Giáo trình Tính toán thủy văn: Phần 1

Giáo trình Tính toán thủy văn - Phần 1 gồm có các chương sau: Chương 1 nội dung và phương pháp nghiên cứu tính toán thủy văn, chương 2 sự hình thành dòng chảy, chương 3 phương trình cân bằng nước, chương 4 chuẩn dòng chảy năm, chương 5 dao động dòng chảy năm, chương 6 sự phân phối dòng chảy trong năm. Mời các bạn cùng tham khảo.

NGUYÊN THANH SƠN Tinh toan NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI NGUYEN THANH SON TINH TOAN THUY VAN NHA XUAT BAN DAI HOC QUOC GIA HA NOI MUC LUC LOLT UA Caương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THỦY VĂN 1.1 Noi dung nghién ctu 1.2 Lịch sử phát triển tính tốn thủy văn 1.3 Phương pháp nghiên cứu Chương SỰ HÌNH THÀNH DỊNG CHẢY 2.1 Khái niệm chế độ nước lục địa 3.2 Đơn vị đo đồng chảy 2.3 Cúc đặc trưng lưu vực 9.4 Ban chất vật lý đồng chảy 9.5 Công thức nguyên cua dong chảy Chương PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC 3.1 Phương trình cân nước dạng tổng quát 3.9 Phương trình ê¡: nước cho lưu vực sơng ngịi 3.3 Phương trình cản nước lưu vực cho thời kỳ nhiều năm 3.4 Phân tích nhân tố ảnh hưởng đến dịng chảy sơng ngịi thơng qua p›ương trình cân nước 3.5 Piương trình cân nước ao hồ, đầm lầy 3.6 Cin cân nước Việt Nam 27 Chumg CHUAN DONG CHAY NAM 31 4.1 tinh nghia va khai niém 4.2 Xe định chuẩn dòng chay nam có đầy đủ tài liệu quan trắc 4.3 Lia chọn thời kỳ tính tốn 4.4 Tnh chuẩn địng chảy năm không đủ số liệu quan trắc 4.5 Xác định chuẩn địng chảy năm khơng có tài liệu quan trắc 4.6 nh hưởng điều kiện địa lý tự nhiên tới chuẩn dòng chảy năm 4L7 tây dựng đồ chuẩn dòng chảy năm 4L.8 lòng chảy sơng ngịi Việt Nam yếu tố địa lý tác động tới 11 DONG DONG CHAY NAM õ.1 Ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê để tính tốn dao động địng chảy năm 5.9, Xác định tham số đặc trưng chuỗi địng chảy có đầy đủ số liệu œ ¬ Chuong DAO 61 quan trắc 6:3: Xác định tham số đặc trưng theo phương pháp đồ giải - giải tích G.A Aleexâyev ư.4, Xác định tham số thống kê đòng chảy năm tài liệu quan trắc ngắn 5.5 Xác định tham số thống kê dịng chảy năm khơng có tài liệu quan trắc 5.6 Xây dựng đường cong đảm bảo tính tốn đồng chảy năm với xác suất an tồn cho trước Chương SỰ PHÂN PHỐI DỊNG CHẢY TRONG NĂM 6.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến phân phối dòng chảy năm 6.2 Năm đại biểu mưa năm va dong chảy năm 73 76 6.3 Phương pháp phân phối dịng chảy năm theo q trình ngẫu nhiên 77 6.4 Đường cong trì lưu lượng 78 6.5 Phương pháp xây dựng mơ hình phân phối dịng chảy năm có tài liệu 80 quan trắc 6.6 Tính tốn phân phối đồng chảy năm thiếu tài liệu quan trắc Chương DÒNG CHẢY LỚN NHẤT 7.1 Ý nghĩa nghiên cứu đặc trưng biểu thị đòng chảy lớn 1.9 Các yếu tố ảnh hưởng tới dịng chảy lớn 7.8 Sự hình thành đòng chảy lũ 7.4 Mưa rào phương pháp xác định 7.5 Vấn đề tổn thất chảy tụ 7.6 Các cơng thức tính địng chảy lớn Giải phương trình