Khoa học thủy văn nghiên cứu các đặc tính vật lý, sự xuất hiện và sự chuyển động của nước trong khí quyển, trên bề mặt và trong lớp vỏ ngoài của Trái đất. Các nhánh khác nhau của khoa học này chuyên sâu vào việc nghiên cứu các yếu tố khác nhau trong định nghĩa này. Bao gồm, nhưng không giới hạn ở, khí tượng học, hải dương học và địa thủy văn. Các kỹ sư thiết kế đường bộ chủ yếu tập trung các nghiên cứu thủy văn vào nước chuyển động trên bề mặt Trái đất và cuối cùng đi qua cơ sở hạ tầng (ví dụ, các vị trí giao cắt giữa đường và suối). Thứ yếu, các kỹ sư thiết kế sử dụng thủy văn để cung cấp hệ thống thoát nước cho mặt đường, dải phân cách và các nút giao.
Tài liệu Hướng dẫn Thủy văn Đường bộ này, còn được gọi là Chuỗi Thiết kế Thủy lực số 2 (HDS-2), cung cấp thông tin kỹ thuật để hiểu, đánh giá và xử lý thủy văn cho cơ sở hạ tầng giao thông. Chương này mô tả mục đích và phạm vi, tổ chức, đối tượng người đọc và đơn vị sử dụng trong tài liệu.
1.1 Mục đích và Phạm vi
Tài liệu Hướng dẫn Thủy văn Đường bộ này cung cấp thông tin để phát triển và sử dụng các ước tính thủy văn nhằm hỗ trợ việc thiết kế cầu và cơ sở hạ tầng giao thông đường bộ nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng, an toàn và phúc lợi. Tài liệu giải quyết các khía cạnh cơ bản của chu trình thủy văn bao gồm hiện tượng mưa/tuyết rơi, thấm, dòng chảy do mưa, điều tiết và trữ nước. Nó bao gồm các kỹ thuật ước lượng dòng chảy trên các lưu vực có và không có đo đạc, phát triển thủy đồ, điều tiết và mô hình thủy học. Nó mô tả các nguồn dữ liệu cần thiết để hỗ trợ phân tích thủy lực và thủy học (H&H) của các cống, cống hộp, quản lý nước mưa và các tài sản hạ tầng giao thông khác. Nó cũng mô tả sự bất định trong khí hậu hiện tại và tương lai và cung cấp các công cụ để hiểu sự bất định đó nhằm phát triển cơ sở hạ tầng có khả năng chống chịu.
Tài liệu này hỗ trợ việc quy hoạch, thực hiện và quản lý các mạng lưới giao thông bền vững, có khả năng chống chịu và đáng tin cậy. FHWA mô tả tính bền vững như là việc xem xét ba giá trị hoặc nguyên tắc chính: xã hội, môi trường và kinh tế (FHWA 2022b). Mục tiêu của tính bền vững là đáp ứng các nhu cầu xã hội và kinh tế cơ bản, cả hiện tại và trong tương lai, và sử dụng tài nguyên thiên nhiên một cách có trách nhiệm, đồng thời duy trì hoặc cải thiện phúc lợi của môi trường – nơi sự sống phụ thuộc. Hình 1.1 minh họa ba giá trị này.
