quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC XÃ HỘI VÀ NHÂN VĂN PGS-TS HOÀNG HƯNG QUẢN LÝ VÀ SỬ DỤNG HP LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2005 LỜI NÓI ĐẦU Nước - cội nguồn của sự sống, ở đâu có nước thì ở đó có sự sống… điều đó nói lên tầm quan trọng và vai trò của nước đối với môi trường. Nhưng nước trên hành tinh này nhiều hay ít, có đủ để phục vụ cuộc sống loài người và phục vụ sự phát triển vững bền của nhân loại hay không? Tài nguyên nước trên thế giới không phải quốc gia nào cũng đầy đủ như nhau, thậm chí ngay cả trên một quốc gia giàu có về tài nguyên nước, thì sự phân bố theo không gian và thời gian cũng không giống nhau. Nhu cầu thường mâu thuẫn với điều kiện tự nhiên… do đó muốn quản lý và sử dụng tài nguyên nước một cách khoa học hợp lý, đầu tiên cần phải hiểu biết đầy đủ tính chất của dòng chảy và đặc điểm của dòng chảy, trên cơ sở đó mới tìm biện pháp công trình phù hợp, chọn cơ cấu cây trồng vật nuôi phù hợp để khai thác nguồn tài nguyên đó… Tập giáo trình “Quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên nước”nhằm giới thiệu cho bạn đọc những khái niệm cơ bản:  Về sự phân bổ tài nguyên nước trên thế giới cũng như ở VN  Về tính chất dòng chảy, về tiềm năng dòng chảy…  Nguyên nhân dẫn đến cạn kiệt tài nguyên nước  Những biện pháp nhằm quản lý và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước… Vấn đề tương đối phức tạp. Tuy người viết đã hết sức cố gắng nhưng sai sót là điều không thể nào tránh khỏi, nên rất mong được sự đóng góp nhiệt tình của bạn đọc xa gần. Tác giả Dòng chảy và tính chất của dòng chảy 5 Chương I DÒNG CHẢY VÀ TÍNH CHẤT CỦA DÒNG CHẢY I. CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM 1. Đònh nghóa: Chuẩn dòng chảy năm hay chuẩn dòng chảy là trò số dòng chảy năm trung bình trong nhiều năm với các điều kiện cảnh quan đòa lý không thay đổi, cùng thuộc thời kỳ đòa chất và cùng mức độ khai thác tài nguyên nước trên dòng sông. 2. Ý nghóa nghiên cứu: Chuẩn dòng chảy là đặc trưng cơ bản của nguồn nước được sử dụng để thiết kế các công trình có liên quan đến tài nguyên nước, đồng thời cũng từ đó mà tìm hiểu mối liên quan giữa chúng và các nhân tố khí hậu. Bởi vì dòng chảy là sản phẩm của khí hậu. 3. Các đặc trưng biểu thò chuẩn dòng chảy năm • Lưu lượng bình quân nhiều năm Q o (m 3 /giây) Q = V. F (lưu lượng tức thời) (1.1) RICIR n V == 2132 1 // Ở đây : V: tốc độ dòng chảy (m/s) n: hệ số gồ ghề R: bán kính thủy lực (m) I: độ dốc mặt nước (% oo ) C: hệ số Chezi F: diện tích mặt cắt ngang (m 2 ) Tổng lượng dòng chảy trung bình nhiều năm W o : W o = Q o × 31,536 × 10 6 (m 3 ) (1.2) Ở đây 31,536 × 10 6 là số giây của một năm • Modun dòng chảy trung bình nhiều năm M o Chương I 6       × = × 2 / 10 3 kmgiây lít o o F Q M (1.3) (Vì đổi từ m 3 ra lít nên nhân 10 3 ) F – diện tích lưu vực (km 2 ) • Độ sâu dòng chảy trung bình nhiều năm Y 0         × == ) 2 ( 31536 