Giáo trình Thủy lực cơ sở (Nghề Điện Nước Trung cấp)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: THU Ỷ LỰC CƠ SỞ NGHỀ ĐIỆN - NƯỚC TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số: Ninh Bình, năm 2018 QĐ ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Thuỷ lực sở biên soạn theo đề cương chương trình nghề Điện - nước trình độ trung cấp Gíáo trình biên soạn với mục đích cung cấp lượng kiến thức tối thiểu đủ dùng thuỷ lực cho sinh viên nghề Điện nước đồng thời dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành kỹ thuật Hướng đối tượng giáo trình hỗ trợ cho sinh viên coi trọng khâu tự học, ưa thíh tư chủ động việc tiếp nhận kiến thức Trong q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến đồng nghiệp bạn đọc Ninh Bình, ngày 20 tháng năm 2018 Tham gia biên soạn Nguyễn Thị Hoài Thu MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU Chương 1: Thuỷ tĩnh học Những đặc tính chất lỏng 1.1 Khối lượng riêng 1.2 Trọng lượng riêng 1.3 Sức căng bề mặt 1.4 Tính nhớt 1.5 Sức căng bề mặt Các loại lực tác dụng vào chất lỏng 2.1 Lực bề mặt 2.2 Lực khối lượng Áp suất, cơng thức tính 3.1 Khái niệm áp suất 3.2 Mặt đẳng áp, mặt đẳng 3.3 Tĩnh tương đối 3.4 Tĩnh tuyệt đối Chương 2: Thuỷ động lực học Error! Bookmark not defined Hai loại chuyển động chất lỏng Error! Bookmark not defined Các chuyển động thành phần chất lỏng Error! Bookmark not defined Chương 3: Tổn thất lượng Error! Bookmark not defined Hai trạng thái chảy 23 1.1 Trạng thái chảy tầng ống Error! Bookmark not defined 1.2.Trạng thái chảy rối ống 23 Hai dạng tổn thất cột nước Error! Bookmark not defined 2.1 Tổn thất cục bộ, kí hiệu Error! Bookmark not defined 2.2.Tổn thất dọc đường, kí hiệu Error! Bookmark not defined Chương 4: Dòng chảy hệ thống đường ốngError! Bookmark not defined Dòng chảy ổn định qua lỗ, vòi Error! Bookmark not defined 1.1 Dòng chảy ổn định qua lỗ Error! Bookmark not defined 1.2 Dòng chảy ổn định qua vòi Error! Bookmark not defined Dịng chảy khơng ổn định qua lỗ vòi Error! Bookmark not defined 2.1 Dịng chảy khơng ổn định qua lỗ Error! Bookmark not defined 2.2 Dịng chảy khơng ổn định qua vịi Error! Bookmark not defined Tính thuỷ lực ống dài, ống đơn 31 3.1 Tính thuỷ lực ống dài 31 3.2 Tính thuỷ lực ống đơn 32 Chương 5: Dòng chảy ổn định kênh Error! Bookmark not defined Những khái niệm chung Error! Bookmark not defined Dòng chảy kênh hở Error! Bookmark not defined Chương 6: Dịng chảy khơng ổn định lịng dẫn hở Error! Bookmark not defined Hệ phương trình dịng chảy chiều Error! Bookmark not defined Các cách giải hệ phương trình Xanh Vơ NăngError! Bookmark not defined Chương 7:Khái niệm chung địa chất - thuỷ văn – sông hồError! Bookmark not defined Khái niệm ước ngầm Error! Bookmark not defined 1.1 Mạch nước ngầm sâu Error! Bookmark not defined 1.2 Mạch nước ngầm nông Error! Bookmark not defined 1.3 Tỷ suất lưu lượng Error! Bookmark not defined Khái niệm mực nước tĩnh động Error! Bookmark not defined 2.1 Khái niệm mực nước tĩnh Error! Bookmark not defined 2.2 Khái niệm mực nước động Error! Bookmark not defined Tính chất, đặc điểm sơng hồ Error! Bookmark not defined 3.1 Tính chất Error! Bookmark not defined 3.2 Đặc điểm Error! Bookmark not defined Khái niệm mùa lũ, mùa khô Error! Bookmark not defined 4.1 Mùa lũ Error! Bookmark not defined 4.2 Mùa khô Error! Bookmark not defined GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Mã mơn học: MH 08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Thuỷ lực sở môn học giảng dạy song song với nhóm mơn học nghề điện nước, trước thực mơ đun - Tính chất: Đây mơn học kỹ thuật sở chương trình đào tạo trung cấp - Ý nghĩa vai trò: Thuỷ lực sở mơn học có ý nghĩa quan trọng việc giúp học sinh thiếp thu kiến thức chuyên ngành môn chuyên môn Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Nêu khái niệm thuỷ lực tĩnh, động chất lỏng + Trình bày tổn thất lượng trạng thái lỏng, cột nước chất lỏng + Nêu khái niệm dịng chảy ổn định, dịng chảy khơng ổn định hệ thống đường ống, kênh hở lòng dẫn hở chất lỏng; + Trình bày khái niệm chung địa chất thuỷ văn cho nước