Thủy văn đại cương
Giáo trình thủy văn đại cương. Tài liệu tổng hợp được sưu tầm. Mời các bạn tham khảo.
Môn: Thủy văn & tài nguyên nước 11 tài liệu
Trường: Trường Đại học Thủy Lợi 566 tài liệu
Tác giả:
Preview text:
Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA THỦY VĂN HỌC
Thủy văn học là khoa học về nước, nghiên cứu sự hình thành, sự tồn tại, sự vận
động của nước trên quả đất cùng với các đặc tính vật lý, hóa học của chúng và tác
động qua lại đối với môi trường xung quanh bao gồm cả tác động đối với các vật
thể sống đặc biệt là đối với con người. Thủy văn có thể được coi như một ngành
khoa học chứa đựng trong nó toàn bộ các khoa học khác nhau về nước hoặc được
định nghĩa một cách chính xác hơn là một ngành khoa học nghiên cứu về tuần hoàn
nước, về chu trình vận động của nước trên trái đất. Các kiến thức thủy văn được áp
dụng trong việc điều khiển và sử dụng nguồn tài nguyên nước.
Đối tượng của thuỷ văn học là nghiên cứu lớp thủy quyển bao quanh trái đất
bao gồm nước đại dương, biển, sông ngòi, ao hồ, đầm lầy, hồ chứa nhân tạo, những
vùng tích ẩm dưới dạng lớp vỏ tuyết, băng hà và nước ngầm.
Thủy văn liên quan chặt chẽ với các ngành khoa học khác như khí tượng học,
địa chất học, địa mạo học, thủy lực học, toán học và các khoa học khác liên quan
đến nghiên cứu lớp vỏ trái đất – khoa học địa lý.
Trong quá trình phát triển, thủy văn học đã phân làm hai bộ phận lớn: thủy văn
lục địa và thủy văn đại dương. Bản thân thủy văn lục địa cũng phân thành một số
bộ môn có tính độc lập nhất định theo đối tượng nghiên cứu như: thủy văn sông
ngòi, thủy văn ao hồ và đầm lầy, thủy văn nước ngầm, thủy văn băng hà. Ngoài ra
theo nghiệp vụ công tác còn có các môn học: đo đạc thủy văn, địa lý thủy văn, dự
báo thủy văn, tính toán thủy văn, động lực học sông ngòi, vật lý nước lục địa, hóa học nước lục địa…
Ngày nay thủy văn hiện đại đi sâu nghiên cứu thủy văn trong các môi trường
đặc thù: thủy văn nông nghiệp, thủy văn rừng, thủy văn vùng triều, thủy văn đô thị….
Môn thủy văn đại cương cho chương trình đào tạo kỹ thuật viên khí tượng là
một môn học thuộc nhóm các môn cơ sở giúp cho học sinh có những kiến thức
chung về thủy văn. Môn học giúp cho học sinh nắm được các vấn đề sau:
Các quá trình cơ bản trong tuần hoàn nước, chu trình thủy văn và cân bằng
nước xảy ra trên trái đất.
Một số đặc trưng ở lưu vực sông, dòng chảy và chế độ nước trong sông.
Đo mực nước và lưu lượng nước, xử lý sơ bộ tài liệu mực nước và lưu lượng nước.
Nội dung của môn học nhằm trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản về
thủy văn học nói chung đồng thời cũng gắn một mảng kiến thức thực hành quan 1
trọng đó là đo và xử lý sơ bộ mực nước và lưu lượng nước nhằm đảm bảo tay nghề
cho học sinh để đáp ứng được công tác điều tra cơ bản.
1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THỦY VĂN HỌC
1.2.1. Sơ lược về lịch sử phát triển của thủy văn học trên thế giới
Thủy văn học có nguồn gốc phát triển từ lâu đời. Vào khoảng 4000 năm về
trước, nhân dân Trung Quốc dưới sự lãnh đạo của Đại Vũ đã đấu tranh bền bỉ với
nước lũ sông Hoàng, cũng thời gian đó người Ai Cập đã tiến hành quan trắc mực
nước trên sông Nin với mục đích phòng chống lũ.
Việc sử dụng nguồn nước ngày càng tăng, và do đó yêu cầu nghiên cứu các
hiện tượng thủy văn ngày càng trở nên cấp bách. Thủy văn học đã luôn phát triển cả
về phương pháp nghiên cứu cũng như kỹ thuật quan trắc, thu thập các đặc trưng
thủy văn. Lịch sử phát triển của thủy văn có thể khái quát chia sơ bộ thành các giai đoạn sau:
(1) Giai đoạn trước thế kỷ 18
Đây là thời kỳ phát triển cổ điển của thủy văn học. Trong giai đoạn này việc
phân tích các hiện tượng thủy văn chủ yếu mang tính chất định tính. Những quan
trắc để thu thập tài liệu cũng được đã được ứng dụng, nhưng chủ yếu là quan trắc
mực nước. Việc tiến hành các quan trắc cũng mang tính chất cục bộ mà không có
tính hệ thống. Vào thời kỳ cuối của giai đoạn này (thời kỳ Phục Hưng) người Ý đã
chế tạo thành công máy đo lưu tốc, và sử dụng nó để đo tốc độ và lưu lượng ở các
sông suối có yêu cầu khai thác nguồn nước.
(2) Giai đoạn từ thế kỷ 18 đến đầu thế kỷ 20 (đến trước năm 1930)
Đây là thời ký phát triển mạnh của thủy văn học do yêu cầu phát triển của các
công trình giao thông và thủy lợi. Tính toán thủy văn được phát triển ở nhiều nước
có mức độ phát triển công nghiệp cao. Ở Pháp Bengrangơ công bố công trình
nghiên cứu về quan hệ mưa rào dòng chảy trên sông Xen. Ở Ý, Môntarini đưa ra kết
quả nghiên cứu về chế độ thủy văn sông Tibrơ. Ở Hoa kỳ Humprây và Abớt đã
quan trắc và phân tích chế độ thủy lực và lưu lượng nước trên sông Mixixipi. Vào
cuối thế kỷ 19 có công trình nghiên cứu của Penk (Áo) về cân bằng nước và chế độ
dòng chảy của sông Đanuyp. Ở Nga, vào năm 1865 – 1870, ngươờ ta đã tổ chức
hàng loạt các trạm quan trắc thủy văn để nghiên cứu diễn biến sông ngòi, phục vụ
cho giao thông vận tải. Các công trình nghiên cứu quan trọng có thể kể đến là “vấn
đề chuyển động của nước trong sông và sự hình thành dòng chảy sông ngòi” của
J.S.Lêliapski (1893); “Cơ cấu dòng sông” của V.M.Lôchin (1897).
