76 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập Chương v n Tính toán dòng chảy năm phân phối dòng chảy năm thiết kế 2.1 Yêu cầu tính toán co ld Trong tính toán thiết kế công trình cần biết lượng nước đến, dạng phân phối năm thay đổi nhiều năm lượng dòng chảy mặt cắt sông đó, tùy công trình cụ thể mà có yêu cầu nội dung khác Thí dụ: hồ điều tiết năm (mùa) yêu cầu lượng dòng chảy năm phân phối dòng chảy năm tuyến công trình phù hợp tần suất thiết kế Đối với hồ điều tiết nhiều năm cần tìm hiểu đặc trưng dòng chảy nhóm năm nhiều nước, nhóm năm nước Những công trình dẫn nước, cấp nước thủy điện tính điều tiết cần biết thời gian trì lưu lượng cấp lưu lượng .v n 2.2 Chỉnh Lý tài liệu dòng chảy w Bổ sung kéo dài Chuỗi dòng chảy năm chuỗi dòng chảy thời khoảng cần đủ tính đại biểu tức yêu cầu chuỗi số liệu chu kỳ hoàn chỉnh gồm năm nước lớn, nước trung bình năm nước Vì chuỗi số liệu dòng chảy thực đo số sông ngắn thiếu đo nên cần phải kéo dài bổ sung Các phương pháp bổ sung kéo dài số liệu có: w a Phương pháp tương quan dòng chảy Lập quan hệ tương quan dòng chảy dòng chảy trạm nghiên cứu với dòng chảy trạm thượng hạ lưu lưu vực lân cận Điều kiện chọn trạm tham khảo là: w 1) Trạm nghiên cứu trạm tham khảo có thời gian đồng quan trắc dài trạm tham khảo có số liệu năm cần bổ sung có số liệu dài 2) Quan hệ tương quan tốt b Phương pháp tương quan mưa - dòng chảy Lập quan hệ tương quan mưa bình quân lưu vực với dòng chảy để tìm dòng chảy năm thiếu đo Phương pháp dùng nhiều cho lưu vực vừa nhỏ Cần kiểm tra tính hợp lý đường tương quan mưa rào - dòng chảy theo nguyên nhân vật lý, phần kéo dài 77 a - tính toán thủy văn n co ld ổF Wa = ỗ a ữ Wb ố Fb ứ v n c Phương pháp tương tự thủy văn Xuất phát từ việc phân tích tính tương tự điều kiện địa lý khí hậu dòng chảy, dùng số phương pháp tương đối đơn giản để bổ sung kéo dài chuỗi dòng chảy mặt cắt thiết kế 1) Phương pháp mượn trực tiếp, mặt cắt thiết kế gần với trạm trạm nhập lưu khu có tỷ lệ không lớn (nhỏ 5%), sử dụng trực tiếp tài liệu dòng chảy trạm trạm Thí dụ: tuyến thiết kế có tài liệu mực nước mà tài liệu lưu lượng lập trực tiếp quan hệ mực nước trạm thiết kế với lưu lượng trạm trạm dưới, từ tìm lưu lượng ứng với mực nước tương ứng 2) Theo tỷ lệ diện tích Khi mặt cắt thiết kế cách trạm thượng hạ lưu xa lượng nhập khu lớn tìm lượng dòng chảy trạm theo công thức hiệu chỉnh sau: (2-1) đó: n - số kinh nghiệm xác định theo tài liệu thực đo khu vực; Wa, Wb - lượng dòng chảy lưu vực thiết kế lưu vực tương tự; v n Fa, Fb - diện tích lưu vực thiết kế lưu vực tương tự w w w Tính toán hoàn nguyên Khi phía mặt cắt thiết kế có công trình trữ nước dẫn nước đ phát sinh trường hợp vỡ đê, vỡ đập đổi dòng làm thay đổi lượng dòng chảy tự nhiên trình dòng