Là bước hợp lý đầu tiên trong bất kỳ nghiên cứu thủy văn nào, kỹ sư cần xác định sớm các loại dữ liệu cần thiết ngay từ giai đoạn ý tưởng của dự án. Nhu cầu dữ liệu phụ thuộc vào việc dự án là sơ bộ hay chi tiết, phạm vi và tính chất của dự án, mức độ phức tạp cần phân tích, cũng như nguồn tài trợ. Khi đã xác định được mục đích nghiên cứu, kỹ sư thường có thể lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp với loại và lượng dữ liệu cần thiết.
Kỹ sư có thể cần dữ liệu như đặc điểm địa hình lưu vực, sử dụng đất và lớp phủ bề mặt, thông tin lượng mưa trong các trận mưa quá khứ, và dữ liệu về đỉnh lũ hàng năm hoặc chuỗi lũ theo thời đoạn (partial-duration flood series). Trong một số trường hợp, kỹ sư còn sử dụng dữ liệu lịch sử về lũ xảy ra trước khi có hệ thống đo dòng chảy chính thức.
Việc dữ liệu hiện nay được cung cấp trên các trang web và cơ sở dữ liệu của các cơ quan chính phủ đã giúp giảm đáng kể công sức trong việc thu thập và tổng hợp dữ liệu, đồng thời nâng cao hiệu quả hiểu biết dự án. Dữ liệu từ những nguồn này thường bao gồm cả dữ liệu hiện tại và dữ liệu lịch sử, bản đồ và ảnh địa hình.
Khi được tìm kiếm hợp lý, kỹ sư có thể tận dụng các dữ liệu hiện có phù hợp với nhu cầu của dự án, từ đó tiết kiệm chi phí và thời gian thu thập. Việc quen thuộc với nguồn dữ liệu và cách truy cập chúng có thể giúp các lần tìm kiếm dữ liệu sau đó nhanh chóng và hiệu quả hơn rất nhiều.
4.1 Thu thập và Tổng hợp Dữ liệu
Kỹ sư thường thu thập phần lớn dữ liệu phục vụ thiết kế các công trình vượt sông hoặc phân tích thủy văn đường giao thông từ việc đánh giá trên máy tính, sử dụng nguồn dữ liệu sẵn có và từ khảo sát thực địa để thu thập thông tin chi tiết tại chỗ mà các nguồn khác không cung cấp được.
Một số loại dữ liệu được sử dụng thường xuyên đến mức nhiều Sở Giao thông Vận tải bang (DOTs) đã tổng hợp chúng về một nơi để dễ dàng truy cập. Có được dữ liệu tập trung không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn góp phần chuẩn hóa việc phân tích thủy văn cho các thiết kế đường.
4.1.1 Thu thập và Đánh giá Dữ liệu Trên Máy tính
Phần này tóm tắt một số nguồn dữ liệu hữu ích cho phân tích và mô hình thủy văn. Nhiều cơ sở dữ liệu được các cơ quan liên bang quản lý và duy trì. Ngoài ra, nhiều bang và địa phương cũng có trang web chứa dữ liệu tương tự hoặc giống với các trang của liên bang. Một số nguồn bao gồm dữ liệu địa phương hoặc bang như ảnh hàng không độ phân giải cao, dữ liệu độ cao từ công nghệ LiDAR (Light Detection and Ranging), hoặc mô hình độ cao kỹ thuật số (DEM) dựa trên LiDAR.
4.1.1.1 Dữ liệu Dòng chảy và Lũ lụt
Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) thu thập và lưu trữ dữ liệu dòng chảy và là nguồn chính cho loại thông tin này. Cơ sở dữ liệu của họ lưu giữ dữ liệu lưu lượng hàng ngày từ hàng chục nghìn trạm quan trắc. USGS tổng hợp và công bố các dữ liệu này dưới dạng ấn phẩm in và trên trang web của mình. Cơ sở dữ liệu cũng có công cụ truy xuất dữ liệu lưu lượng đỉnh, cung cấp các thông tin liên quan đến đặc điểm trạm đo và lưu vực, cũng như danh sách các trận lũ đỉnh hàng năm và lũ phụ theo từng năm thủy văn (từ tháng 10 đến tháng 9).
Các cơ quan khác như Quân đoàn Công binh Hoa Kỳ (USACE), Cục Khai hoang Hoa Kỳ (USBR), và Ủy ban Biên giới và Nước Quốc tế (IBWC) cũng thu thập dữ liệu dòng chảy. Cùng với USGS, các cơ quan này chiếm khoảng 90% dữ liệu dòng chảy hiện có tại Hoa Kỳ.
Các nguồn dữ liệu khác bao gồm chính quyền địa phương, các công ty cấp nước, các ngành công nghiệp sử dụng nhiều nước, và các tổ chức học thuật hoặc nghiên cứu.
