Những vấn đề thiết kế trong thủy văn học

Ch−¬ng 9. Nh÷ng vÊn ®Ò thiÕt kÕ trong thuû v¨n häc ¶nh: Tr¹m b¬m n−íc m−a ®« thÞ 9.1 Giíi thiÖu Trong ch−¬ng nµy, c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n l−îng m−a vµ l−îng dßng ch¶y thiÕt kÕ ®−îc nhÊn m¹nh ®èi víi nh÷ng l−u vùc ®« thÞ ho¸ nhá vµ réng lín. C¶ c¸c ®−êng cong c−êng ®é - thêi gian- tÇn suÊt (IDF) vµ c¸c biÓu ®å m−a thiÕt kÕ ®· ®−îc giíi thiÖu sÏ ®−îc ®Ò cËp kh¸ chi tiÕt. Trong phÇn 9.3 thiÕt kÕ trªn l−u vùc nhá gåm c¶ viÖc nghiªn cøu ph¸t triÓn ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n ¸p dông ®èi víi lo¹i hÖ thèng cèng trßn trªn mét ph©n khu (VÝ dô 9.2). C¸c ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ kÝch th−íc cña c¸c cèng trßn vµ kªnh dÉn sö dông ®−êng l−u l−îng ®¬n vÞ gÇn nh− ®−îc thiÕt kÕ theo nh÷ng giíi h¹n tiªu chuÈn ®èi víi c¸c khu vùc ®« thÞ. VÝ dô 9.3 m« t¶ mét c¸ch chi tiÕt viÖc thiÕt kÕ kiÓm so¸t lò ®èi víi mét ph©n khu sö dông m« h×nh HEC-1 víi l−îng tr÷ khèng chÕ vµ tr÷ l−îng trµn (VÝ dô 9.4). KÕt thóc ch−¬ng b»ng mét tr−êng hîp nghiªn cøu duy nhÊt trªn ®ång b»ng ngËp lò sö dông m« h×nh HEC-1 vµ HEC-2 ph©n tÝch vµ thiÕt kÕ t¹i c¸c vïng rõng, gÇn thµnh phè Houston, bang Texas. 545 9.2. L−îng m−a thiÕt kÕ C¸c ®−êng cong IDF Nh÷ng l−îng m−a thiÕt kÕ ®· ®−îc m« t¶ ®Çu tiªn vµ chi tiÕt trong phÇn 5.6 vµ phÇn 6.3, cïng víi viÖc ®Ò cËp tíi nguån d÷ liÖu vµ sù lùa chän mét l−îng m−a thiÕt kÕ ®Æc tr−ng. C¸c ®−êng cong IDF quan hÖ víi c−êng ®é l−îng m−a, thêi gian m−a vµ mét chuçi c¸c chu kú kh¸c nhau. C¸c vÝ dô ®Æc tr−ng vÒ ®−êng cong IDF ®èi víi c¸c chu kú tõ 2 ®Õn 100 n¨m ®−îc thÓ hiÖn trong h×nh 1.8 cho thµnh phè Houston, bang Texas, vµ h×nh 6.5 cho thµnh phè Tallahassee, bang Florida. C¸c ®−êng cong IDF còng ®−îc sö dông ®Ó x¸c lËp biÓu ®å m−a lò thiÕt kÕ tæng hîp khi cho thêi gian vµ tÇn suÊt m−a, nh− ®−îc m« t¶ trong vÝ dô 6.4, h×nh E6.4 thÓ hiÖn kÕt qu¶ trËn m−a thiÕt kÕ víi chu kú 5 n¨m thêi gian m−a 24 giê ®èi víi vïng Tallahassee, bang Florida. TrËn m−a thiÕt kÕ 24 giê th−êng ®¹t gi¸ trÞ 1 giê m−a lín nhÊt t¹i giê thø 12. Gi¸ trÞ m−a 2 giê t−¬ng øng víi tæng c¸c gi¸ trÞ t¹i giê thø 12 vµ 13, vµ gi¸ trÞ m−a 3 giê t−¬ng øng víi tæng gi¸ trÞ t¹i c¸c giê thø 11, 12, 13, ... §−êng cong thiÕt kÕ tæng hîp ë thµnh phè Houston, bang Texas, ®èi víi c¸c chu kú 10 n¨m vµ 100 n¨m, thêi gian m−a 24 giê lµ t−¬ng tù vµ ®−îc m« t¶ trong h×nh 5.11. TrËn m−a thiÕt kÕ tæng hîp gÆp ph¶i ®iÒu kiÖn kh«ng thuËn lîi ®ã lµ tr¹ng th¸i vµ thêi gian m−a cã phÇn tuú ý (xem phÇn 6.3), nh−ng viÖc sö dông c¸c ®−êng cong IDF ®Ó ®−a ra c¸c trËn m−a tæng hîp lµ t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n vµ ®−îc x¸c ®Þnh tèt ®èi víi nhiÒu vïng ®« thÞ ë Mü. B¶ng 9.1 C¸c hÖ sè cña ph−¬ng tr×nh l−îng m−a Khu vùc c e f Atlanta 97,5 0,83 6,88 Chicago 94,9 0,88 9,04 Cleveland 73,7 0,86 8,25 Denver 96,6 0,97 13,90 Houston 97,4 0,77 4,80 Los Angeles 20,3 0,63 2,06 Miami 124,2 0,81 6,19 New York 78,1 0,82 6,57 Santa Fe 62,5 0,89 9,10 St. Louis 104,7 0,89 9,44 C¸c ®−êng cong IDF còng ®−îc biÓu diÔn theo mét d¹ng ph−¬ng tr×nh v× r»ng kh«ng thÓ ®äc trªn ®å thÞ IDF ®Ó x¸c ®Þnh ®−îc c−êng ®é m−a. Wenzel (1982) cung cÊp c¸c hÖ sè tõ mét sè thµnh phè cña n−íc Mü ®èi víi ph−¬ng tr×nh cã d¹ng fT c i e d + = (9.1) trong ®ã: i lµ c−êng ®é m−a thiÕt kÕ (in/giê). Td lµ thêi gian m−a (phót). 