Chương 2: Các nguyên lý thuỷ văn

Chương 2: Các nguyên lý thuỷ văn THUỶ VĂN CÔNG TRÌNH Khoa Thuỷ văn – Tài nguyên nước Bộ môn Thuỷ văn – Tài nguyên nước 1 2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực 1. Hệ thống sông ngòi  Sông ngòi là sản phẩm của khí hậu, được hình thành dưới tác động bào mòn của dòng chảy do nước mưa hoặc tuyết tan  Sông là một dải lãnh thổ trên đó có dòng nước chảy tương đối lớn và tương đối ổn định.  Một tập hợp những sông suối gồm một sông chính và các phụ lưu phân lưu lớn nhỏ có liên quan chặt chẽ với nhau về dòng chảy và lưu vực tập trung nước được gọi là hệ thống sông. 2 2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực 1. Hệ thống sông ngòi 3 Sông hình nan quạt Sông hình lông chim 2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực Tập hợp toàn bô ̣ các sông suối lớn nho ̉̉ có liên quan đến nguồn nước sông gọi là hê ̣ thống sông: Hê ̣ thống sông Hồng; Hê ̣ thống sông Đồng Nai…. Phân loại sông thường theo cách sau: 4 Sông hình cành cây •Các sông trực tiếp đổ ra biển hoặc vào các hồ trong nội địa gọi là sông chính. •Sông đổ vào sông chính là sông nhánh cấp I. •Sông đổ vào sông nhánh cấp I là sông nhánh cấp II. 2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực 2. Lưu vực sông Là phần diện tích mặt đất giới hạn bởi mặt cắt cửa ra va ̀ đường chia nước. Toàn bộ nước trên phần diện tích đó(kể cả nước mặt và nước ngầm) sẽ chảy ra qua mặt cắt cửa ra. Mặt cắt cửa ra. Là mặt cắt ngang sông mà tại đó tiến hành nghiên cứu, đo đạc lượng nước trên lưu vực chảy qua (còn gọi là tuyến khống chế ). 5 2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực Đường chia nước. Là đường nối các điểm cao nhất xung quanh lưu vực và ngăn cách nó với các lưu vực khác ở bên cạnh, trên đường phân nước nước sẽ chảy về các lưu vực sông khác nhau. Để xác định cần dựa vào bản đồ địa hình. Có 2 loại đường: đường chia nước mặt và đường chia nước ngầm. Thực tế thường thì không trùng nhau (gọi là lưu vực hở). Ứng dụng thực tê ́ thường coi là trùng nhau (gọi là lưu vực kín). 6 2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực 3. Các đặc trưng hình học của lưu vực sông  Diện tích lưu vực F (km2): Diện tích khu vực khống chế bởi đường phân nước va ̀ mặt căt cửa ra.  Chiều dài sông (Ls) và chiều dài lưu vực (Llv ):  Ls là chiều dài đường nước chảy trên dòng chính tính từ nguồn đến mặt cắt cửa ra của lưu vực. 7 Ls (km) 2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực 3. Các đặc trưng hình học của lưu vực sông  Llv là chiều dài đường gấp khúc nối từ cửa ra qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực cho đến điểm xa nhất của lưu vực. 8 Llv (km) 2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực 3. Các đặc trưng hình học của lưu vực sông • Chiều rộng bình quân lưu vực B: B = F/Llv • Độ cao bình quân lưu vực(m): 9 n YngiWiZiYi n Xi n i n i     11 )( 10  Độ dốc lòng sông và độ dốc bình quân lưu vực - Độ dốc trung bình lòng sông Js = 2/L 2 trong đó:  là tổng diện tích phía dưới đường nối các điểm cao độ đáy sông, L là tổng độ dài sông trên mặt phẳng nằm ngang - Độ dốc trung bình lưu vực  Mật độ lưới sông: D = ∑L/F (km/km2)  Một số đặc trưng khác F i h n 1i 2 i l 1i l J Δ     lv 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng  Các yếu tố khí hậu, khí tượng: mưa, bốc hơi, áp suất hơi nước, gió…  Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy là mưa và bốc hơi.  