ICOLD Bullentin 170 - HƯỚNG DẪN VỀ ĐÁNH GIÁ LŨ VÀ AN TOÀN ĐẬP [Bài 3: Biểu đồ mưa]
29/10/2025 08:44
1.1 Biểu đồ mưa thiết kế
Trong thiết kế thủy văn, thay vì chỉ sử dụng tổng lượng mưa, người ta thường cần đến phân bố lượng mưa theo thời gian. Do đó, các bài toán thiết kế đòi hỏi dữ liệu đầu vào phải được biểu diễn dưới dạng biểu đồ mưa (hyetograph), phản ánh sự thay đổi cường độ mưa theo thời gian..
1.1.1 Lượng mưa thiết kế
· Phân tích tần suất mưa
Mục tiêu chính của phân tích tần suất mưa là thiết lập mối quan hệ giữa cường độ của các sự kiện mưa cực đoan và tần suất xuất hiện của chúng. Độ tin cậy của kết quả phân tích phụ thuộc vào giả định rằng không có tác động bên ngoài nào làm thay đổi tính đồng nhất thống kê cũng như tính độc lập của các biến liên quan. Sau khi tiến hành các kiểm tra sơ bộ về tính ngẫu nhiên, tính độc lập và tính đồng nhất của chuỗi số liệu mưa, chu kỳ lặp lại (Return Period, T) có thể được xác định dựa trên xác suất để lượng mưa, X, vượt quá hoặc bằng một giá trị ngưỡng xT (Chow, V.T. et al., 1988; Maidment, 1993).
(1.1)
· Mối quan hệ Cường độ-Thời gian-Tần suất mưa
Một phương pháp phổ biến để xác định mưa thiết kế là sử dụng mối quan hệ giữa cường độ mưa (hoặc lượng mưa), thời gian mưa và tần suất xuất hiện (chu kỳ lặp lại), được hiệu chỉnh cho phù hợp với đặc trưng công trình và khu vực cụ thể. Cách tiếp cận này dựa trên việc ước lượng các kịch bản bất lợi nhất về cường độ và thời gian mưa trong một khoảng thời gian xác định.
1. Chọn khoảng thời gian D cho bão thiết kế.
2. Thu thập dữ liệu lượng mưa cực trị: lấy giá trị lượng mưa tối đa hàng năm ứng với khoảng thời gian D từ chuỗi số liệu quan trắc trong n năm.
3. Xác định phân phối xác suất: phân tích chuỗi lượng mưa cực trị để lựa chọn phân phối xác suất phù hợp và ước tính các tham số đặc trưng (giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, v.v.).
4. Tính toán lượng mưa thiết kế: xác định lượng mưa thiết kế trong D giờ ứng với các chu kỳ lặp lại T khác nhau từ phân phối xác suất đã chọn.
5. Tính toán cường độ mưa trung bình (lượng mưa chia cho thời gian bão)
6. Lặp lại các bước 1 đến 5 cho nhiều khoảng thời gian bão thiết kế khác nhau.
7. Xây dựng các đường cong I-D-F.
Hình 1.1 Đường cong I-D-F
· Ước tính lượng mưa khu vực
Đối với thiết kế thủy văn đối với các khu vực lớn hơn vài km², cần xác định độ sâu lượng mưa trung bình trên toàn bộ diện tích lưu vực. Các phương pháp nội suy (mở rộng) lượng mưa tại điểm bao gồm:
- Phương pháp trung bình cộng
Phương pháp đơn giản này tính lượng mưa trung bình khu vực (MAP) bằng cách cộng tổng lượng mưa thiết kế tại mỗi trạm rồi chia cho số lượng trạm. Phương pháp này cho kết quả giá trị MAP hợp lý, với điều kiện lượng mưa tại mỗi trạm không chênh lệch quá 10%.
- Phương pháp đa giác Thiessen
Phương pháp đa giác Thiessen thường được sử dụng trong thủy văn khí tượng để xác định lượng mưa khu vực trên một lưu vực khi có nhiều trạm đo mưa. Ý tưởng cơ bản là chia lưu vực thành nhiều đa giác nhỏ. Mỗi khu vực con được xác định bằng diện tích được giới hạn bởi các đường phân giác vuông góc nằm giữa các trạm đo và các trạm xung quanh nó (Hình 1.2).
(1.2)
- Phương pháp khoảng cách nghịch đảo
Phương pháp khoảng cách nghịch đảo về nguyên tắc cũng đơn giản như phương pháp Thiessen, nhưng dễ thực hiện hơn. Phương pháp này dựa trên giả định rằng lượng mưa tại bất kỳ điểm nào đều chịu ảnh hưởng của tất cả các trạm trong khu vực, mỗi trạm được gán trọng số bằng nghịch đảo của một lũy thừa khoảng cách từ điểm đó đến trạm.
(1.3)
- Phương pháp đường đẳng mưa
Phương pháp đẳng lượng mưa bao gồm việc vẽ các đường đẳng lượng mưa hay đường có cùng lượng mưa, bằng cách nội suy giữa các giá trị đo được tại các trạm đo mưa. Phương pháp này có thể được áp dụng theo Phương trình (1.2).
Hình 1.4 Phương pháp đường đẳng mưa
Bảng 1.1 Các phương pháp ước tính lượng mưa trong khu vực (Dingman, 2002)
Phương pháp | Nguồn |
Phương pháp bề mặt đa thức | Tabios & Salas (1985) |
Phương pháp PRISM | Daly & Taylor (1996) |
Phương pháp bề mặt spline | Creutin & Obled (1982), Lebel et al. (1987) |
Phương pháp nội suy đa bình phương | Shaw (1988) |
Phương pháp nội suy tối ưu / Phương pháp Kriging | Creutin & Obled (1982), Tabios & Salas (1985) Lebel et al. (1986) |
Phương pháp hàm trực giao thực nghiệm | Creutin & Obled (1982) |
· Hệ số giảm diện tích
Việc hiệu chỉnh lượng mưa từ giá trị thiết kế tại một điểm sang độ sâu mưa trung bình trên toàn lưu vực là bước quan trọng để đảm bảo thiết kế công trình thủy lợi vừa an toàn vừa kinh tế. Lượng mưa thiết kế tại một điểm được xác định theo thời đoạn và tần suất nhất định, trong khi độ sâu mưa hiệu quả cho lưu vực có thể được tính bằng cách nhân giá trị này với hệ số giảm diện tích (ARF) (Asquith, 1999).
Hình 1.5 Hệ số giảm diện tích
Hệ số giảm diện tích (ARF) có thể được xác định bằng hai phương pháp, đó là ARF tập trung theo cơn bão (storm-centered ARF) và ARF trên diện tích cố định (fixed-area ARF). ARF tập trung theo cơn bão xác định dựa trên cường độ mưa của các đường đẳng lượng mưa (isohyets) của các sự kiện bão cụ thể, đại diện cho tỉ lệ giữa độ sâu mưa trung bình trên một khu vực (được xác định bởi các đường đẳng lượng mưa) và độ sâu mưa cực đại tại tâm bão. ARF trên diện tích cố định được xác định bằng cách so sánh lượng mưa tại điểm với lượng mưa trung bình trên một lưu vực có vị trí cố định. Phương pháp này thường được thực hiện bằng cách: (i) xây dựng chuỗi thời gian lượng mưa trung bình trên lưu vực từ dữ liệu tại tất cả các trạm đo mưa, (ii) tiến hành phân tích giá trị cực đoan tương tự như khi xây dựng đường cong IDF tại điểm, và (iii) liên hệ cường độ mưa trung bình trên lưu vực với lượng mưa tại điểm cho cùng chu kỳ lặp lại và cùng thời đoạn mưa (Svensson và David, 2010).
1.1.2 Lượng mưa cực đại có thể xảy ra (PMP)
Lượng mưa cực đại có thể xảy ra (PMP) được Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO, 2009) định nghĩa là “độ sâu lượng mưa lớn nhất có thể xảy ra về mặt khí tượng trong một khoảng thời gian nhất định đối với một lưu vực thiết kế hoặc một khu vực bão cụ thể tại một vị trí nhất định, vào một thời điểm nhất định trong năm, không tính đến các xu hướng khí hậu dài hạn.
· Phương pháp thủy khí tượng
Phương pháp thủy khí tượng ước tính lượng mưa cực đại có thể xảy ra (PMP) dựa trên lượng mưa trung bình lưu vực, hệ số tối đa hóa độ ẩm, chuyển vị trí cơn bão và hệ số ảnh hưởng địa hình. PMP được ước tính theo phương trình sau.
𝑃𝑀𝑃 = 𝑂𝑃 ∙ 𝑅𝐼𝑃 ∙ 𝑅𝐻𝑇 ∙ 𝑅𝑉𝑇 ∙ 𝑅𝐺𝐹 (1.4)
trong đó: 𝑂𝑃 = Lượng mưa trung bình trên lưu vực do chuyển vị bão cực đoan;
𝑅𝐼𝑃 = Hệ số tối đa hóa độ ẩm;
𝑅𝐻𝑇 = Hệ số chuyển vị ngang;
𝑅𝑉𝑇 = Hệ số chuyển vị theo chiều cao;
𝑅𝐺𝐹 = Hệ số ảnh hưởng của địa hình.
· Phương pháp đường bao lượng mưa cực đại
Phương pháp đường bao yêu cầu lựa chọn cơn bão có lượng mưa cực đại, đã được tối đa hóa trong một khoảng thời gian nhất định, để xây dựng giới hạn trên của lượng mưa có thể xảy ra. Hình 1.6 minh họa các trận mưa cực đoan lớn nhất trên thế giới, được sử dụng trong nghiên cứu của Wang và cộng sự (2006) nhằm ước tính PMP.