546 c, e, vµ f lµ nh÷ng h»ng sè ®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng 9.1 víi chu kú 10 n¨m ®èi víi mét vµi thµnh phè n−íc Mü. V× vËy, trËn m−a thiÕt kÕ cã chu kú 10 n¨m, thêi gian m−a 20 phót ®èi víi khu vùc Denver lµ 3,0 in/giê. TÇn suÊt m−a thiÕt kÕ cho l−u vùc lín Mét vÊn ®Ò thiÕt thùc trong thiÕt kÕ thuû v¨n lµ viÖc tÝnh to¸n tÇn suÊt m−a thiÕt kÕ ®èi víi mét sè c¸c tr¹m ®o m−a trªn mét l−u vùc réng lín. Vµo ngµy 17-18 th¸ng 5 n¨m 1989 x¶y ra mét trËn m−a lín tËp trung ë phÇn h¹ l−u s«ng Cypress Creek gÇn thµnh phè Houston, bang Texas, kÐo dµi trªn 24 giê, nã ®· g©y ra mét vïng ngËp lôt réng lín ë h¹ l−u l−u vùc. Theo ghi chÐp cña 9 tr¹m ®o ®¹c dßng ch¶y n»m trªn hoÆc gÇn s«ng Cypress Creek ho¹t ®éng liªn tôc trong suÊt thêi gian diÔn ra sù kiÖn trªn ®· cung cÊp nh÷ng sè liÖu vÒ l−îng m−a vµ l−u l−îng dßng ch¶y. VÞ trÝ c¸c tr¹m nµy ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 9.1 cïng víi b¶n ®å ®−êng ®¼ng trÞ l−îng m−a x©y dùng tõ sè liÖu l−îng m−a cña trËn m−a th¸ng 5 n¨m 1989 (Harris County Flood Control District, 1991). H×nh 9.1. B¶n ®å ®−êng ®¼ng trÞ l−îng m−a x©y dùng tõ sè liÖu l−îng m−a cña trËn m−a th¸ng 5 n¨m 1989 (Harris County Flood Control District, 1991). §iÓm cã tæng l−îng m−a lín nhÊt trong 9 tr¹m víi thêi gian m−a thay ®æi tõ 1 dÕn 24 giê ®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng 9.2. Tõ ®ã cã thÓ thÊy r»ng tæng l−îng m−a ë vïng th−îng l−u ng· ba s«ng Little Cypress Creek kh«ng v−ît qu¸ chu kú 3 n¨m. PhÝa d−íi cña l−u vùc, quan tr¾c ®−îc chu kú thay ®æi tõ 10 ®Õn 80 n¨m ®èi víi thêi gian m−a 24 giê. L−îng m−a 24 giê lín nhÊt quan tr¾c ®−îc t¹i tr¹m 1140 n»m ë trung t©m h¹ l−u l−u vùc, theo ®ã l−îng m−a lµ 12,11 in trªn 24 giê, l−îng m−a nµy cã chu kú 80 n¨m. §iÓm hoÆc c¸c tr¹m ®o m−a ph¶i ®−îc ®Æt sao cho phï hîp víi diÖn tÝch l−u vùc ®Ó tÝnh to¸n c¸c chu kú trung b×nh l−u vùc. H×nh 9.2a thÓ hiÖn kh¸i qu¸t sù biÕn ®æi cña 547 ®å thÞ chiÒu s©u líp n−íc - diÖn tÝch trªn n−íc Mü ®−îc c«ng bè bëi Côc thêi tiÕt Mü. §èi víi vïng h¹ l−u s«ng Little Cypress Creek, chu kú lÆp trung b×nh l−u vùc thay ®æi tõ 15 n¨m víi l−îng m−a 12 giê ®Õn trªn 100 n¨m ®èi víi thêi gian m−a 30 phót vµ 1 giê. Trong khu vùc nµy, chu kú lÆp ®èi víi thêi gian m−a 12 giê ®−îc x¸c ®Þnh lµ 60 n¨m, so víi chu kú lÆp 80 n¨m t¹i tr¹m 1140. Sè liÖu m−a qu¸ khø nµy cã thÓ ®−îc sö dông trong m« h×nh HEC- 1 (xem phÇn 5.4 vµ 5.6) ®Ó m« pháng ®Ønh lò thiÕt kÕ trªn l−u vùc. B¶ng 9.2. Sè liÖu trËn m−a th¸ng 5 n¨m 1989 ë Cypress Creek Thêi ®o¹n m−a 1 giê 2 giê 3 giê 6 giê 12 giê 24 giê 48 giê Sè tr¹m Tªn tr¹m §é s©u Chu kú §é s©u Chu kú §é s©u Chu kú §é s©u Chu kú §é s©u Chu kú §é s©u Chu kú §é s©u Chu kú 760 San Jacinto at US 59 2.55 2 3.7 5 5.21 20 6.14 15 8.92 40 12.59 100 12.59 50 1050 Spring at Riley-Fussel 3.88 27 4.72 20 5.12 18 5.74 10 5.84 5 8.06 10 8.06 7 