Tính toán thủy văn Chương 8 Dòng chảy bé nhất

126 Chương 8 DÒNG CHẢY BÉ NHẤT Lưu lượng nước bé nhất là một trong những đặc trưng thủy văn cơ bản, thường được sử dụng nhiều trong các qui hoạch xây dựng, tưới tiêu, sử dụng nước trong sinh hoạt và bảo vệ môi trường. Dòng chảy bé nhất là chỉ tiêu để điều chỉnh sự phân phối dòng chảy trong năm, đặc biệt là đối với các công trình đòi hỏi sự vận hành liên tục như công nghiệp nặng, thủy điện v.v.. Như vậy các thông tin về lưu lượng nước cực tiểu đáp ứng nhu cầu đánh giá dòng chảy tự nhiên của sông ngòi cũng như để đánh giá mức độ hoạt động kinh tế qua dòng chảy sông ngòi. Các đặc trưng tính toán chủ yếu của dòng chảy bé nhất là dòng chảy trung bình tháng hoặc dòng chảy trung bình 30 ngày, thậm chí dòng chảy trung bình ngày đêm quan trắc vào thời kỳ kiệt. Nếu thời kỳ kiệt trên sông ngắn (ít hơn hai tháng) hoặc không liên tục (mùa kiệt xen lẫn mùa lũ) thì khó có tháng nào không có lũ, khi đó ta chọn 30 ngày liên tục để tính đặc trưng lưu lượng bé nhất. Để làm được điều đó ta dựng các đường quá trình nước các năm quan trắc để chọn một thời kỳ quan trắc có 30 ngày nước kiệt liên tục làm thời kỳ tính toán. Nếu ngay cả việc chọn một thời kỳ tính toán 30 ngày cũng gặp khó khăn thì phải sử dụng thời kỳ ngắn hơn, nhưng không ngắn hơn 23-25 ngày để tránh ảnh hưởng của lũ trong tính toán. Dòng chảy trung bình 30 ngày cực tiểu luôn nhỏ hơn dòng chảy trung bình tháng theo lịch, bởi vậy nếu hiệu của chúng không sai khác quá 10% thì nên sử dụng dòng chảy trung bình tháng. Nếu sử dụng đường tần suất thì dòng chảy bé nhất ứng với tần suất từ 75-97%. 8.1. TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY BÉ NHẤT KHI CÓ SỐ LIỆU QUAN TRẮC Khi tính toán dòng chảy bé nhất của sông ngòi có quan trắc thủy văn về dòng chảy, độ dài chuỗi được coi là đủ để xác định xác suất tính toán năm của lưu lượng nước cực tiểu nếu như sai số độ lệch quân phương tương đối của chuỗi quan trắc σn không vượt quá ±15%. Khi đó quan trọng nhất là các năm nước ít hay nhóm năm theo sông tương tự. Hệ số biến đổi dòng chảy cực tiểu các sông không cạn và không đóng băng nằm trong khoảng 0,2-0,4. Điều đó cho phép sử dụng để tính toán các chuỗi có từ 8-15 năm. Tuy nhiên nếu hệ số biến đổi vào khoảng 0,7-1 đòi hỏi phải kéo dài chuỗi quan trắc tới 20-40 năm. Lưu lượng nước bé nhất với tần suất tính toán được xác định bằng việc sử dụng ba tham số Q, vC , sC như đã xác định với chuẩn dòng chảy năm. Giá trị dòng chảy trung bình của lưu lượng là giá trị trung bình số học tính riêng cho từng mùa. Khi đó không kể chuỗi được tính toán với 30 giá trị hay ít hơn (23-25 giá trị). Việc xây dựng các đường cong đảm bảo dòng chảy bé nhất được tiến hành riêng cho từng thời kỳ theo các qui tắc như đối với dòng chảy năm. Nếu giá trị dòng chảy bé nhất có những giá trị bằng 0 do nước sông ngòi khô cạn thì tham số đặc trưng của chuỗi có thể lấy theo phương pháp đồ giải giải tích Alecxâyev với đường cong đảm bảo thực nghiệm được làm trơn. Nếu giá trị σn vượt quá giá trị cho phép, cần phải tiến hành kéo dài chuỗi bằng phương pháp tương