTVT, tổng số km đƣờng và số lƣợng công trình thoát nƣớc rất lớn gồm: 4079,99 km quốc lộ; 3216,96 km đƣờng tỉnh; 7789,14 km đƣờng huyện và hơn 1164 cây cầu chƣa kể các rãnh, cống (cứ 1km phải bố trí một cống địa hình), bậc nƣớc, dốc nƣớc, để nghiên cứu đƣợc chi tiết và cụ thể các nội dung yêu cầu khối lƣợng tính toán rất nhiều. 1.5.3.2 Giao thông ở hai tỉnh Bắc Kạn - Lạng Sơn Do những hạn chế thu thập tài liệu, trong phạm vi luận án chỉ mới tập trung nghiên cứu tính lũ thiết kế cho một số tuyến bao gồm: QL3, QL3B, QL279,QL1A, QL4A, QL4B, QL31 (Hình 1.6) trong địa phận của hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn.Trên cơ sở nghiên cứu này, những nghiên cứu tiếp theo sẽ mở rộng áp dụng cho các công trình của vùng núi Đông Bắc Việt Nam. Hệ thống giao thông ở Lạng Sơn chủ yếu là đƣờng bộ và đƣờng sắt, đƣờng thủy không đáng kể. Đƣờng bộ phân bố khá hợp lý trên toàn tỉnh bao gồm hệ thống đƣờng quốc lộ, tỉnh lộ, đƣờng huyện và các đƣờng liên xã, với tổng chiều dài 3,657 km. Tính đến hết năm 2010 đã có 204/226 xã phƣờng thị trấn có đƣờng ô tô đi lại đƣợc cả 4 mùa đạt tỷ lệ 90,3%. Đƣờng quốc lộ ở tỉnh có 7 tuyến với tổng chiều dài trên địa phận Lạng Sơn là 555,1 km gồm: QL1A dài 94,7 km; QL1B dài 101 km; QL4A dài 66 km; QL4B dài 80 km; QL31 dài 61 km; QL279 dài 90 km và QL3B dài 62,4 km. Nhìn chung chất lƣợng mạng lƣới giao thông trên địa bàn tỉnh còn nhiều hạn chế, đặc biệt là giao thông 30
nông thôn, tỷ lệ đƣờng đất chiếm tới gần 80%, hệ thống cầu cống kết cấu tạm, việc đi lại ở các xã vùng sâu, vùng xa còn gặp nhiều khó khăn [41]. Hình 1.6 Bản đồ các tuyến đƣờng chính khu vực nghiên cứu Về phía Bắc Kạn, có 3 tuyến quốc lộ đi qua gồm: QL3 dài 125 km đạt cấp IV miền núi; QL3B dài 66,3 km đạt cấp VI miền núi; QL279 dài 98 km đạt cấp V miền núi. Mật độ quốc lộ mới đạt 5,6 km/100 km2, mặt đƣờng hẹp, chất lƣợng đƣờng xấu, chƣa đƣợc nâng cấp thƣờng xuyên nên giao thông vẫn còn nhiều khó khăn. Đƣờng tỉnh gồm 7 tuyến với tổng chiều dài 256,27 km, hầu hết các tuyến đƣờng tỉnh của Bắc Kạn đều đạt cấp VI miền núi, chất lƣợng đƣờng ở mức trung bình, nhiều đoạn đƣờng chất lƣợng còn xấu. Hệ thống giao thông của tỉnh vẫn còn nhiều hạn chế địa hình đồi núi phức tạp, chia cắt, độ dốc dọc theo các tuyến đƣờng thƣờng lớn, vào mùa mƣa bão thƣờng bị sạt lở, lún, kết cấu mặt đƣờng dễ bị phá hủy. Hiện vẫn còn trên 1,8 ngàn km đƣờng đất và đƣờng cấp phối chƣa có điều kiện đầu tƣ, nâng cấp nên trong mùa mƣa việc đi lại gặp rất nhiều khó khăn, thậm chí bị ách tắc, lầy lội. Quy mô các tuyến đƣờng còn thấp, đƣờng tỉnh chủ yếu là cấp V, cấp VI; đƣờng huyện chủ yếu từ cấp VI trở xuống; đồng thời với việc hệ thống cầu, cống còn yếu kém cũng gây cản trở trong việc đi lại của nhân dân và giao thƣơng hàng hóa [41]. Với số liệu thống kê này cho thấy, còn nhiều tuyến phải nâng cấp mở rộng (hơn 1.800 km đƣờng cấp phối và đất; chiều rộng đƣờng 3,5 - 6 m, các công trình thoát nƣớc đƣợc đầu tƣ cải tạo, nâng cấp 31
đáp ứng để công trình an toàn trong mùa mƣa lũ trong điều kiện biến đổi khí hậu nhƣ hiện nay. 1.5.3.3 Các loại công trình thoát nước Các công trình thoát nƣớc trên đƣờng gồm: Cầu lớn và trung (Lc > 25m); cầu nhỏ và cống (Lc 50m có các cầu nhƣ: Cầu Thác Giềng, Kỳ Lừa, Sáu Hai, Hát Deng, Pác Cáp, Nà làng, Nà Thi (Bảng 1.6). Hình 1.7 Bản đồ bố trí các công trình thoát nƣớc khu vực nghiên cứu Hình 1.7 là bản đồ phân bố các công trình thoát nƣớc trong khu vực nghiên cứu với diện tích lƣu vực có độ lớn từ vài km2 đến hàng nghìn km2 và rất nhiều cống thoát nƣớc qua đƣờng. Các cầu nhỏ và cầu trung về mùa kiệt lòng cầu không có nƣớc, hoặc có nhƣng rất ít, nhƣng vào mùa lũ với lƣợng mƣa lớn và tập trung, độ dốc lƣu vực lớn, các rừng cây bị chặt phá và diện tích bị thu hẹp dẫn đến dòng chảy tập trung với thời gian ngắn cho nên các cầu thƣờng không đủ năng lực thoát nƣớc. Các cống với khẩu độ xây dựng từ trƣớc (trƣớc năm 1995) đã không còn đủ để thoát nƣớc trong điều kiện 32