1120 Cypress at I-45 2.39 1 3.56 4 4.67 10 5.84 11 6.14 6 11.49 60 11.49 40 1140 Cyypress at Stuebner Airline 3.93 30 5.3 45 5.97 45 7.09 30 7.69 20 12.11 80 12.11 50 1160 Cypress at Grant 2.86 4 4.13 10 4.45 8 4.94 5 5.29 4 9.62 25 9.62 15 1170 Cypress at Huffmeister 2.4 2 3.81 6 4.03 5 4.03 2 4.31 2 8.43 15 8.43 10 1180 Cypress at Katy-Hockley 1.72 1.8 1.85 2.24 2.58 3.77 3.77 1190 Little Mound at Betka 0.3 0.5 0.55 0.6 0.6 0.94 0.94 1220 L. Cypress at Cypress-Rosehill 2.24 1 2.24 1 2.52 3.58 1 3.81 2 5.57 3 5.57 2 m−a cùc h¹n (PMP) U.S. NWS c«ng bè hai b¸o c¸o quan träng liªn quan ®Õn tÇn suÊt m−a vµ c¸c trËn m−a thiÕt kÕ. TP 40 tõ Hershield (1961) thÓ hiÖn nh÷ng b¶n ®å ®èi víi thêi gian m−a tõ 30 phót tíi 1 giê vµ chu kú lÆp tõ 1 dÕn 100 n¨m (H×nh 9.2b). GÇn ®©y h¬n, NWS ®−a ra HYDRO 35 (1977a) thÓ hiÖn chiÒu s©u líp n−íc ®èi víi thêi gian m−a 5, 15, vµ 60 phót víi chu kú lÆp tõ 2 ®Õn 100 n¨m, thay thÕ mét phÇn TP 40. Nh÷ng tµi liÖu nµy cã thÓ sö dông ®Ó x¸c ®Þnh biÓu ®å m−a thiÕt kÕ hoÆc c¸c ®−êng cong IDF ®èi víi c¸c khu vùc x¸c ®Þnh cña n−íc Mü. Trong nh÷ng dù ¸n thiÕt kÕ lín nh−: ®Ëp trµn, ®Ëp, hoÆc c¸c hå chøa quan träng, viÖc ph©n tÝch chiÒu s©u líp n−íc- thêi gian m−a -tÇn suÊt m−a víi chu kú lÆp 100 n¨m thËm chÝ 500 n¨m còng kh«ng thÓ lo¹i trõ kh¶ n¨ng sù cè cã thÓ x¶y ra. T¹i n−íc Mü l−îng m−a lín nhÊt cã thÓ x¶y ra (PMP) lµ ®−îc sö dông, b»ng viÖc ph©n tÝch ®¸nh gi¸ chiÒu s©u líp n−íc m−a lín nhÊt ®èi víi mét thêi gian m−a x¸c ®Þnh ®ã lµ quy luËt tù nhiªn trªn mét vïng ®Þa h×nh riªng biÖt t¹i mét thêi gian x¸c ®Þnh trong n¨m. TrËn m−a lín nhÊt cã thÓ x¶y ra (PMP) bao gåm sù ph©n bè l−îng m−a theo thêi gian. 548 H×nh 9.2 (a). Tæng ®é s©u - diÖn tÝch H×nh 9.2(b) .B¶n ®å m−a 24 giê, 100 n¨m Nh÷ng kh¸i niÖm vµ ph−¬ng ph¸p luËn liªn quan ®−îc m« t¶ trong c¸c b¸o c¸o cña Trung t©m qu¶n lý ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn quèc gia (NOAA) NWS, c¸c b¸o c¸o khÝ t−îng thuû v¨n (HMR), ®Æc biÖt lµ HMR 51 (1978) vµ HMR 52 (1982) ®èi víi vïng phÝa §«ng kinh tuyÕn 105. PMF hay lò lín nhÊt cã thÓ x¶y ra lò cùc h¹n liªn quan chÆt chÏ víi PMP. §èi víi khu vùc phÝa T©y kinh tuyÕn 105, mét sè b¶n b¸o c¸o NWS kh¸c cã thÓ dïng ®−îc vµ ®−îc viÕt bëi ViÖn khoa häc quèc gia (1983). VÝ dô nh−: California ®−îc m« t¶ trong HMR 36 (Côc thêi tiÕt quèc gia, 1969), vïng T©y B¾c trong HMR 43 (Côc thêi tiÕt quèc gia, 1966), vµ vïng T©y Nam trong HMR 49 (Côc thêi tiÕt quèc gia, 1977). Trung t©m thuû v¨n c«ng tr×nh cña qu©n ®éi Mü (HEC) cã mét ch−¬ng tr×nh m¸y 549 tÝnh gäi lµ HMR 52 ®Ó tÝnh to¸n l−îng m−a b×nh qu©n l−u vùc ®èi víi trËn m−a lín nhÊt cã thÓ x¶y ra (PMS) trªn c¬ së PMP −íc l−îng tõ HMR 51. Ch−¬ng tr×nh nµy cã thÓ sö dông víi m« h×nh HEC-1 ®Ó x¸c ®Þnh PMF ®èi víi mét hå chøa hoÆc l−u vùc lín. PMP x¸c ®Þnh cho mét l−u vùc cã c¸c thµnh phÇn quan träng bao gåm: (1) ®−êng cong líp n−íc- diÖn tÝch- thêi gian m−a, (2) kiÓu ®−êng ®¼ng trÞ l−îng m−a chuÈn cã d¹ng h×nh ellipse, (3) chiÒu h−íng biÕn chuyÓn, (4) diÖn tÝch m−a giíi h¹n, (5) tham sè biÕn chuyÓn ®−êng ®¼ng trÞ l−îng m−a tham sè nµy chØ râ tû lÖ phÇn tr¨m