chảy phải tính toán hoàn nguyên để bảo đảm cho tài liệu có tính đồng Tài liệu dòng chảy nguyên tắc cần hoàn nguyên trạng thái tự nhiên sau phân tích Phương pháp hoàn nguyên tùy tình hình cụ thể mà chọn, chủ yếu dựa vào nguyên lý cân nước 1) Sau xây dựng kho nước tác dụng điều tiết kho nước làm thay đổi trình phân phối năm nhiều năm dòng chảy, cộng lượng dòng chảy trạm vào hồ chứa với lượng dòng chảy khu từ trạm vào hồ tới tuyến đập để tính lượng dòng chảy tuyến đập Nếu trạm vào hồ tài liệu dòng chảy khu sử dụng lượng nước xả kho nước số liệu trữ nước kho để tính lượng dòng chảy tuyến đập Nếu lượng tổn thất bốc mặt hồ, thấm v.v lớn hoàn nguyên cần tính thêm mục 2) Khi thượng lưu có vỡ đê, phân lũ lấy lượng dòng chảy thượng lưu điểm phân lũ cộng với lượng dòng chảy khu để tìm lượng dòng chảy mặt cắt thiết kế 78 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập v n Phân tích tính đại biểu Phân tích tính đại biểu thường tiến hành theo cách sau: 1) So sánh chuỗi ngắn chuỗi dài: Nếu thượng lưu, hạ lưu vùng phụ cận có chuỗi dòng chảy dài chuỗi dòng chảy trạm thiết kế so sánh đặc trưng chuỗi dài chuỗi ngắn (bằng chuỗi số liệu trạm thiết kế), phân tích tính đại biểu chuỗi ngắn Nếu lưu vực thiết kế có chuỗi mưa dài chuỗi dòng chảy so sánh chuỗi dài, chuỗi ngắn số liệu mưa để phân tích tính đại biểu chuỗi số liệu ngắn Cơ sở phương pháp cho chuỗi số liệu dài có tính đại biểu cao Nội dung phương pháp so sánh trị số bình quân chuỗi ngắn dài, tỷ lệ dòng chảy mùa lũ, mùa cạn so với lượng dòng chảy toàn năm chuỗi có năm đặc biệt nhiều nước, đặc biệt nước không? co ld 2) So sánh tài liệu đồng với lưu vực lân cận: Đối với lưu vực vừa nhỏ, miền đồng khí hậu có lưu vực có điều kiện mặt đệm đồng với lưu vực thiết kế, ta so sánh chuỗi dòng chảy đồng lưu vực thiết kế với lưu vực tham khảo để xem tình hình thiên lớn thiên nhỏ đặc trưng dòng chảy lưu vực thiết kế w v n 3) Điều tra tình hình lũ lịch sử: Thông qua điều tra tình hình lũ, hạn lịch sử lưu vực thiết kế lưu vực lân cận; phân tích quy luật xuất năm nhiều nước, năm nước chu kỳ xuất chúng để nhận xét tính đại biểu lưu vực thiết kế Với hồ chứa điều tiết nhiều năm xuất nhóm năm nước chu kỳ quan trọng việc phán đoán tính đại biểu Nếu tài liệu thực đo có bổ sung kéo dài ngắn khó phân tích chu kỳ xuất nhóm năm nước, việc phân tích tài liệu điều tra quan trọng 2.3 Tính toán tần suất dòng chảy năm thời khoảng w w Chọn mẫu Đối với dòng chảy năm thời khoảng năm Do có năm lịch năm thủy lợi nên thời gian bắt đầu kết thúc năm có khác Năm lịch theo số liệu thủy văn đ chỉnh biên, năm thủy lợi xác định theo yêu cầu điều tiết dòng chảy (theo khả điều tiết kho nước nhiệm vụ cấp nước ) Trong thực tế lấy thời gian cuối tháng cuối thời kỳ cấp nước làm phân giới Phương