mƣa lũ lớn xảy ra bất thƣờng nhƣ hiện nay (lũ 2008, 2013, 2014). Để tăng mức độ chính xác cho việc đánh giá, phân loại cũng nhƣ kiến nghị phƣơng pháp tính lũ cho từng vùng, luận án tiến hành nghiên cứu tính lũ cho hàng loạt cáccông trình thoát nƣớc trên khu vực nghiên cứu, số lƣợng công trình thoát nƣớc dùng để tính toán thử nghiệm là 40 cây cầu thuộc hai tỉnh với chiều dài vài mét đến vài nghìn m. Các công trình thoát nƣớc đƣợc liệt kê trong phụ lục của luận án (bảng 3). Bảng 1.6 Bảng phân loại cầu theo chiều dài khu vực nghiên cứu TT Quốc lộ Tổng số Số cầu L > 25m Số cầu L < 25m 1 3 22 9 13 2 3B 22 13 9 3 279 10 5 5 4 1B 22 6 16 5 4A 16 8 8 6 4B 33 21 12 7 31 22 10 12 Tổng 147 72 75 1.5.3.4 Các sự cố công trình giao thông trong mùa mưa lũ Đƣờng miền núi đi qua vùng Đông Bắc thƣờng chịu các trận mƣa lớn do tổ hợp nhiều hình thế thời tiết bất lợi nhất khu vực. Đặc điểm của đƣờng miền núi là chênh lệch độ cao giữa taluy âm và dƣơng rất lớn thậm chí một bên là núi cao một bên là vực sâu, đƣờng nhiều khúc quanh co, với các hạng mục thoát nƣớc còn thiếu hoặc chƣa đủ năng lực, vào mùa mƣa lũ thƣờng gặp các sự cố nhƣ: ngập cục bộ ở một số các vị trí trên các tuyến, hƣ hỏng rãnh thoát nƣớc, hƣ hỏng cống thoát nƣớc, sạt lở taluy dƣơng, taluy âm, gây hƣ hỏng mặt đƣờng và các công trình khác; Các cầu cống bị hỏng mố trụ, xói mang cống, cầu bị cuốn trôi (cầu treo) thiệt hại rất nhiều về kinh tế và ảnh hƣởng rất lớn đến an sinh xã hội. Các nguyên nhân có thể kể đến: chế độ khí hậu có sự thay đổi đáng kể và xu thế ngày càng ác liệt; do các nguyên nhân địa chất, nền móng và có thể do công tác xây dựng, 33
vận hành và bảo dƣỡng. Tuy nhiên, theo kết quả nghiên cứu [38], [32] chứng tỏ đƣờng miền núi hƣ hỏng là do mƣa lũ, lũ vƣợt thiết kế. Sau đây là một số hình ảnh mô tả các sự cố công trình thƣờng gặp trong mùa mƣa lũ và một vài con số thống kê chi tiết mô tả những thiệt hại công trình giao thông do mƣa lũ ở Bắc Kạn và Lạng Sơn: a) Hình ảnh sự số công trình trong mùa mƣa lũ: Hình 1.8 Nƣớc chảy gây xói mái ta luy dƣơng vì không có rãnh dọc tuyến [39] Hình 1.9 Tuyến đƣờng nội tỉnh ở Lạng Sơn bị ngập năm 2013 và xói ta luy âm Hình 1.10 Nƣớc lũ tràn mặt đƣờng 34
Hình 1.11 Cầu Sam Lang lúc khánh thành và bị lũ cuốn trôi (sau hai tháng sử dụng) b) Những thiệt hại trong ngành giao thông một số năm gần đây nhƣ sau: Bảng 1.7 Các sự cố công trình giao thông khu vực nghiên cứu Năm Các loại sự cố Đƣờng Tỉnh Quốc lộ 3B Quốc lộ 279 Sạt lở taluy dƣơng 62.703,3 m3 9.387,4 m3 3.365,5 m3 150 rọ (2x2x1)m và 44 rọ KT (2x2x1) và Sạt lở taluy âm 28 rọ (2x1x0,5) 8 rọ KT (2x1x0,5) 2 3 2012 Mặt đƣờng hỏng 1187,5m 662 m Mố cầu hỏng 1/4 mố cầu Xói lề đƣờng 380m Tổng thiệt hại (đồng) 3,7 tỷ 1,3 tỷ 650 triệu Sạt lở taluy dƣơng 298.249 m3 4.237,2 m3 32.029 m3 Sạt lở taluy âm 2.863 rọ 322 rọ Mặt đƣờng hỏng 2.664 m3; 2.900 m2 2013 Mố cầu hỏng 01 cống Km 312+880 Xói lề đƣờng 500m Tổng thiệt hại (đồng) 51,2 tỷ 1,3 tỷ 3,1 tỷ Nguồn: Báo cáo thống kê của Sở Giao thông tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn Từ những mùa mƣa lũ cho thấy: một phần do tính chất phức tạp của địa hình địa mạo, một phần do ảnh hƣởng của những hình thế thời tiết bất lợi, nhƣng chủ yếu vẫn là do các công trình chƣa đƣợc đánh giá đúng mức để có thể đƣợc đầu tƣ tính toán các đặc trƣng dòng chảy lũ trong điều kiện thời tiết bất thƣờng nhƣ hiện nay một cách đầy đủ 35