cña ®é s©u líp n−íc øng víi l−îng m−a lín nhÊt ®èi víi mçi d¹ng ®−êng ®¼ng trÞ l−îng m−a. 9.3. ThiÕt kÕ trªn l−u vùc nhá thiÕt kÕ lý t−ëng Thùc tÕ cho thÊy r»ng trong kho¶ng thêi gian dµi ngay khi cã sù ph¸t triÓn ®« thÞ trªn mét bån thu n−íc hay l−u vùc tù nhiªn kÕt qu¶ sÏ th−êng lµ lµm t¨ng ®Ønh dßng ch¶y ra vµ rót ng¾n thêi gian tËp trung n−íc (xem phÇn 2.4). Nh÷ng thay ®æi nµy lµ kÕt qu¶ cña sù thay ®æi ®é dèc trªn nh÷ng vïng ®Êt trèng vµ nh÷ng ®−êng phè, diÖn tÝch ®Êt kh«ng thÊm t¨ng, thªm vµo ®ã sù tËp trung dßng ch¶y xuèng h¹ l−u cña c¸c vïng bªn c¹nh. L−îng tr÷ tù nhiªn trªn l−u vùc th−êng gi¶m cïng víi sù ph¸t triÓn ®« thÞ ho¸. NhiÒu vÊn ®Ò tr÷ n−íc l¹i ph¶i ®−îc thùc hiÖn ®Ó xö lÝ tØ lÖ t¨ng dßng ch¶y, gi¶m l−îng tr÷ tù nhiªn còng nh− tæn thÊt trong c¸c cèng, sù më réng lßng dÉn, hoÆc trªn hÖ thèng ®−êng phè. NÕu ®Ønh dßng ch¶y ra t¨ng m¹nh lµ kÕt qu¶ cña sù ph¸t triÓn trªn mét khu vùc, khÝ ®ã nhiÒu kh¶ n¨ng x¶y ra tr÷ l−îng n−íc khèng chÕ trªn c¸c vÞ trÝ vµo vµ ra cã thÓ ®−îc yªu cÇu. Nh÷ng thiÕt kÕ l−u vùc nhá th−êng bao gåm viÖc sö dông ph−¬ng ph¸p thÝch hîp (phÇn 6.4) hoÆc mét ph−¬ng ph¸p biÓu ®å thuû v¨n ®¬n vÞ (phÇn 2.4) ®Ó dù b¸o c¸c l−u l−îng cùc ®¹i t¹i nh÷ng vÞ trÝ kh¸c nhau ®èi víi l−îng m−a vµ thêi gian m−a thiÕt kÕ ®· cho. Sù lùa chän chÝnh x¸c ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ thuû v¨n phô thuéc lín vµo nhu cÇu thiÕt kÕ riªng ®èi víi tõng thµnh phè hoÆc thÞ x· vµ kÝch th−íc cña tõng vïng ph¸t triÓn. C¸c khu vùc quan träng nhÊt thuéc thñ ®« hiÖn nay cã c¸c s¸ch quy ph¹m thiÕt kÕ, c¸c s¸ch nµy chØ râ c¸c nguyªn t¾c vµ quy ph¹m ®èi víi l−îng n−íc m−a thiÕt kÕ. Nh÷ng yªu cÇu tõ Quy ph¹m ®èi víi thiÕt kÕ kiÓm so¸t lò vµ hÖ thèng tho¸t n−íc thÝch øng kh¸ ®Æc tr−ng vµ sÏ ®−îc sö dông ®Ó lµm s¸ng tá c¸c vÝ dô ®−a ra trong ch−¬ng nµy. C¸c ph−¬ng ph¸p m−a - dßng ch¶y ®−îc ¸p dông trªn c¸c l−u vùc cã diÖn tÝch x¸c ®Þnh. Quy ph¹m cã thÓ ®−îc dïng ®èi víi viÖc thiÕt kÕ c¸c lßng dÉn hë, cÇu, cèng ngÇm, m¸ng n−íc kÝn, c¸c cöa cèng tho¸t n−íc lò, c¸c c«ng tr×nh ®iÒu tiÕt vËn tèc dßng ch¶y, vµ c¸c hå tr÷ n−íc nhá. Mçi khu vùc ®« thÞ sÏ cã nh÷ng yªu cÇu kh¸c nhau nh−ng tæng qu¸t l¹i th× môc ®Ých lµ t−¬ng tù nhau: x©y dùng vµ duy tr× tÝnh phï hîp ®· dù tÝnh ®Ó gi¶m thiÓu tèi ®a sù ®e do¹ cña lò ®çi víi tÊt c¶ c¸c thµnh phè, thÞ x·. C¸c vïng cã ®é 550 dèc lín sÏ cã c¸c thiÕt kÕ vµ ch−¬ng tr×nh ®Æc biÖt, nhÊt lµ c¸c vÊn ®Ò liªn quan tíi tèc ®é dßng ch¶y vµ tèc ®é xãi mßn ®Êt. dßng ch¶y cùc ®¹i trong khu vùc kh«ng ph¸t triÓn Dßng ch¶y cùc ®¹i trong khu vùc kh«ng ph¸t triÓn ®−îc sö dông trong giai ®o¹n ban ®Çu ®Ó so s¸nh ¶nh h−ëng cña dù ¸n ph¸t triÓn ®èi víi mét l−u vùc ®· cho. §Ønh lò ®èi víi vïng kh«ng ph¸t triÓn cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc b»ng c¸ch sö dông mét sè c¸c ph−¬ng ph¸p bao gåm ph−¬ng ph¸p thÝch hîp víi c¸c hÖ sè kh«ng ph¸t triÓn, ph−¬ng ph¸p diÖn tÝch - l−u l−îng hoÆc vÞ trÝ c¸c ®−êng cong dßng ch¶y mÆt thu ®−îc tõ sè liÖu c¸c tr¹m ®o, hoÆc c¸c ph−¬ng ph¸p biÓu ®å thuû v¨n ®¬n vÞ víi c¸c hÖ sè kh«ng ph¸t triÓn thÝch hîp. C¸c kÕt qu¶ th−êng sÏ kh¸c nhau