Bài Giảng Thủy Văn

Bài Giảng Thủy Văn (*)

Bài giảng

THỦY VĂN ĐÔ THỊ

Ngành kỹ thuật hạ tầng đô thị

1.1 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG MÔN HỌC

1.1.1 Khái niệm về thuỷ văn học

Thủy văn học là ngành khoa học nghiên cứu quy luật tồn tại và vận động của nước trong tự nhiên

1.1.2 Nhiệm vụ và nội dung môn học

lưu vực sông

của chúng

trưng đó theo thời gian và không gian trong mối quan hệ với các nhân tố ảnh hưởng

1.1.3 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn & phương pháp nghiên cứu

a Đặc điểm của hiện tượng thủy văn

Hiện tượng thủy văn xảy ra muôn hình muôn vẻ nhưng tựu trung nó mang những đạc điểm cơ bản sau đây:

1.1.3 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn & phương pháp nghiên cứu

b Phương pháp nghiên cứu

1 Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành

lượng thủy văn cần nghiên cứu với các nhân tố ảnh hưởng biểu thị dưới dạng các công thức hoặc các phương trình toán học

1.1.3 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn & phương pháp nghiên cứu

b Phương pháp nghiên cứu

2 Phương pháp phân tích tính chất địa lý của hiện tượng thủy văn

Có thể chia làm 3 phương pháp cụ thể như sau:

(trạm tham khảo) có thể suy ra số liệu của trạm thủy văn khác (trạm đang xét) khi hai trạm thủy văn có điều kiện địa lý tự nhiên và khí hậu tương tự giống nhau và được cho rằng có quy luật thủy văn tương tự nhau

trưng địa lý nên có thể phân khu, phân vùng thủy văn hoặc xây dựng các bản đồ đẳng trị của các đại lượng thủy văn

của nhiều yếu tố địa lý, các yếu tố chính được xét riêng biệt, còn các yếu

tố địa lý thứ yếu được tập hợp lại thành các tham số tổng hợp

1.1.3 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn & phương pháp nghiên cứu

b Phương pháp nghiên cứu

3 Phương pháp phân tích số liệu thống kê của hiện tượng thủy văn

thủy văn, tính toán các giá trị xuất hiện của đại lượng thủy văn ứng với

độ tin cậy, những xác suất xuất hiện khác nhau

1.2 VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC THUỶ VĂN

1.2.1 Trên thế giới

Mã

1.2 VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC THUỶ VĂN

thủy văn (dẫn nước ngọt, làm muối, đắp đê, đánh trận…)

lợi

ngày càng phát triển

1.3 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ THUỶ VĂN

1.3.1 Nhân tố khí hậu

1.3.2 Nhân tố mặt đệm

lưới sông, ao hồ, đầm

1.3.3 Nhân tố hoạt động của con người

trình

1.4 TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC TRONG THIÊN NHIÊN VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC

1.4.1 Tuần hoàn nước trong thiên nhiên

hơi – ngưng tụ – rơi xuống thành

mưa

nước di chuyển vào lục địa – rơi

xuống thành mưa (các dạng

nước rơi khác) – dòng chảy mặt,

dòng chảy ngầm ra biển

nước trong một khu vực nhất

định trong nội địa

1.4.2 Phương trình cân bằng nước

a Phương trình cân bằng tổng quát

đoạn sông nếu xét trong một khoảng thời gian nhất định thì lượng nước chuyển vào lưu vực sẽ cân bằng với tổng lượng nước đi ra và bị giữ lại trên lưu vực

1.4.2 Phương trình cân bằng nước

a Phương trình cân bằng tổng quát

X – lượng mưa trung bình rơi xuống lưu vực

Y1 – lượng dòng chảy mặt vào lưu vực

Z1 – lượng nước ngưng tụ

từ khí quyển và đọng lại trong lưu vực

W1 – lượng dòng chảy ngầm chảy vào lưu vực

u1 – lượng nước trữ trên lưu vực đầu thời khoảng

1.4.2 Phương trình cân bằng nước

a Phương trình cân bằng tổng quát

Phần nước đi ra trong một khoảng thời gian đang xét gồm:

Y2 – lượng dòng chảy mặt chảy ra khỏi lưu vực

Z2 – lượng nước bốc hơi khỏi lưu vực

W2 – lượng dòng chảy ngầm chảy ra khỏi lưu vực

u2 – lượng nước trữ trên lưu

vực cuối thời khoảng

1.4.2 Phương trình cân bằng nước

a Phương trình cân bằng tổng quát

Phương trình

X + Y1 + Z1 + W1 + u1 = Y2 + Z2 + W2 + u2

(mm)

1.4.2 Phương trình cân bằng nước

b Phương trình cân bằng nước của lưu vực sông trong thời đoạn bất kỳ

* Lưu vực kín là lưu vực có đường phân

nước mặt và đường phân nước ngầm trùng nhau, bởi vậy không có sự trao đổi nước với lưu vực bên cạnh