tự. Khi chọn sông tương tự trước hết cần chú ý đến tính đồng bộ về các điều kiện thủy địa chất của các lưu vực đang xét. Để thực hiện điều đó, cần nghiên cứu các mô tả địa chất và bản đồ vùng nghiên cứu cũng như bản đồ vùng để xác định dòng chảy cực tiểu xây dựng cho 127 lãnh thổ. Và một điều quan trọng nữa khi chọn sông tương tự là các sông phải được đánh giá cùng một hạng theo kích cỡ (diện tích lưu vực) hoặc sự chênh lệch đại lượng là ít nhất. Khi thiếu cả sông tương tự và σn > 40% thì cần xét chuỗi như là thiếu tài liệu quan trắc. 8.2. TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY BÉ NHẤT KHI KHÔNG CÓ TÀI LIỆU QUAN TRẮC Tính toán lưu lượng nước bé nhất với độ đảm bảo cho trước đối với sông ngòi chưa nghiên cứu trong trường hợp tài liệu thực tế không đáp ứng tính toán theo các công thức xác suất thống kê, cần phải đưa về một trong các phương pháp sau đây: 1. Xác định các đặc trưng cần tìm của dòng chảy bé nhất với việc sử dụng các quan trắc rời rạc về dòng chảy và tài liệu lưu vực sông tương tự. 2. Xác định các giá trị tính toán dòng chảy trên cơ sở khái quát hoá qua ba tham số: chuẩn dòng chảy bé nhất, hệ số biến đổi và hệ số bất đối xứng theo tài liệu của các sông đã được nghiên cứu. 3. Sử dụng các hệ số chuyển đổi từ dòng chảy bé nhất của một tần suất đảm bảo xác định (cho trước) của dòng chảy cần tìm. Phương pháp thứ ba ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong thực tế qui hoạch xây dựng. Khi đó dòng chảy bé nhất với suất đảm bảo cho trước là lưu lượng nước 30 ngày bé nhất ứng 80 % suất đảm bảo. Không phụ thuộc vào phương pháp tính toán các đặc trưng cần thiết của dòng chảy bé nhất ( chuẩn hay là suất đảm bảo dòng chảy cho trước) được xác định bởi hai phương pháp cơ bản: theo bản đồ đường đẳng dòng chảy hay theo các mối phụ thuộc giữa dòng chảy bé nhất với các điều kiện địa lý tự nhiên chính. Mỗi phương pháp đều có giới hạn sử dụng nhất định: bản đồ dùng cho các lưu vực sông trung bình, còn các quan hệ vùng: sông nhỏ. Sông nhỏ là các sông hoàn toàn không được nuôi dưỡng bằng nước ngầm. Kích thước lưu vực được coi là nhỏ (kích thước giới hạn) được xác định bằng cách xây dựng mối quan hệ giữa môđun dòng chảy bé nhất 30 ngày với diện tích lưu vực. Các quan hệ như vậy được xây dựng cho các vùng đồng nhất về điều kiện địa lý tự nhiên (vị trí địa lý, địa hình, độ ẩm v.v..). Đối với vùng thừa ẩm có diện tích lưu vực lớn hơn 20 km2 và lưu vực lớn hơn 50 km2 trong vùng ẩm biến động sử dụng công thức: nfFQ )(min ±= α (8.1) với Qmin- lưu lượng bé nhất 30 ngày; F - diện tích lưu vực sông ngòi; f-diện tích trung bình của vùng không có dòng chảy hoặc diện tích trung bình lưu vực ngầm; a, n - tham số đặc trưng cho độ ẩm của vùng đã cho và cường độ thay đổi dòng chảy khi tăng diện tích lưu vực. Khi diện tích lưu vực nghiên cứu nhỏ hơn diện tích lưu vực trung bình vùng thì dòng chảy bé nhất nhận giá trị 0. Công thức (8.1) không dùng được cho vùng bị chi phối bởi sự điều tiết do ao hồ hoặc có hiện tượng thủy văn karst. Theo các mối quan hệ phụ thuộc có các phương pháp sau. 1. Để xác định giá trị trung