Bước đầu tiên trong thiết kế một công trình thoát nước là xác định lưu lượng nước (discharge) mà công trình cần phải xử lý. Phân tích thủy văn để ước tính lưu lượng là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế tổng thể. Mức độ công việc cần thiết phụ thuộc vào dữ liệu có sẵn và mức độ phức tạp của phương pháp phân tích được lựa chọn.

Bất kể phương pháp phân tích nào được sử dụng, việc phân tích thủy văn luôn đòi hỏi đánh giá kỹ thuật do tính chất phức tạp và ngẫu nhiên của quá trình dòng chảy bề mặt. Không giống như nhiều lĩnh vực thiết kế kỹ thuật khác, việc định lượng dòng chảy không phải là một ngành khoa học chính xác tuyệt đối.

Đối với các vấn đề thiết kế thông thường, đặc biệt là các khu vực thoát nước nhỏ, việc sử dụng các phương pháp phân tích phức tạp tốn nhiều thời gian và công sức là không thực tế và không cần thiết. May mắn thay, có nhiều phương pháp đáng tin cậy và đã được kiểm chứng để phân tích thủy văn cho các bài toán thiết kế hằng ngày.

Những phương pháp này giúp xác định lưu lượng đỉnh (peak flow) và biểu đồ dòng chảy (hydrograph – biểu đồ thể hiện sự thay đổi lưu lượng theo thời gian, như minh họa trong Hình 2.1) mà không tốn quá nhiều thời gian. Chúng tận dụng dữ liệu có sẵn hoặc, trong trường hợp thiếu dữ liệu, sử dụng các phương pháp tổng hợp để xác định các thông số thiết kế.

Hình 2.1 Biểu đồ lưu lượng theo thời gian

Thiết kế hệ thống thoát nước cho các công trình phục vụ khu vực nhỏ thường có thể dựa trên điều kiện lưu lượng đỉnh (peak flow conditions). Trong hầu hết các trường hợp, không cần thiết phải biết toàn bộ biểu đồ lưu lượng-thời gian (hydrograph) đối với các công trình thoát nước nhỏ.

Ví dụ, việc thiết kế:

Hệ thống thoát nước ở dải phân cách,
Cống thoát nước mưa và cửa thu nước để bảo vệ mái dốc đắp,
Cống ngang đường thoát nước cho một khu vực nhỏ bị chia cắt bởi nền đường đắp,

đều có thể được thực hiện chỉ dựa trên lưu lượng đỉnh.

Thông tin trong chương này tóm tắt các phương pháp tiêu chuẩn để ước tính lưu lượng đỉnh. Để có cách tiếp cận toàn diện hơn về ước tính lưu lượng đỉnh, cũng như thảo luận chi tiết về tính toán biểu đồ lưu lượng-thời gian và các chủ đề thủy văn khác, có thể tham khảo Hydraulic Design Series Number 2 (HDS-2) – Highway Hydrology (McCuen et al., 2002).

Các phương pháp ước tính lưu lượng đỉnh có thể được chia thành hai nhóm chính:

Các vị trí có số liệu đo từ trạm thủy văn (sites with measured stream gage data).
Các vị trí không có số liệu đo (sites without gaged data).

Khi có dữ liệu đo đạc với thời gian đủ dài và chất lượng tốt, có thể sử dụng phân tích thống kê chuỗi số liệu lưu lượng để ước tính đỉnh lũ cho các chu kỳ tái xuất hiện khác nhau. Nhìn chung, dữ liệu đo đạc thường chỉ có sẵn đối với các dòng chảy lớn, do đó phương pháp này chỉ có thể áp dụng trong một số ít trường hợp đối với các lưu vực nhỏ, và hầu như không thể áp dụng cho các khu vực nhỏ thoát nước vào hệ thống thoát nước đường bộ. Các kỹ thuật phân tích số liệu đo đạc sẽ được tóm tắt ngắn gọn dưới đây, trong khi hướng dẫn chi tiết hơn có thể tham khảo HDS-2 (McCuen et al., 2002).

Khi không có dữ liệu đo đạc, lưu lượng đỉnh được ước tính bằng các phương trình thực nghiệm (ví dụ: phương pháp Rational) hoặc các phương trình hồi quy khu vực (regional regression equations). Phương trình hồi quy khu vực thường phù hợp với các lưu vực lớn hơn, trong khi phương pháp Rational thường được áp dụng cho các khu vực nhỏ hơn, khoảng dưới 80 ha=0,8 km² (200 mẫu Anh). Cả hai phương pháp này sẽ được trình bày trong chương này.

