Giới thiệu một số phương pháp tính mưa lớn nhất khả năng PMP

Trong những năm gần đây, các nước trên thế giới đã nghiên cứu và đề xuất nhiều tiêu chuẩn thiết kế cho công trình dựa vào lượng mưa lớn nhất khả năng (PMP). Tại Việt Nam, một số công trình thủy lợi, thủy điện quan trọng cũng được đề xuất tính toán và đánh giá an toàn dựa trên số liệu đầu vào của PMP, đặc biệt ở một số dự án do vốn ODA tài trợ. Đây là một quan điểm mới nhằm nâng cao hệ số an toàn cho công trình. Bài báo này giới thiệu khái quát quá trình phát triển và áp dụng lượng mưa lớn nhất khả năng vào việc thiết kế công trình trên thế giới và Việt Nam, đồng thời giới thiệu một số phương pháp tính PMP đang được áp dụng hiện nay.

I. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN MƯA LỚN NHẤT KHẢ NĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Theo Tổ chức khí tượng thế giới (WMO - 1986), mưa lớn nhất khả năng (Probable Maximum Precipitation - PMP) được định nghĩa là “lượng nước mưa lớn nhất về mặt lý thuyết có khả năng xảy ra trên một khu vực lãnh thổ xác định trong một khoảng thời gian nhất định trong năm”. Nó được coi là giới hạn trên của lượng mưa lớn nhất của một thời đoạn có thể xuất hiện trong mỗi vùng địa lý” (WMO 1986). PMP với nhiều thời đoạn khác nhau sẽ tạo nên một trận mưa lớn nhất có khả năng xảy ra (PMPs). Hiện nay nhiều nước trên thế giới đã sử dụng lượng mưa cùng với sự phân phối của PMP theo thời gian và không gian để xác định lũ lớn nhất có khả năng xảy ra trên lưu vực (Probable Maximum Flood - PMF). Từ đó tính toán thiết kế các công trình hồ, đập nước... đặc biệt trong việc thiết kế hoặc mở rộng các tràn để giảm thiểu thiệt hại do lũ tràn qua đỉnh đập.

Thuật ngữ PMP được ra đời vào những năm 50 thế kỷ trước. Nhưng trước đó, từ những năm 1910 tại Mỹ, người ta đã tìm cách thiết kế các công trình chống lũ cho các trận lũ lớn nhất khả năng được xác định từ đường bao những số liệu đỉnh lũ. Tại thời điểm đó, một số các công thức thống kê kinh nghiệm đã được xây dựng để tính toán các trận lũ lớn nhất này [13]. Khoảng năm 1920, các kỹ sư ở Ohio, Mỹ đã thực hiện một chương trình nghiên cứu các trận mưa sinh lũ lớn để xây dựng đường quan hệ thời đoạn mưa – diện tích – lượng mưa dùng cho việc quy hoạch và thiết kế công trình phòng lũ tổng thể ở Thung lũng Miami. Nghiên cứu cho thấy, các đỉnh lũ đo được phụ thuộc vào địa hình, diện tích của từng lưu vực và vị trí tâm mưa của trận bão. Từ các khu vực có điều kiện khí hậu tương tự, những vùng có các giá trị mưa quan trắc lớn nhất cũng có tiềm năng sinh ra các trận lũ lớn nhất hơn là ở các vùng còn lại. Vào những năm 1930, cũng tại Ohio, Mỹ đã tính toán mưa được gọi là “khả năng lớn nhất”. Đến cuối thập kỷ 30, đầu thập kỷ 40 thế kỷ trước, người ta đã phát hiện ra rằng việc lấy đường bao trên các giá trị mưa lớn nhất và chuyển vị trận mưa này chưa chắc đã tạo ra giới hạn trên của khả năng mưa trên lưu vực. Các khái niệm về phân tích khối khí đã cho thấy trong bất kỳ hệ thống mưa bão nào, các yếu tố như độ ẩm của khối không khí di chuyển đến, tốc độ của gió mang ẩm đến lưu vực, và lượng hơi nước sẵn có có thể tạo ra giới hạn của trận mưa trên lưu vực. Chính vì vậy, với bất kỳ trận mưa lớn nào đo được, nếu các yếu tố trên nhỏ hơn giới hạn của nó thì có thể sử dụng một hệ hiệu chỉnh để tìm ra lượng mưa lớn nhất khả năng trong lưu vực của nó [US].

