Bài giảng Thuỷ văn Công trình

Chương 5: Điều tiết dũng chảy bằng hồ chứa251.4 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn và phương phỏp nghiờn cứu Đặc điểm: Cỏc hiện tượng thuỷ văn vừa mang tớnh tất định, vừamang tớnh ngẫu nh

THUỶ VĂN CÔNG TRÌNH

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Bộ môn Thuỷ văn – Biến đổi khí hậu

Chương 1 Giới thiệu chung

Tài liệu tham khảo

• Giáo trình dịch “Thuỷ văn công trình”

• Bài giảng của giáo viên

1

Vai trò của nước

- Là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát

triển của môi trường sống

- Là nguồn tài nguyên hữu hạn

3

Nước cho sự sống

của con người

3

Nước cho thức ăn

Nước cho năng lượng

5

Nước cho giao thông thuỷ

Nước cho công nghiệp

7

Nước cho du lịch, giải trí

Nước cho các giá trị tôn giáo và văn hoá

9

Nước cho tự nhiên

Mối quan hệ giữa lượng nước và dân số

11

Nước có thể là nguyên nhân

của các cuộc xung đột

Cochabamba - Bolivia

Omo river basin (Ethiopia) and Lake Turkana (Kenya) Mekong

Manantali dam - Senegal river

Scheldt estuary Netherlands/Belgium

Anyone who can solve the problems of water will

be worthy of two Nobel Prizes - one for Peace and

one for Science

John Frank Kennedy

15

Phân bố của nước trên trái đất

cho con người) chiếm tỷ lệ nhỏ

Tài nguyên nước

Nguồn: Gleick, P H., 1996: Tài nguyên nước Bách khoa từ điển

về khí hậu và thời tiết S.H Scheneide, Nhà xuất bản Đại học

17

Phân bố nước ở Việt Nam

1.1

16.3 2.2

2.9 2.4

1.1 3.9 60.4

9.6

Bằng Giang - Kỳ Cùng Hồng - Thái Bình Mã

Cả Thu Bồn Ba Đồng Nai Cửu Long Khác

19

thuỷ văn công trình

 Thuỷ văn: là ngành khoa học nghiên cứu mọi

pha của nước trên trái đất

Đối tượng nghiên cứu của nó:

(mối quan hệ với các sinh vật sống)

19

1.1 Khái niệm về thuỷ văn và

thuỷ văn công trình

 Thuỷ văn công trình:là ngành khoa học trái đất ứng dụng Nó sử

dụng các nguyên tắc thuỷ văn trong việc giải quyết các vấn đề kỹ

thuật xuất phát từ sự khai thác nguồn nước trên trái đất của con

người

 Thuỷ văn công trình cố gắng thiết lập các mối quan hệ theo không

gian, thời gian hoặc các biến đổi mang tính địa lý của nước, với

mục đích xác định các rủi ro xã hội liên quan đến các công trình

và hệ thống thuỷ lợi

21

1.2 Vòng tuần hoàn nước

21

1.2 Vòng tuần hoàn nước

23

1.3 Nhiệm vụ và nội dung môn học

1. Cung cấp những kiến thức cơ bản về sự hình thành dòng chảy

sông ngòi, lưu vực, quá trình hình thành dòng chảy sông ngòi

2. Các phương pháp đo đạc và thu thập tài liệu thuỷ văn

3. Cung cấp các phương pháp tính toán các đặc trưng thuỷ văn

thiết kế

4. Phương pháp tính toán cân bằng nước trong hệ thống, đặc biệt là

cân bằng nước đối với hệ thống hồ chứa

23

1.3 Nhiệm vụ và nội dung môn học

1 Chương 1: Giới thiệu chung

2 Chương 2: Các nguyên lý thuỷ văn

3 Chương 3: Phân tích tần suất & phân tích tương quan

4 Chương 4: Tính toán các đặc trưng thuỷ văn thiết kế

5 Chương 5: Điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

25

1.4 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn

và phương pháp nghiên cứu

mang tính ngẫu nhiên

Tất định: sự thay đổi có tính chu kỳ (mùa lũ, mùa kiệt)…; mối

quan hệ vật lý giữa các nhân tố ảnh hưởng (X, Z) đến các đặc

trưng dòng chảy (Y)…;

Ngẫu nhiên: phụ thuộc vào sự biến đổi ngẫu nhiên của nhóm

nhân tố khí hậu, khí tượng

25

1.4 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn

và phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp Phân tích nguyên nhân hình thành

Là phương pháp xây dựng dựa trên tính tất định của hiện tượng thuỷ

văn.