Thông thường, xã hội nhìn nhận tính bền vững qua lăng kính cân bằng giữa nhu cầu của môi trường với nhu cầu kinh tế của việc phát triển đường và cầu. Cách cân bằng này dẫn đến việc xác định khả năng khả thi, nhưng đó chỉ là một phần của bức tranh. Việc cân bằng môi trường với các giá trị xã hội tạo ra những gì có thể chịu đựng được, hoặc chấp nhận được, bởi cả xã hội và môi trường, trong khi cân bằng giữa kết quả xã hội và kinh tế là điều công bằng. “Các khoản đầu tư giao thông liên bang trong quá khứ quá thường xuyên đã không xem xét đầy đủ đến công bằng trong giao thông đối với tất cả các thành phần cộng đồng, bao gồm cả những nhóm thường bị thiệt thòi và không được đại diện” (USDOT 2022). “Các nhóm dân cư bị thiệt thòi” bao gồm các nhóm thiểu số và người có thu nhập thấp nhưng cũng có thể bao gồm nhiều nhóm nhân khẩu học khác gặp thách thức trong việc tiếp cận quy trình giao thông và nhận được lợi ích công bằng (xem FHWA 2015c). “Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ (USDOT hoặc Bộ) đã cam kết theo đuổi một cách tiếp cận toàn diện nhằm thúc đẩy công bằng cho tất cả mọi người” (USDOT 2022; xem thêm FHWA 2021; và Sắc lệnh Hành pháp 13985, 86 FR 7009 (2021)). Công bằng trong giao thông tìm kiếm việc đối xử nhất quán và có hệ thống, công bằng và không thiên vị đối với tất cả các cá nhân, bao gồm cả những người thuộc các cộng đồng hoặc nhóm dân cư thường bị thiệt thòi (USDOT 2022).
Ba vòng tròn tạo thành một biểu đồ Venn. Các vòng tròn được gán nhãn là: Môi trường, Xã hội và Kinh tế. Giao điểm giữa vòng tròn Môi trường và Xã hội được gán nhãn là “Chấp nhận được” (Bearable). Giao điểm giữa vòng tròn Xã hội và Kinh tế được gán nhãn là “Công bằng” (Equitable). Giao điểm giữa vòng tròn Kinh tế và Môi trường được gán nhãn là “Khả thi” (Viable). Vùng giao nhau của cả ba vòng tròn được gán nhãn là “Bền vững” (Sustainable).
Tài liệu hướng dẫn này cũng đề cập đến các vấn đề liên quan đến mô hình thủy học nhằm tạo điều kiện cho các thiết kế thủy lực có khả năng chống chịu và đáng tin cậy hơn, trong đó các điều kiện thủy học và khí tượng tiềm ẩn trong tương lai được xác định và điều chỉnh. Độ tin cậy gắn liền với khả năng chống chịu vì một mạng lưới giao thông có khả năng chống chịu sẽ an toàn hơn và ít bị chậm trễ hay hỏng hóc hơn.
Các thiết kế có khả năng chống chịu và đáng tin cậy là điều cần thiết để giải quyết rủi ro đáng kể và ngày càng gia tăng do biến đổi khí hậu gây ra. (USDOT, 2021). Trong bối cảnh giao thông, rủi ro này có nhiều mặt, bao gồm các rủi ro đối với an toàn, hiệu quả, công bằng và tính bền vững của cơ sở hạ tầng giao thông quốc gia và các cộng đồng mà nó phục vụ. USDOT nhận thấy rằng Hoa Kỳ có một “cơ hội có một không hai trong một thế hệ” để giải quyết rủi ro này, vốn đang gia tăng theo thời gian (USDOT 2021; xem thêm Sắc lệnh Hành pháp 14008 về Giải quyết Khủng hoảng Khí hậu trong nước và quốc tế, 86 FR 7619 (2021)). Việc giải quyết rủi ro của biến đổi khí hậu cũng gắn liền chặt chẽ với việc thúc đẩy công bằng trong giao thông, như đã thảo luận ở trên, bởi vì các tác động không tương xứng của biến đổi khí hậu lên các nhóm dân cư dễ bị tổn thương, bao gồm người cao tuổi, trẻ em, cộng đồng thu nhập thấp và cộng đồng người da màu. USDOT có ý định đi đầu trong việc giải quyết cuộc khủng hoảng khí hậu này.
FHWA cũng khuyến khích thúc đẩy các dự án nhằm giải quyết biến đổi khí hậu và tính bền vững (FHWA 2021). Để thực hiện điều này, FHWA khuyến khích các bên nhận tài trợ xem xét đến biến đổi khí hậu và tính bền vững trong suốt quá trình lập kế hoạch và phát triển dự án, bao gồm cả mức độ mà các dự án được hỗ trợ bởi liên bang phù hợp với cam kết của Tổng thống về giảm khí nhà kính, khả năng chống chịu với biến đổi khí hậu và công bằng môi trường.