Từ những năm 1950, đã có nhiều phương pháp tính toán mưa PMP được phát triển ở Mỹ và ở Úc. Cơ quan Thời tiết Quốc gia Mỹ (NWS) đã công bố và chỉnh sửa bổ sung một số các báo cáo Khí tượng Thuỷ văn (HMRs) để tính toán mưa PMP cho các vùng khác nhau ở Mỹ. Phương pháp tiếp cận của NWS có ba thành phần chính: cực đại hoá lượng ẩm, chuyển vị tới vị trí cần quan tâm và xây dựng đường bao chuyển vị thời đoạn – lượng và lượng – diện tích (Mayers, 1967). Sau đó, NWS tiếp tục nghiên cứu cách tiếp cận tất định để nghiên cứu tổng quát hoá xác định trận mưa cực đại. Năm 1977, Hansen đã tính toán PMP cho vùng Tây Nam nước Mỹ và vào năm 1978, Schreiner và Riedel đã tính toán PMP cho vùng Đông nước Mỹ theo các phương pháp tổng quát hoá này. Việc tính toán mưa PMP cho các vùng địa hình cao như đồi núi đã được hiệu chỉnh từ phương pháp truyền thống để cho kết quả phù hợp hơn. Hansen vào năm 1977 đã xem xét các thành phần hội tụ và địa hình của PMP, và các thành phần này được nghiên cứu riêng biệt. Hansen giả thiết mô hình lượng mưa PMP hội tụ tương tự với mô hình ẩm tiềm năng lớn nhất quan trắc được theo mùa (phân tích nhiệt độ điểm sương 12 giờ ổn định vào giữa mùa hè). Lượng mưa PMP hội tụ được xác định từ lượng mưa lớn nhất cực đại hoá cho vùng đồng bằng. Để xác định thành phần lượng mưa PMP cho vùng đồi núi, Miller vào năm 1973 đã phân tích xây dựng lượng mưa 24 giờ ứng thời kỳ 100 năm giả thiết cho vùng đồng bằng nằm ở các vùng bên trong hoặc lân cận các vùng núi. Từ đó, lượng mưa giả thiết này sẽ được trừ đi một lượng để xác định lượng mưa 100 năm cho vùng đồi núi. Sau đó, hiệu chỉnh kết quả từ phần ước tính ban đầu này để xây dựng được sự phân bố mưa PMP có sự thay đổi lượng mưa theo độ dốc dựa theo các quan trắc khí tượng. Phương pháp Tổng quát hoá vùng nhiệt đới được xây dựng và tính toán cho một số vùng của Úc chịu ảnh hưởng của các trận mưa bão nhiệt đới (Kennedy, 1982). Phương pháp tổng quát hoá thời đoạn ngắn tính toán PMP cho lưu vực nhỏ được Cục Khí tượng Úc phát triển vào những năm đầu 1980. Cách tiếp cận mô hình bão lấy các thông số vật lý như nhiệt độ điểm sương, chiều cao cơn bão, dòng vào, dòng ra được sử dụng mô tả quá trình mưa vào năm 1996.

Ngoài cách tiếp cận tính PMP theo phương pháp cực đại hoá các yếu tố vật lý gây mưa kể trên, còn có một phương pháp tính PMP khác là phương pháp thống kê. Đây là phương pháp chủ yếu dựa trên việc phân tích tần suất nhưng có khác với phương pháp phân tích tần suất truyền thống ở hai điểm: thứ nhất là nó tập trung vào một vùng rộng lớn hơn là một trạm riêng lẻ hoặc một lưu vực đơn lẻ để tìm kiếm một trận mưa bão xấp xỉ với giới hạn trên của lượng mưa, thứ hai các phương pháp phân tích tuần suất thường để xác định thống kê các cực trị và phương pháp này bao gồm cả ứng dụng quá trình đường bao. Phương pháp này ban đầu dựa trên nghiên cứu của Hershfield (1961a, 1961b) và được bổ sung vào năm 1965. Một số các tác giả khác đã đầu tư nghiên cứu thêm cho phương pháp này như Dhar và Damte (1969), McKay (1965), Weiss (1964), Miller (1964). Mặc dù phương pháp này có thể cho kết quả nhanh với khối lượng công việc ít hơn, nhưng kết quả của chúng chưa được coi là hợp lý, đặc biệt là những vùng có số liệu quan trắc ngắn. Các cơ quan Khí tượng quốc gia sử dụng các kết quả tính toán từ phương pháp này chỉ trong các tính toán nhanh ban đầu cho các nghiên cứu thăm dò và khả thi.

Tại Việt Nam, từ những năm 1990 đã có một số nghiên cứu và dự án sản xuất tính toán mưa PMP, đặc biệt khi yêu cầu về an toàn hồ chứa ngày càng tăng, tính toán kiểm tra với lũ PMF là một yêu cầu cần thiết cho mỗi dự án quan trọng. Nhiều cơ quan nghiên cứu như Trường Đại học Thuỷ Lợi, Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, Viện Khí tượng thuỷ văn, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, Công ty tư vấn điện... đã nghiên cứu tính toán mưa PMP phục vụ tính lũ PMF cho các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện ở Việt Nam có thể kể đến các công trình sau: Lê Đình Thành (1996) đã nghiên cứu ứng dụng tính mưa lũ và lũ lớn nhất khả năng ở Việt Nam [2]. Tác giả đã nghiên cứu các phương pháp tính toán mưa PMP phù hợp cho vùng nhiệt đới gió mùa từ đó đưa ra một số nhận xét và đề xuất tính toán PMP-PMF trong điều kiện Việt Nam. Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện Khí tượng thuỷ văn và Môi trường, Công ty Tư vấn điện 1 (2003) đã nghiên cứu tính toán lũ PMF từ mưa PMP cho công trình thuỷ điện Sơn La. Đỗ Cao Đàm, Vũ Kiên Trung (2005) đã nghiên cứu tính toán mưa PMP và lũ cực hạn nằm trong đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu công nghệ dự báo cảnh báo lũ và tính toán lũ vượt thiết kế ở các hồ chứa vừa và nhỏ - giải pháp tràn sự cố” [1]. Nguyễn Văn Lai và nnk (2009) tính toán PMP, PMF cho công trình thuỷ điện Trung Sơn theo 2 phương pháp thống kê và chuyển vị. Phạm Việt Tiến tính toán mưa PMP nhằm tính lũ PMF cho hồ chứa Tả Trạch theo phương pháp thống kê. Nguyễn Hữu Khải và Doãn Kế Ruân đã tính toán PMP cho lưu vực sông Ba (2009), Ngô Đình Tuấn (2000) và những người khác đã tính toán lũ cực hạn từ lượng mưa lớn nhất khả năng cho lưu vực sông Đà...

II. KHÁI QUÁT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PMP

Hiện tại, theo WMO (2009) có 6 phương pháp thường dùng để tính toán mưa lớn nhất khả năng (PMP). Các phương pháp này là:

1. Phương pháp cục bộ (cực đại hoá trận mưa địa phương hoặc mô hình địa phương)

2. Phương pháp chuyển vị (chuyển vị bão hoặc mô hình chuyển vị)

3. Phương pháp kết hợp (cực đại hoá cả không gian và thời gian của trận bão hoặc kết hợp các trận bão hoặc mô hình kết hợp)

4. Phương pháp suy luận (mô hình lý thuyết hoặc mô hình suy luận)

5. Phương pháp tổng quát hoá (tính toán tổng quát hoá)

6. Phương pháp thống kê (tính toán thống kê)

Đa số các phương pháp sử dụng cho các vùng ôn đới và nhiệt đới, tuy nhiên khi sử dụng cho các vùng nhiệt đới, phương pháp xác định các thông số cần phải được xem xét một cách cẩn thận.