Tư liệu lịch sử cũng là một nguồn thông tin quan trọng về lũ lụt. Lũ là các sự kiện đáng chú ý và thường sau khi xảy ra lũ, có nhiều thông tin cụ thể như mực nước cao nhất được ghi nhận lại. Các nguồn thông tin như vậy có thể đến từ báo chí, tạp chí, các hội sử học cấp bang hoặc đại học, cũng như các ấn phẩm của nhiều cơ quan liên bang. Các trận lũ trong quá khứ có quy mô lớn thường được USGS, USACE và Cục Dự báo Thời tiết Quốc gia (NWS) ghi chép lại rất đầy đủ. Báo cáo của USGS về các trận lũ lịch sử đã được Thomas (1987) tổng hợp lại.
4.1.1.2 Dữ liệu Lượng mưa
Nguồn dữ liệu lượng mưa chính là Cục Dự báo Thời tiết Quốc gia (NWS), thuộc Cục Quản lý Đại dương và Khí quyển Quốc gia (NOAA). Dữ liệu lượng mưa và các số liệu khác được thu thập mỗi ngày tại khoảng 20.000 địa điểm. Các dữ liệu này được truyền về các Văn phòng Dự báo Thời tiết (WSFOs), phục vụ cho tất cả 50 tiểu bang của Hoa Kỳ và Puerto Rico. Mỗi WSFO sử dụng các dữ liệu này kết hợp với thông tin từ vệ tinh và các nguồn khác để dự báo thời tiết trong khu vực phụ trách của mình.
Ngoài WSFOs, NWS còn vận hành một mạng lưới các Trung tâm Dự báo Sông để đưa ra dự báo lũ và dòng sông cho khoảng 2.500 cộng đồng. Dữ liệu thu thập từ NWS và các tổ chức khác trực thuộc NOAA được gửi đến Trung tâm Dữ liệu Khí hậu Quốc gia (NCDC), nơi chịu trách nhiệm thu thập, xử lý và phân phối dữ liệu môi trường. Một số nguồn dữ liệu trực tuyến bao gồm (nhưng không giới hạn ở):
- NOAA Atlas 14: Thông tin về độ sâu–thời gian–tần suất mưa (DDF)
- NCDC: Dữ liệu khí hậu lịch sử
4.1.1.3 Dữ liệu Sử dụng đất / Phủ lớp đất và Thổ nhưỡng
Dữ liệu sử dụng đất có nhiều dạng, chẳng hạn như bản đồ địa hình, ảnh chụp từ trên không (như từ Chương trình Hình ảnh Nông nghiệp Quốc gia – NAIP), bản đồ quy hoạch sử dụng đất và ảnh vệ tinh Landsat. Các dạng dữ liệu này thường có sẵn trực tuyến từ nhiều nguồn khác nhau như chính quyền bang, khu vực, địa phương, USGS, và các đơn vị như Phân ban Kinh tế Tài nguyên Thiên nhiên hoặc Chi nhánh Thủy lợi của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ.
Liên minh Đặc trưng Phủ lớp Đa độ phân giải (MRLC) đã phát triển và duy trì Cơ sở Dữ liệu Phủ lớp Đất quốc gia (NLCD), là tập hợp các tập dữ liệu về loại hình phủ lớp đất. MRLC là một nhóm các cơ quan liên bang phối hợp để tạo ra dữ liệu phủ lớp đất nhất quán và phù hợp trên quy mô quốc gia, phục vụ đa dạng các ứng dụng môi trường, quản lý đất và mô hình hóa.
Các bộ dữ liệu thổ nhưỡng trực tuyến từ Dịch vụ Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên (NRCS) bao gồm:
- Web Soil Survey: Dịch vụ web cung cấp bản đồ đất chi tiết từ Cơ sở Dữ liệu Thổ nhưỡng SSURGO
- gSSURGO: Hộp công cụ cho ArcGIS giúp lập bản đồ hệ thống thông tin địa lý (GIS) về các đặc tính đất chi tiết (ví dụ: độ dẫn thủy bão hòa, nhóm đất thủy văn, mô tả kết cấu…) theo từng bang
- STATSGO: Bản đồ đất tổng quát toàn nước Mỹ, ít chi tiết hơn so với SSURGO
4.1.1.4 Dữ liệu Địa hình, Thủy văn Dòng chảy và Ranh giới Lưu vực
Chương trình Không gian Địa lý Quốc gia của USGS cung cấp một hệ thống quản lý dữ liệu địa lý tổng quát, bao gồm các loại dữ liệu mà kỹ sư và nhà thủy văn đặc biệt quan tâm:
- National Elevation Dataset (NED): Tập dữ liệu DEM biểu diễn bề mặt địa hình với độ phân giải tối thiểu là 1 arc-second (khoảng 30 mét) trên toàn nước Mỹ.
- Chương trình Dữ liệu Độ cao 3D của USGS: Chương trình thu thập dữ liệu độ cao độ phân giải cao trên toàn quốc bằng công nghệ LiDAR.
- US Topo: Bản đồ số cho nước Mỹ. Bao gồm bản đồ địa hình số hiện tại và lịch sử.
- National Hydrography Dataset (NHD): Cơ sở dữ liệu GIS về các dòng suối và dữ liệu thủy văn dòng chảy.