FHWA tin rằng tài liệu hướng dẫn này sẽ hữu ích trong việc điều chỉnh và tích hợp các khái niệm và thành phần của tính bền vững trong bối cảnh đường giao thông và môi trường sông ngòi. Việc điều chỉnh này sẽ bao gồm cả những trường hợp và tình huống giao thoa trực tiếp và gián tiếp.
Khả năng chống chịu (Resilience): Đối với một dự án, FHWA định nghĩa “khả năng chống chịu” là một dự án có khả năng dự đoán, chuẩn bị cho, và/hoặc thích nghi với các điều kiện thay đổi và/hoặc chịu đựng, ứng phó với, và/hoặc phục hồi nhanh chóng sau các gián đoạn, bao gồm khả năng:
(A) chống chịu các mối nguy hoặc chịu được tác động từ các hiện tượng thời tiết và thiên tai, hoặc giảm mức độ hoặc thời gian tác động của một hiện tượng thời tiết gây gián đoạn hoặc thiên tai đối với một dự án;
(B) có khả năng hấp thụ, khả năng thích nghi và khả năng phục hồi để giảm tính dễ tổn thương của dự án trước các hiện tượng thời tiết hoặc thiên tai khác. 23 U.S.C. § 101(a)(24) (bổ sung bởi Mục 11103 của Luật Cơ sở Hạ tầng Lưỡng đảng (BIL), ban hành theo Đạo luật Đầu tư và Việc làm trong Cơ sở Hạ tầng, Luật Công số 117-58 (15 tháng 11, 2021)). Xem thêm Lệnh FHWA 5520 (FHWA 2014).
1.2 Những thay đổi so với phiên bản trước
FHWA đã loại bỏ một số chủ đề khỏi phiên bản trước của tài liệu hướng dẫn này (FHWA 2002) vì chúng đã lỗi thời và không còn phục vụ mục đích và phạm vi của thủy văn đường bộ thực tiễn. Các chủ đề bị loại bỏ bao gồm:
- Các phương trình hồi quy của FHWA (lỗi thời và phần lớn đã được thay thế bởi các phương trình hồi quy vùng nông thôn của USGS).
- Các phương trình hồi quy đô thị toàn quốc của USGS (dựa trên hệ số phát triển lưu vực, việc sử dụng hệ số này không được khuyến khích bởi FHWA).
- Phương pháp lưu lượng đỉnh đồ họa (trên thực tế đã được thay thế bằng “thủy đồ đơn vị không thứ nguyên-dimensionless unit hydrograps” của NRCS trong hầu hết các ứng dụng phần mềm).
- Trận mưa thiết kế theo biểu đồ tam giác (ban đầu được phát triển để hỗ trợ các mô hình như Mô hình Quản lý Nước mưa – SWMM, nhưng hiện không còn được sử dụng cho mục đích đó).
1.3 Thủy văn tại vị trí giao cắt giữa đường và sông suối
Các kỹ sư giao thông giải quyết nhiều ứng dụng thoát nước khác nhau bao gồm thiết kế đường, cầu, cống, xi-phông và các công trình thoát nước ngang khác cho các kênh từ suối nhỏ đến sông lớn. Họ thiết kế các kênh hở ổn định và hệ thống thu gom nước mưa, điều tiết, và giữ nước trong cả khu vực đô thị và nông thôn. Họ cũng đánh giá tác động của việc sử dụng đất trong tương lai, các dự án kiểm soát lũ và cấp nước được đề xuất, cũng như các thay đổi quy hoạch khác đối với thiết kế của các điểm giao cắt giữa đường và sông suối. Họ xem xét các thay đổi trong lưu vực (ví dụ, bản đồ quy hoạch sử dụng đất) và các thay đổi khí hậu tiềm năng. Ngoài ra, các kỹ sư thiết kế đánh giá khả năng xảy ra lũ và các tác động môi trường mà các công trình đường giao thông giao cắt với sông suối được quy hoạch có thể gây ra đối với lưu vực.