2.1 Phương pháp cục bộ

Theo phương pháp này, lượng mưa PMP được tính toán dựa theo việc cực đại hoá một trận mưa trong chuỗi quan trắc tại vùng lưu vực nghiên cứu hoặc tại vị trí cần quan tâm. Phương pháp này có thể ứng dụng được ở những nơi chỉ có một vài năm dữ liệu quan trắc.

2.2 Phương pháp chuyển vị

Trong phương pháp này, một trận mưa bão đặc biệt lớn ở vùng kề cận được chuyển vị vào vùng thiết kế. Công việc chủ yếu tập trung vào hai hướng:

- Xác định vùng đồng nhất khí hậu, nghiên cứu phạm vi chuyển vị của cơn bão và thực hiện việc phân tích chi tiết đối với các điều kiện lưu vực thiết kế.

- Thực hiện một số các hiệu chỉnh đối với cơn bão chuyển vị dựa trên sự sai khác về địa lý và điều kiện địa hình giữa nơi cơn bão thực tế xảy ra và nơi áp dụng. Hướng này được sử dụng nhiều đặc biệt cho những vùng mà các cơn bão thật sự gây lũ lớn hiếm khi xảy ra.

2.3 Phương pháp kết hợp

Phương pháp này kết hợp hai hoặc nhiều hơn số trận bão trong một vùng, dựa trên các nguyên lý khí tượng si-nốp và kinh nghiệm dự báo si-nốp để xây dựng nên một chuỗi các trận bão giả định xảy ra trong thời gian dài. Công việc chủ yếu tập chung vào việc lựa chọn, xác định mô hình kết hợp và chứng minh tính hợp lý của sự kết hợp này. Phương pháp này ứng dụng để xác định PMP/PMF cho các lưu vực lớn xảy ra trong thời gian dài và yêu cầu sự hiểu biết về khí tượng sâu sắc.

2.4 Phương pháp suy luận

Phương pháp suy luận xây dựng một cấu trúc 3 chiều của hệ thống thời tiết gây bão ở vùng nghiên cứu nhằm xây dựng phương trình mưa vật lý đơn giản cho yếu tố vật lý chính ảnh hưởng tới mưa. Dựa trên các dữ liệu thực đo về gió, phương pháp sử dụng cả mô hình hội tụ hoặc mô hình lớp. Mô hình hội tụ giả thiết rằng dòng vào của ẩm hội tụ vào trung tâm từ mọi phía và dâng lên cao tạo thành mưa. Trong đó, mô hình lớp giả thiết dòng ẩm trườn dọc theo bề mặt nghiêng theo hình lớp và dâng cao tạo thành mưa. Phương pháp này đòi hỏi nhiều dữ liệu quan trắc về khí tượng trên cao ở vùng nghiên cứu, và có thể ứng dụng được cho các lưu vực có diện tích từ vài trăm đến vài nghìn km2.

2.5 Phương pháp tổng quát hoá

Phương pháp tổng quát hoá được sử dụng để tính toán mưa PMP cho vùng đồng nhất về thời tiết có diện tích lớn. Cách tính bằng cách nhóm các trận mưa quan trắc vào thành hai loại mưa hội tụ và mưa địa hình. Đối với mưa hội tụ, là lượng mưa được sinh ra do sự hội tụ và nâng lên, gây ra bởi hệ thống thời tiết đi qua, được giả thiết là xảy ra ở bất kỳ nơi nào trong vùng đồng nhất thời tiết. Mưa địa hình là mưa do sự dâng cao của khối khí gây ra bởi địa hình. Phương pháp tổng quát hoá sử dụng mưa hội tụ, kết quả chính là:

 Lượng mưa PMP được trình bày dưới dạng đường cong lượng – diện tích – thời đoạn (sinh ra do mưa chuyển vị).

 Phân bố theo không gian của PMP được thể hiện bằng một nhóm các đường elip đồng tâm thể hiện đồng mức mưa

 Phân bố theo thời gian của PMP là một bản đồ mưa một đỉnh.