Mưa và bốc hơi phụ thuộc vào các yếu tố khí tượng khác: nhiệt độ, độ ẩm, gió… 11 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 1. Mưa Là hiện tượng nước ở thể lỏng hoặc thể rắn từ các tầng khí quyển rơi xuống mặt đất. Có 4 nguyên nhân hình thành mưa.  Mưa đối lưu  Mưa địa hình  Mưa gió xoáy  Mưa bão 12 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng Các đặc trưng mưa a) Lượng mưa (mm): là lớp nước mưa rơi trong một thời đoạn thời gian nào đó. Thời gian xác định lương mưa nho ̉ hơn 1 ngày gọi là mưa thời đoạn ngắn (mưa 60 phút, 120 phút…), ngược lại lớn hơn 1 ngày gọi là thời đoạn dài (mưa ngày, mưa tháng, mưa năm) 13 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng b) Cường độ mưa (mm/phút,mm/h): là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian. 14 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 15 mm Jan. Feb. March April May June July Aug. Sep. Oct. Nov. Dec Total Lai Chau 4 27 11 139 491 479 780 304 188 4 49 0 2476 Son La 4 17 9 166 267 176 290 174 169 69 11 1 1353 Tuyen Quang 2 32 17 120 288 163 231 175 208 20 14 24 1294 Ha Noi 3 25 29 98 118 211 286 330 388 145 5 21 1659 Bai Chay 4 21 31 44 100 297 410 129 268 80 41 7 1432 Nam Đinh 6 45 32 43 175 60 217 162 179 125 10 33 1087 Vinh 33 35 142 76 204 9 44 637 119 495 45 123 1962 Hue 255 3 100 180 153 17 63 261 307 1544 907 603 4393 Da Nang 153 0 58 55 156 7 24 152 253 1147 894 164 3063 Qui Nhon 68 1 93 23 78 28 5 311 135 673 808 18 2241 Playku 0 0 31 49 306 209 444 522 258 327 168 0 2314 Da Lat 0 0 98 85 338 147 206 530 394 208 148 2 2156 Nha Trang 23 3 40 27 157 49 17 51 168 483 543 4 1565 Vung Tau 2 - 8 27 302 314 210 297 173 117 70 2 1522 Ca Mau 38 - 39 86 174 322 421 371 307 508 339 1 2606 Months Mưa trung bình tháng một số trạm ở Việt Nam 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 16 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 17 Lượng mưa không rơi đều trên toàn bộ lưu vực. Các đường đẳng trị mưa được sử dụng để mô tả sự thay đổi mưa theo không gian. Đường đẳng trị mưa là đường cong nối những điểm có cùng lượng mưa. 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 18 Phương pháp tính lượng mưa bình quân lưu vực a. Phương pháp bình quân số học:    n i i X n X 1 1 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 19 Phương pháp tính lượng mưa bình quân lưu vực b. Phương pháp đa giác Thiessen F Xf X n i ii   1 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 20 Phương pháp tính lượng mưa bình quân lưu vực c. Phương pháp đường đẳng trị F XX f X n i ii i     1 1 2 )( F1= 10km 2 F2 = 8km 2 F3 = 12km 2 F4 = 10km 2 Xtb = (1.5*10+2.25*8+2.75*12+3.5*10) 10+8+12+10 = 2.53cm = 25.3mm 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 21 2. Bốc hơi Bốc hơi là hiện tượng nước chuyển từ trạng thái lỏng hoặc rắn sang trạng thái hơi. Đại lượng biểu thị lượng bốc hơi ký hiệu Z (mm) được tính bằng bề dày lớp nước bị bốc thoát trong một thời đoạn nào đó (ngày, tháng, năm). Theo nguồn gốc bốc hơi thường chia ra: 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 22 • 1. Bốc hơi mặt nước: là bốc hơi trực tiếp từ mặt thoáng của nước. •2. Bốc hơi mặt đất: là bốc hơi trực tiếp từ mặt đất. •3. Bốc hơi qua lá cây: Thực vật trong quá trình dinh dưỡng hút nước từ dưới đất lên, một phần tham gia vào việc tạo thành các tế bào thực vật, một phần sẽ bốc hơi qua các khí khổng rất nhỏ trên mặt lá cây, nên còn gọi là thoát hơi thực vật. •4. Bốc hơi lưu vực: là lượng