Tài liệu LƯU VỰC SÔNG VÀ CHU TRÌNH THỦY VĂN pdf

1 LƯU VỰC SÔNG VÀ CHU TRÌNH THỦY VĂN 2 I. Hệ thống sông ngòi Hơi nước từ mặt thoáng địa cầu bốc lên khí quyển, tập hợp lại thành mây. Trong các điều kiện thích hợp, hơi nước trong mây ngưng tụ lại thành mưa rơi xuống đất. Lượng mưa này một phần bị tổn thất do bốc hơi trở lại khí quyển, một phần thấm xuống đất và đọng lại ở các vùng trũng, một phần chảy tràn theo các sườn dốc theo tác dụng của trọng lực. Phần chảy tràn sẽ chảy theo các khe rãnh, dần dần tạo thành suối, sông và tiếp tục đổ ra các đầm, hồ và biển các khe, suối, hồ, đầm, sông rạch lớn nhỏ hợp thành hệ thống sông ngòi (river system). Tên của một hệ thống sông thường lấy từ con sông chính trong hệ thống đó. Thông thường con sông chính là con sông dài nhất có lưu lượng dòng chảy lớn nhất trực tiếp đổ ra biển hoặc các hồ nội địa. Các con sông đổ trực tiếp vào sông chính được gọi là sông nhánh cấp I, sông đổ vào sông nhánh cấp I gọi là sông nhánh cấp II, tương tự như vậy sông nhánh cấp III sẽ đổ vào sông nhánh cấp II,… Sự phân bố của các sông nhánh dọc theo sông chính quyết định tính chất dòng chảy trên hệ thống sông đó. Một hệ thống sông có thể có nhiều hình dạng: hình nan quạt, dạng hình lông chim, dạng phân bố song song, hoặc dạng hỗn hợp các dạng trên. Một con sông phát triển đầy đủ thường có 5 đoạn đặc trưng: - Nguồn sông: là nơi bắt đầu của một con sông, nó thường là những khe suối, lạch nước, đầm lầy hay một hồ nước từ đó cấp nước cho sông. - Thượng lưu: là đoạn nối với nguồn sông, có đặc điểm là lòng sông hẹp, dốc, có nhiều ghềnh thác, nước chảy xiết lòng sông thường bị xói mạnh và sâu. - Trung lưu: đoạn nối tiếp với đoạn thượng lưu thường chảy qua những vùng núi không cao lắm, lòng sông bớt dốc, ít ghềnh thác hơn, nước ít chảy xiết, sông bị xói cả đáy và hai bên bờ, nên lòng sông được mở rộng dần. - Hạ lưu: là đoạn cuối của con sông, chảy qua đồng bằng, độ dốc nhỏ, nước chảy chậm, lòng sông mở rộng có khuynh hướng bồi nhiều hơn xói, có nhiều bãi bồi và có nhiều nhánh chảy ra biển bằng nhiều cửa. - Cửa sông: là nơi tiếp giáp giữa sông và biển, hồ hoặc sông khác.  Đặc trưng của sông + Chiều dài lòng sông: là chiều dài tính bằng kilomét của đường nước chảy kể từ nguồn đến cửa sông (L) + Độ uốn khúc của sông: là tỷ số giữa chiều dài sông L với khoảng cách thẳng l tính từ nguồn đến cửa sông. l L K U  (IX.1) 3 + Độ sâu nước sông: là khoảng cách thẳng đứng từ mặt nước đến đáy sông. + Mặt cắt sông: có hai loại mặt cắt đó là mặt cắt dọc và mặt cắt ngang (a) Mặt cắt dọc: là mặt cắt qua trục lòng sông. (b) Mặt cắt ngang: là mặt cắt vuông góc với hướng nước chảy. + Độ dốc mặt nước: là tỷ số giữa độ chênh lệch mực nước (H) tại 2 mặt cắt H 1 , H 2 cách nhau một đoạn L L H L HH i     12 (IX.2) II. Lưu vực sông và các đặc trưng của lưu vực sông II.1. Lưu vực sông Lưu vực sông (river basin) là phần mặt đất mà nước từ đó sẽ chảy vào sông. Nói cách khác, lưu vực sông là phần diện tích khu vực tập trung nước của sông. Lưu vực sông được giới hạn bằng đường phân nước (water-shed line) của lưu vực. Có 2 loại đường phân nước: đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm. Đường phân nước mặt là đường nối liên tục các điểm cao nhất chung quanh lưu vực và giới hạn bởi các lưu vực khác. Nước mưa rơi xuống đường phân nước sẽ chảy về hai phía của đường phân nước và đi về hai lưu vực kế cận nhau theo sườn dốc của chúng. Đường phân