Lưu ý rằng không có ranh giới rõ ràng giữa các phương pháp, tức là không có quy tắc cố định về việc khi nào nên dừng một phương pháp và chuyển sang phương pháp khác. Trong một số trường hợp, cả hai phương pháp có thể đưa ra kết quả tương đối giống nhau, nhưng trong những trường hợp khác, kết quả có thể chênh lệch lên đến 50% hoặc hơn. Khi có sự khác biệt lớn, cần đánh giá kỹ lưỡng tính phù hợp của từng phương pháp, đồng thời áp dụng đánh giá kỹ thuật (engineering judgment) để xác định các giá trị thiết kế hợp lý.

Chu kỳ tái xuất hiện (recurrence interval) xác định tần suất trung bình mà một sự kiện nhất định (ví dụ: lượng mưa hoặc dòng chảy) sẽ đạt hoặc vượt quá một mức cụ thể trong một khoảng thời gian tính theo năm.

Ví dụ, nếu lưu lượng có chu kỳ tái xuất hiện 25 năm là 100 m³/s (3.531 ft³/s), thì một sự kiện dòng chảy có cường độ bằng hoặc lớn hơn mức này được kỳ vọng sẽ xảy ra trung bình một lần mỗi 25 năm.

Ngoài ra, trong thiết kế còn sử dụng xác suất vượt ngưỡng (exceedance probability), là giá trị nghịch đảo của chu kỳ tái xuất hiện. Đối với ví dụ trên, một trận lũ có lưu lượng bằng hoặc lớn hơn 100 m³/s có xác suất xảy ra là 0,04 hoặc 4% trong bất kỳ năm nào.

Việc thiết kế hệ thống thoát nước quá mức (overdesign) hoặc thiết kế thiếu (underdesign) đều dẫn đến chi phí dài hạn không hợp lý:

Thiết kế cho trận lũ 1 năm: Chi phí xây dựng ban đầu thấp, nhưng chi phí bảo trì cao, vì kênh thoát nước và đường có thể bị hư hại do dòng chảy gần như mỗi năm.
Thiết kế cho trận lũ 100 năm: Chi phí xây dựng ban đầu rất cao, nhưng chi phí bảo trì thấp, do công trình có thể chịu được những trận lũ lớn mà không cần sửa chữa thường xuyên.

Giữa hai giới hạn này tồn tại một chu kỳ tái xuất hiện thiết kế (design frequency) hợp lý, đảm bảo cân bằng giữa chi phí xây dựng, chi phí bảo trì hàng năm và mức độ rủi ro lũ lụt chấp nhận được.

Tần suất thiết kế do cơ quan quản lý đường bộ quy định thường thể hiện tiêu chuẩn thiết kế tối thiểu. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc áp dụng một mức lũ thiết kế cao hơn có thể là hợp lý, tùy thuộc vào mức độ quan trọng của công trình và tác động kinh tế – xã hội của lũ lụt.

2.2 Dòng chảy do mưa

Lượng mưa rơi xuống bề mặt đất và mặt nước tạo ra dòng chảy trong lưu vực. Một phần nhỏ của lượng mưa bốc hơi khi rơi xuống và một phần bị thực vật giữ lại. Lượng mưa chạm tới mặt đất sẽ phân bố theo các quá trình sau:

Một phần thấm xuống đất (infiltration),
Một phần đọng lại trong các vùng trũng trên bề mặt đất,
Phần còn lại chảy tràn trên bề mặt đất (overland flow) và di chuyển về các dòng chảy tự nhiên.

Dòng chảy bề mặt đôi khi được bổ sung bởi dòng chảy dưới bề mặt (subsurface flow), tức là nước chảy ngay bên dưới bề mặt đất và kịp thời nhập vào dòng chảy chính để trở thành một phần của dòng chảy mưa.

Dòng chảy do mưa cần được hệ thống thoát nước đường xử lý chính là lượng nước dư sau khi trừ đi các tổn thất do chặn giữ, thấm xuống đất và lưu trữ trong các vùng trũng. Tốc độ mất nước phụ thuộc vào:

Lượng mưa tổng cộng và cường độ mưa (tốc độ mưa rơi),
Nhiệt độ,
Đặc điểm bề mặt đất.

Tốc độ dòng chảy không chỉ thay đổi theo độ thấm của bề mặt đất và lớp phủ thực vật, mà còn thay đổi theo thời gian ngay cả trên cùng một khu vực, do các điều kiện trước đó như độ ẩm của đất và các yếu tố khác.

2.3 Phân tích dữ liệu trạm mưa

Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) thu thập và công bố phần lớn dữ liệu đo đạc từ các trạm thủy văn ở Hoa Kỳ. Những dữ liệu này được báo cáo trong USGS Water Supply Papers (theo từng bang), Annual Surface Water Records, và các tệp dữ liệu trên máy tính.

