Đường cong IDF (Intensity – Duration – Frequency, tức cường độ – thời gian – tần suất) là bảng tra cho biết một trận mưa kéo dài bao lâu thì đổ xuống mạnh cỡ nào, ứng với chu kỳ lặp lại bao nhiêu năm. Kỹ sư thoát nước dùng nó để chọn cỡ cống, rãnh, hồ điều hoà. Cống bị ngập không hẳn vì "mưa lớn bất thường", mà thường vì trận mưa vượt quá chu kỳ mà cống được thiết kế để chịu.
Hiểu đường cong này giúp đọc đúng những câu như "trận mưa vượt tần suất thiết kế", và hiểu vì sao một thành phố không thể làm cống đủ to cho mọi trận mưa.
Ba trục của một đường cong IDF
Cường độ (I) là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian, thường tính bằng milimét mỗi giờ (mm/h) hoặc lít mỗi giây trên một héc-ta (l/s.ha). Đổi qua lại: 1 mm/h tương đương khoảng 2,78 l/s.ha.
Thời gian mưa (D) là khoảng thời gian ta lấy trung bình cường độ: 5 phút, 10 phút, 30 phút, 1 giờ, 3 giờ, 24 giờ.
Tần suất (F), hay chu kỳ lặp lại, như trong bài về lũ 100 năm: mưa 2 năm có xác suất bị vượt 50% mỗi năm, mưa 10 năm là 10%, mưa 100 năm là 1%.
Vẽ lên giấy, mỗi chu kỳ là một đường cong đi xuống: thời gian càng ngắn, cường độ càng cao. Đó là quy luật quen thuộc với người sống ở vùng nhiệt đới: mưa rào dữ dội nhất chỉ kéo dài vài chục phút, mưa dầm cả ngày thì nhẹ hạt hơn. Các đường của chu kỳ lớn nằm phía trên đường của chu kỳ nhỏ.
| Thời gian mưa | Đặc điểm cường độ | Thường dùng để thiết kế |
|---|---|---|
| 5–15 phút | Rất cao, dồn dập | Rãnh mái, cửa thu nước mặt đường, sân nhỏ |
| 30–60 phút | Cao | Cống nhánh, cống khu phố |
| 2–6 giờ | Trung bình | Cống chính, kênh tiêu cấp lưu vực |
| 24 giờ trở lên | Thấp nhưng tổng lượng lớn | Hồ điều hoà, trạm bơm tiêu, đê bao |
Đường cong được dựng từ số liệu nào
Nguyên liệu là các máy đo mưa tự ghi: dụng cụ ghi lượng mưa liên tục theo từng phút (trước đây là máy vũ ký vẽ trên giấy, nay là máy đo kiểu gầu lật ghi số tự động). Thùng đo mưa thường chỉ cho tổng lượng mưa ngày nên không đủ.
Với mỗi năm và mỗi khoảng thời gian (5 phút, 10 phút…), người ta tìm lượng mưa lớn nhất trong năm. Ví dụ, năm 2010 khoảng 30 phút mưa mạnh nhất cho 52 mm, tức cường độ 104 mm/h. Làm cho mọi năm sẽ có một chuỗi cực trị cho từng khoảng thời gian. Sau đó khớp phân phối xác suất (Gumbel là lựa chọn kinh điển) để ra giá trị ứng với chu kỳ 2, 5, 10, 25, 50, 100 năm. Cuối cùng nối các điểm thành đường cong, thường kèm một công thức để kỹ sư tính nhanh.
Ở Việt Nam, tiêu chuẩn thoát nước đô thị (TCVN 7957) dùng công thức dạng
q = A × (1 + C × lgP) / (t + b) mũ n
trong đó q là cường độ mưa (l/s.ha), t là thời gian mưa (phút), P là chu kỳ lặp lại (năm), còn A, C, b, n là các tham số khí hậu riêng cho từng địa phương. Chữ lgP cho thấy một ý quan trọng: tăng chu kỳ từ 1 lên 10 năm không làm cường độ tăng gấp mười, mà chỉ cộng thêm một phần tỉ lệ với C. Cống to gấp đôi không chịu được trận mưa hiếm gấp đôi; nó chịu được trận mưa hiếm hơn nhiều.