Cuối thế kỷ thứ 19, trên cơ sở tài liệu tích lũy được A.J.Vaiâykốp phát hiện
quan hệ dòng chảy sông ngòi và khí hậu, ông phát biểu một nhận xét nổi tiếng
“Sông ngòi là sản phẩm của khí hậu”. Vào những năm 1878 – 1908 E.V.Opakốp
phân tích dao động của dòng chảy sông Đơniep trong nhiều năm, phát hiện tính
đồng bộ trong sự thay đổi dòng chảy và mưa, đã khẳng định tính đúng đắn của Vaiâykốp trước đây. 2
Đầu thế kỷ 20 một số công thức kinh nghiệm đã được công bố và sử dụng rộng
rãi như các công thức của Penk, Sraibơ, Kenlơ ở châu Âu, các công thức của
N.Dôngốp, I.Langơ, Đ.J Kôsêrin sử dụng ở Nga. Ở Mỹ Niuel đã xây dựng đường
đẳng trị dòng chảy nằm trên lãnh thổ Hoa Kỳ.
Nhìn chung, trong giai đoạn này các phương pháp nghiên cứu chủ yếu là tổng
hợp địa lý. Các nghiên cứu chưa được thực hiện một cách hệ thống và chưa được đề
cập một cách đầy đủ đến toàn bộ các vấn đề của dòng chảy sông ngòi.
Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu của thủy văn học cho tính toán thiết kế các
công trình thủy lợi còn nhiều hạn chế. Cho đến những năm 1925 – 1930, ở Nga
D.J.Koserin mới bắt đầu tổng hợp một cách có hệ thống các tài liệu thủy văn và đưa
ra một số phương pháp tính toán thủy văn phục vụ thiết kế các công trình.
(3) Giai đoạn từ năm 1930 – 1960
Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ và quan trọng nhất của thủy văn học. Với
những kết quả nghiên cứu ở giai đoạn trước, thủy văn học đã phát triển thành một
môn khoa học độc lập. Các nhà khoa học ở các nước Liên Xô cũ, Mỹ, các nước
châu Âu, Ấn Độ và Trung Quốc, Nhật Bản đã xây dựng thành công hệ thống cơ sở
lý luận của tính toán thủy văn. Các nhà khoa học đã đề xuất các phương pháp tính
toán hợp lý các đặc trưng thủy văn dùng trong quy hoạch, thiết kế các công trình
thủy lợi. Một điều đáng chú ý là phương pháp thống kê toán học đã được ứng dụng
trong thủy văn do D.L Xôkôlôpski đề nghị và được phát triển bởi N.S Kritski và
M.F Menken; G.N Brôcôvíc; G.A Alêchxâyep; G.G Svanitze…
Cũng trong giai đoạn này các mô hình toán đã được thiết lập và bắt đầu được sử
dụng trong tính toán thủy văn, dự báo tác nghiệp, phân tích và tính toán diễn biến lòng sông….
Các phương pháp tính toán điều tiết dòng chảy được xây dựng. Các nghiên cứu
về dòng chảy năm, dòng chảy lũ, động lực học sông ngòi, động lực cửa sông … đã
được nghiên cứu một cách khoa học và chi tiết.
Cùng với sự phát triển hoàn thiện về các phương pháp nghiên cứu và tính toán,
hệ thống các trạm quan trắc thủy văn được mở rộng và được tổ chức một cách có hệ
thống. Các thiết bị và kỹ thuật đo đạc, phân tích số liệu thủy văn cũng được hiện đại hóa.
Nói tóm lại, đây là giai đoạn phát triển quan trọng và hoàn thiện, làm cơ sở cho
sự phát triển hiện đại của thủy văn học sau này.
(4) Giai đoạn từ 1960 đến nay
Đây là giai đoạn phát triển hiện đại của thủy văn học. Nhờ có sự phát triển
mạnh mẽ của máy tính điện tử và phương pháp tính, việc ứng dụng các mô hình
toán học trong thủy văn được khai thác một cách triệt để. Sự phức tạp của hiện
tượng thủy văn được giải quyết và ứng dụng một cách có hiệu quả trong thực tế sản xuất.
Những quan niệm hiện đại về dòng chảy sông ngòi được hình thành theo quan
điểm hệ thống. Theo quan điểm hệ thống, dòng chảy sông ngòi không phải chỉ là
sản phẩm của khí hậu mà là kết quả của sự tác động tương tác giữa điều kiện khí 3
hậu, mặt đệm cùng với sự tác động của con người vào điều kiện mặt đệm và những
biện pháp khai thác nguồn nước. Quan điểm hệ thống còn thể hiện trong phương
pháp đánh giá dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm trong mối quan hệ tương tác lẫn
nhau. Xuất phát từ quan điểm hệ thống, các phương pháp tính toán thủy văn hiện
đại cũng được xây dựng. Các phương pháp đó được xây dựng trong mối quan hệ
tương tác giữa dòng chảy và các biện pháp công trình, các yêu cầu về nước của con
người. Tiêu biểu cho các phương pháp đó là việc thiết lập các mô hình mô phỏng hệ
thống đối với các hệ thống phức tạp. Lý thuyết phân tích hệ thống được áp dụng khi
phân tích và tính toán các đặc trưng thủy văn trong quy hoạch, thiết kế. Xu thế hiện
đại của việc xây dựng các mô hình hệ thống là sự kết hợp giữa các mô hình thủy
văn, thủy lực, các mô hình quản lý chất lượng nước….
Cùng với sự phát triển của phương pháp tính toán, các thiết bị và phương pháp
quan trắc cũng được cải tiến, kỹ thuật viễn thám, các máy đo hiện đại đã được sử
dụng trong khảo sát đo đạc và thu thập tài liệu.
