Luận án Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ - Nguyễn Thị Việt Hồng

 MỤC LỤC iii

D NH ỤC BẢNG BIỂU .ix

D NH ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .xi

 Ở Đ U.1

1 Tính c p thiết của đề tài.1

2 M c tiêu nghiên cứu .2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .3

4 Nội dung nghiên cứu .3

5 Phương pháp nghiên cứu .3

6 Ý nghĩa khoa học và th c tiễn.4

7 C u trúc lu n án.4

CHƯ NG 1 TỔNG QU N.5

1.1 Tổng quan về mô hình mưa tiêu thiết kế .5

1.1.1 Khái niệm về mô hình mưa tiêu thiết kế .5

1.1.2 Các nghiên cứu về xác định mô hình mưa tiêu thiết kế.6

1.1.3 Các nghiên cứu xác định mô hình mưa tiêu thiết kế ở Việt Nam.11

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần su t

(DDF) và quan hệ cường độ mưa-thời gian mưa-tần su t (IDF) .16

1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ lượng mưa – thời gian mưa – tần

su t.16

1.2.2 Tổng quan các nghiên cứu về quan hệ cường độ mưa – thời gian – tần

su t. .17

1.3 Tổng quan các nghiên cứu về xây d ng bản đồ đẳng trị mưa.22

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế và hệ số hiệu chỉnh

lưu lượng theo bước thời gian mưa .28

1.4.1 Các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các khu v c dân cư,

đô thị.28

1.4.2 Các nghiên cứu về tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các vùng nông nghiệp

và hỗn hợp dân cư, nông nghiệp .29

1.5 Giới thiệu về đồng bằng Bắc Bộ.33iv

1.5.1 Điều kiện t nhiên vùng đồng bằng Bắc Bộ .33

1.5.2 Phát triển kinh tế xã hội trong vùng.36

1.5.3 Tình hình đo mưa trong khu v c.37

1.5.4 Tình hình tiêu nước trong khu v c.39

1.6 Kết lu n chương 1.42

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH MƯA VÀ

LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG TIÊU .45

2.1 Phương pháp xây d ng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần su t và (DDF)

quan hệ cường độ mưa - thời gian - tần su t (IDF) thời đoạn ngắn, t đó thiết l p

công thức tính cường độ mưa cho các trạm đo mưa t ghi .45

2.1.1 Phương pháp xây d ng quan hệ lượng mưa – thời gian – tần su t.46

2.1.2 Thiết l p công thức tính cường độ mưa (quan hệ cường độ mưa – thời

gian – tần su t) cho các trạm đo mưa t ghi .51

2.2 Phương pháp xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa thiết kế tương ứng với

thời gian mưa và tần su t khác nhau cho vùng Đồng bằng Bắc bộ.51

2.2.1 L a chọn phần mềm vẽ bản đồ .52

2.2.2 L a chọn phương pháp nội suy trong phần mềm.53

2.3 Phương pháp mới đề xu t về l a chọn mô hình mưa tiêu thiết kế phù hợp

nh t cho các khu v c trồng lúa vùng đồng bằng Bắc Bộ bằng mô phỏng toàn liệt các

tr n mưa đã xảy ra trong th c tế .55

2.3.1 Giới thiệu phương pháp .56

2.3.2 Xây d ng các mô hình mưa điển hình .58

2.3.3 Phương pháp tính toán hệ số tiêu cho lúa .59

2.4 Phương pháp xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu thiết kế t mô hình

mưa giờ và mô hình mưa ngày cho vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp và dân cư đô thị

.64

2.4.1 Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo mô hình SWMM.65

2.4.2 Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo TCVN 10406:2015 .71

2.5 Kết lu n chương 2.71

CHƯ NG 3 ẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.73

3.1 Kết quả xây d ng quan hệ lượng mưa - thời gian - tần su t (DDF) và quan hệ

cường độ mưa - thời gian - tần su t (IDF) .73v

3.1.1 Kết quả xây d ng quan hệ DDF.73

3.1.2 Đánh giá khả năng ứng d ng của công thức tính cường độ mưa đã thiết

l p. .84

3.2 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị mưa thời đoạn ngắn ứng với tần su t

thiết kế P = 10% cho vùng đồng bằng Bắc bộ.97

3.2.1 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa ứng với tần su t P =