ngầm, nước mặt - Về kỹ năng: + Thành thạo việc tính tốn tập + Nhận biết số loại vật liệu học, biết lựa chọn loại vật liệu vào xây lắp cách hiệu quả, (cụ thể) - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính kiên trì, nghiêm túc học tập Nội dung môn học: CHƯƠNG THUỶ TĨNH HỌC Mã chương: MH08 – 01 Mục tiêu: - Nêu đặc tính bản, lực tác dụng vào chất lỏng; - Trình bày khái niệm áp suất, cách xác định áp lực lên bề mặt vật tiếp xúc; - Rèn luyện tính kiên trì, cẩn thận, chủ động sáng tạo Nội dung chính: - Khái niệm Thuỷ lực: “Thuỷ lực môn khoa học ứng dụng, nghiên cứu quy luật chất lỏng đứng yên chuyển động, đồng thời nghiên cứu ứng dụng quy luật thực tế” Chữ “Thuỷ lực “ tiếng Hy lạp có nghĩa là: ”Nước – ống” tức nước chảy đường ống Ngày nay, khái niệm khoa học thuỷ lực cịn mang ý nghĩa lịch sử Trong trình đấu tranh với thiên nhiên để tồn tại, từ xưa người biết đào giếng lấy nước, khơi mương, đặt ống dẫn nước, đắp đê ngăn lũ…như khoa học thuỷ lực hình thành lâu đời Qua thời gian phát triển mạnh mẽ nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác như: thuỷ lực đường ống, thuỷ lực kênh hở, thuỷ lực nước ngầm…Tuy nhiên, tất lĩnh vực nghiên cứu xây dựng phát triển sở quy luật chung thuỷ lực đại cương Do phát triển sản xuất tiến kĩ thuật nên lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vào ngành kĩ thuật như: thuỷ lợi, cầu đường, dầu khí, khai thác mỏ, hàng không… - Phương pháp nghiên cứu thuỷ lực : kết hợp chặt chẽ phân tích lí luận với phân tích tài liệu thực nghiệm, thực đo nhằm đạt tới kết cụ thể để giải vấn đề thực tế, kết nghiên cứu có tính chất hồn tồn thực nghiệm, lí luận hồn tồn nửa lí luận, nửa thực nghiệm - Cơ sở môn Thuỷ lực: Cơ học chất lỏng lí thuyết Mơn học nghiên cứu quy luật chất lỏng đứng yên chuyển động phương pháp chủ yếu việc nghiên cứu sử dụng cơng cụ tốn học phức tạp Vì môn Thuỷ lực thường gọi Cơ học chất lỏng ứng dụng Cơ học chất lỏng kĩ thuật - Đối tượng nghiên cứu Thuỷ lực: chất lỏng Chất lỏng hiểu theo nghĩa rộng: + Chất lỏng chất lỏng thành giọt nước, dầu, thuỷ ngân…Các chất lỏng hồn tồn xác định được, thực tế khơng thay đổi thể tích lúc thay đổi lực nén + Chất lỏng chất lỏng dạng khơng khí, nước, khí tự nhiên…Chất lỏng ln chiếm đầy miền chứa, thể tích thay đổi phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ - Các tính chất vật lí chất lỏng: + Tính chảy hay tính dễ di động: chất lỏng di động tác dụng lực bất kì, dù lực nhỏ + Tính liên tục: chất lỏng xem tập hợp vô số phần tử chiếm đầy miền nghiên cứu + Tính đẳng hướng: biến đổi tính chất vật lí mơi trường chất lỏng theo phương trạng thái chất lỏng đứng yên tồn lực pháp tuyến mà không tồn lực tiếp tuyến - Một số đơn vị thường dùng: + Lực: Niutơn(N) Kilôgam lực(kG) đyn Quan hệ đơn vị đo lực: 1N = 0.102kG 1kG = 9.81N 1đyn = 10-5N + Áp suất: Pascal(Pa) Atmosphe(at) Bar đyn/cm2 Kg/cm2 mmHg chiều cao cột chất lỏng: hp=10m nước hp=735mHgm Quan hệ đơn vị đo áp suất: 1Pa = 1N/m-2 = 10 đyn/cm2 = 1,02.10-5kG/cm2 1bar = 105Pa 1at = 0,981bar + Khối lượng: Kilơgam(kg) Gam(g) Những đặc tính chất lỏng 1.1 Khối lượng riêng: - Khái niệm: Khối lượng riêng khối lượng đơn vị chất lỏng Đối với chất lỏng đồng chất, khối lượng riêng tỉ số khối lượng M với thể tích W chất lỏng - Kí hiệu:  - Đơn vị: kg/m3 M - Công thức:  = W Đối với nước 4oC cú  = 1000 kg/m3 1.2 Trọng lượng riêng - Khái niệm: Trọng lượng riêng trọng lượng đơn vị chất lỏng Đối với chất lỏng đồng chất, trọng lượng riêng tỉ số trọng lượng G với thể tích W chất lỏng - Kí hiệu:  - Đơn vị: N/m3 G - Cơng thức:  = W Đối với nước 4oC cú  = 9810 N/m3 = 1000 kG/m3 Trọng lượng riêng số chất lỏng: Tên chất lỏng Trọng lượng riêng(N/m3) Nước cất 9810 Nước biển 10000 – 10100 Dầu hoả 7750 – 8040 Xăng máy bay 6380 Xăng thường 6870 – 7360 Dầu nhờn 8730 – 9030 Điezen 8730 – 9220 Thuỷ ngân 132890 Cồn nguyên chất 7750 - 7850 Nhiệt độ 4 15 15 15 15 15 20 15 1.3 Sự thay đổi thể tích: 1.3.1 Hệ số nén thể tích: Khi áp suất thay đổi thay đổi thể tích chất lỏng đặc trưng hệ số nén thể tích - Khái niệm: hệ số nén thể tích đại lượng đặc trưng cho thay đổi tương đối thể