Đang tải... (xem toàn văn)
Chu trình vàhệ thống thuỷ văn33 Trang 18 7/29/2020351.4 Bản chất đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn Các hiện tượng thuỷ văn là kết quả sự tác động của nhiều yếutố tự nhiên. Hiện tượng t
7/29/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI Bộ môn Thuỷ văn – Tài nguyên nước THUỶ VĂN ĐẠI CƯƠNG Ngô Lê An annl@wru.vn 1 Tài liệu tham khảo Giáo trình “Nguyên lý thuỷ văn” – PGS TS Lê Văn Nghinh Giáo trình “Thuỷ văn cơng trình” – ĐHTL – 2012 Sách “Thuỷ văn ứng dụng” – “Applied Hydrology” Tất có thư viện ĐHTL http://lib.tlu.edu.vn Giáo trình dịch “Thuỷ văn đại cương” - 2012 Bài giảng giáo viên 2 7/29/2020 Mục tiêu môn học Sau kết thúc môn học, sinh viên nắm vững kiến thức thuỷ văn: hình thành vận động q trình dịng chảy; quy luật biến đổi đặc trưng khí tượng, thuỷ văn; kiến thức tính tốn thuỷ văn Chi tiết đề cương môn học: http://tvmt.tlu.edu.vn/Portals/0/2018%20nganh%20V/De%20cuong%20dai%2 0hoc%20BM%20TVTNN/Thuy%20van%20dai%20cuong.pdf 3 Đánh giá Điểm đánh giá = 30% điểm trình + 70% điểm thi Điểm trình = Đi học đầy đủ + Bài tập Bài tập: Được giao hàng tuần Hình thức thi: Vấn đáp 4 7/29/2020 Lịch trình dự kiến Buổi (1) Ngày tháng (2) Giảng đường (3) 10 Nội dung giảng dạy Số tiết (4) Định nghĩa Chu trình hệ thống thuỷ văn Phương trình cân nước Sơng ngòi lưu vực Bài tập số Xác định đặc trưng lưu vực Biến cố, biến ngẫu nhiên, tần suất, xác suất Các phân bố xác suất thường dùng thuỷ văn Phân tích tần suất Bài tập số 2: Vẽ đường tần suất lý luận Phân tích hồi quy tuyến tính Một số hàm thống kê Excel Bài tập phân tích thống kê Q trình mưa quan trắc mưa Biểu đồ mưa, phân bố mưa theo không gian Nội suy mưa theo không gian Bài tập số 3: Phân tích mưa Phân tích tần suất mưa (IDF) Mơ hình mưa thiết kế Các loại tổn thất Q trình thấm, mơ hình thấm F index, Horton Q trình bốc hơi, mơ hình hố bốc (5) 3 3 3 3 3 !!! Lịch trình cụ thể cập nhật sau có lịch từ phịng Đào tạo Lịch trình dự kiến (tiếp) Buổi (1) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ngày tháng (2) Giảng đường (3) Nội dung giảng dạy Số tiết (4) Bài tập tính tốn tổn thất Bài kiểm tra kỳ Mưa hiệu (phương pháp SCS-CN) Dòng chảy Đo đạc, phân tách dòng chảy ngầm Đường đơn vị: khái niệm Căn nguyên dòng chảy Đường đơn vị SCS, Snyder Bài tập số 4: Tính tốn dịng chảy lũ từ mưa Diễn tốn dịng chảy sơng Dịng chảy năm, phân mùa dòng chảy năm Bài tập xác định đặc trưng dịng chảy năm Giới thiệu mơ hình tốn Ơn tập (5) 3 3 3 3 3 6 7/29/2020 Chương Mở đầu 1.1 Nước - Thực tế số 1.2 Quá trình nhận thức thuỷ văn 1.3 Chu trình hệ thống thuỷ văn 1.4 Bản chất trình thuỷ văn 1.5 Phương trình cân nước 1.6 Sơng ngịi lưu vực Chương Giới thiệu thống kê TV Chương Mưa Chương Tổn thất Chương Dòng chảy Chương Dòng chảy ngầm 7 I.1 Nước - Thực tế số 8 7/29/2020 Vai trò nước - Là yếu tố định đến tồn phát triển môi trường sống - Là nguồn tài nguyên hữu hạn 9 Nước cho sống người 10 7/29/2020 Nước cho thức ăn 11 Nước cho lượng 12 7/29/2020 Nước cho giao thông thuỷ 13 Nước cho công nghiệp 14 7/29/2020 Nước cho du lịch, giải trí 15 Nước cho giá trị tơn giáo văn hố 16 7/29/2020 Nước cho tự nhiên 17 Mối quan hệ lượng nước dân số 18 7/29/2020 Thừa nước gây lũ, lụt 19 19 Thiếu nước