Các kỹ sư thiết kế thường bao gồm ba yếu tố trong phân tích thủy văn của họ:
- Đo đạc, ghi chép, tổng hợp và công bố dữ liệu.
- Diễn giải và phân tích dữ liệu.
- Ứng dụng vào thiết kế hoặc các vấn đề thực tiễn khác.
Mức độ công sức, phương pháp và chi tiết của các phân tích phụ thuộc vào:
- Tầm quan trọng và chi phí của công trình.
- Khả năng chấp nhận rủi ro.
- Khối lượng dữ liệu sẵn có cho phân tích.
- Thông tin và dữ liệu bổ sung liên quan.
- Độ chính xác.
- Thời gian và các giới hạn tài nguyên khác.
Tùy theo bối cảnh, các kỹ sư có thể xem sự cố là sự vượt quá một tiêu chí thiết kế cụ thể mà chỉ gây ra thiệt hại nhỏ hoặc không có thiệt hại, hoặc là nơi xảy ra thiệt hại nghiêm trọng dẫn đến các sửa chữa tốn kém và mất chức năng. Việc lựa chọn mức độ công sức, phương pháp và chi tiết phân tích phụ thuộc vào loại sự cố liên quan.
Các yếu tố này thường xác định mức độ phân tích phù hợp cho bất kỳ tình huống thiết kế nào. Các kỹ sư thiết kế thường đối mặt với vấn đề thiếu dữ liệu và hạn chế về nguồn lực (thời gian, nhân lực và kinh phí). Họ nhận thấy việc sử dụng các phương pháp phân tích đòi hỏi nhiều thời gian hoặc dữ liệu khó thu thập là không thực tế trong thiết kế thông thường. Các kỹ sư thiết kế thường dành các phương pháp và kỹ thuật đòi hỏi cao hơn cho những dự án đặc biệt, nơi việc thu thập dữ liệu bổ sung và độ chính xác cao mang lại lợi ích bù đắp cho các nguồn lực tăng thêm cần thiết.
Tuy nhiên, các kỹ sư có thể tiếp cận một số phương pháp đơn giản hơn nhưng vẫn hợp lý và đã được chứng minh để phân tích thủy văn cho một số tình huống thiết kế thông thường. Các quy trình này cho phép kỹ sư xác định lưu lượng đỉnh và thủy đồ sử dụng dữ liệu sẵn có hoặc, trong trường hợp không có dữ liệu, tổng hợp phương pháp để phát triển các tham số thiết kế. Với sự cẩn trọng, và thường chỉ cần một lượng dữ liệu bổ sung hạn chế, các kỹ sư có thể sử dụng cùng các quy trình này để xây dựng thủy văn cho các dự án thiết kế phức tạp và/hoặc tốn kém hơn.
Ngoài các khía cạnh khác, phân tích thủy văn tại vị trí giao cắt giữa đường và sông suối liên quan đến việc xác định lưu lượng đỉnh hoặc thủy đồ lũ. Lưu lượng đỉnh (lưu lượng cực đại tức thời) là phổ biến vì hầu hết các vị trí giao cắt giữa đường và sông suối thường được thiết kế để cho phép một lượng nước nhất định chảy qua với mức độ rủi ro chấp nhận được. Khả năng này thường được xác định theo lưu lượng đỉnh dòng chảy trong thời gian xảy ra lũ. Các kỹ sư thiết kế liên hệ mức độ nghiêm trọng của lũ với một đại lượng tần suất như xác suất vượt ngưỡng hàng năm (AEP) hoặc chu kỳ lặp lại. Bảng 1.1 cung cấp các ví dụ về một số tần suất thiết kế điển hình cho các công trình tương ứng với các phân loại đường khác nhau, được xác định bởi Hiệp hội Hoa Kỳ về Các Quan chức Đường cao tốc và Giao thông Tiểu bang (AASHTO) (AASHTO 2014). Các Sở Giao thông Vận tải Tiểu bang (DOTs), chính quyền địa phương và các cơ quan tài nguyên có thể có hướng dẫn riêng đối với các tình huống thuộc phạm vi quản lý của họ.
