BÀI GIẢNG TÍNH TOÁN THỦY văn

Bài giảng Tính toán thuỷ văn Lời nói đầu Bài giảng Tính toán thuỷ văn biên soạn để sử dụng giảng dạy cho sinh viên Cao đẳng chuyên ngành Thuỷ văn trờng Cao đẳng Tài nguyên Môi trờng Hà Nội Nội dung giảng đợc viết theo chơng trình chi tiết môn học chuyên gia Việt Nam chuyên gia Hà Lan xây dựng khuôn khổ dự án hợp tác Hà Lan Việt Nam (Poject NPT/VNM/007) Đặc biệt, giảng đợc kế thừa kho tàng kiến thức thuỷ văn tác giả Việt Nam nớc Bài giảng nhận đợc nhiều ý kiến đóng góp quý báu chuyên gia thuỷ văn Việt Nam trờng Đại học Thuỷ lợi Hà Nội Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn tác giả danh mục tham khảo trang 153 giảng không quên cám ơn phủ Hà Lan tải trợ để giảng đợc hoàn thành Trong trình biên soạn khó tránh khỏi thiếu xót, biết ơn quý độc giả đóng góp ý kiến cho việc biên soạn giảng môn học sau hoàn thiện Nhóm tác giả Bài giảng Tính toán thuỷ văn Chơng I Mở đầu 1.1 Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu môn học ánh sáng, không khí, đất nớc yếu tố cho tồn sinh vật sống trái đất Trong đó, nớc nguồn tài nguyên thiên nhiên vô quý giá, làm cho hành tinh khác với hành tinh khác vũ trụ mặt trời Nớc tham gia vào trình tự nhiên trái đất Sự hình thành, trình vận động nớc trái đất có mối quan hệ mật thiết qua lại với môi trờng sinh thái trái đất theo chu trình thuỷ văn đợc ngành Thuỷ văn học nghiên cứu cách toàn diện Đây ngành lớn hệ thống ngành khoa học trái đất Có nhiều định nghĩa khác Thuỷ văn học, theo UNESCO (1979): Thuỷ văn khoa học vật lý, nghiên cứu hình thành, vận động phân bố nớc trái đất nh đặc tính vật lý, hoá học tác động nớc đến môi trờng, kể mối quan hệ nớc với hoạt động ngời Chính lẽ trên, Thuỷ văn ngành khoa học ứng dụng, chất hoạt động mang tính liên ngành, liên quốc gia Trong trình phát triển, thuỷ văn học đợc phân thành hai phận lớn: Thuỷ văn lục địa thuỷ văn biển Theo đối tợng nghiên cứu thuỷ văn lục địa đợc phân thành: Thuỷ văn sông ngòi, thuỷ văn ao hồ đầm lầy, thuỷ văn băng hà, thuỷ văn nớc ngầm Theo nghiệp vụ công tác thuỷ văn lục địa đợc phân thành môn: Đo đạc thuỷ văn, địa lý thuỷ văn, điều tra thuỷ văn, dự báo thuỷ văn, phân tích tính toán thuỷ văn, Phân tích tính toán thuỷ văn môn học chuyên môn, nghiên cứu hình thành diễn biến dòng chảy lu vực sông suối, ao hồ đầm lầy nh nớc đất, sinh vật khí Qui luật biến đổi theo thời gian không gian dòng chảy đợc xét mối quan hệ qua lại với môi trờng tự nhiên hoạt động ngời Ngoài ra, môn học tính toán cân nớc cho lu vực khu vực, tính đặc trng dòng chảy phục vụ cho việc thiết kế công trình thuỷ công, quy hoạch quản lý tài nguyên nớc Để nâng cao kết tính toán thuỷ văn cần thiết phải tiến hành phân tích tợng thuỷ văn yếu tố có liên quan, lựa chọn số liệu, phát triển mô hình tính toán tần suất xuất đặc trng thuỷ văn Bài giảng tính toán thuỷ văn sử dụng cho sinh viên Cao đẳng Thuỷ văn bao gồm nội dung sau: Nghiên cứu tính toán chuẩn dòng chảy năm Sự biến đổi dòng chảy năm theo thời gian không gian Nghiên cứu tính toán dòng chảy nhỏ Nghiên cứu tính toán dòng chảy lớn Tính toán cân nớc cho lu vực Tính toán dòng chảy vùng sông ảnh hởng triều Để hiểu đợc nội dung sinh viên phải đợc trang bị trớc kiến thức bản: Toán học, vật lý, hoá học, địa lý tự nhiên,; số kiến thức sở: Thuỷ lực, Bài giảng Tính toán thuỷ văn khí tợng đại cơng, thuỷ văn đại cơng, địa lý thuỷ văn, môi trờng, thống kê thuỷ văn, ; số môn chuyên ngành khác nh: Đo đạc thuỷ văn, Chỉnh biên thuỷ văn, Dự báo thuỷ văn, Đặc biệt trình tính toán tài liệu thực đo cần sử dụng thêm tài liệu điều tra, khảo sát thuỷ văn tài liệu có liên quan để phân tích, chọn phơng pháp tính kết phù hợp 1.2 Lịch sử phát triển môn học Nớc giữ vai trò quan trọng sống loài ngời Từ xa xa ngời cố gắng kiểm soát nớc Vết tích công trình phòng lụt, giữ nớc (đê, đập ), công trình dẫn nớc (nh kênh, cống ), La Mã, Ai Cập, Hy Lạp, Trung Quốc, ấn Độ đợc xây dựng từ nhiều kỷ trớc công nguyên, giếng đào cấp nớc (1700 B.C Joseph gần Cairô), máy đo nớc sông Nile (3000 B.C) chứng tỏ xa xa ngời giải toán thuỷ văn Cũng nh bao ngành khoa học khác, khoa học thuỷ văn trải qua nhiều giai đoạn phát triển Ban đầu thuỷ văn giống nh khoa học quan trắc ma mực nớc, với thời gian