pháp chọn mẫu lượng dòng chảy thời khoảng năm cố định thời khoảng (như 1, 3, tháng) mà không cố định thời gian bắt đầu kết thúc Hàng năm lấy lượng dòng chảy thời khoảng kiệt làm mẫu Khi chọn mẫu không xem xét thời khoảng có bao hay không chọn mẫu thời khoảng liên tục kiệt 79 a - tính toán thủy văn 2.4 Tính toán l-u l-ợng kiệt v n Tính toán tần suất Trong tính toán dòng chảy năm thiết kế, dạng phân phối Pearson III thường phù hợp - 3CV Ê CS Ê 3CV Hơn toán tính tần suất thiết kế dòng chảy năm toán nội suy chuỗi số thực đo, dạng đường cho giá trị không sai khác lớn nên thường quan tâm Nếu đường tần suất không thật thích hợp toàn điểm tần suất kinh nghiệm nên ưu tiên phần tần suất lớn Trong thực tế mẫu thường có dung lượng nhỏ người ta ước lượng trị bình quân CV, CS xác định theo mCV co ld Lưu lượng kiệt lưu lượng kể từ dòng chảy mặt giảm nhỏ, dòng chảy ngầm cung cấp cho lượng dòng chảy sông ngòi Trong thiết kế thường quan tâm lưu lượng nhỏ năm, tháng, thời kỳ kiệt: w w v n Phân tích tần suất l-u l-ợng nhỏ Khi có tài liệu đo đạc liên tục 20 năm tính toán tần suất chuỗi lưu lượng nhỏ để xác định lưu lượng kiệt ứng với tần suất thiết kế 1) Chọn mẫu chuỗi lưu lượng nhỏ nhất: Từ bảng lưu lượng bình quân ngày niên giám thủy văn chọn chuỗi lưu lượng nhỏ năm nhỏ số tháng làm mẫu thống kê 2) Điều tra lưu lượng nhỏ nhất: Nếu chung quanh có cảng, bến qua sông nơi lấy nước dễ dàng điều tra mực nước thấp lịch sử (hoặc độ sâu nhỏ nhất), phải cố gắng điều tra để kéo dài tài liệu Dựa vào kết thực đo điều tra để tính toán tần suất tìm lưu lượng nhỏ ứng với tần suất thiết kế Đường tần suất lý luận chuỗi số lưu lượng nhỏ thường dùng dạng phân bố Pearson III Nhiều sông vùng ven biển miền Trung thường cho hệ số biến đổi dòng chảy kiệt lớn CV 0,50 hệ số không đối xứng thường dương w Các ph-ơng pháp khác để tính l-u l-ợng nhỏ Tính toán lưu lượng nhỏ có phương pháp khác như: phương pháp công thức kinh nghiệm, phương pháp đường đẳng trị phương pháp tương tự thủy văn Phương pháp tương tự thủy văn sử dụng trường hợp số liệu số liệu Để sử dụng tốt phương pháp cần có tài liệu phân vùng địa chất thủy văn nhằm lựa chọn lưu vực có điều kiện địa chất thủy văn tương tự, trọng vào diện tích tập trung nước, địa hình, thổ nhưỡng, độ phủ rừng, độ ao hồ tương tự 80 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập Q0 ~ Q1, Q1 ~ Q2, , Qn1 ~ Qn, v n 2.5 Đ-ờng trì l-u l-ợng Các công trình nhà máy thủy điện điều tiết ngày, công trình lấy nước, vận tải thủy hạ lưu v.v cần biết số ngày trì lưu lượng lớn giá trị năm bao nhiêu? cần vẽ đường trì lưu lượng Đường trì lưu lượng vẽ từ tài liệu thực đo theo cách sau: Theo bảng lưu lượng bình quân ngày ta chia số liệu năm cần nghiên cứu thành số cấp lưu lượng xếp từ lớn đến nhỏ thống