Chương 1. Các nguyên lý thuỷ văn học

Thuỷ văn học đề cập tới nhiều đối tượng, nghiên cứu về sự tuần hoàn và sự phân bố nước trên trái đất. Phạm vi thuỷ văn học bao gồm các tác động của các quá trình vật lý, hoá học, sinh học của nước trong tự nhiên và trong môi trường sống. Chính bởi sự đa dạng của các chu kỳ thuỷ văn trong tự nhiên và quan hệ của chúng với các mô hình thời tiết, các loại đất, dạng địa hình và các nhân tố địa chất khác làm cho ranh giới giữa thuỷ văn và các ngành khoa học Trái Đất khác nhưkhí tượng, địa lý, sinh học và hải dương là không rõ rệt.

pdf75 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Lượt xem: 1430 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Chương 1. Các nguyên lý thuỷ văn học, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Ch−ơng 1. Các nguyên lý thuỷ văn học ảnh Thành phố Houston và Buftalo trong điều kiện mùa lũ năm 1989 1.1. Giới thiệu chung về thuỷ văn học Thuỷ văn học đề cập tới nhiều đối t−ợng, nghiên cứu về sự tuần hoàn và sự phân bố n−ớc trên trái đất. Phạm vi thuỷ văn học bao gồm các tác động của các quá trình vật lý, hoá học, sinh học của n−ớc trong tự nhiên và trong môi tr−ờng sống. Chính bởi sự đa dạng của các chu kỳ thuỷ văn trong tự nhiên và quan hệ của chúng với các mô hình thời tiết, các loại đất, dạng địa hình và các nhân tố địa chất khác làm cho ranh giới giữa thuỷ văn và các ngành khoa học Trái Đất khác nh− khí t−ợng, địa lý, sinh học và hải d−ơng là không rõ rệt. Chu kỳ thuỷ văn là một qúa trình liên tục trong đó n−ớc bị bốc hơi từ bề mặt đại d−ơng, sau đó di chuyển vào đất liền với những khối không khí ẩm −ớt, và tạo thành giáng thuỷ nếu gặp điều kiện thuận lợi. Giáng thuỷ rơi xuống bề mặt đất đ−ợc phân tán qua một vài con đ−ờng (Hình 1.1). Một phần giáng thuỷ P, hay những trận m−a rào đ−ợc giữ lại trong đất tại nơi mà nó rơi xuống còn một phần quay trở lại khí quyển 21 qua bốc hơi E, quá trình chuyển đổi của n−ớc thành hơi n−ớc, bốc hơi qua lá T, sự tổn thất hơi n−ớc thông qua thực vật là một chuỗi liên quan với nhau. Sụ kết hợp tổn thất trên đ−ợc gọi là sự bốc hơi qua lá ET. L−ợng tổn thất trên đạt lớn nhất nếu sự cung cấp n−ớc trong đất là đầy đủ theo thời gian ( xem thiết diện hình 1.4). Phần còn lại chảy tràn trên mặt đất hoặc theo h−ớng n−ớc chảy và cung cấp n−ớc cho những con suối và những con sông. Sau cùng một l−ợng n−ớc đáng kể ngấm vào trong lòng đất giống nh− sự rò rỉ F và có thể trở lại vào những con suối sau đó sẽ hoà trộn với nhau hoặc có thể thấm qua những hệ thống n−ớc ngầm sâu hơn. N−ớc bề mặt và n−ớc ngầm di chuyển tới những nơi độ cao thấp hơn và cuối cùng đổ vào đại d−ơng. Tuy nhiên một l−ợng lớn n−ớc bề mặt và một phần n−ớc ngầm có thể quay trở lại khí quyển thông qua sự bốc hơi bề mặt và bốc hơi qua lá. ( Xem phần1.4 ). Hình 1.1. Vòng tuần hoàn n−ớc Lịch sử thuỷ văn cổ đại Biswas (1972), trong bài luận súc tích về lịch sử thuỷ văn đã mô tả thực