Bài giảng Thuỷ văn đại cương

Chu trình vàhệ thống thuỷ văn33 Trang 18 7/29/2020351.4 Bản chất đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn Các hiện tượng thuỷ văn là kết quả sự tác động của nhiều yếutố tự nhiên. Hiện tượng t

1

Ngô Lê An annl@wru.vn

THUỶ VĂN ĐẠI CƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Bộ môn Thuỷ văn – Tài nguyên nước

1

 Giáo trình “Nguyên lý thuỷ văn” – PGS TS Lê Văn Nghinh

 Giáo trình “Thuỷ văn công trình” – ĐHTL – 2012

 Sách “Thuỷ văn ứng dụng” – “Applied Hydrology”

Tất cả các cuốn trên đều có ở thư viện ĐHTL

http://lib.tlu.edu.vn

 Giáo trình dịch “Thuỷ văn đại cương” - 2012

 Bài giảng của giáo viên

2

1

2

Mục tiêu môn học

 Sau khi kết thúc môn học, sinh viên sẽ nắm vững được những

kiến thức cơ bản của thuỷ văn: sự hình thành và vận động của

quá trình dòng chảy; quy luật biến đổi của các đặc trưng khí

tượng, thuỷ văn; các kiến thức cơ bản trong tính toán thuỷ văn

 Điểm đánh giá = 30% điểm quá trình + 70% điểm thi

 Điểm quá trình = Đi học đầy đủ + Bài tập

 Bài tập: Được giao hàng tuần

 Hình thức thi: Vấn đáp

3

Nội dung giảng dạy Số tiết

1

Định nghĩa Chu trình và hệ thống thuỷ văn Phương trình cân bằng nước Sông ngòi và lưu vực

4 Bài tập số 2: Vẽ đường tần suất lý luận 3

5 Phân tích hồi quy tuyến tính

Một số hàm thống kê trong Excel 3

6 Bài tập phân tích thống kê 3

7

Quá trình mưa và quan trắc mưa Biểu đồ mưa, phân bố mưa theo không gian Nội suy mưa theo không gian

3

8 Bài tập số 3: Phân tích mưa 3

9 Phân tích tần suất mưa (IDF)

Mô hình mưa thiết kế 310

Các loại tổn thất Quá trình thấm, mô hình thấm F index, Horton Quá trình bốc hơi, mô hình hoá bốc hơi

5

6

Chương 1 Mở đầu

 1.1 Nước - Thực tế và những con số

 1.2 Quá trình nhận thức về thuỷ văn

 1.3 Chu trình và hệ thống thuỷ văn

 1.4 Bản chất của các quá trình thuỷ văn

 1.5 Phương trình cân bằng nước

 1.6 Sông ngòi và lưu vực

5

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

triển của môi trường sống

- Là nguồn tài nguyên hữu hạn

Nước cho thức ăn

Nước cho năng lượng

11

7

Nước cho giao thông thuỷ

Nước cho công nghiệp

13

14

Nước cho du lịch, giải trí

Nước cho các giá trị tôn giáo và văn hoá

15

9

Nước cho tự nhiên

Mối quan hệ giữa lượng nước và dân số

17

18

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

Bất kỳ ai có thể giải quyết được các vấn đề của nước

sẽ xứng đáng được hai giải Nobel – một cho Hoà

Bình và một cho Khoa học.

John Frank Kennedy21

22

Đại dương Đất liền quyển Khí

ngầm

23

23

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

25

I.2 Quá trình nhận thức về thuỷ văn

26

1 Từ xa xưa, những hiểu biết, những công trình khái thác tài nguyên

nước đã có các tiến bộ vượt bậc tại những nơi có “vấn đề” về nước

do thiếu hay thừa nước

2 Các công trình tưới đã có từ 5000 năm trước tại Ai Cập

3 Đến cuối thế 17, các thí nghiệm nghiên cứu về chu trình thuỷ văn

đã chứng minhlượng mưanhiều hơn đáng kểlượng dòng chảytrên

sông, và sự chênh lệch này là do bốc hơi

4 Sự phát triển của khoa học thuỷ văn gắn liền với sự phát triển

khoa học khác, bao gồm cả công nghệ

5 Nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng, thế giới đối mặt với thiếu

nước

6 Nhận thức về tầm quan trọng của Tài nguyên nước được đưa vào

một trong những mục tiêu thiên niên kỷ

25

26

I.2.1 Khái niệm Thuỷ văn học

Thuỷ văn học là ngành khoa học nghiên cứu mọi

pha của nước trên trái đất

Đối tượng nghiên cứu của nó:

➢Sự xuất hiện - phân bố (trữ) - vận động

➢Đặc tính lý, hoá

➢Sự tương tác với môi trường xung quanh

27

Theo nguồn nước:

•Thuỷ văn nước mặt

•Thuỷ văn nước ngầm

•Thuỷ văn nước ven biển

Theo đối tượng nghiên cứu

•Thuỷ văn sông ngòi

•Thuỷ văn hồ

•Thuỷ văn đầm lầy

•Thuỷ văn nước ngầm

•Thuỷ văn bùn cát

Theo đối tượng phục vụ

•Thuỷ văn thuỷ lợi

27

15

31

Vòng tuần hoàn nhỏ:

Nước bốc hơi từ bề mặt đại dương, mặt biển và đất liền

Một phần trong số đó rơi ngay lại đại dương hình thành

vòng tuần hoàn nhỏ

Vòng tuần hoàn lớn:

Hơi nước theo các khối không khí vào đất liền, ngưng tụ

lại và rơi xuống thành mưa Một phần mưa rơi thấm vào

trong đất, một phần chảy trên mặt đổ vào sông suối, phần

còn lại bốc hơi Quá trình mưa rơi trên mặt đất và sau đó

bốc hơi dù có lặp lại bao nhiêu lần chăng nữa thì cuối cùng

hơi nước do không khí mang vào đất liền sẽ chảy trở về

đại dương, hoàn thành vòng tuần hoàn lớn của nước trên

trái đất

31

17

33

Thuỷ văn đại cương, Thuỷ văn nước mặt

Thuỷ văn nước dưới đất

34

Phương trình cân bằng tổng quát:

± Lượng trữ = Dòng chảy đến - Dòng chảy đi

33

34

35

1.4 Bản chất (đặc điểm) của hiện tượng thuỷ văn

 Các hiện tượng thuỷ văn là kết quả sự tác động của nhiều yếu

tố tự nhiên

 Hiện tượng thuỷ văn mang tính chất:

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

Khu vực:Ở khu vực địa lý khác nhau có đặc điểm thuỷ

văn khác nhau Ở cùng khu vực thì có đặc tính giống nhau

1.4 Bản chất (đặc điểm) của hiện tượng thuỷ văn

 Ví dụ về tính tất định:

 Dòng chảy có các mùa lũ và kiệt Hết mùa lũ sẽ đến mùa kiệt, hết mùa

kiệt là bắt đầu mùa lũ.

 Mưa nhiều là nguyên nhân chính làm tăng lượng dòng chảy

 Bốc hơi nhiều làm giảm lượng nước mặt

 Ví dụ về tính ngẫu nhiên:

 Số cơn bão sẽ xuất hiện trong năm tới.

 Xuất hiện một trận mưa lớn cường độ >= 500mm/24 giờ

 Ví dụ về tính khu vực:

35

19

1.4 Bản chất (đặc điểm) của hiện tượng thuỷ văn

37

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp Phân tích nguyên nhân hình thành

1 Phân tích căn nguyên

2 Tổng hợp địa lý

3 Lưu vực tương tự

Phương pháp Thống kê xác suất

(xem thêm sách Thuỷ văn Công trình tập 1)

38

Câu hỏi và thảo luận

1 Đặc điểm của hiện tượng thuỷ văn

2 Các phương pháp nghiên cứu

3 Chu trình thuỷ văn (Vòng tuần hoàn nước) là

gì? Sơ đồ mô tả vòng tuần hoàn nước

37

38

1.5 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 Nước chảy trên lòng dẫn (bề mặt), hoặc đôi

khi chảy ngầm, ra biển, hồ hoặc sông khác

 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

39

1 Hệ thống sông ngòi

Sông hình lông chim

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

39

 Cửa sông = Nơi sông đổ ra sông/hồ/biển

 Nếu sông nhập từ 2 hay nhiều sông:

Đầu sông = Nơi nhập của 2 hay nhiều con sông

Nguồn sông = nguồn của sông dài nhất

= nguồn của sông nhánh trái, nếu 2 sông dài = nhau Cửa sông = cửa của nhánh sông lớn nhất

Khu vực thượng lưu – trung lưu – hạ lưu

41

42

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

2 Lưu vực sông

 Là phần mặt đất mà nước trên đó sẽ chảy ra

sông (kể cả nước mặt và nước ngầm).

