Chơng 9. Những vấn đề thiết kế trong thuỷ văn học

ảnh: Trạm bơm nớc ma đô thị
9.1
Giới thiệu
Trong chơng này, các phơng pháp tính toán lợng ma và lợng dòng chảy thiết
kế đợc nhấn mạnh đối với những lu vực đô thị hoá nhỏ và rộng lớn. Cả các đờng
cong cờng độ - thời gian- tần suất (IDF) và các biểu đồ ma thiết kế đã đợc giới thiệu
sẽ đợc đề cập khá chi tiết. Trong phần 9.3 thiết kế trên lu vực nhỏ gồm cả việc
nghiên cứu phát triển phơng pháp phần tử hữu hạn áp dụng đối với loại hệ thống
cống tròn trên một phân khu (Ví dụ 9.2). Các phơng pháp thiết kế kích thớc của các
cống tròn và kênh dẫn sử dụng đờng lu lợng đơn vị gần nh đợc thiết kế theo
những giới hạn tiêu chuẩn đối với các khu vực đô thị. Ví dụ 9.3 mô tả một cách chi tiết
việc thiết kế kiểm soát lũ đối với một phân khu sử dụng mô hình HEC-1 với lợng trữ
khống chế và trữ lợng tràn (Ví dụ 9.4). Kết thúc chơng bằng một trờng hợp nghiên
cứu duy nhất trên đồng bằng ngập lũ sử dụng mô hình HEC-1 và HEC-2 phân tích và
thiết kế tại các vùng rừng, gần thành phố Houston, bang Texas.
545
9.2.
Lợng ma thiết kế
Các đờng cong IDF
Những lợng ma thiết kế đã đợc mô tả đầu tiên và chi tiết trong phần 5.6 và
phần 6.3, cùng với việc đề cập tới nguồn dữ liệu và sự lựa chọn một lợng ma thiết kế
đặc trng. Các đờng cong IDF quan hệ với cờng độ lợng ma, thời gian ma và một
chuỗi các chu kỳ khác nhau. Các ví dụ đặc trng về đờng cong IDF đối với các chu kỳ
từ 2 đến 100 năm đợc thể hiện trong hình 1.8 cho thành phố Houston, bang Texas, và
hình 6.5 cho thành phố Tallahassee, bang Florida. Các đờng cong IDF cũng đợc sử
dụng để xác lập biểu đồ ma lũ thiết kế tổng hợp khi cho thời gian và tần suất ma,
nh đợc mô tả trong ví dụ 6.4, hình E6.4 thể hiện kết quả trận ma thiết kế với chu
kỳ 5 năm thời gian ma 24 giờ đối với vùng Tallahassee, bang Florida. Trận ma thiết
kế 24 giờ thờng đạt giá trị 1 giờ ma lớn nhất tại giờ thứ 12. Giá trị ma 2 giờ tơng

ứng với tổng các giá trị tại giờ thứ 12 và 13, và giá trị ma 3 giờ tơng ứng với tổng giá
trị tại các giờ thứ 11, 12, 13, Đờng cong thiết kế tổng hợp ở thành phố Houston,
bang Texas, đối với các chu kỳ 10 năm và 100 năm, thời gian ma 24 giờ là tơng tự và
đợc mô tả trong hình 5.11. Trận ma thiết kế tổng hợp gặp phải điều kiện không
thuận lợi đó là trạng thái và thời gian ma có phần tuỳ ý (xem phần 6.3), nhng việc sử
dụng các đờng cong IDF để đa ra các trận ma tổng hợp là tơng đối đơn giản và
đ
ợc xác định tốt đối với nhiều vùng đô thị ở Mỹ.
Bảng 9.1 Các hệ số của phơng trình lợng ma
Khu vực c e f
Atlanta 97,5 0,83 6,88
Chicago 94,9 0,88 9,04
Cleveland 73,7 0,86 8,25
Denver 96,6 0,97 13,90
Houston 97,4 0,77 4,80
Los Angeles 20,3 0,63 2,06
Miami 124,2 0,81 6,19
New York 78,1 0,82 6,57
Santa Fe 62,5 0,89 9,10
St. Louis 104,7 0,89 9,44
Các đờng cong IDF cũng đợc biểu diễn theo một dạng phơng trình vì rằng
không thể đọc trên đồ thị IDF để xác định đợc cờng độ ma. Wenzel (1982) cung cấp
các hệ số từ một số thành phố của nớc Mỹ đối với phơng trình có dạng

fT
c
i
e
d
+

=
(9.1)
trong đó: i là cờng độ ma thiết kế (in/giờ).
T
d
là thời gian ma (phút).
546
c, e, và f là những hằng số đợc thể hiện trong bảng 9.1 với chu kỳ 10
năm đối với một vài thành phố nớc Mỹ. Vì vậy, trận ma thiết kế có chu kỳ 10 năm,
thời gian ma 20 phút đối với khu vực Denver là 3,0 in/giờ.
Tần suất ma thiết kế cho lu vực lớn
Một vấn đề thiết thực trong thiết kế thuỷ văn là việc tính toán tần suất ma thiết
kế đối với một số các trạm đo ma trên một lu vực rộng lớn. Vào ngày 17-18 tháng 5
năm 1989 xảy ra một trận ma lớn tập trung ở phần hạ lu sông Cypress Creek gần
thành phố Houston, bang Texas, kéo dài trên 24 giờ, nó đã gây ra một vùng ngập lụt
rộng lớn ở hạ lu lu vực. Theo ghi chép của 9 trạm đo đạc dòng chảy nằm trên hoặc
gần sông Cypress Creek hoạt động liên tục trong suất thời gian diễn ra sự kiện trên đã
cung cấp những số liệu về lợng ma và lu lợng dòng chảy. Vị trí các trạm này đợc
thể hiện trên hình 9.1 cùng với bản đồ đờng đẳng trị lợng ma xây dựng từ số liệu
lợng ma của trận ma tháng 5 năm 1989 (Harris County Flood Control District,
1991).

Hình 9.1. Bản đồ đờng đẳng trị lợng ma xây dựng từ số liệu lợng ma của trận ma tháng 5
năm 1989 (Harris County Flood Control District, 1991).
Điểm có tổng lợng ma lớn nhất trong 9 trạm với thời gian ma thay đổi từ 1 dến
24 giờ đợc thể hiện trong bảng 9.2. Từ đó có thể thấy rằng tổng lợng ma ở vùng
thợng lu ngã ba sông Little Cypress Creek không vợt quá chu kỳ 3 năm. Phía dới
của lu vực, quan trắc đợc chu kỳ thay đổi từ 10 đến 80 năm đối với thời gian ma 24
giờ. Lợng ma 24 giờ lớn nhất quan trắc đợc tại trạm 1140 nằm ở trung tâm hạ lu
lu vực, theo đó lợng ma là 12,11 in trên 24 giờ, lợng ma này có chu kỳ 80 năm.

Điểm hoặc các trạm đo ma phải đợc đặt sao cho phù hợp với diện tích lu vực để
tính toán các chu kỳ trung bình lu vực. Hình 9.2a thể hiện khái quát sự biến đổi của
547
đồ thị chiều sâu lớp nớc - diện tích trên nớc Mỹ đợc công bố bởi Cục thời tiết Mỹ. Đối
với vùng hạ lu sông Little Cypress Creek, chu kỳ lặp trung bình lu vực thay đổi từ 15
năm với lợng ma 12 giờ đến trên 100 năm đối với thời gian ma 30 phút và 1 giờ.
Trong khu vực này, chu kỳ lặp đối với thời gian ma 12 giờ đợc xác định là 60 năm, so
với chu kỳ lặp 80 năm tại trạm 1140. Số liệu ma quá khứ này có thể đợc sử dụng
trong mô hình HEC- 1 (xem phần 5.4 và 5.6) để mô phỏng đỉnh lũ thiết kế trên lu vực.
Bảng 9.2. Số liệu trận ma tháng 5 năm 1989 ở Cypress Creek
Thời đoạn ma
1 giờ 2 giờ 3 giờ 6 giờ 12 giờ 24 giờ 48 giờ
Số
trạm
Tên trạm
Độ
sâu
Chu
kỳ
Độ
sâu
Chu
kỳ
Độ
sâu
Chu
kỳ
Độ
sâu
Chu

kỳ
Độ
sâu
Chu
kỳ
Độ
sâu
Chu
kỳ
Độ
sâu
Chu
kỳ
760
San Jacinto
at US 59
2.55 2 3.7 5 5.21 20 6.14 15 8.92 40 12.59 100 12.59 50
1050
Spring at
Riley-Fussel
3.88 27 4.72 20 5.12 18 5.74 10 5.84 5 8.06 10 8.06 7
1120
Cypress at I-45
2.39 1 3.56 4 4.67 10 5.84 11 6.14 6 11.49 60 11.49 40
1140
Cyypress at
Stuebner Airline
3.93 30 5.3 45 5.97 45 7.09 30 7.69 20 12.11 80 12.11 50
1160
Cypress at

