một số vấn để thủy văn ứng dụng trong lâm nghiệp

Nguyên lý và quan trắc thủy văn Phần II.. Ảnh hưởng của rừng và các hoạt động lâm nghiệp đến các quá trình thủy văn và biện pháp khắc phục Tài liệu tham khảo: 1.. Vì vậy, bốc hơi

MỘT SỐ GHI NHỚ VỀ BÀI GIẢNG MÔN HỌC

THỦY VĂN ỨNG DỤNG TRONG LÂM NGHIỆP

Thời lượng: 30 tiết tín chỉ, bao gồm 2 phần:

Phần I Nguyên lý và quan trắc thủy văn

Phần II Ảnh hưởng của rừng và các hoạt động lâm nghiệp đến các quá trình thủy văn và biện pháp khắc phục

Tài liệu tham khảo:

1 Nguyên lý thủy văn (R.C ward and M Robinson do Nguyễn Văn Thuần và Nguyễn Đức Hạnh – Trường Đại học tự nhiên dịch).

2 Thủy văn ứng dụng (Ven Techow, 1987 do Đỗ Hữu Thành và Đỗ Văn Toản dịch – 1994).

3 Một số tài liệu tiếng Anh khác.

Phần I Nguyên lý và quan trắc thủy văn

- Khái niệm thủy văn

- Một số tính chất cơ bản của nước

- Lưu vực và các đặc trưng cơ bản của lưu vực

- Tuần hoàn nước và các quá trình thủy văn

- Nước trong đất

- Xói mòn và bồi lắng trong lưu vực

1 Khái niệm thủy văn:

Thủy văn học là môn khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất, về sự xuấthiện, phân bố và hoàn lưu của nó, các đặc tính về hóa học cũng như vật lýcủa nước và tương tác của nó với môi trường ( R.C ward and M.Robinson)

Hydrology: Science dealing with the waters of the earth,their distribution on the surface and underground, and thecycle involving precipitation, evapotranspiration, flow to theseas, etc.;

2 Một số tính chất cơ bản của nước:

- Sự tạo nước trong tự nhiên:………

- Các trạng thái tồn tại của nước:…………

- Nhiệt lượng cần thiết cho bốc hơi nước (tiềm nhiệt/ẩn nhiệt):

Lv = 597-0.564(T) (cal/g)

- Nhiệt lượng cần thiết để chuyển nước ở thể rắn sang thể lỏng:

Lf = 80 + 0.564(T) (cal/g)

0C = (0F – 32)5/9

3 Lưu vực và các đặc trưng cơ bản của lưu vực: ……….

- Cấu trúc lưu vực:……

- Điểm đầu ra, chỉ số hình dạng, độ dốc chung của lưu vực, diện tích lưu vực, mật độ sông suối trong lưu vực, bậc sông suối trong lưu vưc …

4 Một số thông tin về hệ thống lưu vực sông ở Việt Nam:

Bảng 01 Thông tin về một số lưu vực sông ở Việt Nam

Sông Diện tích (km 2 ) Trong nước Tổng lượng nước (km Ngoài vào 3 /năm) Toàn bộ

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

(*): không tính ở Tây Nguyên

5 Tuần hoàn nước và các quá trình thủy văn:

5.1 Chu trình tuần hoàn nước: Video

5.2 Cân bằng nước toàn cầu của Ven Techow (1987): Bảng

02

Bảng 02 Cân bằng nước toàn cầu của Ven Techow (1987).

5.3 Phương trình cân bằng nước:

Nguyên lý cơ bản của cân bằng nước được phát biểu như sau: “Trong thờiđoạn tính toán, tổng lượng nước đi vào hệ thống là tổng đại số của lượngnước đi ra khỏi hệ thống và sự biến đổi lượng nước được lưu trữ trong hệthống đó”

- 1 Water is neither created nor destroyed (i.e., inputs

= outputs);

- 2 Water runs downhill (demo).

X + Z1 + Y1 + W1 - (Z2 + Y2 + W2) = U2 - U1;

Nếu đặt ± ΔU = U2 - U1 thì:

X + (Z1 - Z2) + (Y1 - Y2) + (W1 - W2) = ± ΔU

Trong đó:

X - lượng mưa bình quân trên lưu vực,

Z1 - lượng nước ngưng tụ trên lưu vực, Z2 - lượng nước bốc thoát hơi trên lưu vực, Y1 - lượng dòng chảy mặt đến, Y2 - lượng dòng chảy mặt chảy đi,

W1 - lượng dòng chảy ngầm đến, W2 - lượng dòng chảy ngầm chảy đi,

U1 - lượng nước trữ đầu thời đoạn tính toán, U2 - lượng nước trữ cuối thời đoạn

tính toán.

Đối với lưu vực kín (là lưu vực có đường phân thủy mặt trùng với đường phân thủy ngầm) sẽ không có nước mặt và nước ngầm từ lưu vực khác chảy đến, tức là Y1 = 0 và W1 = 0, khi đó ta có: X = Y + Z ± ΔU, trong đó Y=Y2+W2 , Z = Z2 - Z1.