Từ cường độ mưa đến cỡ cống: phương pháp cường độ giới hạn
Với lưu vực nhỏ (vài héc-ta đến vài km vuông), kỹ sư dùng công thức tỉ lệ, ở Anh – Mỹ gọi là Rational method:
Q = C × i × A
Q là lưu lượng đỉnh chảy vào cống, C là hệ số dòng chảy (phần mưa không thấm, chảy tràn), i là cường độ mưa, A là diện tích.
Ví dụ tính tay
Một khu dân cư 10 ha, mái và đường bê tông nhiều nên hệ số dòng chảy C = 0,8. Trận mưa thiết kế có cường độ 100 mm/h.
- 100 mm/h = 0,1 m chia 3.600 giây ≈ 0,0000278 m/s.
- 10 ha = 100.000 m².
- Q = 0,8 × 0,0000278 × 100.000 ≈ 2,2 m³/s.
2,2 khối nước mỗi giây là lượng phải thoát được, nếu không nước sẽ dềnh lên mặt đường. Nếu cũng khu đất đó trước kia là ruộng và vườn với C khoảng 0,3, lưu lượng chỉ còn 0,8 m³/s. Bê tông hoá đã gần gấp ba lượng nước đổ vào cùng một cái cống cũ. Đây là một trong những lý do phố cũ ngập dù trời mưa không lớn hơn xưa.
Chọn thời gian mưa bằng bao nhiêu
Không phải cứ lấy mưa 5 phút cho mạnh. Thời gian mưa tính toán bằng thời gian tập trung nước: khoảng thời gian để giọt mưa rơi ở điểm xa nhất của lưu vực chảy tới cửa cống. Lưu vực nhỏ có thời gian tập trung ngắn nên phải dùng cường độ cao; lưu vực lớn có thời gian dài nên cường độ trung bình thấp hơn nhưng diện tích lớn bù lại. Đây là chỗ đường cong IDF phát huy tác dụng: tra ra đúng cường độ ứng với đúng thời gian.
Cống được thiết kế cho mưa bao nhiêu năm
Cống ngầm đô thị thường chỉ được tính cho mưa có chu kỳ vài năm đến khoảng mười năm, tuỳ cấp cống và tầm quan trọng của khu vực. Làm cống cho mưa 100 năm thì quá to, quá đắt và phần lớn thời gian chạy gần rỗng; phần mưa vượt được giao cho mặt đường, hồ, công viên trũng theo kiểu thoát nước hai tầng (xem bài hệ thống thoát nước kép ở danh mục Chống ngập đô thị). Vì vậy câu "mưa vượt tần suất thiết kế" không phải lời chối trách nhiệm mà là mô tả kỹ thuật: trận mưa nằm trên đường cong của chu kỳ cao hơn mức cống được tính.
Mưa tại một điểm khác mưa trên cả lưu vực
Đường cong IDF dựng từ một máy đo mưa là đường cong tại một điểm. Một trận dông có lõi mưa rất mạnh nhưng chỉ rộng vài kilômét; máy đo đặt đúng lõi sẽ ghi được cường độ cao, còn trung bình trên cả một lưu vực 50 km² thì thấp hơn nhiều. Nếu áp nguyên cường độ điểm cho lưu vực lớn, cống và kênh sẽ bị thiết kế dư thừa.
Kỹ sư xử lý bằng hệ số chiết giảm theo diện tích: nhân cường độ điểm với một hệ số nhỏ hơn 1, hệ số càng nhỏ khi diện tích càng lớn và thời gian mưa càng ngắn. Với lưu vực đô thị vài héc-ta, hệ số gần bằng 1, có thể bỏ qua. Với lưu vực sông hàng trăm km² và mưa vài giờ, phần chiết giảm có thể đáng kể. Các hệ số này lấy từ phân tích nhiều trạm đo dày cùng lúc, ngày nay có thêm ra-đa thời tiết cho bức tranh mưa liên tục trên mặt bằng.
Chiều ngược lại cũng đáng nhớ: mạng máy đo thưa thì bỏ lọt lõi mưa. Một trận mưa 150 mm trong hai giờ đổ đúng vào một phường có thể không được trạm nào ghi lại, nếu trạm gần nhất cách vài kilômét. Chuỗi số liệu khi đó đánh giá thấp mưa cực đoan, và đường cong IDF hiền hơn thực tế. Đây là lý do các thành phố lớn đang lắp thêm máy đo mưa tự động dày đặc.