Phân tích thống kê dữ liệu đo đạc từ trạm thủy văn cho phép ước tính lưu lượng đỉnh dựa trên xác suất hoặc tần suất xuất hiện của nó tại một vị trí cụ thể.

Các phân phối xác suất thường được sử dụng trong phân tích thủy văn bao gồm:

Phân phối chuẩn (normal distribution),
Phân phối chuẩn theo logarit (log-normal distribution),
Phân phối giá trị cực đại Gumbel (Gumbel extreme value distribution),
Phân phối log-Pearson loại III (log-Pearson Type III distribution).

Trong đó, phân phối log-Pearson III được sử dụng rộng rãi trong phân tích lũ lụt, và Hội đồng Tài nguyên Nước Hoa Kỳ (U.S. Water Resources Council) đã khuyến nghị nó là phương pháp tiêu chuẩn để phân tích tần suất lũ.

Hướng dẫn chi tiết về cách sử dụng phân phối này trong xác định tần suất lũ được trình bày trong Hydrology Committee Bulletin 17B (Interagency Advisory Committee on Water Data, 1982).

Ngoài ra, phương pháp phân tích thống kê dữ liệu đo đạc được trình bày đầy đủ trong HDS-2 (McCuen et al., 2002).

2.4 Phân tích cường độ – thời gian – tần suất mưa

Cường độ mưa (rainfall intensity) là tốc độ mưa rơi xuống bề mặt đất. Cường độ mưa thường được biểu thị bằng đơn vị mm/h (in/hr) mà không phụ thuộc vào thời gian kéo dài của trận mưa. Tuy nhiên, đôi khi nó cũng có thể được biểu thị dưới dạng lượng mưa tổng cộng trong một khoảng thời gian cụ thể (thời gian kéo dài – duration).

Tần suất mưa (rainfall frequency) có thể được biểu diễn theo hai cách:

Xác suất xảy ra: Xác suất để một cường độ mưa nhất định được đạt tới hoặc bị vượt quá.
Chu kỳ tái xuất hiện (recurrence interval): Khoảng thời gian trung bình giữa các lần xuất hiện của một cường độ mưa nhất định hoặc lớn hơn.

Cần lưu ý rằng tần suất cường độ mưa không thể được xác định mà không xét đến thời gian kéo dài của trận mưa, vì cường độ mưa thay đổi theo thời gian mưa (Hình 2.2).

Trong phân tích thủy văn, dữ liệu mưa tại một điểm (point rainfall data) được sử dụng để xây dựng đường cong cường độ – thời gian – tần suất (intensity-duration-frequency curves – IDF curves), cần thiết cho các phương pháp tính toán thủy văn, chẳng hạn như phương pháp Rational (xem Mục 2.5).

Có hai phương pháp phổ biến để chọn dữ liệu mưa phục vụ phân tích tần suất:

Chuỗi theo năm (annual series): Chỉ xét lượng mưa lớn nhất trong từng năm (thường là theo năm dương lịch), bỏ qua các trận mưa nhỏ hơn. Tuy nhiên, có thể xảy ra trường hợp lượng mưa lớn nhất trong một năm vẫn thấp hơn nhiều trận mưa trong các năm khác.
Chuỗi theo thời kỳ từng phần (partial-duration series): Xét tất cả các trận mưa lớn, bất kể chúng xảy ra bao nhiêu lần trong một năm nhất định.

Trong thiết kế hệ thống thoát nước đường bộ với chu kỳ tái xuất hiện lớn hơn 10 năm, sự khác biệt giữa hai phương pháp trên thường không quan trọng. Tuy nhiên, khi chu kỳ tái xuất hiện nhỏ hơn 10 năm, phương pháp chuỗi theo thời kỳ từng phần được cho là phù hợp hơn.

Hình 2.2. Đường cong cường độ-thời gian-tần suất mưa điển hình

Chú giải

Lý thuyết môn học Xác suất Thống kê có các thuật ngữ như chu kỳ tái xuất hiện (chu kỳ lập lại), tần suất .v.v. Cần chú ý đến ý nghĩa của các thuật ngữ đó khi chúng được sử dụng trong các bối cảnh khác. Cụ thể trong TCVN về thiết kế thoát nước, cần rõ các nghĩa như sau:

mực nước thiết kế tần suất 1% nghĩa là mực nước thiết kế có 1% xác suất xẩy ra trong bất kỳ năm nào
trận mưa có chu kỳ lặp lại 10 năm nghĩa là trận mưa đó có 10% (1/10) xác suất xẩy ra trong bất kỳ năm nào
trận mưa có chu kỳ lặp lại 20 năm nghĩa là trận mưa đó có 5%(1/20) xáx suất xẩy ra trong bất kỳ năm nào