kê số ngày xuất lưu lượng cấp t1, t2, , tn, tính số ngày tích lũy cấp lưu lượng n (i = 1, , n) co ld t i = t1 + t + + t n i =1 sau tính số thời gian (%) trì lưu lượng lớn lưu lượng Qi n Pi = ti i =1 365 100% v n Đường quan hệ Qi ~ Pi đường trì lưu lượng bình quân ngày năm (hình 2-1) 50 45 w 40 35 Q(m3/s) 30 w w 25 20 15 10 P 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình 2-1 Đường trì lưu lượng bình quân ngày Có phải vẽ đường trì lưu lượng mùa thời khoảng định, nghĩa coi số ngày mùa thời khoảng 100% cách làm ta đường trì lưu lượng mùa thời khoảng 81 a - tính toán thủy văn Khi chia cấp lưu lượng cần xét tới yêu cầu sử dụng, thí dụ cần tìm công suất bảo đảm trạm thủy điện từ lưu lượng bảo đảm tra đường trì lưu lượng mức bảo đảm thủy điện cao nên phần lưu lượng nhỏ cần phân cấp nhỏ phần lưu lượng lớn Trong trường hợp chuỗi lưu lượng bình quân ngày, biểu thị đường cong trì lưu lượng hàm mũ có dạng: b đó: Kn - hệ số mođuyn lưu lượng ngày; Kn = Q ni Qn K n max = , co ld Knmax - hệ số mođuyn lưu lượng ngày lớn nhất; (2-2) v n K n = K n max e -ap Q n max (2-3) Qn Qni - lưu lượng trung bình ngày thứ i; Qnmax - lưu lượng trung bình ngày lớn n năm tính toán; v n Q n - lưu lượng trung bình ngày bình quân n năm; a = ln Q n max Q n (2-4) Qnmin - lưu lượng trung bình ngày nhỏ n năm; l n K n max a lgp* w lg b= (2-5) w p - tần suất thời gian trì lưu lượng ngày w p= T 365 p* = T* 365 (2-6) (2-7) T* - thời gian mùa lũ xác định theo tiêu chí vượt trung bình; T - thời gian trì lưu lượng ngày Qnmax, Q n , Qnmin - xác định theo phương pháp tính toán trường hợp chuỗi quan trắc dòng chảy 82 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập 2.6 tính phân phối dòng chảy năm Sau tìm lượng dòng chảy (hoặc lưu lượng bình quân) năm thời khoảng ứng với tần suất thiết kế W(t) ta tìm trình phân phối dòng chảy năm thiết kế Quá trình phân phối dòng chảy năm thiết kế thường thu phóng theo dạng năm điển hình chọn từ chuỗi số liệu thực đo co ld v n Nguyên tắc chọn trình phân phối năm điển hình 1) Năm có tài liệu đáng tin cậy 2) Lượng dòng chảy năm thời khoảng điển hình xấp xỉ lượng dòng chảy thiết kế tương ứng 3) Dạng phân phối bất lợi công trình, thí dụ thời kỳ kiệt dài, phân phối thời kỳ kiệt không Ph-ơng pháp thu phóng Thường dùng hai phương pháp sau: 1) Phương pháp tỷ số Tùy theo tính chất yêu cầu công trình vận tải thủy, điều tiết khống chế Q(t) - lưu lượng trung bình thời khoảng đó, lấy tỷ số trị số thiết kế Q(t)p với trị số điển hình Q(t)d thu phóng v n trình điển hình ta trình phân phối thiết kế: Q i,p = đó: Q(t)p Q(t)d Q i,d (2-8) w Qi,d - lưu lượng bình quân thời khoảng i trình điển hình; Qi,p - lưu lượng bình quân thời khoảng i trình thiết kế w w 2) Phương pháp tần suất Trong thiết kế công trình