Nói tóm lại, các phương pháp tính toán và nghiên cứu trong thủy văn học được
tiến hành trong mối quan hệ tương tác giữa con người và thiên nhiên.
1.2.2. Lịch sử phát triển của thủy văn học ở Việt Nam
Ở nước ta, trước thế kỷ 20 không thấy có những tư liệu về nghiên cứu thủy văn.
Tuy nhiên những quan trắc và các phân tích định tính có thể đã có từ rất lâu. Không
thể không có những quan trắc (dù chỉ là rất thô sơ) và những phân tích về quy luật
của thủy triều khi Ngô Quyền ở thế kỷ thứ 10 sử dụng thủy triều để tiêu diệt quan
Nam Hán trên sông Bạch Đằng. Ba ngàn năm về trước, từ đời Lã Vọng, vùng duyên
hải đã có bài ca về con nước rất có tác dụng trong sản xuất nông nghiệp. Các sông
đào như sông Đuống, sông Luộc, kênh nhà Lê và các hệ thống đê được xây dựng từ
bao đời nay không thể thực hiện được mà không có kiến thức về dòng chảy sông ngòi.
Tuy nhiên, chỉ đến đầu thế kỷ thứ 20, khi người Pháp cai trị ở nước ta, hệ thống
quan trắc khí tượng thủy văn mới được thiết lập. Tài liệu đo được sớm nhất vào
năm 1902. Những năm từ 1910 cho đến 1954, hệ thống quan trắc thủy văn được mở
rộng trên hệ thống các sông lớn và chủ yếu là các trạm đo mực nước.
Từ năm 1959 cho đến nay, hệ thống các trạm đo đạc thủy văn đã được mở rộng
trên quy mô lớn và việc tổ chức quan trắc được coi là có hệ thống.
Cùng với sự phát triển của hệ thống các trạm quan trắc, đội ngũ cán bộ nghiên
cứu thủy văn được đào tạo và lớn mạnh, các cơ quan quản lý và nghiên cứu được
hình thành. Hiện nay, đội ngũ cán bộ và thủy văn học Việt Nam đang tiếp cận và
hòa hợp với những tiến bộ khoa học kỹ thuật của thủy văn, thủy lợi trên thế giới.
1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƯỢNG THỦY VĂN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.3.1. Đặc điểm của hiện tượng thủy văn
Cũng như mọi hiện tượng tự nhiên khác trong thiên nhiên, hiện tượng thủy văn
là kết quả của sự tác động của nhiều nhân tố tự nhiên. Dòng chảy sinh ra trên mặt 4
đất phụ thuộc vào mưa, điều kiện địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật…. Đó là
một quá trình tự nhiên với đầy đủ tính chất vật lý của nó và biểu hiện của phạm trù
nguyên nhân và hậu quả. Nếu biểu diễn một cách hình thức quan hệ của dòng chảy
sông ngòi với các nhân tố tự nhiên tác động lên nó dưới dạng: Y = f(X,Z) (1 – 1)
Trong đó X là véc tơ hàng của các yếu tố khí tượng, khí hậu tham gia vào quá
trình hình thành dòng chảy sông ngòi:
X = (x1, x2,.........,xi,......,xn) (1 – 2)
Trong đó x1, x2, x3,............,xn là ký hiệu đặc trưng cho các yếu tố khí tượng, khí
hậu: mưa, bốc hơi, gió.....
Ký hiệu Z biểu thị véc tơ hàng của các đặc trưng mặt đệm tác động lên sự hình thành dòng chảy:
Z = (z1, z2,.........,zi,......,zn) (1 – 3)
Trong đó z1, z2,...... là ký hiệu đặc trưng cho các yếu tố mặt đệm: diện tích lưu
vực, điều kiện địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật.....
Nhóm các nhân tố khí hậu, khí tượng X biến động lớn theo thời gian, thường
được gọi là nhóm biến đổi nhanh. Sự biến đổi loại này vừa có tính chất chu kỳ, vừa
có tính ngẫu nhiên. Tính chu kỳ phản ánh quy luật thay đổi của xu thế bình quân,
tính ngẫu nhiên thể hiện ở sự xuất hiện một giá trị cụ thể tại thời điểm nào đó của
chu kỳ và lệch so với giá trị bình quân.
Nhóm nhân tố mặt đệm Z biến đổi chậm theo thời gian, thường gọi là nhóm
biến đổi chậm. Tính quy luật của nó thể hiện qua sự biến đổi theo không gian tạo
thành các vùng, miền có điều kiện mặt đệm đồng nhất.
Tổ hợp của hai nhóm nhân tố, tham gia vào quá trình dòng chảy theo quan hệ
(1 – 1) quyết định tính chất của các hiện tượng thủy văn. Rõ ràng, hiện tượng thủy
văn mang hai tính chất: tính tất định và tính ngẫu nhiên.
Tính chất tất định của hiện tượng và các quá trình thủy văn thể hiện ở các mặt sau:
Tính chu kỳ của các xu thế bình quân theo thời gian: chu kỳ một năm (mùa lũ,
mùa kiệt), chu kỳ nhiều năm (nhóm năm ít nước kế tiếp với các nhóm năm nhiều nước).
Tính quy luật không chỉ thể hiện ở tính chu kỳ mà còn thể hiện sự biến đổi có
quy luật theo không gian do bị chi phối bởi tính địa đới của các hoạt động khí hậu
và khí tượng tổ hợp với những hình thế mặt đệm tương đối ổn định của từng khu vực trên lãnh thổ.
Biểu thức (1 – 1) phản ánh quy luật vật lý của sự hình thành quá trình dòng
chảy và các đặc trưng biểu thị các hiện tượng thủy văn, là cơ sở cho các phương
pháp phân tích nguyên nhân hình thành của các hiện tượng đó.
Tính ngẫu nhiên của hiện tượng thủy văn phụ thuộc chủ yếu vào sự biến đổi
ngẫu nhiên của nhóm các nhân tố khí hậu, khí tượng thông qua quan hệ biểu diễn bởi biểu thức (1 – 1) 5
1.3.2 Các phương pháp nghiên cứu.
Các phương pháp nghiên cứu và tính toán thủy văn có thể chia làm hai loại:
phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành và phương pháp thống kê xác suất.
1. Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành
Cơ sở của phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành là tính tất định của
hiện tượng thủy văn. Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành lại có thể chia ra các loại sau:
(1) Phương pháp phân tích căn nguyên
Trên cơ sở phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến sự hình thành các đặc trưng
thủy văn theo biểu thức (1 – 1), người ta phân tích quan hệ giữa đặc trưng thủy văn
với các thông số đặc trưng cho nhân tố ảnh hưởng. Mối quan hệ đó được biểu diễn
bằng các quan hệ toán học: hoặc bằng các biểu thức, hoặc bằng các đồ thị và các
biểu thức lôgic, cao hơn nữa là các mô hình toán và mô hình mô phỏng hệ thống.
Các mô hình mô phỏng hệ thống hiện nay được sử dụng rộng rãi trong tính toán thủy văn công trình.
Khi thiết lập các quan hệ toán học cho lưu vực bất kỳ, cần phải có một số tài
liệu quan trắc. Điều nay không phải lúc nào cũng thực hiện được, do đó cần kết hợp
với các phương pháp tổng hợp địa lý và phương pháp lưu vực tương tự.
(2)Phương pháp tổng hợp địa lý
Vì rằng hiện tượng thủy văn mang tính địa đới, tính khu vực và biến đổi nhịp
nhàng theo không gian theo các cảnh quan địa lý, bởi vậy có thể tiến hành phân
vùng, nội ngoại suy bằng cách lập các bản đồ đẳng trị, các bản đồ phân khu các
tham số tổng hợp và sử dụng nó trong tính toán các đặc trưng thủy văn.
(3)Phương pháp lưu vực tương tự
Phương pháp lưu vực tương tự được sử dụng rộng rãi trong tính toán thủy văn.
Nguyên lý của phương pháp này là các tham số và các đặc trưng thủy văn của lưu
vực không có tài liệu quan trắc được suy ra từ lưu vực khác, có tài liệu đo đạc thủy
văn và có điều kiện hình thành dòng chảy tương tự như lưu vực cần phải tính toán.
Gọi Y1 và Y2 là các đặc trưng cùng loại của hai lưu vực, giả sử:
Y1 = f1(X1, Z1); Y2 = f2(X2, Z2) (1 – 4)
Với X1, X2, Z1, Z2 là các véc tơ tham số có dạng như biểu thức (1 – 2) và
(1 – 3). Các quan hệ f1(X1, Z1); f2(X2, Z2) có dạng như nhau.
Hai lưu vực được gọi là tương tự nếu như mỗi phần tử tương ứng của X1 có giá
trị xấp xỉ với X2 và cũng như vậy với Z1 và Z2. Trong trường hợp như vậy Y1 có thể
suy ra từ Y2 bằng biểu thức (1 – 5): Y1 = Y2 hoặc Y1 = K.Y2 (1 – 5)
Trong đó K là hằng số, được sử dụng như một hệ số hiệu chỉnh. 6
2. Phương pháp thống kê xác suất.
Vì rằng hiện tượng thủy văn mang tính chất ngẫu nhiên, do đó có thể coi các đại
lượng đặc trưng thủy văn là đại lượng ngẫu nhiên. Với giả định như vậy có thể áp
dụng lý thuyết thống kê xác suất, với chuỗi các đại lượng đặc trưng thủy văn bất kỳ để nghiên cứu.
Trong thực tế cần kết hợp các phương pháp trên đây. Mục đích cuối cùng của
tính toán thủy văn là xác định các đặc trưng thiết kế tương ứng với tần suất quy
định. Các đặc trưng đó có thể trực tiếp xác định bằng phương pháp thống kê xác
suất, hoặc xác định gián tiếp theo các phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành.
1.4 SỰ TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC TRONG THIÊN NHIÊN
Nước vận động trong thủy quyển qua những con đường vô cùng phức tạp tạo
thành vòng tuần hoàn thủy văn (chu trình thủy văn). Dưới tác dụng của năng lượng
mặt trời, nước trên mặt biển, đại dương, trên sông hồ, trên mặt đất và từ trong sinh
vật không ngừng bốc hơi. Hơi nước bay và không khí bốc lên cao cho tới khi chúng
ngưng kết và rơi trở lại mặt đất hoặc mặt biển, đại dương. Lượng nước rơi xuống
mặt đất có thể bị giữ lại bởi cây cối, chảy tràn trên mặt đất thành dòng chảy trên
sườn dốc, thấm xuống đất, chảy trong đất thành dòng chảy sát mặt đất và chảy vào
các dòng sông thành dòng chảy mặt. Phần lớn lượng nước bị giữ lại bởi thảm thực
vật và dòng chảy mặt sẽ quay trở lại bầu khí quyển qua bốc hơi. Lượng nước thấm
trong đất có thể thấm sâu hơn xuống các lớp đất bên dưới để cấp cho nước ngầm,
sau đó xuất lộ thành các dòng suối hoặc chảy dần vào sông ngòi tạo thành dòng
chảy mặt và cuối cùng chảy ra biển hoặc bốc hơi vào khí quyển.
Trong sơ đồ chung người ta chia tuần hoàn của nước trong thiên nhiên ra làm
vòng tuần hoàn lớn, vòng tuần hoàn nhỏ và vòng tuần hoàn nội địa.
Vòng tuần hoàn lớn là vòng tuần hoàn diễn ra trên phạm vi toàn cầu. Nước từ
mặt biển và đại dương bốc hơi lên, được gió đưa vào trong lục địa tạo thành mây,
mưa rơi xuống lục địa. Một phần trong đó tạo thành dòng chảy trở lại ra biển và đại dương.
Vòng tuần hoàn nhỏ là vòng tuần hoàn diễn ra trên phạm vi biển, nghĩa là nước
từ mặt biển và đại dương bốc hơi lên tạo thành mây, mưa rơi trở lại mặt biển và đại
dương (còn gọi là vòng tuần hoàn biển).