2.5 Phương pháp Rational

2.5.1 Phương trình và giả định

Một trong những phương trình phổ biến nhất để ước tính lưu lượng đỉnh là phương trình Rational:

trong đó:

Q = Lưu lượng đỉnh của dòng chảy, đơn vị m³/s (ft³/s).
C = Hệ số dòng chảy không thứ nguyên, phụ thuộc vào đặc điểm bề mặt của lưu vực.
i = Cường độ mưa trung bình (mm/h hoặc in/hr), ứng với tần suất thiết kế đã chọn và thời gian kéo dài bằng thời gian tập trung.
A = Diện tích lưu vực góp nước đến điểm thiết kế, đơn vị hecta (ha) (acres).
K_u = 360 (hệ số đơn vị, giá trị bằng 1 khi sử dụng đơn vị hệ thống đo lường Anh).

Rational Method (phương pháp tỷ lệ) giả định rằng nếu một trận mưa có cường độ đều (i) xảy ra trên một khu vực có diện tích (A), thì lưu lượng dòng chảy tối đa tại cửa ra của khu vực thoát nước sẽ đạt được khi toàn bộ khu vực đều đóng góp dòng chảy; lúc đó, lưu lượng dòng chảy sẽ trở nên không đổi. Thời gian tập trung (time of concentration, t_c) là khoảng thời gian cần thiết để dòng chảy từ điểm xa nhất (điểm có thời gian dòng chảy dài nhất) trong khu vực thoát nước đến được cửa ra.

Trên thực tế, dòng chảy mặt phức tạp hơn nhiều so với những gì phương pháp tỷ lệ mô tả. Cường độ mưa hiếm khi đồng đều trên một khu vực có diện tích đáng kể hoặc kéo dài trong một khoảng thời gian dài trong cùng một trận mưa. Ngay cả khi một trận mưa có cường độ đều, kéo dài đúng bằng thời gian tập trung, xảy ra trên toàn bộ khu vực thoát nước, thì lưu lượng dòng chảy ở các phần khác nhau của khu vực vẫn có sự khác biệt do đặc điểm bề mặt đất và điều kiện mưa không đồng nhất.

Trong một số trường hợp, lưu lượng dòng chảy cực đại có thể xảy ra trước khi toàn bộ khu vực thoát nước đóng góp dòng chảy (xem Mục 2.5.6). Hiện tượng lưu trữ tạm thời của nước mưa trên đường chảy vào các kênh thoát nước chính và ngay trong các kênh này có thể làm giảm đáng kể lưu lượng đỉnh, ngoại trừ ở những khu vực rất nhỏ. Sai số trong ước tính sẽ tăng lên khi diện tích thoát nước tăng. Do đó, phương pháp tỷ lệ không nên được sử dụng để xác định lưu lượng dòng chảy cho các lưu vực lớn.

Khi thiết kế các công trình thoát nước đường bộ, phạm vi áp dụng của phương pháp tỷ lệ nên được giới hạn cho các khu vực có diện tích nhỏ hơn 80 ha (0.8km² hoặc 200 mẫu Anh).

Tóm lại: Các giả định khi sử dụng Rational Method

Lưu lượng đỉnh xảy ra khi toàn bộ lưu vực đều đóng góp dòng chảy.
Cường độ mưa là đồng nhất trong khoảng thời gian bằng thời gian tập trung, tức là khoảng thời gian cần thiết để nước chảy từ điểm thủy lực xa nhất đến cửa ra hoặc điểm quan tâm. Lưu ý rằng điểm thủy lực xa nhất được xác định theo thời gian chứ không nhất thiết theo khoảng cách.
Tần suất của lưu lượng đỉnh tính toán bằng tần suất của cường độ mưa. Nói cách khác, cường độ mưa trong chu kỳ 10 năm được giả định sẽ tạo ra trận lũ trong chu kỳ 10 năm.

2.5.2 Hệ số dòng chảy

Hệ số dòng chảy (C) trong công thức Rational là tỷ số giữa lưu lượng dòng chảy và lượng mưa với cường độ trung bình (ii) khi toàn bộ khu vực thoát nước đều đóng góp dòng chảy.

Hệ số dòng chảy thường được lập bảng dựa trên điều kiện sử dụng đất; tuy nhiên, nó cũng phụ thuộc vào độ dốc địa hình, cường độ mưa, khả năng thấm và các yếu tố thất thoát khác. Dải giá trị của CC trong Bảng B.1 (Phụ lục B) có tính đến ảnh hưởng của độ dốc đất và sự khác biệt về tính thấm đối với cùng một loại mặt phủ. Đối với khu vực có địa hình bằng phẳng và đất có tính thấm cao, nên sử dụng giá trị CC thấp hơn.