10%.97

3.2.2 Kết quả xây d ng các bản đồ đẳng trị tham số của phương trình cường

độ mưa ứng với tần su t P = 10% .104

3.3 Kết quả xác định mô hình mưa thiết kế hợp lý cho vùng trồng lúa ứng d ng

cho khu v c Hà Nam.107

3.3.1 Tính toán và vẽ đường tần su t .107

3.3.2 Kết quả l a chọn các tr n mưa điển hình.108

3.3.3 Kết quả l a chọn tr n mưa thiết kế .114

3.4 Kết quả xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng cho vùng tiêu hỗn hợp .122

3.4.1 Thiết l p các thông số giả định của hệ thống.123

3.4.2 Xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng trong trường hợp chưa x t đến ảnh

hưởng của hồ điều hòa trong hệ thống .124

3.4.3 Xây d ng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng có x t đến ảnh hưởng của hồ điều

hòa. .128

3.5 Kết lu n chương 3.134

 ẾT LUẬN VÀ IẾN NGH .135

pdf205 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 343 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu cải tiến phương pháp xác định mô hình mưa và lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu vùng đồng bằng Bắc Bộ - Nguyễn Thị Việt Hồng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Hình 2.7 Dòng chảy t ô ruộng vào kênh 60 qoi được xác định theo phương trình sau: 10 . 2/3 310). 2 1(2.. t tH i a i a gbmioq            (2-24) Trong đó: m là hệ số lưu lượng của tràn; b là chiều rộng của tràn (m/ha); Ht là chiều cao của tràn, thường l y bằng 100 mm; ai và ai-1 là chiều sâu lớp nước mặt ruộng ở cuối thời đoạn thứ i và i-1 (mm); t là bước thời gian tính toán (giây). Thay (2) vào (1) ta có: 1 ) 10 . 2/3 310). 2 1(2..(              i a i a t tH i a i a gbm oi h i P (2.25) Quan hệ giữa hệ số tiêu của lúa (ql-i ) và chiều sâu lớp nước tiêu qoi như sau: t oi q il q    .410 (l/s/ha) (2.26) * Số liệu tính toán: Khả năng chịu ng p của cây lúa (theo TCVN 10406-2015) - Ng p trên 250 mm không quá một ngày ( 01 ngày); Ng p trên 225 mm không quá hai ngày ( 02 ngày); Ng p trên 200 mm không quá ba ngày ( 03 ngày); Ng p trên 175 mm không quá bốn ngày ( 04 ngày); Ng p trên 150 mm không quá năm ngày ( 05 ngày). - Tổn th t nước hoi: Tổn th t nước do ng m và bốc hơi trong thời gian tiêu ở vùng trồng lúa lâu ngày thuộc ĐBBB thường là 5 † 6 mm/ngày Chọn hoi = 5 mm/ngày. - Các điều kiện ràng buộc khác: Chiều sâu lớp nước mặt ruộng trước và sau khi tiêu là 10 cm. a Đối với bài toán xác định hệ số tiêu thiết kế (xác định b tràn) Giả thiết trước giá trị b, giải phương trình (2 25) bằng phương pháp thử dần (phương pháp chia đôi như được giới thiệu phía dưới đây) trong mỗi thời đoạn t sẽ xác định được ai, thay vào (2.24) sẽ xác định được qoi. Lặp lại quá trình tính toán cho đến thời 61 đoạn cuối cùng sẽ xác định được quá trình m c nước trên ruộng lúa a~t. So sánh quá trình m c nước này với khả năng chịu ng p của lúa sẽ biết được giá trị b giả thiết đúng hay chưa Nếu chưa đúng thì tăng giá trị b và tính lặp lại cho đến khi thỏa mãn điều kiện chịu ng p của lúa. Cuối cùng sẽ có được quá trình hệ số tiêu của lúa ql-i. Quá trình tính toán thử dần này được th c hiện bởi một chương trình máy tính l p bằng ngôn ngữ Visual Basic 6 0 Sơ đồ khối như hình 2 8 (Chương trình tính trình bày ở ph l c) Phương pháp chia đôi: Cho phương trình f(x) = 0, f(x) liên t c và trái d u tại 2 đầu [a,b]. Giả sử f(a) < 0, f(b) < 0 (nếu ngược lại thì xét –f(x)=0 ). Trên khoảng [a,b] phương trình có ít nh t 1 nghiệm µ. Để tìm nghiệm gần đúng c, ta th c hiện một số hữu hạn lần quá trình lặp các bước sau đây: Bước 1: Ta chọn c là điểm chính giữa của đoạn [a, b] c = (a + b)/2; Bước 2: Nếu f(c) = 0 thì ta khẳng định ngay c là nghiệm cần