Đối với lưu vực hở (là lưu vực có đường phân thủy mặt và phân thủy ngầm không trùng nhau) sẽ có lượng nước ngầm từ lưu vực khác chảy vào và ngược lại Vì vậy, phươngtrình cân bằng nước sẽ có dạng: X = Y + Z ± ΔW ± ΔU , trong đó ± ΔW = W2 - W1 Đối với phương trình cân bằng nước cho thời kỳ nhiều năm thì ΔU được xem như bằng không.

- Thời gian mưa:………

- Các loại mưa:………

- Tính chất của nước mưa:…………

- Chu kỳ mưa:………

- Phân bố mưa:………

(2) Các phương pháp tính toán nội suy lượng mưa cho 1 trạm nào đókhi biết giá trị lượng mưa từ các trạm xung quanh:

- Phương pháp trung bình số học từ giá trị lượng mưa đã biết củacác trạm xung quanh

- “Phương pháp tỷ lệ thích hợp”:………

- Phương pháp tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách:……

- Phương pháp tương quan:………

(3) Tính lượng mưa trung bình trên toàn lưu vực:

- Phương pháp trung bình số học

- Phương pháp đa giá Thiessen

(4) Tính chu kỳ lặp lại và xác suất xuất hiện trở lại của trận mưacó lượng mưa xác định nào đó:………

(5) Tính thời gian lưu trú của nước trong một thực thể chứa nước nàođó (ao, hồ, sông suối, không khí ….)

(6) Sự phân bố nước mưa trong rừng:

- Lượng nước bị giữ lại trên tán rừng:………

- Lượng nước chảy men thân cây:………

- Lượng dòng chảy mặt đất dưới tán rừng:………

- Lượng nước bị giữ lại bởi tán cây bụi thảm tươi dưới tán rừng:

5.5.1 Khái niệm và ý nghĩa của bốc thoát hơi nước (tham khảo tài liệu):………

2/3 lượng mưa được bốc hơi trở lại khí quyển, cần 75% lượng bức xạ chi phí cho việc này …… Vì vậy, bốc hơi đã quyết định trong kiểm soát năng lượng của trái đất.

Lượng hơi nước trong khí quyển chiếm khoảng 0-4% - hiệu ứng nhà kính rất lớn, nhưng cũng giảm bức xạ mặt trời xuống trái đất rất lớn.

* Quá trình thoát hơi nước:

 “Evaporative” loss of water through stomata in plant leaves;

 Plants control transpiration rates by opening and closing stomata;

 ~95% of water taken up by plants is transpired!

5.5.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến bốc thoát hơi nước:

Tỷ lệ Bowen:

Thực vật sử dụng bao nhiêu nước để quang hợp và thoát hơi?

5.5.3 Tính toán bốc thoát hơi:

4.5.3.1 Tính bốc thoát hơi nước thực tế:

* Khái niệm bốc thoát hơi thực tế (tham khảo tài liệu):………

* Một số công thức tính bốc thoát hơi thực tế:

1 Từ phương trình cân bằng nước của lưu vực:

P = Q + ET + S

2 Từ phương trình cân bằng năng lượng:

E = (Rn – H – G)/(Lvw) Trong đó : E là lượng bốc hơi thực tế (m/s)

Rn – là bức xạ thực (W/m 2 )

H – là thông lượng hiển nhiệt (còn gọi là thông lượng cảm nhiệt), có đơn vị là W/m 2

G – là thông lượng nhiệt cho mặt đất, có đơn vị là W/m 2

Lv là thông lượng tiềm nhiệt, có đơn vị là kJ/kg:

Lv = 2500 – 2.36 x T (T là nhiệt độ không khí, 0 C).

w là khối lượng riêng của nước tại nhiệt độ T, có đơn vị là kg/

m 3

3 Từ công thức sau:

(Nguyên lý thủy văn, Lê Văn Nghinh, N XB Nông nghiệp, Hà Nội, 2000)

E = P/[0,9 + P 2 /(Lt) 2 ] (mm/năm)

Lt = 300 + 25t + 0,05t 3 (t là nhiệt độ trung bình năm)

4 Tính bốc hơi thực tế từ mặt nước: Dựa trên định luật Dalton (1802):

E = C (e s – e a ) (1 + u 25 /10)

E là lượng bốc hơi thực tế của mặt nước theo tháng (inch)

C – là hệ số bốc hơi có giá trị bằng 11 đối với hồ và 15 đối với ao hoặc vùng nước nông.

e s và e a lần lượt là áp suất hơi nước bão hòa và áp suất hơi nước thực tế của không khí có đơn vị là inch thủy ngân

u 25 – là tốc độ gió (dặm/giờ) ở độ cao 25 feet trên mặt nước.

