Thủy văn học - Chương 2

Hiện tượng lũ lụt, khô hạn, vấn đề điều khiển hệ thống thoát lũ và cung cấp nước, vấn đề chất lượng nước và môi trường là các vấn đề có ý nghĩa quan trọng trong thuỷ văn học hiện đại

Dòng nước tự nhiên chảy theo chỗ trũng của địa hình, có lòng dẫn ổn định và có nguồn cung cấp nước mặt và nước ngầm gọi là sông

Sông chính: là sông trực tiếp đổ ra biển hoặc hồ chứa

Sông trực tiếp chảy vào sông chính gọi là sông nhánh cấp 1, sông chảy vào sông nhánh cấp I gọi là sông nhánh cấp 2, cứ như vậy mà suy ra các sông nhánh cấp tiếp theo

(2.1) Với:

ΣL - tổng độ dài các sông, suối trong lưới sông; F - diện tích lưu vực sông

Thông thường D = 0÷1,3

2.1.2 Các dạng lưới sông chính

Sự bố trí các sông nhánh dọc theo sông chính có ảnh hưởng quyết định đến sự hình thành dòng chảy trong sông chính Có thể phân thành các dạng lưới sông chính như sau:

2.1.2.1 Lưới sông hình lông chim

Dạng lưới sông này có sông chính tương đối dài, các sông nhánh phân bố đều sang 2 bên vì vậy ít sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu không lớn

S §«ng

Hình 2.1 Lưới sông hình lông chim

2.1.2.2 Lưới sông hình nan quạt

Sông chính không dài lắm, các sông nhánh đổ vào sông chính ở những vị trí gần nhau, vì vậy có khả năng sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu khá lớn

Th¸i Nguyªn

S. Th−¬n

An Ch©u

S. Lôc N

Ph¶ L¹iS CÇu

S §uèng

Hình 2.2 Lưới sông hình nan quạt

2.1.2.3 Lưới sông song song

Sông chính và sông nhánh gần như song song nhau Đến gần cửa sông chính sông nhánh mới đổ vào sông chính Loại này sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu tương đối lớn và nhanh Hệ thống sông Hồng là điển hình cho loại sông này

S L«

S Hång

2.2 Lưu vực sông và các đặc trưng của lưu vực

2.2.1 Lưu vực sông và đường phân nước của lưu vực

2.2.1.1 Lưu vực sông

Lưu vực của 1 con sông là diện tích mặt đất trên đó nước trực tiếp chảy từ các sườn dốc và dồn vào lòng sông, hoặc theo các sông nhánh chảy vào sông chính Nói cách khác, lưu vực của một con sông là khu vực tập trung nước của con sông đó

2.2.1.2 Đường phân nước của lưu vực

Đường phân nước là đường ranh giới mà từ đó nước chảy về 2 phía đối diện nhau của 2 lưu vực cạnh nhau

Như vậy có thể thấy đường phân nước là đường nối liền các điểm cao nhất phân cách lưu vực con sông này với lưu vực con sông khác

VÞ trÝ ®−êng ph©n n−íc mÆt

TÇng kh«ng thÊm

VÞ trÝ ®−êng ph©n n−íc ngÇmDßng mÆt

Dßng ngÇm

Hình 2.4 Đường phân nước của lưu vực

Có 2 loại đường phân nước là đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm - Đường phân nước mặt là đường nối các điểm cao nhất liên tiếp trên lưu vực mà

từ các điểm đó nước mặt đổ về lưu vực này hay lưu vực khác ở bên cạnh

- Đường phân nước ngầm là đường nối các điểm cao nhất liên tiếp trên bề mặt tầng đất không thấm, từ đó nước ngầm đổ về 2 lưu vực cạnh nhau

Đặc điểm của đường phân nước:

- Đường phân nước của một lưu vực thường không ổn định do tác động của môi trường và con người

- Đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm không trùng nhau, đường phân nước ngầm khó xác định nên thực tế lấy đường phân nước mặt làm đường phân nước của lưu vực

Để xác định đường phân nước của lưu vực (gọi tắt là đường phân lưu) phải căn cứ vào bản đồ địa hình có các đường đồng mức cao độ

2.2.2 Các đặc trưng hình học của lưu vực

Độ chính xác của diện tích lưu vực phụ thuộc vào độ chính xác của bản đồ, vào việc xác định đường phân nước và tỷ lệ bản đồ