Khi khu vực thoát nước có nhiều loại hình sử dụng đất khác nhau, hệ số dòng chảy có thể được tính theo trung bình trọng số dựa trên diện tích của từng loại mặt phủ (xem Ví dụ 2.1). Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp Rational cao hơn khi đặc điểm sử dụng đất tương đối đồng nhất trên toàn khu vực.

Ví dụ

Cho: Một kênh chân dốc thu gom dòng chảy từ mặt đường và một lưu vực liền kề. Khu vực thoát nước có mặt cắt ngang tương đối đồng nhất như sau:

3,5 m mặt đường bê tông
8 m kênh có cỏ trên nền đất cát
60 m lưu vực có rừng bao phủ

Chiều dài khu vực: 125 m.

Tìm: Hệ số dòng chảy

Lời giải:

Loại bề mặt	C (Table B.1)	Area (hectare)	CA (hectare)
Mặt bê tông	0.95	0.043	0.041
Kênh cỏ	0.10	0.100	0.010
Rừng	0.30	0.750	0.225
CỘNG		0.900	0.276

Hệ số dòng chảy trung bình trọng số: $$ C_{tb}=\frac{0.276}{0.9}=0.31 $$

2.5.3 Thời gian tập trung

Thời gian tập trung (time of concentration, được định nghĩa trong Mục 2.5.1) thay đổi tùy theo kích thước và hình dạng lưu vực, độ dốc địa hình, loại bề mặt, cường độ mưa, và việc dòng chảy diễn ra dưới dạng dòng chảy tràn mặt đất (overland flow) hay dòng chảy kênh hóa (channelized flow).

Dòng chảy kênh hóa thường được chia thành dòng chảy tập trung nông (shallow concentrated flow) và dòng chảy tập trung (concentrated flow), từ đó xác định ba con đường dòng chảy chính:

Dòng chảy tràn mặt đất (Overland flow)
Dòng chảy tập trung nông (Shallow concentrated flow)
Dòng chảy tập trung (Concentrated flow)

Dòng chảy tràn mặt đất xuất hiện ở các vùng cao của lưu vực dưới dạng dòng chảy dạng tấm (sheet flow), thường có độ sâu từ 20 đến 30 mm (0,8 – 1,2 inch) hoặc nhỏ hơn. Dòng chảy này chỉ xảy ra trong một khoảng cách ngắn trước khi địa hình và đặc điểm bề mặt làm nó tập trung vào các rãnh nhỏ và vùng trũng.

Dòng chảy tập trung nông diễn ra trong các rãnh nhỏ (rills) và vùng trũng (swales) với độ sâu dòng chảy trong khoảng 40 đến 100 mm (1,6 – 3,9 inch).

Khi dòng chảy tiếp tục tích tụ, dòng chảy tập trung hình thành với khối lượng lớn hơn và sâu hơn trong các hệ thống kênh thoát nước tự nhiên hoặc nhân tạo như hẻm núi (gulleys), rãnh thoát nước (ditches), cống thoát nước mưa (storm drains), v.v.

Hình 2.3 minh họa sự phân chia điển hình của ba loại dòng chảy này từ đầu nguồn đến cuối lưu vực.

Việc xác định chuyển tiếp giữa dòng chảy tràn mặt đất và dòng chảy tập trung nông không phải lúc nào cũng rõ ràng. Nếu không có bằng chứng thực địa về sự xuất hiện của các rãnh nhỏ hay điều kiện dòng chảy tập trung, có thể giả định hợp lý rằng chiều dài tối đa của dòng chảy tràn mặt đất là 130 m (400 ft).

Hình 2.3 Phân chia dòng chảy tràn mặt đất, dòng chảy tập trung nông và dòng chảy tập trung.

Thời gian tập trung là tổng của thời gian di chuyển qua cả ba con đường dòng chảy. Việc xác định thời gian tập trung với độ chính xác tuyệt đối là không cần thiết, đặc biệt đối với thiết kế các công trình thoát nước cho khu vực nhỏ. Tuy nhiên, do lưu lượng đỉnh (QQ) thường khá nhạy cảm với thời gian tập trung, cần phải cẩn thận để đảm bảo giá trị được sử dụng là hợp lý.

Theo hướng dẫn chung, nếu tổng thời gian tập trung nhỏ hơn 5 phút, nên sử dụng giá trị tối thiểu 5 phút để ước tính lưu lượng thiết kế.

Trong dòng chảy kênh hóa, thời gian di chuyển thường được ước tính dựa trên dữ liệu thủy lực cơ bản theo công thức: $$t=\frac{khoảng\;cách}{vận\;tốc}$$

Vận tốc trong dòng chảy tập trung nông có thể được ước tính từ Hình 2.4

Trong dòng chảy tập trung, vận tốc thường được xác định bằng phương trình Manning, dựa trên điều kiện đầy ống đối với cống thoát nước mưa hoặc điều kiện đầy bờ đối với kênh thoát nước.