phát triển xã hội loài ngời, thuỷ văn có phát triển đáng quan tâm thời kỳ: Sự đo lợng ma rào ấn Độ vào kỷ thứ t trớc công nguyên Lý giải chu kỳ thuỷ văn đợc viết sách năm 239 trớc công nguyên Trung Quốc Plato (427-348 B.C) mô tả mối liên quan phá rừng với yếu tố chu trình thuỷ văn Khái niệm Alecxandơ quan trắc lu lợng kỷ Khoảng từ năm 64 đến 150 (sau công nguyên) hoàng đế La Mã Nêrô nêu nguyên lý tính toán lu lợng tích số tốc độ diện tích mặt cắt ngang (Q = V.F) Lý thuyết tuần hoàn cân nớc sở lý luận tính toán thuỷ văn đợc nhà khoa học ngời La Mã Marcux Vitriviux nêu hàng trăm năm trớc công nguyên, đợc số nhà khoa học tiếng ngời ý Lêona đờvinxi B.Palixi ngời Pháp hoàn chỉnh vào kỷ XV XVI Cũng giai đoạn Lêona đờvinxi tiến hành đo đạc dòng chảy phao Sự thừa nhận nguyên lý liên tục dòng chảy kỷ XVII Những nghiên cứu thực nghiệm Perrault kỷ XVII chứng minh ma nguồn cung cấp dòng chảy sông Năm 1663 Wren xây dựng trạm tự ghi mực nớc Thế kỷ XVIII, XIX nhu cầu xây dựng công trình giao thông thuỷ lợi mà tính toán thuỷ văn đợc ý phát triển mạnh mẽ nớc công nghiệp hoá Một loạt công trình nghiên cứu thuỷ văn có kết đợc đa nh: Công trình nghiên cứu quan hệ ma dòng chảy lu vực sông Xen Bengrangơ (Pháp), kết nghiên cứu chế độ thuỷ văn sông Tibrơ Montarini (ý), nghiên cứu diễn biến lu lợng dòng chảy nhân tố ảnh hởng Humphrây Abôt (Mỹ), Penk (áo) sử dụng phơng trình cân nớc để nghiên cứu dòng chảy sông Đanup, đặc biệt thời kỳ nhà khoa học thuỷ văn nhận thấy dòng chảy sản phẩm khí hậu Bài giảng Tính toán thuỷ văn Đầu kỷ XX loạt công thức kinh nghiệm để tính toán dòng chảy đời đợc sử dụng rộng rãi nh: Công thức Penk, Sraibơ, Kenlơ tính toán cho vùng Trung Âu, công thức N.Đôngốp, I.Langơ, Đ.Kasêrin tính cho sông nớc Nga, đồ đẳng trị dòng chảy lãnh thổ Hoa kỳ đợc Niuel xây dựng công bố, N.Đôngôp công bố kết nghiên cứu hình thành lũ từ ma rào Trong năm 1930 1960 nhà thuỷ văn học nớc châu Âu, Hoa Kỳ, ấn độ, Nhật Bản xây dựng thành công hệ thống sở lý luận tính toán thuỷ văn, tác giả đa số phơng pháp tính toán đặc trng dòng chảy phục vụ cho việc qui hoạch nguồn nớc thiết kế công trình Một loạt sách chuyên môn thuỷ văn tác giả tiếng nhiều nớc xuất Những năm gần với phát triển mạnh mẽ nhiều ngành khoa học nh toán, lý, hoá , sinh công nghệ kỹ thuật ngày đại giúp ngành thuỷ văn nói chung, môn tính toán thuỷ văn nói riêng ngày hoàn thiện, nhiều mô hình vật lý, toán, thuỷ lực đời phần đáp ứng đợc việc qui hoạch, quản lý khai thác tài nguyên nớc cách hợp lý, có hiệu môi trờng sinh thái bền vững Việt nam, thuỷ văn có lịch sử phát triển lâu Từ xa xa ông cha ta ý quan sát tợng tự nhiên, thu thập số kiến thức thuỷ văn để ứng dụng sản xuất Ba ngàn năm trớc, từ thời Lã Vọng, vùng Duyên hải có ca nớc, cha đợc xác tỷ mỉ nhng có tác dụng sản xuất cha có lịch thuỷ triều Nhiều câu ca dao, tục ngữ, vè ông cha ta sáng tác nói tợng thời tiết, nớc Khoảng hai ngàn năm trớc thời Giao Chỉ ông cha ta biết lợi dụng thuỷ triều để lấy nớc tới ruộng Năm 43 (trớc công nguyên) nhân dân ta đắp đê sông Hồng để phòng lũ bảo vệ đồng châu thổ sông Hồng Dới triều Tự Đức, Nguyễn Công Trứ lợi dụng nớc triều lên xuống để động viên nhân dân đào vét kênh mơng, quai đê lấn biển biến bãi biển hoang vu Phát Diệm thành đồng ruộng phì nhiêu Trong lĩnh vực quân sự, ông cha ta biết lợi dụng thuỷ triều để bày mu đánh giặc tạo nên chiến thắng Bạch Đằng vang dội năm 938 Cuối kỷ XIX, đầu kỷ XX ngời Pháp đặt số trạm thuỷ văn sông Hồng, sông Đà, sông Lô, sông Đuống, sông Luộc nhiên số trạm tha, quy phạm đo đạc không rõ ràng nên số liệu có độ xác không cao Đồng thời Pháp cho xây dựng số công trình giao thông, thuỷ lợi sở số toán thuỷ văn Thực tế sau hoà bình lập lại (sau 1954) tính toán thuỷ văn Việt nam thực bắt đầu Tuy đất nớc đợc độc lập, công khôi phục kinh tế bớc đầu xây dựng sở vật chất cho chủ nghĩa xã hội gặp nhiều khó khăn nh ng Đảng nhà nớc ta nhận thấy nớc ta nớc nông nghiệp lạc hậu, công trình thuỷ lợi hầu nh cha có, nớc tập trung giải hàng loạt vấn đề quan trọng tính toán thuỷ văn, thuỷ lợi đợc đặt lên hàng đầu với hai nhiệm vụ chống lũ lụt hạn hán Trong nghị Bộ trị Trung ơng Đảng tháng 12 năm 1958 nêu rõ: Việc trị thuỷ dòng sông lớn nhiệm vụ quan trọng ngành