Thủy văn công trình - Chương 5 docx

Phần lớn các vật chất từ ngoài, qua dòng chảy va ao hồ, cộng với vật chất hình thành từ chính trong ao hồ đã tạo ra bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy và những chất hoà tan trong ao hồ.. Lượng

CHƯƠNG 5

THỦY VĂN AO HỒ

5.1 NGUỒN GỐC VÀ ĐẶC TÍNH TỔNG QUÁT CỦA AO HỒ

5.1.1 Đặc tính tổng quát của ao hồ

Ao hồ đóng vai trò điều tiết dòng chảy Trong mùa lũø, một phần nước lũ chảy vào và được chứa lại trong ao hồ, làm đỉnh lũ được cắt bớt đi Đến mùa hè, khi nước trong sông khô cạn , thì nước lại từ ao hồ chảy ra sông giúp sông không bị khô kiệt (ví dụ như biển hồ ở Campuchia)

Đặc tính cơ bản của ao hồ là quá trình trao đổi nước chậm, trong đó khối

lượng nước nằm lâu dài trong lòng ao hồ Phần lớn các vật chất từ ngoài, qua dòng chảy va ao hồ, cộng với vật chất hình thành từ chính trong ao hồ đã tạo ra bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy và những chất hoà tan trong ao hồ Những vật chất này, qua quá trình tương tác, lắng đọng xuống tạo nên lòng ao hồ và đặc tính lượng nước trong ao hồ

Ao hồ được hình thành trong quá trình hình thành địa hình của vỏ trái đất, nó quan hệ chặt chẽ với sự dâng lên, hạ xuống của các tầng lớp đất Lượng nước trong hồ phụ thuộc vào quan hệ giữa các thành phần của cân bằng nước, mà đặc tính của cân bằng này quyết định nên yếu tố khí hậu và dòng chảy của hồ

Lượng nước tổng cộng trong hồ của toàn trái đất đạt gần 176 ngàn km3 , trong đó 52% là nước ngọt, 48% là nước khoáng (lợ) Đa số các hồ nằm ở khu vực có độ ẩm cao, cả ở đồng bằng lẫn miền đồi núi

Hệ thống ao hồ-sông ngòi:

Trong mạng lưới thủy văn, có những lưu vực ao hồ nối với nhau qua các sông chảy vào nó hay từ nó chảy đi, hệ thống này tạo thành một hệ thống

ao hồ- sông thống nhất Các chế độ thủy văn của hệ thống này quan hệ và bổ sung cho nhau rất chặt chẽ, trong đó ao hồ đóng vai trò điều tiết dòng chảy trong sông, và sông giữ vai trò cung cấp nước trong ao hồ, độ lớn của hồ, đặc tính địa mạo lòng hồ

Vị trí các hồ trong lưu vực có thể ở thượng lưu, hạ lưu hay bố trí đều trong lưu vực, trong đó, đa số các hồ ảnh hưởng đến sự điều tiết nước trong sông đều được bố trí đều trong lưu vực

Để phục vụ cho nông nghiệp, kinh tế quốc dân, người ta còn tạo ra hệ thống hồ – sông nhân tạo, trong đó các hồ được bố trí theo kiểu bậc thang (đều) Khả năng điều tiết nước của hệ thống này cao hơn hệ thống ao hồ-sông tự nhiên

5.1.2 Nguồn gốc lòng hồ:

Độ lớn và hình dạng lòng hồ được xác định tùy thuộc vào nguồn gốc của chúng, ta phân thành loại các lòng ao hồ sau:

a) Những loại lòng hồ nằm ở các địa hào, khe núi tạo ra các hồ rất lớn và sâu (Kaspia, Lagdoge, Baical, )

b) Loại lòng hồ hình thành ở miệng núi lửa hay giữa các khu vực dung nham, thường ở các khu vực mới xảy ra núi lửa hay đã xảy ra từ lâu (Tây ban Nha, Nhật, Camtraska, Ýù, )

c) Hồ được hình thành từ các tảng băng cực lớn, hình thành dưới hai dạng xói mòn và tích tụ Dạng thứ nhất là những hồ hình thành từ các tảng băng lớn trong những lòng sâu Loại hai hình thành từ giữa những khu vực thấp của các biển

5.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA AO HỒ

Các đặc trưng được xác định trên bề mặt của ao hồ hay trên bản đồ có những đường đồng mức, và nó có ảnh hưởng đến mực nước của hồ

1 Chiều dài L (km): là khoảng cách xa nhất của hai điểm trên đường bờ

hồ

2 Bề rộng B (km):Btb là tỷ số giữa diện tích bề mặt nước yên lặng của hồ f0 và chiều dài hồ L Bmax là bề rộng lớn nhất giữa bờ hồ tính theo

