Giáo trình Tính toán thủy văn

1 NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2003 Từ khoá: Tần suất, Chuẩn dòng chảy năm, Dòng chảy lũ, mặt dệm, dao động dòng chảy năm, phân phối dòng chảy năm, dòng chảy lũ, cường độ tới hạn, vi phân, dòng chảy kiệt, tài nguyên nước, môi trường Tài liệu trong Thư viện điện tử Đại học Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. TÍNH TOÁN THỦY VĂN Nguyễn Thanh Sơn 2 MỤC LỤC MỤC LỤC.............................................................................................................................................. 2 LỜI TỰA................................................................................................................................................ 7 Chương 1.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THỦY VĂN ........... 8 1.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................................................... 8 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TÍNH TOÁN THỦY VĂN.............................................................................. 9 1.2.1. Các công trình nghiên cứu...................................................................................... 9 1.2.2. Tổng hợp, phân chia các giai đoạn phát triển thủy văn ....................................... 11 1.2.3. Lịch sử phát triển thủy văn ở Việt Nam ................................................................ 12 1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................................................................................... 12 1.3.1. Phương pháp khảo sát trạm đo............................................................................. 12 1.3.2. Phương pháp khái quát......................................................................................... 13 1.3.3. Phương pháp mô hình hoá toán học và thực nghiệm ........................................... 13 1.3.4.Phương pháp thống kê ........................................................................................... 15 Chương 2. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY.................................................................................. 16 2.1. KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ NƯỚC LỤC ĐỊA ....................................................................................... 16 2.2. ĐƠN VỊ ĐO DÒNG CHẢY .................................................................................................................. 16 2.3. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA LƯU VỰC................................................................................................... 18 2.3.1. Các đặc trưng của mạng lưới địa lý thủy văn ...................................................... 18 2.3.2. Các đặc trưng hình thái của lưu vực .................................................................... 18 2.3.3. Các yếu tố mặt đệm............................................................................................... 20 2.3.4. Các đặc trưng khí hậu .......................................................................................... 21 2.4. BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA DÒNG CHẢY.......................................................................................... 23 2.4.1. Giai đoạn tạo dòng ............................................................................................... 23 2.4.2. Giai đoạn dòng chảy sườn dốc ............................................................................. 24 2.4.3. Giai đoạn dòng chảy trong sông ngòi .................................................................. 25 2.5. CÔNG THỨC CĂN NGUYÊN CỦA DÒNG CHẢY ........................................................................... 26 2.5.1. Khái niệm về đường cong chảy truyền ................................................................. 26 2.5.2. Thành lập công thức căn nguyên dòng chảy ........................................................ 26 Chương 3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC......................................................................... 28 3.1. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC DẠNG TỔNG QUÁT ........................................................... 28 3.2. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC CHO MỘT LƯU VỰC SÔNG NGÒI................................... 29 3.2.1. Phương trình cân bằng nước cho lưu vực kín ...................................................... 29 3.2.2. Phương trình cân bằng nước cho lưu vực hở ....................................................... 29 3.3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC CHO THỜI KỲ NHIỀU NĂM .......................... 29 3.4. PHÂN TÍCH CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI THÔNG QUA PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC ................................................................................................. 30 3.5. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC AO HỒ, ĐẦM LẦY.............................................................. 31 3.5.1. Phương trình cân bằng nước cho ao hồ ............................................................... 