nước ngầm phân chia sự tập trung nước ngầm giữa các lưu vực. Thực tế người ta thường lấy đường phân nước mặt để xác định diện tích lưu vực và gọi là đường phân lưu. Muốn xác định đường phân lưu phải căn cứ vào bản đồ địa hình có vẽ các đường đồng cao độ. II.2. Các đực trưng hình học của lưu vực a. Diện tích lưu vực F Diện tích lưu vực F (km 2 ) là diện tích được khống chế bởi đường phân lưu của khu vực. Diện tích lưu vực được xác định từ bản đồ có tỷ lệ xích trong khoảng 1/10.000 đến 1/100.000. Có thể dùng phương pháp phân ô hoặc dùng máy đo diện tích để xác định diện tích lưu vực. b. Chiều dài sông chính L và chiều dài lưu vực L 1 Chiều dài sông chính L (km) là chiều dài theo chiều dòng chảy đo từ nguồn sông đến cửa sông. Chiều dài lưu vực L 1 (km) là chiều dài tính theo đường tim của lưu vực kể từ điểm xa nhất của lưu vực đến cửa sông. Trong thực tế người ta thường lấy chiều dài sông làm chiều dài lưu vực: L 1  L. c. Chiều rộng bình quân lưu vực B Chiều rộng bình quân lưu vực B (km) là tỷ số giữa diện tích và chiều dài lưu vực 4 1 L F B  (IX.3) d. Hệ số hình dạng K d Hệ số hình dạng lưu vực K d là tỷ số giữa bề rộng lưu vực và chiều dài lưu vực. K d biểu thị hình dạng của lưu vực, thông thường thì K d  1. Lưu vực càng có hình dạng vuông thì K d  1.0, ngược lại càng hẹp và càng dài thì K d càng nhỏ và khả năng tập trung nước lũ càng lớn 1 L B K d  (IX.4) e. Độ cao bình quân lưu vực H bq Độ cao bình quân lưu vực được xác định từ bản đồ đường đồng mức cao độ      n i i i n i i bq f hf H 1 1 (IX.5) Trong đó h i – cao trình bình quân giữa hai đường đồng mức cao độ F i - diện tích giữa hai đường đồng mức cao độ kề nhau (km 2 ) N - số mảnh diện tích f. Độ dốc bình quân lưu vực I bq Độ dốc bình quân lưu vực là độ dốc trung bình của lưu vực      n i i n i i bq f l HI 1 1 (IX.6) Trong đó H – chênh lệch về độ cao giữa 2 đường đồng mức F i - diện tích giữa hai đường đồng mức cao độ kề nhau (km 2 ) l i - khoảng cách bình quân giữa 2 đường đồng mức gần nhau Trong trường hợp không có đường đồng mức cao độ, ta có thể dùng công thức gần đúng như sau: F HH I bq minmax   (IX.7) Trong đó H max – cao trình điểm cao nhất của khu vực H min – cao trình điểm thấp nhất của lưu vực F - diện tích của lưu vực Công thức này chỉ đúng khi độ dốc lưu vực biến đổi ít. g. Mật độ lưới sông D 5 Mật độ lưới sông D (km/km 2 ) bằng tổng chiều dài của tất cả các con sông suối trên lưu vực chia cho diện tích lưu vực F L D n i i   1 (IX.8) Sông suối càng dày, mật độ lưới sông càng lớn. Những vùng có nguồn nước phong phú thì D thường có giá trị cao. III. Chu trình thủy văn Để đánh giá lượng dòng chảy và khả năng cấp nước của một lưu vực sông, người ta sử dụng các đặc trưng biểu thị dòng chảy. a. Lưu lượng nước Lưu lượng nước (water discharge) là lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra trong một đơn vị thời gian là 1 giây (m 3 /s). Lưu lượng nước ở một thời điểm bất kỳ gọi là lưu lượng tức thời. Quá trình thay đổi của lượng nước theo thời gian tại tuyến cửa ra gọi là quá trình lưu lượng, ký hiệu là Q(t) hoặc Q ~ t. Đồ thị của sự thay đổi giữa lưu lượng nước và thời gian là đường quá trình lưu lượng nước. Lưu lượng bình quân trong một khoảng thời gian t bất kỳ là giá trị trung bình của lưu lượng nước trong khoảng thời gian đó. Lưu lượng bình quân được tính theo công thức sau:   t dttQ T Q 0 )( 1 hoặc n Q Q n i i   1 (IX.9) trong đó Q là giá trị bình quân của