phô thuéc vµo sù lùa chän c¸c ph−¬ng ph¸p, vµ mét sè ph−¬ng ph¸p cho kÕt qu¶ dù b¸o phÝa trªn trong khi nh÷ng ph−¬ng ph¸p kh¸c l¹i ë phÝa d−íi ®Ønh lò. Nh− vËy, ph−¬ng ph¸p thÝch hîp kh«ng ®−îc sö dông ®Ó thiÕt kÕ trªn nh÷ng diÖn tÝch lín h¬n 1,0 mi2 (2,5 km2). C¸c ph−¬ng ph¸p biÓu ®å thñy v¨n ®¬n vÞ sÏ kh«ng ®−îc sö dông trªn c¸c l−u vùc bé phËn lín h¬n kho¶ng 3-5 mi2. C¸c m« h×nh m¸y tÝnh nh− m« h×nh HEC-1 hoÆc SWMM th−êng ®−îc yªu cÇu sö dông cho c¸c khu vùc cã diÖn tÝch lín h¬n kho¶ng 2000 mÉu (kho¶ng 3 mi2) bëi v× cÇn ph¶i xÐt tíi c¸c l−u vùc bé phËn vµ diÔn to¸n lò trong lßng dÉn, nh− ®· thÓ hiÖn trong phÇn 5.6. VÝ dô 9.1 so s¸nh ba ph−¬ng ph¸p trong viÖc tÝnh to¸n tèc ®é thay ®æi dßng ch¶y cùc ®¹i tõ c¸c khu vùc kh«ng ph¸t triÓn. VÝ dô 9.1 TÝnh to¸n dßng ch¶y cùc ®¹i tõ c¸c l−u vùc kh«ng ph¸t triÓn X¸c ®Þnh tèc ®é thay ®æi dßng ch¶y cùc ®¹i khu vùc kh«ng ph¸t triÓn víi chu kú 100 n¨m tÝnh theo ®¬n vÞ ft3/s ®èi víi diÖn tÝch l−u vùc 403 mÉu gÇn thµnh phè Houston, bang Texas, nh− trong h×nh E9.1. Sö dông ph−¬ng ph¸p phÇn tö víi Tc= 60 phót vµ c¸c ®−êng cong IDF (h×nh 1.8). Sö dông ph−¬ng ph¸p TC + R trong b¶ng 5.13 víi tØ lÖ ph¸t triÓn 0%. Sö dông ph−¬ng ph¸p SCS ®èi víi biÓu ®å thuû v¨n ®¬n vÞ (UH) vµ l−îng m−a trong mét giê lµ 4,3 in víi chu kú 100 n¨m. Ph−¬ng ph¸p thÝch hîp tc = 60 phót QP = CiA C = 0.4 i = 4.3 in/giê (tõ ®−êng cong IDF, h×nh 1.8) A = 403 ac QP = (0,4)(4,3)(hÖ sè biÕn ®æi) HÖ sè biÕn ®æi = (43560/(12 ×3600)) 551 QP = 699 ft3/s Ph−¬ng ph¸p TC + R Xem b¶ng 5.13. A = 0,63 mi2 L = 4400 ft = 0,78 mi ∆y= 22 ft/mi = 0,42 % tØ lÖ ph¸t triÓn = 0 %: C = 7,25 706.0 0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=+ S L CRTC = 706,0 22 78,025,7 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = 2,04 06,1 0 ' ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= S L CTC ac = 06,1 22 39,079,3 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = 0,27 R = (TC + R) – TC = 2,04 - 0,27 = 1,77 QP = 635 ft3/s (tõ m« h×nh HEC-1) H×nh E9.1 DiÖn tÝch l−u vùc kh«ng ph¸t triÓn 552 Ph−¬ng ph¸p SCS Tham kh¶o vÝ dô 2.8c. Gi¶ thiÕt hÖ sè ®−êng cong (CN) = 80. L = 4100 ft A = 0,63 mi2 SCS CN = 80 (b¶ng 2.1) S = (1000/CN) - 10 = 1000/80 - 10 = 2,5 ∆y = 0,42 % = 1,52 giê TR = D/2 + tP = (1,0/2) + 1,52 ( ) ( ) 42,01900 5,34100 1900 1 7,08,07,08,0 =∆ += y SL tp = 2,02 giê QP = (484)A/TR = (484)(0,63)/2,02 = 151 ft3/s(giê/in) (trong biÓu ®å thuû v¨n ®¬n vÞ) i.QP = 4,3 in /giê.151ft3/s(giê/in) = 649,3 ft3/s Ph−¬ng ph¸p thÝch hîp thiÕt kÕ ®èi víi mét ph©n khu Ph−¬ng ph¸p thÝch hîp ®−îc m« t¶ chi tiÕt trong phÇn 6.4 vµ vÝ dô 6.6 vµ c¸c hÖ sè ®Æc tr−ng ®èi víi hÖ sè dßng ch¶y mÆt C trong c«ng thøc Q = CiA ®−îc liÖt kª trong b¶ng 6.6. C−êng ®é l−îng m−a i th−êng ®−îc x¸c ®Þnh tõ ®−êng cong IDF víi thêi gian m−a b»ng thêi gian tËp trung n−íc hoÆc thêi gian ®¹t tíi sù c©n b»ng trªn l−u vùc. MÆc dï, ph−¬ng ph¸p cã mét sè h¹n chÕ nh− ®· ®Ò cËp trong phÇn 6.4, nh−ng nã th−êng ®−îc sö dông trªn kh¾p n−íc Mü ®Ó thiÕt kÕ hÖ thèng tho¸t n−íc m−a thÝch øng. VÝ dô 9.2 thÓ hiÖn mét thiÕt kÕ tiªu biÓu ®èi víi mét ph©n khu nhá sö dông