- Watershed Boundary Dataset: Xác định ranh giới lưu vực của các dòng chính và phụ dưới dạng đa giác GIS.
4.1.1.5 Ảnh Hàng không
Ảnh hàng không cung cấp thông tin về hiện trạng và lịch sử sử dụng/phủ lớp đất. Các nguồn dữ liệu bao gồm:
- NAIP: Ảnh hàng không số độ phân giải cao được gắn tọa độ, thu thập định kỳ (hiện tại theo chu kỳ ba năm) bởi Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA), Dịch vụ Nông nghiệp Trang trại (FSA).
- Ảnh hàng không lịch sử từ Văn phòng Ảnh Hàng không. Bao gồm ảnh từ những năm 1950.
- Ảnh vệ tinh của NOAA
- NASA Landsat Thematic Mapper: Dữ liệu ảnh vệ tinh bắt đầu từ năm 1972 đến hiện tại. Dùng để phân tích sử dụng đất/phủ lớp đất và các dữ liệu viễn thám khác.
4.1.1.6 Tài nguyên Môi trường
Mục tiêu của phân tích thủy văn có thể bao gồm việc đánh giá tác động đến các tài nguyên môi trường như đất ngập nước, môi trường sống và các yếu tố khác. Các nguồn dữ liệu trực tuyến bao gồm:
- National Wetlands Inventory từ Cơ quan Cá và Động vật hoang dã Hoa Kỳ (USFWS)
- Critical Habitat cho các loài nguy cấp từ USFWS
- Cổng Dữ liệu Môi trường của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA)
4.1.1.7 Phản ánh Về Thoát Nước và Hồ sơ Bảo Trì
Một nguồn thông tin tiềm năng khác cho phân tích thủy văn là các phản ánh về vấn đề thoát nước và hồ sơ bảo trì. Những hồ sơ này cung cấp thông tin quan sát được về trải nghiệm lũ lụt của người dân và chủ đất, cũng như các bản ghi bảo trì về thời gian và tần suất thực hiện. Các phản ánh có thể xuất phát từ những thiếu sót thực tế hoặc do nhận thức về hệ thống quản lý nước mưa và tình trạng ngập úng, qua đó giúp người thiết kế hiểu rõ hơn hiệu quả của các công trình hiện có. Ngoài ra, kỹ sư có thể liên hệ với nhân viên bảo trì địa phương để tìm hiểu các vấn đề không được ghi lại trong hồ sơ chính thức.
Các Sở Giao thông Vận tải cấp bang và địa phương (DOTs) thường xử lý các phản ánh thoát nước một cách kịp thời và chuyên nghiệp nhằm duy trì mối quan hệ với cộng đồng và đảm bảo thông tin được ghi nhận chính xác. Phản ánh có thể được gửi qua điện thoại, email, thư tay hoặc gặp trực tiếp. Các phản ánh từ công chúng đôi khi không rõ ràng hoặc thiếu thông tin, nên cần hướng dẫn để đảm bảo phản ánh được chuyển đến đúng bộ phận một cách kịp thời.
Nếu cần điều tra, một kỹ sư đủ năng lực và có kinh nghiệm trong thiết kế thủy văn – thủy lực (ưu tiên người từ đơn vị hoặc khu vực khác) sẽ thực hiện điều tra. Việc nắm rõ luật thoát nước của bang, chính sách cơ quan và yếu tố địa phương có thể ảnh hưởng đến vụ việc là rất quan trọng. Điều tra viên có thể liên hệ người phản ánh để làm rõ tình huống. Kỹ sư sẽ khảo sát hiện trường khi cần thiết, nhằm bảo tồn các chứng cứ dễ mất như dấu vết rác, công trình bị ngập hoặc hư hỏng. Trong trường hợp này, cần lưu ý rằng kết quả điều tra có thể trở thành bằng chứng pháp lý.
Ngoài ra, kỹ sư có thể thu thập thêm dữ liệu như mưa hoặc dòng chảy tại thời điểm xảy ra sự cố để hiểu rõ hơn tình huống cụ thể.
Kỹ sư điều tra có thể xem xét bản vẽ thiết kế, bản vẽ hoàn công, và hồ sơ bảo trì để so sánh với đặc điểm hiện trạng cũng như tình trạng sử dụng đất xung quanh. Tùy theo mức độ và tính chất sự việc, kỹ sư sẽ ghi lại kết quả điều tra trong một bản ghi nhớ hoặc báo cáo.
4.1.2 Khảo sát hiện trường và Thu thập dữ liệu ngoài thực địa
Các cuộc khảo sát hiện trường hoặc điều tra tại chỗ cung cấp thông tin giá trị, ngay cả đối với các phân tích sơ bộ hoặc thiết kế đơn giản nhất. Người thiết kế sử dụng khảo sát hiện trường như một nguồn dữ liệu chính để thu thập thông tin tại chỗ và trực tiếp trải nghiệm địa điểm thực tế. Trong mọi trường hợp, sự an toàn của cả người khảo sát và cộng đồng là yếu tố ưu tiên hàng đầu; nếu cần, các cơ quan có thể xây dựng quy trình an toàn tiêu chuẩn cho hoạt động khảo sát hiện trường.