lưu lượng, n là số thời gian tính toán, Q i là lưu lượng bình quân tại mỗi thời đoạn thứ i bất kỳ. b. Tổng lượng dòng chảy W Tổng lượng dòng chảy W (m 3 hoặc km 3 ) là lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra trong một khoảng đơn vị thời gian từ t 1 đến t 2 ,   2 1 )(W t t dttQ hoặc   12 W ttQ  (IX.10) trong đó Q là lưu lượng bình quân trong khoảng thời gian t 2 -t 1 . c. Độ sâu dòng chảy Y Là chiều dầy lớp nước bình quân được sản sinh ra trên bề mặt lưu vực sau một khoảng thời gian nào đó (mm) F Y 3 10 W  (IX.11) Trong đó W - tổng lượng nước (m 3 ) 6 d. Module dòng chảy M Module dòng chảy là trị số lưu lượng trên 1 đơn vị diện tích lưu vực là 1 km 2 F Q M 3 10 (l/s.km 2 ) (IX.12) e. Hệ số dònh chảy  Hệ số dòng chảy là hệ số không thứ nguyên biểu thị khả năng sinh sản ra dòng chảy tại một lưu vực nào đó X Y   (IX.13) trong đó X là lượng mưa sinh ra dòng chảy Y. Hệ số  càng lớn, tổn thất dòng chảy càng lớn và ngược lại IV. Chu trình thủy văn IV.1. Khái niệm sự hình thành dòng chảy sông ngòi Khi mưa rơi xuống đất, một phần tạo thành dòng chảy mặt đổ ra sông, một phần ngấm xuống đất tạo thành dòng nước ngầm cung cấp cho hệ thống sông. Sự hình thành dòng chảy mặt sinh ra trong thời gian có mưa. Khi có mưa, lúc đầu do độ ẩm của đất nhỏ, lượng mưa bị ngấm vào đất và không sinh ra dòng chảy. Sau một thời gian, cường độ thấm giảm và trên mặt đất bắt đầu sinh ra dòng chảy mặt. Lượng nước chảy trên bề mặt lưu vực một phần bị tổn thất do phải lấp đầy các chỗ trũng trên mặt đất, một phần bị ngấm xuống dưới đất trong quá trình chuyển động trên mặt lưu vực, một phần bị bốc bơi, phần còn lại chảy vào các khe nhỏ và tập trung dần vào các khe lớn hơn rồi dần dần đổ vào hệ thống sông suối. Thời gian tập trung nước mưa về hệ thống sông suối khá nhanh, do đó dòng chảy mặt sẽ không còn duy trì lâu sau khi dứt mưa. Lượng nước mưa ngấm vào đất sẽ bổ sung cho lượng nước ngầm có trong đất làm cho mực nước ngầm tăng lên. Một phần nước bị ngấm xuống đất bị bốc hơi qua bề mặt đất, một phần mất đi do rễ cây hút. Nước ngầm vận chuyển về hệ thống sông với thời gian tập trung tùy thuộc vào tương quan giữa mực nước sông và mực nước ngầm. Do đó, sự tồn tại dòng chảy ngầm trên hệ thống sông ngòi kéo dài sau một khoảng thời gian khá dài. Đối với các sông nhỏ hoặc khe suối, thời gian duy trì dòng chảy ngầm có thể chỉ một vài tháng, còn các sông lớn dòng chảy ngầm có thể kéo dài cả năm. IV.2. Chu trình thủy văn Nước trong tự nhiên không ngừng tuần hoàn do các tác dụng của năng lượng mặt trời và trọng lực trái đất. Nước trên bề mặt biển, đại dương, trên mặt sông, hồ, trên mặt đất và từ trong sinh vật được mặt trời đốt nóng, không ngừng bốc hơi và phát tán vào khí quyển. Hơi nước trong khí quyển tập kết thành những khối mây. Khi gặp lạnh hơi nước ngưng tụ thành các đám mưa rơi 7 xuống mặt biển, đại dương và mặt đất. Một phần mưa bốc hơi trở lạ vào khí quyển, một phần thấm xuống đất thành dòng chảy ngầm rồi đổ ra sông, biển, một phần khác chảy tràn trên mặt đất theo trọng lực rồi đổ ra sông, biển. Cứ như thế, nước từ mặt đất bay vào khí quyển, rồi từ khí quyển đổ vào trái đất tạo ra một chu trình khép kín, hình thành vòng tuần hoàn nước trong thiên nhiên, ta gọi là chu trình thủy văn (hydrological cycle). Hầu hết các loại nước điều tham gia vào vòng tuần hoàn nước, chỉ trừ các loại nước ở trạng thái liên kết hóa học trong các tinh thể khoáng vật, nước