Luận án tiến sĩ: Biến động mưa lũ và cơ sở khoa học tính lũ cho công trình giao thông vùng núi Đông Bắc – Việt Nam (2016)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI DOÃN THỊ NỘI NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƢA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC–VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI DOÃN THỊ NỘI NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA MƢA LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG VÙNG NÚI ĐÔNG BẮC–VIỆT NAM Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 62-44-02-24 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1.TS Ngô Lê Long 2.TS Hoàng Thanh Tùng HÀ NỘI, NĂM 2016 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Doãn Thị Nội i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Ngô Lê Long, PGS.TS Hoàng Thanh Tùng đã tận tình hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH, Tập thể các Thầy cô giáo khoa Thủy văn và Tài nguyên nƣớc, Phòng Khoa học Công nghệ, Trƣờng Đại Học Thủy Lợi - Hà Nội, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại Học Giao Thông Vận Tải, Khoa Công Trình, Bộ môn Thủy Lực - Thủy Văn, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian và công việc giúp tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn sát cánh động viên tác giả vƣợt qua mọi khó khăn để thực hiện luận án của mình. Tác giả luận án ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC.

iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.v DANH MỤC BẢNG BIỂU. viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu nghiên cứu.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Những đóng góp mới của luận án.

Cấu trúc của luận án .4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG .1 Tổng quan về tính lũ thiết kế .1 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế trên thế giới .2 Các nghiên cứu về tính lũ thiết kế ở Việt Nam .2 Tổng quan tính lũ thiết kế cho công trình giao thông .1 Tính lũ thiết kế ở các nƣớc Nhật, phƣơng Tây và Mỹ .2 Tính lũ thiết kế ở các nƣớc Đông Âu và Nga.3 Tính lũ thiết kế ở Việt Nam.3 Những hạn chế trong tính lũ thiết kế cho giao thông ở Việt Nam.4 Đề xuất hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu .5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu.1 Đặc điểm tự nhiên .2 Đặc điểm khí tƣợng thủy văn .3 Tình trạng giao thông và các sự cố công trình trong mùa mƣa lũ.4 Tình hình tài liệu nghiên cứu .6 Kết luận chƣơng I .39 CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU .1 Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế .1 Phƣơng pháp của Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ (SCS - CN) .2 Phƣơng pháp mô hình quan hệ .3 Phƣơng trình hồi quy .2 Cơ sở dữ liệu của các phƣơng pháp tính lũ thiết kế .1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mƣa .2 Xây dựng cơ sở dữ liệu mặt đệm .3 Kết luận chƣơng II .99 CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP TÍNH LŨ THIẾT KẾ CHO CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG.1 Cơ sở phân nhóm công trình thoát nƣớc trong tính lũ thiết kế .2 Tính thử nghiệm theo các phƣơng pháp khác nhau .1 Thông số tính toán của các lƣu vực cầu tính thử nghiệm .2 Tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS - CN .3 Tính lũ thiết kế theo mô hình quan hệ .4 Tính lũ thiết kế theo phƣơng trình hồi quy tƣơng quan .5 Tính lũ theo pp Xokolopsky và CĐGH (TCVN 9845:2013) .6 Đánh giá kết quả tính theo các phƣơng pháp .3 Đề xuất phƣơng pháp tính phù hợp .4 Xây dựng chƣơng trình tính lũ thiết kế cho các công trình giao thông .1 Giới thiệu chung về chƣơng trình tính .2 Cấu trúc của chƣơng trình tính .3 Hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình tính .5 Kêt luận chƣơng III .128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .133 TÀI LIỆU THAM KHẢO .139 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông trên thế giới .2 Các phƣơng pháp tính lũ cho giao thông ở Việt Nam .3 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu .4 Bản đồ khu vực nghiên cứu (vùng Đông Bắc) .5 Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) .6 Bản đồ các tuyến đƣờng chính khu vực nghiên cứu .7 Bản đồ bố trí các công trình thoát nƣớc khu vực nghiên cứu .8 Nƣớc chảy gây xói mái ta luy dƣơng vì không có rãnh dọc tuyến [39] .9 Tuyến đƣờng nội tỉnh ở Lạng Sơn bị ngập năm 2013 và xói ta luy âm .10 Nƣớc lũ tràn qua mặt đƣờng .11 Cầu Sam Lang lúc khánh thành và bị lũ cuốn trôi (sau hai tháng sử dụng) .12 Bản đồ các trạm khí tƣợng khu vực nc (Tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn) .1 Đƣờng quá trình lũ đơn vị theo phƣơng pháp SCS .2 Sơ đồ tính lũ thiết kế theo phƣơng pháp SCS-CN .3 Sơ đồ tính lƣu lƣợng thiết kế theo phƣơng pháp mô hình quan hệ .4 Đƣờng đi của các trận bão năm 2012 và năm 2013 .5 Đƣờng đi của trận bão Utor năm 2013 .6 Thành phố Lạng Sơn ngập trong nƣớc lũ năm 2014 .7 Đƣờng đi của các trận bão năm 2014 và 2015 .8 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn .9 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Hữu Lũng và Lạng Sơn .10 Biến đổi lƣợng mƣa ngày lớn nhất trạm Ngân Sơn và Thất Khê .11 Bản đồ hệ số biến thiên lƣợng mƣa ngày max (CV) vùng Đông Bắc .12 Sơ đồ xây dựng IDF theo hàm mũ .13 Tƣơng quan X1ng max-X1h max; X1ng max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) .14 Tƣơng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12h max Bắc Kạn-Lạng Sơn(T=100) .15 Tƣơng quan X1ng max- X24 h max tỉnh Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=100) .16 Tƣơng quan X1ng max-X1h max; X1ngay max-X3hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) .17 Tƣơng quan X1ng max-X6h max; X1ng max-X12hmax Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) .18 Tƣơng quan X1ng max-X24h max Bắc Kạn-Lạng Sơn (T=50) .19 Sơ đồ các bƣớc xây dựng đƣờng cong IDF (khu vực nghiên cứu) .20 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 5 năm và T = 10 năm phút) .21 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 25 năm và T = 50 năm, phút) .22 Bộ đƣờng cong IDF (Lạng Sơn, T = 100 và T = 200 năm, phút) .23 Bộ đƣờng cong IDF trạm Lạng Sơn và Đình Lập .24 Bản đồ đẳng trị cƣờng độ mƣa (I-1-100) (Bắc Kạn và Lạng Sơn) .25 Đƣờng cong IDF trạm Hữu Lũng thực đo và tƣơng quan hàm mũ .26 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Bắc Kạn và Bắc Sơn .27 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Chợ Rã và Đình Lập .28 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Lạng Sơn và Ngân Sơn .29 Phân bố lũy tích mƣa 24h trạm Thất Khê.30 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ chỉ số CN.31 Bản đồ loại đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn .32 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn .33 Bản đồ chỉ số CN tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn .34 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số dòng chảy C .35 Bản đồ hệ số dòng chảy tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn (S > 6%) .36 Sơ đồ các bƣớc xây dựng bản đồ hệ số nhám Manning n .37 Bản đồ hệ số nhám Manning tỉnh Bắc Kạn và Lạng Sơn .38 Bản đồ lƣu vực cầu Bắc Khƣơng .1 Bản đồ lƣu vực cầu Can .2 Bản đồ lƣu vực cầu Bản Chắt .3 Bản đồ lƣu vực cầu Pắc Vằng .4 Bản đồ lƣu vực cầu Kỳ Lừa.5 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và hệ số nhám lƣu vực cầu Can.6 Bản đồ hệ số dòng chảy và chỉ số CN lƣu vực cầu Can .7 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lƣu vực cầu Bản Chắt .8 Bản đồ hệ số dòng chảy và hệ số nhám lƣu vực cầu Bản Chắt .9 Bản đồ hiện trạng và chỉ số CN lƣu vực cầu Pắc Vằng .10 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy C lƣu vực cầu Pắc Vằng .11 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất và chỉ số CN lƣu vực cầu Kỳ Lừa .12 Bản đồ hệ số nhám và hệ số dòng chảy lƣu vực cầu Kỳ Lừa .13 Quá trình lũ thực đo và tính toán tại Trạm Lạng Sơn (2008 và 2013) .14 Quá trình mƣa và lũ thiết kế lƣu vực cầu Kỳ Lừa và cầu Pắc Vằng .15 Quá trình mƣa và lũ thiết kế lƣu vực cầu Bản Chắt và cầu Can .16 Các bƣớc tính theo phƣơng pháp CIA .17 Tƣơng quan giữa Q100 ~A và Q50~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn .18 Tƣơng quan giữa Q25~A và Q10 ~A tại Bắc Kạn - Lạng Sơn .19 Giao diện ban đầu trên nền ảnh vệ tinh của Google map .20 Sơ đồ khối xây dựng chƣơng trình tính .21 Giao diện ban đầu của chƣơng trình tính trên nền bản đồ.22 Kết quả tính lũ cầu Can theo pp CIA (Trên nền ảnh vệ tinh) .127 Hình 1 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 5 năm và T = 10 năm .139 Hình 2 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 25 năm và T = 50 năm .139 Hình 3 Bộ đƣờng cong IDF các trạm khi T = 100 năm và T = 200 năm .139 Hình 4 Bộ đƣờng cong IDF trạm Thác Giềng và Chợ Mới .140 Hình 5 Bộ đƣờng cong IDF trạm Chợ Đồn và An Tịnh .140 Hình 6 Bộ đƣờng cong IDF trạm Bằng Khẩu và Bằng Lũng .140 vi Hình 7 Bộ đƣờng cong IDF trạm Bằng Phúc và Cốc Đán .140 Hình 8 Bộ đƣờng cong IDF trạm Côn Minh và Đông Lạc .140 Hình 9 Bộ đƣờng cong IDF trạm Dƣơng Phong và Hảo Nghĩa .140 Hình 10 Bộ đƣờng cong IDF trạm Liên Thụy và Nà Pạc .