Đối với dòng chảy tràn mặt đất, phương pháp vật lý chính xác nhất để xác định thời gian di chuyển dựa trên lý thuyết sóng động học (kinematic wave theory) (McCuen et al., 2002):

trong đó:

t = Thời gian (phút)
L = Chiều dài dòng chảy tràn mặt đất, m (ft)
n = Hệ số nhám Manning
i = Cường độ mưa, mm/h (in/hr)
S = Độ dốc trung bình của khu vực dòng chảy tràn mặt đất, m/m (ft/ft)
K_u = Hệ số thực nghiệm, bằng 6.92 (0.933 trong đơn vị Anh)

Giải phương trình này cần lặp lại vì cả thời gian tập trung và cường độ mưa đều chưa biết. Khi áp dụng phương trình này cho dòng chảy tràn mặt đất trên bãi cỏ, giá trị n nên được chọn khá lớn (ví dụ: 0.5). Điều này là cần thiết để phản ánh độ nhám tương đối lớn do nước chảy xuyên qua lớp cỏ thay vì chỉ chảy trên bề mặt, so với điều kiện dòng chảy trong kênh.

Đối với bề mặt được lát cứng, giá trị n phù hợp thường nằm trong khoảng giá trị tiêu chuẩn dành cho bề mặt nhẵn (ví dụ: 0.016).

Bảng B.2, phần “Dòng chảy tràn mặt đất và dòng chảy tấm” (Overland Flow and Sheet Flow, Phụ lục B), cung cấp các giá trị n điển hình để sử dụng trong phương trình này. HDS-2 (McCuen et al., 2002) minh họa cách sử dụng phương trình này trong thực tế.

**Hình 2.4. Vận tốc trung bình để ước tính thời gian di chuyển trong dòng chảy tập trung nông theo đơn vị SI (theo SCS, 1986).**

2.5.4 Cường độ mưa

Dữ liệu về cường độ mưa – tần suất có sẵn như đã thảo luận trong Mục 2.4. Khi đã xác định được thời gian tập trung, có thể xác định cường độ mưa tương ứng từ đường cong cường độ – thời gian – tần suất (intensity-duration-frequency curve).

Khi tổng lượng mưa được cung cấp, giá trị này sẽ được chuyển đổi thành cường độ mưa để sử dụng trong Rational Method bằng cách chia tổng lượng mưa cho thời gian mưa (tính theo giờ).

2.5.5 Diện tích lưu vực thoát nước

Diện tích lưu vực thoát nước, tính bằng hectare (acre), là khu vực đóng góp dòng chảy đến điểm cần xem xét. Diện tích này có thể được đo trên bản đồ địa hình hoặc xác định trực tiếp tại hiện trường.

Nếu cần khảo sát thực địa để xác định diện tích lưu vực, cũng nên ghi nhận các dữ liệu cần thiết để tính thời gian tập trung và hệ số dòng chảy.

2.5.6 Tính toán lưu lượng thiết kế cho các lưu vực thoát nước phức tạp

Trong một số trường hợp, lưu lượng dòng chảy cực đại có thể đạt được từ cường độ mưa cao hơn trong khoảng thời gian ngắn hơn thời gian tập trung của toàn bộ lưu vực, ngay cả khi chỉ một phần lưu vực đóng góp dòng chảy.

Điều này có thể xảy ra khi một phần của lưu vực có bề mặt không thấm nước cao (như mặt đường bê tông) và có thời gian tập trung ngắn, trong khi phần còn lại có bề mặt thấm nước và thời gian tập trung dài hơn nhiều.

Tuy nhiên, trừ khi diện tích hoặc thời gian tập trung của các phần lưu vực quá chênh lệch, việc kiểm tra lưu lượng đỉnh chỉ từ một phần của lưu vực là không cần thiết vì độ chính xác của phương pháp không đủ để đảm bảo điều này.

Điều này đặc biệt đúng đối với các khu vực thoát nước nhỏ liên quan đến hệ thống thoát nước mặt đường bộ.

Ví dụ

Cho:

Diện tích đóng góp dòng chảy như mô tả trong Ví dụ 2.1.
Hệ số dòng chảy trung bình trọng số: C=0.31.
Độ dốc lưu vực: 0.5%.
Độ dốc kênh thoát nước: 0.6%.
Sử dụng đường cong IDF (Hình 2.2) để xác định cường độ mưa dựa trên thời gian tập trung.

Hỏi: lưu lượng tại cửa thu nước mưa gần cuối kênh thoát nước ven đường bằng Rational Method.