kmF o Q F o W o Y (mm) (1.4) (Vì đổi ra mm nên không còn 10 6 ở tử số) • Hệ số dòng chảy α và ý nghóa của việc nghiên cứu o X o Y = α (1.5) Hệ số dòng chảy : + phản ánh mối quan hệ giữa mưa và tổn thất + phản ánh tài nguyên nước trên các vùng của lưu vực Ở Việt Nam qua nhiều nghiên cứu thấy rằng hệ số α ≈ 0,50 (toàn quốc) 4. Phương trình cân bằng dòng chảy Y = X – Z W ∆ ± (1.6) Đối với lưu vực kín trong thời gian dài thì: Y= X- Z (1.7) Theo Sraybe:         −= − LX R eXZ 1 (1.8) Ở đây: Y: dòng chảy bình quân nhiều năm (mm) X: lượng mưa bình quân nhiều năm (mm) Z: lượng bốc hơi bình quân nhiều năm (mm) R: cán cân bức xạ Kcalo/cm 2 × năm L: tiềm nhiệt bốc hơi ∆W: lượng dòng chảy ngầm trao đổi hoặc hệ số điền đầy Theo M.I. Bưkô, nếu đặt:       = L R o Z Gọi Z o là khả năng bốc hơi lớn nhất. Ở Việt Nam Z 0 ≅ 1400mm, thì Z sẽ là: Dòng chảy và tính chất của dòng chảy 7         −= − X Z eXZ 0 1 (1.9) Thay (1.9) vào (1.7) ta sẽ có:           −−= − X Z o eXXY 1 (1.10) X Z o Xe Y − = (1.11) Ghi chú: Ở Việt Nam nói chung lượng bốc hơi lớn hơn dòng chảy 8% nhưng so với mưa thì nó chỉ xấp xỉ 1/2 lượng mưa năm mà thôi. Về bức xạ mặt trời: Việt Nam tuy cách mặt trời 150 triệu km nhưng hàng năm vẫn nhận được một lượng bức xạ rất đáng kể, ước tính 15 tỷ Kcalo/ ha / năm. Nếu 1 gam vật chất cần 4,25 Kcalo thì trên 1 ha hàng năm sẽ cho ta một khối lượng vật chất (cây, cành, lá, quả…) 3500 tấn/ha. Có điều hiệu quả bức xạ chỉ đạt 1% hay 0,5%, do đó trên 1ha trong 1 năm chúng ta chỉ nhận được 35 tấn hoặc 17,5 tấn vật chất mà thôi. II. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỂ HIỆN CHU KỲ MƯA NĂM VÀ DÒNG CHẢY NĂM 1. Khái niệm: Chúng ta biết rằng: dòng chảy là sản phẩm của khí hậu (Y = X - Z). Mà biến động lại là thuộc tính của khí hậu - cũng có nghóa tuy trên cùng một lãnh thổ nhưng khí hậu không nơi nào giống nơi nào. Thậm chí ngay cả trên một đòa phương nhỏ hẹp đi nữa thì thời tiết từng mùa cũng khác nhau - năm này cũng khác năm kia, mùa này khác mùa kia… Chính vì lẽ đó mà dòng chảy từng mùa, từng năm cũng không hoàn toàn giống nhau… Khả năng cung cấp nước của một dòng sông hay, nói một cách khác, là tài nguyên nước của dòng sông được biểu thò bởi dòng chảy trung bình nhiều năm của nó hay còn gọi là dòng chảy chuẩn của dòng sông. 2. Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu sự thay đổi dòng chảy năm theo thời gian để làm cơ sở: - Cho việc thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện Chương I 8 - Cho việc cấp nước cho sinh hoạt, cho công nghiệp - Cho việc quản lý vận hành, khai thác hợp lý các công trình 3. Các phương pháp thể hiện chu kỳ mưa năm và dòng chảy năm A. Vẽ đường quá trình Đây là phương pháp đơn giản nhất để thể hiện chu kỳ mưa năm hoặc dòng chảy năm. Ví dụ: Đường quá trình mưa X = f(t) hoặc dòng chảy năm Y = f(t) B. Phương pháp trung bình trượt Phương pháp đường quá trình có nhược điểm là các chu kỳ nhỏ sẽ làm mờ các chu kỳ lớn từ đó gây khó khăn cho việc xác đònh chu kỳ lặp lại của dòng chảy hoặc mưa. Người ta đưa ra phương pháp trung bình trượt thay cho đường quá trình. Biểu đồ trung bình trượt có tác dụng san bằng đường quá trình. Ví dụ: Tại một nơi nào đó có chuỗi tài liệu là n năm Vậy đường quá trình sẽ là Q i ~T i với i =1.2… n Đường trung bình trượt là: Y i ~ t i với i =1.2… n Ở đây: a n Q Q Q Y 121 + + + = a là chu kỳ trượt thường chọn a = 4, a = 5…. C. Đường cong lũy tích chuẩn sai Biểu đồ trung bình trượt có tác dụng san bằng đường quá trình nhưng việc xác đònh chu kỳ lặp lại cũng còn khó khăn do đó người ta thường dùng đường cong lũy tích chuẩn sai. n t n i i k ~)( ∑ − − 1 1 Với n =1, 2… n, thường n ≥ 30, Trong đó o Q i Q i K = Hình 1.2 Hình 1.1 Dòng chảy và tính chất của dòng chảy 9 Để tiện so sánh chu kỳ lặp lại của các trạm đo khác nhau trên cùng lưu vực - người ta phải loại bỏ tính đòa phương của các trạm. Tính đòa phương thường thể hiện qua hệ số sai biến C v . Do đó để thay cho đường lũy tích chuẩn sai người ta thường dùng đường cong có dạng: ( ) n V n i i t C K ~ 1 1 ∑ = − với n =1, 2 n-1 Ứng với thời kỳ mà đường cong có độ dốc nghiêng lên trên so với đường nằm ngang và giá trò của đại lượng K i-1 > 0 là đường của chu kỳ pha nhiều nước. Ngược lại là đường của pha ít nước. Hệ số sai biến C V còn gọi là hệ số phân tán ( ) n N i Ki V C ∑ = − = 1 2 1 n > 30 (1.12) ( ) 1 2 1 − − = ∑ n Ki V C n < 30 (1.13) Hệ số thiên lệch C S ( ) 3 1 3 1 V n S nC Ki C ∑ − = (n > 30) (1.14) ( ) 3 1 3 )3( 1 V n S Cn Ki C − − = ∑ (n < 30) (1.15) Hệ số tương quan γ là hệ số biểu thò mức độ quan hệ giữa 2 đại lượng – ví dụ giữa lượng mua (X) và độ sâu dòng chảy (Y), hoặc mức độ quan hệ của một đại lượng nào đó ở hai đòa điểm khác nhau. Ví dụ lượng mưa (X) giữa hai điểm A và B. ∑ ∑ −− −− = 22 )()( ))(( yyxx yyxx ii ii γ (1.16) Phương trình hồi quy: Chương I 10 )( XXYY x y −=− σ σ γ (1.17) Ở đây sai số bình phương trung bình tương đối là y σ , x σ 2 )( n yy i y ∑ − = σ (1.18) 2 )( n xx i x ∑ − = σ (1.19) Trong tính toán thủy văn, thủy năng, các công thức trên là cần thiết và được sử dụng rất nhiều do đó chúng ta cần nắm rõ ý nghóa cũng như cách sử dụng chúng. Các hình vẽ dưới đây dùng để minh họa sự ảnh hưởng của các giá trò trung bình mẫu X , các hệ số vs C ; C đến đường tần suất và đường phân phối xác suất của mẫu. Hình 1.3. Sự ảnh hưởng của các giá trò X ; v C s C ; đến các đường tần suất III. TÍNH TOÁN LŨ THIẾT KẾ Nước lũ thiết kế có tác dụng quyết đònh: - Quy mô công trình - Kích thước các cầu, cống, đập tràn … Dòng chảy và tính chất của dòng chảy 11 - Cao trình đê, đập ngăn nước - Chế độ làm việc các công trình - Mức độ an toàn cũng như đánh giá chất lượng công trình Vì vậy trong thực tiễn việc tính toán nước lũ thiết kế có ý nghóa vô cùng quan trọng đối với hầu hết các công trình thủy lợi thủy điện cũng như giao thông … 1. Tần suất thiết