hiệu quả. Điều này chứng tỏ, vấn đề nghiên cứu liên quan đến tính lũ và công trình giao thông mang tính thời sự và rất cần đƣợc nghiên cứu chi tiết; Việc thiếu rãnh thoát nƣớc, kích thƣớc không đủ, tính toán và thiết kế công trình thoát nƣớc chƣa hợp lý dẫn đến hƣ hỏng ngày càng nặng nề hơn ảnh hƣởng đến dân sinh kinh tế và xã hội. Từ đó cần xây dựng cơ sở khoa học nhằm chính xác hóa trong tính lũ thiết kế ở khu vực này. 1.5.4 Tình hình tài liệu nghiên cứu Tài liệu đã thu thập phục vụ tính lũ thiết kế trên khu vực nghiên cứu bao gồm: i) Tài liệu mƣa - Mưa ngày: vùng Đông Bắc có 154 trạm mƣa ngày, trong đó chỉ có 32 trạm đo với thời gian đo dài từ 1975 đến nay (Bảng 1.8) còn một số trạm số liệu ngắn không sử dụng đƣợc, số liệu này dùng để đánh giá xu thế biến đổi lƣợng mƣa trong khu vực. Hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn có 42 trạm mƣa ngày, trong đó chỉ có 23 (thời đoạn đo đạc dài) dùng để tính mƣa thiết kế bằng cách chuyển mƣa thời đoạn dài (ngày) thành mƣa thời đoạn ngắn (giờ). - Mưa giờ: Có 08 trạm mƣa giờ thuộc hai tỉnh dùng để tính mƣa thiết kế. Các trạm có số năm quan trắc tƣơng đối dài, chất lƣợng số liệu tốt (Bảng 1.8). Hình 1.12 Bản đồ các trạm khí tƣợng khu vực nc (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) 36
Bảng 1.8 Các trạm đo mƣa thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn Tỉnh Bắc Kạn Tỉnh Lạng Sơn Đo Đo Đo Đo TT Trạm Chuỗi năm TT Trạm Chuỗi năm giờ ngày giờ ngày 1 Phủ Thông 1960-2013 × 1 Văn Mạch 1972-2013 × 2 Yên Lạc 1958-2013 × 2 Văn Lãng 1958-2014 × 3 Thác Riềng 1959-2013 × 3 Binh Gia 1959-2014 × 4 Chợ Mới 1960-2013 × 4 Điểm Hệ 1959-2014 × 5 Chợ Đồn 1959-2014 × 5 Lộc Bình 1958-2014 × 6 Ân Tình 1962-1981 × 6 Văn Linh 1959-2014 × 7 Bằng Khẩu 1964-1985 × 7 Chi Lăng 1959-2014 × 8 Bằng Lũng 1960-1980 × 8 Cấm Sơn 1972-2014 × 9 Bằng Phúc 1963-1981 × 9 Bản Giềng 1967-1991 × 10 Cốc Đán 1961-1991 × 10 Bản Quế 1966-1988 × 11 Côn Minh 1964-1981 × 11 Đông Quan 1967-1991 × 12 Dƣơng Phong 1966-1981 × 12 Khuổi Tang 1966-1988 × 13 Hảo Nghĩa 1960-1991 × 13 Văn Thủy 1967-1991 × 14 Liên Thủy 1964-1981 × 14 Na Keo 1965-1983 × 15 Nà Pặc 1963-1981 × 15 Bản Chắt 1964-1978 × 16 Thuận Mang 1958-1984 × 16 Vân Nham 1972-1991 × 17 Vu Loan 1964-1991 × 17 Tân Tiến 1965-1983 × 18 Xuân Đƣờng 1960-1981 × 18 Vải Cá 1969-1980 × 19 Xuân Lạc 1963-1981 × 19 Nà Lang 1967-1978 × 20 Yên Hán 1963-1991 × 20 Quốc Khánh 1967-1978 × 21 Yên Nhuận 1960-1982 × 21 Lạng Sơn 1975-2013 × × 22 Yên Tĩnh 1960-1991 × 22 Hữu Lũng 2003-2013 × × 23 Bắc Kạn 1975-2013 × × 23 Thất Khê 1993-2013 × × 24 Chợ Rã 1975-2013 × × 24 Đình Lập 1996-2013 × × 25 Ngân Sơn 2003-2013 × × 26 Bắc Sơn 1997-2013 × × ii) Tài liệu dòng chảy: Số liệu dòng chảy (mực nƣớc và lƣu lƣợng giờ) rất ngắn và thiếu, phần lớn các trạm đã ngừng hoạt động (bảng 1.9), luận án chỉ thu thập đƣợc 2 37
trạm gồm trạm Gia Bẩy trên sông Cầu (Thái Nguyên) và trạm Lạng Sơn trên sông Kỳ Cùng. Bảng 1.9 Các trạm quan trắc thủy văn thuộc tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn Tọa độ trạm Thời gian Các chỉ tiêu quan trắc TT Trạm Sông F (km2) Kinh độ Vĩ độ quan trắc H Q R T0C 1 Bản Lải Kỳ Cùng 107000 21044 459 66 - 73 x x 2 Lạng Sơn Kỳ Cùng 106045 21050 1560 60-93 x x x x 3 Vân Mịch Bắc Giang 106022 22006 2360 60-76 x x x x 4 Bắc Khê Bắc Khê 106026 22016 591 68-71 x x 5 Chi Lăng Thƣơng 106032 21037 247 62-76 x x 6 Cầu Sơn Thƣơng 106019 21026 2330 62-73 x x 7 Tràng Xá Rong 106003 21042 133 63-67 x x 8 Hữu Lũng Trung 106020 21031 