Grant
2.86 4 4.13 10 4.45 8 4.94 5 5.29 4 9.62 25 9.62 15
1170
Cypress at
Huffmeister
2.4 2 3.81 6 4.03 5 4.03 2 4.31 2 8.43 15 8.43 10
1180
Cypress at
Katy-Hockley
1.72 1.8 1.85 2.24 2.58 3.77 3.77
1190
Little Mound
at Betka
0.3 0.5 0.55 0.6 0.6 0.94 0.94
1220
L. Cypress at
Cypress-Rosehill
2.24 1 2.24 1 2.52 3.58 1 3.81 2 5.57 3 5.57 2
ma cực hạn (PMP)
U.S. NWS công bố hai báo cáo quan trọng liên quan đến tần suất ma và các trận
ma thiết kế. TP 40 từ Hershield (1961) thể hiện những bản đồ đối với thời gian ma từ
30 phút tới 1 giờ và chu kỳ lặp từ 1 dến 100 năm (Hình 9.2b). Gần đây hơn, NWS đa
ra HYDRO 35 (1977a) thể hiện chiều sâu lớp nớc đối với thời gian ma 5, 15, và 60
phút với chu kỳ lặp từ 2 đến 100 năm, thay thế một phần TP 40. Những tài liệu này có
thể sử dụng để xác định biểu đồ ma thiết kế hoặc các đờng cong IDF đối với các khu
vực xác định của nớc Mỹ.
Trong những dự án thiết kế lớn nh: đập tràn, đập, hoặc các hồ chứa quan trọng,
việc phân tích chiều sâu lớp nớc- thời gian ma -tần suất ma với chu kỳ lặp 100 năm
thậm chí 500 năm cũng không thể loại trừ khả năng sự cố có thể xảy ra. Tại nớc Mỹ
lợng ma lớn nhất có thể xảy ra (PMP) là đợc sử dụng, bằng việc phân tích đánh giá

chiều sâu lớp nớc ma lớn nhất đối với một thời gian ma xác định đó là quy luật tự
nhiên trên một vùng địa hình riêng biệt tại một thời gian xác định trong năm. Trận
ma lớn nhất có thể xảy ra (PMP) bao gồm sự phân bố lợng ma theo thời gian.
548

Hình 9.2 (a). Tổng độ sâu - diện tích

Hình 9.2(b) .Bản đồ ma 24 giờ, 100 năm
Những khái niệm và phơng pháp luận liên quan đợc mô tả trong các báo cáo của
Trung tâm quản lý đại dơng và khí quyển quốc gia (NOAA) NWS, các báo cáo khí
tợng thuỷ văn (HMR), đặc biệt là HMR 51 (1978) và HMR 52 (1982) đối với vùng phía
Đông kinh tuyến 105. PMF hay lũ lớn nhất có thể xảy ra lũ cực hạn liên quan chặt chẽ
với PMP. Đối với khu vực phía Tây kinh tuyến 105, một số bản báo cáo NWS khác có
thể dùng đợc và đợc viết bởi Viện khoa học quốc gia (1983). Ví dụ nh: California
đợc mô tả trong HMR 36 (Cục thời tiết quốc gia, 1969), vùng Tây Bắc trong HMR 43
(Cục thời tiết quốc gia, 1966), và vùng Tây Nam trong HMR 49 (Cục thời tiết quốc gia,
1977).
Trung tâm thuỷ văn công trình của quân đội Mỹ (HEC) có một chơng trình máy
549
tính gọi là HMR 52 để tính toán lợng ma bình quân lu vực đối với trận ma lớn
nhất có thể xảy ra (PMS) trên cơ sở PMP ớc lợng từ HMR 51. Chơng trình này có
thể sử dụng với mô hình HEC-1 để xác định PMF đối với một hồ chứa hoặc lu vực lớn.
PMP xác định cho một lu vực có các thành phần quan trọng bao gồm: (1) đờng
cong lớp nớc- diện tích- thời gian ma, (2) kiểu đờng đẳng trị lợng ma chuẩn có
dạng hình ellipse, (3) chiều hớng biến chuyển, (4) diện tích ma giới hạn, (5) tham số
biến chuyển đờng đẳng trị lợng ma tham số này chỉ rõ tỷ lệ phần trăm của độ sâu
lớp nớc ứng với lợng ma lớn nhất đối với mỗi dạng đờng đẳng trị lợng ma.
9.3.
Thiết kế trên lu vực nhỏ
thiết kế lý tởng

Thực tế cho thấy rằng trong khoảng thời gian dài ngay khi có sự phát triển đô thị
trên một bồn thu nớc hay lu vực tự nhiên kết quả sẽ thờng là làm tăng đỉnh dòng
chảy ra và rút ngắn thời gian tập trung nớc (xem phần 2.4). Những thay đổi này là kết
quả của sự thay đổi độ dốc trên những vùng đất trống và những đờng phố, diện tích
đất không thấm tăng, thêm vào đó sự tập trung dòng chảy xuống hạ lu của các vùng
bên cạnh. Lợng trữ tự nhiên trên lu vực thờng giảm cùng với sự phát triển đô thị
hoá. Nhiều vấn đề trữ nớc lại phải đợc thực hiện để xử lí tỉ lệ tăng dòng chảy, giảm
lợng trữ tự nhiên cũng nh tổn thất trong các cống, sự mở rộng lòng dẫn, hoặc trên hệ
thống đờng phố. Nếu đỉnh dòng chảy ra tăng mạnh là kết quả của sự phát triển trên
một khu vực, khí đó nhiều khả năng xảy ra trữ lợng nớc khống chế trên các vị trí vào
và ra có thể đợc yêu cầu.
Những thiết kế lu vực nhỏ thờng bao gồm việc sử dụng phơng pháp thích hợp
(phần 6.4) hoặc một phơng pháp biểu đồ thuỷ văn đơn vị (phần 2.4) để dự báo các lu
lợng cực đại tại những vị trí khác nhau đối với lợng ma và thời gian ma thiết kế đã
cho. Sự lựa chọn chính xác phơng pháp thiết kế thuỷ văn phụ thuộc lớn vào nhu cầu
thiết kế riêng đối với từng thành phố hoặc thị xã và kích thớc của từng vùng phát
triển. Các khu vực quan trọng nhất thuộc thủ đô hiện nay có các sách quy phạm thiết
kế, các sách này chỉ rõ các nguyên tắc và quy phạm đối với lợng nớc ma thiết kế.
Những yêu cầu từ Quy phạm đối với thiết kế kiểm soát lũ và hệ thống thoát nớc
thích ứng khá đặc trng và sẽ đợc sử dụng để làm sáng tỏ các ví dụ đa ra trong
chơng này.
Các phơng pháp ma - dòng chảy đợc áp dụng trên các lu vực có diện tích xác
định. Quy phạm có thể đợc dùng đối với việc thiết kế các lòng dẫn hở, cầu, cống ngầm,
máng nớc kín, các cửa cống thoát nớc lũ, các công trình điều tiết vận tốc dòng chảy,
và các hồ trữ nớc nhỏ. Mỗi khu vực đô thị sẽ có những yêu cầu khác nhau nhng tổng
quát lại thì mục đích là tơng tự nhau: xây dựng và duy trì tính phù hợp đã dự tính để
giảm thiểu tối đa sự đe doạ của lũ đỗi với tất cả các thành phố, thị xã. Các vùng có độ
550
dốc lớn sẽ có các thiết kế và chơng trình đặc biệt, nhất là các vấn đề liên quan tới tốc
độ dòng chảy và tốc độ xói mòn đất.