nhiều tính toán thủy lợi với phương án khác thường yêu cầu phân phối năm thời khoảng phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế Khi dùng phương pháp thu phóng theo nhiều tỷ số khống chế thời khoảng năm tần suất để tìm phân phối dòng chảy năm thiết kế Thí dụ yêu cầu lượng dòng chảy tháng, tháng năm phù hợp với tần suất thiết kế p, tỷ lệ thu phóng thời khoảng là: tháng nhỏ nhất: K (3) = W(3)p W(3)d (2-9) 83 a - tính toán thủy văn tháng tháng nhỏ nhất: W(5)p - W(3)p K (5-3) = (2-10) W(5)d - W(3)d tháng lại: W(12)p - W(5)p (2-11) W(12)d - W(5)d v n K (12-5) = đó: W(t) = Q(t) t (2-12) co ld Thí dụ tính toán: Tính toán phân phối dòng chảy năm thiết kế tuyến đập BĐ sông Srepok Sau phân tích chọn năm 1977 1978 làm năm đại biểu kiệt (p = 85%) thu phóng theo phương pháp tỉ số phương pháp tần suất (khống chế tần suất thời khoảng 3, 5, 12 tháng, W(3)p = 143 m3/s.tháng, W(5)p = 291 m3/s.tháng, W(12)p = 2044 m3/s.tháng) ghi bảng (2-1) Mùa lũ từ tháng VII đến tháng XII Mùa kiệt từ tháng I đến tháng VI hàng năm w w v n Sau thu phóng theo phương pháp tần suất, kiểm tra lại xem lượng dòng chảy thời khoảng khống chế có phù hợp với trị số thiết kế không? Nếu phát thấy lượng dòng chảy tháng nhỏ không phù hợp thời gian bắt đầu kết thúc tháng nhỏ không đồng cần phải hiệu chỉnh Cách hiệu chỉnh cộng thêm hay bớt lượng nước tháng đầu hay cuối tháng nhỏ tạo thời khoảng tháng nhỏ năm thiết kế trùng với tháng nhỏ năm điển hình Lượng nước thêm vào hay bớt bớt hay thêm vào tháng tháng lại cho tổng lượng nước 12 tháng không đổi Phần hiệu chỉnh ghi vào hàng cuối bảng 2-1 (mục "sau hiệu chỉnh") w Bảng 2-1 Phân phối lượng dòng chảy tháng năm kiệt Lượng dòng chảy thời khoảng (m3/s.tháng) Lưu lượng nước tháng (m3/s) VI 12 tháng tháng tháng Năm điển Lưu 144 140 514 384 224 112 76,0 53,6 44,7 43,0 100 111 hình lượng nước (77-78) VII-VI 1946,3 I-V 317,3 II-IV 141,3 Tháng VII VIII IX X XI XII I II III IV V 84 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập Lượng dòng chảy thời khoảng (m3/s.tháng) Lưu lượng nước tháng (m3/s) Tháng VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI K tháng VII-VI 2044 I-V 333,2 II-IV 148,4 VII-VI 2044 I-V 291 II-IV 143 1,076 1,076 1,076 1,076 1,076 1,076 0,84 1,01 1,01 1,01 0,84 1,076 Lưu lượng 154,9 150,6 553,1 413,2 241,0 120,5 63,8 54,1 45,1 43,4 84,0 119,4 nước co ld Năm thiết kế p = 85% Phương pháp tần suất tháng v n Năm thiết kế K 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05 p = 85% Phương pháp Lưu lượng 151,2 147 539,7 403,2 235,2 117,6 79,8 56,3 46,9 45,2 105 116,6 tỉ số nước 12 tháng Sau hiệu chỉnh 2.7 -ớc tính dòng chảy năm thiếu tài liệu đo đạc v n Trường hợp lưu vực thiếu tài liệu đo đạc dòng chảy mà cần nghiên cứu sơ hay quy hoạch sử dụng đồ đẳng