tích chất lỏng đơn vị biến đổi áp suất - Kí hiệu: w - Đơn vị: m2/N - Cụng thức tớnh: w = W W Trong đó: W thể tích ban đầu chất lỏng W độ thay đổi thể tích áp suất tăng lượng P Đối với nước: w = 2.10 lần.) (Khi áp suất tăng 9,8.10 thể tích giảm 2.10 Bài tập ứng dụng Bài Xác định thể tích nước cần đổ thêm vào đường ống có đường kính d = 500mm, chiều dài l = 1km để tăng áp suất lên p = 5.106 Pa? Giải: Thể tích nước chứa đoạn ống : W= d l = 3,14.0,5 1000 =196,2 m3 Thể tích nước cần đổ thêm vào: W = wW.p = 196,2.106 = 0,4905 m3 2.10 Bài Trong thí nghiệm thuỷ lực hệ thống cấp nước, người ta giảm áp suất cách xả bớt nước ống Nếu thời gian xả 10 phút lượng áp suất cần giảm p = 0,5 at = 4,9.104 Pa, thể tích ống chứa nước W = 80m3 Xác định lượng nước cần xả thời gian Cho biết hệ số nén thể tích w = -1 Pa 2.10 Giải: Lượng nứơc cần xả là: dW = wW.p = 4,9.104.80 = 1,92.10-3 m3 2.10 1.3.2 Hệ số giãn nở nhiệt Khi nhiệt độ thay đổi thay đổi thể tích chất lỏng đặc trưng hệ số giãn nở nhiệt - Khái niệm: hệ số giãn nở nhiệt đại lượng đặc trưng cho thay đổi thể tích chất lỏng thay đổi nhiệt độ - Kí hiệu: t Đơn vị: oC-1 - Cơng thức tính: t = W W t Trong đó: W thể tích ban đầu chất lỏng W độ thay đổi thể tích nhiệt độ tăng lượng t Bài tập ứng dụng Một ống dẫn nước có đường kính d = 500mm chiều dài l = 1000m đổ đầy nước trạng thái tĩnh áp suất p = 4at nhiệt độ nước t = 50C Bỏ qua độ biến dạng độ dãn nở ống, xác định áp suất ống dẫn đun nóng nước ống đến 150C Cho biết hệ số dãn nở nhiệt nước t = 0,000014 cịn hệ số dãn nở thể tích t= cm2/ kG 21000 Giải: Thể tích nước ống t = 50C: d 3,14.0,5 l= 1000 = 196,25 m3 W= 4 Thể tích nước sau đun lên 100C: dW = W.t.t = 196,25.10.0,000014 = 0,028m3 Độ chênh áp suất ống: 0, 028 W 21000 = 3kG/cm2 = 3at = 294,3N/m2 p = W w 196, 25 1.4 Tính nhớt 1.4.1 Khái niệm: Tính nhớt tính chất chất lỏng chống lại lực cắt( chống lại dịch chuyển), đặc trưng cho độ chảy chất lỏng tính dịch chuyển phần tử Tất chất lỏng có tính nhớt 1.4.2.Đại lượng đặc trưng: Là hệ số nhớt động học: - Ký hiệu:  - Đơn vị: m2/s, Stốc (1 Stốc = 1cm2/s)  - Công thức:  =  : hệ số nhớt động lực phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức: 0, 0178 = 0, 0337t 0, 000221t  xác định nhớt kế Nước 10 0C có  = 0.000134kG3/m2 = 0.0131 Ns/ m2  = 0.0131cm2 = 0,00000131m2/s 1.5 Sức căng bề mặt: Phần tử chất lỏng nằm mặt tiếp xúc với chất lỏng, chất khí thành rắn điều kiện khác với điều kiện phần tử nằm nội thể tích chất lỏng Trong nội chất lỏng, phân tử bao bọc loại phân tử, gần mặt thống khác Vì lượng phân tử gần mặt thoáng khác với lưọng phân tử nằm nội chất lỏng Năng lượng gọi lượng bề mặt, tỷ lệ với diện tích bề mặt phân cách E = S  hệ số sức căng mặt ngoài, phụ thuộc chất hai mơi trường tiếp xúc Trong đó: R sức căng mặt L chiều dài hai mặt tiếp xỳc Ví dụ: R = l 10 Ta xác định lưu lượng đoạn đường ống chính, xuất phát từ lưu lượng qI: QCD=qD ; QBC=qF+QCD ; QAB=qE + QBC = qE +qF + qD Việc xác định đường ống thường xuất phát từ lưu tốc kinh tế , tức lưu tốc chọn cho việc xây dựng cơng trình nhỏ Ta tham khảo số liệu lưu tốc kinh tế lưu lượng kinh tế tương ứng với đường kính ống cho trước D 50 75 10 12 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 0 0 0 0 0 V 0.7 0.7 0.7 0.8 0.8 0.9 1.0 1.0 1.1 1.1 1.2 1.2 1.3 1.2 5 5 5 5 Q 1.5 3.3 10 15 30 50 10 14 19 24 36 52 70 5 5 Trong đó: đường kính ống D tính theo mm Vận tốc ống tính theo m/s Lưu lượng ống tính theo l/s Việc chọn đường kính ống trở nên đơn giản định lưu tốc kinh tế Ta trực tiếp chọn đường kính kinh tế theo công thức V G Lôbasep : - Biết QI , dI , LI ta tính tổn thất cột nước hdi đoạn ống theo: - - Cao trình mực nước tháp nước tính theo cơng thức: ’A = ’D + hdi đó: ’D cao trình cột nước đo áp đầu mút D đường ống hdi tổng số tổn thất cột nước dọc đường đường ống Ta xác định chiều cao tháp nước: HA = ’A - A Trong đó: A cao trình địa hình điểm A - Khi biết trị số hdi ta vẽ đường đo áp ống xuất phát từ cao trình ’D cột nước đo áp điểm cuối đường ống - Sau tính xong đường ống chính, ta tính đường ống phụ + Dựa vào đường cột nước đo áp, ta biết cột nước