nằm trong các tầng sâu của trái đất và nước ở các núi băng vĩnh cửu ở 2 cực. V. Phương trình cân bằng nước Phương trình phản ánh một cách định lượng vòng tuần hoàn của nước trong một lưu vực sông, trong một lưu vực riêng biệt hoặc trên toàn trái đất được gọi là phương trình cân bằng nước (water balance equation). Phương trình cân bằng nước phát xuất từ định luật bảo toàn vật chất, đối với một lưu vực có thể phát biểu như sau: “hiệu số của lượng nước đến và lượng nước đi khỏi lưu vực trong một thời đoạn tính toán nhất định bằng lượng thay đổi trữ lượng nước chứa trong lưu vực đó”. V.1. Phương trình cân bằng nước thông dụng Trong một khu vực bất kỳ, giả thiết có một mặt trụ thẳng đứng bao quanh khu vực đó tới tầng không ngấm nước Chọn một thời đoạn t bất kỳ. Dựa vào nguyên lý cân bằng nước, ta có biểu thức sau: (X + Z 1 + Y 1 + W 1 ) - (Z 2 + Y 2 + W 2 ) = U 2 – U 1  =  U (IX.14) Trong đó: X - lượng mưa bình quan rơi trên lưu vực Z 1 - lượng nước ngưng tụ trên mặt lưu vực Y 1 - lượng dòng chảy mặt đất W 1 - lượng dòng chảy ngầm Z 2 - lượng nước bốc hơi bình quân khỏi khu vực Y 2 - lượng dòng chảy mặt đi W 2 - lượng dòng chảy ngầm đi U 1 - lượng nước trữ trong lưu vực ở thời điểm đầu U 2 - lượng nước trữ trong lưu vực ở thời đoạn cuối Nư ớc đến Nư ớc đ i Thay đ ổi n ư ớc tr ữ + = 8 U - mang dấu + khi U 1 > U 2 và ngược lại. V.2. Phương trình cân bằng nước của lưu vực kín và hở trong thời đoạn t bất kỳ a. Lưu vực kín Lưu vực kín là lưu vực mà đường phân chia nước mặt và nước ngầm trùng nhau, khi đó không có nước mặt và nước ngầm từ lưu vực khác chảy đến, tức là Y 1 = 0 và W 1 = 0. Gọi Y = Y 2 + W 2 là tổng lượng nước mặt và ngầm chảy ra khỏi lưu vực và Z=Z 2 -Z 1 là lượng bốc hơi đã trừ đi lượng ngưng tụ, ta có: X = Y + Z  U (IX.15) b. Lưu vực hở Đối với lưu vực hở sẽ có lượng nước ngầm từ lưu vực khác chảy vào hoặc ngược lại, khi đó phương trình cân bằng nước có dạng: X = Y + Z  W  U (IX.16) Trong đó:  W = W 2 – W 1 V.3. Phương trình cân bằng nước trong nhiều năm Phương trình (IX.15) và (IX.16) viết cho thời đoạn bất kỳ, tức t cáo thể là 1 năm, 1 tháng, 1 ngày hoặc nhỏ hơn nữa. Để viết phương trình cân bằng nước trong thời đoạn nhiều năm, người ta lấy bình quân trong nhiều năm các thành phần trong phương trình cân bằng nước.   n UZY n X n i iii n i i     11 (IX.17) Tổng  U có thể xem như bằng 0 do có sự xen kẽ của những năm nhiều nước và ít nước, do đó phương trình trên sẽ trở thành X 0 = Y 0 + Z 0 (IX.18) Trong đó: n X X n i i   1 0 ; n Y Y n i i   1 0 ; n Z Z n i i   1 0 Nếu n đủ lớn, thì X 0 , Y 0 , Z 0 lần lượt được gọi là chuẩn mưa năm, chuẩn dòng chảy năm và chuẩn bốc hơi năm. Đối với lưu vực hở, tương tự như trên ta có: X 0 = Y 0 + Z 0  W 0 (IX.19) Trong trường hợp lưu vực hở, giá trị  W không tiến đến 0 được vì sự trao đổi nước ngầm giữa các lưu vực không cân bằng thường diễn ra Lãnh thổ vùng Diện tích 10 3 km 2 Mưa mm Chảy mặt mm Bốc hơi mm 9 Toàn thế giới 510.000 1130 - 1130 Toàn l ục đ ịa 149.000 800 315 485 Đại dương 361.000 1270 130 1400 Vi ệt nam 365 1850 857 993 ĐB Sông Hồng 1800 837 963 ĐB Sông Cửu Long 1556 700 856 . (IX.2) II. Lưu vực sông và các đặc trưng của lưu vực sông II.1. Lưu vực sông Lưu vực sông (river basin) là phần mặt đất mà nước từ đó sẽ chảy vào sông. Nói. Phương trình cân bằng nước của lưu vực kín và hở trong thời đoạn t bất kỳ a. Lưu vực kín Lưu vực kín là lưu vực mà đường phân chia nước mặt và nước