bốc hơi tổng hợp trên bề mặt lưu vực bao gồm lượng bốc hơi từ hồ ao, đầm lầy, bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá. 23 Bốc hơi mặt nước: •Lượng nước cấp cho bốc hơi rất dồi dào. •Ít sự ngăn trở quá trình bốc hơi •Lượng bốc hơi rất lớn Bốc hơi mặt đất: •Lượng bốc hơi nhỏ hơn bốc hơi từ mặt nước. Tốc độ giảm nhanh khi mưa ngừng rơi Bốc hơi qua mặt lá: •Bao gồm lượng nước bị giữ trên cây và thoát hơi nước chiếm thành phần đáng kể ở nơi có thảm phủ thực vật dày. 2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng 24 • 5. Bốc hơi tiềm năng (Ep): là lượng bốc hơi lớn nhất có thể xảy ra phụ thuộc vào nhu cầu của khí quyển. Lượng nước cấp cho bốc hơi tiềm năng luôn đầy đủ và không hạn chế. Bốc hơi tiềm năng thường đo trong lều khí tượng. Hoặc tính theo công thức đơn giản: Công thức Thornthwaite (1948): ET = 16La(10t/I) a (mm/tháng) Với: La : hệ số hiệu chỉnh về số giờ ánh sáng ngày / 12 t: nhiệt độ trung bình tháng I: chỉ số nhiệt lượng hàng năm = tổng 12 tháng chỉ số i i = (t/5)1,514 a: hằng số thay đổi theo địa phương a = 6,75.10-7I3 – 7,71.10-5I2 + 1,78.10-2I + 0,498 25 • 6. Bốc hơi thực tế (Ea): luôn nhỏ hơn hoặc bằng bốc hơi tiềm năng. Được đo đạc bằng dụng cụ gọi là thùng/chậu đo bốc hơi ( xem hình) 26 Lượng bốc hơi/ thời gian Mặt nước t=0 Mặt nước t=1 Đo bốc hơi trong chậu 2.3 Dòng chảy sông ngòi 27 1. Sơ lược sự hình thành dòng chảy sông ngòi Thuật ngữ “Dòng chảy” được dùng để chỉ khả năng cung cấp nước của một lưu vực sông nào đó trong một khoảng thời gian nhất định. Phân loại dòng chảy sông ngòi: Theo nguồn gốc: Dòng chảy mặt Dòng chảy ngầm Theo thời gian: Dòng chảy năm Dòng chảy lũ Dòng chảy kiệt 2.3 Dòng chảy sông ngòi 28 Dòng chảy ngầm Thấm Dòng chảy ngầm ra sông Dòng chảy sa ́t mặt ra sông Mưa Dòng cha ̉y mặt Lớp dòng chảy tràn trên mặt đất Mực nước ngầm 2.3 Dòng chảy sông ngòi 29 1. Sơ lược sự hình thành dòng chảy sông ngòi Khi mưa rơi xuống bề mặt lưu vực: •Một phần bị giữ lại để làm ẩm bề mặt (lá cây, mái nhà…) •Một phần bị giữ lại trong các chỗ trũng (điền trũng) •Một phần bị bốc hơi trở lại: bốc hơi qua lá, bốc hơi bề mặt… •Một phần bị thấm xuống đất: giai đoạn đầu thấm nhiều, giai đoạn sau thấm ít dần và ổn định •Phần còn lại chảy tràn trên sườn dốc tạo thành các lạch nước rồi đổ vào suối, suối đổ vào sông nhánh, sông nhánh đổ vào sông chính và cuối cùng chảy ra cửa ra của lưu vực. (t = vài giờ, vài ngày) •Phần dòng chảy sau khi bị thấm xuống đất sẽ tham gia vào quá trình hình thành dòng chảy ngầm, sau một thời gian cũng sẽ chảy về cửa ra của lưu vực. (t = tháng). 2.3 Dòng chảy sông ngòi 30 2. Các đặc trưng biểu thị dòng chảy sông ngòi a. Lưu lượng nước Q (m3/s): lượng nước chảy qua mặt cắt ngang sông nào đó của sông trong thời gian 1 giây. b. Tổng lượng dòng chảy W (m3): lượng nước chảy qua mặt cắt ngang sông trong một khoảng thời gian T nào đó từ thời điểm t1 đến thời điểm t2 (T = t2 – t1)   2 1 )()( t tT dttQdttQW 2.3 Dòng chảy sông ngòi 31 2. Các đặc trưng biểu thị dòng chảy sông ngòi c. Độ sâu dòng chảy Y (lớp dòng chảy) (mm): Trải đều tổng lượng nước trên toàn bộ bề mặt diện tích lưu vực được một lớp nước gọi là độ sâu d/c hoặc lớp d/c. d. Mô đun dòng chảy M (l/s.km2): Trị số lưu lượng tính trên một đơn vị diện tích tham gia vào sự hình thành lưu lượng ở tuyến cửa ra của lưu vực. e. Hệ số dòng chảy: Hê ̣ số dòng chảy biểu thị mức độ tổn thất dòng chảy. Được tính bằng tỉ số giữa độ sâu dòng chảy và lượng mưa tương ứng sinh ra dòng chảy đó. 3 10.   