Trước khi đến hiện trường, việc tìm kiếm dữ liệu trên máy tính từ các nguồn đã nêu ở phần trước thường giúp thu thập được bản đồ, ảnh chụp, dữ liệu độ cao và địa hình, thông tin về lớp phủ thực vật, các vấn đề sinh học tiềm ẩn (bao gồm cả các loài động thực vật được bảo vệ). Với những thông tin như vậy, kỹ sư có thể lên kế hoạch cho chuyến khảo sát với ít khả năng gặp tình huống bất ngờ tại hiện trường hơn.
Trong chuyến khảo sát hiện trường, người thiết kế cần xác định, quan sát và ghi lại các yếu tố liên quan đến thủy văn, bao gồm:
- Dấu vết mực nước cao nhất.
- Đánh giá hiệu quả của các công trình thoát nước.
- Đánh giá độ ổn định của dòng chảy và khả năng xói lở.
- Vị trí và đặc điểm của các yếu tố vật lý và văn hóa quan trọng có thể ảnh hưởng hoặc bị ảnh hưởng bởi dự án đề xuất.
- Tình trạng sử dụng đất so với những gì được thể hiện trên bản đồ và ảnh chụp.
Người thiết kế cũng nên lường trước khả năng cần thực hiện khảo sát kỹ thuật để thu thập thêm dữ liệu, như mô tả bên dưới. Trong nhiều trường hợp, khảo sát địa hình hiện nay được thực hiện bằng công nghệ quét ảnh hoặc quét laser thay vì khảo sát truyền thống, vì mục tiêu là thu thập thông tin khác ngoài địa hình.
Khảo sát Bổ sung (Follow-up Reconnaissance)
Trong chuyến khảo sát hiện trường, kỹ sư có thể xác định những điểm cần thu thập dữ liệu bổ sung để thực hiện các phép đo chính xác, bao gồm:
+ Vị trí các mặt cắt ngang dòng chảy
+ Các đặc điểm địa mạo sông ngòi
+ Dấu hiệu giới hạn bờ
+ Dấu vết mực nước cao nhất
+ Dấu tích vật cản (debris lines)
+ Các đặc điểm khác
Việc đánh dấu và chụp ảnh các đặc điểm này để đo lường sau đó sẽ giúp giảm thiểu sự không rõ ràng về mục đích khảo sát của kỹ sư trong quá trình thu thập dữ liệu tiếp theo.
Nhiều máy ảnh kỹ thuật số, bao gồm cả những chiếc trên điện thoại thông minh, có khả năng gắn thẻ địa lý (geotag) cho ảnh chụp bằng dữ liệu vị trí GPS, kèm theo ngày, giờ và hướng chụp được mã hóa trong siêu dữ liệu của ảnh. Những bức ảnh có gắn thẻ địa lý rất hữu ích trong việc ghi lại các đặc điểm hiện trường và có thể được tích hợp vào bản đồ GIS hoặc các ứng dụng bản đồ, ảnh trực tuyến.
Để tối đa hóa hiệu quả của dữ liệu khảo sát hiện trường, có thể áp dụng một số quy trình được khuyến nghị như sau:
- Lập kế hoạch khảo sát để xác định mục tiêu thu thập dữ liệu và thiết bị cần thiết.
- Chọn người phụ trách khảo sát hiện trường về hệ thống thoát nước phải có hiểu biết cơ bản về thiết kế thoát nước.
- Ghi chép dữ liệu thông qua báo cáo và hình ảnh.
- Áp dụng phương pháp tiếp cận có hệ thống để tăng hiệu quả công việc.
- Nếu có thể, nên để người chịu trách nhiệm thiết kế cùng tham gia khảo sát hiện trường.
Mặc dù khảo sát hiện trường là quan trọng, kỹ sư vẫn cần bổ sung thêm thông tin từ các nguồn đáng tin cậy khác thông qua phân tích trên máy tính, cả trước và sau khi khảo sát thực địa.
4.2 Đánh giá và Ghi chép Dữ liệu
Sau khi thu thập dữ liệu, kỹ sư sẽ đánh giá chúng để phục vụ cho phân tích thủy văn và thiết kế, đồng thời ghi chép lại quá trình phân tích. Các công cụ GIS như bản đồ raster, DEMs và lớp đối tượng vector đóng vai trò quan trọng trong cả hai quá trình này.