1220 62-80 x x 9 An Mã Hồ Ba Bể 1053630 222630 61-77 x x 10 Bản Cấm Năng 1053626 222656 61-76 x x 11 Cầu Phà Cầu 1055000 220915 363 71-81 x x 12 Chợ Mới Cầu 1054649 215240 61-nay x x 13 Cửa hồ Hồ Ba Bể 1053550 222645 61-76 x x 14 Đầu Đẳng Năng 1053449 222708 1890 56-76 x x 15 Thác Giềng Cầu 1055303 220514 712 59-nay x x iii) Tài liệu về loại đất và hiện trạng sử dụng đất: sử dụng tài liệu đất năm 2006 của khu vực Đông Bắc và hiện trạng sử dụng đất năm 2000, 2013 của hai tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn. iv) Tài liệu về công trình: Các tài liệu về công trình nhƣ số lƣợng, loại, vị trí công trình thoát nƣớc, các tuyến, chiều dài, khẩu độ của các tỉnh vùng Đông Bắc từ số liệu của Bộ Giao thông Vận tải. v) Tài liệu về lƣu vực: Sử dụng bản đồ địa hình (DEM 30×30; 90×90) và các đặc trƣng chung về lƣu vực nhƣ độ dốc, hƣớng dòng chảy, chiều dài, chiều rộng đƣợc xây dựng từ ArcGIS. 38
Kết luận, đo mƣa trên khu vực nghiên cứu nằm chung trong tình trạng số liệu mƣa đo đạc trên toàn quốc. Các trạm ở miền Bắc có số liệu đo đồng đều từ 1959 đến nay với số trạm đo mƣa thời đoạn ngắn (d < 1 ngày) chiếm một tỷ lệ rất nhỏ (20%). Ở Bắc Kạn có 22 trạm đo mƣa ngày và 4 trạm đo mƣa giờ còn ở tỉnh Lạng Sơn có 20 trạm đo mƣa ngày và 4 trạm đo mƣa giờ (Bảng 2.5). Ngoài ra, số liệu đo lũ theo giờ rất ít (có hai trạm trên hai tỉnh nghiên cứu), không thể dùngtrực tiếp mà phải tính gián tiếp từ mƣa để tính lũ thiết kế. Tuy nhiên, công trình thoát nƣớc ở khu vực này có diện tích lƣu vực nhỏ, thời gian tập trung dòng chảy ngắn (T = d < 1 ngày) chiếm tỷ lệ lớn, vì vậy các nghiên cứu chuyển đổi (thu phóng) mƣa ngày thành mƣa có thời đoạn ngắn là rất cần thiết. Luận án, kiến nghị hai phƣơng pháp chuyển mƣa ngày thành mƣa thời đoạn ngắn gồm: phƣơng pháp thu phóng tỷ lệ không đổi và phƣơng pháp mô hình hóa để xây dựng các phƣơng trình tƣơng quan (X1ngày max và X1h max, X3h max, X6h max, X12h max, X24h max) đƣợc trình bày trong mục 2.2.1.2. Số liệu mƣa, mực nƣớc và lƣu lƣợng đƣợc chỉnh biên chỉnh lý theo quy phạm của ngành khí tƣợng thủy văn. Số liệu về loại đất chi tiết với tỷ lệ lớn rất khó thu thập. Số liệu công trình vẫn còn thiếu những thông tin cơ bản. Số liệu về hiện trạng sử dụng đất cũng mới chỉ thu thập đƣợc tỷ lệ 1:50.000 vì vậy cần phải sử dụng thêm tƣ liệu không gian nhƣ ảnh viễn thám để bổ sung và cập nhật mới. 1.6 Kết luận chƣơng I Trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam đều chia phƣơng pháp tính toán lũ thành hai nhóm chính: i) Nhóm phƣơng pháp phân tích thống kê xác suất (khi đủ số liệu đo đạc lũ (H,Q)); ii) Nhóm phƣơng pháp phân tích nguyên nhân hình thành (khi không có số liệu dòng chảy (H, Q) mà tính từ mƣa và điều kiện của lƣu vực). Tùy theo điều kiện về tình hình tài liệu, cũng nhƣ lựa chọn cách tiếp cận và ứng dụng có khác nhau tùy từng trƣờng hợp nhƣ sau: a) Đối với các nƣớc phƣơng Tây (điển hình nhƣ: Mỹ, Nhật, Úc, Anh ) tính lũ theo hai phƣơng pháp: i) Trƣờng hợp có tài liệu, tính lũ theo thống kê xác suất với các phân phối xác suất Log Pearson III hoặc Gumbell; ii) Trƣờng hợp không có số liệu tính theo phƣơng trình hồi quy vùng (thực chất là tổng hợp địa lý), đƣờng lũ đơn vị (dạng lƣu vực tƣơng tự), căn nguyên dòng chảy (dạng cƣờng độ giới hạn hay phƣơng pháp mô 39
