Bài Giảng Thủy Văn Công Trình

WPS Presentation THUỶ VĂN CÔNG TRÌNH (ENGINEERING HYDROLOGY) • Mục tiêu Thông qua các quy luật của dòng chảy sông ngòi và điều tiết nước qua hồ chứa, áp dụng các phương pháp tính toán phục vụ cho việc[.]

THUỶ VĂN CÔNG TRÌNH

(ENGINEERING HYDROLOGY)

• Mục tiêu:

Thông qua các quy luật của dòng chảy sông ngòi

và điều tiết nước qua hồ chứa, áp dụng các phươngpháp tính toán phục vụ cho việc thiết kế các công trìnhliên quan đến nước và các dự án phát triển nông thôn

Yêu cầu biết:

- Các phương pháp tính các ĐTTVTK

- Thiết kế các hồ chứa nước

- Tính toán thủy văn công trình vượt dòng

- Một số mô hình toán thủy văn

- Vận dụng lý thuyết đã học để làm các bài tập, đồ ánthiết kế

Nội dung môn học: gồm 7 chương

• Chương 5: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY CHO HỒ

CHỨA PHỤC VỤ TƯỚI VÀ CẤP NƯỚC

• Chương 6: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG TÍNH TOÁN THỦY

VĂN CẦU ĐƯỜNG

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Bài giảng Thủy văn công trình

• Thủy văn đại cương – Trường ĐH GTVT

• Nguyên lý thủy văn – Trường ĐH TL

• Tính toán thủy văn thiết kế - ĐHTL

Chương 1 Tổng quan

• Tài nguyên nước và vấn đề khai thác tài nguyên nước

• Nhiệm vụ và nội dung của môn học Thuỷ văn công trình

• Đặc điểm hiện tượng thuỷ văn và phương pháp nghiên cứu

• Vài nét về lịch sử phát triển của thủy văn học

1.1 Tài nguyên nước và vấn đề khai thác TNN 1.1.1 TNN

• Nước trên trái đất tồn tại trong một khoảng không giangọi là thủy quyển Khoảng không gian này phát triểnđến độ cao 15km trong bầu không khí và đi sâu xuốngmặt đất khoảng 1km trong thạch quyển tức là vỏ tráiđất.

• Nước là một loại tài nguyên quý và được coi là vĩnhcửu Không có nước thì không có sự sống trên trái đất

• Nước được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nôngnghiệp, công nghiệp, thủy điện, giao thông thủy, nuôitrồng thủy sản …

1.1 Tài nguyên nước và vấn đề khai thác TNN 1.1.1 TNN

 Nước tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau

Lượng nước rất phong phú và tồn tại ở những dạng khác nhau

Ứớc tính phân bố nước toàn cầu:

Nguồn nước Thể tích nước tính

bằng km 3

Thể tích nước tính

bằng dặm khối

Phần trăm của nước ngọt

Phần trăm của tổng lượng nước

Đại dương, biển, và

Đỉnh núi băng, sông băng, và vùng tuyết phủ vĩnh cửu

• Nguồn nước trên thế giới rất lớn nhưng nước ngọt mới là yêu cầu cơbản cho hoạt động dân sinh kinh tế của con người

• Nước ngọt chiếm tỉ lệ khoảng 3% tổng lượng nước trên trái đất Trong

đó,

• 2/3 trong số đó là băng tuyết ở các cực

• Đại bộ phận của phần còn lại là nước ngầm ở độ sâu từ 200 đến 600m, đa phần

Nước là tài nguyên có thể tái tạo được

 Đặc thù nguyên nước: lượng hàng năm không phải là

vô tận, không phụ thuộc vào mong muốn của con người

 Tài nguyên nước được đánh giá bởi ba đặc trưng

quan trọng:

+ Lượng nước+ Chất lượng nước+ Động thái của nước

• Động thái của nước:

• Sự thay đổi dòng chảy theo thời gian

• Sự trao đổi nước giữa các khu vực chứa nước

• Sự vận chuyển và quy luật chuyển động của nước trong sông

• Sự chuyển động của nước ngầm

• Quá trình trao đổi chất hòa tan

• Truyền mặn

• V.v…

Nước thường phân bốkhông đồng đều theokhông gian

 và phân bố không đồng đều theo thời không gian

 dẫn đến sự không phù hợp giữa tài nguyên nước vàyêu cầu sử dụng của con người

• Ngoài những lợi ích to lớn mà nguồn nước mang lại thì nó cũng có những mặt có hại:

Nguồn nước đang bị đe dọa

Bảo vệ nguồn nước

Chu trình nước toàn cầu:

- Nước bốc hơi từ các đại dương và lục địa.