trị dòng chảy năm w w w nước ta, tỉnh, vùng hầu hết đ vẽ đồ đẳng trị dòng chảy năm Đặc điểm thủy văn Tỉnh hay tập Atlat tỉnh (Daklak) thành phố (Hà Nội), Atlat quốc gia, Chương trình nghiên cứu KC12 Có thể chia chúng thành loại: đường đẳng trị thông số thống kê dòng chảy năm trị bình quân dòng chảy năm (thường biểu thị độ sâu dòng chảy y0 hay moduyn dòng chảy M0 (l/skm2), hệ số biến đổi CV, CS/CV phân khu; dạng khác vẽ đường đẳng trị dòng chảy năm theo tần suất thiết kế (p = 10, 20, 50, 75, 90% ) Để thỏa mn yêu cầu thiết kế công trình thủy lợi - thủy điện, tỉnh, quan nghiên cứu sản xuất đ vẽ đồ đẳng trị đặc trưng thủy văn với thời khoảng khác lượng dòng chảy năm, mùa lũ, mùa cạn, 1, 3, tháng nhỏ Các b-ớc ph-ơng pháp sử dụng đ-ờng đẳng trị tính toán l-ợng dòng chảy năm 1) Theo yêu cầu công trình, xác định thời khoảng t tần suất thiết kế p Từ vị trí hình dạng lưu vực thiết kế, xác định trọng tâm lưu vực Tìm trọng tâm lưu vực phương pháp đơn giản từ hướng khác vẽ đường cắt lưu vực thành phần diện tích nhau, giao điểm đường vị trí cần tìm 85 a - tính toán thủy văn 2) Tra đồ đẳng trị Từ tần suất đ cho tra trực tiếp đường đẳng trị dòng chảy năm ta trị số thiết kế tra thông số thống kê đồ đẳng trị tương ứng sau tính giá trị thiết kế m= v n Khi tra đường đẳng trị, lưu vực nhỏ đường đẳng trị phân bố lưu vực xác định trực tiếp từ đường đẳng trị qua trọng tâm lưu vực, nội suy từ hai đường đẳng trị chạy sát trọng tâm lưu vực Nếu lưu vực lớn đường đẳng trị phân bố không phải dùng phương pháp bình quân có trọng số để tính đặc trưng thiết kế từ diện tích phận ộ1 1 ( m1 + m2 ) f1 + ( m2 + m3 ) f2 + + ( m n-1 + m n ) fn-1 ựỳ (2-13) F ở2 2 ỷ đó: F - diện tích lưu vực; co ld f1, f2, , fn-1 - diện tích phận kẹp đường đẳng trị .v n Chú ý dùng đ-ờng đẳng trị 1) Khi sử dụng đường đẳng trị cần tìm hiểu phương pháp vẽ chúng số liệu sử dụng vẽ, có vài đồ đẳng trị với ngày vẽ khác nên chọn đồ có ngày vẽ gần 2) Khi lưu vực không khép kín có điều kiện địa chất đặc biệt không nên sử dụng đồ đẳng trị mi+3 w mi C mi+2 w mi+1 fi+1 mi+3 w mi+2 m3 mi+1 m2 mi m1 f1 m3 C m2 m1 Hình 2-2 Xác định đặc trưng m theo đồ đường đẳng trị m ... có dạng: b đó: Kn - hệ số mođuyn lưu lượng ngày; Kn = Q ni Qn K n max = , co ld Knmax - hệ số mođuyn lưu lượng ngày lớn nhất; ( 2-2 ) v n K n = K n max e -ap Q n max ( 2-3 ) Qn Qni - lưu lượng trung... b= ( 2-5 ) w p - tần suất thời gian trì lưu lượng ngày w p= T 365 p* = T* 365 ( 2-6 ) ( 2-7 ) T* - thời gian m a lũ xác định theo tiêu chí vượt trung bình; T - thời gian trì lưu lượng ngày Qnmax, Q... nước ta, tỉnh, vùng hầu hết đ vẽ đồ đẳng trị dòng chảy năm Đặc điểm thủy văn Tỉnh hay tập Atlat tỉnh (Daklak) thành phố (Hà Nội), Atlat quốc gia, Chương trình nghiên cứu KC12 Có thể chia chúng