gây hạn hán 20 20 10 5/14/2020 Một đường đơn vị (1 cm) nghĩa là: (a) Thời gian mưa vượt thấm giờ? (b) Cường độ mưa vượt thấm toàn lưu vực số 2.5 mm/hr ? (c) cm lớp nước mưa rơi toàn lưu vực? (d) cm lớp nước mưa vượt thấm rơi toàn lưu vực (e) Thời gian kéo dài trận lũ giờ? (f) Tổng lượng dòng chảy mặt sơng 104 A m3 (A = diện tích lưu vực theo km2)? (g) Tất điều trên? 55 56 28 5/14/2020 57 58 29 5/14/2020 Ví dụ: Cho trước đường trình đơn vị (1 cm), với trận mưa vượt thấm kéo dài sinh lớp dòng chảy x cm: (a) Đỉnh đường q trình dịng chảy x lần đỉnh đường đơn vị? (b) Thời gian kéo dài đường q trình dịng chảy thời gian kéo dài đường trình dịng chảy đường đơn vị? (c) Mỗi điểm trục tung đường q trình dịng chảy gấp x lần điểm tương ứng đường đơn vị? (d) Tất điều trên? 59 Mưa vưot tham d i u Đưong đơn vi u(t-) t- Qua trinh dong chay mat Q Q(t) l()u(t-)d 60 30 5/14/2020 t Mua vuot tham Q t = l u (t − )d d i u Duong don vi o u(t-) t- t Qua trinh dong chay mat Q t = l u (t − ) Q Q(t) =0 l()u(t-)d Trong đó: Qt = Dịng chảy mặt t= Đơn vị thời gian l = Mưa thấm u (t − ) = Đường đơn vị = Thời gian trễ thời điểm bắt đầu mưa thấm đường đơn vị 61 Biểu đồ mưa Đường đơn vị Biểu đồ dòng chảy ? 62 31 5/14/2020 Thoi gian (phut) Mua qua tham (cm) 10 0.6 UH (cms/cm) 0.4 1.2 Dong chay mat 0.8 1.2 0.8 63 Thoi gian (phut) 10 Mua vuot tham (cm) 0.6 UH (cms/cm) 0.4 0.6 UH (cms/cm) 0.4 1.6 0.4 Dong chay mat 0.8 0.8 1.2 0.6 0.6 64 32 5/14/2020 Bài tập lớp Xác định đường trình lũ từ đường trình mưa lưu vực có đường q trình đơn vị U bảng dưới: Thời gian (h) Xi (mm) U (m3/s.mm) 35 48 22 4.46 11.87 25.76 27.57 16.14 5.24 3.74 3.41 1.97 65 II Xây dựng đường đơn vị từ dòng chảy thực đo Đường đơn vị xây dựng từ chuỗi số liệu thực đo mưa dòng chảy Các bước xác định đường đơn vị từ liệu thực đo (1) Lựa chọn trận mưa đơn (đơn vị) - Các trận mưa độc lập, riêng biệt (một đỉnh) - Gần đồng không gian thời gian - Trận mưa tạo q trình dịng chảy hợp lý (> đơn vị mưa vượt thấm) - Thời gian trận mưa nằm khoảng 10-30% thời gian trễ, thường 3, 6, 8, 12 (2) Thu thập đường q trình dịng chảy tương ứng với trận mưa lựa chọn bước 66 33 5/14/2020 II Xây dựng đường đơn vị từ dòng chảy thực đo (3) Phân tách dòng chảy ngầm từ đường trình dịng chảy để xác định đường q trình dịng chảy mặt (4) Tính tốn lớp dịng chảy mặt (=độ sâu lượng mưa vượt thấm Qd) việc lấy tổng lượng dịng chảy mặt chia cho diện tích lưu vực (5) Chia toạ độ trục tung đường q trình dịng chảy mặt bước với lớp dòng chảy mặt để thu đường đơn vị (Qdi/Qd = Qui/1) (6) Xác định thời đoạn mưa vượt thấm T (chính thời đoạn đường đơn vị) - Từ lượng mưa thực đo, phân tách lượng tổn thất mưa vượt thấm - Có thể sử dụng phương pháp số f-index để xác định thời đoạn 67 III Unit Hydrograph Application by Lagging Methods How to predict direct runoff from a storm of given duration and depth of excess precipitation provided you knew the UH for the same duration of the storm? Lagging Methods: applied for storms having durations that are integer multiples of the derived duration Rainfall excess is divided into blocks, each of a uniform duration, D (unit storm) A component hydrograph for each block of rainfall is calculated The starting time for each component