Thuỷ lợi Chúng ta phát triển bớc, tiến tới trị thuỷ tận gốc khai thác sông lớn nh sông Hồng, sông Thái bình, sông Mã, sông Cả, sông Gianh Trớc hết phải tập trung lực lợng nghiên cứu trị thuỷ sông Hồng nạn lũ sông Hồng uy hiếp nghiêm trọng vùng đồng Bắc rộng lớn phì nhiêu Để thực nhiệm vụ quan trọng nêu ta bắt đầu khôi phục lại trạm đo đạc cũ sông Hồng tiến hành quy hoạch lới trạm sông miền Bắc uỷ ban trị thuỷ khai thác sông Hồng đợc thành lập nhằm nghiên cứu toàn diện Bài giảng Tính toán thuỷ văn sông Hồng Chúng ta tiến hành điều tra đánh giá tổng lợng sông miền Bắc, dự kiến biện pháp khai thác Năm 1960 Cục Thuỷ văn đợc thành lập với nhiệm vụ tổ chức quản lý toàn công tác đo đạc, thu thập tài liệu thuỷ văn Đồng thời việc giải qui hoạch sử dụng tài nguyên nớc sông Hồng, sông Thái Bình số sông lớn miền Trung, tiến hành thiết kế, xây dựng số hồ chứa nớc nhà máy thuỷ điện Các nhà thuỷ văn học Việt nam trung tâm nghiên cứu, trờng đại học đa phơng pháp, công thức tính toán thuỷ văn phù hợp với tình hình dòng chảy nớc ta Nhiều công trình nghiên cứu, nhiều giáo trình thuỷ văn công trình, tính toán thuỷ văn đợc biên soạn đa vào sử dụng miền Nam, trớc năm 1975 có 41 trạm thuỷ văn triền sông, chủ yếu hệ thống sông Đồng Nai sông vùng ven biển miền Trung Ngoài tính toán dòng chảy từ ma theo mô hình SSARR 30 vị trí sông Tuy nhiên, chất lợng số liệu quan trắc tính toán dòng chảy có độ xác không cao Mặt khác, thời gian tài liệu đo đạc thuỷ văn số trạm không liên tục, việc đo đạc tính toán thuỷ văn chủ yếu phục vụ cho mục đích chiến tranh mà Khi miền Nam hoàn toàn giải phóng nhà nớc tập trung đo đạc, khảo sát, nghiên cứu dòng chảy sông miền Nam Trung Bộ, Tây nguyên, sông đồng sông Cửu Long Mạng lới đo đạc thuỷ văn đợc thành lập Nhiều báo cáo khoa học, đề tài nghiên cứu nhiều công trình thuỷ lợi đợc xây dựng, phục vụ cho công tái thiết đất nớc, phát triển kinh tế xã hội, bảo vệ an ninh quốc phòng Năm 1987, theo quy hoạch lới trạm thuỷ văn Tổng cục Khí tợng Thuỷ văn (cũ) toàn lãnh thổ Việt nam có 252 trạm thuỷ văn, có 32 trạm thuỷ văn hạng 1, 58 trạm thuỷ văn hạng 162 trạm thuỷ văn hạng Do nhiều nguyên nhân khách quan chủ quan số trạm thuỷ văn sông suối nhỏ miền Bắc ngừng hoạt động, đến 232 trạm thuộc mạng lới trạm thuỷ văn 1.3 Các phơng pháp nghiên cứu môn học Hiện tợng thuỷ văn kết tổng hợp nhiều nhân tố tự nhiên khác Dòng chảy sinh mặt đất phụ thuộc vào ma, địa hình, địa chất, thổ nhỡng, thảm phủ thực vật, đặc tính thuỷ lực lu vực, Đặc điểm tợng thuỷ văn : Có nguyên nhân hình thành vật lí rõ rệt : Sự hình thành dới mặt đất, tồn tại, phân bố theo không gian diễn biến theo thời gian tợng thuỷ văn xảy dới tác dụng nhân tố vật lí (theo quy luật vật lí, học, hoá học) Mang tính chất địa lí: tợng thuỷ văn kết tổng hợp tơng tác nhân tố địa lí nh: khí hậu, địa hình, thảm phủ thực vật Sự phân phối dòng chảy theo không gian mang tính chất địa đới, khu vực Mang tính ngẫu nhiên (không lặp lại y nguyên lợng phân phối) Hiện tợng thuỷ văn sản phẩm nhân tố ngẫu nhiên (nh nhân tố khí hậu ) tổ hợp tính đa nguyên nhân tợng thuỷ văn tạo nên tính ngẫu nhiên chúng Các giá trị định lợng, phân phối theo thời gian không gian tợng thuỷ văn xuất nh biến ngẫu nhiên Những đặc điểm tợng thuỷ văn sở phơng pháp nghiên cứu môn học 1.3.1 Phơng pháp phân tích nguyên nhân hình thành Bài giảng Tính toán thuỷ văn Dùng kiến thức vật lý, hoá học, nguyên lý bảo toàn vật chất, lợng để nghiên cứu tợng thuỷ văn Hiện tợng thuỷ văn kết tác động tổng hợp, ảnh hởng qua lại nhiều nhân tố phân tích vật lý đơn thờng khó mang lại kết xác, thờng kết hợp nhiều phơng pháp nghiên cứu khác 1.3.2 Phơng pháp tổng hợp địa lý Nội dung phơng pháp nghiên cứu quan hệ đặc trng thuỷ văn với điều kiện cảnh quan địa lý lu vực Trên sở coi tợng thuỷ văn tợng địa lý tự nhiên, mang đặc điểm địa đới khu vực, ta phân vùng, nội ngoại suy, sử dụng tính chất tơng tự địa lý để nghiên cứu Nghiên cứu tợng thuỷ văn theo hớng phơng pháp : 1.3.2.1 Phơng pháp tham số tổng hợp Coi đại lợng thuỷ văn hàm nhiều nhân tố địa lý, nhân tố địa lý chủ yếu đóng vai trò làm biến, nhân tố thứ yếu đợc tập hợp dới dạng tham số tổng hợp (ổn định cho khu vực địa lí) Phơng pháp dẫn đến việc thiết lập công