Vòng tuần hoàn nội địa là vòng tuần hoàn diễn ra trên phạm vi lục địa, tức là
nước từ mặt sông hồ, ao ngòi, lớp phủ thực vật, mặt đất bốc hơi lên tạo thành mây,
mưa rơi ngay xuống lục địa. 7
Hình 1 – 1. Sự tuần hoàn của nước trong tự nhiên 8 Chương 2 THỦY VĂN SÔNG
2.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SÔNG VÀ LƯU VỰC
2.1.1. Các khái niệm cơ bản về sông 1. Sông
Sông là những dòng nước tự nhiên chảy theo một lòng trũng một cách thường
xuyên hay với những giai đoạn đứt quãng về mùa khô. 2. Hệ thống sông
Tập hợp tất cả các con sông đổ vào sông chính và cùng với sông chính được gọi là hệ thống sông. 3. Nguồn sông
Nơi bắt đầu của một con sông được gọi là nguồn của nó. Dòng sông có thể được
bắt nguồn từ một mạch nước ngầm, từ hồ ao, đầm lầy hoặc từ một băng hà. Trong
một số trường hợp, một hồ nước cũng có thể đồng thời là nguồn của nhiều con sông
chảy ra theo các hướng khác nhau. Ở nước ta sông ngòi thường bắt nguồn từ các
khe núi cao, từ những mạch nước ngầm và những thung lũng tập trung nước mưa ở
trên một diện tích tương đối nhỏ. Từ nguồn về hạ du, lượng dòng nước của sông
tăng lên do được bổ sung nước từ các sườn dốc thung lũng xuống lòng sông, nước
ngầm và cả nước từ sông nhánh càng về xuôi lại càng tiếp tục dồn thêm nước vào lòng sông chính.
Với cách sản sinh ra sông, nguồn đóng vai trò to lớn trong chế độ nước của nó.
Ví dụ các sông có nguồn gốc từ hồ có nhiều nước ngay đầu nguồn và khối nước này
hầu như không phụ thuộc vào lượng mưa. Các con sông với nguồn cung cấp nước là
sông băng có ít nước hơn đôi chút nhưng mùa hè càng nóng thì càng nhiều nước.
Các con sông bắt nguồn từ suối hay mạch nước, từ hồ nhỏ ban đầu chỉ nhận được ít
nước thì chế độ dòng chảy phụ thuộc chặt chẽ vào thời tiết của các mùa.
4. Thượng, trung và hạ lưu sông
Thượng lưu: là đoạn trên cùng của sông. Đoạn này có độ dốc lớn, nước chảy
xiết, xói lở theo chiều sâu mạnh, lòng sông hẹp, thường có ghềnh thác lớn.
Trung lưu: là đoạn sông kế với đoạn thượng lưu, độ dốc lòng sông ở đây đã
giảm dần, không có ghềnh thác lớn, nước chảy yếu hơn, xói lở phát triển sang hai
bờ hơn là xói sâu (nếu lũng sông không là đá) làm cho lòng sông mở rộng dần, sông
ngày càng uốn khúc nhiều hơn.
Hạ lưu: là đoạn cuối cùng của sông, đoạn này độ dốc lòng sông rất nhỏ, nước
chảy chậm, bồi nhiều hơn xói, tạo nên nhiều bãi bồi giữa lòng sông. Hình dạng sông
quanh co uốn khúc rất rõ rệt, lòng sông mở rộng nhiều so với các đoạn trên. 9 5. Cửa sông
Cửa sông là nơi cuối cùng của một con sông. Cửa sông có thể là nơi dòng chảy
sông đổ vào sông khác, vào hồ, đầm lầy, biển... Cũng có những sông không có cửa,
đó là những sông chảy qua miền sa mạc quá khô cằn, nước bị ngấm và bốc hơi mà
hết, những sông chảy vào hang động ngầm, hoặc chảy xuống những lớp cát sỏi dày
phủ trên mặt lòng sông (ở những vùng đá vôi nhiều hang động ngầm thuộc lưu vực
sông Đà, sông Kỳ Cùng đều thấy hiện tượng suối chảy vào động ngầm dưới đất).
Có những trường hợp nước sông không thể chảy về cửa sông thiên nhiên được vì
người ta đã lấy hết một phần nước của nó để dẫn vào các hệ thống tưới, hiện tượng
kiệt nước chỉ xảy ra trong một thời gian ngắn trong năm vào mùa khô.
6. Độ dài và độ uốn khúc của sông
Độ dài sông: L, km
Độ dài sông là khoảng cách từ nguồn đến cửa sông đo theo đường nước chảy.
Độ dài sông bao giờ cũng lớn hơn khoảng cách thẳng nối từ nguồn đến cửa sông, do
đó dòng sông bao giờ cũng có một đặc tính gọi là tính uốn khúc.
Độ uốn khúc của sông: Ku
Hình dạng mặt bằng lòng của lòng sông khá phức tạp. Lòng sông rất ít khi
thẳng mà thường uốn khúc quanh co. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể là
các điều kiện địa chất, địa mạo (uốn khúc sơn văn), nhưng chủ yếu là do quy luật
chuyển động của nước trong sông (uốn khúc thủy văn).
Độ uốn khúc của sông là tỷ số giữa chiều dài sông và khoảng cách thẳng từ nguồn đến cửa sông. KU = (2 – 1)
Độ uốn khúc của sông tỷ lệ nghịch với độ dốc lòng sông và tỷ lệ thuận với tuổi
của sông ngòi. Do đó, sông dù chảy theo một đường đứt gẫy thẳng hay một con
sông đào cũng uốn khúc cong queo. Nếu khúc uốn quá lớn, sông sẽ đổi dòng và sẽ
để lại hồ móng ngựa ven sông. Từ công thức trên ta thấy độ uốn khúc của sông luôn
lớn hơn 1. KU càng lớn sông càng quanh co uốn khúc. Nhìn chung độ uốn khúc của
sông ở đồng bằng thường lớn hơn sông miền núi. Cũng theo phương pháp đó ta có
thể xác định độ uốn khúc của từng đoạn sông. F B D E A H N g u o àn C ö ûa s o ân g C G l Hình 2 – 1 10
Hướng chảy cơ bản của dòng sông (những dòng sông tương đối lớn) có ý nghĩa
quan trọng vì hướng đó quyết định một số đặc trưng của dòng chảy. Dòng sông
chảy từ Nam lên Bắc sẽ có tình hình khác dòng sông chảy từ Bắc xuống Nam.