hình quan hệ). Các phƣơng pháp đƣợc đánh giá là chính xác và tiện dụng đối với ngành giao thông ở các nƣớc phát triển. Tuy nhiên, các phƣơng pháp này đòi hỏi yêu cầu hiện đại về công cụ tính, chi tiết cơ sở dữ liệu cho từng vùng cụ thể (bản đồ đẳng trị mƣa, đƣờng cong IDF, bản đồ chỉ số CN, bản đồ hệ số dòng chảy C). b) Đối với Việt Nam, Đông Âu và Liên Xô cũ, tính mƣa lũ cũng theo hai hƣớng trên bao gồm: i) phƣơng pháp thống kê xác suất theo phân phối xác xuất Pearson - III, Gumbell hay Kritsky - Mennken; ii) dạng mô hình hóa dòng chảy và các công thức kinh nghiệm nhƣ Cƣờng độ giới hạn, Xokolopxky (QP C - 6 - 77, TCVN 9845:2013). Xét về mức độ chính xác và yêu cầu số liệu, cả hai phƣơng pháp đều phụ thuộc vào từng công trình và mục đích tính toán cụ thể. Có phƣơng pháp đối với lƣu vực này là chính xác nhƣng đối với lƣu vực khác còn hạn chế. Các nghiên cứu trƣớc đây cho khu vực và cho từng công trình cụ thể cũng đã xét đến bài toán mƣa, tổn thất và diễn toán dòng chảy. Tuy nhiên, theo điều kiện về kinh tế, kỹ thuật và số liệu thì cách tiếp cận và áp dụng của các phƣơng pháp hiện đại rất nhiều ƣu điểm trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay. Để có thể cập nhật và ứng dụng các phƣơng pháp hiện đại cần phải xây dựng bộ thông số đầu vào (Cơ sở khoa học, quy trình tính, quy trình cập nhật, cơ sở dữ liệu) cho các phƣơng pháp tính lũ từ mƣa đối với các lƣu vực vừa và nhỏ trong điều kiện thiếu số liệu đo đạc mƣa, lũ ở vùng Đông Bắc nhƣ hiện nay. Qua nghiên cứu tổng quan, luận án kiến nghị áp dụng các phƣơng pháp ƣu việt mà các nƣớc phát triển đang áp dụng (Phƣơng pháp mô hình quan hệ, phƣơng pháp SCS - CN phƣơng pháp phƣơng trình hồi quy) và xây dựng cơ sở khoa học cho việc áp dụng các phƣơng pháp này cho khu vực Đông Bắc của Việt Nam (chƣơng II). 40
CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế 2.1.1 Phương pháp của Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (SCS - CN) Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ (SCS) đƣợc thành lập từ năm 1954 và đổi tên thành Cơ quan bảo vệ tài nguyên thiên nhiên Hoa Kỳ (NRCS). Phƣơng pháp SCS-CN đƣợc xây dựng và chính thức đƣa vào Sổ tay kỹ thuật Hoa Kỳ (National Engineering Handbook) năm 2004 và hiện đang đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới. Ban đầu, việc thành lập SCS dùng để bảo vệ thổ nhƣỡng ở Hoa Kỳ, nhƣng sau đó hiệu quả của phƣơng pháp lại vƣợt xa so với dự định ban đầu và đƣợc pháp triển thành phƣơng pháp diễn toán dòng chảy từ mƣa rào sử dụng phổ biến trong mô hình HEC - HMS để đánh giá tổng lƣợng dòng chảy và lƣu lƣợng lớn nhất ở các khu vực không có số liệu đo đạc nhƣ vùng nông thôn hay thành thị. SCS là phƣơng pháp đơn giản, linh hoạt, dễ thực hiện và áp dụng tốt cho lƣu vực vừa và nhỏ. Công cụ viễn thám và GIS thêm sự hỗ trợ mạnh mẽ trong vấn đề điều tra dòng chảy mặt từ địa hình và mặt đệm, ứng dụng trong tính toán chỉ số thấm, đại lƣợng rất khó xác định đối với các phƣơng pháp truyền thống. Các yếu tố nhƣ loại đất mức độ che phủ hay thảm phủ thay đổi theo thời gian và không gian. Trong phƣơng pháp này nhóm đất và thảm phủ đƣợc tích hợp để tính CN theo trọng số diện tích và để tính dòng chảy trên lƣu vực. Phƣơng pháp này bao gồm 2 phần chính: tính tổn thất dòng chảy (mƣa hiệu quả) và tính chuyển mƣa hiệu quả thành dòng chảy theo lũ đơn vị theo phƣơng pháp SCS. 2.1.1.1 Tính tổn thất dòng chảy Phƣơng pháp SCS đã dựa vào phƣơng trình cân bằng nƣớc để đƣa ra các quan hệ sau: ( ) (2-1) Trong đó: Fa là lƣợng giữ nƣớc thực tế (mm); S là lƣợng giữ nƣớc tiềm năng (mm); Ia là lƣợng tổn thất ban đầu (mm); Lƣợng dòng chảy tiềm năng là P - Ia; Pe là lƣợng mƣa 41