hydrograph coincides to the starting time of the appropriate block of rainfall excess All the component hydrographs are added vertically to obtain the total runoff hydrograph for the storm 68 34 5/14/2020 III Unit Hydrograph Application by Lagging Methods 69 III Unit Hydrograph Application by Lagging Methods 70 35 5/14/2020 III Unit Hydrograph Application by Lagging Methods Example 9.3: Given a 2-hr unit hydrograph, determine the direct runoff hydrograph for a 4-hr storm having the following excess rain depth Time hr Effective rainfall in 10 Unit hydrograph Cfs/in 8.5 84.8 331 379 229 129 65 35.3 4.9 0.7 0.7 1.2 1.2 71 III Unit Hydrograph Application by Lagging Methods Example 9.3: Solution Time Effective rainfall Unit hydrograph hr in cfs 10 11 12 0.7 0.7 1.2 1.2 Direct runoff due to rainfall excess First Block UHx1.4 in 8.5 84.8 331 379 229 129 65 35.3 4.9 - 11.9 118.7 463.4 530.6 320.6 180.6 91.0 49.4 6.9 0.0 Second Block Uhx2.4 in 0.0 20.4 203.5 794.4 909.6 549.6 309.6 156.0 84.7 11.8 Total DRO cfs 11.9 119 484 734 1115 1090 641 359 163 84.7 11.8 72 36 5/14/2020 III Unit Hydrograph Application by Lagging Methods Example: The 3-hr unit hydrograph ordinates for a basin are given below There was a storm, which commenced on July 15 at 16.00 hr and continued up to 22.00 hr, which was followed by another storm on July 16 at 4.00 hr which lasted up to 7.00 hr Given that the amount of rainfall on July 15 was 5.75 cm from 16.00 to 19.00 hr and 3.75 cm from 19.00 to 22.00 hr, and on July 16, 4.45 cm from 4.00 to 7.00 hr Assuming an average loss of 0.25 cm/hr and 0.15 cm/hr for the two storms respectively, and a constant base flow of 10 cms Determine the stream flow hydrograph Time (hr) UHO (cms/cm) 12 15 18 21 24 27 1.5 4.5 8.6 12 9.4 4.6 2.3 0.8 Total DRO BFO 73 Example: Solution Day Direct runoff due to rainfall excess I II III Time Excess (hr) Rainfall (cm) rainfall (cm) UGO cm cm cms UHx5 cm Uhx3cm Uhx4cm cms 15-July 16:00 5.75 0 15-July 19:00 3.75 1.5 7.5 4.5 8.6 12 9.4 4.6 2.3 0.8 22.5 43 60 47 23 11.5 15-July 16-July 16-July 16-July 22:00 1:00 4:00 7:00 12 15 18 21 24 27 4.45 Total RO cms cms 10 10 7.5 10 17.5 4.5 13.5 25.8 36 28.2 13.8 6.9 2.4 27 56.5 85.8 89 69.2 59.7 58.9 40 18.4 9.2 3.2 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 37 66.5 95.8 99 79.2 69.7 68.9 50 28.4 19.2 13.2 10 18 34.4 48 37.6 18.4 9.2 3.2 74 37 5/14/2020 III Diễn tốn dịng chảy sơng Lượng trữ sơng có dịng chảy lũ Advancing Flood Wave I>Q Receding Flood Wave Q>I Lượng trữ lăng trụ: thể tích trữ nước sơng dòng chảy (dưới đường song song với đáy sơng) Lượng trữ hình nêm: thể tích nước trữ nằm đường song song với đáy sông đường mực nước thực dòng chảy khác với dịng chảy vào đoạn sơng Phụ thuộc chủ yếu vào dòng chảy Phụ thuộc vào khác (I – Q) 75 III Diễn toán dịng chảy sơng Phương pháp Muskingum (U.A Army Corps of Engineers in the Muskingum River Basin, Ohio): lượng trữ biểu thị hàm dòng chảy vào dịng chảy đoạn sơng S Prism = KQ S Wedge = KX ( I − Q) S = KQ + KX ( I − Q) S = K [ XI + (1 − X )Q] K = số lượng trữ (thời gian truyền đỉnh lũ đoạn sông) (đơn vị thời gian) X = trọng số dòng chảy vào dòng chảy (0 ≤ X ≤ 0.5) X = ➔ Hồ chứa, lượng trữ phụ thuộc vào