dòng chảy cực đại trong khu vực không phát triển
Dòng chảy cực đại trong khu vực không phát triển đợc sử dụng trong giai đoạn
ban đầu để so sánh ảnh hởng của dự án phát triển đối với một lu vực đã cho. Đỉnh lũ
đối với vùng không phát triển có thể xác định đợc bằng cách sử dụng một số các
phơng pháp bao gồm phơng pháp thích hợp với các hệ số không phát triển, phơng
pháp diện tích - lu lợng hoặc vị trí các đờng cong dòng chảy mặt thu đợc từ số liệu
các trạm đo, hoặc các phơng pháp biểu đồ thuỷ văn đơn vị với các hệ số không phát
triển thích hợp. Các kết quả thờng sẽ khác nhau phụ thuộc vào sự lựa chọn các
phơng pháp, và một số phơng pháp cho kết quả dự báo phía trên trong khi những
phơng pháp khác lại ở phía dới đỉnh lũ. Nh vậy, phơng pháp thích hợp không đợc
sử dụng để thiết kế trên những diện tích lớn hơn 1,0 mi
2
(2,5 km
2
). Các phơng pháp
biểu đồ thủy văn đơn vị sẽ không đợc sử dụng trên các lu vực bộ phận lớn hơn
khoảng 3-5 mi
2
. Các mô hình máy tính nh mô hình HEC-1 hoặc SWMM thờng đợc
yêu cầu sử dụng cho các khu vực có diện tích lớn hơn khoảng 2000 mẫu (khoảng 3 mi
2
)
bởi vì cần phải xét tới các lu vực bộ phận và diễn toán lũ trong lòng dẫn, nh đã thể
hiện trong phần 5.6. Ví dụ 9.1 so sánh ba phơng pháp trong việc tính toán tốc độ thay
đổi dòng chảy cực đại từ các khu vực không phát triển.
Ví dụ 9.1
Tính toán dòng chảy cực đại từ các lu vực không phát triển
Xác định tốc độ thay đổi dòng chảy cực đại khu vực không phát triển với chu kỳ
100 năm tính theo đơn vị ft
3

/s đối với diện tích lu vực 403 mẫu gần thành phố
Houston, bang Texas, nh trong hình E9.1.
Sử dụng phơng pháp phần tử với T
c
= 60 phút và các đờng cong IDF (hình 1.8).
Sử dụng phơng pháp TC + R trong bảng 5.13 với tỉ lệ phát triển 0%.
Sử dụng phơng pháp SCS đối với biểu đồ thuỷ văn đơn vị (UH) và lợng ma
trong một giờ là 4,3 in với chu kỳ 100 năm.
Phơng pháp thích hợp
t
c
= 60 phút
Q
P
= CiA
C = 0.4
i = 4.3 in/giờ (từ đờng cong IDF, hình 1.8)
A = 403 ac
Q
P
= (0,4)(4,3)(hệ số biến đổi)
Hệ số biến đổi = (43560/(12
ì
3600))
551
Q
P
= 699 ft
3
/s

Ph−¬ng ph¸p TC + R
Xem b¶ng 5.13.
A = 0,63 mi
2
L = 4400 ft = 0,78 mi

∆
y= 22 ft/mi = 0,42 %
tØ lÖ ph¸t triÓn = 0 %: C = 7,25

706.0
0
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=+
S
L
CRTC

=
706,0
22
78,0
25,7

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

= 2,04

06,1
0
'
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
S
L
CTC
ac

=
06,1

22
39,0
79,3
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

= 0,27
R = (TC + R) – TC = 2,04 - 0,27
= 1,77
Q
P
= 635 ft
3
/s (tõ m« h×nh HEC-1)


H×nh E9.1 DiÖn tÝch l−u vùc kh«ng ph¸t triÓn
552
Phơng pháp SCS
Tham khảo ví dụ 2.8c. Giả thiết hệ số đờng cong (CN) = 80.
L = 4100 ft
A = 0,63 mi
2
SCS CN = 80 (bảng 2.1)

S = (1000/CN) - 10
= 1000/80 - 10 = 2,5


y = 0,42 %

= 1,52 giờ
T
R
= D/2 + t
P
= (1,0/2) + 1,52
() ()
42,01900
5,34100
1900
1
7,0
8,0
7,0
8,0
=

+
=
y
SL
t
p


= 2,02 giờ
Q
P
= (484)A/T
R
= (484)(0,63)/2,02
= 151 ft
3
/s(giờ/in) (trong biểu đồ thuỷ văn đơn vị)
i.Q
P
= 4,3 in /giờ.151ft
3
/s(giờ/in)
= 649,3 ft
3
/s

Phơng pháp thích hợp thiết kế đối với một phân khu
Phơng pháp thích hợp đợc mô tả chi tiết trong phần 6.4 và ví dụ 6.6 và các hệ số
đặc trng đối với hệ số dòng chảy mặt C trong công thức Q = CiA đợc liệt kê trong
bảng 6.6. Cờng độ lợng ma i thờng đợc xác định từ đờng cong IDF với thời gian
ma bằng thời gian tập trung nớc hoặc thời gian đạt tới sự cân bằng trên lu vực.
Mặc dù, phơng pháp có một số hạn chế nh đã đề cập trong phần 6.4, nhng nó
thờng đợc sử dụng trên khắp nớc Mỹ để thiết kế hệ thống thoát nớc ma thích
ứng. Ví dụ 9.2 thể hiện một thiết kế tiêu biểu đối với một phân khu nhỏ sử dụng
phơng pháp phần tử để xác định kích thớc hệ hệ thống cống tròn.
Cờng độ lợng ma có thể xác định đợc từ các đờng cong IDF cho các thành phố
hoặc khu vực. Thờng một chu kỳ lũ lụt từ 2 đến 5 năm sẽ đợc sử dụng để lắp đặt
đờng ống tiêu thoát nớc lũ mặt do ma, mặc dù trong một số trờng hợp đặc biệt lu

lợng có chu kỳ 10 năm thậm chí 100 năm sẽ đợc tính toán đến.
Ví dụ, khu vực thành phố Houston yêu cầu một dòng chảy thiết kế với chu kỳ là 3
năm từ việc tính toán theo ph
ơng pháp phần tử bằng cách sử dụng một tập hợp các
đờng cong dòng chảy mặt từ thành phố Houston. Dung tích cống thờng đợc xác định
từ phơng trình Mannings đối với dòng chảy trong ống có áp, ở đây có thể thấy rằng
đờng kính ống cần thiết ứng với một tốc độ thay đổi lu lợng xác định là:
553

()
8/3
5,0
0
16,2








=
S
Qn
D

trong đó Q tính theo đơn vị ft3/s, n là hệ số Mannings, S
0
là độ dốc, và D là đờng kính

cống tính bằng ft.
Ví dụ 9.2
Phơng pháp thích hợp thiết kế trên một phân khu sử dụng bảng tính
Việc đánh giá lu vực không phát triển trong ví dụ 9.1 đợc chia thành các phân
khu phát triển, và hệ thống cống dẫn đợc bố trí nh trong hình E9.2. Các bản đồ địa
hình đợc sử dụng để xác định các diện tích khu vực kết hợp với mỗi điểm vào chính
nh thể hiện trên bản đồ. Phơng pháp bảng tính là rất tiện ích trong việc tổ chức dữ
liệu và sẽ đợc sử dụng trong ví dụ này.
Bảng E9.2 Thiết kế cống tròn bằng phơng pháp tơng quan
Những tính toán cho cống tròn khu vực phụ 2
Đoạn cống
Chiều dài cống
L
Độ dốc bề
mặt S
0
(ft/ft)
Diện tích lu
vực thoát nớc
tổng A (mẫu)
Thời gian tập
trung nớc phút)
Tổng C.i
(C=0,3)
Cờng độ ma i
(in/giờ)(3 năm)
Lu lợng
thiết kế Q (ft3/s)
Đờng kính
cống tính toán