hiệu quả (mm); P là lƣợng mƣa (mm). Qua nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên nhiều lƣu vực vừa và nhỏ SCS đã xây dựng đƣợc quan hệ kinh nghiệm: ( ) ( ) (2-2) ( ) Lập đồ thị quan hệ giữa P(mm) và Pe(mm) từ số liệu của nhiều lƣu vực để tìm ra đƣợc họ các đƣờng cong chỉ số CN. CN là số không thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng [0,100]. Đối với bề mặt không thấm nƣớc hoặc mặt nƣớc, CN = 100; đối với bề mặt tự nhiên, CN < 100. Theo phƣơng pháp này, lƣu vực đƣợc chia thành các lƣu vực con và CN lấy giá trị trung bình cho toàn lƣu vực: ∑ ( ) (2-3) ∑ Trong đó: CN(II) là độ ẩm thời kỳ trƣớc của đất trong điều kiện bình thƣờng; Ai là 2 2 diện tích của từng ô tính toán (m hoặc km ); CNi là độ ẩm của từng ô tính toán; n là số lƣu vực con. Độ ẩm của đất trƣớc trận mƣa đang xét đƣợc gọi là độ ẩm kỳ trƣớc. Độ ẩm này đƣợc chia thành ba nhóm: độ ẩm kỳ trƣớc trong điều kiện bình thƣờng( ký hiệu là AMC II), trong điều kiện khô (AMC I) và trong điều kiện ƣớt (AMC III). Đối với điều kiện khô (AMC I) hoặc điều kiện ƣớt (AMC III), các số liệu đƣờng cong tƣơng đƣơng có thể đƣợc suy ra nhƣ sau: ( ) ( ) (2-4) ( ) ( ) ( ) (2-5) ( ) Các số hiệu của đƣờng cong CN đã đƣợc Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ lập thành bảng tính sẵn dựa trên phân loại đất và tình hình sử dụng đất. Đất đƣợc phân thành 4 nhóm theo định nghĩa sẵn nhƣ sau: Nhóm A: cát tầng sâu, hoàng thổ sâu và phù sa kết tập; Nhóm B: hoàng thổ nông, đất mùn pha cát; Nhóm C: mùn pha sét, mùn pha cát tầng nông, đất có hàm lƣợng chất hữu cơ thấp và đất pha sét cao; 42
Nhóm D: đất nở ra rõ rệt khi ƣớt, đất sét dẻo nặng và đất nhiễm mặn. Nếu lƣu vực tạo thành bởi nhiều loại đất và có nhiều loại thảm phủ (hiện trạng sử dụng đất) khác nhau phải tính giá trị trung bình CN trên lƣu vực. Số liệu đầu vào của phƣơng pháp bao gồm: lƣợng mƣa, loại đất, địa hình, độ ẩm, thảm phủ (tình hình sử dụng đất). Luận án đã ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để phân loại nhóm đất, thảm phủ, độ dốc, tính CN trung bình và dòng chảy mặt cho một số lƣu vực cầu thuộc tỉnh Lạng Sơn và Bắc Kạn. Dữ liệu dùng để phân tích là bản đồ DEM, bản đồ dất năm 2006 và bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2013. 2.1.1.2 Tính chuyển mưa hiệu quả thành dòng chảy. Phƣơng pháp SCS dùng đƣờng lũ đơn vị để xây dựng đƣờng quá trình lũ thiết kế cho lƣu vực (thực tế đây là quá trình thu phóng lũ thiết kế), [42], [43]. Đƣờng lũ đơn vị là đồ thị hàm phản ứng của hệ thống thuỷ văn tuyến tính, do Sherman đề xuất lần đầu vào năm 1932, đƣợc định nghĩa là đƣờng quá trình dòng chảy trực tiếp tạo ra bởi một inch mƣa quá thấm (hay 1cm đơn vị SI). Phân bố đều trên lƣu vực theo một cƣờng độ mƣa không đổi trong khoảng thời gian mƣa hiệu dụng. Khi đƣờng quá trình lũ đơn vị đƣợc xác định, có thể áp dụng để tính các biểu đồ quá trình dòng chảy trực tiếp và quá trình dòng chảy trên sông. Chọn ra một biểu đồ quá trình mƣa và ƣớc lƣợng các tổn thất dòng chảy để xác định các tung độ của đƣờng mƣa quá thấm giống nhƣ thời khoảng trong đƣờng quá trình đơn vị. Áp dụng phƣơng trình tích phân chập trong thời gian rời rạc. ∑ (2-6) Từ đây xác định đƣợc đƣờng quá trình dòng chảy trực tiếp. Đƣờng quá trình này cộng thêm đƣờng quá trình dòng đáy ƣớc tính sẽ cho đƣờng quá trình dòng chảy trong sông. Các giả thiết cơ bản xây dựng đƣờng lũ đơn vị: Cƣờng độ mƣa vƣợt thấm không thay đổi theo thời gian; Phân bố mƣa theo không gian là tƣơng đối đều; Thời gian hình thành dòng chảy cùng thời gian mƣa; Lƣu vực không đổi; Các dạng đƣờng lũ đơn vị thƣờng dùng trong thủy văn bao gồm đƣờng lũ đơn vị Snyder, đƣờng lũ đơn vị SCS và đƣờng lũ đơn vị Clark. Trong các đƣờng lũ đơn vị, đƣờng lũ đơn vị SCS đƣợc sử dụng rộng rãi vì tính tiện dụng , đơn giản phù hợp với các bài toán thiết kế trong giao thông. 43