- Hơi nước được vận chuyển vào bầu không khí và ngưng kết

- Nước rơi trở lại mặt đất hoặc mặt biển.

Chu trình nước toàn cầu:

* Lượng nước rơi xuống mặt đất:

+ Một phần bị giữ lại bởi cây cối, một phần tạodòng chảy mặt, một phần tạo dòng chảy ngầm,

+ Phần lớn lượng nước bị giữ lại bởi thảm phủ thựcvật và dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm sẽ quay trở lại bầukhí quyển qua con đường bốc hơi và bốc thoát hơi

+ Phần còn lại của dòng chảy mặt và ngầm đổ rabiển và bốc hơi vào khí quyển

Hình 1-1: Vòng tuần hoàn nước và cân bằng nước toàn cầu với 100 đơn vị mưa trên lục địa

1.2 Tài nguyên nước và vấn đề khai thác tài nguyên nước ở Việt nam

- Nếu chỉ tính các con sông có L > 10km: 2360 sông, tập trung ở 9 hệ thống lưu vực sông chính

- Tổng lượng nước bình quân hàng năm chảy trên các sông suối Việt nam: 879 tỷ m3

- Phân bố không đều theo không gian và thời gian.

Hiện nay, Nhà nước đã chú ý đầu tư cho phát triển thủy lợi với quy môa lớn, tạo ra một hệ thống công trình thủy lợi đa dạng và rộng khắp trên toàn lãnh thổ:

(1) Nâng cấp, tu bổ và phát triển hệ thống đê điều.

(2) Xây dựng các hồ chứa, trong đó có cả các hồ chứa lớn, các hồ chứa vừa và nhỏ.

(3) Xây dựng các trạm bơm tưới, tiêu hoặc tưới tiêu kết hợp, các cống lấy nước tưới tiêu ở vùng đồng bằng, các hệ thống cống ngăn mặn ở vùng cửa sông.

Chủ yếu là khai thác sử dụng nước ngọt.

• Khai thác nguồn nước theo các mục đích khác nhau

• Các biện pháp khai thác công trình và phi công trình

• Tác động của việc khai thác tài nguyên nước đến chế độ dòng chảy tự nhiên

Nhiệm vụ của quy hoạch sử dụng nước là thiết lập một cân bằng hợp lý với hệ thống nguồn nước theo các tiêu chuẩn đã được quy định bởi các mục đích khai thác và quản lý nguồn nước.

Vấn đề khai thác tài nguyên nước

1.3 Nhiệm vụ và nội dung của môn học TVCT

• Thủy văn là môn khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất, sự xuấthiện, chu kỳ và sự phân bố của nước, các đặc tính hoá học và lý họccủa nước và sự phản ứng của nước đối với môi trường, bao gồm cả

mối quan hệ giữa nước với các vật sống (HĐ Liên bang Mỹ về Khoa

học và Công nghệ).

Thủy văn được ứng dụng trong

• Thiết kế và vận hành các công trình thủy lợi

Thủy văn công trình

1.3 Nhiệm vụ và nội dung của môn học TVCT

- Cung cấp những kiến thức cơ bản về sự hìnhthành dòng chảy sông ngòi, lưu vực

- Các PP đo đạc và thu thập tài liệu KTTV

Hướng dẫn học môn Thủy văn công trình

• Tài liệu tham khảo:

• Phương pháp đánh giá:

• Điểm quá trình: 40%

• Ý thức thái độ học tập

• Các bài tập

• Bài kiểm tra giữa kỳ

• Điểm thi cuối học phần: 60%

• Thi cuối học phần: thi viết (lý thuyết)

• Thời gian: 90 phút

Ghi chú: Mỗi sinh viên 1 đề thi, mỗi đề có 2 câu hỏi Sinh viên không được mang tài liệu vào phòng thi

1.4.1 Đặc điểm của hiện thủy văn

Y=f(X,Z)