4.2.1 Đánh giá Dữ liệu
Sau khi thu thập dữ liệu, người thiết kế tổng hợp chúng thành định dạng dễ sử dụng, đồng thời đánh giá tính nhất quán và các bất thường có thể dẫn đến sai lệch kết quả hoặc tính toán. Mục tiêu của quá trình này là tích hợp dữ liệu thành một bức tranh toàn diện và chính xác về hiện trạng thủy văn tại địa điểm cụ thể. Ví dụ, các thiết bị như máy ảnh hoặc điện thoại thường ghi dữ liệu tọa độ theo một hệ quy chiếu (ví dụ: WGS84), trong khi hệ tọa độ phẳng của tiểu bang lại theo hệ NAD83. Việc chuyển đổi giữa các hệ tọa độ này trong hệ thống GIS không khó, nhưng cần xác định rõ hệ tọa độ ban đầu của bộ dữ liệu trước khi chuyển đổi.
Kinh nghiệm, kiến thức và sự phán đoán đóng vai trò quan trọng trong quá trình đánh giá dữ liệu. Kỹ sư phải xếp hạng các bộ dữ liệu theo độ tin cậy và độ chính xác, đồng thời kết hợp dữ liệu lịch sử với số đo hiện tại. Người thiết kế cũng cần giải trình hoặc (nếu có thể) bổ sung các khoảng trống trong dữ liệu. Một số phương pháp được trình bày trong tài liệu này có thể hỗ trợ cho quá trình đó.
Thống kê có thể hữu ích trong việc phân tích dữ liệu, nhưng hiểu biết cơ bản về thủy văn là điều kiện cần để áp dụng thống kê một cách thận trọng và có ý nghĩa. Kỹ sư nên xem xét các báo cáo và nghiên cứu trước đó để đánh giá loại và nguồn dữ liệu, cách sử dụng dữ liệu, cũng như độ chính xác và tin cậy của chúng. Việc rà soát dữ liệu lịch sử giúp xác định những thay đổi quan trọng trong lưu vực có thể ảnh hưởng đến chế độ thủy văn, và liệu các dữ liệu này có thể cải thiện hoặc kéo dài chuỗi số liệu hay không.
Kỹ sư cũng cần đánh giá các dữ liệu cơ bản như dòng chảy và lượng mưa, nhằm xác định tính đồng nhất và tóm tắt trước khi sử dụng. Bản đồ, ảnh chụp từ trên cao, ảnh vệ tinh Landsat và nghiên cứu sử dụng đất được so sánh lẫn nhau và với kết quả khảo sát thực địa để khắc phục sai lệch. Ví dụ, việc xây dựng hồ chứa nhỏ (do NRCS thực hiện) hoặc các bậc thang nông nghiệp có thể làm thay đổi đặc điểm dòng chảy của lưu vực. Việc chuyển đổi từ đất canh tác sang đồng cỏ hoặc dọn dẹp thực bì có thể làm thay đổi điều kiện thủy văn. Những thay đổi này thường gắn liền với một khoảng thời gian cụ thể, cho phép xem xét dữ liệu dòng chảy trước và sau khi thay đổi. Việc bắt đầu hoặc dừng tưới tiêu cũng có thể ảnh hưởng đến điều kiện thủy văn.
Dù có nhiều nghiên cứu về tác động của đô thị hóa, vẫn còn nhiều thay đổi khác (ngoài đô thị hóa) có thể xảy ra trong lưu vực và ảnh hưởng đến quá trình tạo dòng chảy. Kết quả của quá trình đánh giá dữ liệu này giúp mô tả thủy văn của khu vực nghiên cứu trong phạm vi thời gian và nguồn lực cho phép. Nhờ đó, người thiết kế sẽ lựa chọn thông số phù hợp để thiết kế công trình thoát nước với độ tin cậy phù hợp.
4.2.2 Ghi chép Dữ liệu
Khi nhu cầu dữ liệu đã được xác định rõ, người thiết kế có thể dễ dàng chuẩn bị và sử dụng kết quả phân tích trong phương pháp phân tích thủy văn đã chọn. Do mỗi phương pháp có nhu cầu dữ liệu khác nhau, nên không có cách trình bày duy nhất phù hợp cho mọi tình huống. Do đó, kết quả của quá trình thu thập và đánh giá dữ liệu cần được ghi chép lại nhằm:
- Lưu lại hồ sơ về chính các dữ liệu đã thu thập.
- Ghi chú các nguồn dữ liệu không được sử dụng do khối lượng quá lớn hoặc lý do khác.
- Ghi lại các phương pháp phân tích dữ liệu đã sử dụng.
- Ghi chép các giả định, khuyến nghị và kết luận.
- Trình bày kết quả dưới dạng tương thích với phương pháp phân tích đã sử dụng.
- Lập mục lục dữ liệu và phân tích để dễ dàng truy xuất.
- Hỗ trợ việc chứng minh chi tiêu ngân sách công của các cơ quan giao thông.
Định dạng hoặc phương pháp dùng để ghi chép dữ liệu và phân tích có thể cần được chuẩn hóa để người không quen thuộc với một dự án cụ thể vẫn có thể dễ dàng tra cứu thông tin cần thiết. Điều này đặc biệt quan trọng ở các bang có nhiều văn phòng hoặc quận thực hiện phân tích và thiết kế thủy văn. Kỹ sư nên đưa toàn bộ dữ liệu vào tài liệu hoặc tham chiếu đầy đủ để có thể truy xuất nhanh chóng.