điểm nút phân nhánh Như điểm B, có ống nhánh BC C, có ống nhánh CE Nên: hBE = ’B - ’E hCF = ’C - ’F + Xác định đường kính ống nhánh: Khi có h, L, q ta tính J tính K tra bảng tìm d  BÀI TỐN 2: Biết cao trình mực nước tháp nước, thường ta biết sơ đồ mặt mạng lưới, ta biết độ dài LI đoạn ống, lưu lượng QI đoạn 45 ống, cao trình mực nước tháp nước cao trình cột nước đo áp điểm tiêu thụ lưu lượng Ta tìm đường kính ống Trình tự giải tốn sau: - Xác định đường kính ống chính: + Xác định độ dài L ống tổng độ dài đoạn ống: L =  LI Xác định độ chênh cột nước đường ống hiệu số cao trình mực nước tháp cuối đường ống chính: H = ’A - ’ Vậy độ dốc thủy lực trung bình đường ống bằng: Xem trị số Jtb đoạn ống, ta tìm mơđun lưu lượng đoạn ống: Biết K ta tra bảng tìm đường kính d đoạn ống Việc tính tốn đường ống nhánh làm tương tự 3.2.3 Tính thủy lực đường ống phân phối nước đóng kín Một mạng đường ống đóng kín thường gồm nhiều vịng kín Ta nghiên cứu trường hợp đơn giản có vịng kín, biết lưu lượng qI điểm tiêu thụ lưu lượng, biết độ dài L I đường kính dI đoạn ống Sự phân phối lưu lượng tất đoạn ống vịng kín chưa biết, chưa biết cột nước cần thiết để khắc phục ma sát lưới Dịng chảy vịng kín phải thỏa mãn hai điều kiện sau đây: Tại điểm vũng kín, tổng số lưu lượng tới điểm phải tổng số lưu lượng rời khỏi điểm Tổng số tổn thất cột nước vịng kín phải khơng, quy ước tổn thất cột nước dương chiều vịng để tính tổn thất trùng với chiều chảy, âm ngược với chiều chảy Có hai phương pháp giải:  Phương pháp thứ nhất: Phương pháp cân cột nước +Ta tự ý phân phối lưu lượng vịng kín, cho điều kiện thứ thỏa mãn, nên điều kiện thứ hai không thỏa mãn +Không vi phạm điều kiện thứ nhất, ta phân phối lại lưu lượng mạng đến điều kiện thứ hai ngày đến chỗ thỏa mãn đầy đủ  Phương pháp thứ hai: Phương pháp cân lưu lượng +Ta tự ý phân phối lưu lượng vịng kín, cho điều kiện thứ hai thỏa mãn, nên điều kiện thứ không thỏa mãn +Không vi phạm điều kiện thứ hai, ta phân phối lại lưu lượng mạng đến điều kiện thứ ngày đến chỗ thỏa mãn đầy đủ 46 CHƯƠNG DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH TRONG KÊNH Mã chương: MH08 – 05 Mục tiêu: - Nêu khái niệm dòng chảy kênh hở - Mơ tả trạng thái dịng chảy kênh hở - Rèn luyện tính kiên trì, chủ động sáng tạo Nội dung chương Những khái niệm chung 1.1 Khái niệm Dòng chảy gọi ổn định vận tốc không phụ thuộc thời gian không đổi mặt cắt *Điều kiện để dịng chảy khơng áp: - Lưu lượng khơng đổi theo thời gian dọc theo dòng chảy: Q(t,l) = const - Hình dạng mặt cắt, chu vi diện tích mặt cắt ướt khơng đổi dọc theo dịng chảy nên độ sâu mực nước kênh không đổi: h(l) = const - Độ dốc đáy không đổi: dh hay dl = i = const - Hệ số nhám không đổi: n= const - Sự phân bố lưu tốc mặt cắt không đổi dọc theo dịng chảy Nếu điều kiên khơng thỏa mãn dịng chảy khơng Dịng chảy kênh hở thường dòng chảy rối, đồng thời thường khu sức cản bình phương, theo Chezy cơng thức tính vận tốc: V = C RJ (m/s) Trong đó: J: độ dốc thủy lực C: hệ số Chezy, xác định theo công thức sau: C= Ry n 47 Theo công thức Poocorayme: y = Theo công thức Manning: y = Theo công thức Pavolopski: y = 2,5 n - 0,13 – 0,75 R ( n - 0,1) 1.2.Các yếu tố thủy lực mặt cắt ướt 1.2.1 Mặt cắt hình thang đối xứng: Hình thang hình tổng quát cho hình chữ nhật hình tam giác Trong thực tế, thiết kế kênh đất tính theo mặt cắt hình thang dễ ổn định loại mặt cắt hình dạng khác Gọi m = cotg hệ số mái dốc b h Diện tích mặt cắt ướt: W = (b+mh)h Hay W = (+m)h Chu vi mặt cắt ướt:  = b+2h m2 Hay  = (+2 m2 )h Chiều rộng mặt thoáng: B = b+2mh Trong đó: b: chiều rộng đáy kênh h: chiều sâu mực nước kênh 1.2.2 Mặt cắt hình chữ nhật: Hình chữ nhật trường hợp riêng hình thang khi: Hệ số mái dốc: m = Diện tích mặt cắt ướt: W =bh Chu vi mặt cắt ướt:  = b+2h Chiều rộng mặt thoáng: B = b 1.2.3 Mặt cắt hình tam giác cân Hình tam giác cân trường hợp riêng hình thang khi: Chiều rộng: b = Diện tích mặt ct t: W = mh2 48 49 Ch-ơng Dòng chảy không ổn định lòng dẫn hở Hệ ph-ơng trình dòng chảy chiều: Xét dòng chảy chiều( thành phần vận tốc u0,v=0,w=0) áp dụng định luật bảo toàn khối l- ợng