thức kinh nghiệm 1.3.2.2 Phơng pháp nội suy địa lý Coi tợng thuỷ văn thay đổi tuyến tính liên tục khu vực địa lý có điều kiện đồng hay biến thiên liên tục Phơng pháp dẫn đến việc phân khu, phân vùng thuỷ văn, xây dựng đồ đẳng trị dòng chảy 1.3.2.3 Phơng pháp tơng tự thuỷ văn Coi tơng tự điều kiện hình thành tợng thuỷ văn (khí hậu, diện tích lu vực, địa hình, địa chất thổ nhỡng, mức độ khai thác nớc, ) dẫn đến tơng tự tợng thuỷ văn Phơng pháp giúp ta suy đoán dòng chảy cho lu vực Độ xác kết tính phụ thuộc vào mức độ tơng tự điều kiện hình thành dòng chảy hai lu vực 1.3.3 Phơng pháp thống kê thuỷ văn Coi đặc trng thuỷ văn biến ngẫu nhiên từ áp dụng phơng pháp xác suất thống kê để tìm qui luật tợng Phơng pháp xác định trị số trung bình, trị số cực đoan ứng với xác suất xuất định Ngoài ra, phơng pháp cho biết tính chu kì theo thời gian dãy số đo đạc Đặc biệt, phơng pháp thống kê thuỷ văn ứng dụng nhiều việc thiết kế công trình thuỷ công, dự báo thuỷ văn dài hạn tính toán điều tiết 1.3.4 Phơng pháp mô hình toán Phơng pháp mô hình toán thuỷ văn phơng pháp mô tả tợng thuỷ văn biểu thức toán học Trong thực tế tợng thuỷ văn phụ thuộc vào nhiều yếu tố biến đổi phức tạp theo thời gian không gian mô hình toán học biểu diễn biểu diễn đầy đủ mối quan hệ phức tạp có khối lợng tính toán lớn, khiến ta khó tính tay đợc Trớc kia, cha có máy tính để đơn giản ngời ta chọn vài nhân tố chủ đạo (nhân tố ảnh hởng chính) làm cho cấu tạo mô hình đơn giản để tính tay với trợ giúp đồ thị , bảng tra sẵn Tuy nhiên việc đơn giản hoá làm cho kết tính toán bị hạn chế độ xác Để khắc phục tác giả bổ xung cách sử dụng mô hình vật lý để kiểm tra Mặc dù trờng hợp sử dụng mô hình vật lý thuận lợi, đặc biệt lu vực tính toán lớn, hệ thống công trình thuỷ lợi lớn, phức tạp sử dụng mô hình vật lý tốn khó khăn Từ máy tính điện tử đời ngày phát triển tạo đổi công cụ tính toán, dẫn đến việc xây dựng tính toán thuỷ văn theo mô hình toán Bài giảng Tính toán thuỷ văn thuận lợi thờng cho kết xác Mô hình toán có nhiều u điểm mô hình vật lý ngày đợc áp dụng rộng rãi trở nên phổ biến tính toán thuỷ văn Có nhiều mô hình toán đợc sử dụng tính toán, thiết kế hay dự báo thuỷ văn nh: H.M.C (Liên Xô cũ), SSARR, ARIMA (Mỹ), TANK (Nhật), MIKE (Đan Mạch) Các mô hình toán học đợc áp dụng thuỷ văn chia làm hai loại: Mô hình tất định mô hình ngẫu nhiên Cho dù biểu diễn trình thuỷ văn mô hình toán loại cần xác định thông số mô hình cho phù hợp với vùng nghiên cứu Xét mặt toán học phơng pháp thống kê giúp việc thiết lập mô hình ngẫu nhiên, phơng pháp phân tích vật lí dẫn đến việc thiết lập mô hình tất định (các mô hình toán thuỷ văn - thuỷ lực) Trong thực tế, nghiên cứu, tính toán hay dự báo đặc trng thuỷ văn ngời ta thờng kết hợp phơng pháp: Phơng pháp vật lí giúp ta hiểu biết chất tợng, tạo sở để giải toán thuỷ văn Phơng pháp tổng hợp địa lí đa phơng pháp tính trờng hợp thiếu tài liệu quan trắc Phơng pháp thống kê cho kết định lợng Để nắm rõ qui luật biến đổi theo thời gian không gian tợng thuỷ văn ngời ta thờng nghiên cứu khu vực (thay đổi theo thời gian), sau nghiên cứu cho khu vực khác nhau, từ kết hợp việc nghiên cứu theo không gian thời gian Khi nghiên cứu cần xem xét nguyên nhân trội mà chọn phơng pháp cho phù hợp (hoặc kết hợp) 1.4 Các nhân tố ảnh hởng đến dòng chảy Quá trình hình thành dòng chảy chịu ảnh hởng nhiều nhân tố phức tạp, chúng ảnh hởng đến tổng lợng dòng chảy mà ảnh hởng đến phân phối dòng chảy theo thời gian Có ba nhóm nhân tố chủ yếu ảnh hởng đến dòng chảy lu vực: Nhân tố khí hậu, nhân tố mặt đệm hoạt động kinh tế ngời 1.4.1 Nhân tố khí hậu Ma, bốc hơi, nhiệt độ, áp suất không khí, gió Trong nhân tố khí hậu ma bốc nhân tố ảnh hởng trực tiếp Ma nguyên nhân sinh dòng chảy, ảnh hởng đến dòng chảy lợng phân phối Thật vậy, năm ma lớn dòng chảy lớn ngợc lại Trong năm, nớc ta ma phân làm hai mùa: mùa ma nhiều (ta thờng gọi mùa ma, lợng ma mùa chiếm khoảng 80% đến 90% lợng ma năm) mùa khô (lợng ma mùa chiếm khoảng 10% đến 20% lợng ma năm) tơng ứng tạo hai mùa dòng chảy mùa lũ (lợng dòng chảy lớn, chiếm khoảng 70% đến 80% lợng dòng chảy năm biến thiên nhanh) mùa dòng chảy cạn (lợng dòng chảy nhỏ, chiếm khoảng 20% đến 30% lợng dòng chảy năm biến