Kỹ sư cũng cần trình bày các phân tích dữ liệu trong tài liệu. Nếu sử dụng nhiều phương pháp, kỹ sư phải báo cáo và ghi chú từng phương pháp – ngay cả khi kết quả từ đó không được đưa vào khuyến nghị cuối cùng. Các nhận xét giải thích lý do kết quả bị loại bỏ hoặc được chấp nhận cũng nên được ghi rõ (xem Mục 4.3 về lựa chọn phương pháp thủy văn). Kỹ sư cần viện dẫn các nguồn như sổ tay thoát nước của bang, giáo trình hoặc tài liệu khác dùng làm căn cứ lựa chọn phương pháp.
Việc ghi lại các giả định, kết luận và khuyến nghị được đưa ra trong hoặc sau quá trình thu thập và phân tích dữ liệu cũng rất quan trọng. Vì thủy văn không phải là một ngành khoa học tuyệt đối, nên không thể phân tích dữ liệu thủy văn đầy đủ nếu không sử dụng phán đoán chuyên môn và giả định. Khi ghi lại các đánh giá chuyên môn đó, người thiết kế đã tạo ra một hồ sơ chi tiết và giá trị về công việc đã thực hiện.
4.2.3 Phân tích và Trình bày bằng GIS
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) cung cấp công cụ mạnh mẽ để phân tích dữ liệu và trình bày kết quả. Việc ứng dụng nhanh chóng của GIS và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) trong các lĩnh vực kỹ thuật và quản lý dữ liệu đã làm thay đổi đáng kể cách các cơ quan nhà nước và liên bang thực hiện công việc. Vì các công cụ GIS lưu trữ và phân tích thông tin có tham chiếu địa lý (georeferenced), nên dữ liệu có thể được trực quan hóa và xử lý theo hàng trăm cách hữu ích. Dữ liệu được trình bày dưới dạng điểm, đường, và vùng đa giác có tham chiếu địa lý giúp hiểu và đánh giá lưu vực sông.
Hầu hết các nguồn dữ liệu số đều có tham chiếu địa lý, tức là vị trí được gắn liền với hình ảnh hoặc thông tin, cho phép chồng lắp nhiều nguồn dữ liệu phục vụ phân tích và trình bày. Ví dụ, Hình 4.1 minh họa thông tin địa hình chồng lắp với ranh giới lưu vực và mạng lưới sông ngòi. Hình 4.2 hiển thị ảnh chụp từ trên cao và mạng lưới đường giao thông tại cùng một vị trí. Tương tự, Hình 4.3 và 4.4 trình bày dữ liệu đất và địa hình có tham chiếu địa lý tại cùng vị trí.
Những hình ảnh này chỉ là một phần nhỏ trong rất nhiều loại dữ liệu có sẵn ở định dạng GIS mà kỹ sư thiết kế công trình thủy lực đường bộ có thể thấy hữu ích. Mục 4.1.1 đã giới thiệu các dữ liệu này cùng nhiều nguồn số khác.
Một số nguồn dữ liệu như bản đồ USGS quadrangle ở định dạng raster (dạng ảnh điểm ảnh – pixel), rất phù hợp cho các phép tính trong GIS theo từng pixel. Những dữ liệu khác, như đường đồng mức địa hình hoặc bản đồ nhóm đất thủy văn, được lưu ở định dạng “vector” (gồm điểm, đường, và vùng) và đi kèm thuộc tính cho phép tính diện tích, chiều dài, và nhiều đại lượng khác.
Tương tự như GIS ở một số khía cạnh, các chương trình thiết kế và vẽ hỗ trợ bằng máy tính (CADD) cũng chấp nhận dữ liệu có tham chiếu địa lý. Một số Sở Giao thông Vận tải của bang yêu cầu các bản vẽ dự án phải được xây dựng theo hệ tọa độ tiêu chuẩn (ví dụ: hệ tọa độ mặt phẳng của bang) để có thể tích hợp vào hệ thống bản đồ toàn bang. Mục 10.2 cung cấp thêm thông tin về việc sử dụng dữ liệu không gian và GIS trong mô hình thủy văn.
4.3 Lựa chọn các phương pháp thủy văn
Kỹ sư có thể lựa chọn từ nhiều phương pháp thủy văn khác nhau tùy thuộc vào dự án và vị trí cụ thể. Họ cũng có thể chọn nhiều phương pháp và so sánh kết quả để có thêm góc nhìn bổ sung. Các yếu tố cần xem xét bao gồm:
- Loại thông tin thủy văn cần thiết, ví dụ: lưu lượng đỉnh so với hydrograph cho mục đích tính toán lũ hoặc lưu lượng liên quan đến vùng đất ngập nước, loài có nguy cơ tuyệt chủng, chất lượng nước, hoặc các tiêu chí không liên quan đến lũ khác.
- Mức độ phù hợp của các phương pháp thủy văn và hướng dẫn từ bang hoặc địa phương trong việc lựa chọn phương pháp.