F W Y F Q M 3 10  X Y  2.3 Dòng chảy sông ngòi 32 3. Chế độ dòng chảy và sự hình thành các pha dòng chảy Sự thay đổi có quy luật của dòng chảy sông ngòi theo thời gian gọi là chế độ dòng chảy sông ngòi. Nghiên cứu chế độ dòng chảy là việc nghiên cứu sự thay đổi của các đặc trưng dòng chảy theo thời gian. •Xét trong thời kỳ nhiều năm: Pha nhiều nước (những năm liên tục có dòng chảy phong phú) Pha ít nước (những năm liên tục có dòng chảy nhỏ) •Xét trong từng năm Pha nước lớn (mùa lũ) Pha nuớc nhỏ (mùa kiệt) 2.3 Dòng chảy sông ngòi 33 3. Chế độ dòng chảy và sự hình thành các pha dòng chảy 2.4 Phương trình cân bằng nước 34 1. Nguyên lý cân bằng nước: “Với một khu vực bất kỳ, chênh lệch giữa lượng nước đến và lượng nước đi ra khỏi trong một thời đoạn tính toán bất kỳ bằng sự thay đổi trữ lượng nước của khu vực đó trong thời đoạn tính toán.” Wđến – Wđi = ∆W 2.4 Phương trình cân bằng nước 35 2. Phương trình cân bằng nước Z2 X Z1 Ym1 Ym2 Yng1 Yng2 W 1) Phương trình cân bằng nước tổng quát: Xét một khu vực bất kỳ trên lưu vực trong một thời đoạn bất kỳ t  Các thành phần nước đến:  Lượng mưa: X  Lượng nước ngưng tụ: Z1  Lượng nước mặt đến: Ym1  Lượng nước ngầm đến: Yng1  Các thành phần nước đi:  Lượng bốc hơi: Z2  Lượng nước mặt đi: Ym2  Lượng nước ngầm đi: Yng2  Chênh lệch trữ lượng nước trên khu vực tại đầu và cuối thời đoạn tính toán: W=W2 -W1 Phương trình cân bằng nước tổng quát: (X+Z1+Ym1+Yng1) - (Z2+Ym2+Yng2) =  W 2.4 Phương trình cân bằng nước 36 Z2 X Z1 Ym1 Ym2 Yng1 Yng2 W 2) Phương trình cân bằng nước của lưu vực sông trong thời đoạn bất ky ̀: a) Phương trình cân bằng nước đối với lưu vực kín: đường phân chia nước mặt trùng với đường phân chia nước ngầm Ym1 = 0; Yng1 = 0 X = Y + Z + W Trong đó: Y=Ym2+Yng2 và Z=Z2-Z1 c) Phương trình cân bằng nước đối với lưu vực hở: đường chia nước mặt không trùng với đường chia nước ngầm do vậy có sự trao đổi của nước ngầm từ lưu vực khác. X = Y + Z + W +Yng Trong đó: Y=Ym2; Yng = Yng2 - Yng1 Gia ́ trị Yng có thể âm hoặc dương 2.4 Phương trình cân bằng nước 37 2) Phương trình cân bằng nước của lưu vực sông trong thời ky ̀ nhiều năm: Ptcbn X = Y + Z + W (cho lưu vực kín) va ̀ Ptcbn X = Y + Z + W +Yng (cho lưu vực hở) là hai ptcbn viết cho thời đoạn bất kỳ. Nếu ta chọn thời kỳ cbn là ∆t = 1 năm thì mỗi năm thứ i ta có thể viết được một phương trình Xi = Yi + Zi + Wi và Xi = Yi + Zi + Wi +Yng i . Trong thời kỳ nhiều năm sẽ có n phương trình. Bằng cách lấy bình quân: - Đối với lưu vực kín phương trình: Xo = Yo + Zo - Đối với lưu vực hở thành phần khác o vì có sự trao đổi nước hai lưu vực do vậy có phương trình : Xo = Yo + Zo + Wo . Wo n Yngi n i   1 n YngiWiZiYi n Xi n i n i     11 )( Câu hỏi thảo luận chương 2 38 • Khái niệm về mưa và các đặc trưng biểu thị • Các phương pháp tính mưa bình quân lưu vực và điều kiện ứng dụng • Khái niệm và ý nghĩa của các đặc trưng biểu thị dòng chảy • Viết phương trình cân bằng nước và giải thích các thành phần của phương trình •Quá trình hình thành dòng chảy trên sông Bài tập chương 2 39 2-1. Một lưu vực 465 km2 có lượng mưa bình quân hàng năm là 775mm và dòng chảy bình quân hàng năm là 3.8 m3/s. Có bao nhiêu phần trăm lượng mưa bị tổn thất bởi lưu vực (hệ số dòng chảy)? 2-2. Một lưu vực 9250 km2 có lượng mưa bình quân hàng năm là 645mm và dòng chảy bình quân hàng năm là 37.3 m3/s. Lớp nước mưa tổn thất trên lưu vực là bao nhiêu?