Đường cong IDF cũ và mưa của khí hậu ấm lên
Nhiều đường cong IDF đang dùng được dựng từ số liệu vài chục năm trước. Theo IPCC AR6, mưa cực đoan có xu hướng tăng cường độ khi khí quyển ấm lên, với lượng hơi nước tối đa tăng khoảng 7% cho mỗi 1°C; mưa ngắn hạn cường độ cao (theo giờ) ở một số nghiên cứu còn tăng nhanh hơn tỉ lệ đó. Nghĩa là trận mưa 10 năm của đường cong cũ có thể đã thành trận mưa 5 năm ngoài thực tế.
Cách các nước xử lý:
- Cập nhật đường cong bằng số liệu mới nhất, có máy đo mưa dày hơn và radar thời tiết bổ sung.
- Cộng hệ số dự phòng biến đổi khí hậu vào cường độ thiết kế. Một số nước châu Âu yêu cầu cộng thêm từ khoảng 10% đến 40% tuỳ tuổi thọ công trình và kịch bản.
- Kiểm tra với kịch bản vượt thiết kế: mô phỏng xem mưa lớn hơn 20–30% thì nước chảy đi đâu, ngập chỗ nào, sâu bao nhiêu.
Người dân dùng kiến thức này thế nào
- Khi mua nhà hoặc thuê mặt bằng, hỏi khu đó nằm ở đâu trên đường thoát nước: đầu lưu vực, giữa hay cuối nơi nước dồn về. Cuối lưu vực và chỗ trũng nhận nước của cả khu.
- Khi xây nhà, cốt nền cao hơn mặt đường là cách phòng thủ rẻ nhất trước phần mưa vượt cống, vì đường sẽ là kênh dẫn nước khi mưa lớn.
- Giữ cửa thu nước sạch. Đường cong IDF tính trên giả định cống thông. Một túi ni lông che cửa thu có thể làm cả đoạn phố ngập với trận mưa chỉ 1 năm.
- Hiểu bản tin. "Mưa 100 mm trong 2 giờ" và "mưa 100 mm trong 24 giờ" khác nhau một trời một vực với cống: cái đầu có thể vượt khả năng thoát, cái sau thường không.
Để đi sâu, tìm đọc phần mưa tính toán trong tiêu chuẩn thoát nước đô thị TCVN 7957 và giáo trình Cấp thoát nước của các trường kiến trúc, xây dựng. Phần hồ điều hoà và thành phố bọt biển nằm ở danh mục Chống ngập đô thị.
Câu hỏi thường gặp
Đường cong IDF là gì?
Là quan hệ giữa cường độ mưa, thời gian mưa và chu kỳ lặp lại tại một địa điểm. Nó cho biết, ví dụ, mưa 30 phút với chu kỳ 10 năm đổ xuống mạnh bao nhiêu mm/h. Kỹ sư dùng nó để chọn cỡ cống và rãnh thoát nước.
Mưa vượt tần suất thiết kế nghĩa là gì?
Nghĩa là cường độ trận mưa lớn hơn mức mà cống được tính để chịu, ví dụ cống làm cho mưa 5 năm mà gặp mưa 20 năm. Khi đó nước dư phải chảy trên mặt đường hoặc vào hồ chứa tạm, nếu những chỗ này không được thiết kế thì sẽ ngập.
Vì sao mưa ngắn lại nguy hiểm cho cống hơn mưa dài?
Vì mưa ngắn có cường độ cao, nước đổ xuống dồn dập trong thời gian ngắn hơn thời gian cống kịp thoát. Mưa dài tổng lượng lớn nhưng trải đều nên cống nhỏ thường vẫn theo kịp; khi đó rủi ro chuyển sang hồ điều hoà và sông.
1 mm/h bằng bao nhiêu l/s.ha?
Khoảng 2,78 l/s.ha. Một trận mưa 100 mm/h tương ứng khoảng 278 lít mỗi giây đổ xuống mỗi héc-ta.
Biến đổi khí hậu làm đường cong IDF thay đổi thế nào?
Theo IPCC AR6, mưa cực đoan có xu hướng mạnh hơn khi khí hậu ấm lên, nên đường cong dựng từ số liệu cũ có thể đánh giá thấp cường độ hiện nay. Nhiều nước đã cộng thêm hệ số dự phòng hoặc cập nhật đường cong bằng số liệu mới.