vĩ phân dịng chảy lũ 7.8 Tổng lượng lũ q trình lũ Chương DỊNG CHẢY BÉ NHẤT 8.1 Tinh tốn dịng chảy bé có số liệu quan trắc thủy văn 134 8.9 Tính tốn dong chảy bé khơng có tài liệu quan trắc 135 8.3 Tình hình đồng chảy kiệt Việt Nam 136 Chương DÒNG CHẢY RẮN 138 9.1 Các yếu tố hình thành địng chảy rắn 9.2 Tính tốn địng chảy phù sa 139 139 9.3 Tính tốn 9.4 La ban da lắng đọng hồ chứa Chương 10 MÔ HÌNH HỐ TỐN HỌC DỊNG CHẢY 10.1 Phân 10/2 loại mơ hình dịng chảy Những g ngun HỆ lýy chung hình tuyến tính dừng 10.3 việcẸ xâ dựng mơ hình "hộp0 den" - Lớp mơ Giới thiệu mơ hình "hộp đen" tính tốn thủy văn 10.4 Ngun lý xây dựng mơ hình "quan niệm" dịng chảy 10.5, Giới thiệu mơ hình quan niệm 10.6 Mơ hình điễn tốn châu thổ 10.7, Mơ hình hố chuỗi địng chảy 10.8 Các phương pháp xác định thông số 10.9 Một số kết nghiên cứu ứng đụng mơ hình tốn thủy văn Việt Nam Chương 11 QUÁN NƯỚC LÝ CHẤT LƯỢNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG 11.1 Nguồn nước môi trường 11.2 Kiến thức sở để đánh giá chất lượng nước 11.3 Thành phan nguồn gốc nước thải 11.4, Chất lượng nước dùng tiêu chuẩn chất lượng nước 11.5, Phân tích ảnh hưởng nhiễm tự nhiên 11.6 Các bước để đánh giá ảnh hưởng nhiễm bẩn nguồn nước TÀI LIỆU THAM KHẢO 185 190 194 195 196 200 202 LOL TUA Giao trinh "Tinh todn thuy van lục địa, trường Đại học Khoa trình cịn dùng nhừ tài liệu cứu, thiết hế 0à quản lý tài nguyên van" duge bién soan cho sinh vién nganh Thiy học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Giáo tham khảo cho nhà thủy uăn nghiên môi trường nước Trong 11 chương, giáo trình đề cập tới đác uấn đề phân tích, tính tốn q trình 0à tượng dịng chảy lưu uực sơng ngịi Cơ sở lý luận 0à cấu trúc giáo trình dựa “Tính tốn thủy uăn" nhà bác học Xơ-Viết I Ph Goroskov (1979) va tác phẩm tên tác giả trường Đại học Thủy lợi (1985), có bổ sung thêm số hiến thức lĩnh oực mơ hình tốn thủy van dai Chúng toi tin phép tác giá cho sử dụng tài liệu giáo trình Giáo trình biên soạn binh nghiệm thực tiễn số năm giảng dạy môn học Bộ môn Thủy uăn lục địa, Khoa Khí tượng Thủy uăn 0à Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Cuốn sách cố gắng cập nhật số thành tu uê nghiên cứu thủy van nước Tac gid xin cam ơn TS nhiều ý biến đóng góp nhằm cịn nhiều khiếm khuyết, chun gia, bạn đồng Lương Tuấn Anh, PGS.TS Nguyễn Văn Tuần c ó hồn thiện sách Chắc chắn giáo trình uẫn tác giả mong nhận đóng góp, bổ sung nghiệp để lần xuất sau hoàn thiện Túc giả vil Chuong NOI DUNG VA PHUONG PHAP NGHIEN TINH TOAN THUY VAN CUU 1.