l- ợng thu đ- ợc hệ ph- ơng trình vi phân u cho dòng chảy chiều nh- sau :  t u t x (p u ) x   u2 u2   u ( )  pu      (  )  0   t x Trong : p : áp suất : khối l- ợng riêng : nội đơn vị chất lỏng Các cách giải hệ ph- ơng trình Xanh- Vơ- Năng Giải toán không ổn định lòng dần hở việc tích phân hai w Q ph- ơng trình vi phân : s t v v h v v v   i-  s g t g t C R Do Q=v.w ta cã : v w Q w v s s s Cßn : h h     s  s B s Gi¶i ta đ- ợc nghiệm viết d- ới dạng : Q=Q(s,t) Z=z(s,t) Hoặc : V=v(s,t) W=w(s,t) 50 Việc tìm tích phân hệ ph- ơng trình gặp nhiều khó khăn nên chủ yếu chúng đ- ợc giải số ph- ơng pháp gần : - Ph- ơng pháp phân tích toán học chặt chẽ để tích phân ph- ơng trình - Dùng lí luận sóng có biên độ nhỏ để giải - Ph- ơng pháp trạng thái tức thời đ- ợc sử dụng rộng rài Ch-ơng 51 KHI NIM CHUNG V A CHT THỦY VĂN VÀ SÔNG HỒ Mục tiêu : - Nêu khái niệm nước ngầm, mực nước tĩnh, mực nước động - Nêu tính chất, đặc điểm sơng, hồ theo mùa - Rèn luyện tính kiên trì, chủ động sáng tạo Nội dung chương : Khái niệm nước ngầm Nước ngầm dạng nước đất , tích trữ lớp đất đá trầm tích bở rời cặn, sạn, cát bột kết, khe nứt, hang caxto bề mặt trái đất, khai thác cho hoạt động sống người Đặc điểm chung nước ngầm khả di chuyển nhanh lớp đất xốp, tạo thành dịng chảy ngầm theo địa hình Nước ngầm có nguồn gốc nội sinh: nước sinh điều kiện nhiệt độ cao áp suất lớn hoạt động xâm nhập nông núi lửa trẻ Nguồn nước phần phun lên mặt đất núi lửa hoạt động, phần lại lưu giữ lòng đất tạo thành nước ngầm Chưa thể tính trữ lượng loại nước ngầm nguồn gốc nội sinh này, giữ vai trị to lớn việc cung cấp nước thường xuyên cho sông suối từ vùng núi cao cung cấp nước sinh hoạt cách bền vững cho cư dân vùng núi cao, vùng trung du, hải đảo sa mạc tổ hợp tối ưu phương pháp địa chất, địa mạo, địa vật lý khoan đào giếng để lấy nước ngầm cách không khó Tuy vậy, với vùng cao nguyên đá vơi cịn địi hỏi nguồn ( núi lửa) phải đủ lớn để lấp nhét đầy khe nứt hang hốc đá vơi, đồng thời có nhiều nước ngầm Với quần đảo Trường Sa, Cát Bà, Bạch Long Vĩ, đảo như: Hịn Mê, Cơn Đảo, … có kích thước đủ lớn, cần đặt vấn đề tìm, thăm dị xây dựng giếng khoan khai thác nước ngầm nguồn gốc nội sinh Lâu nay, quan niệm nước ngầm mặt ngấm xuống thành tầng chứa nước nên người ta tìm tốn tiền mà không - Lưu lượng nước ngầm Chiếm lượng lớn so với lượng nước ta nhìn thấy Nước ngầm đóng góp lớn cho dịng chảy sơng ngịi nhiều sơng Con người sử dụng nước ngầm từ hàng ngàn năm tiếp tục sử dụng hàng ngày, phần lớn cho nhu cầu nước uống nước tưới Cuộc sống trái đất phụ thuộc vào nước ngầm giống nước bề mặt Nước ngầm chảy bên mặt đất Một phần lượng mưa rơi mặt đất thấm vào đất trở thành nước ngầm Phần nước chảy sát mặt lộ nhanh chảy vào lịng sơng, trọng lực, phần lượng nước tiếp tục thấm sâu vào đất - Hướng tốc độ di chuyển nước ngầm tính thơng qua đặc trưng tầng nước ngầm lớp cản nước (ở nước khó chảy qua) Sự chuyển động nước bên mặt đất phụ thuộc vào độ thấm (nước thấm khó khăn hay dễ dàng) khe rỗng đá bên mặt đất (số khe hở vật liệu) Nếu lớp đá cho phép nước chảy qua tương đối tự nước ngầm di chuyển khoảng cách đáng kể thời gian vài ngày Nhưng nước ngầm thấm 52 sâu vào tầng nước ngầm sâu hàng ngàn năm để di chuyển trở lại vào môi trường - Lượng trữ nước ngầm Một lượng lớn nước trữ đất Nước tiếp tục chuyển động, chậm, phần vịng tuần hồn nước Phần lớn nước ngầm mưa lượng nước thấm từ lớp đất mặt Tầng đất phía vùng khơng bão hoà, tầng lượng nước thay đổi theo thời gian, mà khơng làm bão hồ tầng đất Bên lớp đất vùng bão hoà, tất khe nứt, ống mao dẫn, khoảng trống phân tử đá lấp đầy nước Thuật ngữ “nước ngầm” dùng để mô tả cho khu vực Một thuật ngữ khác nước ngầm “bể nước ngầm” Bể nước ngầm kho chứa nước ngầm khổng lồ người khắp nơi giới phụ thuộc vào nước ngầm sống hàng ngày 1.1 Mạch nước ngầm sâu Nước ngầm tầng sâu thường nằm lớp đất đá xốp ngăn cách bên phía lớp khơng thấm nước Theo không gian phân bố, lớp nước ngầm tầng sâu thường có ba vùng chức năng: vùng thu nhận nước, chuyển tải nước khai thác nước có áp Khoảng cách vùng thu nhận nước vùng khai thác nước thường xa, từ vài chục đến vài trăm km Đây loại nước ngầm có chất lượng tốt lưu lượng ổn định Trong khu vực phát triển đá cacbonat thường tồn loại nước ngầm caxto di chuyển theo ác khe nứt caxto Trong dải cồn cát vùng ven biển thường có cấc thấu kính nước nằm mực nước biển Do nằm phía tầng khơng thấm nước nên mước ngầm tầng sâu không cung cấp trực tiếp nước mưa nước mặt vùng Tuy nhiên nước mưa nước từ dòng chảy mặt vần gián tiếp liên quan tới tầng nước thơng qua dịng chảy ngầm từ nơi khác tới Nước ngầm tầng sâu có áp khơng áp Nếu nguồn nước cung cấp cho nước ngầm tầng sâu khu vực xuất phát từ nơi có cao trình cao cột nước lớn nước ngầm tầng sâu thường có áp Ngược lại nước khơng chứa đầy tầng trữ nước mực nước ngầm tầng trữ nước thấp tầng khơng thấm phía ta có nước ngầm sâu không áp 1.2 Mực nước ngầm nông Nước ngầm tầng nông nằm tầng không thấm thứ nhất( khơng có tầng khơng thấm phủ kín bên trên) Đây loại nước ngầm không áp Mặt nước ngầm mặt nước tự Áp lực mực nước ngầm áp suất khí trời Nước ngầm tầng nông phân bố hầu hết khắp nơi, trừ số vùng cá biệt Nước ngầm tầng nông thường thay đổi trữ lượng mực nước theo thời kì năm chịu ảnh hưởng trực tiếp điều kiện khí hậu, thuỷ văn lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ bốc mặt đất, mực nước sơng ngịi, ao hồ khu vực Nguồn cung cấp chủ yếu nước mặt ngấm vào đất Mặt khác, nước mưa tập trung vào sơng ngịi, ao hồ lượng mước mặt từ sơng ngịi ao hồ lại theo dịng thấm bổ sung trực tiếp cho nước ngầm tầng nông 53 Mùa mưa mực nước ngầm tầng nông dâng cao bổ sung nước từ nguồn nước mưa nguồn nước mặt sông suối Đặc biệt sông vùng đồng phù sa bồi đắp, lịng sơng ngày cao, mực nước sơng thường xuyên cao nực nước ngầm hai bên bờ Vì sơng thường xun cung cấp nước cho nước ngầm tầng nông Ở vùng trồng lúa nước, mực nước ngầm tầng nông dâng cao bổ sung nước từ ruộng trồng lúa Ngược lại mùa khô bị bốc mặt đất, mực nước sông suối ao hồ hạ xuống thấp, số trường hợp hạ thấp mặc nước ngầm tầng nơng, nước ngầm tầng nơng lại theo dịng thấm bổ sung cho sơng hồ Vì mực nước trữ lượng nước ngầm tầng nông giảm Nước ngầm tẩng nơng thường khơng có lớp ngăn cách với địa hình bề mặt Do vậy, thành phần mực nước biến đổi nhiều, phụ thuộc vào trạng thái nước mặt Loại nước dễ bị ô nhiễm 1.3 Tỷ suất lu- l- ợng Khái niệm mực n-ớc tĩnh động: 2.1 Khái niệm mực n- íc tÜnh Mực nước tĩnh mực nước giếng khoan chưa có tác động việc khai thác 2.2 Khái niệm mực n- ớc động Mc nc động mực nước giếng khoan có tỏc ng ca vic khai thỏc Tính chất, đặc ®iĨm cđa s«ng hå 3.1 TÝnh chÊt 3.1.1 Sơng: - Khái niệm: Sơng dịng nước có lưu lượng lớn thường xuyên chảy, có nguồn cung chủ yếu từ hồ nước, từ suối hay từ sơng nhỏ nơi có độ cao Các dịng sông hầu hết đổ biển; nơi tiếp giáp với biển gọi cửa sông Trong vài trường hợp, sơng chảy ngầm xuống đất khơ hồn toàn trước chúng chảy đến vực nước khác Các sơng nhỏ gọi nhiều tên khác suối, sông nhánh hay rạch Khơng có chuẩn để gọi tên gọi cho yếu tố địa lý sông, suối, số quốc gia, cộng đồng người ta gọi dịng chảy sơng, rạch tùy thuộc vào kích thước Các sơng thành phần quan trọng vịng tuần hồn nước, bồn thu nước từ nước mưa chảy tràn, tuyết nước ngầm vận chuyển loại nước đại dương Sông Nine, sông Amazom, sông Trường Giang sông dài hàng đầu giới - Phân loại: Thông thường, sông chia làm hai loại sơng sơng nhánh (hay nhánh sơng) Sơng sơng có độ dài lớn có diện tích lưu vực hay lượng nước lớn nhất; sơng nhánh sơng chảy vào sơng 54 + Phân loại theo bậc sông: Ở mức độ chi tiết người ta cịn phân cấp sơng: sơng đầu nguồn đánh số Hai sông cấp nhập lại tạo thành dịng sơng cấp Một sơng cấp hợp với sơng cấp tạo thành sông cấp 2; hai sông cấp nhập lại thành sông cấp ba Nghĩa là, hai sông phải có cấp hợp lại thành sơng có cấp cao đơn vị Cứ đánh số cửa sơng + Theo địa hình: Các sơng nhìn chung phân thành sơng chảy vùng có bồi tích sơng chảy vùng có đá gốc hỗn hợp Các sơng chảy vùng có bồi tích có lịng dẫn đồng bãi bồi chúng tự tạo thành sông chảy đá gốc hình thành dịng sơng xâm thực sâu cắt qua khỏi lớp trầm tích đại cắt vào lớp đá gốc nằm bên Quá trình diễn khu vực trải qua kiểu