1 Phân tích căn nguyên: Phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến sự hình

thành các quá trình dòng chảy.

2 Tổng hợp địa lý: Hiện tượng thuỷ văn mang tính địa đới, khu vực Có

thể xây dựng bản đồ phân vùng, bản đồ đẳng trị các đặc trưng…

3 Lưu vực tương tự: mượn thông số, đặc trưng thuỷ văn của lưu vực

khác có nhiều tài liệu hơn.

27

Bản đồ đẳng trị

mưa ở Việt Nam

27

1.4 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn

và phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp Thống kê xác suất

Hiện tượng thuỷ văn mang tính ngẫu nhiên, do đó có

thể coi các đại lượng thuỷ văn đặc trưng là các đại

lượng ngẫu nhiên Từ đó áp dụng lý thuyết thống kê

xác suất để xác định các đặc trưng thuỷ văn thiết kế

theo một tần suất thiết kế đã được quy định.

29

Câu hỏi và thảo luận

công trình

tuần hoàn nước.

29

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Bộ môn Thuỷ văn – Biến đổi khí hậu

Chương 2 Các nguyên lý thuỷ văn

Thuỷ văn Công trình

Nội dung

 Hệ thống sông ngòi – lưu vực

 Các yếu tố khí hậu - khí tượng

 Dòng chảy sông ngòi

1

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

1 Hệ thống sông ngòi

 Sông ngòi là sản phẩm của khí hậu, được hình thành dưới tác

động bào mòn của dòng chảy do nước mưa hoặc tuyết tan

 Sông là một dải lãnh thổ trên đó có dòng nước chảy tương đối lớn

và tương đối ổn định

 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

3

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

Phân loại:

5

Sông hình cành cây

•Các sông trực tiếp đổ

ra biển hoặc vào các

hồ trong nội địa gọi là

sông (kể cả nước mặt và nước ngầm).

suối tập trung vào lòng chính Mặt cắt sông

mà tại đó nước trên lưu vực chảy qua gọi là

tuyến khống chế hay mặt cắt cửa ra của lưu

vực.

5

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

7

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

Đường phân (chia) nước của lưu vực sông

lưu vực và ngăn cách nó với các lưu vực khác

ở bên cạnh, nước ở hai phía của đường này sẽ

chảy về các lưu vực sông khác nhau.

Thực tế thường thì không trùng nhau Ứng

dụng thì coi là trùng nhau.

7

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

khống chế bởi đường phân nước.

➢ Ls là chiều dài đường nước chảy trên dòng chính

tính từ nguồn đến mặt cắt cửa ra của lưu vực.

9

Ls(km)

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt

ngang lưu vực cho đến điểm xa nhất của lưu

vực.

Llv(km)

9

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

n

i

i i i

1

il1ilJ

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

 Các yếu tố khí hậu, khí tượng: mưa, bốc

hơi, áp suất hơi nước, gió …

 Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dòng

chảy là mưa và bốc hơi

 Mưa và bốc hơi phụ thuộc vào các yếu

tố khí tượng khác: nhiệt độ, độ ẩm,

gió…

11

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

1 Mưa

Là hiện tượng nước ở thể lỏng hoặc thể

rắn từ các tầng khí quyển rơi xuống mặt

đất.

Có 4 nguyên nhân hình thành mưa.

 Mưa đối lưu

Cyclones

Tropopause

Mưa bão

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

trong một thời đoạn nào đó.

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

mưa rơi trong một đơn vị thời gian.