thiên chậm chạp) Nhân tố bốc làm giảm lợng dòng chảy Bốc lu vực bao gồm ba loại: bốc mặt thoáng nớc, bốc mặt đất bốc thoát nớc qua Các nhân tố khí hậu khác nh nhiệt độ, áp suất không khí, gió, nhân tố ảnh hởng gián tiếp đến dòng chảy thông qua trình ma trình bốc 1.4.2 Nhân tố mặt đệm Các nhân tố mặt đệm nh vị trí địa lý, địa hình, địa chất thổ nhỡng, ao hồ, đầm lầy, thảm phủ thực vật, mạng lới sông, nhân tố biến thiên chậm chạp Mỗi lu vực có vị trí địa lý định, phản ánh điều kiện khí hậu lu vực, từ ảnh hởng đến chế độ dòng chảy lu vực Bài giảng Tính toán thuỷ văn Địa hình lu vực ảnh hởng đến ma bốc mà ảnh hởng đến khả tập trung nớc lu vực Địa hình dốc dòng chảy tập trung nhanh ngợc lại Đặc tính địa chất, thổ nhỡng lu vực bao gồm cấu tạo địa chất tính chất nham thạch lu vực, định lợng nớc ngấm xuống đất lợng trữ nớc lu vực Những lu vực có kết cấu thổ nhỡng dễ thấm nớc hay địa chất đá vôi, sa thạch, diệp thạch lợng nớc ngấm tăng, dòng chảy mặt giảm đi, dòng chảy ngầm tăng lên Ao hồ đầm lầy lu vực kho trữ nớc bề mặt mùa ma, có tác dụng làm giảm dòng chảy mặt, làm giảm nhỏ đỉnh lũ Mặt khác, nớc ao hồ, đầm lầy làm phong phú dòng chảy ngầm, từ làm phong phú dòng chảy mùa cạn Tác dụng thảm phủ thực vật dòng chảy lu vực rõ rệt Thảm phủ thực vật cản trở trình tập trung nớc lu vực mùa ma lũ, kéo dài thời gian tập trung nớc lu vực, đất có thảm phủ thực vật xốp Tất điều kiện làm giảm dòng chảy mặt mùa ma lũ, tăng cờng trình ngấm nớc, từ tăng lợng dòng chảy ngầm, kết làm tăng dòng chảy sông mùa cạn Nói tóm lại, nhân tố mặt đệm tham gia vào trình điều tiết lại dòng chảy lu vực, làm cho dòng chảy lu vực có xu hớng điều hoà năm Khả điều tiết lại lu vực gọi khả điều tiết tự nhiên 1.4.3 Các hoạt động ngời Các hoạt động kinh tế nh biện pháp canh tác nông nghiệp (làm ruộng bậc thang, chuyển đổi cấu trồng, ), xây dựng công trình thuỷ lợi (đào ao, hồ chứa, kênh, mơng, ), biện pháp lâm nghiệp (trồng gây rừng, phủ xanh đất trống đồi trọc, ) nhằm mục đích điều tiết lại dòng chảy lu vực cho điều hoà năm nhằm khai thác có hiệu bền vững tài nguyên nớc Tuy nhiên nhiều hoạt động ngời nh việc tăng trởng dân số, đô thị hoá nhanh, khai thác nớc bừa bãi ngày làm cạn kiệt nguồn tài nguyên nớc Sự tơng tác có tính chất đa dạng phức tạp nhân tố dẫn đến xuất ngẫu nhiên đặc trng dòng chảy Nghiên cứu tác động nhân tố đến dòng chảy cần xét điều kiện cụ thể với đặc trng dòng chảy cụ thể 1.5 Phơng trình cân nớc 1.5.1 ý nghĩa của việc tính toán cân nớc quy hoạch quản lý nguồn nớc Nhu cầu sử dụng nớc ngời lớn Tài nguyên nớc nh nhu cầu sử dụng gắn chặt với mức độ phát triển xã hội loài ngời Tuy nhiên trữ lợng phân phối nớc có hạn không theo không gian Muốn đánh giá trữ lợng nớc nh hiểu rõ đợc cấu thành phần nớc, sở giải toán qui hoạch tổng hợp tài nguyên nớc, có kế hoạch khai thác tài nguyên nớc hợp lý, ta cần tiến hành tính toán cân nớc Mặt khác thông qua phơng trình cân nớc ta xác định dòng chảy biết thành phần khác phơng trình Cân nớc nhằm đánh giá lợng nớc thợng nguồn chảy vào, lợng nớc khu giữa, lợng nớc nhánh sông, lợng nớc tổn thất đoạn sông phục vụ cho công tác qui hoạch, khai thác nguồn nớc Ngoài ra, qua tính toán cân nớc phát sai xót đo đạc, tình hình nớc lu vực hay khu vực sông 1.5.2 Nguyên lý tính toán cân nớc Bài toán cân nớc thờng gặp Bài giảng Tính toán thuỷ văn Phơng trình đợc xây dựng cho lu vực sông hay khu vực dựa theo nguyên lí bảo toàn vật chất (vật lí học) Nguyên lí cân nớc đợc phát biểu nh sau: Trên lu vực định hay phần lu vực đó, khoảng thời gian định, tổng lợng nớc vào lu vực tổng lợng khỏi lu vực cộng với lợng nớc trữ lại lu vực - Tính cân nớc phải kết hợp với công tác điều tra thực địa để tránh kết luận sai lầm - Khai thác mô hình toán việc tính cân nớc cần thiết nhng cần kết hợp nghiên cứu nghiệm chứng mô hình thành phần Ngày nay, với công nghệ máy tính điện tử phần mềm tính toán việc xác định lợng nớc nhánh sông vùng đồng đơn giản, nhiên nhiều tồn mà nhà chuyên môn cần nghiên cứu bổ sung hoàn chỉnh Đặc biệt tồn chủ yếu mô hình thành phần Thực chất tính toán lợng nớc lợng nớc không cân lợng nớc hồi qui sau khí tới, lợng nớc tổn thất cha xét đến sau bốc hơi, lợng nớc triều mặn cha đợc đề cập thoả đáng Đây thành