Trong trường hợp này Y1 = 0; W1= 0

và nước chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực (ký hiệu Y) có thể viết Y = Y2 + W2

Đồng thời ký hiệu: u2- u1 = ± Δu ; Z2 - Z1= Z

Phương trình cân bằng có dạng:

↔ X + Z1 + u1 = Y + Z2 + u2

↔ X = Y + Z ± Δu (mm)

b Phương trình cân bằng nước của lưu vực sông trong thời đoạn bất kỳ

* Đối với lưu vực hở là lưu vực

có đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm không trùng nhau

1.4.2 Phương trình cân bằng nước

c Phương trình cân bằng nước của lưu vực trong nhiều năm

2.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG

2.1.1 Một số khái niệm

dẫn ổn định và có nguồn cung cấp nước mặt và nước ngầm

có liên quan dòng chảy với nhau

khu vực nhất định

2.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG

2.1.2 Hình dạng phân bố của sông

trí gần nhau tọa thành hình dạng như những nam quạt

2.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG

2.1.2 Hình dạng phân bố của sông

Các sông nhánh phân bố đều đặn hai bên sông chính

2.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG

2.1.2 Hình dạng phân bố của sông

song song với nhau

2.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG

2.1.3 Phân đoạn sông

Dựa vào điều kiện địa lý và diễn biến của sông thiên nhiên có thể phân loại như sau:

2.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG

2.1.4 Lòng sông và bãi sông

phần) trong mùa lũ

2.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG

2.1.5 Các đặc trưng địa lý thuỷ văn của sông

a Vị trí nguồn sông và cửa sông

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.1 Đường phân nước

a Khái niệm: Đường phân nước là đường ranh giới mà từ đó nước chảy về hai phía đối diện của hai lưu vực

cạnh nhau.

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.1 Đường phân nước

b Phân loại:

 Đường phân nước mặt: nối các điểm cao nhất liên tiếp trên sườn dốc

 Đường phân nước ngầm: nối điểm cao nhất liên tiếp trên mực nước ngầm

Để đơn giản việc tính toán có thể coi đường phân nước ngầm trùng với đường phân nước mặt.

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.2 Lưu vực và phân loại lưu vực

a Khái niệm: Lưu vực là khu vực tập trung nước của một con sông, đoạn sông hay hệ thống sông.

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.2 Lưu vực và phân loại lưu vực

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.2 Lưu vực và phân loại lưu vực

a Phân loại:

- Phân loại theo hình dạng phân bố mạng lưới sông

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực

 Diện tích lưu vực, F (km2) là phần diện tích mặt đất giới hạn trong chu vi của đường phân nước phản ánh diện tích hứng nước mưa của sông.

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực

L (km) là khoảng cách

theo đường gấp khúc

từ nguồn sông đến

cửa sông đi qua các

điểm giữa của các

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực

 Chiều rộng trung bình của lưu vực, B (km)

 Độ cao trung bình của lưu vực sông

trong đó: fi – phần diện tích giới hạn giữa hai đường đồng mức

Hi - độ cao trung bình giữa hai đường đồng mức

F – diện tích lưu vực

F B

F

∑

=

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực

h – chênh lệch độ cao giữa hai đường đồng mức liền nhau

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực

L

=

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực

 Hệ số tròn của lưu vực, Kc

c

t

L K

F

=

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực

Biểu thị cho sự phân bố không đều của diện tích lưu vực hai bên sông chính

2.2 ĐƯỜNG PHÂN NƯỚC VÀ LƯU VỰC SÔNG

2.2.4 Các đặc trưng địa lý tự nhiên của lưu vực

F K

F

=

a a

F K

F

=

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG THUỶ LỰC CỦA DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG

2.3.1 Mặt cắt dọc sông

- Độ dốc dáy của 1 đoạn sông, i

- Độ dốc đáy trung bình của sông có nhiều đoạn

trong đó

H i

H i

=

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG THUỶ LỰC CỦA DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG

2.3.1 Mặt cắt dọc sông

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG THUỶ LỰC CỦA DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG

2.3.2 Mặt cắt ngang của sông

a Định nghĩa

Mặt cắt ngang tại một vị trí của sông là mặt cắt vuông góc với hướng dòng chảy tại vị trí đó

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG THUỶ LỰC CỦA DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG

2.3.2 Mặt cắt ngang của sông

b Các đặc trưng thủy lực trên mặt cắt ngang

 Diện tích mặt cắt, ω (m2) :

diện tích phần mặt cắt có nước chảy qua

 Chiều rộng mặt cắt, B (m):

khoảng cách mép nước

giữa bờ trái - bờ phải

 Độ sâu lòng sông, h (m): hiệu độ cao mực nước và đáy sông

 Độ sâu lớn nhất tại một mặt cắt, hmax (m): là trị số cực đại của các độ sâu

 Chu vi ướt, χ (m): độ dài đáy sông phạm vi tiếp xúc với mặt nước

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG THUỶ LỰC CỦA DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG

2.3.2 Mặt cắt ngang của sông

b Các đặc trưng thủy lực trên mặt cắt ngang

 Độ sâu trung bình, htb (m): đối với sông rộng coi B = χ;

do vậy gọi là bán kính thủy lực (m)

 Độ dốc ngang mặt nước, Jng : do tác dụng của lực coriolis

 Lưu lượng, Q (m3/s): là thể tích nước chuyển qua mặt cắt trong một đơn vị thời gian.

H J

ω

=

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG THUỶ LỰC CỦA DÒNG CHẢY TRÊN SÔNG

2.3.3 Hiện tượng uốn khúc của dòng sông

 Do một nguyên nhân nào đó dòng chảy bị lệch xiên vào một bờ gây xói lở lâu ngày làm lõm hẳn vào bờ, đất cát bị xói lở bị cuốn đi và bồi ở chỗ khác làm cho bờ bị lồi ra Mặt khác dòng nước gặp đập vào bờ lõm gặp phản lực làm chuyển hướng xiên góc vào bờ đối diện lại gây ra xói Quá trình cứ như vậy tiếp diễn làm cho sông ngày cang quanh co, uốn khúc.

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.1 Nhiệt độ không khí và nhiệt độ mặt đệm

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.2 Áp suất không khí

 Thay đổi dưới tác dụng của quá trình động lực học và quá trình nhiệt, càng lên cao áp suất càng giảm, nhiệt độ càng cao thì áp suất càng giảm.

 Sự thay đổi áp suất không khí ảnh hướng đến quá trình bốc hơi (áp suất giảm cường độ bốc hơi tăng)

 Sự chênh lêch áp suất dẫn đến sự vận chuyển của các dòng khí gây ra gió, bão

 Được đo bằng đơn vị atmotphe (at), milibar (mb) hoặc cột thủy ngân (mm Hg)

1 at = 1000 mb = 760 mm Hg

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.3 Độ ẩm không khí

Độ ẩm không khí là mật độ hơi nước có trong khí quyển, được biểu thị bằng các cách thông thường sau:

 Độ ẩm tuyết đối là lượng hơi nước chứa trong một đơn vị thể tích không khí; đơn vị thường dùng: g/cm3, g/m3 (thực tế việc đô là rất khó)

 Áp suất hơi nước là áp lực do hơi nước trong không khí tác dụng lên một đơn vị diện tích; đơn vị đo: mm Hg, mb.

Độ ẩm tương đối , R (%)là tỷ số phần trăm giữa áp suất hơi nước thực tế (e) với áp suất hơi nước bão hòa (E) ở cùng nhiệt độ đang xét.

 Độ thiếu hụt bão hòa, d = E – e

Để quan trắc độ ẩm dùng ẩm kế, độ ẩm cũng thay đổi theo không gian và thời gian.

100%

e R

E

=

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.4 Gió

 Gió là sự vận chuyển của không khí cùng với độ ẩm theo phương ngang do sự chênh lệch phân bố áp suất, được đặc trưng bởi tốc độ gió và hướng gió.

- Tốc độ gió (m/s) được chia thành 12 cấp, càng lên cao tốc đọ càng tăng

- Hướng gió: được chia làm 16 hướng ký hiệu theo tên phương hướng

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.4 Gió

trắc trong nhiều năm Thống kê số ngày gió, tốc độ trung bình, tốc độ lớn nhất theo từng hướng gió.

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.5 Mưa

a Nguyên nhân và phân loại

 Không khí mang hơi nước bị lạnh xuống quá điểm sương (nhiệt độ ở đó không khí bão hòa hơi nước), ngưng tụ lại thành giọt và rơi xuống thành mưa dưới tác dụng của trong lực.

 Theo nguyên nhân làm lạnh không khí, có thể phân loại mưa như sau:

2.4.5 Mưa

a Nguyên nhân và phân loại

 Mưa frông: mưa được tạo nên do sự gặp nhau của hai luồng không khí nóng và lạnh Hai luồng này khi gặp nhau không thể hòa hợp ngay

mà tiếp xúc với nhau qua một mặt không liên tục gọi là frông:

+ Mưa frông lạnh: do không khí lạnh khô chủ động đi tới với vận tốc nhanh đẩy không khí nóng nhẹ bốc lên cao rồi giảm nhiệt

+ Mưa frông nóng: do khối không khí nóng di chuyển nhanh gặp dự vản trở của không khí lạnh sẽ trượt lên khối không khí lạnh gây ra hiện tượng giảm nhiệt.