31 3.5.2. Phương trình cân bằng nước cho đầm lầy ........................................................... 31 3.6. CÁN CÂN NƯỚC VIỆT NAM ............................................................................................................. 32 3 3.6.1. Tài nguyên nước toàn lãnh thổ ............................................................................. 32 3.6.2. Tài nguyên nước theo 7 vùng kinh tế nông nghiệp ............................................... 32 Chương 4. CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM ......................................................................................... 35 4.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM ........................................................................................................... 35 4.2. XÁC ĐỊNH CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM KHI CÓ ĐẦY ĐỦ TÀI LIỆU QUAN TRẮC................. 35 4.3. LỰA CHỌN THỜI KỲ TÍNH TOÁN ................................................................................................... 36 4.4. TÍNH CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM KHI KHÔNG ĐỦ SỐ LIỆU QUAN TRẮC.............................. 38 4.5. XÁC ĐỊNH CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM KHI KHÔNG CÓ TÀI LIỆU QUAN TRẮC................... 40 4.5.1. Xác định theo bản đồ đẳng trị .............................................................................. 40 4.5.2. Phương pháp nội suy ............................................................................................ 41 4.5.3. Xác định chuẩn dòng chảy năm theo phương trình cân bằng nước ..................... 41 4.6. ẢNH HƯỞNG CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN TỚI CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM ............. 42 4.6.1. Ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu........................................................................ 42 4.6.2. Ảnh hưởng của diện tích lưu vực đến chuẩn dòng chảy năm............................... 43 4.6.3. Ảnh hưởng của địa hình đến chuẩn dòng chảy năm............................................. 44 4.6.4. Ảnh hưởng của địa chất thổ nhưỡng tới chuẩn dòng chảy năm........................... 45 4.6.5. Ảnh hưởng của rừng và các dạng thảm thực vật đến chuẩn dòng chảy năm....... 45 4.6.6. Ảnh hưởng của hồ đến chuẩn dòng chảy năm...................................................... 47 4.6.7. Ảnh hưởng của đầm lầy đến chuẩn dòng chảy năm ............................................. 47 4.6.8. Ảnh hưởng của các hoạt động kinh tế đến chuẩn dòng chảy năm ....................... 47 4.7. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM ........................................................................ 48 4.7.1. Phân tích tài liệu xây dựng bản đồ chuẩn dòng chảy năm................................... 48 4.7.2. Các bước xây dựng bản đồ chuẩn dòng chảy năm............................................... 48 4.8. DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI VIỆT NAM VÀ CÁC YẾU TỐ ĐỊA LÝ TÁC ĐỘNG TỚI NÓ ........... 49 4.8.1. Các yếu tố khí hậu ................................................................................................ 49 4.8.2. Thổ nhưỡng và nham thạch .................................................................................. 52 4.8.3. Địa hình ................................................................................................................ 53 4.8.4. Rừng...................................................................................................................... 54 4.8.5. Sự hoạt động kinh tế của con người ..................................................................... 55 Chương 5. DAO ĐỘNG DÒNG CHẢY NĂM.................................................................................. 58 5.1. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT XÁC SUẤT THỐNG KÊ TÍNH DAO ĐỘNG DÒNG CHẢY NĂM..... 59 5.1.1. Một số tính chất cơ bản của các đường phân bố đặc trưng dòng chảy................ 59 5.1.2. Đường cong đảm bảo và các khái niệm thống kê................................................. 60 5.2. XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG CHUỖI DÒNG CHẢY KHI CÓ ĐẦY ĐỦ SỐ LIỆU QUAN TRẮC .......................................................................................................................................... 61 5.3. XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒ GIẢI - GIẢI TÍCH G. A. ALECXÂYEV......................................................................................................................................... 63 5.4. XÁC ĐỊNH THAM SỐ THỐNG KÊ DÒNG CHẢY NĂM KHI QUAN TRẮC NGẮN..................... 66 5.5. XÁC ĐỊNH THAM SỐ THỐNG KÊ DÒNG CHẢY NĂM KHI KHÔNG CÓ QUAN TRẮC ........... 68 5.6. XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG ĐẢM BẢO VÀ TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY NĂM VỚI XÁC SUẤT AN TOÀN CHO TRƯỚC ....................................................................................................................... 69 Chương 6. SỰ PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY TRONG NĂM ........................................................... 72 6.1. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY TRONG NĂM .................... 72 4 6.1.1. Vai trò các nhân tố ảnh hưởng đối với sự phân phối dòng chảy trong năm ........ 72 6.1.2. Tình hình phân phối dòng chảy ở Việt Nam ......................................................... 74 6.2. NĂM ĐẠI BIỂU MƯA NĂM VÀ DÒNG CHẢY NĂM...................................................................... 74 6.2.1. Lựa chọn năm đại biểu ......................................................................................... 74 6.2.2. Phân phối dòng chảy theo phương pháp năm đại biểu ........................................ 75 6.4. ĐƯỜNG CONG DUY TRÌ LƯU LƯỢNG ........................................................................................... 76 6.4.1. Ý nghĩa và các đặc trưng biểu thị ......................................................................... 76 6.4.2. Phương pháp mô hình hoá đường cong duy trì lưu lượng ................................... 77 6.5. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY NĂM KHI CÓ TÀI LIỆU QUAN TRẮC .......................................................................................................................................... 78 6.5.1. Phương pháp V.G. Anđrâyanôp............................................................................ 78 6.5.2. Phương pháp năm điển hình................................................................................. 79 6.6. TÍNH TOÁN PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY NĂM KHI THIẾU TÀI LIỆU QUAN TRẮC .................. 79 6.6.1. Phương pháp lưu vực tương tự ............................................................................. 79 6.6.2. Quan hệ giữa các thông số phân phối với các nhân tố ảnh hưởng (xây dựng cho từng vùng) ....................................................................................................................... 80 6.6.4. Phương pháp cùng tần suất để tính phân phối dòng chảy trong năm thiết kế ..... 81 6.6.5. Phương pháp điều tiết toàn chuỗi......................................................................... 81 6.6.6. Phương pháp phân tích quá trình ngẫu nhiên ...................................................... 81 Chương 7. DÒNG CHẢY LỚN NHẤT ............................................................................................. 82 7.1. Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU LŨ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG DÒNG CHẢY LỚN NHẤT........................ 82 7.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI DÒNG CHẢY LỚN NHẤT ......................................................... 82 7.3. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY LŨ.................................................................................................. 83 7.3.1. Sự hình thành dòng chảy lũ .................................................................................. 83 7.3.2. Công thức tính Q max và sơ đồ phương pháp tính Qmax từ tài liệu mưa rào .......... 84 7.4. MƯA RÀO VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH..................................................................................... 86 7.4.1. Mưa rào ................................................................................................................ 86 7.4.2. Công thức triết giảm cường độ mưa..................................................................... 87 7.5. VẤN ĐỀ TỔN THẤT VÀ CHẢY TỤ................................................................................................... 89 7.5.1.Tổn thất .................................................................................................................. 89 7.5.2. Chảy tụ và phương pháp xác định thời gian chảy tụ ............................................ 91 7.6. CÁC CÔNG THỨC TÍNH DÒNG CHẢY LỚN NHẤT....................................................................... 95 7.6.1. Công thức cường độ giới hạn ............................................................................... 96 7.6.2. Công thức thể tích................................................................................................. 98 7.6.3. Công thức triết giảm ........................................................................................... 100 7.7. GIẢI PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DÒNG CHẢY LŨ ...................................................................... 104 7.7.1. Giải phương trình vi phân trong lòng sông cơ sở .............................................. 104 7.7.2. Tìm môdun và lưu lượng lớn nhất trên lưu vực cơ sở ........................................ 105 7.7.3. Công thức khái quát dòng chảy lớn nhất trên lưu vực cơ sở.............................. 107 7.7.4. Giải phương trình vi phân cho hệ thống sông ngòi ............................................ 109 7.7.5. Công thức dạng tổng quát của dòng chảy lớn nhất theo hệ thống lòng sông .... 112 7.7.6. Khảo sát hệ số địa lý thủy văn ............................................................................ 112 7.8. TỔNG LƯỢNG LŨ VÀ QUÁ TRÌNH LŨ ......................................................................................... 114 7.8.1. Tổng lượng lũ và phương pháp xác định............................................................ 116 5 7. 