tìm và chuyển sang bước 4, ngược lại chuyển sang bước 3; Bước 3: Nếu f(a)f(c) 0 thì đặt lại a=c rồi cũng quay về bước 1. Bước 4: Thông báo nghiệm c tìm được và kết thúc công việc tìm nghiệm của phương trình f(x) = 0. Quá trình trên gọi là phương pháp chia đôi bởi vì cứ mỗi một lần lặp lại t đầu thì khoảng [a,b] cần xem x t được thu gọn lại chỉ còn một nửa so với lần trước bởi điểm chính giữa c. Quá trình lặp trên cũng d ng lại khi đoạn [a,b] quá ngắn (nhỏ hơn một số dương r t nhỏ nào đó, gọi là sai số). b Đối với bài toán mô phỏng hệ số tiêu q~t trong quá trình v n hành (đã biết b tràn) Giải phương trình (2 25) bằng phương pháp thử dần trong mỗi thời đoạn t sẽ xác định được ai, thay vào (2.24) sẽ xác định được qoi . Lặp lại quá trình tính toán cho đến thời đoạn cuối cùng sẽ xác định được quá trình m c nước trên ruộng lúa a~t và quá trình hệ số tiêu của lúa ql-i ~t . Quá trình tính toán thử dần này được th c hiện bởi một chương trình máy tính l p bằng ngôn ngữ Visual Basic 6 0 Sơ đồ khối như hình 2 9 (Chương trình tính trình bày ở ph l c). Chương trình tính đã được kiểm định bằng phương pháp so sánh kết quả tính t chương trình và t phần mềm Exel truyền thống 62 Thỏa mãn khả năng chịu ng p của lúa i:= i+1 : Hình 2.8 Sơ đồ khối tính hệ số tiêu thiết kế b:=b+0.005 Nh p số liệu: Mưa thiết kế (Pi), khả năng chịu ng p của lúa, hoi, Ht, b:= 0.05 i:= 1 (i =1÷N) Giải phương trình sau bằng PP lặp chia đôi (ẩn số là ai): 1 ) 10 . 2/3 3 10). 2 1(2..(            i aia t tH i aia gbmoihiP i = N Kết thúc BEGIN In kết quả b, q~t Đ S S Đ 63 i:= i+1 Hình 2.9 Sơ đồ khối mô phỏng hệ số tiêu q~t toàn liệt Bằng việc mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy cho các tr n mưa thiết kế và các tr n mưa lớn trong các năm đã đo đạc, xác định được các hệ số lưu lượng đỉnh tại các vị trí tương ứng với các tr n mưa thiết kế khác nhau gọi là qTK(P) và hệ số lưu lượng đỉnh tại các vị trí ứng với tần su t thiết kế gọi là qTL(P). So sánh kết quả qTK(P) và qTL(P qua chỉ số sai số tương đối q sẽ l a chọn được MHM tiêu thiết kế thích hợp nh t ph c v bài toán quy hoạch, thiết kế cho các hệ thống tiêu nông nghiệp khu v c Hà Nam theo tài liệu mưa mới nh t Nh p số liệu: Mưa thiết kế (Pi), khả năng chịu ng p của lúa, hoi, Ht, i:= 1 (i =1÷N) Giải phương trình sau bằng PP lặp chia đôi (ẩn số là ai) 1 2/3 31 ) 10 .10). 2 (2..(              iit ii oii aa t H aa gbmhP i = N END BEGIN Đ S In kết quả q~t 64 2.4 Phương pháp xây dựng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng tiêu thiết kế từ mô hình mư giờ và mô hình mư ngày cho vùng tiêu hỗn hợp nông nghiệp và dân cư ô th . Theo các nghiên cứu của Viện quy hoạch Thủy lợi, khi tính toán hệ số tiêu thiết kế cho các vùng trồng lúa hay các vùng hỗn hợp lúa, hoa màu, thổ cư, khu công nghiệp, ở ĐBBB, nên chọn tổng thời gian của tr n mưa thiết kế bằng 05 ngày và thời gian tiêu là 07 ngày Trong th c tế hiện nay, khi tính toán tiêu cho các khu dân cư, đô thị thường chọn bước thời gian mưa thiết kế là 5, 10, 30 hay 60 phút tùy theo quy mô lưu v c, còn khi tính hệ số tiêu và lưu lượng tiêu cho vùng nông nghiệp hoặc vùng hỗn hợp nông nghiệp và khu dân cư thường chọn bước thời gian mưa thiết kế là 01 ngày Việc chọn bước thời gian mưa thiết kế bằng 01 ngày sẽ dẫn đến kết quả tính toán lưu lượng tiêu thiết kế của các công trình tiêu như kênh, cống, trạm bơm thiên nhỏ và không đảm bảo an toàn chống ng p l t nếu như có đoạn kênh tiêu đi qua khu dân cư hay bờ kênh kết hợp đường giao thông mà có yêu cầu mưa giờ nào tiêu hết giờ đó (xem hình 2.17), ví d như kênh tiêu chính của: trạm bơm Hữu Hòa huyện Thanh