Trong đó:

Y: Dòng chảy sông ngòi

X: tập hợp các yếu tố khí tượng, khí hậu tham gia vào sự hình thành dòng chảy sông ngòi

X= (x1, x2, x3, …, xn)

Với x1, x2, x3, …, xn là các đặc trưng khí tượng, khí hậu như mưa, bốc hơi, nhiệt

độ, gió, độ ẩm, số giờ nắng, điểm sương, …

Z: tập hợp các đặc trưng mặt đệm tác động lên sự hình thành dòng chảy sông ngòi, biểu thị dưới dạng vectơ

Các nhóm nhân tố ảnh hưởng

• Nhóm các yếu tố khí tượng, khí hậu X có đặc điểm:

• Biến động lớn theo thời gian

• Sự biến đổi vừa mang tính chu kỳ, vừa mang tính ngẫu nhiên

• Nhóm các nhân tố mặt đệm Z có đặc điểm:

• Biến đổi chậm theo thời gian

• Sự biến đổi theo không gian tạo thành các vùng, miền có điều kiện mặt đệm đồng nhất

Hiện tượng thủy văn vừa có tính tất định, vừa có tính ngẫu nhiên.

• Tính chất tất định của hiện tượng thủy văn thể hiện ở

các mặt sau:

• 1 Sự thay đổi có chu kỳ của các xu thế bình quân

theo thời gian:

2 Tính quy luật biểu thị mối quan hệ vật lý củacác nhân tố ảnh hưởng (X, Z) đến các đặc trưng dòngchảy Y

3 Sự biến đổi có quy luật theo không gian

* Tính ngẫu nhiên của hiện tượng thủy văn phụ thuộc chủ yếu vào sự biến đổi ngẫu nhiên của nhóm nhân tố khí hậu, khí tượng.

1.4.2 Các phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành

• Cơ sở của phương pháp: do hiện tượng thủy văn có tính tất định thể hiện ở tính chu kỳ, sự biến đổi có quy luật theo không gian, dòng chảy là hàm số của các yếu tố khí tượng, các yếu tố mặt đệm.

• Phương pháp thống kê xác suất

• Cơ sở của phương pháp: do hiện tượng thủy văn mang tính ngẫu nhiên nên

có thể coi các đại lượng đặc trưng của hiện tượng thủy văn là các đại lượng ngẫu nhiên.

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

1.4.2.1 PP phân tích nguyên nhân hình thành

(1) Phương pháp phân tích căn nguyên

(2) Phương pháp tổng hợp địa lý(3) Phương pháp lưu vực tương tựHai lưu vực A và B được gọi là tương tự nếu YA có thể suy

ra từ YB bằng biểu thức (1-4) như sau:

Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành

• Phương pháp phân tích căn nguyên:

• Thiết lập mối quan hệ các đặc trưng thủy văn cần tính với các nhân tố ảnh hưởng (khí tượng, mặt đệm)

• Phương pháp lưu vực tương tự

• 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 tính toán.

1.5 Vài nét về lịch sử phát triển của TVH

• Trước thế kỷ 18:

• Việc phân tích các hiện tượng thủy văn chủ yếu mang tính định tính

• Bước đầu có quan trắc mực nước và lưu tốc dòng chảy

1.5 Vài nét về lịch sử phát triển của TVH

• Giai đoạn từ 1930-1960:

• Thủy văn học đã phát triển thành một môn khoa học độc lập

• Các nhà khoa học đã xây dựng thành công cơ sở lý luận của tính toán thủy văn

• Các nghiên cứu khoa học về dòng chảy được tiến hành

• Hệ thống các trạm quan trắc thủy văn được mở rộng và tổ chức một cách hệ thống

• Các thiết bị và kỹ thuật đo đạc phân tích số liệu thủy văn được hiện đại hóa

1.5 Vài nét về lịch sử phát triển của TVH

• Giai đoạn từ năm 1960 đến nay: giai đoạn phát triển hiện đại

• Việc ứng dụng các phương pháp tính sử dụng máy tính điện tử được khai thác triệt để

• Phát triển nhiều phương pháp tính toán thủy văn hiện đại trên cơ sở mối quan hệ tương tác giữa dòng chảy sông ngòi, biện pháp công trình và các yêu cầu về nước

• Ứng dụng hiệu quả trong thực tế quy hoạch và thiết kế hệ thống nguồn nước.