Sau đây là lý thuyết xây dựng đƣờng lũ đơn vị tổng hợp SCS. Tung độ đƣợc biểu thị bằng tỷ số của lƣu lƣợng q so với lƣu lƣợng đỉnh và thời gian đƣợc biểu thị bằng tỉ số của thời gian T so với thời gian nƣớc lên của đƣờng quá trình đơn vị. Khi cho trƣớc lƣu lƣợng đỉnh và thời gian trễ đối với khoảng thời gian mƣa hiệu dụng, ta có thể ƣớc tính đƣợc đƣờng quá trình đơn vị tổng hợp không thứ nguyên của lƣu vực cho trƣớc. Phƣơng pháp SCS - CN đƣợc ứng dụng cho lƣu vực vừa và nhỏ với phân bố mƣa lũy tích mƣa 24h từng vùng, số liệu về đất và thảm phủ. Phƣơng pháp có thể tính nhanh và xác định đƣợc hệ số dòng chảy. Để xác định đƣờng lũ đơn vị SCS, cần phải xác định đƣợc giá trị Qmax (tức là qp ở hình 1.3) và thời gian của đƣờng quá trình đơn vị (tức Tp ở hình 1.3). (2-7) với C = 2,08; (C là hệ số chuyển đổi đơn vị, ở hệ Anh là 483,4; hệ SI là 2,08) A là diện tích ( ) + với là thời gian trễ của lƣu vực, là thời gian trận mƣa. Hình 2.1 Đƣờng quá trình lũ đơn vị theo phƣơng pháp SCS Trên thế giới, trong tính thủy văn giao thông dùng nhiều đƣờng lũ đơn vị và phƣơng pháp SCS - CN để tính lũ cho lƣu vực vừa và nhỏ [44], [45], [46], [47], [48]. Các 44
nghiên cứu điển hình liên quan đến đƣờng lũ SCS-CN nhƣ: Mockus (1949) đã sử dụng số liệu loại đất, hiện trạng sử dụng đất, độ ẩm kỳ trƣớc, thời gian mƣa, nhiệt độ trung bình năm để ƣớc tính dòng chảy mặt cho những vùng không có số liệu thực đo. Các phiên bản của phƣơng pháp SCS - CN đƣợc xây dựng và cập nhật năm 1954, 1956, 1964, 1965, 1971, 1972, 1985 và 1993 do (Cơ quan bảo vệ đất của Hoa Kỳ). Hàng nghìn các thử nghiệm về thấm đƣợc xây dựng ở các vùng nông nghiệp từ 1930 - 1940 ở miền Trung Đông của Mỹ [44] để xác định mức độ thấm. Sherman (1949)[2] tính dòng chảy và lƣợng mƣa hiệu quả bằng SCS với lƣợng tổn thất ban đầu Ia = λ.S; Theo Ponce và Hawkins 1996, đề xuất Ia = 0,2.S, Bosznay,1989; Perone và Madramoto, 1988 và White 1988, Mishra và Singh 1999 cũng đề xuất λ = 0,2. Các nhà nghiên cứu nhƣ McCuen (1982) [49]; Ponce và Hawkins (1996), Hjelmfelt (1991), Hawkins (1993), Steenhuisetal (1995), Bonta (1997), Mishra và Singh (1999, 2002, 2003, 2004)[3], Misha và nnk (2004, 2006), Sahu và nnk (2007) trung nghiên cứu nhằm cập nhật và cải tiến các hệ số λ trong phƣơng pháp, Springer và nnk, 1980 xây dựng mối quan hệ giữa Ia = 0,2.S, tuy nhiên sau này Hawskin và nnk (2002) lại đề xuất tỷ lệ λ là 0,05. Stuebe và Johnston (1990) Michel và nnk (2005); Ramakrishnan (2008); Bhuyan và nnk (2003) đã nghiên cứu điều kiện độ ẩm của lƣu vực (AMC) và thay đổi giá trị CN phù hợp trong tính lũ. Hiện nay, ở Việt Nam phƣơng pháp SCS cũng đƣợc một số tác giả quan tâm nghiên cứu. Các nghiên cứu về SCS thƣờng đề cập trong các tài nghiên cứu khoa học, hay các dạng khác trong đó sử dụng nhƣ một phƣơng thức, tính mƣa hiệu quả và chuyển đổi mƣa hiệu quả thành dòng chảy theo một số mô hình điển hình nhƣ mô hình HEC-HMS của Hiệp hội kỹ sƣ quân đội Mỹ. Trong Luận án tiến sỹ của Nguyễn Thanh Sơn, [50], ''Nghiên cứu mô phỏng quá trình mƣa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc và đất một số lƣu vực sông thƣợng nguồn miền Trung'' (2008). Tác giả đã tính mƣa hiệu quả bằng SCS có hiệu chỉnh hệ số λ và mô phỏng dòng chảy trên sông bằng mô hình sóng động học một chiều KW-1D, sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Tuy nhiên đối với phƣơng pháp SCS, tài liệu này chƣa đề cập đến việc xây dựng cơ sở khoa học, điều kiện áp dụng cũng nhƣ quy trình tính mà thiên về tính toán thử nghiệm dùng để mô phỏng lũ. 45