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tính tốn thủy văn phần quan cầu thực tế trọng thủy văn học liên quan chặt chẽ với kinh tế quốc đân nhằm giải vấn để điều hịa phân phối tài ngun nước Tính toán thủy văn làm nhiệm vụ cầu nối nghiên cứu lý thuyết lĩnh vực thủy văn vấn dé thực tiễn sử dụng tài nguyên nước Có thể nói tính tốn thủy văn phần thủy văn thực hành Chính nội dung xác định mục đích nghiên cứu vị trí Tính tốn thủy văn chun để nghiên cứu thủy văn học như: Dự báo thủy văn, Tính tốn thủy lợi Động lực học dịng sơng- hướng nghiên cứu thủy văn học Trong giáo trình xem xét vấn đề hình thành, qui luật phân bố phát triển đặc trưng dòng chảy phương pháp định lượng chúng Nội dụng giáo trình tập trung chủ yếu vào việc phân tích đặc trưng đồng chảy, nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện khí tượng, mặt đệm tới đặc trưng nguyên lý khái quát địa lý thay đổi theo thời gian, khơng gian đồng chảy tham số thống kê Tóm lại dam bao cho kha nang tính tốn đồng chảy lưu vực chí cịn chưa nghiên cứu Nước đạng tài ngun q báu khơng thay được, thành phần khơng thể tách rời mơi trường sống, lợi ích, hiểm họa khơng lường dối với nhân loại Chính vậy, Thủy văn học ngành khoa học xác định vai trò nước thiên nhiên phát triển kinh tế - xã hội đất nước Nước dạng tài nguyên phát triển nhân loại tự tái tạo nên mang ý nghĩa đặc biệt Để sử dụng tính tốn thủy văn cần làm rõ nhu cầu sử dụng thông tin đặc trưng tham số đòng chảy ngành kinh tế quốc đân khác Khi thiết kế trạm thủy điện thiết phải có thơng tin địng chảy trung bình nhiều năm, đồng chảy năm nhiều nước nước, phân bố dòng chảy theo mùa theo tháng Theo thơng tin xác định công suất thiết kế nhà máy thủy điện khả sản xuất điện năm Khi làm đập, hồ chứa cần có thơng tin vé lưu lượng cực đại tần suất lặp lại Để đảm bảo cung cấp nước cho công nghiệp sinh hoạt trước hết phải nắm thơng tin dòng chảy cực tiểu năm nước bé, nước trung bình vững Để xây dựng hồ chứa phục vụ cho công tác thủy nông cần số liệu tin cậy dịng chảy trung bình nhiều năm, giá trị tổng lượng lưu lượng nước cực đại mùa lũ, đặc biệt phân phối đồng chảy năm lượng đồng chảy mùa kiệt Đối với giao thông vận tải thiết kế cầu, cống qua sơng cần có mực nước lớn Để đảm bảo cho tàu thuyền lại cần biết rõ mực nước thấp Để qui hoạch kinh tế lãnh thổ cần có số liệu vùng ngập lụt khả xói lở hai bờ sơng Sự cần thiết đảm bảo u cầu khác mn hình mn vẻ dịng chảy lĩnh vực xây dựng đặc trưng ội dung Tính tốn thủy văn 1.2 LICH SU PHAT TRIEN TINH TOAN THUY VAN 1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu Cũng môn khoa học nào, khoa học thủy văn trải qua nhiều giai đoạn phát triển: từ đơn sơ đến hồn chỉnh cơng trình nghiên cứu lý thuyết, từ đơn giản đến phức tạp kỹ thuật đo đạc, thu thập thơng tin, phương tiện tính tốn Việc xem xét cách có hệ thống giai đoạn phát triển khoa học thủy văn có ý nghĩa định việc đưa nghiên cứu mới, phù hợp với quy luật phát triển khách quan, giúp ta xác định chiến lược phát triển ngành trước mắt chọn đề tài nghiên cứu kỷ XXI Lịch sử phát triển thủy văn thể qua nhiều cơng trình nghiên cứu tác giả Các cơng trình để cập đến vấn đề sau: Khoảng từ năm 3500 đến 3000 (trước Công nguyên) uy hiếp thường xuyên sông Nin khiến cho Pharaông (các vua Ai Cập thời cổ đại) phải lệnh