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

21

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

Lượng mưa không rơi đều

trên toàn bộ lưu vực

Các đường đẳng trị mưa được

sử dụng để mô tả sự thay đổi

mưa theo không gian

Đường đẳng trị mưa là đường

cong nối những điểm có cùng

lượng mưa

21

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

X n

X

1

1

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

Phương pháp tính lượng mưa bình quân lưu vực

b Phương pháp đa giác Thiessen

F

X f X

n

i

i i



=

23

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

n

i

i i i

Bốc hơi là hiện tượng nước chuyển từ trạng thái

lỏng hoặc rắn sang trạng thái hơi.

Đại lượng biểu thị: lượng bốc hơi Z (mm) được

tính bằng bề dày lớp nước bị bốc thoát trong một

thời đoạn nào đó (ngày, tháng, năm).

25

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

27

2 Bốc hơi (tiếp)

•Bốc hơi mặt nước: là bốc hơi trực tiếp từ mặt thoáng của

nước

•Bốc hơi mặt đất:là bốc hơi trực tiếp từ mặt đất

•Bốc hơi qua lá cây: Thực vật trong quá trình dinh dưỡng hút

nước từ dưới đất lên, một phần tham gia vào việc tạo thành các

tế bào thực vật, một phần sẽ bốc hơi qua các khí khổng rất nhỏ

trên mặt lá cây, nên còn gọi là thoát hơi thực vật.

•Bốc hơi lưu vực: là lượng bốc hơi tổng hợp trên bề mặt lưu

vực bao gồm lượng bốc hơi từ hồ ao, đầm lầy, bốc hơi mặt đất

và bốc hơi qua lá

Bốc hơi mặt nước:

•Lượng nước cấp cho bốc hơi rất dồi dào.

•Ít sự ngăn trở quá trình bốc hơi

•Lượng bốc hơi rất lớn

Bốc hơi mặt đất:

Nhỏ hơn bốc hơi từ mặt nước

Tốc độ giảm nhanh khi mưa ngừng rơi

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

27

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

Lượng bốc hơi/ thời gian Mặt nước t=0

Mặt nước t=1

Đo bốc hơi

trong chậu

29

có thể xảy ra phụ thuộc vào nhu cầu của khí quyển.

Lượng nước cấp cho bốc hơi tiềm năng luôn đầy đủ

và không hạn chế.

hơi tiềm năng.

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

Công thức Thornthwaite (1948):Dùng để ước tính lượng bốc thoát

hơi tiềm năng

a = 6,75.10-7I3– 7,71.10-5I2+ 1,78.10-2I + 0,498

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

31

2.3 Dòng chảy sông ngòi

33

1 Sơ lược sự hình thành dòng chảy sông ngòi

Thuật ngữ “Dòng chảy” được dùng để chỉ khả năng

cung cấp nước của một lưu vực sông nào đó trong một

khoảng thời gian nhất định.

Phân loại dòng chảy sông ngòi:

Theo nguồn gốc:

Dòng chảy mặt Dòng chảy ngầm

Theo thời gian:

Dòng chảy năm Dòng chảy lũ Dòng chảy kiệt

2.3 Dòng chảy sông ngòi

2.3 Dòng chảy sông ngòi

2.3 Dòng chảy sông ngòi

Khi mưa rơi xuống bề mặt lưu vực:

•Một phần bị giữ lại để làm ẩm bề mặt (lá cây, mái nhà…)

•Một phần bị giữ lại trong các chỗ trũng (điền trũng)

•Một phần bị bốc hơi trở lại: bốc hơi qua lá, bốc hơi bề mặt…

•Một phần bị thấm xuống đất: giai đoạn đầu thấm nhiều, giai đoạn sau

thấm ít dần và ổn định

•Phần còn lại chảy tràn trên sườn dốc tạo thành các lạch nước rồi đổ

vào suối, suối đổ vào sông nhánh, sông nhánh đổ vào sông chính và

cuối cùng chảy ra cửa ra của lưu vực (t = vài giờ, vài ngày)

•Phần dòng chảy sau khi bị thấm xuống đất sẽ tham gia vào quá trình

hình thành dòng chảy ngầm, sau một thời gian cũng sẽ chảy về cửa ra

của lưu vực (t = tháng)