tiễn việc điều khiển nguồn n−ớc thời kỳ đầu ở Sumerian và Ai Cập cổ đại ở Trung Cận Đông và dọc theo bờ sông Hoàng Hà ở Trung Quốc. Khảo cổ học đã chứng tỏ sự tồn tại của kết cấu thuỷ lực đ−ợc xây dựng cho việc t−ới tiêu và hoạt động điều tiết nguồn n−ớc. Vào khoảng năm 400 tr−ớc công nguyên một cái đập đã đ−ợc xây dựng ngang qua con sông Nile, và sau đó một con kênh để dẫn n−ớc ngọt cũng đ−ợc xây dựng giữa Cairo và Suez. Các nhà triết học Hylạp và những sinh viên thuỷ văn học đầu tiên cùng Aristotle đ−a ra sự chuyển không khí ẩm vào sâu bên trong núi nh− là nguồn của các n−ớc mạch và sông suối. Homer dã đề xuất ra ý t−ởng là tồn tại một tầng n−ớc ngầm d−ới đáy đại d−ơng giống nh− tầng n−ớc ngầm trên mặt đất. Ph−ơng pháp đo l−ờng đầu tiên đ−ợc thử trong hệ thống n−ớc ở thành phố Roma (vào năm 97 tr−ớc công nguyên) dựa trên diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy. Chính điều đó đã giúp cho Leonardo da Vinci khám phá ra mối quan hệ chính xác giữa diện tích, vận tốc và l−u l−ợng dòng chảy 22 trong thời kỳ Phục h−ng ở Italia. Lần quan trắc đầu tiên đ−ợc ghi chép về l−ợng m−a rơi và dòng chảy bề mặt đ−ợc tiến hành vào thế kỷ thứ XVII bởi Perault. ông đã so sánh l−ợng m−a rơi với dòng chảy −ớc l−ợng của sông Seine và đã chỉ ra hai mối quan hệ giữa chúng. Phát hiện của Perault đ−ợc công bố năm 1694. Halley, nhà thiên văn học ng−ời Anh (sinh năm 1656 và mất năm1742) đã sử dụng một vùng đất trũng lòng chảo để tiến hành −ớc l−ợng bốc hơi từ biển Địa Trung Hải và kết luận rằng nó đủ cơ sở để −ớc l−ợng cho dòng chảy sông nhánh. Marriot đã từng đo vận tốc dòng chảy tại sông Seine. Sự bắt đầu sớm của các nhà thuỷ văn đã cung cấp nền tảng cho những sự phát triển trong thế kỷ 18, bao gồm định luật Becnulli, ống Pilot, và công thức Sezi (1769), điều đó đã tạo nên nền tảng cơ bản cho thủy lực học và đo đạc. Trong suốt thế kỷ thứ XIX, sự phát triển quan trọng trong thuỷ văn n−ớc ngầm đã xảy ra. Định luật về dòng chảy trong trong môi tr−ờng lỏng của Darcy, công thức chính xác của Dupuit-Thiem và ph−ơng trình dòng chảy trong ống mao dẫn của Hagen- Poiseuille đã phát triển mạnh mẽ. Trong thuỷ văn n−ớc mặt rất nhiều công thức dòng chảy và các dụng cụ đo đạc đã phát triển và cho phép bắt đầu đo dòng chảy một cách có hệ thống. Năm 1861 Humpgiờey và Abbot đã gián tiếp đa ra ph−ơng pháp đo l−ợng dòng chảy trên sông Mississippi tại Hợp chủng quốc Hoa Kỳ, và đoàn khảo sát địa chất của Mĩ đã xây dựng lên một hệ thống ch−ơng trình đo dòng chảy đầu tiên ở trên sông Misissippi. Năm 1889 công thức Manning đã đ−ợc giới thiệu và l−u tốc kế của Price đã đ−ợc phát hiện năm 1885. Năm 1867, đo l−u l−ợng đ−ợc tổ chức trên sông Rhine tại Basel. Trong suốt khoảng thời gian này, chính phủ Mỹ dã thành lập đ−ợc một số các cơ quan thuỷ văn bao gồm: Cục Công binh Mỹ (1802) Cục khảo sát địa chất Mỹ (1879), Cục thời tiết (1891) và Uỷ ban sông Misissippi (1893). Khoảng thời