Trì, trạm bơm Thạc Quả huyện Đông Anh, trạm bơm Phù Đổng huyện Gia Lâm; trạm bơm Lạc Tràng ở Phủ Lý, Hà Nam và nhiều hệ thống tiêu khác thuộc vùng ngoại thành Hà Nội cũng như những địa phương khác S o ân g Khu daân cö Khu daân cö TB V uøng luùa V u øn g l u ùa Vuøng luùa Keânh keát hôïp ñöôøng giao thoâng Hình 2.10 Sơ đồ một hệ thống tiêu hỗn hợp dân cư và nông nghiệp (TB: trạm bơm) Để đánh giá ảnh hưởng của bước thời gian mưa thiết kế đến kết quả tính lưu lượng tiêu thiết kế cho các hệ thống tiêu hỗn hợp nông nghiệp và khu dân cư Lu n án l a chọn tr n mưa thiết kế 5 ngày max đã xác định được ở m c 2 3 với bước thời gian là 1h và 1 ngày lớn nh t để nghiên cứu áp d ng xác định hệ sô hiệu chỉnh lưu lượng tiêu của hệ 65 thống thông qua hệ số K (được gọi là hệ số hiệu chỉnh lưu lượng), là tỷ số giữa lưu lượng tiêu thiết kế tính theo bước thời gian 1h và lưu lượng tiêu thiết kế tính theo bước thời gian 1 ngày. ng h Q Q K  (2-27) Trong đó: Qh là lưu lượng tiêu của hệ thống tương ứng mô hình mưa giờ (m 3 s) Qng là lưu lượng tiêu của hệ thống tương ứng mô hình mưa ngày (m 3 s) T đó thiết l p mối quan hệ giữa lưu lượng tiêu tính theo mô hình mưa giờ và mô hình mưa ngày cho một hệ thống tiêu giả định đang có s chuyển đổi về tỷ lệ sử d ng đ t trồng lúa và đ t thổ cư nhằm xác định lưu lượng tiêu thiết kế ứng với mô hình mưa giờ của các công trình tiêu khi biết lưu lượng tiêu thiết kế tính theo mô hình mưa ngày Quá trình tính toán được th c hiện theo các bước giới thiệu (tại m c 2 5 1) Ngoài ra để so sánh với hệ số tiêu tính toán theo TCVN 10406, ở đây lu n án được tính với mô hình mưa ngày theo công thức của TCVN 10406 được giới thiệu tại m c 2 5 2 Chọn mô hình SWMM để mô phỏng thủy văn, thủy l c cho phần đô thị Vùng nông nghiệp sử d ng phương pháp hồ chứa mặt ruộng để giải Kết quả của phương pháp hồ chứa mặt ruộng tính cho phần diện tích đ t nông nghiệp là đường quá trình hệ số tiêu theo thời gian Số liệu này được nh p vào nút của mô hình SWMM như chức năng nh p lưu lượng (inflow) Phương pháp cụ thể: 2.4.1 Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo mô hình SWMM Bước 1: Sử d ng số liệu mưa giờ và mưa ngày của trạm khí tượng Phủ Lý, Hà Nam trong 30 năm t năm 1985 đến năm 2014 Chọn tổng thời gian của tr n mưa thiết kế bằng 05 ngày và thời gian tiêu là 07 ngày Hai mô hình mưa tiêu thiết kế được xem x t đều có tổng thời gian mưa là 5 ngày, với các bước thời gian khác nhau là: 1 giờ và 1 ngày Các mô hình mưa thiết kế này đều được xác định theo phương pháp thu phóng t tr n mưa điển hình đã được xác định ở m c 2 3 66 Bước 2: Tính toán hệ số tiêu cho lúa: được th c hiện bởi một chương trình máy tính l p bằng ngôn ngữ Visual Basic 6.0. Quá trình tính toán sẽ th c hiện t ngày đầu của tr n mưa thiết kế cho đến khi kết thúc mưa và m c nước trên ruộng trở lại m c nước ban đầu thì sẽ kết thúc quá trình tính L p trình sẵn quá trình tính toán này để mô phỏng dòng chảy t các ô ruộng lúa chảy vào kênh trên hệ thống tiêu để xác định giá trị lưu lượng chảy vào các nút (inflows) của khu v c ruộng lúa (Sơ đồ khối như hình 2 11). Bước 3: Sử d ng mô hình SWMM [47] để tính toán lưu lượng hệ thống tiêu cho hệ thống hỗn hợp giả định theo mô hình mưa giờ Mô hình cho ph p mô phỏng mạng lưới thoát nước bao gồm đường ống, kênh hở, cống, tràn, trạm bơm, Các số liệu đầu vào đơn giản dễ thu th p, mô phỏng chi tiết diễn biến m c nước, lưu lượng, độ sâu dòng chảy, độ sâu ng p úng tại t ng nút theo thời gian (không khống chế thời gian) Đây là phiên bản mới có nhiều tính năng trong tính toán, phiên bản này đã được sử d ng tính toán cho mạng lưới thoát