3 Chiều dài đường bờ hồ l (km): là chiều dài đường mớn nước quanh hồ

4 Diện tích bề mặt hồ: f0 :là phần diện tích bề mặt nước yên lặng, và

các diện tích bề mặt nước fi ứng với từng đường đồng mức độ cao

5 Chiều sâu H tb và H max là chiều sâu nước trung bình và lớn nhất trong hồ; Htb được tính bằng tỷ số giữa thể tích nước W trong hồ và diện tích bề mặt nước yên lặng hồ f0

6 Thể tích nước hồ chứa W (km 3 ) được xác định cho toàn thể hồ và xác

định cho từng lớp của hồ (gọi là Wi)

Thể tích Wi ứng với từng lớp độ sâu hi được tính trung bình như sau:

Wi =(1/2)h(fi + fi+1) (5.1) Trong đó h là hiệu số giữa hai đường đồng mức tương ứng hi và hi+1

Dựa vào các giá trị fi và Wi người ta vẽ các đường quan hệ fi=f(hi) và

∑Wi=f(hi), với hi là độ sâu tương ứng với fi và Wi, và ∑Wi là tổng các thể tích nước nằm dưới đường đồng mức độ sâu hi

Hình vẽ các đường được biễu diễn như sau:

5.3 CÂN BẰNG NƯỚC VÀ MỰC NƯỚC TRONG HỒ

5.3.1 Phương trình cân bằng nước

Phương trình cân bằng nước có thể được biễu diễn dưới dạng sau:

f 1

h max

H (m)

f (m 2 )

0

h 1

h 2

h 3

h 4

F 0

f 2

f 3

f 4

A B C D E

F

W 1

h max

H (m)

W (Km 3 )

0

h 1

h 2

h 3

h 4

W 0

W 2

W 3

W 4

A B C D E F

trong đó: ∑X: là tổng lượng nước vào,

∑Y : là tổng lượng nước ra

∑A : tổng lượng nước tồn đọng lại trong hồ

ε : sai số cần hiệu chỉnh

Tham gia vào thành phần X có dòng chảy đến hồ chứa từ nước mặt (sông), nước ngầm, mưa

Tham gia vào thành phần Y có dòng chảy ra từ hồ vào các sông, dòng thấm vào đất, bốc hơi; ngoài ra còn có các hoạt động của con người, như dẫn nước tưới

5.3.2 Trao đổi nước trong hồ với môi trường bên ngoài:

Thời gian cư trú nước trong hồ của những dòng chảy đến là yếu tố quan trọng hình thành nên lượng nước trong hồ Do đó vai trò của sự trao đổi nước với bên ngoài hồ đóng vai trò rất quan trọng, nó có khả năng làm đổi mới bản chất nước trong hồ Người ta dùng chỉ số trao đổi Kn để đặc trưng cho tính chất này:

trong đó : Wđi là lượng nước chảy đi khỏi hồ trong khoảng thời gian T,

Whồ là thể tích nước trung bình trong hồ cũng trong khoảng thời gian đó

5.3.3 Dao động mực nước trong hồ:

Nguyên nhân chính làm cho mực nước trong hồ dao động là sự thay đổi thể tích nước trong hồ Và sự di chuyển nước trong hồ (dòng chảy, nước dâng, sóng ) làm cho nước bề mặt hồ bị nghiên Ngoài ra sự di chuyển mực nước trong hồ còn phụ thuộc vào bản chất điều tiết dòng chảy

Kết quả của những ảnh hưởng trên, đối với một hồ lớn, quan trắc được nhiều mực nước khác nhau ở nhiều khu vực khác nhau trong hồ Mực nước trung bình được tính như sau:

∑ +Δ

=

0 f

f ) H H

i tb

Htb là mực nước trung bình cũ;

ΔHi là chênh lệch mực nước tại trạm đo i

fi là diện tích bề mặt nước hồ tương ứng với trạm đo i

5.3.4 Ảnh hưởng của ao hồ đến chế độ thủy văn của sông ngòi:

Ảnh hưởng của ao hồ đến chế độ thủy văn của sông ngòi liên quan chặt chẽ đến cân bằng nước, cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt độ, cân bằng hoá học củaao hồ, ngoài ra còn liên quan đến sự trao đổi nước và sự chuyển động quán tính của nước ao hồ Sự ảnh hưởng này thể hiện qua chế độ điều tiết các thành phần đặc trưng thuỷ lực của sông, cụ thể là mực nước trong năm, chế độ nước nhiều năm (tương tự cho các thành phần khác như vật chất, ion, , nhiệt, ) chảy từ hồ vào sông và từ sông vào hồ Ngoài ra, giá trị của một số các đặc trưng khác của chế độ cũng thay đổi ( sự gia giảm của thành phần tổn thất do bốc hơi, sự lắng đọng vật chất, )