gian từ năm 1900 đến năm 1930 đ−ợc Chow (1964) gọi là thời kỳ kinh nghiệm bởi vì một số lớn các công thức kinh nghiệm đ−ợc thiết lập. Rất nhiều trong số chúng sau này đ−ợc thấy là không thoả mãn. Các cơ quan chính phủ đã cố gắng để tăng thêm những nghiên cứu thuỷ văn và một số cơ quan chuyên môn đã đ−ợc thiết lập để phát triển ngành khoa học thủy văn. Ví dụ: Khu nghiên cứu thời tiết ở Reclamation ( 1902 ) Cục bảo vệ tài nguyên rừng (1906 ) Trạm kỹ thuật giao thông thuỷ quân đội Mỹ ( 1928 Ban phòng chống lũ lụt Los Angeles (1915 ) đ−ợc hoạt động trong suốt thời gian này và Hiệp hội khoa học thuỷ văn quốc tế (1922), Liên hiệp địa vật lý Mỹ (ADU) đ−ợc thành lập tr−ớc năm 1930. Lịch sử hiện đại Thời kỳ từ năm 1930 đến năm 1950 đ−ợc gọi là thời kỳ hợp lý hoá (Chow, 1964), tạo ra b−ớc phát triển có ý nghĩa trong lĩnh vực thuỷ văn khi các cơ quan Chính phủ bắt đầu phát triển nghiên cứu ch−ơng trình riêng về thuỷ văn. Đ−ờng quá trình đơn vị Sherman (1932) ( thảo luận trong ch−ơng 2), học thuyết thấm Horton (1933) ( ch−ơng1) và ph−ong trình phi tuyến Theis (1935) về thuỷ lực giếng (ch−ơng 8) đã phát triển rất mạnh. Năm 1958, Gumbel đề x−ớng việc sử dụng phân tích tần số phân bố giá trị cực trị của số liệu thuỷ lực, từ đó xây dựng các mô hình thuỷ văn thống kê cơ bản (ch−ơng 23 3). Trong khoảng thời gian này, Cục công binh Mỹ, Cục dự báo thời tiết Mỹ (nay là Cục thời tiết quốc gia), Bộ nông nghiệp Mỹ, và Cục khảo sát địa chất Mỹ (USGS) đã có những đóng góp có ý nghĩa quan trọng về lý thuyết thuỷ lực và sự phát triển mạng l−ới các trạm đo quốc gia về giáng thuỷ, bốc hơi và dòng chảy sông ngòi. Cục thời tiết quốc gia vẫn có trách nhiệm chính trong việc đo đạc m−a rơi, thông báo các trận bão tàn khốc, và các khảo sát thuỷ lực liên quan khác. Cục công binh Mỹ và Cục bảo vệ đất (SCS) đã có những đóng góp lớn trong lĩnh vực thuỷ văn học liên quan đến điều tiết lũ, xây dựng hồ chứa, hệ thống t−ới và bảo vệ đất trong khoảng thời gian này. Nhiều năm gần đây Cục địa chất Hoa Kì đã cố gắng tạo ra những b−ớc tiến v−ợt bậc để thiết lập nên một mạng l−ới quốc gia đối với việc đo dòng chảy và l−ợng m−a rơi với đầy đủ số liệu và chất l−ợng đo đạc. Cục địa chất Mỹ ( USGS ) đã công bố và đặc biệt đã làm những cuộc nghiên cứu, điều tra để phát triển tr−ờng thuỷ văn bởi một loạt quá trình phân tích các số liệu thuỷ văn phức tạp và làm sáng tỏ mối quan hệ, giải thích các hiện t−ợng thuỷ văn. Các cơ quan chính phủ Hoa Kì đã đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc nghiên cứu và cung cấp tài chính cho các cá nhân và các cơ quan nghiên cứu trong lĩnh vực thuỷ văn. Năm 1930, một con đập lớn, một hồ chứa n−ớc nhân tạo và đề án điều tiết lũ chính là kết quả đầu tiên của những tiến bộ thực tế của cơ học chất lỏng, hệ thống thuỷ văn, dự báo thuỷ văn, phân tích quá trình bay hơi, đ−ờng quá trình lũ và công tác nghiên cứu thuỷ văn. Sự phát triển chính trong lĩnh