35

2.3 Dòng chảy sông ngòi

37

2 Các đặc trưng biểu thị dòng chảy sông ngòi

a Lưu lượng nước Q (m3/s): lượng nước chảy qua mặt cắt

ngang nào đó của sông trong thời gian 1 giây

b Tổng lượng dòng chảy W (m3): lượng nước chảy qua mặt

cắt ngang sông trong một khoảng thời gian T nào đó từ

thời điểm t1đến thời điểm t2 (T = t2– t1)

(

t

t T

dt t Q dt t Q W

2.3 Dòng chảy sông ngòi

2 Các đặc trưng biểu thị dòng chảy sông ngòi

c Độ sâu dòng chảy Y (lớp dòng chảy) (mm):

Trải đều tổng lượng nước trên toàn bộ bề mặt diện tích lưu vực được

một lớp nước gọi là độ sâu d/c hoặc lớp d/c

d Mô đun dòng chảy M (l/s.km2):Trị số lưu lượng tính trên một đơn vị

diện tích tham gia vào sự hình thành lưu lượng ở tuyến cửa ra của

lưu vực

e Hệ số dòng chảy:Là tỉ số giữa độ sâu dòng chảy và lượng mưa tương

3 2

3

10 ) (

) ( )

km F

m W mm Y

)(

)/(10)./

3 3 2

km F

s m Q km

s l

2.3 Dòng chảy sông ngòi

39

3 Chế độ dòng chảy và sự hình thành các pha dòng chảy

Sự thay đổi có quy luật của dòng chảy sông ngòi theo thời gian gọi

là chế độ dòng chảy sông ngòi

•Xét trong thời kỳ nhiều năm:

Pha nhiều nước (những năm liên tục có dòng chảy phong phú)

Pha ít nước (những năm liên tục có dòng chảy nhỏ)

•Xét trong từng năm

Pha nước lớn (mùa lũ)

Pha nuớc nhỏ (mùa kiệt)

2.3 Dòng chảy sông ngòi

3 Chế độ dòng chảy và sự hình thành các pha dòng

chảy

39

2.3 Dòng chảy sông ngòi

41

4 Phương trình cân bằng nước

Nguyên lý cân bằng nước:

“Với một khu vực bất kỳ, chênh lệch giữa lượng

nước đến và lượng nước đi ra khỏi trong một thời

đoạn tính toán bất kỳ bằng sự thay đổi trữ lượng

nước của khu vực đó trong thời đoạn tính toán.”

2.3 Dòng chảy sông ngòi

4 Phương trình cân bằng nước

 Lượng nước mặt đi: Ym2

 Lượng nước ngầm đi: Yng2

 Chênh lệch trữ lượng nước trên khu vực tại

đầu và cuối thời đoạn tính toán:

W=W2-W1

Phương trình tổng quát:

41

2.3 Dòng chảy sông ngòi

 Đối với lưu vực kín: đường phân chia nước

mặt trùng với đường phân chia nước ngầm

Trong đó: Y=Ym 2 ;Yng= Y ng2 - Y ng1

2.3 Dòng chảy sông ngòi

4 Phương trình cân bằng nước

 Trong thời kỳ nhiều năm:

 Đối với lưu vực kín: X0= Y0+ Z0

 Đối với lưu vực hở:

X n

X

1 0

Y

1 0

=

i i

Z n

Z

1 0

1

43

Câu hỏi thảo luận chương 2

45

• Khái niệm về mưa và các đặc trưng biểu thị

• Các phương pháp tính mưa bình quân lưu vực và điều kiện

ứng dụng

• Khái niệm và ý nghĩa của các đặc trưng biểu thị dòng chảy

• Viết phương trình cân bằng nước và giải thích các thành

phần của phương trình

•Quá trình hình thành dòng chảy trên sông

Bài tập chương 2

2-1 Một lưu vực 465 km2 có lượng mưa bình quân hàng

năm là 775mm và dòng chảy bình quân hàng năm là 3.8

m3/s Có bao nhiêu phần trăm lượng mưa bị tổn thất bởi lưu

vực (hệ số dòng chảy)?

2-2 Một lưu vực 9250 km2 có lượng mưa bình quân hàng

năm là 645mm và dòng chảy bình quân hàng năm là 37.3

m3/s Lớp nước mưa tổn thất trên lưu vực là bao nhiêu?