(ft)
Kích thớc
cống sử dụng
(ft)
Tốc độ dòng
chảyQ/A (ft/s)
Thời gian
chảy (L/V)(phút)
VW
900 0.0018 40.63 15 1.29 4.30 52 3.99 4.0 4.2 3.6
WX
300 0.0026 50.79 19 1.22 4.00 62 3.96 4.0 5.0 1.0
XY
300 0.0021 62.98 20 1.20 3.90 76 4.45 4.5 4.9 1.0
YZ
400 0.0016 67.72 21 1.18 3.85 80 4.78 5.0 4.5 1.5
Những tính toán cho cống tròn khu vực phụ 3
Đoạn cống
Chiều dài cống
L
Độ dốc bề
mặt S
0
(ft/ft)
Diện tích lu
vực thoát nớc
tổng A (mẫu)
Thời gian tập
trung nớc
(phút)

Tổng C.i
(C=0,3)
Cờng độ ma i
(in/giờ)(3 năm)
Lu lợng thiết
kế
Q (ft3/s)
Đờng kính
cống tính toán
(ft)
Kích thớc
cống sử dụng
(ft)
Tốc độ dòng
chảyQ/A (ft/s)
Thời gian
chảy (L/V)(phút)
AB
185 0.0022 6.02 14.0 1.09 3.63 7 1.76 2.0 2.7 1.1
BC
310 0.0024 16.11 15.1 1.07 3.57 17 2.49 2.5 3.5 1.5
CD
279 0.0022 25.19 16.6 1.05 3.50 26 2.97 3.0 3.8 1.2
DE
272 0.0020 34.05 17.8 1.04 3.47 35 3.38 3.5 4.0 1.1
EF
582 0.0023 52.99 19.0 1.03 3.43 55 3.87 4.0 4.6 2.1
FG
520 0.0022 69.92 21.1 1.02 3.40 71 4.31 4.5 4.9 1.8
GH

716 0.0022 93.23 22.8 1.00 3.33 93 4.77 5.0 5.2 2.3
HI
282 0.0022 102.41 25.1 1.00 3.33 102 4.94 5.5 5.3 0.9
IJ
1150 0.0018 139.84 26.0 1.00 3.33 140 5.76 6.0 5.4 3.6
JK
1100 0.0022 149.20 29.6 1.00 3.33 147 5.66 6.0 5.9 3.1
554
Phơng pháp thích hợp cần thiết để xác định giá trị của C trong thành phố
Houston, trong trờng hợp này C = 0,3 và i xác định từ một chuỗi các bảng với thời gian
tập trung dòng chảy xác định. Mỗi diện tích tiêu thoát nớc bắt đầu luỹ tích với phần
lớn các thợng lu đợc xác định theo chiều dài ống, độ dốc, thời gian tập trung nớc,
cờng độ ma, tham số C, lu lợng thiết kế Q, đờng kính tính toán, kích thớc cống
đợc sử dụng, vận tốc dòng chảy V, và thời gian chảy.
Ví dụ, trong phân khu 3 cống AB trong hình E9.2 và bảng E9.2 có diện tích tiêu
thoát nớc là 6,02 mẫu, chiều dài cống là 185 ft, và độ dốc của cống là 0,0022 ft/ft. Từ
bảng IDF đối với thành phố Houston, giá trị của i là 3,63 in/giờ và thời gian ban đầu
t
c

đợc giả thiết bằng 14 phút đối với diện tích đầu tiên. Lu lợng trong cống tính đợc
là 6,56 ft3/s, từ phơng trình Mannings lu lợng này cần một cống dẫn có đờng kính
tối thiểu là 1,76 ft hoặc một cống có đờng kính hiệu dụng trên 2,0 ft (24 in). Chia lu
lợng Q cho diện tích mặt cắt ống thu đợc lu tốc là 2,7 ft/s. Thời gian chảy trong ống
AB đợc tính từ L/V bằng 1,1 phút cộng với thời gian tập trung dòng chảy đối với cửa
vào B của cống tiếp. Tiếp đó ống BC có t
C
= 15,1 phút và quá trình trên tiếp tục đợc lặp
lại. Nếu có thể có nhiều hớng chảy lu lợng hơn để tới một điểm vào, sau đó giá trị t
C


lớn nhất sẽ đợc lựa chọn cho việc thiết kế. Chú ý rằng cống BC cần có đờng kính là
2,5 ft.
Hệ thống cống cuối cùng đòi hỏi đờng kính cống thay đổi từ 2,0 đến 6,0 ft (24-72
in) đối với phân khu 3 và từ 4,0 đến 5,0 ft (48-60 in) đối với phân khu 2 nh trong hình
E9.2. Chú ý rằng lu lợng trong các cống dẫn nhỏ hơn chảy vào các cống dẫn lớn hơn
thờng gặp tại những ống nối hoặc cửa cống.
Những điểm thu nớc phải đợc sắp đặt một cách hợp lí đối với các máng dẫn để
đa nớc vào hệ thống cống thoát nớc . Hệ thống đợc thiết kế để tiêu thoát toàn bộ
dòng chảy mặt một trận lũ với chu kỳ 3 năm vào trong cống dẫn mà không có bất cứ
một lợng nớc nào tồn đọng trên phố hoặc những vùng thấp. Tốc độ thay đổi lợng
ma lớn hơn lợng ma thiết kế với chu kỳ 3 năm cần sử dụng các biểu đồ thuỷ văn và
sẽ đợc chỉ dẫn trong phần 9.4.
9.4.
Thiết kế các biểu đồ thuỷ văn cho dòng chảy trong cống tròn,
dòng chảy tràn và dòng chảy trong các lòng dẫn hở
Thiết kế các cửa sông lu vực nhỏ
Phơng pháp thích hợp thiết kế cho một phân khu nhỏ phù hợp trong việc thiết kế
hệ thống cống tròn, phơng pháp này không chú trọng nhiều đến lợng ma với cờng
độ lớn có thể xuất hiện. Phần lớn các lu vực đô thị đợc thiết kế theo tiêu chuẩn liên
quan đến những trận ma cực đại trong thời đoạn từ 25 đến 100 năm. Trong thành phố
Houston tiêu chuẩn thiết kế đó đợc áp dụng với khu vực có diện tích từ 100 đến 200
mẫu, độ dốc thuỷ lực với thời đoạn 25 năm phải nhỏ hơn hoặc bằng độ dốc của các rãnh
555
nớc tiêu thoát cho một khu vực có diện tích tiêu thoát lớn hơn 100 mẫu. Bề mặt mực
nớc thiết kế với thời đoạn 25 năm đợc giả thiết trong lòng dẫn cửa ra làm cơ sở cho
toàn bộ các điều kiện phát triển. Lợng nhập lu trong các đoạn đặc trng của hệ thống
đáp ứng cho một khu vực có diện tích lớn hơn 200 mẫu, lu lợng ứng với tần xuất 100
năm cho toàn bộ các điều kiện phát triển đợc sử dụng để đảm bảo rằng độ dốc thuỷ lực
ứng với lu lợng thời đoạn 100 năm phải nhỏ hơn độ dốc tự nhiên của bề mặt đất tại

tất cả các điểm dọc theo đoạn đặc trng này của hệ thống. Mực nớc bề mặt thiết kế
ứng với chu kỳ 25 năm đợc giả thiết trong lòng dẫn cửa ra.