Bảng 1.1. Hướng dẫn lựa chọn trận mưa thiết kế (AASHTO 2014)
| Roadway Classification Phân loại đường | Annual Exceedance Probability Xác suất vượt ngưỡng hàng năm | Return Period Chu kỳ lặp lại |
|---|---|---|
| Rural Principal Arterial System Hệ thống đường trục chính nông thôn | 0.02 | 50 năm |
| Rural Minor Arterial System Hệ thống đường trục phụ nông thôn | 0.04 – 0.02 | 25–50 năm |
| Rural Collector System, Major Hệ thống đường gom chính nông thôn | 0.04 | 25 năm |
| Rural Collector System, Minor Hệ thống đường gom phụ nông thôn | 0.1 | 10 năm |
| Rural Local Road System Hệ thống đường địa phương nông thôn | 0.2 – 0.1 | 5–10 năm |
| Urban Principal Arterial System Hệ thống đường trục chính đô thị | 0.04 – 0.02 | 25–50 năm |
| Urban Minor Arterial Street System Hệ thống đường trục phụ đô thị | 0.04 | 25 năm |
| Urban Collector Street System Hệ thống đường gom đô thị | 0.1 | 10 năm |
| Urban Local Street System Hệ thống đường địa phương đô thị | 0.2 – 0.1 | 5–10 năm |
Thông thường, các kỹ sư thiết kế xác định lưu lượng đỉnh cho một loạt tần suất lũ tại một vị trí trong lưu vực. Họ tính toán kích thước cống, cầu hoặc các cấu trúc khác để truyền được lưu lượng đỉnh thiết kế trong các giới hạn và điều kiện khác. Nếu có thể, họ ước tính lưu lượng đỉnh gần như gây tràn qua đường và sau đó sử dụng lưu lượng này để đánh giá rủi ro liên quan đến vị trí giao cắt.
Việc xây dựng thủy đồ (hydrograph) đóng vai trò quan trọng trong các dự án yêu cầu mô tả chi tiết về sự thay đổi theo thời gian của lưu lượng và thể tích dòng chảy. Tương tự, đô thị hóa, trữ nước, và các thay đổi khác trong lưu vực ảnh hưởng đến dòng lũ theo nhiều cách. Thời gian truyền nước, thời gian tập trung, thời lượng runoff (dòng chảy do mưa), lưu lượng đỉnh và thể tích runoff có thể thay đổi đáng kể. Các kỹ sư thiết kế chủ yếu đánh giá và xem xét những thay đổi này thông qua thủy đồ. Ngoài ra, khi dòng chảy được hợp lưu và điều tiết đến một điểm khác dọc theo sông suối, thủy đồ là yếu tố thiết yếu.
1.4 Tổ chức nội dung
Tài liệu hướng dẫn này gồm 11 chương, một bảng thuật ngữ, danh sách từ viết tắt, phần tài liệu tham khảo và một phụ lục. Cấu trúc tài liệu hỗ trợ việc phân tích thủy văn tại các vị trí giao cắt với dòng chảy bằng cách trước tiên trình bày thông tin cơ bản về các quá trình rainfall-runoff (lượng mưa – dòng chảy do mưa) và dữ liệu thủy văn, sau đó là thông tin để ước tính lưu lượng đỉnh và thủy đồ, tiếp theo là các chủ đề nâng cao hơn như điều tiết (routing), mô hình thủy học và các chủ đề đặc biệt.
Chương 1 (chương này) cung cấp phần thảo luận về mục đích, bối cảnh, cấu trúc tài liệu và các đơn vị sử dụng.
Chương 2 cung cấp tổng quan về chính sách liên bang liên quan đến thủy văn đường bộ. Phần này định hướng công việc trong thiết kế thủy văn – thủy lực (H&H) của tài sản hạ tầng giao thông thông qua một loạt các đạo luật và quy định.
Chương 3 mô tả quá trình rainfall-runoff (mưa – dòng chảy) để tạo bối cảnh cho các công cụ và quy trình sẽ được trình bày tiếp theo. Chương này thảo luận về hiện tượng giáng thủy, các khái niệm trong thủy văn, đặc điểm lưu vực và quá trình runoff (dòng chảy do mưa).