8.2. Phương pháp xác định quá trình lũ ................................................................... 117 7.8.3. Thành phần và sự tổ hợp nước lũ ....................................................................... 120 7.8.4. Mùa lũ ở Việt Nam.............................................................................................. 122 Chương 8. DÒNG CHẢY BÉ NHẤT .............................................................................................. 126 8.1. TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY BÉ NHẤT KHI CÓ SỐ LIỆU QUAN TRẮC ...................................... 126 8.2. TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY BÉ NHẤT KHI KHÔNG CÓ TÀI LIỆU QUAN TRẮC...................... 127 8.3. TÌNH HÌNH DÒNG CHẢY KIỆT Ở VIỆT NAM .............................................................................. 128 8.3.1. Các thời kỳ dòng chảy kiệt.................................................................................. 128 8.3.2. Nước trong mùa khô và các vấn đề về nước....................................................... 128 Chương 9. DÒNG CHẢY RẮN........................................................................................................ 130 9.1. CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY RẮN .......................................................................... 131 9.2. TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY PHÙ SA ................................................................................................ 131 9.3. TÍNH TOÁN LẮNG ĐỌNG HỒ CHỨA ............................................................................................ 133 9.4. LŨ BÙN ĐÁ ........................................................................................................................................ 133 Chương 10. MÔ HÌNH HOÁ TOÁN HỌC DÒNG CHẢY ........................................................... 135 10.1. PHÂN LOẠI MÔ HÌNH DÒNG CHẢY ........................................................................................... 135 10.1.1. Mô hình ngẫu nhiên .......................................................................................... 135 10.1.2. Mô hình tất định................................................................................................ 136 10.1.3. Mô hình động lực - ngẫu nhiên......................................................................... 138 10.2. NHỮNG NGUYÊN LÝ CHUNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG MÔ HÌNH " HỘP ĐEN" - LỚP MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH DỪNG................................................................................................................ 139 10.2.1. Một số cấu trúc mô hình tuyến tính cơ bản ...................................................... 140 10.3. GIỚI THIỆU CÁC MÔ HÌNH HỘP ĐEN TRONG TÍNH TOÁN THỦY VĂN.............................. 145 10.3.1. Mô hình Kalinhin - Miuliakốp - Nash............................................................... 145 10.3.2. Đường lưu lượng đơn vị ................................................................................... 146 10.4. NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG MÔ HÌNH "QUAN NIỆM" DÒNG CHẢY ........................................ 147 10.4.1. Xây dựng cấu trúc mô hình............................................................................... 147 10.4.2. Xác định thông số mô hình ............................................................................... 148 10.5. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH QUAN NIỆM ............................................................................................ 150 10.5.1. Mô hình TANK.................................................................................................. 150 10.5.2. Mô hình SSARR................................................................................................. 159 10.6. MÔ HÌNH DIỄN TOÁN CHÂU THỔ .............................................................................................. 163 10.7.2. Mô hình hoá chuỗi dòng chảy năm................................................................... 167 10.7.3. Xét phân bố dòng chảy trong năm.................................................................... 168 10.9. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN Ở VIỆT NAM .............. 171 Chương 11. QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG NƯỚC ......................... 172 11.1. NGUỒN NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG................................................................................................ 172 11.1.1. Nguồn nước trên Trái Đất ................................................................................ 172 11.1.2. Sử dụng nguồn nước mặt, nước ngầm .............................................................. 173 11.1.3. Ảnh hưởng của môi trường đối với chất lượng nước sông, vấn đề ô nhiễm nước hiện nay......................................................................................................................... 175 11.1.4. Ảnh hưởng của các công trình thủy lợi, đập nước đến môi trường................. 176 6 11.2. KIẾN THỨC CƠ SỞ ĐỂ ĐÁN