 Nước trên lưu vực chảy theo hệ thống sông

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.

43

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

Đường phân (chia) nước của lưu vực sông

 Là đường nối các điểm cao nhất xung quanh

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.

 Để xác định cần dựa vào bản đồ địa hình.

 Có 2 loại đường: nước mặt và nước ngầm.

43

23

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

45

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

Đường phân (chia) nước của lưu vực sông

Lưu vực kín: là lưu vực có đường chia nước mặt

và nước ngầm trùng nhau

Lưu vực hở: là lưu vực có đường chia nước mặt

và nước ngầm không trùng nhau.

46

45

46

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

47

Đường chia nước của lưu vực

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

Lưu vực là 1 đơn vị thuỷ văn

25

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

 Đặc trưng địa lý tự nhiên:

Vị trí địa lý: Các lưu vực có toạ độ địa lý khống

chế lưu vực, sự giáp ranh với các con sông khác

Điều kiện khí hậu: đặc điểm mưa, bốc hơi…

Điều kiện địa hình: đồi núi, đồng bằng…

Điều kiện thổ nhưỡng: cấu trúc địa chất…

Điều kiện thảm phủ thực vật: lớp phủ thực vật…

49

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

Đặc trưng hình học:

 Diện tích lưu vực F (km2): Diện tích khu vực

khống chế bởi đường phân nước.

50

Ls(km)

49

50

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

Đặc trưng hình học:

 Chiều dài sông và chiều dài lưu vực:

➢ Ls là chiều dài đường nước chảy trên dòng chính

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

51

Ls(km)

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

➢ Llv là chiều dài đường gấp khúc nối từ cửa ra

qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt

ngang lưu vực cho đến điểm xa nhất của lưu

vực.

Llv(km)

51

27

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

 Chiều rộng bình quân lưu vực B (km):

f H

n

i

i i

i tb

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

f H

n

i

i i

i tb

i Δh n

1

i 1 i

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

 Mật độ lưới sông: D = ∑L/F

55

Là tỷ số giữa tổng độ dài tất cả các sông suối (sông chính + các

sông nhánh) trên toàn bộ diện tích lưu vực (km/km2)

- Dùng đánh giá mức dộ phát triển sông ngòi:

Mật độ lưới sông rất dày d = 2 – 4 km/km 2

(Vùng đồng bằng)

Mật độ lưới sông dày d = 1.5 - 2 km/km 2

(Vùng mưa tương đối lớn)

Mật độ lưới sông trung bình d = 0.5 – 1 km/km 2

(Vùng mưa & tổn thất trung bình)

Mật độ lưới sông thưa d =<0.5 km/km 2

(Vùng mưa ít, bôc hơi lớn)

1.6 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng lưu vực sông

 Hệ số hình dạng Kd

 Hệ số uốn khúc Ku

(Ln là khoảng cách từ nguồn đến cửa ra của lưu vực theo đường thẳng (km))

lv lv

d

L

B L

F

n

S u

L

L

K =

55

Bài tập xác định ranh giới lưu vực

59

Vùng thung lũng (hay vùng tập trung dòng chảy) là nơi hình dạng đường đồng mức

kiểu chữ V hay U hướng về đỉnh (cao hơn) Còn đường biên lưu vực là chữ V hay U

hướng xuống dốc.

Bài tập xác định ranh giới lưu vực

59

1

THUỶ VĂN ĐẠI CƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Bộ môn Thuỷ văn – Tài nguyên nước

1

Chương 2: Giới thiệu thống kê trong thuỷ văn

Ngô Lê An annl@wru.vn

Chương 2 Giới thiệu thống kê trong thuỷ văn

 2.1 Các khái niệm cơ bản

 2.2 Các phân bố xác suất thường dùng trong thuỷ văn

 2.3 Phân tích tần suất

 2.4 Hồi quy tuyến tính

 2.5 Ứng dụng Excel trong tính toán thuỷ văn

2

 Tính ngẫu nhiên của hiện tượng thuỷ văn nảy sinh ra là do những hiểu biết hạn chế chi tiết về quan hệ nhân quả giữa biến đầu vào và biến đầu ra.

như mưa, bốc hơi, độ ẩm đất, địa hình… trong đó nhiều yếu tố không thể đo đạc, đánh giá chính xác được.