Hình 9.3 Sự tơng tác lòng dẫn - cống ngầm lũ
Hình 9.3 thể hiện mối quan hệ thông thờng giữa hệ thống cống tròn, lòng dẫn thu
nhận, và hệ thống đờng phố trong một phân vùng tiêu biểu trong thành phố Houston,
nơi độ dốc đợc trung bình hoá với biên độ biến đổi nhỏ hơn 5%. Các đờng phố là một
556
phần của việc thiết kế hệ thống tiêu thoát nớc lũ do những trận ma với cờng độ lớn
và độ dốc tơng đối bằng phẳng gây nên. Các khu vực đô thị khác có thể có các tiêu
chuẩn thiết kế khác nhau tuỳ thuộc vào cờng độ ma, độ dốc mặt đất, độ dốc lòng dẫn,
và tỷ lệ phần trăm khu vực không thấm nớc.
Phân khu thiết kế sử dụng mô hình HEC-1
Một trong những vấn đề thiết kế thú vị trong trong thủy văn nớc mặt là xác định
nguyên nhân của lũ lụt tồn tại trong một khu vực đã phát triển và từ đó thiết lập nhiều
phơng án giải quyết khác nhau để giải quyết vấn đề. Hệ thống cống lu vực nhỏ đợc
thiết kế trong ví dụ 9.2 có cấu trúc trong một phân khu gần thành phố Houston. Một
khu vực phát triển có diện tích 403 mẫu (0.63 spmi) đợc xây dựng trong khoảng thời
gian 10 năm từ năm 1972 đến năm 1982, giữa năm 1980 (1984, 1987, và 1989) bắt đầu
trải qua chuỗi số liệu lũ lụt kéo dài trong khoảng 12 nhà trong các thành phố trong
phân khu. Hình dạng khu vực trong hình 9.4 thể hiện những khu vực chính của lũ lụt.
Phân tích hệ thống cống tròn với thời đoạn thiết kế là 3 năm phù hợp trong phân khu
nh đợc lý giải trong ví dụ 9.2, nhng hệ thống đó dờng nh bị quá tải từ độ cao các
mực lũ lụt trong suốt thời kỳ các biến cố lợng ma lớn hơn có chu kỳ từ 10 đến 25
năm.

Hình 9.4 Diện tích tiêu thoát cho phân khu.
557
Trong ví dụ 9.3 mô hình HEC-1 sẽ đợc sử dụng để dự báo tốc độ thay đổi lu

lợng phụ trội dòng chảy tràn và thể tích hiệu dụng thông qua việc xem xét các chiều
hớng biến đổi của lợng ma các thời đoạn trớc và lợng ma thiết kế chảy xuống hệ
thống cống ngầm.
Các bớc tiếp theo đợc yêu cầu để thực hiện việc phân tích lũ lụt và phục vụ thiết
kế:
1, Xác định các lu lợng phụ riêng biệt, nơi nhập lu của dòng chảy tràn và dòng
chảy trong cống tròn đến các bộ phận kiển soát sự thay đổi (các cửa vào cống tròn hoặc
cống ngầm) trong phân khu.
2, Xác định các thông số của mô hình HEC-1 ở các khu vực phụ đặc biệt trong khu
vực đã phát triển (xem phần 5.6).
3, Đánh giá các khu vực chính nơi nớc đợc chuyển hớng vào trong hệ thống
cống và xác định tốc độ thay đổi lu lợng cực đại trên cơ sở hớng, độ dốc và đờng
kính của cống tròn.
4, Thu thập các số liệu lợng ma thiết kế và lịch sử từ các dụng cụ đo gần phân
khu nhất, và tính toán chu kỳ của các trận lũ lịch sử.
5, Xác định cấu trúc hoạt động tiếp theo trong lu vực hồ chứa, nh nó có thể ảnh
hởng đến tốc độ thay đổi dòng chảy và dung tích của hồ.
6, Sử dụng thông tin đã đợc nghiên cứu, đánh giá các mối liên hệ tiêu thoát trữ
lợng trong những đờng phố chính và các khu vực khác nơi mà lũ lụt có thể quan trắc
đợc. Cố gắng sử dụng tiện dụng các mực nớc cao để tính toán số liệu lũ lụt quan trắc
đợc. Việc tính toán các lu lợng ra sử dụng phơng trình Mannings.
7, Cài đặt và chạy mô hình HEC-1 cho những lợng ma thiết kế và lịch sử và so
sánh các mực trữ lợng dự báo với các kết quả quan trắc để có thể đánh giá quy mô của
nó.
Ví dụ 9.3
Thiết kế với mô hình HEC-1
Số liệu đầu vào mô hình HEC-1 trong phân khu đợc phác hoạ trong hình 9.4 và số
liệu lợng ma trong thời đoạn 6 giờ với chu kỳ 100 năm đợc liệt kê trong bảng E9.3.
Phơng pháp TC và R đợc sử dụng từ bảng 5.13, phơng pháp tổn thất luỹ thừa đợc
sử dụng để tính thấm, và phơng pháp thời gian trễ đơn giản đợc sử dụng cho đờng

quá trình lũ (xem chơng 5).
Những lợng ma thiết kế và lịch sử khác nhau (1987 và 1989) sẽ đợc tính toán
sau đó trong ví dụ này. Toàn bộ quá trình lu lợng tiếp theo là lu lợng tiêu thoát tại
phân khu 1 tại điểm 1 (đợc lan truyền trong hình 9.4) sau đó lu lợng cực đại 158ft
3
/s
bị đổi hớng lần đầu vào một cống tròn có đờng kính 54 (in) chảy đến bất kỳ một hồ
chứa nào theo hớng tây. Sau đó đờng quá trình lu lợng phân khu 1 tới điểm 2, khi
đó dòng chảy tại phân khu 2 đợc tính toán và nhập lu lại trớc khi quá trình lu
lợng di chuyển đến điểm 6, gần cửa ra lòng dẫn hở trong hình 9.4. Lu lợng cực đại
558
với chu kỳ 100 năm tại điểm 6 từ phân khu 1 và 2 là 517 ft
3
/s.
Bảng E9.3 Số liệu đầu vào mô hình HEC-1 cho vùng phân chia.
ID CYPRESSWAY SUBDIVISION 100 - YEAR 6 - GIấ STORM HEC-1 RUN
IT 5 72
IO 5 12
KK 1
KM Dòng chảy từ phân khu 1
BA 0.226
PH 1.0 2.7 4.6 6.0 6.8 8.5
LE 0.3 1.3 3.00 0.55 30.0
UC 0.14 0.83
KK 1
KM Lu lợng cống ngầm: 48"=88ft
3
/s
KM 54"=70ft
3

/s
DT Phân khu 1
DI 0. 30. 60. 100. 158. 200. 258.
DQ 0. 30. 55. 75. 108. 130. 158.
KK 2
KM Quá trình đến phân khu 2
RT 1. 6. 3.
KK 2
KM Dòng chảy từ phân khu 2
BA 0.098
LE 0.30 1.3 3.00 0.55 35.
UC 0.08 0.70
KK 2
KM Kết hợp
HC 2
KK 6
KM Quá trình chảy qua các cống tròn đến cửa ra lòng dẫn
RT 1. 2. 1.
KK 3
KM Dòng chảy từ phân khu 3
BA 0.230
LE 0.30 1.30 3.00 0.55 35.
UC 0.16 1.72
KK 3
KM Lu lợng cống ngầm: 72"
DT Phân khu 3
DI 0. 0. 75. 150. 220. 240. 300.
DQ 0. 30. 75. 150. 220. 220. 225.
KK 4
KM Dòng chảy từ phân khu 4


559
ID CYPRESSWAY SUBDIVISION 100 - YEAR 6 - GIấ STORM HEC-1 RUN
BA 0.076
LE 0.30 1.30 3.00 0.55 35.
UC 0.13 1.34
KK 4
KM Lu lợng cống ngầm: 42"
DT Phân khu 4
DI 0. 60. 65. 80. 120. 300.
DQ 0. 60. 64. 64. 66. 75.
KK 5
KM Kết hợp
HC 2
KK 5
KM Lu lợng cống trải rộng xuống đờng phố
DT Phân khu 5
DI 0. 18. 76. 100. 140. 285. 400.
DQ 0. 18. 38. 46. 60. 105. 160.
KK 6
KM
Quá trình dòng chảy đến cửa ra
lòng dẫn
RT 1. 6. 3.
KK 6
KM Kết hợp tại 6: Dòng chảy tràn cực đại
HC 2
ZZ