dịng chảy ra, khơng có hình nêm X = 0.0 - 0.3 ➔ Dòng chảy tự nhiên 76 38 5/14/2020 III Diễn tốn dịng chảy sông S = K [ XI + (1 − X )Q] S j +1 − S j = K {[ XI j +1 + (1 − X )Q j +1 ] − [ XI j + (1 − X )Q j ]} Đồng thời: S j +1 − S j = I j +1 + I j t − Q j +1 + Q j Kết hợp lại thành: Q j +1 = C1I j +1 + C2 I j + C3Q j t t − KX K (1 − X ) + t t + KX C2 = K (1 − X ) + t K (1 − X ) − t C3 = K (1 − X ) + t C1 = Trong đó: t thời khoảng tính tốn C1 + C2 + C = 77 III Diễn tốn dịng chảy sơng Ước tính hệ số K từ dòng chảy vào dòng chảy thực đo, tính tốn với K=X/c Giả thiết dần hệ số x Vẽ quan hệ [XI+(1-X)Q] với trị số S tạo thành đường vòng dây lượng trữ Giá trị x cần tìm giá trị x tạo đường vòng dây hẹp thành đường thẳng Độ dốc đường thẳng K S có đơn vị m3/s/ngày I, Q m3/s, K ngày 78 39 5/14/2020 III Diễn tốn dịng chảy sơng Cho trước: Dịng chảy đến K = 2.3 giờ, X = 0.15, t = giờ, Q ban đầu = 85 m3/s Tìm: Quá trình dịng chảy sử dụng phương pháp Muskingum t − KX − * 2.3 * 0.15 = = 0.0631 K (1 − X ) + t * 2.3(1 − 0.15) + t + KX + * 2.3 * 0.15 C2 = = = 0.3442 K (1 − X ) + t * 2.3(1 − 0.15) + K (1 − X ) − t * 2.3 * (1 − 0.15) − C3 = = = 0.5927 K (1 − X ) + t * 2.3(1 − 0.15) + C1 = 79 Muskingum – Ví dụ Q j +1 = C1I j +1 + C2 I j + C3Q j Thời gian Dòng chảy vào (hr) (m3/s) 93 137 208 320 442 546 630 678 691 10 675 11 634 12 571 13 477 14 390 15 329 16 247 17 184 18 134 19 108 20 90 C1 = 0.0631, C2 = 0.3442, C3 = 0.5927 C1*I J+1 (m3/s) C2*I J (m3/s) 8.6 13.1 20.2 27.9 34.5 39.8 42.8 43.6 42.6 40.0 36.1 30.1 24.6 20.8 15.6 11.6 8.5 6.8 5.7 C3*QJ (m3/s) 32.0 47.2 71.6 110.1 152.1 187.9 216.8 233.4 237.8 232.3 218.2 196.5 164.2 134.2 113.2 85.0 63.3 46.1 37.2 Q (m3/s) 50.4 54.0 67.7 94.5 137.8 192.3 248.9 301.4 342.8 369.4 380.3 376.1 357.2 323.6 283.7 244.5 202.2 162.4 127.6 85 91 114 160 233 324 420 509 578 623 642 635 603 546 479 413 341 274 215 170 80 40 5/14/2020 Muskingum – Ví dụ Đoạn sơng – Biết dịng chảy đến dịng chảy Xác định thông số Muskingum Các bước: Tính tốn lượng trữ từ phương trình liên tục: I j +1 + I j Q j +1 + Q j t − t 2 Tính tốn [XI+(1-X)Q] với giá trị x khác Vẽ [XI+(1-X)Q] vs S S j +1 − S j = Thời gian (ngày) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 I (m3/s) 59 93 129 205 210 234 325 554 627 526 432 400 388 270 162 124 102 81 60 51 Q (m3/s) 42 70 76 142 183 185 213 293 397 487 533 487 446 400 360 230 140 115 93 71 81 Muskingum – Example Time (day) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 I (cfs) 59 93 129 205 210 234 325 554 627 526 432 400 388 270 162 124 102 81 60 51 Q (cfs) 42 70 76 142 183 185 213 293 397 487 533 487 446 400 360 230 140 115 93 71 S (cfs-day) 20 58 116 161 199 279.5 466 711.5 846 815 721 648.5 554.5 390.5 238.5 166.5 130.5 97 70.5 0.1 43.7 72.3 81.3 148.3 185.7 189.9 224.2 319.1 420 490.9 522.9 478.3 440.2 387 340.2 219.4 136.2 111.6 89.7 69 [XI+(1-X)Q] 0.2 45.4 74.6 86.6 154.6 188.4 194.8 235.4 345.2 443 494.8 512.8 469.6 434.4 374 320.4 208.8 132.4 108.2 86.4 67 0.3 47.1 76.9 91.9 160.9 191.1 199.7 246.6 371.3 466 498.7 502.7 460.9 428.6 361 300.6 198.2 128.6 104.8 83.1 65 S (cfs-day) 20 58 116 161 199 279.5 466 711.5 846 815 721 648.5 554.5 390.5 238.5 166.5 130.5 97 70.5 82 41 5/14/2020 83 42