kế Tiêu chuẩn dùng để đònh ra xác suất phục vụ cho việc thiết kế công trình gọi là tiêu chuẩn thiết kế. Tiêu chuẩn thiết kế của nước lũ quyết đònh trên cơ sở sự phối hợp có lợi nhất giữa: - Giá thành của công trình - Mức độ bảo đảm an toàn công trình - Tất cả các công trình thi công dựa theo vốn đầu tư và tầm quan trọng mà chia ra nhiều cấp khác nhau, tần suất thiết kế được quy đònh theo cấp đó. QPVN - 08-76 Cấp công trình I II III IV V Ghi chú Tần suất lưu lượng lớn nhất tính toán % Công trình 0,1% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% Công trình lấp dòng 5% 5% 10% 10% 10% Trong trường hợp cụ thể có thể lấy tăng lên nhưng phải được cấp có thẩm quyền phê duyệt Công trình tạm thời 10% 10% 10% 10% 10% Nếu có luận chứng chắc chắn có thể lấy 5% Tiêu chuẩn thiết kế đối với nước lũ lại chia làm hai loại:  Tiêu chuẩn thiết kế chống lũ (đảm bảo chắc chắn an toàn cho công trình khi có cơn lũ dự kiến)  Tiêu chuẩn cho thiết kế phòng lũ (đảm bảo an toàn cho vùng hạ lưu công trình) Nếu đồng thời có cả hai nhiệm vụ phòng lũ và chống lũ thì tiêu chuẩn chống [...]... này thật phù hợp với các quá trình dòng chảy và quá trình thủy văn, nhưng nó lại được sử dụng rộng rãi khi đánh giá sai số hoặc sử dụng trong các phép biến đổi trung gian Phân bố Normal có hai thông số là x và độ lệch chuẩn σ (đối với mẫu), thường người ta hay sử dụng phép biến đổi đơn giản để đưa phân bố này về dạng hàm phân bố tương đương với một thông số bằng cách đặt: ( ) Z = x − x / σ và suy ra dx... thông số) khi tra sử dụng bảng với CS = 2 CV; CV = 0,14 (phải nội suy giữa CV = 0,1 và 0,2) Cột 8: là giá trò lưu lượng tính toán theo công thức xp = xKp Trong đó Xtb = 1550m3/s Hình 1.6 Đường tần suất kinh nghiệm và lý luận 5 Tương quan và bổ sung tài liệu Khái niệm về tương quan: Chúng ta đã nghiên cứu phương pháp hàm số hóa, thông qua quan hệ hàm số lý thuyết để kéo dài và bổ sung tài liệu dòng chảy... c) Nước vật Q d) Lũ lên xuống Hình 3.6 Dạng đường quan hệ mực nước và lưu lượng Dưới đây ta lần lượt xem xét các trường hợp quan hệ mực nước và lưu lượng trong sông ngòi như sau: 34 Chương II 1 Quan hệ ổn đònh (hình 3.6.a ) Trường hợp này ta có thể nói: ứng với một mực nước chỉ cho ta một giá trò lưu lượng nhất đònh (hoặc nhiều giá trò lưu lượng nhưng ở trong sai số cho phép) 2 Quan hệ mực nước và. .. Kritxki và Menken hay còn gọi là đường Gama 3 thông số Từ quy luật phân phối xác suất, muốn xây dựng đường tần suất đã lập sẵn bảng tra Nếu biết tần suất P%, CS , CV và tỷ số giữa CS và CV sẽ tra được giá trò Kp tương ứng (Bảng tra được in trong Phụ lục 2) Sau đó xp được tính theo công thức: xp= x Kp Thí dụ 1: Do liệt tài liệu chưa đủ dài, hãy áp dụng công thức và đường tần suất lý luận Kritxki và Menken... suất thiết kế nước lũ n: số năm sử dụng công trình (luôn > 1,0) V: tần suất phá hoại của công trình Chú ý: Khi 1 – P < 1,0 Vậy khi một số nhỏ hơn 1,0 mà số lũy thừa