phần khó xác định giải toán cân nớc 1.5.2.1 Phân bố nớc toàn cầu Theo UNESCO (1992): Sơ đồ phân bố nớc toàn cầu đợc thể qua sơ đồ hình (11) Nhìn vào sơ đồ cân cho thấy lợng nớc ỏi (chiếm khoảng 2.5% tài nguyên nớc toàn cầu), lợng nớc mặn có khối lợng lớn, lợng nớc mà ngời không ăn uống đợc (khoảng 97.5% tổng lợng nớc toàn cầu) Hơn nữa, có khoảng 30% nớc trạng thái lỏng, mà phần 98% nớc ngầm (con ngời khó khai thác để sử dụng), có cha đến 2% lợng nớc thể lỏng nằm hồ, hồ chứa, thổ nhỡng, sông ngòi ngời khai thác sử dụng Đây phần tài nguyên nớc vô quan trọng sống ngời Lợng nớc thuỷ 1386 * 106 Km3 (100 %) Lợng nớc 35* 106 Km3 (2.5 %) Dạng rắn 24.3 * 106 Km3 (69.4 %) Nớc ngầm 10.5 * 106 (98.13 %) Hồ, hồ chứa 0.102 * 106 (0.95 %) Lợng nớc mặn 1351 * 106 Km3 (97.5 %) Dạng lỏng 10.7 * 106 Km3 (30.6 %) Sông ngòi 0.02 * 106 (0.19 %) Thổ nhỡng 0.047 * 106 (0.44 %) K 0.02 * 106 (0.19 %) Hình 1-1: Sơ đồ phân bố nớc toàn cầu (UNESCO-1992) 1.5.2.2 Phân bố nớc bề mặt trái đất Sinh 0.011 * 106 (0.10 %) Bài giảng Tính toán thuỷ văn Theo Baumgartner (1972) nớc bao phủ khoảng 71% diện tích bề mặt trái đất trạng thái nớc thể hơi, thể lỏng, thể rắn tơng tác với khí quyển, địa sinh cách phức tạp để giữ cho Trái đất trạng thái cân Sự cân mặt nớc bao phủ mặt lục địa đợc Baumgartner thể bảng 1-1 Một đặc tính quan trọng tài nguyên nớc phân bố không theo không gian thời gian Trên giới có quốc gia đạt khả nớc đầu ngời cao nh Băng đảo (Iceland) 667.000 m3/ngời/năm, Suriname với 474.000 m3/ngời/năm, bên cạnh có quốc gia đạt khả nớc thấp nh Côoet 75 m3/ngời/năm, Djibouti 23 m3/ngời/năm Bảng 1-2 1-3 cho thấy thành phần cân nớc phân bố dòng chảy đại dơng lục địa nh khu vực khác giới (tính theo trung bình nhiều năm) Bảng 1-1 Bề mặt trái đất (Baumgartner, 1972) Diện tích (106 Km2) % Mặt nớc 361 71 Lục địa 149 29 Tổng cộng 510 100 Bảng 1-2 So sánh thành phần cân nớc Đại dơng Lục địa theo năm địa vật lý Quốc tế (Holy 1982) Vùng Đại dơng Lục địa Diện tích 106 Km2 361 149 Lợng ma m 103 Km3 1.12 403 0.72 107 Lợng bốc m 103 Km3 1.25 449 0.41 61 Dòng chảy m 103 Km3 -0.13 -46 0.31 46 Bảng 1-3 So sánh thành phần cân nớc khu vực giới (Holy 1982) Đơn vị mm Đặc trng Châu Âu Châu Châu Phi Châu úc Bắc Mỹ Nam Mỹ Nam Cực Lục Địa Bài giảng Tính toán thuỷ văn QmP Lu lợng đỉnh lũ lớn ứng với tần suất thiết kế P% qmP Mô đuyn lu lợng lớn ứng với tần suất thiết kế P% max - Hệ số dòng chảy lớn lấy theo bảng (5-5) I1 - Cờng độ ma lớn ứng với tần suất thiết kế P% (mm/h) - Hệ số hiệu chỉnh có tính đến độ dài diện tích lu vực, tốc độ tập trung nớc đợc phân thành khu vực F Diện tích lu vực (km 2) Khi tính toán cho lu vực có diện tích F > 50 km2 ta sử dụng công thức: Hay 0,28 max I F F 0.36 = 0,28. max I F 0.64 QmP = (5.102) QmP (5.103) 5.4.3 Xác định lợng lũ trình lũ thiết kế từ tài liệu ma rào 5.4.3.1 Tính lợng lũ thiết kế Trong trờng hợp cần tính lợng lũ thiết kế nhng tài liệu quan trắc dòng chảy ta tính thông qua tài liệu ma Công thức tính: WTP = 103 HTP F (m3) đây: WTP Lợng lũ thời đoạn thiết kế P% (m3) HTP Lợng ma thời đoạn thiết kế (mm) F Diện tích lu vực (km 2) (5.104) - Hệ số dòng chảy trận lũ Lợng ma thời đoạn thiết kế xác định theo lợng ma ngày lớn thiết kế theo quan hệ sau: (5.105) H TP = 0.02 ì H nP ì T ì e T Trong T Thời khoảng tính toán tính phút Ví dụ 5.4: Tính tổng lợng lũ ngày lớn ứng với tần suất thiết kế P = 2% cho lu vực Lang Chánh sông Âm Biết lu vực có diện tích F = 330 km 2, độ dài sông L = 50 km Lòng sông cong queo, có bãi tràn, nhiều lau sậy Tốc độ bình quân lớn V max = 4.5 Lợng ma ngày lớn bình quân lu vực thiết kế (P = 2%) HnP = 300 mm Bài giải: 1/ - Có HnP = 300 mm tra bảng 5-6 đát loại III ta có hệ số dòng chảy = 0.8 - Với T = ì 1440 = 4320 phút - Thay giá trị vào công thức 5.102 ta đợc: H T 2% = 0.02 ì H nP ì T ì e T - 1/ 1/ = 0.02 ì 300 ì 4320 ì 2.718 4320 Tổng lợng lũ ngày thiết kế là: 134 = 463mm Bài giảng Tính toán thuỷ văn WT2% = 103 HTP F = 1000 ì 0.8 ì 463 ì 330 = 12.2 ì 106 (m3) Hình 5-15: Bản đồ phân vùng hệ số triết giảm n (QP.TL.C-6-77) 5.4.3.2 Phơng pháp xác định đờng trình nớc lũ thiết kế Ta nghiên cứu phơng pháp xác định đờng trình lũ thiết kế từ tài liệu dòng chảy lũ quan trắc đề cập đến vấn đề phơng pháp xác