- Các yếu tố rủi ro, ví dụ: hậu quả tiềm tàng của lũ, các vùng ngập lụt được quy hoạch, và tác động đến các tài sản lân cận.
- Đặc điểm lưu vực, chẳng hạn như diện tích và độ dốc của kênh chính.
- Đặc điểm khí hậu như lượng mưa và mô hình nhiệt độ (hoặc tuyết).
- Lịch sử lũ lụt của khu vực.
- Hiện trạng và quy hoạch sử dụng đất, bao gồm cả lớp phủ thực vật hiện tại và trong tương lai.
- Sự hiện diện của các trạm đo mực nước tại hoặc gần vị trí dự án.
- Ảnh hưởng của các công trình điều tiết trong lưu vực như đập hoặc hồ điều hòa.
4.3.1 Các phương pháp hiện có
Tài liệu hướng dẫn này mô tả một số phương pháp có thể áp dụng trong nhiều tình huống khác nhau. Bảng 4.1 tóm tắt tổng quan đơn giản các phương pháp đã được thảo luận. Nhiều tài liệu hướng dẫn cấp liên bang, bang và khu vực có thể giới thiệu các phương pháp khác có phạm vi áp dụng toàn quốc hoặc cụ thể cho từng bang, khu vực, hoặc điều kiện nhất định. Tài liệu Highway Hydrology: Evolving Methods, Tools, and Data của FHWA (2022a) trình bày thêm các cách tiếp cận để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các phương pháp thủy văn trong các ứng dụng phi truyền thống.
Bảng 4.1. Tổng quan các phương pháp thủy văn
| Phương pháp | Khả năng áp dụng cho lưu vực | Yếu tố cần cân nhắc khi chọn |
|---|---|---|
| Phân tích lưu lượng có số liệu đo đạc Tương quan lưu lượng đỉnh (xem Chương 5) | Có trạm đo tại vị trí thiết kế hoặc có thể điều chỉnh gần vị trí thiết kế | Thông tin từ trạm đo có cung cấp chuỗi số liệu đồng nhất và đủ dài không? |
| Phương trình hồi quy (xem Mục 6.1) | Bị giới hạn bởi phương trình áp dụng | Đặc điểm lưu vực và khí tượng có phù hợp với điều kiện áp dụng phương trình không? |
| Phương pháp Index Flood (xem Mục 6.3) | Phụ thuộc vào phương pháp gốc đã chọn | Có nguồn phù hợp cho đường cong tần suất lũ để ước lượng xác suất (AEP) trung bình vượt quá index flood không? |
| Phương pháp Rational (xem Mục 6.2) | Thông thường nhỏ hơn 200 mẫu Anh (acres) | Có hợp lý khi giả định mưa đều trong khoảng thời gian bằng thời gian tập trung không? |
| Thủy đồ đơn vị (xem Mục 8.1) | Phụ thuộc vào nguồn thủy đồ đơn vị | Có sẵn Thủy đồ đơn vị và trận mưa thiết kế phù hợp không? |
(nd: Regression Equations – các phương trình hồi quy)
Phương trình hồi quy được dùng để mô tả mối quan hệ toán học giữa một biến phụ thuộc (biến cần dự đoán) và một hoặc nhiều biến độc lập (biến đầu vào)
Khi có một hoặc nhiều trạm đo lưu lượng trên dòng chính hoặc gần khu vực nghiên cứu, phương pháp phân tích số liệu từ trạm đo thường là lựa chọn hữu ích nhất. Phương pháp này hiệu quả nhất khi chuỗi số liệu đo dài đủ để được xem là “đồng nhất”, nghĩa là điều kiện lưu vực không bị thay đổi đáng kể bởi các yếu tố như đô thị hóa, điều tiết bằng đập, hoặc thay đổi dòng chảy. Nhiều trạm đo ghi lại lưu lượng tự nhiên nhưng cũng có trạm ghi lại lưu lượng bị ảnh hưởng bởi đô thị. Chương 5 trình bày chi tiết phương pháp phân tích số liệu đo.
Các trạm đo gần đó trên cùng hệ thống sông suối có thể sử dụng transposition (phép chuyển vị theo quan hệ tương quan/tương đồng) đến vị trí dự án, hoặc để truyền tải thông tin theo phương pháp index flood. Transposition thường phù hợp nhất trong cùng hệ thống sông suối, cho phép sử dụng hiệu quả số liệu từ trạm không nằm tại chính vị trí nghiên cứu. Ngoài ra, transposition cũng có thể dùng để kiểm chứng các phương pháp khác, nhưng đôi khi còn được áp dụng như phương pháp chính. Kỹ sư có thể chọn trạm gần và có đặc điểm tương tự nhất, thay vì sử dụng các phương pháp hồi quy tổng quát hơn. Transposition không bị giới hạn trong một trạm, có thể dùng nhiều trạm để so sánh. Mục 5.4 trình bày thêm về transposition lưu lượng đỉnh.
