ICOLD Bullentin 170 - HƯỚNG DẪN VỀ ĐÁNH GIÁ LŨ VÀ AN TOÀN ĐẬP [Bài 6: Xác định lũ thiết kế]

Bài 6: Xác định lũ thiết kế

6.1 Lưu lượng đỉnh

Hiện có nhiều phương pháp để ước tính lưu lượng đỉnh và khối lượng dòng chảy từ các lưu vực đô thị. Một số phương pháp sử dụng các phương trình mô tả quá trình mưa–dòng chảy trực tiếp, trong khi các phương pháp khác dự đoán lưu lượng đỉnh bằng cách tương quan các lưu lượng dòng chảy với các đặc điểm cơ bản của lưu vực, như tổng diện tích, diện tích không thấm nước, độ dốc và các yếu tố khác (Viessman và Lewis, 2003).

· Phương pháp hợp lý

Phương pháp Hợp lý là một trong những phương pháp đơn giản nhất và nổi tiếng nhất được áp dụng thường xuyên trong thủy văn đô thị, mặc dù nó có những điểm mà không phải lúc nào cũng được đánh giá cao. Lưu lượng đỉnh được dự đoán bằng một phép nhân đơn giản giữa các tham số:

Phương pháp Hợp lý dựa trên giả định rằng lượng nước thất thoát là một phần không đổi của tổng lượng mưa, bất kể cường độ mưa hay điều kiện ẩm ban đầu của lưu vực. Đây là một giả định không hoàn toàn chính xác. Tuy nhiên, khi mức độ đô thị hóa tăng, giả định này trở nên hợp lý hơn. Do đó, nếu sử dụng phương pháp Hợp lý một cách cẩn thận, nó vẫn có thể đưa ra ước tính lưu lượng đỉnh đáng tin cậy (Bedient và Huber, 2002).

· Các phương pháp xác định lưu lượng đỉnh khác

Các phương pháp tính toán lưu lượng đỉnh cho các lưu vực nhỏ (vài nghìn mẫu Anh):

· Phương pháp SCS TP-149 

· Phương pháp lưu lượng đỉnh thiết kế FHWA HDS-2

· Công thức hồi quy Lưu lượng-Diện tích

· Công thức Cyprus creek

' Các phương trình hồi quy lưu lượng đỉnh theo vùng của USGS

Phương pháp lưu lượng đỉnh cho khu vực đô thị:

· Phương pháp lưu lượng đỉnh đồ họa SCS TR-55

' Phương trình hồi quy lưu lượng đỉnh đô thị của USGS

6.2 Thủy đồ thiết kế

Quy trình ước tính lưu lượng lũ thiết kế bao gồm các phương pháp xem xét lưu lượng lũ lịch sử hoặc dự báo để đưa ra ước tính phù hợp, và các phương pháp đánh giá các cơn bão gây ra lũ lụt, sau đó chuyển đổi các cơn bão thành lưu lượng lũ. Trong mỗi trường hợp, việc phân tích có thể dựa trên việc lựa chọn tần suất thiết kế và xác định lũ lụt liên quan, hoặc thiết kế dựa trên ước tính về cơn bão hoặc lũ lụt tối đa có thể xảy ra tại địa điểm (Viessman và Lewis, 2003).

· Phương pháp dựa trên dòng chảy

Đối với các khu vực có sẵn số liệu lưu lượng dòng suối hoặc nơi lưu lượng từ lưu vực khác có thể được chuyển đến vị trí thiết kế, cường độ lũ thiết kế có thể được ước tính trực tiếp từ lưu lượng dòng suối bằng bất kỳ phương pháp nào sau đây:

      1. Phân tích tần suất dòng chảy lũ tại vị trí thiết kế hoặc từ một lưu vực tương tự trong khu vực.

    2. Sử dụng các phương trình tần suất lũ khu vực thường được xây dựng từ phân tích hồi quy dữ liệu lũ đo đạc được.

       3. Kiểm tra dòng chảy và khu vực lũ để tìm dấu hiệu của những trận lũ lịch sử cao nhất và ước tính lưu lượng dòng chảy bằng cách đo mặt cắt ngang và độ dốc của dòng chảy.

· Phương pháp dựa trên lượng mưa

 Khi không có sẵn hoặc không đủ số liệu đo dòng chảy để ước tính lưu lượng dòng chảy, lũ thiết kế có thể được ước tính bằng cách đánh giá lượng mưa gây ra lũ, sau đó lượng mưa này được chuyển đổi thành dòng chảy. Các phương pháp điển hình bao gồm:

1. Thiết kế sử dụng cơn bão lớn nhất được ghi nhận tại địa điểm, bằng cách chuyển đổi lượng mưa thành dòng chảy.

2. Chuyển đổi một cơn bão lớn trong lịch sử sang một lưu vực tương tự khác trong khu vực.

3. Phân tích tần suất mưa và chuyển đổi cơn bão thiết kế thành dòng chảy.

  4. Sử dụng lượng mưa cực đại lý thuyết (PMP), hoặc một phần của PMP, dựa trên các phân tích khí tượng.

· Phương pháp sự kiện quan trọng

Do mức độ rủi ro cao đối với tính mạng và tài sản ở hạ lưu, thiết kế các công trình quan trọng thường đòi hỏi phải tính toán chính xác cho trường hợp lũ lụt phát sinh từ sự kết hợp khắc nghiệt nhất của các điều kiện khí tượng và thủy văn có thể xảy ra. Thay vì dựa trên một tần suất thiết kế hoặc chi phí kỳ vọng tối thiểu, các công trình kiểm soát lũ được thiết kế để có thể lưu trữ hoặc xả an toàn những trận bão và lũ cực đoan nhất. Các phương pháp thiết kế theo hướng này thường sử dụng kỹ thuật sự kiện quan trọng, bao gồm:

1. Ước tính lượng mưa cực đại có thể xảy ra (PMP) và xác định lưu lượng dòng chảy lũ liên quan bằng cách chuyển đổi lượng mưa thành dòng chảy.

2. Xác định lượng lũ cực đại có thể xảy ra (PMF) bằng cách xác định PMP và chuyển đổi nó thành lũ bằng cách áp dụng mô hình mưa-dòng chảy, bao gồm cả dòng chảy tuyết tan nếu có.

3. Kiểm tra khu vực lũ và suối để xác định bằng chứng lũ lụt lịch sử như vết nước cao, dấu vết đá trên cây hoặc bờ, đường phân mảnh, lời kể của cư dân địa phương, hoặc bằng chứng địa chất hoặc địa mạo.

4. Trong một số trường hợp, phương pháp sự kiện quan trọng bao gồm việc ước tính cường độ của sự kiện 500 năm bằng nhiều phương pháp tần suất hoặc gần đúng khác nhau. Thông thường, chẳng hạn như khi lập bản đồ ngập lụt, lũ 500 năm được ước tính là bội số của sự kiện 100 năm, dao động từ 1,5 đến 2,5, với 1,7 là phổ biến. Do thiếu số liệu dài hạn, ước tính dựa trên tần suất hiếm khi được sử dụng đối với các chu kỳ lặp lại vượt quá 500 năm.

Hình 1.24  Quy trình xác định đồ thị thủy văn thiết kế

Ghi chú: KW = Sóng động học, DW = Sóng khuếch tán, UH = Đồ thị đơn vị, GIUH = Đồ thị đơn vị tức thời hình thái học, Instance = Chuyển ngay lập tức sang ô lưới liền kề. Vận tốc phụ thuộc vào kích thước ô lưới và bước thời gian, H-Q = Hydro- Quebec, M = Muskingum, P-M = Penman-Monteith, P-T = Priestley-Taylor, K-J = Kristensen-Jensen, M-C = Muskingum-Cunge, St.V = Phương trình đầy đủ St. Venant

6.3 Khuyến nghị

Việc áp dụng các phương pháp và cách tiếp cận được trình bày trong chương này nhìn chung khá đơn giản. Người đọc được khuyến nghị tham khảo thêm các tài liệu liệt kê bên dưới để làm rõ những điểm còn cần suy nghĩ. Tuy nhiên, một số khuyến nghị quan trọng cần ghi nhớ khi làm việc với thủy văn bao gồm:

· Thủy văn không thể kiểm soát một cách đầy đủ nếu không tính đến tất cả các sự không chắc chắn và thiên lệch. Khi giải quyết một vấn đề thủy văn, nên cân nhắc nhiều phương pháp khác nhau và kết hợp chúng, ưu tiên chọn các phương pháp khác biệt rõ ràng nếu có thể.

· Nhà thủy văn nên tìm cách đạt được sự nhất quán hợp lý giữa các phương pháp áp dụng khác nhau, thay vì chỉ dựa vào một phương pháp duy nhất và cố gắng áp dụng nó đến từng chi tiết nhỏ nhất.

· Có những khó khăn vốn có trong việc định lượng chính xác các quá trình thủy văn, cùng với các sự không chắc chắn bổ sung do phương pháp ngoại suy (đặc biệt trong ước lượng lũ). Các đặc tính chính của lũ như lưu lượng đỉnh, thời gian kéo dài, thể tích không thể tránh khỏi nằm trong một phạm vi rộng các sự không chắc chắn. Việc sử dụng một số chữ số có ý nghĩa tối thiểu là đủ để biểu diễn các đại lượng này.

Các phương pháp trình bày trong chương này không bao quát tất cả thủy văn. Các phương pháp mới xuất hiện đều đặn; một số sử dụng cách tiếp cận đơn giản và sáng tạo, trong khi số khác dựa vào giải pháp số phức tạp. Những phương pháp mới có thể không trực quan như các phương pháp cổ điển, nhưng lại mang đến góc nhìn thú vị và đáng để các nhà thủy văn quan tâm.

[Xem tiếp bài 7: Xu hướng hiện nay trong đánh giá các trận lũ cực đoan]