càng lớn (tức n càng lớn) thì kết quả càng nhỏ Từ đó tần suất phá hoại V càng lớn Từ công thức trên đây ta thấy rằng: Khi tần suất thiết kế không đổi thì tần suất đảm bảo công trình phụ thuộc vào số năm sử dụng (số năm sử dụng càng dài... lên cao nhất - điều ấy có nghóa là nước chảy xiết nhất không phải lúc đó mà đã xảy ra trước đó rồi! III CÁC DẠNG QUAN HỆ MỰC NƯỚC (H) VÀ LƯU LƯNG (Q) Chúng ta biết rằng lưu lượng là tích số giữa tốc độ và diện tích Trên những dòng sông thiên nhiên ở miền núi, ít phát sinh bồi lắng và xói lở Thông thường, quan hệ mực nước và lưu lượng là quan hệ đồng biến, có nghóa mực nước tăng sẽ dẫn đến sự gia tăng... của một tần suất nào đó trong thời hạn sử dụng công trình 3 Tần suất phá hoại Đảm bảo an toàn cho công trình và công trình bò phá hoại là hai biến cố đối lập nhau Do đó ta có quan hệ giữa tần suất bảo đảm và tần suất phá hoại như sau: V=1–S (1.20) Ở đây: S: tần suất bảo đảm của công trình trong thời kỳ sử dụng V: tần suất phá hoại của công trình trong thời kỳ sử dụng ** Xuất phát từ giả thiết sự xuất... 2 Nguyên nhân hình thành chảy rối Cách giải thích được nhiều nhà khoa học thừa nhận đó là: dòng chảy rối sinh ra do sự tiếp xúc giữa thể nước và thể rắn Trên bề mặt phân giới giữa thể nước và thể rắn sinh ra một lực ứng tiếp rất lớn Do lực hút giữa các phân tử thể rắn làm cho các phần tử nước trên bề mặt thể rắn chuyển động rất chậm hình thành trạng thái chảy tầng Độ dày của chảy tầng phụ thuộc vào... làm thế nào có thể bổ sung tài liệu một cách đáng tin cậy Công cụ hữu hiệu để xử lý vấn đề này là xây dựng các “đường tần suất lý luận” Trong thủy văn, tần suất lý luận và dòng chảy có liên hệ mang tính chất hàm số thông qua đường tần suất lý luận Còn đường tần suất kinh nghiệm của mẫu quan trắc thường được tính theo hai công thức: Công thức số giữa Công thức này được áp dụng cho tính toán dòng chảy... TÀI LIỆU Nếu liệt tài liệu về dòng chảy khá dài và đầy đủ, thông qua các đặc trưng thủy văn chúng ta có thể biểu diễn quá trình dòng chảy bằng đường lưu lượng theo thời gian Q = f(t), đường lũy tích lượng nước đến W = f(t) hoặc dưới dạng xác suất thì là đường phân phối xác suất hoặc đường tần suất Nhưng khi gặp vấn đề trong thu thập tài liệu như: ít tài liệu, thiếu tài liệu hoặc tài liệu không liên . để khai thác nguồn tài nguyên đó… Tập giáo trình Quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên nước nhằm giới thiệu cho bạn đọc những khái niệm cơ bản:  Về sự phân bổ tài nguyên nước trên thế giới. dòng chảy, về tiềm năng dòng chảy…  Nguyên nhân dẫn đến cạn kiệt tài nguyên nước  Những biện pháp nhằm quản lý và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước Vấn đề tương đối phức tạp. Tuy người. nguyên nước, thì sự phân bố theo không gian và thời gian cũng không giống nhau. Nhu cầu thường mâu thuẫn với điều kiện tự nhiên… do đó muốn quản lý và sử dụng tài nguyên nước một cách khoa học hợp