Giải:

Chiều dài kênh: 125 m.
Thời gian di chuyển của dòng chảy trong kênh được ước tính dựa trên vận tốc trung bình và quãng đường di chuyển.
Dòng chảy trong kênh có thể chia thành dòng chảy tập trung nông và dòng chảy tập trung, nhưng do chiều rộng kênh lớn và diện tích lưu vực nhỏ, có thể giả định toàn bộ kênh có dòng chảy tập trung nông.
Theo Hình 2.4, vận tốc trung bình trên bề mặt không lát cứng với dòng chảy tập trung nông là 0.39 m/s khi độ dốc S = 0.006.

Tính thời gian di chuyển trong kênh:

$$t_{\text{kênh}} = \frac{125}{0.39} = 321 \text{ giây} = 5 \text{ phút}$$

Thời gian di chuyển của dòng chảy tràn mặt đất được tính theo Phương trình 2.2.

Chiều dài dòng chảy tràn mặt đất: 60 m
Hệ số nhám Manning cho dòng chảy tràn mặt đất: n=0.50
Độ dốc (S): 0.005 m/m

Cường độ mưa cần được lấy theo toàn bộ lưu vực và phụ thuộc vào thời gian tập trung. Do đó, đây là một quá trình lặp, trong đó cần tính cả thời gian di chuyển trong kênh đã được xác định trước đó.

Lặp 1: Giả sử thời gian di chuyển của dòng chảy tràn mặt đất là 60 phút.

Thời gian tập trung (t_c) cho toàn bộ lưu vực khi đó là: t_c=60+5=65 phút

Từ Hình 2.2, cường độ mưa (i) tương ứng là khoảng 27 mm/h.

$$t=6.92\left[\frac{0.5^{0.6}\;60^{0.6}}{27^{0.4}\;0.005^{0.3}}\right]=70\;phút$$

Vì kết quả này không bằng thời gian di chuyển của dòng chảy tràn mặt đất đã giả định ban đầu, nên cần thực hiện lần lặp thứ hai.

Lặp 2: Sử dụng thời gian tính toán mới: t_c = 70 + 5 = 75 phút

Từ Hình 2.2, cường độ mưa (i) tương ứng khoảng 24 mm/h.

$$t=6.92\left[\frac{0.5^{0.6}\;60^{0.6}}{24^{0.4}\;0.005^{0.3}}\right]=73\;phút$$

Và cần thực hiện lần lặp thứ ba.

Lặp 3: Sử dụng thời gian tính toán mới: t_c = 73 + 5 = 78 phút

Từ Hình 2.2, cường độ mưa (i) tương ứng khoảng 23 mm/h.

$$t=6.92\left[\frac{0.5^{0.6}\;60^{0.6}}{23^{0.4}\;0.005^{0.3}}\right]=74\;phút$$

Điều này đủ chính xác và quá trình tính toán thời gian di chuyển của dòng chảy tràn mặt đất đã hoàn thành.

Dựa trên đường cong IDF, cường độ mưa tương ứng với thời gian tập trung tính toán mới (74+5=79 phút) là khoảng 23 mm/h.

Áp dụng phương trình Rational Method, lưu lượng dòng chảy tính toán tại cửa ra của kênh là:

$$Q=\frac1{360}CiA=\frac1{360}\ast0.31\ast23\ast0.9=0.018\;phút$$

Như đã thảo luận trong Mục 2.5.6, ví dụ này minh họa một tình huống trong đó lưu lượng dòng chảy cao hơn có thể xảy ra chỉ từ khu vực mặt đường (do có thời gian tập trung ngắn hơn) so với lưu lượng tính toán cho toàn bộ khu vực thoát nước.

Do đó, việc thực hiện một phép tính thay thế để đánh giá điều kiện này là hợp lý.

2.6 Phương pháp hồi quy (Regression)

Chú Giải

Mục 2.6 này là nội dung ở Mỹ! được dịch sang tiếng việt với mục đích tham khảo

2.6.1 Tổng quan về phương pháp hồi quy

Phương trình hồi quy khu vực thường được sử dụng để ước tính lưu lượng đỉnh tại các vị trí không có trạm đo hoặc các địa điểm có dữ liệu không đầy đủ. Các phương trình này liên hệ lưu lượng đỉnh ứng với một chu kỳ tái xuất hiện nhất định với đặc điểm địa hình, thủy văn và khí tượng của lưu vực.

Mối quan hệ hồi quy chủ yếu dựa trên dữ liệu đo thực tế, nhưng cũng có thể bao gồm các ước tính lưu lượng tính toán bằng phương pháp phân tích như một phần của cơ sở dữ liệu được sử dụng để phát triển phương trình.