biến động địa chất nâng lên (làm tăng gradient sông) khu vực có thành phần đá cứng làm cho sơng dốc đến mức khơng thể tích tụ bồi tích đại Sơng chảy đá gốc thường có bồi tích đáy chúng; vật liệu đối tượng dễ xâm thực lịng sơng Các sơng bồi tích phân chia theo hình dạng kênh dẫn uốn khúc, bện tết, lang thang, thẳng Hình dạng sống bồi tích bị khống chế yếu tố nguồn cung cấp trầm tích, thành phần vật chất, lưu lượng, thực vật lưu vực nâng cao đáy sông Cách phân loại khác: + Sông trẻ: sông có độ dốc, có dịng chảy nhánh có dịng chảy nhanh Các lịng dẫn xâm thực sâu phát triển mạnh xâm thực ngang Ví dụ sông Brazos, Trinity Ebro + Sông trưởng thành: sơng có độ dốc nhỏ sơng trẻ có dịng chảy chậm Sơng trưởng thành có nhiều nhánh sơng đổ vào có lưu lượng lớn sơng trẻ Lịng sơng xâm thực ngang lớn xâm thực sâu sông Mississippi, Saint Lawrence, Danube, Ohio, Thames Paraná + Sông già: sơng có độ dốc thấp có lượng xâm thực nhỏ Các sông già đặc trưng bãi bồi Hồng Hà, sơng Hằng, Tigris, Euphrates, sơng Ấn Nile 3.1.2 Hồ: - Khái niệm: Hồ vùng nước bao quanh đất liền, thông thường đoạn sông bị ngăn biến đổi địa chất tạo nên đa phần hồ nước Đa số hồ Trái Đất nằm bán cầu Bắc, vĩ độ cao Một số hồ, hồ Eyre, cạn nước gần quanh năm chứa nước vài tháng nhiều mưa Ngồi ra, số lớn hồ có nguồn gốc nhân tạo - Phân loại Hồ có nhiều nguồn gốc hình thành khác Dựa vào tính chất, hồ phân làm nhiều loại khác nhau: 55 + Hồ móng ngựa loại hồ hình thành uốn khúc sông, qua thời gian, đoạn sông cũ dòng chảy tạo đường cho dòng sơng mới, vết tích dịng sơng cũ để lại Ví dụ: Hồ Tây (Hà Nội) + Hồ băng hà hình thành băng hà di chuyển qua bào mịn mặt đất, đào sâu chỗ đất đá mềm để lại vũng nước lớn Ví dụ: Phần Lan, Canada + Hồ miệng núi lửa hồ hình thành miệng trũng núi lửa, nước tụ lại chảy sơng + Hồ kiến tạo loại hồ hình thành vùng đất bị sụt lún động đất gây di chuyển mảng kiến tạo Ví dụ: hồ Đơng châu Phi Ở hoang mạc, gió tạo thành cồn cát cao, chân cồn cát tạo thành nơi trũng, nước tụ lại thành hồ, hồ nơng Ngồi cịn dựa vào tính chất nước nên hồ chia làm hai loại tiếp:  Hồ nước chiếm nhiều lục địa Hồ có dịng sơng nước chảy qua hay mưa Ví dụ: Hồ Ba Bể, Biển Hồ  Hồ nước mặn chiếm Hồ di tích biển, đại dương bị lập lục địa hay trước hồ hồ nước khí hậu khơ hạn nên nước hồ cạn dần tỉ lệ muối khoáng hồ tăng Theo nguồn gốc hình thành cịn có:  Hồ nhân tạo  H t nhiờn 3.2 Đặc điểm c im ca mt sông thể qua lưu lượng chế độ chảy Nước ta có địa hình đồi núi chiếm đến ¾ diện tích lãnh thổ, tập trung phần lớn vùng Đông Bắc, Tây Bắc miền Trung, phần diện tích cịn lại châu thổ đồng phù sa, chủ yếu ĐBSH ĐBSCL Việt Nam nằm khu vực nhiệt đới gió mùa, lượng mưa nhiều năm toàn lãnh thổ vào khoảng 1.940 mm/năm ảnh hưởng địa hình đồi núi lượng mưa phân bố không nước biến đổi mạnh theo thời gian tác động lớn đến trữ lượng phân bố tài nguyên nước ta Việt Nam có 2.360 sơng có chiều dài từ 10km trở lên, có 109 sơng Tồn quốc có 16 lưu vực sơng với diện tích lưu vực lơn 2.500km2, 10/16 lưu vực có diện tích 10.000km2 Miền Bắc( Vùng Đông Bắc, Tây Bắc, Đồng sông Hồng) Địa hình miền bắc chia làm hai khu vực núi với hướng núi khác Phía bắc sơng Hồng, núi có dạng cánh cung nghiêng theo hướng Tây Bắc-Đơng Nam Vùng đồi núi phía nam sơng Hồng: hướng núi dạng dải kéo dài không liên tục tạo thành vòng cung nối tiếp nhau, lưng quay biển bao quanh dải cao nguyên bazan phía tây 56 Do tác động yếu tố địa hình nên lưu vực sơng miền bắc có bề mặt thấp dần, có hình nan quạt, chảy theo hướng Tây Bắc- Đông Nam, thể qua hướng chảy dịng sơng lớn Bên cạnh chế độ thủy văn sơng cịn chịu chi phối yếu tố khí hậu với mùa mưa đến sớm làm cho lượng nước mùa mưa dồi đào, thời gian lũ kéo dài khả thoát lũ chậm (do sơng có hình nan quạt, chảy tập trung vào số dịng dẫn đến nước sơng bị dồn ứ làm nước lũ lên nhanh, xuống chậm) Các LVS miền Bắc cịn có đặc điểm khác biệt so với LVS khác nước, sơng miền Bắc thường có hệ thống đê điều hai bên tả, hữu, nước sông mùa lũ mùa khô thường chảy tập trung vùng định Miền Trung( Vùng Bắc trung bộ, Duyên hải miền Trung) Địa hình miền Trung có xu hướng thấp dần