vực hiểu biết quá trình bốc hơi xuất hiện từ năm 1940 -1950 liên quan đến tình trạng t−ới tiêu cần cho sự phát triển trong từng khu vực nông nghiệp của Hoa Kỳ. Những năm gần đây sự đô thị hoá một cách nhanh chóng ở Hoa Kỳ và Châu Âu đã dẫn tới những dự án tốt hơn trong việc dự đoán đỉnh dòng chảy và dự báo sự biến đổi n−ớc trong hồ chứa. Quá trình mô tả và dự báo ranh giới vùng ngập lụt đã trở thành nhiệm vụ chính của các nhà thuỷ văn để đáp ứng yêu cầu của cơ quan điều khiển tình trạng khẩn cấp liên bang Mỹ (FEMWA) và điều tiết lũ cho từng địa ph−ơng hay từng khu vực t−ới tiêu. Sự phát triển của máy tính Trong suốt thời kì từ năm 1960-1970 với sự tham gia của máy tính kĩ thuật số từ dữ liệu đầu vào đã cho phép hoàn thành những vấn đề liên quan đến n−ớc t−ơng tự nh− việc hoàn thành hệ thống dữ liệu này trong thời kì đầu. Ngày nay, mô hình tính trên máy có thể đ−ợc sử dụng để xem lại những dữ liệu thuỷ văn tr−ớc đó và giúp trả lời những câu hỏi khó liên quan đến thuỷ văn. Mô hình thuỷ lực đầu tiên đ−ợc phát hiện bởi một nhóm sinh viên ở tr−ờng đại học Stanford (Crowford và Linsley, 1966) và đ−ợc gọi với cái tên là mô hình đ−ờng phân n−ớc Stanford. Mô hình này cũng dựa trên tất cả các quá trình chính trong một chu kì thuỷ văn cơ bản, bao gồm quá trình giáng thuỷ, bốc hơi, bốc hơi qua lá, quá trình thấm, dòng chảy bề mặt, dòng chảy ngầm và dòng chảy sông ngòi. Tất cả những thuật ngữ chuyên môn đó đều sẽ đ−ợc định nghĩa trong ch−ơng 1. Một mô hình khác cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc thay đổi tiến trình dòng 24 chảy của thuỷ văn hiện đại là mô hình HEC-1, đ−ợc phát hiện bởi đoàn kĩ s− xây dựng của Trung tâm kĩ thuật thuỷ văn Hoa Kỳ (1973). Mô hình này dựa trên những trận lũ, từ số liệu m−a rơi ta sử dụng một hàm tổn thất đơn giản và dùng đơn vị thuỷ lực (trong ch−ơng 5). Mô hình kèm theo HEC-2 cũng đ−ợc phát hiện bởi đoàn kỹ s− Hoa Kỳ (1976) thực hiện dựa trên −ớc tính mặt cắt ngang của dòng chảy trên cơ sở tỉ lệ dòng chảy hình học và đỉnh dòng chảy, những thứ có thể đ−ợc tính toán trong mô hình HEC- 1 (trong ch−ơng 7). Mô hình quản lí n−ớc sau những cơn m−a (SWMM) đ−ợc phát triển cho cơ quan bảo vệ môi tr−ờng (SWMM) và là mô hình có sẵn hoàn thiện nhất trong việc điều khiển dòng chảy trong thành phố trong những hệ thống tháo n−ớc sau cơn m−a (trong ch−ơng 6). Mô hình ILLUDAS (Terstriep và Stall, 1974) đã đựơc phát triển từ phòng thí nghiệm nghiên cứu hiện đại của Anh và sử dụng một l−ợng n−ớc chảy đ−ợc tạo ra từ một cơn m−a nhỏ cho những đề án rút n−ớc t−ơng tự (ch−ơng 6 ). Mỗi một mô hình sẽ đ−ợc miêu tả một cách chi tiết trong những ch−ơng tiếp theo. Mô hình gần đây có tính đến mối quan hệ giữa đầu vào sử dụng bởi những ng−ời điều tra, những kỹ s− thuỷ văn và đ−ợc mô tả qua một số công cụ máy tính trong những mô hình thuỷ văn. Sự phát triển của những công cụ đó (cách đây 20 năm ) đã h−ớng dẫn con ng−ời thu thập những