Các phương trình hồi quy đã được xây dựng cho cả khu vực nông thôn và đô thị, theo từng bang riêng lẻ hoặc theo các vùng thủy – địa lý có thể vượt qua ranh giới giữa các bang.

2.6.2 Phương trình hồi quy cho khu vực nông thôn

Trong một loạt nghiên cứu do USGS (Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ) phối hợp với Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang (FHWA) và nhiều cơ quan khác thực hiện, các phương trình hồi quy theo từng bang đã được phát triển trên toàn nước Mỹ.

Các phương trình này cho phép ước tính lưu lượng đỉnh ứng với các chu kỳ tái xuất hiện từ 2 đến 500 năm. Thông thường, mỗi bang được chia thành các vùng có đặc điểm thủy văn, khí hậu và địa hình tương đồng, được xác định dựa trên các phương pháp thống kê khác nhau.

Bằng cách kết hợp dữ liệu đo thực tế với các mô hình mô phỏng mưa – dòng chảy, các chuỗi số liệu dài hạn về lưu lượng đỉnh hàng năm đã được tổng hợp cho từng lưu vực trong mỗi khu vực xác định. Sau đó, phân tích tần suất được thực hiện trên từng chuỗi số liệu để xác định lưu lượng đỉnh tương ứng với mỗi chu kỳ tái xuất hiện.

Phân tích hồi quy đa biến giữa lưu lượng đỉnh và các biến thủy văn, khí hậu, địa hình liên quan đã được sử dụng để xây dựng các phương trình hồi quy dùng để xác định lưu lượng đỉnh.

Bộ phương trình hồi quy thu được, được gọi là phương trình hồi quy nông thôn của USGS, chủ yếu được phát triển cho các lưu vực tự nhiên, không bị điều tiết và chưa bị đô thị hóa.

Các thảo luận về độ chính xác của phương trình và những hạn chế khi áp dụng được trình bày trong HDS-2 (McCuen et al., 2002).

2.6.3 Phương trình hồi quy cho khu vực đô thị

Để ước tính lưu lượng đỉnh trong khu vực đô thị, các phương trình đã được phát triển nhằm điều chỉnh giá trị lưu lượng đỉnh nông thôn được tính theo phương pháp đã mô tả trước đó.

Đối với một chu kỳ tái xuất hiện nhất định, một phương trình hồi quy bảy tham số đã được xây dựng để áp dụng trên toàn quốc. Các phương trình này được phát triển cho các trận lũ 2, 5, 10, 25, 50, 100 và 500 năm.

Bảy tham số trong phương trình hồi quy đô thị:

Diện tích lưu vực thoát nước
Độ dốc kênh chính
Cường độ mưa 2 năm
Phần trăm diện tích lưu vực có hồ chứa hoặc vùng trũng lưu giữ nước
Chỉ số phát triển lưu vực (BDF – Basin Development Factor)
Phần trăm diện tích lưu vực có bề mặt không thấm nước
Lưu lượng đỉnh nông thôn tương đương với chu kỳ tái xuất hiện đã cho

Trong số các biến này, chỉ số phát triển lưu vực (BDF) được xác định là yếu tố quan trọng nhất trong việc mô tả tác động của đô thị hóa.

Chỉ số phát triển lưu vực (BDF)

BDF có giá trị từ 0 đến 12, được xác định dựa trên mức độ can thiệp của con người vào lưu vực thoát nước.
Các yếu tố ảnh hưởng đến BDF bao gồm:
- Cải tạo kênh thoát nước
- Lót kênh bằng bê tông hoặc vật liệu nhân tạo
- Hệ thống thoát nước mưa
- Đường có lề và rãnh thoát nước

Một thảo luận chi tiết về phương pháp này được trình bày trong HDS-2 (McCuen et al., 2002).

2.6.4 Chương trình Thống kê Dòng chảy Quốc gia (NSS)

Do sự phổ biến của các phương trình hồi quy khác nhau, USGS đã tổng hợp tất cả các phương trình hồi quy cấp bang và khu vực đô thị vào một chương trình máy tính có tên là National Streamflow Statistics (NSS).

Chương trình NSS cung cấp các chức năng sau:

Tóm tắt các phương trình hồi quy cấp bang dành cho lưu vực nông thôn ở từng bang.
Tóm tắt các phương trình hồi quy áp dụng cho khu vực đô thị, bao gồm cả phương trình cấp bang và khu vực đô thị cụ thể.
Mô tả phần mềm dùng để thực hiện các tính toán này.
Cung cấp thông tin tham khảo và dữ liệu đầu vào cần thiết để chạy chương trình máy tính.

Ngoài ra, chương trình NSS cũng có thể ước tính các đồ thị thủy văn lũ điển hình tương ứng với một giá trị lưu lượng đỉnh nhất định, theo các quy trình được mô tả trong NSS.