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.5 Mưa

a Nguyên nhân và phân loại

2.4.5 Mưa

a Nguyên nhân và phân loại

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.5 Mưa

a Nguyên nhân và phân loại

 Mưa bão: gió bão hất không khí nóng ẩm lên cao rồi giảm nhiệt.

2.4.5 Mưa

b Các thông số đặc trưng của mưa

 Lượng mưa

Chiều dày của lớp nước mưa (mm) tích lại trong 1 khoảng thời gian nào đó được xác định nhờ các trạm đo thủy văn.

 Cường độ mưa, a (mm/h; mm/min)

Là lượng nước mưa rơi trong một đơn vị thời gian.

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.5 Mưa

c Tính lượng mưa bình quân lưu vực

 Đối với lưu vực nhỏ: có thể tính toán theo từ số liệu của 1 trạm đại diện

 Đối với lưu vực lớn: được tính từ số liệu đo của nhiều trạm đo trong lưu vực theo các phương pháp sau: + Phương pháp trung bình số học

1

i i

c Tính lượng mưa bình quân lưu vực

+ Phương pháp đa giác Thiessen

f X X

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.5 Mưa

c Tính lượng mưa bình quân lưu vực

+ Phương pháp đường đẳng trị

2.4.6 Bốc hơi

a Bốc hơi mặt nước

 Chịu ảnh hưởng chủ yếu của nhiệt độ, tốc độ gió và độ hụt ẩm bão hòa, ngoài ra còn phụ thuộc chất nước, diện tích mặt bốc hơi.

 Lượng bốc hơi được đo bằng các chậu đo bốc hơi, ở nhưng nơi không có trạm quan trắc có thể xác định theo công thức kinh nghiệm

b Bốc hơi mặt đất

 Diễn ra phức tạp hơn mặt nước, còn phụ thuộc tính chất vật lý của đất, trạng thái mặt đất, địa hình được đo bằng các thùng đo bốc hơi.

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU CỦA LƯU VỰC

2.4.6 Bốc hơi

c Bốc hơi qua lá cây

 Thực vật hút nước từ dưới đất lên, một phần tham gia quá trình dinh dưỡng, một phần bốc hơi qua lá cây, chịu ảnh hưởng nhiệt độ, ánh sáng, loại thực vật, độ ẩm của đất

 Việc xác đinh riêng rẽ từng loại bốc hơi là rất khó khăn, trong thực tế có thể dùng số liệu đo mưa và dòng chảy để tính ra lượng bốc hơi thông qua phương trình cân bằng nước hoặc có thể dùng công thức kinh nghiệm dựa vào độ hụt ẩm bão hòa.

Ví dụ công thức David

Zngày = 0,5d

d: độ thiếu hụt bão hòa (mm Hg)

Zngày – lượng bốc hơi một ngày

2.5.1 Quá trình hình thành dòng chảy mặt

a Quá trình mưa

 Là giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành dòng chảy

 Cường độ mưa biến đổi theo không gian và thời gian (biểu đồ)

 Khu vực có cường độ mưa lớn nhất gọi la trung tâm mưa, trong một trận mưa trung tâm mưa cũng thường dịch chuyển.

 Sự thay đổi theo không gian và thời gian mưa chi phối mạnh mẽ quá trình hình thành dòng chảy trong sông.

2.5 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG

2.5.1 Quá trình hình thành dòng chảy mặt

b Quá trình tổn thất

 Nước mưa rơi xuống trên lưu vực không phải tất cả đều sinh ra dòng chảy mà có một phần bị tổn thất do bốc hơi, một phần thấm xuống đát, một phần đọng lại trên thực vật gọi chung là tổn thất.

 Quá trình thấm kéo dài suốt thời gian mưa và một thời gian ngắn sau mưa, cường độ thấm lớn nhất ở đầu trận mưa và giảm dần theo thời gian.

 Khi cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm thì sẽ sinh ra lượng mưa quá thấm để tạo thành dòng chảy.

2.5.1 Quá trình hình thành dòng chảy mặt

c Quá trình chảy trên sườn dốc

 Hiện tượng chảy tràn bắt đầu xuất hiện khi hiện tượng mưa quá thấm, thời gian xuất hiện chảy tràn ở mỗi nơi một khác Trong quá trình chảy tràn, nước vẫn không ngừng tổn thất vì ngấm và bốc hơi đồng thời mưa vấn tiếp tục bổ sung nước.

 Thời gian và tốc độ chảy tràn chủ yếu phụ thuộc vào tương quan so sánh giữa cường độ mưa và cường độ thấm còn lượng bốc hơi không đáng kẻ (khi mưa dộ ẩm lớn).

 Khi cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm thì hiện tượng chảy tràn sẽ kết thúc.