Phương pháp này đòi hỏi số liệu thực đo dài của nhiều trạm đo mưa tự ghi trên lưu vực nghiên cứu. Tuy vậy, phương pháp này có thể cho độ chính xác cao và dễ áp dụng tính toán kết quả PMP, có thể dùng cho các lưu vực có diện tích dưới 13.000km2 ở vùng núi và 52.000km2 ở vùng đồng bằng và thời đoạn mưa dưới 72 giờ.

Các bước chính tính toán (Wang G., 2004):

 Xác định trận mưa hiệu quả cao: là trận mưa lớn với giả thiết là sự hiệu quả của lượng mưa này đạt tới cực đại.

 Cực đại hoá lượng ẩm là quá trình hiệu chỉnh chỉ số ẩm của trận mưa hiệu quả cao tới mức cao nhất.

 Chuyển vị phân bố trận mưa về vùng tính toán.

 Xây dựng đường bao các giá trị lấy từ đường cong lượng – diện tích – thời đoạn dựa theo trận mưa chuyển vị.

 PMP chính là lượng mưa lớn nhất có thể lấy từ đường bao các giá trị của đường cong lượng – diện tích – thời đoạn ở trên trong lưu vực tính toán.

2.6 Phương pháp thống kê

Phương pháp thống kê được Hershfield đề xuất, xác định từ dữ liệu của một số trạm đo mưa nằm trong cùng vùng có thời tiết giống nhau, sử dụng phương pháp phân tích tần suất thuỷ văn cùng với phương pháp tổng quát hoá địa phương. Các bước tính khác với phương pháp tần suất thông thường và khác về ý nghĩa vật lý. Phương pháp này chủ yếu ứng dụng được cho các lưu vực có diện tích dưới 1000km2. Các bước chính của phương pháp này là (Wang G., 2004):

 Xác định chỉ số Km trận mưa lớn nhất trong chuỗi quan trắc

Có thể thấy, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng. Đa số các nghiên cứu tính toán PMP ở Việt Nam đều lựa chọn phương pháp tính phù hợp với điều kiện số liệu ít, chất lượng không đồng bộ, thiếu chi tiết. Các phương pháp thống kê, cục bộ, chuyển vị và tổng quát hoá được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng như Lê Đình Thành [2] sử dụng phương pháp tổng quát hoá, Nguyễn Văn Lai [4] sử dụng phương pháp chuyển vị, Phạm Việt Tiến [6] sử dụng phương pháp thống kê. Các nghiên cứu này cho thấy, việc sử dụng các phương pháp trên cho kết quả đáng tin cậy, đồng thời không sử dụng quá nhiều và chi tiết các dữ liệu khí tượng thuỷ văn. Trong khi đó, việc sử dụng phương pháp kết hợp hay suy luận đòi hòi nhiều dữ liệu khí tượng chi tiết, kết hợp sử dụng các mô hình khí tượng phức tạp sẽ không phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay.

Chính vì vậy, bài báo khuyến nghị nên sử dụng phương pháp cực đại hoá trận mưa thực đo cục bộ, chuyển vị hay tổng quát hoá cho các lưu vực sông ở Việt Nam. Phương pháp thống kê cũng có thể sử dụng trong việc đánh giá nhanh ở những lưu vực có số liệu quan trắc mưa thời đoạn ngắn dài, ảnh hưởng của địa hình không lớn, tuy nhiên cần phải chú ý phân tích lựa chọn hệ số hiệu chỉnh hợp lý.

III. KẾT LUẬN

Tính toán PMP-PMF đang trở thành các qui định bắt buộc trong các bài toán thiết kế, kiểm tra các công trình chống lũ, phòng lũ. Tuy nhiên, độ chính xác của các phương pháp tính toán PMP-PMF dựa rất nhiều vào chất lượng dữ liệu và số lượng của nó, đặc biệt là đối với các trận mưa lớn sinh lũ lớn. Hiện tại, chưa có một báo cáo nào đánh giá độ chính xác của các phương pháp tính PMP-PMF. Chính vì vậy, khi nghiên cứu tính toán cho một khu vực nào đó, cần phải xem xét và so sánh đánh giá nhiều phương pháp khác nhau để rút ra được kết quả phù hợp.