Chương 4 phác thảo dữ liệu thủy văn cần thiết để thực hiện phân tích và thiết kế thủy văn và cung cấp cái nhìn tổng quan về các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn phương pháp phù hợp cho một tình huống cụ thể. Chương này cũng mô tả các nguồn dữ liệu thủy văn.
Chương 5, 6 và 7 trình bày chi tiết các phương pháp và thông tin để ước tính lưu lượng đỉnh tại các vị trí có đo đạc, các vị trí không đo đạc sử dụng phương pháp thống kê, và các vị trí không đo đạc sử dụng các phương pháp rainfall-runoff tương ứng. Mỗi chương thảo luận nhiều phương pháp khác nhau, cũng như điểm mạnh và giới hạn của chúng.
Chương 8 nêu ra các tình huống khi lưu lượng đỉnh không cung cấp đủ thông tin, và cần một thủy đồ hoàn chỉnh để phân tích hoặc thiết kế một công trình. Chương này đề cập đến việc xây dựng thủy đồ và mô tả một số kỹ thuật để tạo ra chúng.
Chương 9 mô tả các phương pháp điều tiết thủy đồ thông qua các công trình trữ nước tạm thời hoặc lâu dài và qua các kênh tự nhiên hoặc nhân tạo. Chương này thảo luận các nguyên lý cơ bản của điều tiết và trình bày các quy trình tính toán.
Chương 10 liên kết các công cụ và phương pháp từ các chương trước thành một mô tả tổng hợp của quy trình mô hình thủy văn và các công cụ sẵn có. Chương này cũng thảo luận về tính bất định và rủi ro, đồng thời trình bày một khuôn khổ để hiểu các khái niệm này trong thiết kế thủy văn.
Chương 11 trình bày các chủ đề đặc biệt trong thủy văn mang tính khu vực hoặc có tính chất chuyên biệt hơn bao gồm thủy văn vùng đất ngập nước, thủy văn tuyết tan và thủy văn vùng đất khô hạn. Trong mỗi trường hợp, chương này thảo luận bối cảnh cụ thể và minh họa các công cụ và phương pháp để thực hiện phân tích và thiết kế thủy văn.
1.5 Đối tượng sử dụng
Đối tượng sử dụng của tài liệu hướng dẫn này bao gồm các cơ quan giao thông liên bang, bang và địa phương cũng như các đơn vị tư vấn có trách nhiệm phát triển hoặc sử dụng thủy văn để hỗ trợ quy hoạch, thiết kế, xây dựng, vận hành và bảo trì đường và cầu. Những người chịu trách nhiệm lập kế hoạch, vận hành và bảo trì đường và cầu, cũng như những người quan tâm đến hiệu suất môi trường và khả năng chống chịu của cơ sở hạ tầng giao thông, cũng có thể thấy đây là một tài liệu tham khảo hữu ích.
Tài liệu này không có hiệu lực pháp lý và không nhằm ràng buộc các bang hay công chúng dưới bất kỳ hình thức nào. FHWA đưa ra các mô tả về quy trình và phương pháp để cung cấp cái nhìn minh họa về các khái niệm và thực hành khoa học – kỹ thuật cơ bản, nhưng các mô tả này không mang tính bắt buộc.
1.6 Đơn vị sử dụng trong tài liệu này
Tài liệu này sử dụng các đơn vị thông thường (đơn vị Anh). Tuy nhiên, trong một số trường hợp hạn chế, cả đơn vị thông thường và đơn vị SI (hệ mét) được sử dụng hoặc chỉ sử dụng đơn vị SI, do đây là hệ đo lường phổ biến được sử dụng trên toàn quốc và toàn cầu cho các chủ đề này. Trong các trường hợp đó, tài liệu sẽ nêu rõ lý do sử dụng các đơn vị. Một phụ lục trình bày thông tin tóm tắt về đơn vị và chuyển đổi đơn vị.
Hỗ trợ duy trì trang:
Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.
Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.