số liệu thuỷ văn để xác định điều kiện hoặc “quan sát ” các mô hình đối lập. Những mô hình máy tính thuỷ văn đ−ợc phát triển từ những năm 1960-1970 đã đ−ợc xác định để sử dụng những vùng dữ liệu không đ−ợc nghiên cứu tr−ớc đó hoặc chỉ đ−ợc xác định theo những kinh nghiệm có sẵn. Ví dụ, tất cả những cơn m−a trong thành phố, những đồng bằng ngập lụt và những l−u vực thuỷ văn, đồ án tháo rút n−ớc, đồ án hồ chứa nhân tạo và ph−ơng pháp phân tích tần số xuất hiện lũ và quản lí những l−u vực sông rộng lớn đã giúp ích cho những mô hình lập trình bằng máy tính. Những mô hình mô phỏng đó đã ứng dụng phân tích l−u vực (đ−ợc mô tả chi tiết trong ch−ơng 5). Mô hình đơn giản nh− HEC-1 hay SWMM đ−ợc sử dụng để mô tả (hay tính toán ) quá trình biểu đồ thuỷ văn là kết quả của những cơn m−a, từ một diện tích l−u vực xác định rõ ràng cho một mô hình cụ thể của c−ờng độ m−a. Sự tổn thất thuỷ văn nh− quá trình thấm, bay hơi, bốc hơi qua lá, và l−ợng n−ớc đ−ợc giữ lại trong hồ chứa có thể trực tiếp tính đ−ợc cho một l−u vực sông xác định. Mô hình tiếp theo là mô hình đ−ờng phân n−ớc Stanford và SWMM có thể đánh giá cho những khu đất chứa ẩm những nơi có l−ợng thoát hơi n−ớc qua lá và những cơn m−a kéo dài trong suốt thời gian dài. Mô hình thống kê đ−ợc sử dụng để đ−a ra một chuỗi thời gian tính toán về dòng chảy và l−ợng m−a rơi có thể sau đó đ−ợc phân tích bằng ph−ơng pháp cân bằng lũ. Những mô hình nh− HEC-1 không quan tâm đến sự ngẫu nhiên của tự nhiên, của đầu vào trực tiếp l−ợng m−a rơi nh−ng có thể sử dụng cùng với ph−ơng pháp thống kê bắt nguồn từ những cơn m−a đ−ợc gọi là tính toán l−ợng m−a rơi trong chu kì một trăm năm hay 24h. Mô hình HEC-2 có thể sau đó đ−ợc sử dụng −ớc l−ợng mặt cắt ngang sông đ−ợc dự đoán sẽ xảy ra trong thời gian trung bình 100 năm. Mức ngập lụt xác định đó đ−ợc gọi là năm ngập lụt và đ−ợc mô tả chi tiết trong ch−ơng 7. Lợi thế của mô hình thuỷ văn làm trên máy tính bao gồm sự hiểu biết sâu sắc trong sự thu thập và thiết lập dữ liệu đầu vào cộng với sự hiểu biết thực tế, sự cố gắng để “ hiệu chỉnh” kết quả tính toán dòng chảy hoặc mực n−ớc với số liệu khảo sát từ 25 l−u vực thực tế. Những bài thực hành th−ờng h−ớng dẫn thu thập thêm dữ liệu bổ sung hoặc hoàn thiện ứng dụng của một mô hình riêng biệt. Tính hạn chế của các mô hình t−ơng tự bao gồm sự nguy hiểm tin t−ởng rằng mô hình sẽ đem lại kết quả chính xác trong tất cả các tr−ờng hợp. Sự tin cậy mô hình tính trên máy tính mạnh trong năm 1970 đã dẫn đến nhiều hoài nghi thích ứng đối với mô hình thuỷ văn trong năm 1980, cùng với sự quay trở lại đối với yêu cầu của các mô hình dẫn đến không thể kéo dài sự sẵn có của dữ liệu đầu vào trong thực tế. Tuy nhiên mô hình t−ơng tự trong thuỷ văn nếu cung cấp đúng dữ liệu vẫn có khả năng suy luận một cách đúng đắn để hiểu đúng hệ thống nguồn n−ớc phức tạp, và một kỉ nguyên mới trong ngành khoa học thuỷ văn đã bắt đầu. Những đồ án mới và