Hình 1.6 Những trận mưa điểm lớn nhất từng được ghi nhận trên thế giới (Wang và cộng sự, 2006)
· Phương pháp thống kê
Phương pháp thống kê để ước tính lượng mưa cực đại có thể xảy ra (PMP) được xây dựng bởi Hershfield (1962). Phương pháp này được sử dụng rộng rãi khi có đủ bộ dữ liệu lượng mưa
PMP (mm) = 𝑃̅ + 𝐾 ∙ 𝑆 (1.6)
Trong đó, 𝑃̅ và 𝑆 lần lượt là giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của lượng mưa cực đại hàng năm. 𝐾 bằng 12 khi có đủ bộ dữ liệu, và bằng 15 khi bộ dữ liệu không đủ. Cần thận trọng khi ngoại suy các cơn mưa đã quan sát nhằm tránh sai lệch.
· Mô hình bão
Việc ứng dụng mô hình bão đặc biệt hữu ích trong những trường hợp dữ liệu lượng mưa không đầy đủ hoặc không mang tính đại diện, cũng như khi địa hình phức tạp gây ảnh hưởng đến phân bố mưa. Ví dụ, mô hình tế bào đối lưu là một trong các mô hình cơn bão và là mô hình phù hợp cho mưa giông (Wiesner, 1970). Mô hình cơn bão được khuyến nghị sử dụng khi khu vực nghiên cứu có diện tích lớn.
· Biểu đồ PMP tổng quát
Báo cáo Thủy khí tượng số 51 của Cục Khí tượng Quốc gia Hoa Kỳ cho biết rằng các biểu đồ PMP tổng quát được sử dụng phổ biến nhất ở khu vực phía đông kinh tuyến 105° của Hoa Kỳ. Các bản đồ này cung cấp giá trị độ sâu PMP cho bất kỳ thời điểm nào trong năm, được xác định theo diện tích cơn bão (từ 10 đến 20.000 dặm vuông) và thời gian mưa (từ 6 đến 72 giờ) (Chow, V.T. et al., 1988).
1.1.3 Biểu đồ mưa thiết kế
Phân bố thời gian của lượng mưa thiết kế được xác định thông qua biểu đồ mưa thiết kế. Biểu đồ này có thể được xây dựng bằng nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như phương pháp Huff, phương pháp biểu đồ mưa tam giác, hoặc phương pháp khối xen kẽ. Lượng mưa thiết kế (hay cơn bão thiết kế) là mô hình lượng mưa được xác định để phục vụ cho thiết kế hệ thống thủy văn, đóng vai trò nguồn dữ liệu đầu vào quan trọng trong quá trình mô phỏng và tính toán.
· Phân bố Huff
Phương pháp Huff phân bố lượng mưa dựa trên đường cong khối lượng phi chiều, được xây dựng thông qua phân tích thống kê các cơn bão (Huff, 1967). Các cơn bão được phân thành bốn nhóm (Hình 1.7) dựa trên các tứ phân vị của phân bố thời gian mưa. Để áp dụng phương pháp này cho một khu vực cụ thể, cần phân tích các đặc tính thống kê của phân bố thời gian các cơn bão nhằm lựa chọn tứ phân vị phù hợp. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phương pháp Huff được phát triển tại khu vực đông-tây trung tâm Illinois (Akan & Houghtalen, 2003), nên khi áp dụng ở các vùng khác, cần kiểm tra tính thích hợp của phân bố.
· Phương pháp biểu đồ mưa tam giác
Phương pháp này giả định rằng biến thiên thời gian của cường độ mưa có dạng tam giác như minh họa trong Hình 1.8. Hình tam giác là một dạng đơn giản cho biểu đồ mưa thiết kế. Khi độ sâu mưa thiết kế 𝑃 và tổng thời gian 𝑇𝑑 đã biết, thì chiều dài đáy và chiều cao của tam giác được xác định. Chiều dài đáy là 𝑇𝑑 và chiều cao là h, do đó tổng độ sâu mưa trong biểu đồ mưa được tính bằng công thức 𝑃 = 0.5𝑇𝑑ℎ (Chow và cộng sự, 1988).
(1.7)
Hình 1.9 Quy trình ước tính lượng mưa thiết kế
· Phương pháp khối xen kẽ
Phương pháp khối xen kẽ là một cách đơn giản để xây dựng biểu đồ mưa thiết kế dựa trên đường cong cường độ-thời gian-tần suất (IDF). Biểu đồ mưa thiết kế được tạo ra bằng phương pháp này xác định độ sâu mưa xảy ra trong n khoảng thời gian liên tiếp, mỗi khoảng có độ dài ∆𝑡, với tổng thời gian 𝑇𝑑 = 𝑛∆𝑡. Sau khi chọn chu kỳ lặp thiết kế, cường độ mưa được đọc từ đường cong IDF cho từng khoảng thời gian ∆𝑡, 2∆𝑡, 3∆𝑡, … và độ sâu mưa tương ứng được tính bằng tích của cường độ và thời gian. (Chow và cộng sự, 1988).
[Xem tiếp Bài 4: Đồ thị Lũ]