Bài giảng môn học thủy văn môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ --- oOo --- BÀI GIẢNG MÔN HỌC THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG ENVIRONMENTAL HYDROLOGY Biên soạn: LÊ ANH TUẤN, PhD. Cần Thơ, 2008 Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn ii LỜI MỞ ĐẦU VÀ GIỚI THIỆU MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU VÀ GIỚI THIỆU........................................................................................ ii MỤC LỤC .......................................................................................................................... ii Danh sách hình................................................................................................................... iv Danh sách bảng................................................................................................................... v Chương 1. NHẬP MÔN – THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG............................................ 7 1.1 Đặc trưng của môi trường nước.............................................................................. 7 1.1.1 Định nghĩa và tính chất của nước .................................................................. 7 1.1.2 Môi trường nước............................................................................................ 8 1.1.3 Vai trò của nước trong cuộc sống.................................................................. 8 1.2 Giới thiệu môn học Thủy văn môi trường .............................................................. 9 1.3 Đặc điểm của hiện tượng thủy văn ....................................................................... 10 1.4 Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 11 1.5 Lịch sử môn học.................................................................................................... 13 1.6 Mạng lưới khí tượng thủy văn ở Việt Nam .......................................................... 14 Chương 2. TÀI NGUYÊN NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI................................................ 15 1.1 Các thể chứa nước trên trái đất ............................................................................. 15 1.1.1 Nước trong khí quyển .................................................................................. 15 1.1.2 Nước trong thủy quyển ................................................................................ 15 1.1.3 Nước trong địa quyển .................................................................................. 15 1.1.4 Nước trong sinh quyển ................................................................................ 15 1.2 Chu trình thủy văn ................................................................................................ 16 1.2.1 Chu trình thủy văn ....................................................................................... 16 1.2.2 Minh họa chu trình thủy văn........................................................................ 16 1.3 Phân phối nước trên trái đất .................................................................................. 17 1.3.1 Các số liệu về lượng nước trên trái đất........................................................ 17 1.3.2 Nhận xét sự phân phối nước trong thiên nhiên............................................ 19 1.3.3 Vấn đề sử dụng nguồn nước ........................................................................ 20 1.4 Bảo vệ môi trường nước ....................................................................................... 21 Chương 3. CÁC YẾU TỐ KHÍ HẬU ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÒNG CHẢY.............. 23 3.1 Mưa ....................................................................................................................... 23 3.1.1 Sự giáng thủy và mưa .................................................................................. 23 3.1.2 Sự hình thành mưa....................................................................................... 23 3.1.3 Tính toán lượng mưa bình quân .................................................................. 25 3.2 Ấm độ không khí .................................................................................................. 28 3.2.1 Các đặc trưng của ẩm độ không khí ............................................................ 28 3.2.2 Sự thay đổi độ ẩm không khí theo thời gian ........................................................ 30 3.3 Bốc hơi .................................................................................................................. 30 3.3.1 Định nghĩa............................................................................................................ 30 3.3.3 Chế độ bốc hơi và nhân tố ảnh hưởng đến bốc hơi.............................................. 31 3.4 Gió, bão....................................................................................................................... 32 3.4.1 Sự hình thành gió ................................................................................................. 32 Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn iii 3.4.2 Các đặc trưng của gió .......................................................................................... 32 3.4.3 Các loại gió .......................................................................................................... 35 3.4.4 Dông..................................................................................................................... 37 3.3.5 Bão tố ................................................................................................................... 38 Chương 4. LƯU VỰC SÔNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC ............ 44 4.1 Hệ thống sông ngòi ............................................................................................... 44 4.2 Lưu vực sông và các đặc trưng của sông .............................................................. 46 4.2.1 Lưu vực sông ............................................................................................... 46 4.2.2 Sự hình thành dòng chảy sông ngòi............................................................. 47 4.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực ............................................................ 