bình nhiều năm(chuẩn) mô đun dòng chảy ngày đêm bé nhất sử dụng phương trình: bMaMnd −= 30 (8.2) 128 với ndM - mô đun dòng chảy ngày đêm trung bình bé nhất (l/skm 2); 30M - mô đun dòng chảy 30 ngày đêm bé nhất xác định theo các phương pháp tính toán cho lưu vực vừa và nhỏ; a và b - các tham số xác định theo các quan hệ vùng. 2. Để xác định lưu lượng ngày đêm bé nhất ứng suất đảm bảo 80% sử dụng phương trình: thnd kQQ %80%80 = (8.3) Q80%th - lưu lượng bé nhất 30 ngày (tháng) ứng với tần suất đảm bảo 80%; k - hệ số chuyển đổi, xác định theo bảng quan hệ vùng. Tồn tại mối quan hệ: %80QQp λ= (8.4) với Qp - lưu lượng nước ngày đêm (tháng) bé nhất suất đảm bảo tính toán; λ - hệ số không phụ thuộc vào mùa xác định và diện tích lưu vực. Ngoài việc xác định dòng chảy bé nhất cần nghiên cứu cả thời kỳ khô cạn của sông ngòi như là một tài liệu rất cần thiết cho người sử dụng để tiên liệu trước, nhất là khi tính toán có sử dụng công thức (8.1). 8.3. TÌNH HÌNH DÒNG CHẢY KIỆT Ở VIỆT NAM Mùa cạn (kiệt) là thời kỳ nước sông cạn kiệt. Nguồn cung cấp nước sông trong mùa cạn là nước ngầm và một số trận mưa trong mùa. 8.3.1. Các thời kỳ dòng chảy kiệt Căn cứ vào lượng nước và tính biến động của nó có thể chia mùa cạn ra ba giai đoạn: - Giai đoạn đầu mùa cạn: đây là thời kỳ chuyển tiếp từ mùa lũ sang mùa cạn, nước sông còn dồi dào. - Giai đoạn giữa mùa cạn: là thời kỳ nước sông cạn nhất, nguồn nước sông do nước ngầm cung cấp là chính. - Giai đoạn cuối mùa cạn: thời kỳ chuyển tiếp từ kiệt sang mùa lũ, nước sông tăng lên rõ rệt do những trận mưa đầu mùa cung cấp. Tuy mùa cạn kéo dài từ 7-9 tháng nhưng tổng lượng dòng chảy trong mùa cạn chiếm từ 10 - 40% dòng chảy năm. Dòng chảy mùa cạn lớn nhất ở Trung Trung Bộ nơi có lũ tiểu mãn, ít nhất ở Nam Ninh Thuận. 8.3.2. Nước trong mùa khô và các vấn đề về nước Như ở trên đã nêu, mặc dù có sự liên tục của gió mùa đông bắc trên lãnh thổ nước ta, nhưng do sự khác biệt của các khối khí về mặt nhiệt ẩm và động lực, mùa khô trên đất nước ta rất phức tạp và có sự phân hoá trong không gian rõ rệt. Điều đó biểu hiện rất rõ ràng trong các kiểu thảm trên quan điểm hệ sinh thái hay các kiểu cảnh quan đã được phát hiện trong những năm gần đây. Khái niệm mùa khô trên quan điểm tổng hợp này ứng với thời kỳ mà nước trong sông có nguồn gốc nước ngầm và nó hoàn toàn khác với khái niệm mùa trong thủy văn mà chúng tôi đã đề cập ở những phần trước. Trong mùa khô các quá trình bốc hơi tăng mạnh, lượng nước trong đất và nước ngầm giảm đi rõ rệt; mặt khác sự chuyển động của các tầng dưới lên cộng với sự chuyển động ngang đã gây ra tập trung cao độ các độc tố có hại cho cây trồng. 129 a) Hậu quả của sự khô hạn trong mùa khô ở vùng đồng bằng Bắc Bộ là những hiện tượng sương muối. Những nơi chịu ảnh hưởng của sương muối nặng là những thung lũng hướng về đông bắc và có lượng nước ngầm thấp nhất. Đây là hiện tượng đặc thù có liên quan với nước trong mùa khô và các kiểu cảnh quan nửa rụng lá có mùa khô lạnh. b) Ở đồng bằng Nam Bộ lại xuất hiện hiện tượng phèn. Nó đặc trưng cho kiểu cảnh quan rừng rụng lá với mùa khô nóng.