định trình lũ thiết kế tài liệu dòng chảy Có nhiều phơng pháp xác định nh xác định trình lũ theo phơng pháp nguyên dòng chảy (theo trình ma rào sinh lũ) hay đờng trình lũ đơn vị Việc không quan trắc đợc dòng chảy lũ thờng xảy lu vực sông suối nhỏ, nơi cha bố trí đợc mạng lới quan trắc Hơn lu vực nhỏ, công trình xây dựng nhỏ Các công trình loại thờng có mức bảo đảm không cao đòi hỏi thời gian hoàn thành nhanh Chính lý ngời ta mô trình lũ thiết kế theo dạng hình học đơn giản Phơng pháp đợc Côsêrin ứng dụng cho sông vừa nhỏ có đặc tính sóng lũ đỉnh đặn Qua kết tổng hợp ông phân làm ba loại: Tam giác, hình thang dạng hai đờng cong Parabol gặp đỉnh Ta lần lợt xét dạng lũ Quá trình lũ dạng tam giác Quá trình lũ thiết kế dạng tam giác đơn giản, đợc dùng nhiều, cần ba yếu tố QmP, T tl xác định đợc Giả sử ta có đờng trình lũ dạng tam giác nh hình 5-16 Qm 135 Bài giảng Tính toán thuỷ văn Wm = Qm T Qm ( tl + t x ) = 2 Ta đặt tx = tl T = (1+ ) tl = tx thờng lớn phụ thuộc vào tl diện tích lu vực Việc xác định theo trình thực đo lũ đơn Trong trờng hợp tài liệu lu lợng lũ thực đo lấy theo lu vực tơng tự haytheo kinh nghiệm sau: tl T tx Hình 5.16: Sơ đồ lũ dạng tam giác - Lu vực nhỏ, rừng = 1.5 ữ 2.0 - Lu vực trung bình, rừng chiếm 10 ữ 20% lấy = 2.5 ữ 3.0 - Lu vực trung bình, rừng > 30% > 3.0 Nh ta tính đợc lu lợng đỉnh lũ tổng lợng lũ thiết kế QmP, WmP ta tính đợc thời gian lũ T: T= 2WmP QmP Có (tính hay chọn theo kinh nghiệm), từ ta xác định đợc thời gian lũ lên tl: tl = T 1+ Có QmP, T, tl ta xây dựng trình lũ thiết kế nh dựng hình tam giác mà cạnh đáy thời gian lũ T, đờng cao lu lợng đỉnh lũ QmP thời gian lũ lên tl để xác định chân đờng cao Quá trình lũ dạng hình thang Trong thực tế lũ xuất lu vực sông lớn vừa đỉnh lũ thờng trì thời khoảng (tđ) Thời gian trì đỉnh lũ dài hay ngắn phụ thuộc vào diện tích hình dạng lu vực Giả sử ta có trình lũ có dạng hình thang nh sơ đồ hình 5-17 136 Bài giảng Tính toán thuỷ văn Qm Với nhánh lũ lên ta có: t Qt = Qm tl Qt Qt Wm Với nhánh lũ xuống: t t' Qt ' = Qm x tx tl tđ tx tđ - Thời gian tồn đỉnh lũ Thời gian lũ T là: Hình 5-17: Sơ đồ lũ dạng hình thang T = tl + t đ + t x Nh muốn xác định đợc đờng trình lũ thiết kế ta cần biết Q mP, WmP, tl tX tl tX / tl Từ ta có T = 2Wm/ Qm Với lu vực sông lớn, sông daì tx > tl Với lu vực sông nhỏ xem tl = tx Đối với trờng hợp tài liệu dùng tỷ số nh sau: F (km 2) < 500 500 ữ 5000 = tl / T 0.50 > 5000 0.40 0.33 Với sông lớn có bãi bồi lấy = 0.25 Nếu thời gian lũ tính theo ngày thì: T= 0.023.Y F Qm Nếu thời gian lũ tính theo thì: T= 0.556.Y F Qm Đối với lu vực nhỏ Oghiepxki đề nghị dùng dạng hình thang cân với thời gian t2 = 0.1T t1 = t3 = 0.45 T ( F < 300 ữ500 km 2) Lúc đó: T= ìW 0.0208 ì Y ì F = (ngày) 1.1 ì Qm ì 86400 Qm T= 0.50 ì Y ì F (giờ) Qm Quá trình lũ dạng Parabol Theo Xôkôlốpxki đờng trình lũ có dạng hai nhánh Parabol gặp đỉnh Phơng trình đờng cong nhánh nh sau: - Với nhánh lũ lên có dạng: 137 Bài giảng Tính toán thuỷ văn t Qt = Qm tl - Với nhánh lũ xuống: m t t Qt = Qm x tl (5.106) n (5.107) Trong Qt lu lợng thời điểm t, với nhánh lũ lên t kể từ thời điển lũ bắt đầu lên, nhánh lũ xuống t kể từ thời điểm xuất đỉnh lũ m, n Số mũ đờng cong nhánh lũ lên, xuống Qt (m3/s) Qm 100 90 80 70 60 50 40 Qt Qt 30 20 10 t t tx tl Hình 5-18: Sơ đồ đờng trình lũ dạng Parabol Liên xô cũ lấy m = n = cho trình lũ ma rào Việt Nam thực tế cho thấy m 1, n 3, có lu vực cho n = ữ 10 Nh ta tính đợc QmP, có tl, tx, m n xác định từ trận lũ đơn thực đo , lu vực tơng tự Dùng công thức (5.106), (5.107) giả sử giá trị t i ta xác định đợc tung độ đờng trình lũ lên, lũ xuống nh ta có trình lũ thiết kế Cần ý việc giả sử ti cho nhánh lũ lên phải nhỏ thời gian lũ lên (t i [...]