phép tính mới đã tin t−ởng hoặc kiểm tra mà không có sự giúp đỡ phức tạp nào đôí với những mô hình dùng máy tính. Mô hình thuỷ văn thông th−ờng đã sử dụng từ năm 1990 cho việc phân tích l−u vực và thiết kế. 1.2. Vòng tuần hoàn n−ớc Các thành phần cơ bản của vòng tuần hoàn n−ớc bao gồm: M−a, bốc hơi, sự thoát hơi n−ớc, thấm, dòng chảy tràn trên mặt, dòng chảy trong sông ngòi và dòng chảy ngầm. Sự chuyển động của n−ớc thông qua sự biến đổi các trạng thái của vòng tuần hoàn n−ớc là không ổn định theo thời gian và không gian, tạo nên các giá trị cực trị của lũ lụt và hạn hán. Vòng tuần hoàn n−ớc là rất phức tạp, nh−ng d−ới các điều kiện và nguồn n−ớc xác định, sự tác động của một l−u vực sông tới l−ợng m−a, thấm, và bốc hơi n−ớc có thể tính toán đ−ợc nếu chúng ta giả thiết chúng đ−ợc tạo thành từ những quy luật đơn giản. Ví dụ, nếu c−ờng độ m−a rơi trên một l−u vực nhỏ hơn c−ờng độ thấm và nếu l−ợng trữ ẩm trong đất đá phong phú, khi đó m−a sẽ không sinh dòng chảy do vậy dòng chảy trong sông sẽ bằng không. Nếu trên các vùng đất khác, l−ợng m−a tr−ớc đó đã lấp đầy các lỗ hổng chứa ẩm trong đất đá và nếu c−ờng độ m−a rơi trên l−u vực lớn hơn c−ờng độ thấm và c−ờng độ bốc hơi, khi đó toàn bộ l−ợng m−a rơi trên l−u vực sẽ sinh ra dòng chảy mặt. Trong phần lớn các tr−ờng hợp, các điều kiện m−a rơi ở một nơi nào đó có các điều kiện không thuận lợi thì chúng ta phải đo đạc một cách cẩn thận hoặc tính toán đến sự ảnh h−ởng của nhiều nhân tố trong vòng tuần hoàn n−ớc để dự báo sự ảnh h−ởng của l−u vực. Các nhà thuỷ văn học có thể phải tính toán hoặc đánh giá một cách chính xác các dự án tài nguyên n−ớc tới sự biến đổi các thành phần của vòng tuần hoàn n−ớc. Các dự án thuỷ lực lớn đ−ợc thiết kế phải tính đến những ảnh h−ởng tiêu cực của các trận lũ lụt hoặc hạn hán để bảo vệ và th−ờng xuyên tiến hành tu sửa và chăm sóc. Đặc biệt là những vùng cửa sông là mối quan tâm của một nhà kỹ s− thuỷ văn, bao 26 gồm các vùng sau: 1. Sự phòng chống lũ lụt ở một đập tràn hoặc cống ngầm trên đ−ờng quốc lộ. 2. Dung tích hồ chứa đòi hỏi phải đảm bảo đầy đủ n−ớc t−ới cho nông nghiệp hoặc cung cấp n−ớc cho thành phố trong suốt thời kì khô hạn. 3. Hiệu ích của hồ chứa, đê điều và các công tác kiểm soát của con ng−ời đối với dòng chảy lũ trong sông. 4. ảnh h−ởng của sự đô thị hoá tới dung tích chứa t−ơng lai của một hệ thống tiêu n−ớc và mối liên hệ với dòng chảy lũ. 5. Sự mô tả lũ cực hạn có thể tăng c−ờng bảo vệ các dự án do con ng−ời làm nên khỏi lũ lụt và xúc tiến việc phân vùng tốt hơn. Trong mọi hệ thống thuỷ lực nào đó, một kho n−ớc có thể đ−ợc đánh giá sự phát triển và sự biến đổi h−ớng của dòng chảy và các thành phần trữ n−ớc trong l−u vực. Hệ thống thuỷ lực đơn giản nhất là một mặt nghiêng không thấm n−ớc, đ−ợc giới hạn bởi tất cả bốn bờ với một cửa sông duy nhất. Nh− là mô hình nhiều khu để xe một thành phố nhỏ. Ph−ơng trình liên tục cho mọi hệ thống sông là: dt dS