Để biểu thị tình hình phân bố diện tích của lưu vực có thể dùng biểu đồ tăng diện tích Cách vẽ biểu đồ như sau:

cöaC

.fi = F (km2)

Hình 2.5 Biểu đồ tăng trưởng diện tích lưu vực

Giả sử có một lưu vực sông như hình 2.5

Biểu đồ tăng trưởng diện tích trên hệ trục vuông góc

- Tung độ là chiều dài sông chính được vẽ theo một tỷ lệ nhất định

- Hoành độ biểu thị diện tích của lưu vực và cũng được vẽ theo một tỷ lệ nhất định: diện tích bên phải sông vẽ ở hoành độ bên phải, diện tích bên trái sông vẽ ở hoành độ bên trái, khi vẽ tiến hành theo thứ tự từ nguồn đến cửa sông

- Tại các vị trí có sông nhánh chảy vào (điểm A, B) kéo dài hoành độ thêm một đoạn bằng diện tích lưu vực sông nhánh, tung độ bằng chiều dài sông nhánh, cũng được vẽ theo một tỷ lệ về độ dài đã chọn để vẽ sông chính

Thông qua biểu đồ thấy được tình hình tăng giảm của diện tích lưu vực sông từ nguồn đến cửa sông

2.2.2.2 Chiều dài của lưu vực (L - km)

Là khoảng cách theo đường gãy khúc từ nguồn đến cửa sông đi qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực và vuông góc với hướng dòng chảy

Để đơn giản, trong tính toán L thường được lấy bằng chiều dài của sông chính

2.2.2.3 Chiều rộng bình quân của lưu vực (B - km)

Được đo bằng tỷ số giữa diện tích của lưu vực với chiều dài của lưu vực

2.2.2.4 Độ cao trung bình của lưu vực (Htb) F

211

fi – diện tích giới hạn phần lưu vực giữa 2 đường đồng mức liên tiếp; Hi - độ cao trung bình giữa 2 đường đồng mức;

F – diện tích của lưu vực

2.2.2.5 Độ dốc trung bình của lưu vực Jtb

Trong đó :

l0, l1, ln – chu vi các đường đồng mức trong lưu vực; h – chênh lệch độ cao giữa 2 đường đồng mức liền nhau; F – diện tích lưu vực

2.2.2.6 Một số hệ số đặc trưng của lưu vực

a Hệ số hình dạng của lưu vực (Kd)

Hệ số hình dạng biểu thị mức độ phát triển hình học của lưu vực

b Hệ số tròn của lưu vực sông (Kc)

KC được biểu thị bằng tỷ số giữa chiều dài đường phân nước của lưu vực với chu vi hình tròn có diện tích bằng diện tích lưu vực

Trong đó :

LP – chiều dài đường phân nước;

LT – chu vi đường tròn có diện tích bằng diện tích lưu vực Hình dạng càng tròn, lũ tập trung càng nhanh và lớn

c Hệ số không đối xứng Kđx

Đại lượng này biểu thị cho sự phân bố không đều của diện tích lưu vực 2 bên sông chính

Trong đó Ft, FP là diện tích tương ứng của phần lưu vực bên trái, bên phải sông

2.2.3 Các đặc trưng địa lý tự nhiên của lưu vực

Vị trí lưu vực đóng vai trò tương đối quan trọng trong nghiên cứu thuỷ văn Vị trí địa lý quyết định điều kiện khí hậu, qua đó ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ thuỷ văn

2.2.3.2 Địa hình của lưu vực

Những lưu vực nhiều đồi núi có hiện tượng mưa nhiều Độ cao, hướng núi có ảnh hưởng đến tình hình khí hậu, khí tượng trên lưu vực

2.2.3.3 Cấu tạo địa chất, thổ nhưỡng

Đặc trưng này bao gồm tính chất của nham thạch, cấu tạo địa chất của lưu vực Cấu tạo địa chất thổ nhưỡng có tác dụng điều tiết thủy văn, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nước ngầm trong lưu vực

2.2.3.4 Thảm phủ thực vật

Thảm phủ thực vật bao gồm rừng, các loại cây trồng trên lưu vực có tác dụng quan trọng điều tiết dòng chảy trên lưu vực, ảnh hưởng đến yếu tố khí hậu, làm chậm tập trung dòng chảy mặt và tăng cường dòng chảy ngầm