... kỳ tính ngắn hay trung bình (n 16 Bài giảng Tính toán thuỷ văn =11năm) thì nhiều khi không đảm bảo tính đại biểu Nếu độ dài mẫu tính n 33 năm sẽ tơng đối đảm bảo cho việc tính chuẩn ma năm hay dòng chảy năm 3 Đảm bảo tính đồng nhất Khi cần nghiên cứu sự phân bố cho một khu vực lãnh thổ thì việc tính ma hay dòng chảy cho các trạm trên khu vực phải mang tính chất đồng nhất Việc chọn thời kỳ tính toán. .. cho dù tính theo mẫu đủ dài nhng chuẩn dòng chảy năm tính ra vẫn có sai số so với tổng thể (khi độ dài mẫu tính là vô cùng lớn) Sự chênh lệch này đợc đánh giá bởi sai số tuyệt đối của dòng chảy năm Theo thống kê thuỷ văn thì sai số tuyệt đối sẽ là: 33 Bài giảng Tính toán thuỷ văn Qo = n (2.40) Trong đó: - Hiệu số quân phơng của dòng chảy năm tính toán Nếu gọi: Qon là chuẩn dòng chảy năm tính với... trạm ma tơng tự để tính cho lu vực tính toán cần có hệ số hiệu chỉnh phù hợp Tuỳ thuộc vào mức độ tơng tự của các nhân tố chủ yếu ảnh hởng đến lợng ma năm giữa trạm ma tơng tự và lu vực tính mà đa ra hệ số hiệu chỉnh cho phù hợp Tốt nhất nên chọn trạm ma gần nhất với lu vực tính hay trong cùng một dải khí hậu 2.3.4.2 Tính chuẩn ma năm bình quân của lu vực 30 Bài giảng Tính toán thuỷ văn Nh ta đã biết... năm) (1.7) Phơng trình cân bằng nớc là một công cụ cơ bản để tính toán dòng chảy Tuy nhiên việc xác định chính xác các thành phần trong phơng trình, đặc biệt là lợng nớc ngầm trao đổi giữa các lu vực là vấn đề khó khăn dẫn đến kết quả tính toán dòng chảy có độ chính xác cha cao Chơng II tính toán Chuẩn dòng chảy năm 11 Bài giảng Tính toán thuỷ văn 2.1 Khái niệm về chuẩn dòng chảy năm và các đặc trng biểu... thuỷ văn 2.3.4 Tính chuẩn ma năm chuẩn dòng chảy năm 2.3.4.1 Tính chuẩn ma năm Việc tính chuẩn ma năm cho mỗi trạm ma xảy ra một trong các trờng hợp: có nhiều tài liệu quan trắc ma năm, thiếu hay không có tài liệu quan trắc 1 Tính chuẩn ma năm khi có nhiều tài liệu quan trắc ta tiến hành vẽ đờng luỹ tích sai chuẩn ma năm để chọn thời kỳ tính toán hợp lý và tính chuẩn ma năm theo công thức: 28 Bài giảng. .. vực dùng trong tính toán cân bằng nớc đợc xác định theo phơng pháp cân bằng nớc hay công thức kinh nghiệm 25 Bài giảng Tính toán thuỷ văn 3 Xác định lợng bốc hơi mặt nớc a/ Theo tài liệu thực đo Nếu tài liệu thực đo không đồng bộ (về dụng cụ đo hay về địa điểm đo) ta chuyển đổi theo hệ số hay phơng trình tơng quan sau đó mới tiến hành tính toán b/ Theo công thức kinh nghiệm * Công thức tính bốc hơi... với m là số ô vuông Để nâng cao kết quả tính toán ngời ta có thể kiểm chứng bằng cách thiết lập một lới ô vuông khác và làm tơng tự ta tính đợc chuẩn ma năm bình quân lu vực lần thứ hai Nếu sai khác giữa hai lần tính không vợt quá 5% là đợc 31 Bài giảng Tính toán thuỷ văn Cần chú ý rằng trong trờng hợp ô vuông không có trạm đo ma thì chuẩn ma năm của ô vuông đợc tính trung bình theo các ô vuông liền... nên độ dài gió thổi trung bình sẽ tính nh sau: Ltb=1/n[ LTB - ĐN(mTB+mĐN)+LĐB - TN(mĐB+mTN) ] Với: n = (mTB + mĐN) + (mĐB + mTN) * e200 tính theo công thức: 26 (2.19) Bài giảng Tính toán thuỷ văn e200 = e200 + (0.8 e0 e200)*M (2.20) e200 : Độ ẩm tuyệt đối của không khí (áp suất hơi nớc) đo tại Đài Khí tợng trên mặt đất tính trung bình trong khoảng thời gian tính toán M : Hệ số hiệu chỉnh xét đến sự... Xon Xo (2.30) 2 Tính chuẩn ma năm khi có ít tài liệu quan trắc (tài liệu ngắn) Trong trờng hợp trạm ma tính toán có tài liệu quan trắc ngắn ta tiến hành chọn trạm ma tơng tự với trạm ma tính toán về điều kiện khí hậu đặc biệt là ma, nên chọn trạm trong cùng dải khí hậu với trạm tính toán, có tài liệu quan trắc ma dài và có cùng một khoảng thời gian quan trắc đồng thời với trạm tính toán Xây dựng tơng... F (2.3) F: Diện tích lu vực tính bằng Km 2 Mô đun dòng chảy chuẩn: Mo (l/s.Km 2) Mo = 103 Qo / F (2.4) Hệ số dòng chảy chuẩn: o o = yo xo (2.5) Xo Lợng ma bình quân lu vực bình quân trong nhiều năm (trong cùng thời kỳ nhiều năm với dòng chảy hay còn gọi là chuẩn ma năm) 12 Bài giảng Tính toán thuỷ văn 2.2 Các nhân tố ảnh hởng đến chuẩn dòng chảy năm Khi tính toán thuỷ văn phục vụ việc nghiên cứu và ... thuỷ văn nớc ngầm Theo nghiệp vụ công tác thuỷ văn lục địa đợc phân thành môn: Đo đạc thuỷ văn, địa lý thuỷ văn, điều tra thuỷ văn, dự báo thuỷ văn, phân tích tính toán thuỷ văn, Phân tích tính toán. .. thuỷ văn theo mô hình toán Bài giảng Tính toán thuỷ văn thuận lợi thờng cho kết xác Mô hình toán có nhiều u điểm mô hình vật lý ngày đợc áp dụng rộng rãi trở nên phổ biến tính toán thuỷ văn Có... Ngoài ra, qua tính toán cân nớc phát sai xót đo đạc, tình hình nớc lu vực hay khu vực sông 1.5.2 Nguyên lý tính toán cân nớc Bài toán cân nớc thờng gặp Bài giảng Tính toán thuỷ văn Phơng trình