QI =− (1.1) trong đó: I: Dòng chảy vào l−u trong một đơn vị thời gian (m3/s). Q: Dòng chảy ra trong một đơn vị thời gian (m3/s). dS/dt: Sự thay đổi trữ l−ợng n−ớc trong một đơn vị thời gian (m3/s). Nh− l−ợng m−a tích tụ trên bề mặt, độ nhám bề mặt tăng và cuối cùng tạo ra dòng chảy ra khỏi hệ thống sông. Sự bốc hơi là không đáng kể trong giai đoạn vào l−u vực, tất cả l−ợng m−a rơi trong l−u vực cuối cùng đều chảy ra khỏi l−u vực (xem hình 1.2), nh−ng chúng bị giữ ở một nơi nào đó trong một thời gian nhất định. Sự khác nhau giữa phần n−ớc đến và đi ở bất kỳ thời điển nào trong l−u vực thể hiện sự thay đổi trữ l−ợng n−ớc trong l−u vực. Do vậy, vùng đ−ợc che phủ thể hiện thể tích giữ n−ớc liên quan tới khả năng trữ. Một số khái niệm, áp dụng cho các l−u vực nhỏ hoặc các l−u vực lớn khó có thể thêm vào đ−ợc, chính điều đó tất cả các thuật ngữ bị mất có thể không đ−ợc biết đến trong kho n−ớc. Một l−u vực đ−ợc xác định nh− là một vùng đất tại đó n−ớc chảy về một cửa sông duy nhất và đ−ợc phân chia với các l−u vực khác bởi một đ−ờng phân thuỷ của l−u vực. Công thức toán học mới cho một thời đoạn nhất định của toàn bộ kho n−ớc trong hình 1.1, trong các đơn vị của độ sâu (in hoặc cm) trên l−u vực. P – R – G – E – T = ∆S (1.2) trong đó: P: L−ợng m−a. R: Dòng chảy mặt. G: Dòng chảy ngầm. 27 E: L−ợng bốc hơi. T: L−ợng n−ớc thoát ra. ∆S: Sự thay đổi trữ l−ợng n−ớc trong l−u vực. Hình 1.2 Một hệ thuỷ văn đơn giản Hệ số dòng chảy có thể đ−ợc xác định bằng tỷ số R/P. Chú ý rằng l−ợng thấm I mất mát từ bề mặt tới n−ớc ngầm, sau đó lại chảy ra khỏi l−u vực. Các đơn vị đo inchs (hoặc cm) mô tả một phần thể tích n−ớc của l−u vực. Ví dụ 1.1 Cân bằng n−ớc Trong một tháng, một hồ 300 mẫu có l−ợng nhập l−u là 15 (ft3/s), l−ợng thoát ra là 13 (ft3/s), tổng l−ợng trữ n−ớc tăng là 16 (ac-ft), l−ợng m−a đo đ−ợc trong hồ trong một tháng là 1.3 (inchs). Giả thiết rằng l−ợng thấm trong hồ là rất đáng kể, hãy xác định l−ợng hơi n−ớc mất trên toàn hồ. giải: áp dụng ph−ơng trình cân bằng n−ớc cho l−ợng n−ớc đến và đi trong hồ là: E = I – O + P - ∆S mà (inchs). 35.70 áá = = )(300 )(1)./(30)./24).(/(3600)./(12).560,43/).(/(15 23 acre ngthngthngàyngàygiờgiờsftinftacresft I 28 (in). 30.94 áá = = )(300 )(1)./(30)./(24)./(3600)./(12).560,43/).(/(12 3 acre ngthngthngàyngàygiờgiờsftinacresft O (in) 0.64 ==−=∆ )(300 )/(12).(16 acre ftinftac S . suy ra E = 35.70 – 30.94 + 1.3 – 0.64 = 5.42 (in). Ví dụ 1. 2 Cân bằng n−ớc l−u vực Trong một năm, một l−u vực với diên tích 2500 km2 nhân đ−ợc 130 cm m−a. Sự thay đổi l−u l−ợng trong một năm đo đ−ợc là 30 m3/s. Hãy tính tổng l−ợng n−ớc mất do các nhân tố ảnh h−ởng bốc hơi, l−ợng n−ớc thấm xuống n−ớc ngầm, l−ợng n−ớc thoát. Dòng chảy tới sông trong một năm là bao nhiêu (theo cm)? Hệ số dòng chảy? giải Theo ph−ơng trình cân bằng n−ớc ta có: ET + G = P – R - ∆S Giả thiết rằng mực n−ớc không thay đổi trong một năm, nghĩa là ∆S
Tài liệu liên quan