Do điều kiện dữ liệu khí tượng - thuỷ văn của Việt Nam còn ngắn, chất lượng chưa cao, mật độ trạm đo thưa, đặc biệt thiếu nhiều các trạm tự ghi cho kết quả đo thời đoạn ngắn nên không thể sử dụng các phương pháp đòi hỏi nhiều số liệu chi tiết như phương pháp kết hợp, phương pháp suy luận. Nếu các chuỗi số liệu ngắn, cần sử dụng thêm các đánh giá khác để kiểm tra tính hợp lý của kết quả tính toán.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Đỗ Cao Đàm, Vũ Kiên Trung. Nghiên cứu tính toán lũ cực hạn. Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu công nghệ dự báo cảnh báo lũ và tính toán lũ vượt thiết kế ở các hồ chứa vừa và nhỏ - giải pháp tràn sự cố”, 2005.

[2]. Lê Đình Thành. Nghiên cứu ứng dụng tính mưa lũ và lũ lớn nhất khả năng ở Việt Nam. Luận án Tiến sĩ KHKT. Đại học Thuỷ lợi. Hà Nội. 1996

[3]. Ngô Đình Tuấn. Tính toán lũ thiết kế P=0,01% và lũ PMF cho công trình thuỷ điện Hoà Bình. Đề tài cấp Bộ; 2000.

[4]. Nguyễn Văn Lai và nnk. Tính toán lũ PMF cho công trình thuỷ điện Trung Sơn. 2009.

[5]. Nguyễn Hữu Khải, Doãn Kế Ruân. Xác định dòng chảy lũ đến các hồ chứa lưu vực sông Ba. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 450‐460

[6]. Phạm Việt Tiến. Đặc điểm mưa lũ, lũ lưu vực Sông Hương và tính toán lũ thiết kế, lũ PMF công trình hồ chứa Tả Trạch tỉnh Thừa Thiên - Huế. Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT. 2007.

[7]. C.G. Collier, P.J. Hardaker. Estimating probable maximum precipitation using a storm model approach. Journal of Hydrology 183 (1996) 277-306

[8]. E. Fattahi, A.M. Noorian, K. Noohi. Comparison of physical and statistical methods for estimating probable maximum precipitation in southwestern basins of Iran. DESERT 15 (2010) 127-132.

[9]. E. Marshall Hansen. Probable Maximum Precipitation for design floods in the United States. Journal of Hydrology, 96 (1987) 267 – 278.

[10]. Hershfield, D.M. Estimating the probable maximum precipitation. J. Hydraul. Div., Proc. Am. Soc. Cir. Eng., 87: 99-106.1961

[11]. Kennedy, M.R., The estimation of probable maximum precipitation in Australia: Generalized short-duration method. In Proceedings of the Workshop on Spillway Design, Melbourne, 1981. Awrc cont. 26-52.

[12]. M. Carmen Casas, Raül Rodríguez, Raquel Nieto, Angel Redaño. The estimation of probable maximum precipitation: the case of Catalonia. 1146:291-302. doi: 10.1196/annals.1446.003; Dec 2008.

[13]. U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation. Review of Probable Maximum Precipitation Procedures and Databases Used to Develop Hydrometeorological Reports. December 2011.

[14]. Wang G., Worldwide development and practice of PMP/PMF. Journal of China Hydrology, 24(5): 5-9. 2004.

[15]. Wang Weidi. A research on statistical estimation of storm transposition. Journal of Hydrology, 96 (1987) 345-354

[16]. WMO. Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation. 1986.

[17]. WMO. Manual on Estimation of Probable Maximum Precipitation (PMP). 2009.

[18]. Zhan Daojiang, Jhou Jinshang. Recent developments on the Probable maximum precipitation (PMP) estimation in China. Journal of Hydrology, 68 (1984) 285-293

Tác giả:
ThS. Dương Quốc Huy; PGS.TS. Nguyễn Tùng Phong - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
PGS.TS. Ngô Lê Long, TS. Ngô Lê An - Trường Đại học Thủy lợi

Nguồn: Tạp chí KH&CN Thủy lợi Viện KHTLVN