3

5

 Sự hạn chế trong hiểu biết này có thể do bản thân sự mô tả

quá trình vật lý thuỷ văn hoặc do sự hạn chế của dữ liệu đo

đạc được.

- Sự thay đổi vốn có của tự nhiên không giải thích được

- Thiếu hiểu biết về tất cả các nguyên nhân và tác động

- Thiếu dữ liệu đo đạc

 Ví dụ : a) lượng mưa năm P trong năm tới; b) lưu lượng

đỉnh lũ Q1%xảy ra trong 100 năm tới; c) Lượng mưa 6 giờ

rơi xuống trong từng 10 năm.

Các khái niệm cơ bản

 Phép thử:là các thử nghiệm hoặc các quan sát được thực hiện

đối với một hiện tượng ngẫu nhiên nào đó.Các thử nghiệm và

các quan sát đó phải được thực hiện trongcùng một điều kiện

nhất định

 Kết quả của phép thử ngẫu nhiên gọi làbiến cố ngẫu nhiên,

hoặc nói ngắn gọn làbiến cố

7

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

8

5

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

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 lợicho A xuất hiện trên tổng các biến cố cơ bản của khônggian 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.

10

n

m A

P( ) =

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

)(

12

7

 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

 Các yêu cầu của mẫu trong thống kê:

oTính 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

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

nhau

oTính đồng nhất: cùng loại, cùng nguyên nhân hình

thành hoặc cùng điều kiện xuất hiện

15

 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)

16

x x

+

11

Đặc điểm của đồ thị hàm mật độ xác suất

➢Hoàn toàn nằm trên trục hoành

➢Diện tích giới hạn bởi đồ thị của hàm mật độ xác suất với

Đồ thị của nó thường được gọi là “đường tần suất”

22

Hàm tần suất luỹ tích và hàm mật độ tần suất

23

Là xác suất để cho đại lượng ngẫu nhiên X nhận các

giá trị nằm trong khoảng từ x đến x-∆x

F(x) P

f(x) p(x i )

Hµm ph©n phèi x¸c suÊt Hµm tÇn suÊt luü tÝch

Hàm tần suất luỹ tích và hàm mật độ tần suất

13

Sự khác nhau giữa tần suất và xác suất?

25

Các tham số thống kê

26

tương ứng với giá trị cực đại của hàm mật độ tần suất

vọng toán của đại lượng ngẫu nhiên

x n

x

1

1

n x

3

3 1

3

) 1 (

) (

) (

x n

x x C

15

29

Lưu ý:

Các công thức (3), (4), (5) tính toán khoảng lệch quân

phương, hệ số CV, CS ở trên chỉ phù hợp với mẫu có

dung lượng n rất lớn

Đối với hiện tượng thuỷ văn có chuỗi tài liệu không

dài thì thay số hạng n bằng số hạng n-1 (đối với công

thức 3, 4) và bằng số hạng n-3 (đối với công thức 5)

x C

n

i x

1

1



3 1

3

3 1

3

) 3 (

) 1 (

) )(

3 (

) (

k C

x n

x x C

Trị số trung bình trong giai đoạn 1970-2002 lệch nhiều

nếu chỉ tính trong giai đoạn 1985-1991!!!

Trị số trung bình tính theo mẫu sẽ có sai số phụ thuộc

vào độ dài của mẫu cũng như thời đoạn tính toán

Các tham số thống kê

32

 Đối với trị số bình quân

 Đối với hệ số phân tán

 Đối với hệ số thiên lệch

n

x x

17

Tần suất kinh nghiệm

33

Khái niệm: là xác suất để cho đại lượng ngẫu nhiên X

nhận giá trị lớn hơn hoặc bằng x được ước lượng từ mẫu

(chuỗi số liệu) thực đo

n

m x X

Công thức Hazen (a=0,5):

Công thức Chegôđaép (a=0,3):

Công thức Weibull (a=0):

a n

a m x

X

21)

(

−+

−

=



%1005,0)

(

n

m x X

P  i = −

%1004,0

3,0)

%1001)

X