Để đặc trưng cho nhân tố này dùng hệ số phủ rừng KP

2.3 Dòng sông và các đặc trưng chính

2.3.1 Phân đoạn dòng sông

Một con sông phát triển đầy đủ thường chia làm 5 đoạn có tính chất khác nhau: nguồn sông, thượng lưu, trung lưu, hạ lưu và cửa sông

2.3.1.2 Thượng lưu

Thượng lưu là đoạn sông trực tiếp nối với nguồn sông Đặc điểm là lòng sông hẹp, độ dốc lớn, nước chảy xiết, xói mòn chủ yếu theo chiều sâu, thường có thác ghềnh lớn, không thuận lợi cho giao thông vận tải

2.3.1.3 Trung lưu

Trung lưu là đoạn nối tiếp với thượng lưu, độ dốc lòng sông đã giảm nhiều, không có những ghềnh thác lớn, nước chảy yếu hơn, xói lở phát triển sang 2 bên bờ mạnh làm cho lòng sông đã mở rộng dần, bãi sông xuất hiện, trên mặt bằng sông đã có dạng uốn khúc Nhìn chung đoạn này tương đối thuận lợi cho giao thông vận tải

2.3.1.4 Hạ lưu

Hạ lưu là đoạn cuối cùng của sông trước khi đổ ra biển, hồ chứa hoặc con sông khác Đặc điểm ở đoạn này là độ dốc lòng sông rất bé, nước chảy chậm, bồi nhiều hơn xói, tạo nhiều bãi sông nằm ngang ở giữa lòng sông, hình dạng lòng sông quanh co uốn khúc rất nhiều, lòng sông mở rộng ra nhiều so với đoạn trên Hạ lưu thuận lợi cho phát triển giao thông vận tải thuỷ cũng như các ngành kinh tế khác

2.3.1.5 Cửa sông

Cửa sông là nơi sông tiếp giáp với biển hoặc hồ hoặc một con sông khác Ở cửa sông lòng sông mở rộng, lưu tốc bé dần, phù sa lắng đọng tạo thành những tam giác châu Trong một số trường hợp đặc biệt, do điều kiện địa hình địa chất và khí hậu mà sông có thể không có đầy đủ các phân đoạn như trên Ví dụ ở vùng sa mạc khô nóng hay khi chảy qua các vùng núi đá vôi có nhiều hang động ngầm, sông sẽ bị mất nước và không thể chảy ra đến biển, khi đó sông không có cửa, còn gọi là sông cụt

2.3.2 Các đặc trưng chính của dòng sông

2.3.2.1 Mặt bằng dòng sông

a Hiện tượng uốn khúc của dòng sông

Trên mặt bằng, các đoạn sông ở vùng đồng bằng có dạng uốn khúc theo hình sin Nguyên nhân của hiện tượng này là do quy luật vận động của dòng nước và ảnh hưởng của lực quán tính Coriolit, được giải thích như sau:

Bê xãi

B·i båi

Hình 2.7 Hiện tượng quanh co uốn khúc của dòng sông

Giả sử hình dạng ban đầu của dòng sông là thẳng, nước chảy xuôi theo hướng thẳng của lòng sông Sau đó do ảnh hưởng của các vật cản trong dòng chảy, sự thay đổi độ nhám lòng sông và ảnh hưởng của lực quán tính Coriolit nên dòng nước bị xiên lệch vào một bên bờ gây xói bờ này, làm bờ bị lõm vào

Sản phẩm xói lở bị dòng nước cuốn đi rồi lắng đọng bồi vào một chỗ khác ở hạ lưu làm cho phần bờ hạ lưu này bị lồi ra Mặt khác, dòng nước chảy tới chỗ bờ lõm này gặp sức cản của bờ chảy xiên sang bờ bên kia và lại gây ra xói lở Quá trình cứ thế tiếp diễn gây ra hiện tượng quanh co uốn khúc của dòng sông

Sự quanh co uốn khúc phát triển theo thời gian, hình thành các vực sâu và bãi bồi kế tiếp nhau trên sông

b Hệ số uốn khúc của dòng sông ( Φ )