ph−¬ng ph¸p phÇn tö ®Ó x¸c ®Þnh kÝch th−íc hÖ hÖ thèng cèng trßn. C−êng ®é l−îng m−a cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc tõ c¸c ®−êng cong IDF cho c¸c thµnh phè hoÆc khu vùc. Th−êng mét chu kú lò lôt tõ 2 ®Õn 5 n¨m sÏ ®−îc sö dông ®Ó l¾p ®Æt ®−êng èng tiªu tho¸t n−íc lò mÆt do m−a, mÆc dï trong mét sè tr−êng hîp ®Æc biÖt l−u l−îng cã chu kú 10 n¨m thËm chÝ 100 n¨m sÏ ®−îc tÝnh to¸n ®Õn. VÝ dô, khu vùc thµnh phè Houston yªu cÇu mét dßng ch¶y thiÕt kÕ víi chu kú lµ 3 n¨m tõ viÖc tÝnh to¸n theo ph−¬ng ph¸p phÇn tö b»ng c¸ch sö dông mét tËp hîp c¸c ®−êng cong dßng ch¶y mÆt tõ thµnh phè Houston. Dung tÝch cèng th−êng ®−îc x¸c ®Þnh tõ ph−¬ng tr×nh Manning’s ®èi víi dßng ch¶y trong èng cã ¸p, ë ®©y cã thÓ thÊy r»ng ®−êng kÝnh èng cÇn thiÕt øng víi mét tèc ®é thay ®æi l−u l−îng x¸c ®Þnh lµ: 553 ( ) 8/3 5,0 0 16,2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= S Qn D trong ®ã Q tÝnh theo ®¬n vÞ ft3/s, n lµ hÖ sè Manning’s, S0 lµ ®é dèc, vµ D lµ ®−êng kÝnh cèng tÝnh b»ng ft. VÝ dô 9.2 Ph−¬ng ph¸p thÝch hîp thiÕt kÕ trªn mét ph©n khu sö dông b¶ng tÝnh ViÖc ®¸nh gi¸ l−u vùc kh«ng ph¸t triÓn trong vÝ dô 9.1 ®−îc chia thµnh c¸c ph©n khu ph¸t triÓn, vµ hÖ thèng cèng dÉn ®−îc bè trÝ nh− trong h×nh E9.2. C¸c b¶n ®å ®Þa h×nh ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh c¸c diÖn tÝch khu vùc kÕt hîp víi mçi ®iÓm vµo chÝnh nh− thÓ hiÖn trªn b¶n ®å. Ph−¬ng ph¸p b¶ng tÝnh lµ rÊt tiÖn Ých trong viÖc tæ chøc d÷ liÖu vµ sÏ ®−îc sö dông trong vÝ dô nµy. B¶ng E9.2 ThiÕt kÕ cèng trßn b»ng ph−¬ng ph¸p t−¬ng quan Nh÷ng tÝnh to¸n cho cèng trßn khu vùc phô 2 § o¹n cèn g C h iÒu dµi cèn g L § é dèc bÒ m Æt S 0 (ft/ft) D iÖn tÝch l− u vù c th o¸t n − íc tæn g A (m Éu ) T h êi gian tËp tru n g n − íc ph ó t) T æn g C .i (C = 0,3) C − ên g ®é m − a i (in /giê)(3 n ¨m ) L − u l− în g th iÕt kÕ Q (ft3/s) § − ên g kÝn h cèn g tÝn h to¸n (ft) K Ých th − íc cèn g sö dô n g (ft) T èc ®é dßn g ch ¶yQ /A (ft/s) T h êi gian ch ¶y (L /V )(ph ó t) VW 900 0.0018 40.63 15 1.29 4.30 52 3.99 4.0 4.2 3.6 WX 300 0.0026 50.79 19 1.22 4.00 62 3.96 4.0 5.0 1.0 XY 300 0.0021 62.98 20 1.20 3.90 76 4.45 4.5 4.9 1.0 YZ 400 0.0016 67.72 21 1.18 3.85 80 4.78 5.0 4.5 1.5 Nh÷ng tÝnh to¸n cho cèng trßn khu vùc phô 3 § o¹n cèn g C h iÒu dµi cèn g L § é dèc bÒ m Æt S 0 (ft/ft) D iÖn tÝch l− u vù c th o¸t n − íc tæn g A (m Éu ) T h êi gian tËp tru n g n − íc (ph ó t) T æn g C .i (C = 0,3) C − ên g ®é m − a i (in /giê)(3 n ¨m ) L − u l− în g th iÕt kÕ Q (ft3/s) § − ên g kÝn h cèn g tÝn h to¸n (ft) K Ých th − íc cèn g sö dô n g (ft) T èc ®é dßn g ch ¶yQ /A (ft/s) T h êi gian ch ¶y (L /V )(ph ó t) AB 185 0.0022 6.02 14.0 1.09 3.63 7 1.76 2.0 2.7 1.1 BC 310 0.0024 16.11 15.1 1.07 3.57 17 2.49 2.5 3.5 1.5 CD 279 0.0022 25.19 16.6 1.05 3.50 26 2.97 3.0 3.8 1.2 DE 272 0.0020 34.05 17.8 1.04 3.47 35 3.38 3.5 4.0 1.1 EF 582 0.0023 52.99 19.0 1.03 3.43 55 3.87 4.0 4.6 2.1 FG 520 0.0022 69.92 21.1 1.02 3.40 71 4.31 4.5 4.9 1.8 GH 716 0.0022 93.23 22.8 1.00 3.33 93 4.77 5.0 5.2 2.3 HI 282 0.0022 102.41 25.1 1.00 3.33 102 4.94 5.5 5.3 0.9 IJ 1150 0.0018 139.84 26.0 