nước cho bước thiết kế, quy hoạch và kiểm soát lũ tại Mỹ, các phiên bản cũ đã được ứng d ng tại Việt Nam Đối với khu v c trồng lúa, mô hình cho ph p mô phỏng ruộng lúa (đối tượng có bề mặt th m nước) với khả năng trữ nước trên bề mặt theo khả năng chịu ng p của lúa theo mô hình mưa ngày Bước 4: T kết quả tính toán lưu lượng của hệ thống theo mô hình mưa giờ cho khu dân cư và mô hình mưa ngày cho khu trồng lúa thiết l p được tỷ số giữa lưu lượng tiêu thiết kế tính theo bước thời gian 1h và lưu lượng tiêu thiết kế tính theo bước thời gian 1 ngày t đó xác định hệ số giảm lưu lượng tiêu của hệ thống thông qua hệ số K (được gọi là hệ số giảm lưu lượng) * Phương pháp tính toán của mô hình SWMM SWMM5 là mô hình mô phỏng các quá trình theo các bước thời gian rời rạc SWMM5 mô phỏng số lượng và ch t lượng nước qua các quá trình v t lý sau: Quá trình sinh dòng chảy mặt; quá trình th m; nước ngầm; tuyết tan; diễn toán dòng chảy; ao nước mặt; diễn toán ch t lượng nước 67 - Dòng chảy mặt: Mỗi Subcatchment được xem như là một hồ chứa phi tuyến Dòng chảy vào Subcatchment bao gồm mưa và dòng chảy t Subcatchment phía trên đã được xác định Dòng chảy ra khỏi Subcatchment bao gồm: Th m, bốc hơi và dòng chảy mặt Dung tích của “hồ chứa” này là khả năng trữ nước lớn nh t của các ao, vùng ẩm ướt và những v t ngăn cản dòng chảy Lưu lượng Q của dòng chảy mặt chỉ xu t hiện khi chiều sâu nước trong “hồ chứa” vượt quá chiều sâu trữ nước Quá trình th m nước mưa vào vùng đ t chưa bão hoà nằm dưới phần diện tích th m nước của Subcatchment được SWMM5 mô tả theo 3 phương pháp: Phương pháp Horton; phương pháp Green-Ampt; phương pháp SCS Quá trình tính toán dòng chảy mặt được th c hiện bởi modul Block RUNOFF d a trên phương trình liên t c và công thức th c nghiệm Manning-Strickler như sau: 2 2 . 2 )()( )()( tR thtth WCONt A VV thtth ir            (2-28) Với 2 1 J.k.B. A 1 WCON  (2-29) Trong đó: h(t + t) và h(t): Độ sâu dòng chảy mặt tại cuối và đầu thời đoạn tính toán Vr: Tổng lượng mưa Vi: Tổng lượng th m R: Chiều sâu lớp nước trữ trên mặt lưu v c B: Chiều rộng diện tích hứng nước J: Độ dốc đáy của phần diện tích tính toán A: Diện tích lưu v c Sử d ng kỹ thu t giải lặp Newton-Raphson để giải phương trình tìm ẩn số h(t + t) sau đó tìm giá trị Q(t + t) theo phương trình Manning-Strickler: 3 5 2 1 R 2 )t(h)tt(h J.k.B)tt(Q        (2.30) Với t ng bước thời gian ta xác định được giá trị lưu lượng chảy tràn là điều kiện biên cho các bước tính toán tiếp theo 68 - Diễn toán dòng chảy: Diễn toán dòng chảy trong phạm vi một đường ống/kênh trong SWMM5 bị chi phối bởi các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng cho dòng chảy không đều biến đổi ch m (hệ phương trình Saint Venant) Hệ phương trình cơ bản: + Phương trình liên t c: 0 x Q t A       (2.31) + Phương trình động l c: 0 x H .A.g x A .V t A .V.2S.A.g t Q 2 f             (2.32) Trong đó: Q: Lưu lượng chuyển qua mặt cắt kênh đang x t A (m3/s) V: Tốc độ dòng chảy ở mặt cắt đang x t (m/s) A: Diện tích mặt cắt ngang kênh tại mặt cắt đang x t (m2) H: Cột nước áp l c tại mặt cắt đang x t (m) Sf: Độ dốc mặt nước |V|Q. R.A.g k S 3 4f  (2-33) k = g n2 (n: hệ số nhám Manning) R: Bán kính thủy l c (m) Sử d ng SWMM5 trong đó có s l a chọn về mức độ chính xác được sử d ng để giải các phương trình này theo các cách sau: Diễn toán dòng chảy đều; diễn toán sóng động học; diễn toán sóng động l c học - Diễn toán dòng chảy sóng động học: Giải phương trình liên t c cùng với hình thức đơn giản nh t của phương trình động lượng trong mỗi đường ống/kênh Dòng chảy lớn nh t có thể v n chuyển qua một đường ống/ kênh