từ Tây sang Đơng Miền Trung có mật độ sơng suối dày đặc, phân cắt thành nhiều LVS nhỏ như: Cả, Vu Gia, Thu Bồn, Ba, Gianh, Thạch Hãn, Hương, Trà Khúc, Kôn Sông miền Trung thường có lịng sơng hẹp, độ dốc lớn, diện tích lưu vực nhỏ Dịng chảy sông thường tập trung nhanh, lưu lượng lớn nên vào mùa mưa lũ thường gây ngập lụt vùng hạ lưu( khu vực đồng thấp phía đơng), làm thiệt hại đến đời sống người dân khu vực Tây Nguyên Địa hình lưu vực phức tạp với cao nguyên xen kẽ núi cao núi trung bình hướng dốc thấp dần theo hướng Đông Bắc – Tây nam Đông nam Bộ Khu vực Đông Nam Bộ bao gồm lưu vực sông Đồng Nai hệ thống lưu vực sông nhỏ khác nằm vùng ven biển Dòng chảy mặt sông chia thành hai mùa rõ rệt Phần thượng lưu trung lưu hệ thống sông Đồng nai không bị ảnh hưởng chế độ thủy triều, chế độ dòng chảy ảnh hưởng lớn việc điều tiết cơng trình hồ chứa lớn Phần hạ lưu chịu tác động cuả triều Đồng sông Cửu Long: Là phần cuối châu thổ sông Mê Kơng, địa hình vùng ĐBSCL thấp dần theo hai hướng từ bắc xuống nam từ tây sang đông Chế độ thủy văn phức tạp Chịu chế độ ngập măn xâm nhập măn Kh¸i niƯm vỊ mïa lị, mïa kh«: 4.1 Mùa lũ - Khái niệm lũ: Lũ tượng dịng nước mưa lớn tích luỹ từ nơi cao tràn dội làm ngập lụt khu vực vùng trũng, thấp Nếu mưa lớn, nước mưa lại bị tích luỹ trướng ngại vật đất đá, cối lượng nước vượt sức chịu đựng vật chắn, phá vỡ vật chắn, xuống cấp tập (rất nhanh), theo đất đá, cối quét vật qt theo dịng chảy gọi lũ quét (hay lũ ống), thường diễn nhanh, khoảng 3-6 Lũ lụt tương thuỷ văn đặc biệt nguy hiểm, lũ quét Trong số trường hợp có sức tàn phá khủng khiếp trở thành thảm hoạ tự nhiên, trận 57 lũ quét năm 1998 thị xã Lai châu (cũ) xoá sổ Mường lay khu vực thị xã Lũ thường xảy vùng núi, nơi có địa hình đồi núi cao chen kẽ với thung lũng sông suối thấp Vào tháng mùa mưa có trận mưa lớn, cường độ mạnh, nước mưa tích luỹ nhanh, đất chỗ no nước nước mưa đổ vào dịng chảy, dễ gây lũ - Mùa lũ: Nước lũ mưa (hay băng, tuyết nước vùng vĩ độ cao) sinh nên mùa lũ thường đôi với mùa mưa Mùa lũ Bắc từ tháng 5-6 đến tháng 9-10 Bắc Trung từ tháng 6-7 đến tháng 10-11 Trung Nam Trung bộ: tháng 10-12 Tây nguyên: tháng 6-12 Nam bộ: tháng 7-12 Tuy nhiên đầu mùa mưa có lũ sớm, lũ “tiểu mãn”, thường xảy vào “tiết tiểu mãn” (tháng 5) hàng năm vùng núi phía bắc nước ta Song mùa lũ hàng năm biến động với mùa mưa, chí sớm muộn 1-2 tháng so với trung bình nhiều năm 4.2 Mïa kh« - Khái niệm: Mùa khơ thuật ngữ nói chung sử dụng để miêu tả thời tiết vùng nhiệt đới Thời tiết vùng nhiệt đới bị chi phối lớn vành đai mưa nhiệt đới, dao động từ vùng nhiệt đới phía bắc tới vùng nhiệt đới phía nam theo chu trình năm Vành đai mưa nhiệt đới nằm Nam bán cầu khoảng từ tháng 10 tới tháng năm sau, thời gian Bắc bán cầu trải qua mùa khô với lượng mưa nhỏ Từ tháng đến tháng 9, vành đai mưa nhiệt đới nằm Bắc bán cầu vùng nhiệt đới phía nam trải qua mùa khơ - Đặc điểm: Tây Ngun Mùa khơ tháng 11 đến thán năm sau với lượng mưa chiếm 10-15% lượng mưa năm Đông Nam Bộ Mùa lũ thường chậm mùa mưa từ 1-2 tháng Mùa kiệt trùng với mùa khô Hàng năm lũ kéo dài tháng, tháng kết thúc vào tháng 11 ĐBSCL Mùa mưa từ tháng đến tháng 10( 90% lượng mưa tâp trung vào tháng 9, 10) Mùa khô từ tháng 11 đến tháng năm sau Mùa lũ thường kéo dài khoảng tháng (tháng7 đến tháng 12) với diễn biến hiền hịa Ở miền Bắc mùa khơ bắt đầu vào tháng 11 12, miền Trung miền Nam bắt đầu muộn hơn, vào tháng Mùa khô nước ta kéo dài từ đến tháng khắc nghiệt, lượng nước thời gian khoảng 20-30% lượng nước năm 58 59 ... THIỆU Giáo trình Thuỷ lực sở biên soạn theo đề cương chương trình nghề Điện - nước trình độ trung cấp Gíáo trình biên soạn với mục đích cung cấp lượng kiến thức tối thiểu đủ dùng thuỷ lực cho... thiết điểm tiêu thụ nước q I (điểm D, E, F), cao trình cột nước đo áp điểm I Ta phải tìm đường kính ống, cao trình mực nước tháp nước Đó tốn hay gặp thiết kế cơng trình cấp nước Từng tự giải... theo cơng thức V G Lôbasep : - Biết QI , dI , LI ta tính tổn thất cột nước hdi đoạn ống theo: - - Cao trình mực nước tháp nước tính theo cơng thức: ’A = ’D + hdi đó: ’D cao trình cột nước