7. Độ rộng và độ sâu của sông
Theo quy luật chung, càng đi xa nguồn, sông càng rộng. Ở hạ du những sông
lớn có khi rộng tới hàng ngàn mét. Đồng thời với sự tăng của độ rộng lúc đi dần về
phía hạ du, độ sâu của sông cũng tăng lên. Nhưng không phải độ rộng và độ sâu của
sông đều tăng dần theo sông một cách liên tục, trên tất cả các dòng sông đều quan
sát thấy hiện tượng từng khúc sông co lại và rộng ra xen kẽ nhau. Cũng như vậy,
những chỗ sâu và cạn đều xen kẽ nhau.
Độ rộng và độ sâu của sông thay đổi nhiều nhất ở cửa các sông nhánh lớn.
Nhưng sự thay đổi như vậy cũng thường thấy ở những chỗ có đảo, thác, đá ngầm …
8. Lòng sông và bãi sông
Độ rộng và độ sâu của sông không những chỉ thay đổi trong không gian theo
chiều chảy của dòng nước, mà còn thay đổi theo thời gian trên một mặt cắt nhất
định hoặc trên mặt cắt dọc. Lúc mực nước thấp, dòng sông chảy trong phần thấp
nhất của thung lũng sông (thấp nhất trong từng mặt cắt), phần đó gọi là lòng sông.
Vào mùa lũ, nước dâng lên khỏi lòng sông và chiếm một phần lớn thung lũng sông,
phần đó gọi là bãi sông hoặc là bãi lòng sông (hình 2 – 2)
Hình 2 – 2. Mặt cắt ngang của thung lũng sông
Trong lòng sông bao giờ cũng bao gồm một số bộ phận như bãi bồi, doi cát, vực
sâu. Ở hạ lưu sông, các bãi nông và vực sâu phân bổ theo các quy luật nhất định.
Các thành phần này cũng dịch chuyển dần về phía cửa sông nhưng với tốc độ rất
chậm. Tuy nhiên cũng có khi đạt tới tốc độ khá lớn, có thể tới vài chục hay vài trăm mét trong một năm.
9. Mặt cắt ngang sông
Mặt cắt ngang sông là mặt phẳng được giới hạn bởi đường mặt nước và chu vi
ướt của lòng sông. Mặt phẳng này vuông góc với hướng chảy bình quân dòng nước.
Mặt cắt ngang sông cũng như lòng sông không cố định mà thay đổi theo lượng nước 11
trong sông. Do đó ứng với các mực nước khác nhau sẽ có các mặt cắt ngang tương ứng.
Hình 2 – 3. Mặt cắt ngang sông Hồng ở trạm đo Lao Cai
10. Độ dốc dọc của sông
Mặt cắt dọc của một con sông là một mặt thẳng đứng biểu thị sự thay đổi độ cao
của đáy sông và mặt nước sông (mực nước kiệt nhất năm) từ nguồn về cửa sông.
Mặt cắt này đặc trưng cho sự thay đổi độ dốc của đáy sông và độ dốc mặt nước dọc con sông.
Độ dốc của sông (độ dốc mặt nước, độ dốc đáy sông):
Độ dốc của đáy sông hay của mặt nước là tỷ số giữa hiệu độ cao ở điểm đầu H1
và điểm cuối H2 của đoạn sông cần nghiên cứu với khoảng cách L giữa hai điểm đó. J = (2 – 2)
Khi độ dốc thay đổi tương đối đều từ nguồn đến cửa thì độ dốc trung bình của sông là: J = (2 – 3)
Hình dưới đây biểu thị mặt cắt dọc của sông Đà từ biên giới tới khi vào sông Hồng. 12
Hình 2 – 4. Mặt cắt dọc sông Đà
Độ dài toàn bộ : 910km, trên lãnh thổ Việt Nam: 536km
11. Sông chính, sông nhánh
Trong mỗi hệ thống sông có một sông chính và nhiều sông nhánh. Việc xác
định sông chính phải dựa trên cơ sở lượng nước, hướng chảy của sông, độ lớn và
đặc tính thung lũng sông, cũng như chiều dài và diện tích lưu vực. Tuy nhiên, sông
chính thường được xác nhận không phải là dựa trên cơ sở các nguyên lý thủy văn và
hình thái, mà là do lịch sử (người đã khai khẩn lãnh thổ). Thí dụ, trong hệ thống
sông Vonga nếu đứng về phương diện thủy văn thì sông Kama mới là sông chính.
Nhưng vì việc khai khẩn lưu vực này được thực hiện bởi những người Nga đi từ
Matxcơva xuống cho nên phần thượng lưu của sông Volga đã được xác nhận là
sông chính, hoặc trong hệ thống sông Hồng cũng có tình trạng tương tự. Nếu theo
lượng nước thì đáng lẽ phải gọi sông Đà là sông chính vì nó chiếm tới 48% tổng
lượng dòng chảy hàng năm của toàn bộ hệ thống, nhưng thực tế ta vẫn gọi dòng chính là sông Hồng.
Những con sông đổ vào sông chính được gọi là các sông nhánh cấp một, những
sông nhánh của các sông cấp được gọi là sông nhánh cấp hai,.v.v… Số thứ tự của
một sông nhánh chỉ nói lên sự cách biệt của nó so với sông chính, chứ không nói lên
được độ lớn của nó. Bất kỳ sông nào cũng có những sông nhánh rất nhỏ thuộc
nhánh cấp một và những sông nhánh lớn thuộc số thứ tự cách xa. Vì vậy mà có cả
một hệ thống khác phân chia các con sông theo lớp. Các con sông sơ đẳng, không
có sông nhánh được xếp vào lớp thứ nhất. Các con sông thu nhận nước của những
con sông sơ đẳng được xếp vào lớp thứ hai… sông chính sẽ thuộc lớp càng lớn khi
hệ thống của nó càng bị phân nhánh nhiều. 13
Sự bố trí của các sông nhánh dọc theo sông chính có ảnh hưởng quyết định tới
tình hình dòng chảy của sông. Có thể phân ra các loại sông nhánh bố trí theo hình
nan quạt trong đó cửa các sông nhánh lớn ở gần nhau; sông nhánh bố trí theo hình
lông chim, các sông nhánh phân bố một cách đều đặn ở hai bên sông chính hay sông
nhánh bố trí theo hình song song
Mạng lưới sông bố trí dạng
Mạng lưới sông bố trí dạng hình nan quạt lông chim
Mạng lưới sông hình song song
Mạng lưới sông hình cành cây
Hình 2 – 5. Sơ đồ mạng lưới sông 2.1.2. Lưu vực sông
1. Đường phân nước của lưu vực.