48 4.2.3.1 Diện tích lưu vực....................................................................................... 48 4.2.3.2 Chiều dài sông chính và chiều dài lưu vực ............................................... 48 4.2.3.3 Chiều rộng bình quân lưu vực................................................................... 49 4.2.3.4 Hệ số hình dạng lưu vực ........................................................................... 49 4.2.3.5 Độ cao bình quân lưu vực ......................................................................... 49 4.2.3.6 Độ dốc bình quân lưu vực J ...................................................................... 50 4.2.3.7 Mật độ lưới sông ....................................................................................... 50 4.2.4 Các đặc trưng biểu thị dòng chảy ................................................................ 51 4.2.4.1 Lưu lượng nước ........................................................................................ 51 4.2.4.2 Tổng lượng dòng chảy .............................................................................. 52 4.2.4.3 Độ sâu dòng chảy...................................................................................... 52 4.2.4.4 Module dòng chảy..................................................................................... 52 4.2.4.5 Hệ số dòng chảy........................................................................................ 52 4.3 Phương trình cân bằng nước ................................................................................. 53 4.3.1 Nguyên lý .................................................................................................... 53 4.3.2 Phương trình cân bằng nước thông dụng..................................................... 53 4.3.3 Phương trình cân bằng nước của lưu vực kín và hở trong thời đoạn bất kỳ 54 4.3.3.1 Lưu vực kín............................................................................................... 54 4.3.3.2 Lưu vực hở ................................................................................................ 54 4.3.4 Phương trình cân bằng nước trong nhiều năm............................................. 54 4.4 Các hoạt động của con người ảnh hưởng đến cân bằng nước khu vực................. 55 Chương 5. THỦY TRIỀU VÀ SỰ XÂM NHẬP MẶN VÙNG CỬA SÔNG........... 57 5.1 Khái niệm về vùng cửa sông....................................................................................... 57 5.1.1 Vùng ven biển ngoài cửa sông..................................................................... 57 5.1.2 Vùng cửa sông ............................................................................................. 57 5.1.3 Vùng trên cửa sông...................................................................................... 57 5.2 Thuỷ triều.............................................................................................................. 58 5.2.1 Định nghĩa thuỷ triều................................................................................... 58 5.2.2 Phân loại thuỷ triều...................................................................................... 59 5.2.2.1 Bán nhật triều đều ..................................................................................... 59 5.2.2.2 Bán nhật triều không đều .......................................................................... 59 5.2.2.3 Nhật triều đều............................................................................................ 60 5.2.2.4 Nhật triều không đều................................................................................. 60 5.2.3 Nguyên nhân gây ra thuỷ triều .................................................................... 62 5.3 Đặc tính thủy văn vùng cửa sông có thủy triều .......................................................... 63 5.3.1 Hiện tượng thuỷ triều ở cửa sông ................................................................ 63 Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn iv 5.3.2 Sự thay đổi mực nước cửa sông chịu ảnh hưởng triều ................................ 64 5.4 Sự xâm nhập mặn vào cửa sông.................................................................................. 64 5.4.1 Hiện tượng xâm nhập mặn........................................................................... 64 5.4.2 Môi trường nước vùng cửa sông.................................................................. 66 Chương 6. CHẾ ĐỘ THỦY VĂN VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG....... 67 6.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 67 6.2 Hệ thống Mekong ................................................................................................. 67 6.3 Điều kiện tự nhiên vùng ĐBSCL.......................................................................... 70 6.4 Đặc điểm khí hậu vùng ĐBSCL ........................................................................... 73 6.5 Đặc điểm chế độ thủy văn vùng ĐBSCL.............................................................. 76 6.5.1 Mạng lưới sông và kênh .............................................................................. 76 6.5.2 Đặc điểm chế độ thủy văn ........................................................................... 78 6.5.3 Phân phối dòng chảy.................................................................................... 80 6.5.4 Nước ngầm vùng ĐBSCL............................................................................ 82 6.5.5 Bùn cát trong sông Cửu Long...................................................................... 83 6.6 Thủy triều và sự truyền triều vào sông Cửu Long ................................................ 84 6.6.1 Thủy triều vùng ven biển ĐBSCL............................................................... 84 6.6.2 Sự truyền triều vào sông Cửu Long và bán đảo Cà Mau............................. 84 Danh sách hình Hình 1.1 Quan hệ môn học với các chuyên ngành ........................................................... 10 Hình 1.2 Minh họa các quan hệ hình thành dòng chảy..................................................... 11 Hình 1.3 Các phương pháp nghiên cứu thủy văn............................................................. 12 Hình 1.4 Mạng thông tin khí tượng .................................................................................. 