là giá trị của dòng chảy đầy tính theo công thức Manning Khi dòng chảy nh p vào các nút có trị số lớn hơn trị số đó thì có 69 hình thành một ao trên đỉnh của nút hoặc một phần lượng dòng chảy bị tổn th t khỏi hệ thống Diễn toán dòng chảy sóng động học cho ph p dòng chảy và diện tích mặt cắt biến đổi theo cả không gian và thời gian trong phạm vi một đường ống/kênh Điều này có thể gây ra kết quả làm ch m và làm suy yếu biểu đồ dòng chảy ra khi dòng chảy vào được dẫn qua kênh Tuy nhiên hình thức diễn toán dòng chảy này không thể tính toán ảnh hưởng của nước v t, tổn th t ở cửa vào và cửa ra Nó có thể luôn luôn duy trì s ổn định về số học đối với mô phỏng bước thời gian dài t 5 phút đến 15 phút Nếu những ảnh hưởng trên là không đáng kể thì phương pháp diễn toán này là chính xác và hiệu quả, đặc biệt là mô phỏng với thời đoạn dài - Diễn toán sóng động lực: Giải hệ phương trình Sain Venant hoàn chỉnh và vì v y cho kết quả chính xác về mặt lý thuyết Hệ phương trình này bao gồm phương trình động lượng và phương trình liên t c cho các đường ống/kênh và phương trình liên t c tại các nút Với hình thức diễn toán này, nó có thể mô tả dòng chảy có áp khi một đường ống kín bị đầy Úng ng p có thể xảy ra khi chiều sâu ở một nút lớn hơn chiều sâu lớn nh t, và khi đó lượng dòng chảy vượt quá hoặc là bị tổn th t khỏi hệ thống hoặc là hình thành một ao ở trên đỉnh của nút và quay trở lại hệ thống khi có thể Diễn toán sóng động l c học có thể tính toán khả năng trữ nước của kênh, nước v t, tổn th t ở cửa vào/cửa ra, dòng chảy ứng với độ dốc ngược, và dòng chảy có áp Đây là phương pháp được l a chọn để mô phỏng cho hệ thống chịu s ảnh hưởng đáng kể của nước v t do s hạn chế của dòng chảy hạ lưu và s điều tiết dòng chảy qua tràn hoặc lỗ Cách diễn toán dòng chảy này để ổn định về mặt số học đòi hỏi bước thời gian mô phỏng nhỏ, khoảng ch ng 1 phút hoặc nhỏ hơn - Diễn toán hồ chứa: Sử d ng phương trình cân bằng trong thời đoạn : OI t V    (2.34) Với: V = V2 – V1 (2.35) 2 II I 21   và 2 OO O 21   (2.36) Trong đó: V là lượng tích trong hồ chứa; 70 I1, I2, O1, O2 là lượng dòng chảy vào và ra khỏi hồ chứa đầu thời đoạn và cuối thời đoạn Các trị số đã biết là: I1, I2, O1, V1; Các giá trị chưa biết là: O2, V2 Thay (2.36) và (2.35) vào phương trình (2.34) ta có: t 2 OO t 2 II VV 212112      (2.37) SWMM được l p trình sẵn để giải phương trình (2 37) theo phương pháp lặp với các thông số đầu vào và quan hệ cao độ lòng hồ - diện tích hồ Sử d ng 2 mô hình trên kết hợp để mô phỏng mưa - dòng chảy cho toàn bộ lưu v c nghiên cứu Hình 2 11 Sơ đồ khối tính toán dòng chảy cho lưu v c nghiên cứu - Vẽ sơ đồ hệ thống tiêu trên SWMM - Nh p các thông số của toàn bộ lưu v c tiêu (thông số lưu v c đô thị, kích thước hình học, cao độ của hệ thống kênh, ao, trạm bơm ) BẮT ĐẦU T số liệu mưa, chiều rộng tràn, chiều cao tràn , sử d ng phương pháp tính hệ số tiêu cho lúa (đã nêu ở m c 2.3.3) xác định quá trình Q~t t các ô ruộng Nh p các điều kiện biên: Mưa, m c nước, lưu lượng vào (inflows) tại các nút - Mô phỏng mưa-dòng chảy cho các lưu v c đô thị - Diễn toán dòng chảy trong hệ thống tiêu Kiểm tra s hợp lý của kq mô phỏng Xu t kết quả: Z~t và Q~t tại các nút KẾT THÚC 71 2.4.2 Tính toán lưu lượng tiêu của hệ thống theo TCVN 10406:2015 Vì đối tượng trong hệ thống tiêu giả định bao gồm lúa và khu dân cư nên hệ số tiêu sơ bộ của vùng tiêu (qi) xác định theo công thức qi = l.qli + dc.qdc (2-38) Trong đó: l là tỷ lệ diện tích trồng lúa nước trên vùng tiêu: Có 6 giá trị cho 3 hệ thống giả định dc là tỷ lệ diện tích đ t ở của dân cư nông thôn thuộc vùng tiêu: Có 6 giá trị