1.00 3.33 140 5.76 6.0 5.4 3.6 JK 1100 0.0022 149.20 29.6 1.00 3.33 147 5.66 6.0 5.9 3.1 554 Ph−¬ng ph¸p thÝch hîp cÇn thiÕt ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña C trong thµnh phè Houston, trong tr−êng hîp nµy C = 0,3 vµ i x¸c ®Þnh tõ mét chuçi c¸c b¶ng víi thêi gian tËp trung dßng ch¶y x¸c ®Þnh. Mçi diÖn tÝch tiªu tho¸t n−íc b¾t ®Çu luü tÝch víi phÇn lín c¸c th−îng l−u ®−îc x¸c ®Þnh theo chiÒu dµi èng, ®é dèc, thêi gian tËp trung n−íc, c−êng ®é m−a, tham sè C, l−u l−îng thiÕt kÕ Q, ®−êng kÝnh tÝnh to¸n, kÝch th−íc cèng ®−îc sö dông, vËn tèc dßng ch¶y V, vµ thêi gian ch¶y. VÝ dô, trong ph©n khu 3 cèng AB trong h×nh E9.2 vµ b¶ng E9.2 cã diÖn tÝch tiªu tho¸t n−íc lµ 6,02 mÉu, chiÒu dµi cèng lµ 185 ft, vµ ®é dèc cña cèng lµ 0,0022 ft/ft. Tõ b¶ng IDF ®èi víi thµnh phè Houston, gi¸ trÞ cña i lµ 3,63 in/giê vµ thêi gian ban ®Çu tc ®−îc gi¶ thiÕt b»ng 14 phót ®èi víi diÖn tÝch ®Çu tiªn. L−u l−îng trong cèng tÝnh ®−îc lµ 6,56 ft3/s, tõ ph−¬ng tr×nh Manning’s l−u l−îng nµy cÇn mét cèng dÉn cã ®−êng kÝnh tèi thiÓu lµ 1,76 ft hoÆc mét cèng cã ®−êng kÝnh hiÖu dông trªn 2,0 ft (24 in). Chia l−u l−îng Q cho diÖn tÝch mÆt c¾t èng thu ®−îc l−u tèc lµ 2,7 ft/s. Thêi gian ch¶y trong èng AB ®−îc tÝnh tõ L/V b»ng 1,1 phót céng víi thêi gian tËp trung dßng ch¶y ®èi víi cöa vµo B cña cèng tiÕp. TiÕp ®ã èng BC cã tC = 15,1 phót vµ qu¸ tr×nh trªn tiÕp tôc ®−îc lÆp l¹i. NÕu cã thÓ cã nhiÒu h−íng ch¶y l−u l−îng h¬n ®Ó tíi mét ®iÓm vµo, sau ®ã gi¸ trÞ tC lín nhÊt sÏ ®−îc lùa chän cho viÖc thiÕt kÕ. Chó ý r»ng cèng BC cÇn cã ®−êng kÝnh lµ 2,5 ft. HÖ thèng cèng cuèi cïng ®ßi hái ®−êng kÝnh cèng thay ®æi tõ 2,0 ®Õn 6,0 ft (24-72 in) ®èi víi ph©n khu 3 vµ tõ 4,0 ®Õn 5,0 ft (48-60 in) ®èi víi ph©n khu 2 nh− trong h×nh E9.2. Chó ý r»ng l−u l−îng trong c¸c cèng dÉn nhá h¬n ch¶y vµo c¸c cèng dÉn lín h¬n th−êng gÆp t¹i nh÷ng èng nèi hoÆc cöa cèng. Nh÷ng ®iÓm thu n−íc ph¶i ®−îc s¾p ®Æt mét c¸ch hîp lÝ ®èi víi c¸c m¸ng dÉn ®Ó ®−a n−íc vµo hÖ thèng cèng tho¸t n−íc . HÖ thèng ®−îc thiÕt kÕ ®Ó tiªu tho¸t toµn bé dßng ch¶y mÆt mét trËn lò víi chu kú 3 n¨m vµo trong cèng dÉn mµ kh«ng cã bÊt cø mét l−îng n−íc nµo tån ®äng trªn phè hoÆc nh÷ng vïng thÊp. Tèc ®é thay ®æi l−îng m−a lín h¬n l−îng m−a thiÕt kÕ víi chu kú 3 n¨m cÇn sö dông c¸c biÓu ®å thuû v¨n vµ sÏ ®−îc chØ dÉn trong phÇn 9.4. 9.4. ThiÕt kÕ c¸c biÓu ®å thuû v¨n cho dßng ch¶y trong cèng trßn, dßng ch¶y trµn vµ dßng ch¶y trong c¸c lßng dÉn hë ThiÕt kÕ c¸c cöa s«ng l−u vùc nhá Ph−¬ng ph¸p thÝch hîp thiÕt kÕ cho mét ph©n khu nhá phï hîp trong viÖc thiÕt kÕ hÖ thèng cèng trßn, ph−¬ng ph¸p nµy kh«ng chó träng nhiÒu ®Õn l−îng m−a víi c−êng ®é lín cã thÓ xuÊt hiÖn. PhÇn lín c¸c l−u vùc ®« thÞ ®−îc thiÕt kÕ theo tiªu chuÈn liªn quan ®Õn nh÷ng trËn m−a cùc ®¹i trong thêi ®o¹n tõ 25 ®Õn 100 n¨m. Trong thµnh phè Houston tiªu chuÈn thiÕt kÕ ®ã ®−îc ¸p dông víi khu vùc cã diÖn tÝch tõ 100 ®Õn 200 mÉu, ®é dèc thuû lùc víi thêi ®o¹n 25 n¨m ph¶i nhá h¬n hoÆc b»ng ®é dèc cña c¸c r·nh 555 n−íc tiªu tho¸t cho mét khu vùc cã diÖn tÝch tiªu tho¸t lín h¬n 100 mÉu. BÒ mÆt mùc n−íc thiÕt kÕ víi thêi ®o¹n 