Tiếp theo xem xét dòng chảy tại phân khu 3 và 4, chúng nhập lu tại điểm 5 và

đờng quá trình đó di chuyển đến điểm 6, sau khi bị đổi hớng ở điểm 3 và chảy vào
cống tròn có đờng kính 72 (in) nơi dòng chảy chảy tới điểm k và bị đổi hớng ở điểm 4
chảy vào một cống tròn có đờng kính 42 (in) sau đó chảy theo hớng nam tới bất kỳ
một hồ chứa nào, và bị đổi hớng ở điểm 5 nơi dòng chảy tràn trải rộng trên mặt đất
theo hớng nam tới bất kỳ một bể chứa nào. Kết quả lu lợng cực đại là 88 ft
3
/s từ các
phân khu 3 và 4 nhập lu với lu lợng 517 ft
3
/s từ các phân khu 1 và 2 tạo nên lu
lợng cực đại tại điểm 6 là 605 ft
3
/s. Hình E9.3 (a) thể hiện hình dạng cuối cùng của
biểu đồ thuỷ văn dòng chảy tràn với lợng ma chu kỳ 100 năm trên phân khu.
Mô hình HEC-1 cung cấp một công cụ rất có ích cho việc phân tích sự biến đổi các
thành phần của hệ thống lu vực bao gồm lu lợng trong cống tròn, các chỗ đổi dòng,
và dòng chảy tràn. Hình E9.3 (b) thể hiện các kết quả của mô hình HEC-1 với 3 trận
ma khác nhau tại các điểm biến đổi trong hệ thống bao gồm các trận lũ đo đạc đợc
vào tháng 11 năm 1987 và tháng 5 năm 1989 với lợng ma thiết kế là 10 năm (xem
hình 5.11). Do vậy, lu lợng cực đại ứng với các biến cố lũ đo đạc đợc vào năm 1987
và 1989 đợc xắp xếp thành một dãy các biến cố có chu kỳ từ 10 đến 100 năm. Lu
lợng tơng ứng với biến cố có chu kỳ 25 năm là 428 ft3/s, nó tơng ứng với phần lớn
biến cố tháng 5 năm 1989.
560

Hình E9.3 (a) Các biểu đồ thuỷ văn dòng chảy ra từ mô hình HEC-1.


Hình E9.3 (b) Những so sánh lu lợng cực đại trong mô hình HEC-1.
Tại điểm này trong việc nghiên cứu thiết kế, sự đánh giá cẩn thận các tính chất

biến đổi trữ lợng nớc của các khu vực lũ lụt là cần thiết, do đó thể tích hoặc lu lợng
trong suốt thời kỳ 1987 và 1989 có thể đợc so sánh với những mực nớc cao quan trắc
đợc trong các sân, nhà, đờng phố trong khu vực. Những nghiên cứu địa hình chi tiết
thờng đợc yêu cầu nếu độ chính xác cho phép nhỏ hơn 10 (ft), chúng thờng đợc
thực hiện trong những lu vực nhỏ. Mô hình HEC-1 cũng có thể đợc sử dụng để đánh
giá sự tác động của trữ lợng nớc khống chế hiệu quả trong các khu vực bị ảnh hởng,
các cửa ra của cống tròn mở rộng, các lòng dẫn mở rộng, hoặc làm lệch hớng các dòng
chảy nhập lu tới các bể khác.
561
Các phơng pháp kiểm soát lũ lụt
Các phơng pháp kiểm soát lũ lụt khác nhau trong phân khu lũ lụt đợc nghiên
cứu khá chi tiết và chỉ nhấn mạnh các kết quả cuối cùng. Trớc tiên khu vực phát triển
cao với những hộ gia đình riêng biệt, ngoại trừ việc nghiên cứu một vùng rộng lớn bên
ngoài không phát triển và các lòng dẫn cửa ra không xác định hiển nhiên bị loại trừ ở
điểm 6 trong hình 9.4. Việc xây dựng những ngôi nhà trong những khu vực phía bắc có
xu hớng lũ lụt của điểm K và điểm Z đợc xây dựng trong một lòng sông cũ nơi đã bị
lấp đầy trớc lúc phát triển, và trong khi các cống tròn đợc thiết kế chính xác, không
có sự tồn tại của dung tích bổ xung cho dòng chảy phụ trội để tiêu thoát khỏi khu vực.
Lòng dẫn mở rộng ở của ra đợc tìm thấy không chịu ảnh hởng của lũ lụt trong
phân khu. Lòng dẫn hở có thể đợc mở rộng tới thợng lu và cắt ngang với các điểm K
và Z, nhng điều này dẫn đến phá huỷ một cây cầu và nhiều nhà ở mức lớn nhất. Hệ
thống cống ngầm (từ điểm V đến điểm Z) có thể đợc mở rộng để kiểm soát trận lũ với
chu kỳ 100 năm, nhng ở mức độ thiệt hại lớn nhất và đảm bảo không rõ ràng rằng
những lu lợng với chu kỳ 100 năm trong những đờng phố hiện tại có thể chảy vào
trong các cống tròn. Hệ thống cống (từ A đến K) có thể đợc thay đổi và di chuyển dọc
theo hớng nam với sự tồn tại của các điểm đổi dòng 4 và 5, nhng điều này chỉ có thể
làm giảm lu lợng cực đại tại điểm 6 xuống 88 ft3/s dẫn đến không đủ để có nhiều tác
động mạnh.
Cuối cùng trữ lợng nớc khống chế có thể đợc bổ xung để thoát xuống các phân
khu, trữ lợng này dùng để kiểm soát lu lợng lũ phụ trội. Nếu lu lợng lối vào có

thể thu đợc trong một đoạn đặc trng của khu vực không phát triển tại phía đông của
cửa vào cống tròn V. Từ phân khu 1 bổ xung một lu lợng 364 ft
3
/s tạo nên lu lợng
tổng cộng 605 ft3/s, việc kiểm soát một phần lớn dòng chảy từ phân khu 1 bằng một ao
khống chế là một lựa chọn tối u và điều đó có thể đợc tính toán dễ dàng bằng việc sử
dụng mô hình HEC-1 để giải quyết quá trình lũ thông qua một ao khống chế. Một ao
khống chế tơng tự 29 ac-ft đợc thiết kế trong ví dụ 9.4 (đợc thể hiện ở bên dới của
chơng này) đợc nhập vào mô hình HEC-1 sau khi tính toán lu lợng tại phân khu 1,
nơi lu lợng cực đại là 364 ft3/s. Ao khống chế sẽ làm giảm lu lợng xuống 85 ft3/s ở
hạ lu của ao, và do đó ảnh hởng đến biểu đồ thuỷ văn ở điểm 6 đợc thể hiện trong
hình E9.3 (a). Kết quả lu lợng cực đại ở cửa sông bị giảm từ 605 ft3/s xuống 337 ft3/s,
đủ để giải quyết xong vấn đề lũ lụt ở mực có chu kỳ 100 năm trong phân khu.
9.5.
Thiết kế ao khống chế trong việc kiểm soát lũ lụt
Những thiết kế ao khống chế có ý nghĩa tích cực trong suốt thời kỳ cuối năm 1970
đến 1980 cũng nh đợc các đoàn thể công nhận những lợi ích của nó trong việc kiểm
soát lũ lụt và chất lợng nớc của các hệ thống nh vậy (xem phần 6.6). Craig và Rankl
(1978) đã cải tiến và phát triển một phơng pháp phần tử để nghiên cứu trữ lợng nớc
562
trên cơ sở thời đoạn ma lớn hơn thời gian tập trung nớc. Donahue, McCuen, và
Bordedid (1981) đã phát triển một phơng pháp phân tích sử dụng các biểu đồ thuỷ văn
hình lập phơng và tỷ số lu lợng cực đại trớc và sau khi phát triển. Smith và
Badient (1980), Mays và Badient (1982) đã tính toán các lợi ích của việc kiểm soát lũ
lụt và sự phân bố theo không gian của các ao khống chế trong các lu vực đô thị. Các ví
dụ mô tả một cách chi tiết về việc thiết kế một ao khống chế có thể tìm thấy từ các tài
liệu của Chow và các cộng sự (1988). Stagiờe và Urbonas (1990) viết một bài luận gần
đây về việc khống chế nớc lũ trong các khu vực đô thị, chúng bao gồm cả việc thảo
luận khá chi tiết các dạng của ao khống chế, chỉnh trị dòng chảy, tính toán dung tích
trữ lợng nớc, và nâng cao chất lợng nớc lũ.