• Xu thế hiện nay: xây dựng các mô hình mô phỏng hệ thống là sự kết hợp giữa mô hình thủy văn, mô hình thủy lực và mô hình quản lý chất lượng nước.

• Các thiết bị quan trắc được hiện đại hóa: thiết bị tự động, kỹ thuật viễn thám,… được sử dụng rộng rãi

Chương 2

Sự hình thành dòng chảy sông ngòi

I Hệ thống sông ngòi – Lưu vực sông

• Một tập hợp những sông suối gồm một sông chính và các phụ lưu phân lưu lớn

nhỏ có liên quan chặt chẽ với nhau về dòng chảy và lưu vực tập trung nước được gọi là hệ thống sông.

• Ví dụ:

• HT sông Hồng: sông Hồng và các sông Đà, Thao, Lô, Gâm…

• HT sông Mã: sông Mã và các sông Chu, Âm, Bưởi

Phân loại và phân cấp hệ thống sông

• Phân loại:

• HT sông hình nan quạt

• HT sông hình lông chim

• Lưu vực kín: là lưu vực có đường chia nước mặt trùng với đường chia nước ngầm

• Lưu vực hở: là lưu vực có đường chia nước mặt không trùng với đường chia nước ngầm

Đường phân lưu

Sơ họa mặt cắt một lưu vực sông

§êng chia níc mÆt Ma

Bèc h¬i Dßng ch¶y

mÆt ThÊm

Dßng ch¶y ngÇm

MÆt c¾t A-A

§êng chia níc ngÇm



3 Các đặc trưng hình học của lưu vực sông

• Diện tích lưu vực

• Chiều dài sông

• Chiều dài lưu vực

• Chiều rộng bình quân lưu vực

• Độ cao bình quân lưu vực

a.Diện tích lưu vực

• Là diện tích khu vực được khống chế bởi đường phân lưu Ký hiệu: F Đơn vị:

1/10000; 1/25000;

1/50000 và 1/100000

F (km 2 )

b.Chiều dài sông

• Là chiều dài đường nước chảy trên

sông chính tính từ nguồn đến mặt cắt cửa ra lưu vực Ký hiệu: Ls Đơn vị: km.

Ls (km)

c.Chiều dài lưu vực

• Là chiều dài đường gấp khúc nối từ cửa

ra qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực (vuông góc với trục sông chính) cho đến điểm xa nhất của lưu vực

Ký hiệu: Llv Đơn vị:

km

Llv (km)

Một số đặc trưng hình học khác

• Chiều rộng bình quân lưu vực:

• Là tỷ số giữa diện tích lưu vực và chiều dài lưu vực

f

H H

i

i i

giữa hai đường đồng mức

li: chiều dài của đường

h

l l

i

i i

Hệ thống sông ngòi Việt nam

• Tổng số các sông trên lãnh thổ với dòng chảy thường xuyên và

có chiều dài từ 10km trở lên là 2.360

• 9 hệ thống sông có diện tích lưu vực từ 10.000km2 trở lên

• 166 sông có diện tích lưu vực từ 500-10000km2, phần lớn là sông nhánh của các sông lớn

• 2170 sông có diện tích lưu vực nhỏ hơn 500km2 (chiếm 93%), trong đó

• 1556 sông có diện tích lưu vực nhỏ hơn 100km 2

Sông Diện tích (km 2 ) Tổng lượng nước (km 3 /năm)

Trong nước Ngoài vào Toàn bộ Bằng- Kỳ Cùng 12.880 7,19 1,73 8,92 Hồng-Thái Bình 168.700 93,0 44 137 Mã-Chu 28.400 15,76 4,34 20,1

Cả 27.200 19,46 4,74 24,2 Gianh 4.680 8,14 8,14 Quảng Trị 2.660 4,68 4,68 Hương 2.830 5,64 5,64 Thu Bồn 10.350 19,3 19,3

Cái (Phan Thiết) 1.050 0,488 0,488 Đồng Nai 44.100 29,2 1,4 30,6

Mê Kông 795.000 20,6* 500 520,6 (*): không tính ở Tây Nguyên

II Các nhân tố khí hậu, khí tượng

• Chế độ thủy văn của một vùng phụ thuộc chủ yếu khí hậu, sau

đó là địa hình, địa chất và thổ nhưỡng và lớp phủ thực vật

• Các nhân tố khí hậu ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy là mưa

và bốc hơi

• Mưa và bốc hơi lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khí tượng khác: nhiệt độ, bức xạ, độ ẩm, áp suất không khí, gió,

1 Mưa

a Khái niệm và phân loại

• Là hiện tượng nước ở thể lỏng hoặc thể

rắn từ các tầng khí quyển rơi xuống bề

và tốc độ các luồng không khí đi lên

mà rơi xuống thành mưa.