cho 3 hệ thống giả định; qli là hệ số tiêu cho ruộng lúa tại thời đoạn tính toán thứ i, l/s/ha, qli l y theo kết quả tính toán ở m c trên qdci là hệ số tiêu bình quân của đối tượng tiêu nước tổng hợp trên vùng tiêu tại thời đoạn tiêu nước thứ i, l/s/ha qdc = 64,8 1 Cdc.Pi (2-39) Hệ số dòng chảy Cdc l y theo bảng B 1 ph l c B của tiêu chuẩn: Đối với lưu v c khu dân cư thuộc hệ thống tiêu Lạc Tràng, Cdc = 0,65 qdc = 0,0752.Pi (2-40) 2.5 ết luận chương 2 i) Nhằm cải tiến phương pháp xác định cường độ mưa thiết kế dùng cho tính toán quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu dân cư, đô thị vùng ĐBBB, lu n án đã giới thiệu phương pháp thiết l p bộ phương trình mô tả quan hệ giữa lượng mưa và thời gian mưa với thời đoạn ngắn (d =10„÷24h) ứng với các chu k lặp lại 5, 10 và 20 năm cho 15 trạm đo mưa t ghi. Kết quả cho th y có một điểm chuyển tiếp giữa hai phương trình xung quanh thời điểm 1h, thể hiện rõ xu thế biến đổi của mưa thời đoạn ngắn theo thời gian được chia làm hai thời khoảng Đây là một điểm mới trong công thức mới của lu n án so với các công thức tính cường độ mưa trước đây 72 ii) Để mô tả s phân bố theo không gian của lượng mưa thời đoạn ngắn lớn nh t, lu n án sử d ng phần mềm ArcGis 10 với phương pháp nội suy Spline để xây d ng các bản đồ đẳng trị lượng mưa lớn nh t các thời đoạn: 1h, 3h, 6h, 12h, 24h, 3 ngày, 5 ngày và bản đồ đẳng trị tham số của phương trình cường độ mưa ứng với các tần su t khác nhau D a vào các bản đồ đẳng trị này sẽ xác định được giá trị lượng mưa và cường độ mưa thiết kế ph c v cho công tác quy hoạch, thiết kế các hệ thống tiêu nước khu đô thị, dân cư nông thôn tại các vùng không có trạm đo mưa trong vùng ĐBBB. iii) Đối với các vùng trồng lúa, hiện nay thường sử d ng phương pháp tr n mưa điển hình với tài liệu mưa ngày để xác định tr n mưa thiết kế Phương pháp này có hạn chế là phân bố mưa của tr n mưa thiết kế ph thuộc vào phân bố mưa của tr n mưa điển hình, trong khi tr n mưa điển hình được chọn thường d a trên tổng lượng mưa của cả tr n. Mặt khác, tr n mưa thiết kế d a trên tài liệu mưa ngày này cũng sẽ cho kết quả thiên nhỏ vì cường độ mưa được coi như phân bố đều trong mỗi ngày. Vì v y lu n án đã đề xu t một phương pháp l a chọn mô hình mưa thiết kế hợp lý cho lúa bằng phương pháp mô hình toán mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trên quan điểm: một mô hình mưa tiêu thiết kế được gọi thích hợp nh t khi nó tạo ra dòng chảy có giá trị lưu lượng đỉnh hoặc tổng lượng sát nh t với giá trị lưu lượng đỉnh hoặc tổng lượng xác định được t phân tích tần su t liệt dòng chảy mô phỏng t các tr n mưa đã đo đạc. iv) Với các hệ thống tiêu hỗn hợp việc chọn bước thời gian mưa thiết kế bằng 1 ngày sẽ dẫn đến kết quả tính toán lưu lượng tiêu thiết kế của các công trình tiêu như kênh, cống, trạm bơm thiên nhỏ và không đảm bảo an toàn chống ng p l t nếu như có đoạn kênh tiêu đi qua khu dân cư hay bờ kênh kết hợp đường giao thông mà có yêu cầu mưa giờ nào tiêu hết giờ đó Lu n án đã giới thiệu một phương pháp xác định hệ số hiệu chỉnh lưu lượng K khi biết tỷ lệ diện tích lúa và diện tích khu dân cư. T đó có thể xác định được lưu lượng tiêu thiết kế tổng hợp ứng với bước thời gian 1h khi biết lưu lượng tiêu thiết kế tổng hợp ứng với bước thời gian là 1 ngày. Kết quả này có thể được áp d ng trong việc xác định lưu lượng tiêu thiết kế cho các đoạn kênh tiêu đi qua khu dân cư hay có bờ kênh kết hợp đường giao thông trong các vùng tiêu khi biết hệ số tiêu thiết kế theo quy hoạch được xác định t mô hình mưa ngày 73 CHƯ NG 3 ẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 