25 n¨m ®−îc gi¶ thiÕt trong lßng dÉn cöa ra lµm c¬ së cho toµn bé c¸c ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn. L−îng nhËp l−u trong c¸c ®o¹n ®Æc tr−ng cña hÖ thèng ®¸p øng cho mét khu vùc cã diÖn tÝch lín h¬n 200 mÉu, l−u l−îng øng víi tÇn xuÊt 100 n¨m cho toµn bé c¸c ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn ®−îc sö dông ®Ó ®¶m b¶o r»ng ®é dèc thuû lùc øng víi l−u l−îng thêi ®o¹n 100 n¨m ph¶i nhá h¬n ®é dèc tù nhiªn cña bÒ mÆt ®Êt t¹i tÊt c¶ c¸c ®iÓm däc theo ®o¹n ®Æc tr−ng nµy cña hÖ thèng. Mùc n−íc bÒ mÆt thiÕt kÕ øng víi chu kú 25 n¨m ®−îc gi¶ thiÕt trong lßng dÉn cöa ra. H×nh 9.3 Sù t−¬ng t¸c lßng dÉn - cèng ngÇm lò H×nh 9.3 thÓ hiÖn mèi quan hÖ th«ng th−êng gi÷a hÖ thèng cèng trßn, lßng dÉn thu nhËn, vµ hÖ thèng ®−êng phè trong mét ph©n vïng tiªu biÓu trong thµnh phè Houston, n¬i ®é dèc ®−îc trung b×nh ho¸ víi biªn ®é biÕn ®æi nhá h¬n 5%. C¸c ®−êng phè lµ mét 556 phÇn cña viÖc thiÕt kÕ hÖ thèng tiªu tho¸t n−íc lò do nh÷ng trËn m−a víi c−êng ®é lín vµ ®é dèc t−¬ng ®èi b»ng ph¼ng g©y nªn. C¸c khu vùc ®« thÞ kh¸c cã thÓ cã c¸c tiªu chuÈn thiÕt kÕ kh¸c nhau tuú thuéc vµo c−êng ®é m−a, ®é dèc mÆt ®Êt, ®é dèc lßng dÉn, vµ tû lÖ phÇn tr¨m khu vùc kh«ng thÊm n−íc. Ph©n khu thiÕt kÕ sö dông m« h×nh HEC-1 Mét trong nh÷ng vÊn ®Ò thiÕt kÕ thó vÞ trong trong thñy v¨n n−íc mÆt lµ x¸c ®Þnh nguyªn nh©n cña lò lôt tån t¹i trong mét khu vùc ®· ph¸t triÓn vµ tõ ®ã thiÕt lËp nhiÒu ph−¬ng ¸n gi¶i quyÕt kh¸c nhau ®Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò. HÖ thèng cèng l−u vùc nhá ®−îc thiÕt kÕ trong vÝ dô 9.2 cã cÊu tróc trong mét ph©n khu gÇn thµnh phè Houston. Mét khu vùc ph¸t triÓn cã diÖn tÝch 403 mÉu (0.63 spmi) ®−îc x©y dùng trong kho¶ng thêi gian 10 n¨m tõ n¨m 1972 ®Õn n¨m 1982, gi÷a n¨m 1980 (1984, 1987, vµ 1989) b¾t ®Çu tr¶i qua chuçi sè liÖu lò lôt kÐo dµi trong kho¶ng 12 nhµ trong c¸c thµnh phè trong ph©n khu. H×nh d¹ng khu vùc trong h×nh 9.4 thÓ hiÖn nh÷ng khu vùc chÝnh cña lò lôt. Ph©n tÝch hÖ thèng cèng trßn víi thêi ®o¹n thiÕt kÕ lµ 3 n¨m phï hîp trong ph©n khu nh− ®−îc lý gi¶i trong vÝ dô 9.2, nh−ng hÖ thèng ®ã d−êng nh− bÞ qu¸ t¶i tõ ®é cao c¸c mùc lò lôt trong suèt thêi kú c¸c biÕn cè l−îng m−a lín h¬n cã chu kú tõ 10 ®Õn 25 n¨m. H×nh 9.4 DiÖn tÝch tiªu tho¸t cho ph©n khu. 557 Trong vÝ dô 9.3 m« h×nh HEC-1 sÏ ®−îc sö dông ®Ó dù b¸o tèc ®é thay ®æi l−u l−îng phô tréi dßng ch¶y trµn vµ thÓ tÝch hiÖu dông th«ng qua viÖc xem xÐt c¸c chiÒu h−íng biÕn ®æi cña l−îng m−a c¸c thêi ®o¹n tr−íc vµ l−îng m−a thiÕt kÕ ch¶y xuèng hÖ thèng cèng ngÇm. C¸c b−íc tiÕp theo ®−îc yªu cÇu ®Ó thùc hiÖn viÖc ph©n tÝch lò lôt vµ phôc vô thiÕt kÕ: 1, X¸c ®Þnh c¸c l−u l−îng phô riªng biÖt, n¬i nhËp l−u cña dßng ch¶y trµn vµ dßng ch¶y trong cèng trßn ®Õn c¸c bé phËn kiÓn so¸t sù thay ®æi (c¸c cöa vµo cèng trßn hoÆc cèng ngÇm) trong ph©n khu. 2, X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cña m« h×nh HEC-1 ë c¸c khu vùc phô ®Æc biÖt trong khu vùc ®· ph¸t triÓn (xem phÇn 5.6). 3, §¸nh gi¸ c¸c khu vùc chÝnh n¬i n−íc ®−îc chuyÓn h−íng vµo trong hÖ thèng cèng vµ x¸c ®Þnh tèc ®é thay ®æi l−u l−îng c