Phân loại mưa

• Theo tính chất của mưa:

• Mưa rào

• Mưa dầm

• Mưa phùn

• Theo nguyên nhân làm khối không khí thăng lên cao:

• Mưa đối lưu

b Các đặc trưng mưa

• Lượng mưa: là lớp nước mưa đo được tại một trạm quan trắc trên một đơn vị diện tích trong một thời đoạn nào đó Ký hiệu: HT Đơn vị: mm.

• Lượng mưa trận, Lượng mưa ngày, Lượng mưa tháng, Lượng mưa năm

• Cường độ mưa: Là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian Ký hiệu: at Đơn vị: mm/h, mm/phút.

• Đường quá trình mưa: là sự biến đổi của cường độ mưa theo thời gian

at(mm/ph)

t T

t1 t2

at max

Ht2

t1- aT

Thùng đo mưa chuẩn

Thiết bị đo mưa tự ghi

c Các phương pháp tính mưa bình quân lưu vực

• Phương pháp bình quân số học

• Phương pháp đa giác Theisson

• Phương pháp đường đẳng trị

Phương pháp bình quân số học

n

X X

n là số trạm đo mưa trên lưu vưc

Xi là lượng mưa đo trên trạm thứ i Nhận xét: Phương pháp này chỉ sử dụng tốt khi trên lưu vực có nhiều trạm mưa và được bố trí ở những

vị trí đặc trưng

Trạm đo mưa

Phương pháp đa giác Theissen

• Cơ sở của phương pháp: coi lượng mưa đo được ở một vị trí nào đó trên lưu vực chỉ đại diện cho lượng mưa của một vùng nhất định quanh nó

• Nội dung phương pháp:

• Nối các trạm đo mưa bằng các đoạn thẳng

• Kẻ đường trung trực của các đoạn thẳng đó

• Các đường trung trực này chia lưu vực thành các đa giác Lượng mưa của trạm

đo nằm trong mỗi đa giác là lượng mưa bình quân của phần diện tích thuộc đa giác đó

.

Phương pháp đa giác Theissen (tiếp )

• Xác định lượng mưa bình quân lưu vực:

Trong đó:

Xi là lượng mưa tại trạm thứ i đại diện cho mảnh diện tích thứ i;

n là số đa giác (hoặc trạm mưa);

fi là diện tích của khu vực thứ i;

X f X

n i

i

n i

i i

1 1

Phương pháp đa giác Theissen (tiếp )

Ví dụ 1

• Lưu vực sông có diện tích: F=1000 km 2

• Trên lưu vực có 4 trạm mưa, mỗi trạm khống chế diện tích là :

• Xác định diện tích khống chế bởi các đường đẳng trị lượng mưa kế cận nhau

2400mm 2200mm 2000mm 1800mm 1600mm 1400mm 1200mm

Phương pháp đường đẳng trị (tiếp)

• Tính lượng mưa bình quân lưu vực

• Trong đó fi là diện tích nằm giữa hai đường đẳng trị có lượng mưa tương ứng là Xi và Xi+1

2400mm 2200mm 2000mm 1800mm 1600mm 1400mm 1200mm

F

X X

f X

n

i

i i

Phương pháp đường đẳng trị (tiếp)

• Nhận xét:

• Phương pháp này cho kết quả chính xác nhất

• Phương pháp này không chỉ cho ta tính được lượng mưa bỡnh quân lưu vực mà còn cho biết quy luật biến đổi của mưa theo không gian (vị trí tâm mưa, giảm dần về các hướng như thế nào .)

• Khối lượng tính toán lớn, cần tài liệu đủ nhiều, trạm phân bố đều trong không gian