ết quả xây dựng qu n hệ lượng mư - thời gi n - t n suất (DD ) và quan hệ cường ộ mư - thời gi n - t n suất (IDF). Căn cứ vào phương pháp đã được giới thiệu chi tiết ở m c 2 1, tác giả tiến hành tính toán xây d ng đường quan hệ DDF T đó thiết l p được bộ các phương trình tính lượng mưa và cường độ mưa thiết kế cho 15 trạm thời đoạn ngắn (d = 10‟ †24h) theo các nội dung được trình bày dưới đây 3.1.1 Kết quả xây dựng quan hệ DDF 3.1.1.1 ết quả tính tần suất Để chọn được hàm phân phối xác su t phù hợp nh t với các liệt số liệu lượng mưa lớn nh t năm đã chọn, 3 hàm phân phối xác su t đã được l a chọn để tính toán và vẽ đường tần su t đó là: Gumbel (EV1), Lognormal, Pearson III Qua kết quả so sánh kiểm định 2, phân bố Gumbel (EV1) được chọn là hàm phân phối xác su t phù hợp nh t để tính toán tần su t Căn cứ vào tài liệu mưa thu th p được với thời đoạn d = 10 phút ÷ 24h. Theo TCVN 7957:2008, chu k lặp lại của tr n mưa tính toán dùng để thiết kế cống, kênh mương đối với khu v c đô thị ph thuộc vào tính ch t đô thị và quy mô công trình (bảng 1 2) Lu n án tiến hành tính toán tần su t: 5, 10, 20 và 50 % (hay các chu k lặp lại: 20, 10, 5, 2 năm), đây là các chu k lặp lại thường được sử d ng trong th c tế Th c hiện tính toán cho 15 trạm đo mưa t ghi được kết quả minh họa như bảng 3 1 dưới đây: Bảng 3 1 Lượng mưa lớn nh t (mm) tương ứng với các thời đoạn và thời gian xu t hiện lại (T) hay tần su t (P) của trạm Phủ Lý T (năm) P(%) Thời gi n mư (h) 0.167h 0.5h 1h 2h 3h 6h 12h 24h 2 50 19.4 43.4 64.5 78.0 96.8 107.6 136.2 159.1 5 20 23.9 54.9 82.5 97.9 116.5 128.9 168.2 213.0 10 10 26.8 62.5 94.4 111.1 129.6 143.1 189.5 248.7 20 5 29.6 69.7 105.8 123.8 142.1 156.7 209.8 282.9 Kết quả của các trạm còn lại được tổng hợp tại ph l c 1.2 74 3.1.1.2 X y dựng đường quan hệ DDF Biểu diễn quan hệ giữa lượng mưa và thời gian mưa ở trên lên đồ thị logarit hai chiều cho th y quan hệ giữa Hd và d có dạng số mũ. Hàm dạng mũ được áp d ng để biểu thị quan hệ DDF và được đánh giá s phù hợp qua chỉ số R2 là hệ số tương quan giữa lượng mưa (Hd) và (d) trung bình hai thời khoảng. Những đường H  d và giá trị các tham số tương ứng của trạm Phủ Lý được thể hiện trong hình 3.1 . Hình 3 1 Quan hệ giữa lượng mưa và thời gian mưa trạm Phủ Lý ứng với các chu k lặp lại T khác nhau Các trạm còn lại xem tại ph l c 1.3 3.1.1.3 Thiết lập công thức tính lượng mưa Phương trình biểu thị quan hệ lượng mưa và thời gian mưa (Hd) thời đoạn ngắn ứng với các chu k lặp lại 2, 5, 10, 20 năm cho 15 trạm đo mưa ở đồng bằng Bắc Bộ là: Vĩnh Yên, Sơn Tây, Láng, Hà Đông, Hà Nam, Nam Định, Văn Lý, Hưng Yên, Bắc Ninh, Hải Dương, Chí Linh, Ninh Bình, Nho Quan, Thái Bình, Hải Phòng được tổng hợp trong các bảng dưới đây 75 Bảng 3.2 Phương trình biểu thị quan hệ H  d của các trạm ứng với T = 2 năm STT Tên trạm d*(h) H = ad n H1 = a1d n1 (khi d ≤ d*) H2 = a2d n2 (khi d > d * ) R 2 1 Vĩnh Yên 1,09 H1 = 56,58.d 0,561 H2 = 58,13.d 0,247 0,999 2 Sơn Tây 0,91 H1 = 60,40.d 0,551 H2 = 59,23.d 0,333 0,998 3 Láng 0,88 H1 = 65,10.d 0,528 H2 = 62,88.d 0,248 0,995 4 Hà Đông 0,94 H1 = 64,42.d 0,614 H2 = 63,05.d 0,25 0,999 5 Hà Nam 0,85 H1 = 66,28.d 0,677 H2 = 65,85.d 0,285 0,999 6 Nam Định 1,06 H1 = 60,73.d 0,585 H2 = 61,87.d 0,250 0,997 7 Văn Lý 1,13 H1 = 61,42.d 0,627 H2 = 63,71.d 0,338 0,998 8 Hưng Yên 1,02 H1 = 55,32.d 0,541 H2 = 55,65.d 0,206 1,000 9 Bắc Ninh 0,85 H1 = 66,65.d 0,597 H2 = 66,25.d 0,233 0,997 10 Hải Dương 1,06 H1 = 58,52.d 0,550 H2 = 59,52.d 0,250 0,999 11 Ch

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_cai_tien_phuong_phap_xac_dinh_mo_hinh_mua.pdf
Tài liệu liên quan