thường xuyên theo đõi mực nước sông Nin qua thiết bị đạc gọi nilomet Khoảng từ năm 450 đến 350 (trước Công nguyên) Plato Aristotle nêu lên nguyên ly tuần hoàn thủy văn Những quan sát Hy Lạp dời Khoảng từ năm 64 đến 150 (sau Công ngun) hồng đế La Mã Nêrơ nêu ngun lý tính tốn lưu lượng nước tích số điện tích mặt cắt ngang tốc độ chảy (Q = F.v) Việc đo đạc mưa tiến hành Palestin Từ năm 1452 đến 1519, Leonard đe Vinei tiến hành đo đạc đòng chảy phao Từ năm 1510 đến 1590 Palisay cố lý thuyết Plato Aristotle tuần hoàn thủy văn khái niệm Từ 1610 - 1687 phải kể đến cơng trình: 1610: Santoriô để xuất dung cu đo tốc độ nước 1614: bảng Logarit đời 1642: Pascal đặt sở cho việc tính tốn máy xây dung tram tự ghỉ mực nước 1663: Wren Napror 1738: Bernoulli phát triển mối quan hệ tốc độ áp suất dòng chảy 1769: Herberden phát biến đổi mùa mưa theo độ cao 1775: Chezy nêu cơng thức địng chảy kênh hở 1797: Venturi néu công thức tính dịng chảy ống có hình dạng co hep lai 'Thế kỷ XIX: 1802: Dalton phát mối quan hệ bốc áp suất 1851: Muvaney nêu khái niệm thời gian tập trung đồng chảy dan công thức ty lé noi tiéng Q = CIP 1856: Darey với lý thuyết dòng chảy ngầm 1885: Maning với công thtte ddng chay Chezy - Manning Tu 1865-1876 Nga dịng sơng hình thành sơng ngịi (1893); V.M.Lochin sơng "C1897) Từ phát 1878 đến tính 1908 đồng LS Léliasky dua lý thuyết chuyển động nước E Vopakep cua phan dong chay đưa lý thuyết " Cơ cấu dịng tích đao động dong chay va mua da khẳng định nhiều dắn nam, ý kiến Vaiaykơp: "Sơng ngịi sản phẩm khí hậu" Vào cuối ky XIX cơng trình nghiên cứu Pencơ chế độ mưa dong sông Đanyp Trong Penè lần dùng phương trình cân nước để khảo sát bốc từ mặt lưu vực Ổ Mỹ, Niuenlơn lần xây dựng đồ đẳng trị dòng chảy năm "Thế kỷ XX (cho tới mơ hình SSARR đời) thủy văn học phát triển mạnh mẽ 1914: Hazen đưa khái niệm thủy văn ngẫu nhiên đặt móng tổng qt cho Tính tốn thủy văn 1919: Viện Thủy văn Quốc gia Liên Xô thành lập điều hành thống tồn cơng tác nghiên cứu thủy văn sơng ngịi Liên Xơ cũ 1924: Poster sử dụng đường tần suất tính tốn thiết kế 1999: Polter thực cố gắng để mơ tả q trình dịng chảy theo hướng định 1980: Bush xây dựng máy tính tương tự dùng thủy văn 1983: Sherman đề xuất khái niệm đường đơn vị 1930: 8.N Kriski -M.F¿Menken để phương pháp thống kê dùng tính tốn dong chảy sơng ngịi D.L.Xơkolopski để nghị dùng phương pháp thống kê xác suất vào việc nghiên cứu biến động dòng chảy năm Về sau G.A Aleexayep, Œ.G Svannitze tiếp tục phát triển thủy văn ngẫu nhiên Liên Xô cũ 1934 Horton đưa lý thuyết thấm 1935: Mocarthy dua phương pháp diễn toán Muskingum 1949: Geumbel đề lý thuyết giá trị cực trị dùng thủy văn 1943: Máy tính hệ I đời dùng tính tốn thủy văn 1945: S.N.Kriski-M.F.Menken để phương pháp K M dùng tính tốn điều tiết hồ chứa thứ hai 1948: Linsley su dung phương pháp tương tự điện tính tốn lũ 1949: Máy tính hệ II đời dùng thủy van 1950: Sugawara