Vai trò điều tiết sông của ao hồ được htể hiện qua chế độ điều hoà của nước sông theo mùa (mùa lũ hoặc mùa kiệt), và vai trò này càng mạnh khi trong lưu vực càng nhiều hồ

Ảnh hưởng của hồ chứa lên dao động mực nước phụ thuộc vào bản chất sực điều tiết Khi điều tiế theo mùa hay theo nhiều năm, dòng chảy ở hạ lưu công trình được điều tiết tích lũy lại, đặc biệt là với những hồ sắp xếp theo bậc thang, ở hạ lưu công trình vào mùa lũ phần trăm dòng chảy so với dòng chảy cả năm sẽ nhỏ hơn nhiều (có thể giảm từ 50% đến 30%) Gọi Δy là độ giảm lưu lượng dòng chảy (trung bình năm) do điều tiết của

ao hồ, thì :

Δy = y - yhồ = (Ehồ – Eđ)p Trong đó:

y, yhồ : lần lượt là dòng chảy trung bình năm khi chưa có và khi có hồ

Ehồ , Eđ: lần lượt là lượng bốc hơi từ mặt nước hồ và trên đất liền trong lưu vực

p: là phần trăm tổng diện tích ao hồ trên diện tích toàn lưu vực

Hiệu số (Ehồ – Eđ) phụ thuộc vào từng khu vực địa lý, tăng lên ở những vùng có khí hậu lục địa (khô) Ởû những vùng ẩm nơi mà hiệu số này không lớn và tổn thất dòng chảy do ảnh hưởng của mặt hồ không lớn hơn 3-8%, và có thể bỏ qua Trong điều kiện độ ẩm nhỏ, Ehồ lớn hơn Eđ gấp nhiều lần (nước bốc hơi từ hồ rất nhiều), và độ giảm của dòng chảy sẽ tăng lên rất nhiều, và tại đây, vai trò của hồ trong việc điều tiết rất lớn

5.4 NHỮNG VẬT CHẤT LẮNG ĐỌNG TRONG HỒ

5.4.1 Cân bằng vật chất:

Đặc tính cơ bản của ao hồ là trao đổi nước chậm, làm cho các vật chất vào hồ (lơ lửng, bùn cát, chất hoà tan ) tích tụ lại trong lòng hồ Quá trình này thể hiện rõ qua các lớp bồi lắng ở đáy hồ Các lớp bồi này làm cho các đặc trưng của hồ thay đổi , và thay đổi cả bản chất nước trong hồ Các vật chất hình thành nên lớp bồi đáy được đặc trưng bởi các thành phần đặc trưng hình học, thủy lực của mình như đường kính hạt, vận tốc lắng đọng,, khối lượng riêng,

Tham gia vào sự hình thành lớp bồi đáy còn có các sản phẩm bị vỡ ra từ bờ hồ, từ gió, dòng chảy vào đưa các chất thải do hoạt động con người gây ra

Khối lượng vật chất tích tụ trong hồ có thể được tính nhờ giải phương trình cân bằng vật chất của hồ Các thành phần của phương trình cân bằng vật chất xác định được rất khó khăn do không đủ điều kiện xác định chính xác các thành phần của nó Phương trình có dạng:

Rc+Rb+Rp+Rg+Rn = Rh+Rx+Rac±Riz +ΔR Trong đó:

Rc: Vật chất vào từ dòng cơ bản củahồ;

Rb: Vật chất vào từ dòng chảy vào hồ;

Rp: Vật chất vào do bờ hồ bị rửa vỡ;

Rn = do các quá trình phản ứng hoá, vi sinh,

Rh: Vật chất ra ở hạ lưu hồ;

Rx: Vật chất ra từ dòng chảy ra sử dụng cho hoạt động con người;

Rac: Vật chất lắng tụ dưới đáy hồ

Riz :Sự thay đổi vật chất lơ lửng trong hồ trong khoảng thời gian tính toán;

ΔR: Sai số

5.4.2 Sự lắng đầy hồ:

Tốc độ lắng đầy hồ phụ thuộc vào địa hình lòng hồ, dòng vật chất đến hồ, tốc độ lỡ bờ hồ, các đặc trưng hình học, thủy lực của hạt vật chất trong hồ, khả năng chức đựng vật chất của nước trong hồ (nồng độ bão hòa), các đă6c tính động lực học và hình học của hồ

Những hồ lớn, ở những nơi mà dòng chảy tới ít phù sa thì tốc d0ộ lắng đầy nhỏ

Những hồ được nuôi từ dòng chảy trên núi hay khu vực có nhiều vật chất trong dòng chảy tới thì tốc độ lắng đầy rất lớn