Trong khu vực thành phố Houston, các phơng pháp thiết kế ao khống chế đợc cải
tiến hàng năm với nhiều bản thiết kế đầu tiên đợc hoàn thành trong năm 1970. Nhiều
thiết kế ao khống chế tiêu biểu đợc thể hiện trong hình 6.10. Xu hớng thiết kế của
các ao khống chế đợc thiết lập cố định vào năm 1984. Các tiêu chuẩn thiết kế cho việc
kiểm soát lũ lụt và những lợi ích của hệ thống tiêu thoát nớc lũ trong địa phận Harris.
Với các khu vực tiêu thoát nớc có diện tích nhỏ hơn 50 mẫu, chỉ đòi hỏi cực đại của
biểu đồ thuỷ văn, và tốc độ thay đổi lu lợng cực đại dòng chảy ra cho phép với dòng
chảy chu kỳ 100 năm ở khu vực không phát triển từ vị trí nơi lu lợng ứng với tần
xuất:
Q
p
= 1,2A
trong đó: A: Là diện tích lu vực tính bằng mẫu
Q
p
: Lu lợng ứng với tần xuất p tính bằng ft
3
/s
Dung tích trữ lợng nớc hiệu dụng biến đổi từ 0,45 đến 0,55 (ac - ft/ac). Các khu
vực đô thị khác có thể biến đổi tuỳ thuộc vào độ dốc, phần trăm khu vực không thấm
nớc (tỷ lệ vùng đất không thấm nớc), và cờng độ ma.
Với các khu vực có diện tích từ 50 mẫu đến 2000 mẫu sử dụng phơng pháp biểu đồ
thuỷ văn đơn vị đợc trình bày rõ trong tiêu chuẩn hớng dẫn, tốc độ thay đổi lu lợng
cực đại cửa ra cho phép bị hạn chế từ tốc độ thay đổi lu lợng vùng rộng lớn không
phát triển, đây cũng là nền tảng cho việc phân tích một biểu đồ thuỷ văn. Trong các
khu vực có diện tích lớn hơn 2000 mẫu, một phơng pháp thuỷ văn chi tiết đợc yêu
cầu trên cơ sở mô hình HEC-1 và các phơng pháp TC và R (bảng 5.13) trong việc xác
định các biểu đồ thuỷ văn dòng chảy vào và tốc độ thay đổi lu lợng cực đại cho phép ở
cửa ra. Tiếp theo ví dụ 9.4 thể hiện sự thiết kế một cách chi tiết cho việc tiêu thoát nớc
thải sinh hoạt trong một lu vực có kích thớc trung bình, theo khu vực kiểm soát lũ

khu vực Harris (1984).
Ví dụ 9.4
Thiết kế các ao khống chế cho việc tiêu thoát nớc thải sinh hoạt
Nớc thải của một khu vực phát triển có diện tích 122 mẫu đợc đa ra gần một
mơng tiêu thoát. Các tính chất lòng dẫn cửa ra đợc thể hiện trong hình E9.4 (a) nơi
ao khống chế đợc đặt ở độ cao 116,4 ft và cửa ra của mơng có độ cao ở đáy là 104,8 ft.
563
Khu vực rộng lớn đợc đề xuất với tỷ lệ phát triển là 80 % và phải giới hạn lu lợng
cực đại cửa ra là 93 ft
3
/s do những ảnh hởng của hạ lu.

Hình E9.4(a) Mặt cắt ao khống chế
Phạm vi và cấu trúc dòng chảy trọng lực tại cửa ra của ao khống chế làm tăng
lợng dòng chảy mặt có chu kỳ 100 năm do sự phát triển của một khu vực rộng lớn. Sau
đó sử dụng các tiêu chuẩn tiêu thoát nớc cơ bản khu vực Harris (1984).
Giải
1, Theo tiêu chuẩn thiết kế khu vực Harris thì đờng lu lợng cửa ra của cấu trúc
dòng chảy ra từ ao khống chế là trên1 ft so với đờng lu lợng lòng dẫn cửa ra, hoặc
trong trờng hợp này là 105,8 ft. Độ cao cho phép giảm 0,3 ft từ cấu trúc cửa ra vào
đờng lu lợng để đờng lu lợng cửa ra sẽ tạo nên trong một độ cao đờng lu lợng
hồ chứa đề xuất là 106,1 ft. Những phân tích ban đầu một cống lũ có thể đợc thực hiện
để đảm bảo phù hợp với độ sâu cửa ra trong ao để cho sự tiêu thoát nớc lũ trong các
cống ngầm đợc dễ dàng.
2, Sử dụng các đờng cong tiêu thoát khu vực Harris trong sách thuỷ văn (1988),
một đờng cong có thể xác định những lu lợng cực đại tiếp theo với chu kỳ 100 năm
và chu kỳ 25 năm. Giả thiết hình dạng biểu đồ thuỷ văn dòng chảy vào (hình E9.4 b).
Diện tích
(mẫu)
Phần trăm khu vực

phát triển
Tần suất lũ lụt
(năm)
Lu lợng cực đại
(ft
3
/s)
122 80 100 375
122 80 25 275
3, Kích thớc cấu trúc cửa sông để tiêu thoát một lu lợng xấp xỉ 93 ft
3
/s trong
suốt thời kỳ một biến cố có chu kỳ 100 năm. Phơng trình thể hiện lợng tổn thất ban
đầu có thể chấp nhận đợc cho toàn bộ lu lợng các cống ngầm tiếp theo là:


()
100
466
152,2
2
3,5
2
4
Q
D
Ln
D
k
H

e
T






+
+
=

trong đó: D: Đờng kính của cống cha xác định đo bằng ft
H
T
: Độ cao ban đầu đo bằng ft (đợc giả thuyết là 2)
k
e
: Hệ số tổn thất cửa vào = 0,5
n: Hệ số nhám Mannings = 0,024
L: Chiều dài cống ngầm = 158 (ft)
Q: Tốc độ thay đổi lu lợng thiết kế = 93 ft
3
/s
564
Độ cao bề mặt nớc với tần xuất 100 năm là 116,4 ft so với độ cao bề mặt đất tự
nhiên. Chiều dài cống ngầm là 158 ft, bằng việc thử sai thì đờng kính cống tròn đợc
chọn là 4,5 ft, đờng kính này có khả năng tiêu thoát một lu lợng 92 ft
3
/s trong suốt

thời kỳ biến cố lũ ứng với tần suất 100 năm đợc mô tả (hình E9.4 a)
4, Sự phát triển đợc đề xuất trong biểu đồ thuỷ văn dòng chảy vào (đợc cho trong
hình E9.4 b).
5, Xác định một cách xấp xỉ tổng lợng trữ lợng nớc khống chế đòi hỏi. Nh vẽ
xấp xỉ một đờng thẳng từ khi bắt đầu của biểu đồ thuỷ văn dòng chảy tới điểm có lu
lợng cực đại trong các điều kiện tồn tại xuất hiện trên bờ lõm của biều đồ thuỷ văn.
Trong ví dụ này Q
hiện tại
= 93 ft
3
/s và đoạn thẳng biểu đồ thuỷ văn dòng chảy ra đợc thể
hiện trong hình E9.4 (b). Khu vực giữa đoạn thẳng biểu đồ thuỷ văn dòng chảy vào và
dòng chảy ra là xấp xỉ trữ lợng nớc khống chế yêu cầu, hoặc bằng 66,3 (ac-ft) trong ví
dụ này.