Để biểu diễn mức độ quanh co uốn khúc của dòng sông nhiều hay ít dùng hệ số uốn khúc của dòng sông là :

Trong đó:

L – chiều dài thực của con sông;

l – chiều dài đoạn thẳng nối từ nguồn sông đến cửa sông Sông càng uốn khúc thì Φ càng lớn, thông thường Φ = 1.25÷ 2.5 c Sự phân bố độ sâu trên lòng sông

Sự phân bố độ sâu trên lòng sông có liên quan chặt chẽ đến hình dạng quanh co trên mặt bằng của dòng sông Do tác dụng xói mòn của dòng nước nên trên sông sẽ hình thành các vực sâu ở bờ lõm và bãi bồi ở bờ lồi Xét ở 1 phía bờ thì vực sâu và bãi bồi thường kế tiếp nhau Xét trên cả 2 phía bờ sông thì vực sâu và bãi bồi thường đối diện nhau Đoạn giữa bãi bồi và vực sâu là đoạn lòng sông thẳng Đoạn quá độ giữa 2 bãi bồi là gềnh cạn Đường nối liền những điểm sâu nhất trên lòng sông (theo mặt cắt ngang) gọi là lạch hàng vận Khi lạch hàng vận là đường cong trơn đủ sâu thì có lợi cho giao thông vận tải thuỷ Nếu nó là đường khúc khuỷu gồ ghề thì trở ngại cho giao thông vận tải

Bê lâm (L¹ch s©u)

L¹ch hµng vËn1

ngn

Bê låi (b·i båi)

Hình 2.8 Phân bố độ sâu trên lòng sông

2.3.2.2 Mặt cắt dọc dòng sông

a Khái niệm

Mặt cắt dọc dòng sông là mặt cắt đáy sông dọc theo lạch hàng vận

Muốn xác định mặt cắt dọc đáy sông, cần đo cao trình của các điểm dọc theo lạch hàng vận, khoảng cách giữa các điểm đo phụ thuộc vào tỷ lệ đo vẽ và được quy định trong các quy phạm đo đạc khảo sát Ngoài ra cần đo tại các vị trí đặc biệt như: nơi chiều sâu tăng giảm một cách đột ngột; nơi có ghềnh cạn, thác, bãi, đảo nổi; nơi chiều rộng lòng sông thay đổi một cách rõ rệt; nơi có hiện tượng nước dâng; nơi có con sông khác chảy vào; nơi có sự thay đổi địa danh dọc sông

Lấy chiều dài sông làm hoành độ và cao trình của các điểm tương ứng làm tung độ,

nối các điểm trên hệ toạ độ vuông góc, được biểu đồ mặt cắt dọc sông, còn gọi là trắc

dọc sông

Cao tr×nhCù ly km

Hình 2.10 Độ dốc đáy sông và độ dốc mặt nước

Độ dốc đáy sông xác định bằng công thức:

LzId ∆

Độ dốc mực nước xác định bằng công thức:

LHIm = ∆

(2.11) Trong đó:

∆z - độ chênh cao trình đáy giữa 2 mặt cắt 1-1 và 2-2; ∆H - độ chênh mực nước giữa 2 mặt cắt;

L - chiều dài đoạn sông giữa 2 mặt cắt

Độ dốc mặt nước của dòng sông không phải là cố định mà luôn luôn biến hoá tuỳ theo MN ở lòng sông Độ dốc dọc thường được biểu diễn bằng tỷ số (‰) hoặc m/km

Mặt cắt dọc sông cho biết tình hình phân bố độ dốc lòng sông và chênh lệch mực nước giữa các vị trí trên sông Mặt cắt dọc là căn cứ chủ yếu để nghiên cứu đặc tính của dòng nước và dự tính năng lượng tiềm tàng của sông

Hình 2.11 Mặt cắt ngang lòng sông

1-Lớp trầm tớch 2-Lũng sụng 3-Bói sụng

Căn cứ vào hỡnh dỏng mặt cắt khi nước lớn và nước thấp, cú thể phõn ra mặt cắt đơn và mặt cắt kộp

M/c đơn

M/c kép

Hỡnh 2.12 Mặt cắt đơn và mặt cắt kộp

Để xõy dựng mặt cắt ngang làm tương tự như xõy dựng mặt cắt dọc:

- Đo cao độ cỏc điểm đỏy sụng trờn mặt cắt ngang Khoảng cỏch giữa cỏc điểm đo phụ thuộc vào tỷ lệ đo vẽ

- Vẽ cỏc điểm đỏy sụng trờn hệ trục toạ độ vuụng gúc cú trục tung là cao độ, trục hoành là khoảng cỏch giữa cỏc điểm đo

- Nối cỏc điểm đo lại thu được trắc ngang sụng

b Cỏc đặc trưng thủy lực trờn mặt cắt ngang

(1) Diện tớch mặt cắt ướt ω (m2): Là diện tớch của phần mặt cắt cú nước chảy qua Để xỏc định ω trờn mặt cắt ngang sụng dựng cỏc thuỷ trực (là cỏc đường thẳng đứng từ mặt nước xuống đỏy sụng) chia mặt cắt ngang thành cỏc mảnh nhỏ sao cho trong khoảng giữa 2 thuỷ trực cú thể coi gần đỳng đỏy sụng là đường thẳng

wn

wn-1

Hỡnh 2.13 Tớnh toỏn cỏc thụng số trờn mặt cắt ướt

Trong đú:

hi - độ sõu lũng sụng tại cỏc thuỷ trực, [m];

bi – khoảng cỏch theo chiều ngang giữa cỏc thủy trực, [m]

(2) Chu vi ướt χ (m): Chu vi ướt là độ dài đỏy sụng trờn mặt cắt ướt tớnh từ mộp nước

Sử dụng cỏch chia mảnh bằng cỏc thuỷ trực như trờn, xỏc định được χ:

() 2n2n2

(4) Độ sâu trung bình HTB (m):

BHTB ω

Trong đó:

ω - diện tích mặt cắt có nước (m2); B - chiều rộng mặt cắt có nước (m)

Với những sông lớn, khi bề rộng >> độ sâu, có thể coi χ ~ B và HTB~R với R là bán kính thuỷ lực của dòng chảy

c Hình dáng mặt nước trên mặt cắt ngang:

Trên mặt cắt ngang, mặt nước không nằm ngang mà có dạng cong và có độ dốc, gọi là độ dốc ngang

Nguyên nhân gây ra độ dốc ngang của mặt nước trên mặt cắt ngang là do lực quán tính ly tâm ở những đoạn sông cong và lực quán tính Coriolit ở những đoạn sông thẳng có hướng gần song song với hướng kinh tuyến

(với một đơn vị chất điểm thì m = 1)

Mọi vật chuyển động trên quả đất đều bị lực do quả đất tự quay quanh nó sinh ra, lực này luôn vuông góc với hướng chuyển động của vật Ở Bắc bán cầu lực này làm cho hướng chuyển động lệch về phải, ở Nam bán cầu lực làm hướng chuyển động lệch về trái Lực Coriôlit tác dụng lên một đơn vị khối lượng là :

=2 .v.sin

ω - tốc độ góc chuyển động quay của trái đất; v – lưu tốc trung bình dọc sông;

ϕ - vĩ độ địa lý tại vị trí đang xét

Một chất điểm chuyển động chịu tác dụng của 2 lực: trọng lực P và lực Criôlits Fk Hợp lực của 2 lực này thành lực F Lực F làm cho hướng chuyển động của vật bị xiên đi và làm cho mặt nước bị nghiêng đi một góc β

2.4 Khái niệm cơ bản về sự hình thành dòng chảy sông ngòi

Nước mưa khi rơi xuống lưu vực, một phần chảy trên mặt đất tạo thành dòng chảy mặt, một phần ngấm xuống đất rồi tập trung thành mạch nước ngầm (dòng chảy ngầm) chảy vào sông, sau đó chảy qua cửa ra của lưu vực tạo thành dòng chảy sông ngòi Sau đây nghiên cứu quá trình hình thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm

Xét trong một thời gian dài, có thời kỳ mưa nhiều, có thời kỳ mưa ít

2.4.1.2 Quá trình tổn thất:

Nước mưa rơi xuống lưu vực không phải tất cả tham gia vào việc hình thành dòng chảy mà có một phần tổn thất do bốc hơi, một phần thấm xuông đất và bị giữ lại trong đất, một phần đọng lại trên lớp thực vật, các quá trình đó gọi chung là quá trình tổn thất trên lưu vực :