Mỗi hệ thống sông thu nhận nước trên mặt và nước ngầm của một vùng lãnh
thổ xác định, lãnh thổ này được gọi là diện tích thu nước hay lưu vực sông. Lưu vực 14
sông bao gồm hai phần: lưu vực trên mặt và lưu vực ngầm. Các lưu vực được phân
cách với nhau bởi đường phân nước.
Đường phân nước mặt của lưu vực là đường nối các điểm cao nhất xung quanh
lưu vực, nước mưa rơi xuống sẽ chảy về hai phía của hai sườn dốc của hai lưu vực
khác nhau. Đường phân nước ngầm là đường nối liền các điểm cao nhất của tầng
nham thạch không thấm nước bao quanh lưu vực. Đường phân nước mặt và đường
phân nước ngầm thường không trùng nhau nhưng do việc xác định đường phân
nước ngầm rất khó khăn và sự chênh lệch này cũng không lớn lắm (trừ vùng
cacxtơ) nên trong thực tế người ta thường lấy đường phân nước mặt là đường phân
nước chính của lưu vực.
Ở các miền núi, các đường phân nước đi theo những đường sống của các dãy
núi và bao giờ cũng biểu hiện rõ rệt. Ở các miền đồng bằng, các đường phân nước
thường được xác định bằng các dải rộng. Một đặc điểm rất quan trọng là đường
phân nước không phải là cố định mà có thể biến đổi do các hiện tượng bắt dòng hay
phân lưu. Lúc đó, kích thước của lưu vực sông cũng thay đổi. 20 30 50 40 40 30 40 30 20 10 0 250 500m
Hình 2 – 6. Lưu vực và đường phân nước của lưu vực
Lưu vực sông có tác dụng quan trọng tới dòng chảy sông ngòi. Kích thước lưu
vực có thể ảnh hưởng trực tiếp tới lượng dòng chảy sông ngòi. Trong các điều kiện
địa lý tương tự, diện tích lưu vực lớn sẽ có lượng dòng chảy lớn, ngược lại kích
thước lưu vực nhỏ, lượng dòng chảy cũng nhỏ đi. Kích thước của lưu vực cũng ảnh 15
hưởng tới quá trình tập trung lũ trong sông. Lưu vực sông càng lớn, mức độ điều
tiết tự nhiên càng lớn.
Hình 2 – 7. Đường phân nước mặt và nước ngầm
2. Các đặc trưng hình học và địa lý tự nhiên của lưu vực
(1) Diện tích lưu vực: F(km2)
Phần mặt đất được khống chế bởi đường phân nước của lưu vực gọi là diện tích
lưu vực. Sau khi đã xác định được đường phân nước của lưu vực trên bản đồ địa
hình, thì ta có thể xác định được diện tích lưu vực bằng máy đo diện tích, phương
pháp kẻ ô vuông, … Để đảm bảo độ chính xác người ta thường dùng các bản đồ địa
hình tỉ lệ 1/5000 hoặc 1/10.000 tùy theo lưu vực lớn hay nhỏ, yêu cầu độ chính xác
của tài liệu. Độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào độ chính xác của bản đồ địa
hình, vào tỷ lệ bản đồ và độ chính xác của đường phân nước và vào phương pháp
đo. Nói chung để xác định diện tích lưu vực nhỏ cần bản đồ tỷ lệ lớn.
(2) Chiều dài lưu vực: L (km)
Chiều dài lưu vực được biểu thị bằng chiều dài đường gấp khúc nối từ cửa sông
qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực đến điểm xa nhất của lưu
vực. Trong thực tế, thường lấy chiều dài sông chính tính từ nguồn đến cửa sông
thay thế cho chiều dài lưu vực.
(3) Chiều rộng bình quân của lưu vực: B (km)
Chiều rộng bình quân của lưu vực bằng diện tích lưu vực chia cho chiều dài lưu vực. (2 – 4)
(4) Hệ số hình dạng của lưu vực Kd
Hệ số hình dạng lưu vực là tỷ số giữa độ rộng trung bình lưu vực và chiều dài sông chính. 16 (2 – 5)
Kd biểu thị mức độ phát triển của lưu vực. Thường Kd có trị số , Kd càng lớn
lưu vực càng rộng, nước tập trung nhanh. Kd càng nhỏ, lưu vực càng dài, nước tập trung từ từ.
(5) Hệ số không đối xứng Ka (2 – 6)
tr - diện tích bên trái sông chính (tả ngạn sông chính)
p - diện tích bên phải sông chính (hữu ngạn sông chính) F - diện tích lưu vực
Ka nói lên mức độ đối xứng của lưu vực.
Ka = 0 - lưu vực đối xứng, sông chính ở giữa.
Ka 0 - lưu vực không đối xứng.
càng lớn thì lưu vực càng kém đối
xứng. Nếu K a > 0 sông chính lệch về phía bên phải, Nếu K a < 0 sông chính lệch về phía bên trái. (6) Hệ số kéo dài Kc
Là tỉ số giữa chiều dài của đường phân nước lưu vực với chu vi hình tròn có
diện tích bằng diện tích lưu vực. (2 – 7)
Lp – chiều dài đường phân nước.
Lt – chu vi hình tròn có diện tích bằng diện tích lưu vực Ta có: F = Lt = Do đó:
(7) Độ cao bình quân lưu vực 17 (2 – 8)
Hbq – độ cao bình quân của lưu vực (m)
fi – diện tích giữa 2 đường đồng mức kề nhau, F – diện tích lưu vực (km2)
hi – độ cao bình quân giữa hai đường đồng mức kề nhau.