Các ấn phẩm của USGS liên quan đến việc xây dựng các phương trình hồi quy thường có một hoặc nhiều phần thảo luận về phạm vi của các explanatory variable (biến giải thích) được sử dụng trong quá trình xây dựng phương trình và các giới hạn của phương pháp này. Đặc biệt, USGS đưa ra khuyến nghị về diện tích lưu vực phù hợp cho từng bộ phương trình. Các phương trình hồi quy thể hiện việc tổng hợp thông tin từ nhiều lưu vực và thường được sử dụng thuận tiện để ước tính lưu lượng đỉnh. Do các phương trình hồi quy được xây dựng dựa trên dữ liệu đo thực tế, chúng chủ yếu áp dụng cho các lưu vực nông thôn, nhưng một số phương trình cũng có thể áp dụng cho các khu vực đô thị. Mục 6.1 trình bày chi tiết về các phương trình hồi quy.
(nd: explanatory variable – biến giải thích)
Trong phương trình hồi quy, ta có:
+ Biến giải thích (explanatory variables) – là các yếu tố đầu vào dùng để giải thích hoặc dự đoán biến phụ thuộc, ví dụ như diện tích lưu vực, độ dốc, lượng mưa trung bình năm, v.v.
+ Biến phụ thuộc (dependent variable) – là biến cần dự đoán, ví dụ như lưu lượng đỉnh.
Phương pháp Index Flood về mặt khái niệm có liên quan đến phương trình hồi quy. Nó có thể được coi là ít trực tiếp hơn so với phân tích số liệu đo, nhưng giống như transposition, phương pháp này cho phép lựa chọn các trạm đo dựa trên yếu tố khoảng cách và mức độ tương đồng với vị trí nghiên cứu. Mục 6.3 trình bày phương pháp lũ chỉ số.
Các lưu vực có diện tích nhỏ hơn 200 acres thường được phân tích hiệu quả nhất bằng phương pháp Rational (Rational Method). Phương pháp này đơn giản và được sử dụng rộng rãi trong các khu vực đô thị để thiết kế hệ thống thoát nước mưa, kênh dẫn và cống nhỏ, mặc dù kỹ sư cũng có thể áp dụng cho các lưu vực nông thôn nhỏ. Phương pháp Rational thường chỉ áp dụng cho các khu vực có diện tích đóng góp nhỏ hơn 200 acres (0.8km2/80ha). Tuy nhiên, vẫn có những trường hợp có thể áp dụng cho diện tích lớn hơn. Mục 6.2 trình bày chi tiết phương pháp Rational.
Việc mô phỏng quá trình rainfall–runoff bằng thủy đồ đơn vị cố gắng tái hiện quá trình mưa thực tế và mô tả cách dòng chảy lan truyền trong lưu vực. Đây là một trong những phương pháp linh hoạt nhất hiện có. Mô hình rainfall–runoff cho phép ngoại suy vượt ra ngoài phạm vi đặc điểm của các lưu vực có trạm đo, giúp lấp đầy khoảng trống về diện tích và có thể mô phỏng tác động của các công trình như đập, hồ chứa, các bể điều tiết và tác động của đô thị hóa. Phương pháp này có thể được dùng để dự báo lưu lượng trong các điều kiện thay đổi như hiện trạng sử dụng đất, tình trạng sau phát triển và sự thay đổi lượng mưa. Mô hình rainfall–runoff có thể áp dụng cho cả lưu vực đô thị và nông thôn, cũng như cho các lưu vực có diện tích phù hợp với các giả định của phương pháp được sử dụng. Mục 8.1 trình bày về thủy đồ đơn vị
4.3.2 Xác minh và So sánh
Đối với các lưu vực có diện tích đóng góp lớn hơn phạm vi thích hợp của Phương pháp Rational (tức là lớn hơn 200 acres), các kỹ sư được khuyến nghị nên so sánh kết quả từ hai hoặc nhiều phương pháp phân tích. Việc so sánh này giúp xác minh độ lớn xấp xỉ của lưu lượng dòng chảy, từ đó phát hiện các sai số lớn và kiểm định việc lựa chọn phương pháp có phù hợp hay không.
Các phương pháp được coi là gián tiếp, như phương pháp Index Flood hoặc Transposition, thường có giá trị đáng kể trong vai trò kiểm tra độc lập. Ngay cả khi thiết kế yêu cầu sử dụng thủy đồ, việc kiểm tra độc lập lưu lượng đỉnh bằng các phương pháp khác cũng mang lại thông tin hữu ích cho kỹ sư thiết kế. Do sự đa dạng của các điều kiện thực địa trong thủy văn và mức độ bất định cao, việc xác minh lưu lượng thiết kế là điều nên làm.
Đối với các tiêu chí thiết kế liên quan đến xác suất vượt ngưỡng hàng năm nhỏ (nhỏ hơn 0.04), việc xác minh lại càng trở nên quan trọng. Bất định thường lớn nhất đối với các sự kiện hiếm gặp, và hậu quả do sai số trong các trường hợp này cũng có thể nghiêm trọng hơn.
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.