45

THUỶ VĂN CÔNG TRÌNH

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Bộ môn Thuỷ văn – Biến đổi khí hậu

Chương 3 Phân tích tần suất

và phân tích tương quan

3.1 Khái niệm về xác suất và tần suất

các quan sát đó phải được thực hiện trong cùng một điều kiện

nhất định

 Kết quả của phép thử ngẫu nhiên gọi là biến cố ngẫu nhiên,

hoặc nói ngắn gọn là biến cố

1

3.1 Khái niệm về xác suất và tần suất

Phân loại biến cố

 Biến cố chắc chắn:là biến cố nhất định phải xuất hiện trong

một phép thử

 Biến cố không thể có:là biến cố không thể xuất hiện trong

một phép thử

 Biến cố độc lập: là biến cố mà sự xuất hiện của nó không phụ

thuộc vào sự xuất hiện của các biến cố khác

 Biến cố phụ thuộc:là biến cố mà sự xuất hiện của nó phụ

thuộc vào sự xuất hiện của biến cố khác

3

3.1 Khái niệm về xác suất và tần suất

Phân loại biến cố

 Biến cố tổng:biến cố C được gọi là biến cố tổng của hai biến cố A

và B nếu hoặc A xuất hiện, hoặc B xuất hiện, hoặc cả A và B cùng

xuất hiện

 Biến cố tích:Biến cố C được gọi là biến cố tích của hai biến cố A

và B nếu biến cố C xuất hiện là do biến cố A và B cùng xuất hiện

3.1 Khái niệm về xác suất và tần suất

Xác suất

Định nghĩa cổ điển: Xác suất xuất hiện của một biến cố

A nào đó bằng tỷ số giữa số biến cố cơ bản thuận lợi

cho A xuất hiện trên tổng các biến cố cơ bản của không

gian biến cố.

Công thức tính xác suất của biến cố A là:

n là tổng số các biến cố cơ bản của không gian biến cố đang xét;

m là số biến cố cơ bản thuận lợi cho biến cố A xuất hiện

5

n

m A

P( )=

3.1 Khái niệm về xác suất và tần suất

Xác suất

Định nghĩa theo thống kê: Xác suất xuất hiện của một

biến cố A nào đó trong một phép thử là tần số xuất hiện

của biến cố đó khi số lần thực hiện phép thử tăng lên vô

P

n

lim

)(



→

=

5

3.2 Khái niệm về đại lượng ngẫu nhiên,

mẫu và tổng thể, phương pháp chọn mẫu

 Đại lượng ngẫu nhiênlà một đại lượng mà trong một phép thử

nó nhận một giá trị có thể với xác suất tương ứng của nó

 Phân loại:

oĐại lượng ngẫu nhiên rời rạc:Nếu nó nhận một số giá trị

hữu hạn trong khoảng xác định của nó

oĐại lượng ngẫu nhiên liên tục:Nếu nó nhận bất kỳ giá trị

trong khoảng xác định của nó

7

3.2 Khái niệm về đại lượng ngẫu nhiên,

mẫu và tổng thể, phương pháp chọn mẫu

 Tổng thể là tập hợp tất cả các giá trị mà đại lượng

7

3.2 Khái niệm về đại lượng ngẫu nhiên,

mẫu và tổng thể, phương pháp chọn mẫu

 Các yêu cầu của mẫu trong thống kê:

o Tính đại biểu : mẫu được chọn có những tính chất của

tổng thể Muốn vậy, dung lượng mẫu phải đủ lớn đảm

bảo sai số lấy mẫu; mẫu phải bao gồm các giá trị số đặc

trưng lớn, nhỏ và trung bình

o Tính độc lập: các số liệu của mẫu không phụ thuộc lẫn

nhau

o Tính đồng nhất: cùng loại, cùng nguyên nhân hình

thành hoặc cùng điều kiện xuất hiện

9

3.3 Hàm tần suất luỹ tích và hàm mật độ

tần suất

 Phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên

Hàm phân phối xác suất F(x) là xác suất để cho đại lượng

ngẫu nhiên X nhận các giá trị lớn hơn hoặc bằng một giá

trị x, trong đó x là biến số nhận các giá trị có thể trên

miền xác định của nó.

F(x) = P(X  x)

9