để xuất mơ hình pha mặt đất tuần hoàn thủy văn 1951: Kohler, Lunsley sử dụng kỹ thuật tương quan hợp trục 1955: Lighthile Whihfam 1956: Suganawa đưa lý thuyết sóng động lực đưa mơ hình Tank - mơ hình dùng nhiều thê giới 1956: Sử dụng phương pháp phân tích hệ thống tài nguyên nước qua chương trình tài nguyén nude Stanford May tinh thé III adi dùng thủy văn 1957: Nash để xuất khái niệm đường đơn vị tức thời 1958: Mơ hình SSARR Trong năm dời phương hướng toán thủy văn phát triển mạnh riêng lĩnh vực mơ hình tất định kể hàng loạt mơ hình tiếng: mẽ, 1959- 1960: Mơ hình Stanford i 1968: Mơ hình Kutchment mơ hình Hyrenn 1970: Box Jenkins đưa mơ hình Arima Từ 1971 -1990 hướng thủy văn tính tốn phát triển mạnh mẽ đa dang 1.2.2 Tổng hợp, phan chia giai đoạn phát triển thủy văn Điểm lại kiện lịch sử trình phát triển thủy văn, kết hợp với phân tích điều kiện phát triển kinh tế - xã hội giai đoạn cho phép ta tạm thời phân định thời kỳ phát triển tượng nghiên cứu riêng, :ủa khoa học thủy văn Mỗi thời kỳ có đối mang sắc thái riêng nội dung nghiên phương pháp luận Những thời kỳ là: cứu Thời hỳ thủy uăn địa lý: Đối tượng nghiên cứu thời kỳ mô tả thủy vực địa lý riêng rẽ Thủy văn mang sắc thái khoa học tự nhiên đơn với nội dung nghiên cứu chủ yếu giải tượng thủy văn, tính tốn thành phần cán cân nước tuần hoàn thủy văn, phân vùng, phân khu xây dựng đồ đẳng trị thủy văn Về phương pháp phân tích vi mơ thường áp dụng phương pháp thực nghiệm Thời hỳ thủy uăn hỹ thuật (hay thủy uăn ứng dụng ): Đối tượng nghiên cữu thời kỳ xem mối quan hệ input ouput hệ thống (theo khái niệm đưa Đooge) Ở thời kì thủy văn không mang sắc thái khoa họe-tự nhiên đơn mà kết hợp khoa học tự nhiên khoa học kỹ thuật Nội dung chủ yếu phân tính tốn mối quan hệ input ouput (như mưa - đồng chảy), sử dụng phương phân khu đẳng trị thành phần thủy văn, phân tích thơng số thức tính toán Về phương điện nghiên cứu chuyển sang phân tích tiết (hay tích thành phần) Phương điểm quan trắc phạm pháp lớn đạc thu thập số liệu phát tích, pháp cơng phân triển thơng qua lưới Thời hỳ thủy uăn tài nguyên nước: Đây giai đoạn phát triển thủy văn Đặc điểm chủ yếu giai đoạn can thiệp mạnh mẽ người vào trình thủy văn, Do đối tượng nghiên cứu chủ yếu xem xét mối quan hệ cung eä M nước hệ thống ... 14 52 đến 15 19, Leonard đe Vinei tiến hành đo đạc đòng chảy phao Từ năm 15 10 đến 15 90 Palisay cố lý thuyết Plato Aristotle tuần hoàn thủy văn khái niệm Từ 16 10 - 16 87 phải kể đến cơng trình: 16 10:... nghiệm 17 00 - 18 00 5, Giai đoạn đổi đáng kể 18 00 - 19 00 Giai đoạn chủ nghĩa thực nghiệm 19 00 - 19 30 Giai đoạn phân tích quan hệ nhân 19 80 - 19 50 Giai đoạn lý thuyết hoá mơ hình thủy văn, thủy văn... (1. 1) theo số liệu dựng quan hệ Iny =fln ( +1) 7 Từ giá trị lnA H .1. 1 xác định A, n = tgø, thay vào cơng thức (1. 1) ta có cơng thức kinh nghiệm xác định y với tham số A lny In/(F +1) ) ¬ Hình 1. 1