Thực tế, trên thế giới có nhiều kết quả từ các bài báo, các nghiên cứu tính toán thử nghiệm và đề xuất giá trị λ (công thức Ia = λ.S) có giá trị từ 0-1 trong công thức tính lƣợng tổn thất ban đầu. Ở nghiên cứu này, với mục tiêu xây dựng cơ sở khoa học tính lũ thiết kế bằng phƣơng pháp SCS - CN, luận án đã tính thử nghiệm khi λ = 0,2 cho lƣu vực Kỳ Cùng, có so sánh đánh giá kết quả tính với số liệu đo đạc lũ tại trạm Lạng Sơn (trình bày trong mục 3.2.2) cho kết quả mô phỏng lũ rất tốt (chỉ số Nash >0,8) và có thể lấy Ia=0,2.S để nghiên cứu thử nghiệm. Sơ đồ tính theo phƣơng pháp SCS đƣợc đề cập trong hình 2.2 Hình 2.2 Sơ đồ tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS-CN Kết luận, để có thể áp dụng phƣơng pháp SCS-CN tính lũ thiết kế cho công trình giao thông cần xác định các thông số nhƣ CN (hệ số đánh giá tổn thất dòng chảy), TLag (thời gian trễ) thông qua tính thời gian tập trung dòng chảy Tc cho lƣu vực thoát nƣớc. Cơ sở khoa học cần thiết lập cho khu vực nghiên cứu chính là bản đồ CN dạng ô lƣới từ bản đồ đất và hiện trạng sử dụng đất, quy trình cập nhật thông tin từ viễn thám bởi đặc trƣng về hiện trạng sử dụng đất có thể thay đổi theo thời gian, đặc trƣng tiểu lƣu vực theo các cấp diện tích khác nhau trong khu vực nghiên cứu từ DEM. Kết quả xây dựng các bản đồ, bảng tra đƣợc trình bày trong mục 2.2.2. Ƣu điểm phƣơng pháp: Là phƣơng pháp đƣợc ứng dụng rộng rãi cho ngành giao thông trên thế giới, đặc biệt là ở Mỹ; Có thể tính đƣợc cả đỉnh lũ và đƣờng quá trình lũ thiết kế. Các thông số mặt đệm chỉ phụ thuộc chủ yếu vào chỉ số CN cho phép tính toán 46
chuyển đổi mƣa hiệu quả (có thể tận dụng đƣợc kết quả ứng dụng từ công nghệ hiện đại nhƣ viễn thám và GIS trong việc cập nhật dữ liệu, xây dựng bản đồ, trích xuất dữ liệu các dạng khác nhau). Kết quả tính toán đảm bảo độ chính xác cao. 2.1.2 Phương pháp mô hình quan hệ Đối với tính toán lũ thiết kế thủy lực cho lƣu vực nhỏ, việc xây dựng đƣờng quá trình lũ là khó thực hiện đƣợc. Bởi vậy đối với loại lƣu vực này thƣờng dùng phƣơng pháp mô hình quan hệ để tính đỉnh lũ thiết kế. Đây là phƣơng pháp đƣợc đề cập hầu hết trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình giao thông ở các nƣớc trên thế giới. Công thức đƣợc xây dựng đầu tiên bởi Kuichling (1989) để thiết kế cho lƣu vực nhỏ ở đô thị và vùng nông thôn. Trong thực hành, có rất nhiều các công trình thoát nƣớc chỉ chiếm diện tích vài acres (hoặc chỉ vài km2) vì vậy phƣơng pháp này ứng dụng rất tốt. Các nghiên cứu về mô hình quan hệ (hay gọi tắt là phƣơng pháp CIA) có thể kể đến nhƣ: Nghiên cứu của Mc Kerchar and Macky, 2001; Maidment, 1997; Minstry of works, 1978. Phƣơng pháp đƣợc xây dựng dựa trên giả thiết phân bố mƣa đồng đều trên toàn bộ lƣu vực và có cƣờng độ mƣa không thay đổi theo thời gian; Đỉnh lũ có tần suất xảy ra bằng tần suất mƣa; Đỉnh lũ thời gian lũ lên cùng với thời gian tập trung dòng chảy; Hệ số dòng chảy không thay đổi suốt trận mƣa. Phƣơng pháp đƣợc đề xuất để tính toán lũ thiết kế cho lƣu vực nhỏ ở đô thị, vùng nông thôn (A hoặc F < 65km2). Dùng cho lƣu vực nhỏ có kết quả chính xác hơn lƣu vực lớn; không tính đến tổn thất ban đầu nhƣ: thấm, điền trũng và bốc hơi. Hệ số dòng chảy đƣợc tính toán dựa vào đặc tính của lƣu vực mà không quan tâm đến các nhân tố ảnh hƣởng khác nhƣ mùa và mƣa. 2.1.2.1 Cơ sở phương pháp mô hình quan hệ Phƣơng pháp mô hình quan hệ dựa trên mối quan hệ giữa dòng chảy và các đặc trƣng cơ bản của lƣu vực, cƣờng độ mƣa trung bình và diện tích lƣu vực. Công thức tính đỉnh lũ thiết kế ban đầu có dạng: 3 (L /T) (2-8) Với Cu là hệ số chuyển đổi đơn vị; C là hệ số dòng chảy (không thứ nguyên); I là cƣờng độ mƣa (L/T) và A là diện tích lƣu vực (L2). Hệ số chuyển đổi đơn vị khi I (mm/h); A (km2); 47