14 Hình 2.1 Minh họa chu trình thủy văn trên trái đất .......................................................... 16 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống của chu trình thủy văn.............................................................. 17 Hình 2.3 Minh họa chiều dày lớp nước trong chu trình thủy văn..................................... 18 Hình 2.4 Đặc trưng phân phối chính về lượng nước ở dạng tĩnh và động trên trái đất. .. 18 Hình 2.5 Sơ đồ Hệ thống nguồn nước trong Qui hoạch nguồn nước .............................. 21 Hình 2.6. Minh họa quan hệ 3E ........................................................................................ 22 Hình 2.7 Minh họa sự tương quan việc quản lý nước với các yếu tố khác nhau.............. 22 liên quan đến môi trường, Klemes (1973). ....................................................................... 22 Hình 3.1 Mưa địa hình .................................................................................................... 23 Hình 3.2 Mưa đối lưu...................................................................................................... 24 Hình 3.4 Sự thay đổi lượng mưa bình quân tháng các trạm ............................................. 25 Hình 3.5 Ví dụ tính lượng mưa bình quân với 3 phương pháp khác nhau ....................... 27 Hình 3.6 Các loại nhiệt kế ẩm kế đặt trong trạm đo khí tượng......................................... 29 Hình 3.7 Thùng đo bốc hơi loại A .................................................................................... 30 Hình 3.8 Thay đổi lượng bốc hơi trung bình tháng (mm) tại Cần Thơ và Sóc Trăng ..... 31 Hình 3.9 Nguyên nhân sinh ra gió .................................................................................... 32 Hình 3.10 Hướng gió quy ước theo độ ............................................................................ 32 Hình 3.11 Hướng gió ........................................................................................................ 33 Hình 3.12 Đo tốc độ và hướng gió.................................................................................... 33 Hình 3.13 Gió hành tinh................................................................................................... 35 Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn v Hình 3.14 Sự chênh lệch áp suất gây nên các luồng gió từ đất liền ra biển .................... 35 Hình 3.15 Gió đất, Gió biển............................................................................................ 36 Hình 3.16 Hướng gió về đêm ở một thung lũng dưới sườn núi........................................ 36 Hình 3.17 Gió địa hình (gió foehn)................................................................................... 37 Hình 3.20 Hình dạng và vị trí các loại mây khác nhau..................................................... 40 Hình 3.12 Đo mưa............................................................................................................. 41 Hình 4.1 Các dạng phân bố sông nhánh trong một lưu vực sông ..................................... 44 Hình 4.2 Một dạng phân bố sông giữa hình cành cây và hình lông chim ....................... 44 Hình 4.3 Hệ thống sông Mekong...................................................................................... 45 Hình 4.4 Sự phân cấp các nhánh sông .............................................................................. 45 Hình 4.5 Lưu vực sông và khái niệm đường phân nước.................................................. 46 Hình 4.6 Lưu vực sông với các đường đồng cao độ ......................................................... 47 Hình 4.7 Định diện tích lưu vực bằng phương pháp phân ô vuông.................................. 48 Hình 4.8 Cách xác định chiều dài sông và chiều dài lưu vực .......................................... 48 Hình 4.9 Hình dạng của lưu vực ảnh hưởng đến khả năng tập trung nước lũ .................. 49 Hình 4.10 Xác định độ cao bình quân lưu vực bằng đường đồng mức ............................ 50 Hình 4.11 Mật độ lưới sông cho biết sự phong phú của nguồn nước của lưu vực ........... 51 Hình 4.12 Lưu tốc kế kiểu cá sắt ...................................................................................... 51 Hình 4.13 Tổng quát hóa phương trình cân bằng nước .................................................... 53 Hình 4.14 Minh họa các giá trị trong phương trình cân bằng nước thông dụng............... 54 Hình 4.15 Hoạt động của con người làm ô nhiễm nước trong chu trình thuỷ văn ........... 56 Hình 4.16 Quá trình đô thị hoá làm thay đổi lượng chảy tràn và thấm rút ....................... 56 Hình 5.1 Khu vực cửa sông .............................................................................................. 57 Hình 5.2 Diễn biến một con triều trong một ngày ............................................................ 58 Hình 5.3 Diễn biến thay đổi mực nước triều tháng (triều Biển Đông tháng 1/1982) ....... 59 Hình 5.4 Bán nhật triều đều .............................................................................................. 59 Hình 5.5 Bán nhật triều không đều ................................................................................... 60 Hình 5.6 Nhật triều đều..................................................................................................... 60 Hình 5.7 Triều ở Biển Tây vùng ĐBSCL là dạng nhật triều không đều .......................... 61 Hình 5.8 Lực hút tương hỗ của mặt trăng và mặt trời tạo nên sự thay đổimực nước triều62 Hình 5.9 Hiện tượng xâm nhập mặn từ biển vào lòng sông vùng cửa sông..................... 64 Hình 5.10 Hình dạng đường nêm mặn vùng tiếp giáp dòng triều và dòng sông .............. 65 Hình 5.11 Phân bố vận tốc theo chiều sâu dòng sông chịu ảnh hưởng thủy triều ........... 65 Hình 5.12 Nước ngầm ven biển và sự xâm nhập mặn vào tầng nước ngầm ................... 66 Hình 6.1 Lưu vực sông Mekong ....................................................................................... 68 Hình 6.9 Phân bố dòng chảy kiệt tính toán theo mô hình triều bán nhật.......................... 80 Hình 6.10 Mực nước đỉnh lũ nhiều năm qua Tân Châu và Châu Đốc.............................. 82 Dan