(8) Độ dốc bình quân của lưu vực (‰) (2 – 9)
– chênh lệch độ cao giữa 2 đường đồng mức kề nhau (m)
– diện tích giữa 2 đường đồng mức kề nhau (km2)
– chiều dài trung bình giữa hai đường đồng mức kề nhau (km)
Nếu địa hình biến đổi đều thì độ dốc bình quân lưu vực có thể tính theo công thức gần đúng: (2 – 10)
Hmax: độ cao của điểm cao nhất trong lưu vực đơn vị là m
Hmin: độ cao của điểm thấp nhất trong lưu vực đơn vị là m. (9) Mật độ lưới sông
Mật độ lưới sông là tỷ số giữa tổng chiều dài của tất cả các sông trong hệ thống
sông trên diện tích lưu vực. D = (km/km2) (2 – 11) (10) Vị trí địa lý
Được xác định trên cơ sở các toạ độ địa lý (kinh, vĩ độ) và các vùng tiếp giáp
trên bản đồ địa lý sông ngòi.
(11) Cấu tạo địa chất thổ nhưỡng
Có tác dụng quan trọng đến việc điều tiết thủy văn, ảnh hưởng đến khả năng
cung cấp nước ngầm trong lưu vực. (12) Địa hình lưu vực
Mô tả hướng núi, độ cao núi, địa hình ảnh hưởng đến các yếu tố khí hậu, hướng dòng chảy. 18 (13) Thảm phủ thực vật
Bao gồm rừng, các loại cây trồng trên lưu vực có tác dụng quan trọng đến việc
điều tiết dòng chảy trên lưu vực, ảnh hưởng đến yếu tố khí hậu, làm chậm quá trình
tập trung dòng chảy mặt và tăng cường dòng chảy ngầm. (14) Ao hồ đầm lầy
Có tác dụng điều tiết (làm chậm) quá trình tập trung dòng chảy của lưu vực.
2.2 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC
Phương trình cân bằng nước được xây dựng trên nguyên lý bảo toàn vật chất.
Khu vực đang xét thường là lưu vực một con sông, hoặc một phần lưu vực thuộc đoạn sông đang xét.
Nguyên lý cân bằng nước có thể phát biểu như sau: “Trên một lưu vực nhất
định, trong một thời khoảng nhất định, lượng nước đi vào lưu vực cân bằng với
lượng nước đi ra khỏi lưu vực và lượng nước bị giữ lại trên lưu vực”. Dựa vào
nguyên lý đó ta thiết lập được phương trình cân bằng nước trong các trường hợp.
2.2.1. Phương trình cân bằng nước dạng tổng quát
Xét một lưu vực (có thể xem là một hình trụ) phía trên được giới hạn bởi mặt
đất lưu vực, phía dưới bởi lớp đất không thấm nước, ngăn cách mọi trao đổi của
nước trong lưu vực với các tầng đất ở dưới. Z X 2 Z Y 1 1 W U 1 1 Y 2 W 2
Hình 2 – 8. Lưu vực sông và các thành phần cân bằng nước trên lưu vực
Trong một thời khoảng nhất định, lượng nước vào lưu vực gồm:
X – lượng nước mưa rơi xuống lưu vực.
Z1 – lượng nước ngưng tụ từ khí quyển và đọng lại trong lưu vực.
Y1 – lượng dòng chảy mặt vào lưu vực.
W1 – lượng dòng chảy ngầm vào lưu vực. 19
Lượng nước ra khỏi lưu vực gồm:
Z2 – lượng nước bốc hơi khỏi lưu vực.
Y2 – lượng dòng chảy mặt ra khỏi lưu vực.
W2 – lượng dòng chảy ngầm ra khỏi lưu vực.
Lượng nước giữ lại trên lưu vực gồm:
U1 – lượng nước trữ trên lưu vực đầu thời khoảng tính toán.
U2 – lượng nước trữ trên lưu vực cuối thời khoảng tính toán.
Theo nguyên lý cân bằng nước cho phép ta viết:
(X + Z1 + Y1 + W1) = (Z2 + Y2 + W2) + (U2 – U1) (2 – 12)
Đó là phương trình cân bằng nước dạng tổng quát. Có thể áp dụng cho bất kỳ
một lưu vực (hoặc một bộ phận lưu vực) trong thời khoảng tính toán bất kỳ.
2.2.2 Phương trình cân bằng nước trong các trường hợp cụ thể.
1. Đối với lưu vực kín, thời đoạn bất kỳ
Đối với lưu vực kín, nghĩa là lưu vực không có dòng mặt và dòng ngầm chảy
vào Y1 = 0 và W1 = 0, ta có phương trình cân bằng nước:
(X + Z1) = (Z2 +Y2 +W2) + (U2 - U1) (2 – 13) Có thể ghép:
X = (Y2 + W2) + ( Z2 – Z1) + ( U2 – U1) (2 – 14) Hoặc viết thành: X = Y + Z U (2 – 15) Với Y = Y2 +W2
- lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực. Z = ( Z2 – Z1)
- lượng bốc hơi trừ lượng ngưng tụ. U = U2 – U1
- thay đổi lượng trữ trong thời khoảng tính toán 2.
Đối với lưu vực và kín xét trong thời khoảng nhiều năm.
Do có sự xen kẽ giữa năm ít nước và năm nhiều nước sẽ làm triệt tiêu U U = = (2 – 16)
Ui - lượng trữ nước vào đầu năm thủy văn.
Ui+1 - lượng trữ nước vào cuối năm thủy văn
n - số năm trong thời khoảng tính toán, khi n thì U 0
Phương trình cân bằng nước còn lại: X0 = Y0 + Z0 (2 – 18) Với X0 = Y0 =
- lượng dòng chảy bình quân nhiều năm 20
Tài liệu liên quan:
-
Bài giảng Thủy văn nước dưới đất (nước ngầm) môn Thủy văn & tài nguyên nước | Trường Đại học Thủy Lợi
47 24 -
Bài tập thủy văn đại cương
28 14 -
Chương 3: Nước trong khí quyển - Quá trình bốc hơi và mưa rào môn Thủy văn & tài nguyên nước | Đại học Thủy Lợi
111 56 -
Đồ án Kỹ thuật tài nguyên nước môn Thủy văn & tài nguyên nước | Đại học Thủy Lợi
157 79