Hình E9.4 (b) Biểu đồ thuỷ văn dòng chảy vào và dòng chảy ra trong việc thiết kế hồ chứa (từ khu
vực kiểm soát lũ lụt Harris, 1984).
565
6, Sự phát triển mối quan hệ lu lợng - thời đoạn sử dụng phơng trình với D =
4,5 ft và các thông số thiết kế đợc mô tả trong bớc 3, nh đợc thể hiện trong bảng
sau:
Độ cao (ft) Thời đoạn (ft) H
t
(ft) Q
ra
(ft
3
/s)
114.1 8.0 -0.3 0
114.4 8.3 0.0 0

114.6 8.5 0.2 29
115.1 9.0 0.7 54
115.6 9.5 1.2 71
116.1 10.0 1.7 84
116.6 10.5 2.2 96
117.1 11.0 2.7 106
7, Xác định kích thớc xấp xỉ của ao khống chế. Giả thuyết ao khống chế là hình
vuông, độ dốc bờ là 1:3 và biết rằng độ sâu của ao là 10,3 ft (116,1-106,1), kích thớc
trung bình của ao là 530ft x 530ft. Cuối cùng dung tích của ao đợc thể hiện, sau quá
trình biểu đồ thuỷ văn dòng chảy vào, với độ nhám của ao là 10 % lớn hơn độ nhám của
ao khống chế có kích thớc ban đầu. Do đó, kích thớc cuối cùng của ao đạt đợc trong
một số ít các quy luật đờng quá trình đợc sử dụng là 555ft x 555ft.
8, Phát triển mối quan hệ trữ lợng - thời đoạn trên cơ sở kích thớc ao trung bình
từ bớc 7 là 555ft x 555ft, nh đợc thể hiện trong bảng dới đây:

Độ cao (ft) Thời đoạn (ft) Trữ lợng (ft
3
)
106.1 0 0
108.1 2 574992
110.1 4 1176120
112.1 6 1803384
114.1 8 2456784
116.1 10 3138977
116.6 10.5 3313914
117.1 11.0 3490637
9, Phát triển mối quan hệ lu lợng - trữ lợng trên cơ sở các bớc 6 và 8 nh
đợc thể hiện trong bảng dới đây:
Lu lợng
(ft

3
/s)
Trữ lợng
(ft
3
)
0 0
0 2456784
29 2622332
57 2792880
71 2963428
84 3138977
96 3313914
106 3490637
566
10, Đờng quá trình biểu đồ thuỷ văn dòng chảy vào đợc đề xuất trong ao khống
chế và hệ thống tiêu thoát. Cơ sở của phơng pháp đờng quá trình đợc mô tả trong
phần 4.3, theo đó ta thu đợc biểu đồ thuỷ văn dòng chảy ra. Đờng quá trình biểu đồ
thuỷ văn dòng chảy ra đợc thể hiện trong hình E9.4 (b)

Thời gian
(phút)
Q
vào
(ft
3
/s)
Trữ lợng, S
(x10
3

ft
3
)
Thời đoạn, Z
(ft)
Q
ra
(ft
3
/s)
0 0 0 0 0
15 11 0 0 0
30 43 10 0.03 0
45 91 48 0.2 0
60 151 131 0.5 0
75 215 266 0.9 0
90 276 460 1.6 0
105 327 708 2.4 0
120 361 1003 3.4 0
135 375 1328 4.5 0
150 367 1665 5.6 0
165 338 1995 6.6 0
180 295 2300 7.5 0
195 256 2562 8.3 5.5
210 222 2768 8.9 49.1
225 192 2916 9.4 67.4
240 167 3024 9.7 76.6
255 145 3102 9.9 82.6
270 126 3157 10.1 86.5
285 109 3191 10.1 88.9

300 94 3208 10.2 90.1
315 82 3212 10.2 90.4
330 71 3204 10.2 89.8
3188*
Chú ý rằng thời đoạn lớn nhất là 10,2 tơng ứng với độ cao 116,3 ft
* Phơng pháp đờng quá trình có thể dừng lại tại một giá trị trữ lợng nớc S bắt đầu
giảm xuống.
11, Phơng pháp đờng quá trình bao gồm, thời đoạn tính toán và các giá trị lu
lợng cực đại có thể đợc kiểm tra để đảm bảo rằng có thể thu đợc trữ lợng nớc lớn
nhất trong khi đó vẫn không vợt quá lu lợng cho phép. Tuỳ thuộc vào kết quả giá
trị thời đoạn, các tính chất vật lý của ao khống chế có thể cần giải quyết. Điều này có
thể gây nên sự biến đổi quan hệ trữ lợng - thời đoạn, và do đó đòi hỏi phải quay lại
bớc 8, 9,và 10. Cuối cùng trữ lợng nớc yêu cầu trên cơ sở các yêu cầu đờng quá
trình của ao khống chế để có kích thớc trung bình là 560ft x 560ft.
567
9.6.
thiết kế và phân tích đồng bằng ngập lụt tại các vùng rừng -
trờng hợp nghiên cứu điển hình
giới thiệu
Trờng hợp nghiên cứu chi tiết tiếp theo đợc thiết kế thể hiện việc sử dụng song
song 2 mô hình HEC-1 và HEC-2 trong một lu vực phát triển rộng lớn để dự báo
những ảnh hởng của sự phát triển đô thị hoá lên các cao trình bề mặt nớc và lu
lợng.
Các kết quả của mô hình đợc sử dụng cho việc xây dung các thời đoạn phát triển
khu dân c và các hồ chứa trong lu vực để làm giảm tới mức tối thiểu những điều kiện
tác động không thuận lợi của lũ lụt (Badient và các cộng sự, 1985).
Vùng rừng là một quần thể cây cối có tuổi trên 18 năm ở phía bắc thành phố
Houston, bang Texas. Từ một quan điểm thuỷ văn kế hoạch tiêu thoát chính trong sự
phát triển đô thị là duy nhất, sự phát triển đô thị đó đợc lên kế hoạch từ lúc bắt đầu
đến lúc bất kỳ tác động không thuận lợi nào dù nhỏ nhất trên đồng bằng ngập lụt với

chu kỳ 100 năm. Sự thay đổi các tiêu chuẩn phát triển đang tồn tại đợc giảm xuống tối
thiểu, đồng bằng ngập lụt không phát triển ở hai điểm kiểm soát dọc theo lu vực sông
chính, Panther Branch. Một số nghiên cứu nguồn tài nguyên nớc và chất lợng nớc
đợc thực hiện trong năm 1970 với thời đoạn phát triển của các vùng rừng (Badient và
các cộng sự, 1978; Characklis và các cộng sự, 1976).
Một lu vực có diện tích 33 sp-mi (84,5 km
2
) đợc phân tích chi tiết trong trờng
hợp nghiên cứu này, sử dụng mô hình HEC-1 và HEC-2 cho một chuỗi số liệu với thời
đoạn phát triển kênh mơng hoá lớn và để lựa chọn trữ lợng nớc hồ chứa. Sơ đồ khối
đợc mô tả trong hình 9.5, các kết quả tính toán thông qua việc chạy nhiều lần mô hình
và các chuỗi số liệu phân tích độ nhạy đợc mô tả sau đó trong phần này. Giới thiệu
thời gian và thời đoạn phát triển trên cơ sở các kết quả của mô hình thuỷ văn đợc thừa
nhận trong việc phát triển quần thể các vùng rừng. Việc đa ra các kế hoạch quản lý
nớc lũ thuận tiện cho các phép đo đạc các số liệu khác nhau trong việc kiểm soát lũ
lụt. Trong nhiều lu vực phát triển, việc hiệu chỉnh các phép đo trong việc kiểm soát lũ
lụt thờng khó đợc thực hiện do sự hạn chế đất ở các khu vực thợng lu và sự thiếu
hụt có thể dùng đợc bên phải các con đờng.
Hệ thống thuỷ văn ở các vùng rừng
Lu vực Panther Branch đợc chia thành một số lu vực phụ và các đoạn sông
trong việc phân tích thuỷ văn, nh đợc thể hiện trong hình 9.6. Hai sông chính bao
gồm hệ thống lu vực tự nhiên trong lu vực Panther Branch và phụ lu của chúng,
Bear Branch. Hai điểm kiểm soát quan trọng đợc xác định trong lu vực Panther
Branch một là điểm 4 bên dới khu vực ảnh hởng của sông chính Panther Branch và
phụ lu Bear Branch và điểm 2 trong sông chính tại đại lộ các vùng rừng.
568

Hình 9.5. Biểu đồ lu lợng của toàn bộ phơng pháp (từ Bedient và các cộng sự, 1985)
Số liệu địa hình trong những vùng rừng thu đợc từ các bản đồ địa hình có khoảng
cách đờng viền là 1,0 ft, chúng cho phép tạo ra các khu vực thuỷ văn lân cận trong mô

hình HEC-1. Trong các khu vực bên ngoài các vùng rừng, gần đây phần lớn các bản đồ
hình tứ giác tối thiểu nghiên cứu địa chất Mỹ với khoảng cách đờng viền là 5,0 ft đợc
sử dụng.
Lợng ma thời đoạn 24 giờ với chu kỳ 100 năm đó có thể xuất hiện trong lu vực,
569