5.5.3.2 Tính bốc thoát hơi tiềm năng:

* Khái niệm bốc thoát hơi tiềm năng (tham khảo tài liệu):………

* Một số công thức tính bốc thoát hơi tiềm năng:

1 Thornthwaite (1948):

PET = 16 [10T/I] a

PET – là lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng (mm/tháng)

T – là nhiệt độ trung bình tháng ( 0 C).

a là hệ số địa phương được xác định bằng hàm số của I:

a = 6.75 x 10 -7 I 3 – 7.71 x 10 -5 I 2 + 1.792 x 10 -2 I + 0.49239

I là chỉ số nhiệt độ của các tháng trong cả năm:

I =  [Tj/5] 1.514

Tj là nhiệt độ trung bình tháng j ( 0 C)

2 Phương pháp của Penman (1948):

PET = { x (R n – G)/( + ) + [6.43  (1.0 + 0.53 u 2 ) (e s – e a )/( + )]}/ Trong đó: PET là lượng bốc thoát hơi tiềm năng (mm/ngày)

R n là bức xạ thuần (MJ/m 2 /ngày), được tính như sau:

R n = (1-) R s – R b

R s là bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt đất (MJ/m 2 /ngày)

R b là bức xạ nhiệt trở lại khí quyển (MJ/m 2 /ngày)

 là hệ số Albedo hoặc tỷ lệ phản xạ sóng ngắn.

R b = [a R s /R so + b]R bo

Trong đó a và b là các hệ số khí hậu khu vực, đối với vùng ẩm ướt

a = 1.0, b = 0; đối với vung khô hạn a = 1.2, b = -0.2, đối với vùng bán ẩm ướt a = 1.1, b = -0.1;

R so là lượng bức xạ mặt trời trong những ngày không có mây (MJ/

m 2/ngày) (tra bảng 4.5 dựa vào vĩ độ của vùng quan tâm);

R bo = T 4 , trong đó  là hằng số Stefan-Boltzmann có giá trị là 4.903 x 10 -9 (MJ/m 2 /ngày/K 4 );

T là nhiệt độ trung bình của giai đoạn tính toán tính bằng 0 K (Kelvin);

 là chỉ số phát xạ, được tính theo phương trình của Idso-Jackson với T là độ Kelvin như sau:

u 2 là tốc độ gió (m/s) đo tại vị trí có độ cao 2 m so với mặt đất;

 là độ dốc của đường cong sức trương hơi nước bão hòa theo nhiệt độ không khí (kPa/ 0 C):

 = 0.200 [0.00738 T + 0.8072]7 – 0.000116, trong đó T là nhiệt độ không khí ( 0 C).

 là hằng số ẩm (ẩm biểu) được xác định bằng công thức:

 = C p P/(0.622) – trong đó C p là chỉ số nhiệt lượng của nước ở áp suất không đổi bằng 0.001013 kJ/kg/ 0 C.

P là chỉ số áp suất không khí (theo Doorenbos và Pruit – 1977), có đơn vị là kPa: P = 101.3 – 0.01055H, trong đó H là độ cao tuyệt đối so với mực nước biển (m).

 là nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi nước, có đơn vị là MJ/kg:

 = 2.501 – 2.361 x 10-3 T , trong đó T là nhiệt độ không khí ( 0 C) (Nguồn: Environmental Hydrology).

Horton (1919):

E: Tốc độ bốc hơi của nước bị chặn lại , t là thời gian của trậnmưa, S là khả năng giữ nước của tán lá (không tính đến bay hơi vàsau khi sự nhỏ giọt của nước ở tán lá đã dừng lại)

P: Tổng lượng mưaMerriam (1960):

E: Lượng bốc hơi trung bình trong trận mưa, T là thời gian củatrận mưa

Jackson (1975): đối với rừng nhiệt đới

5.5.4 Đo bốc thoát hơi:

5.5.4.1 Đo bốc hơi:…………

5.5.4.2 Đo thoát hơi:……

Có thể căn cứ vào lượng bốc thoát hơi nước thực tế để tính toán nhu cầu nước tưới cho cây trồng trên cạn:

(Phạm Ngọc Dũng, Nguyễn Đức Quý, Nguyễn Văn Dung –Giáo trình Quản lý nguồn nước – NXB Nông nghiệp, Hà Nội,2005)

Loại cây trồng Phạm vi biến đổi

Ngũ cốc và rau 0,2-1,25

P – Lượng mưa trong thời đoạn tính toán (mm)

 - Hệ số sử dụng mưa – đất nhẹ  = 0.6-0.7; đất nặng  = 0.5

0.4-Wg – lượng nước ngầm có khả năng cung cấp cho cây trồng(phụ thuộc vào loại đất và độ sâu nước ngầm theo bảng sau:

θ1, θ2 – độ ẩm đất ở đầu và cuối thời đoạn tính toán được xácđịnh theo % trọng lượng đất khô kiệt.

5.6 Dòng chảy:

- Phân loại dòng chảy:

+ Theo phân bố không gian: Dòng chảy mặt đất, dòng chảy sát mặt đất, dòng chảy dưới mặt đất, dòng chảy ngầm;

+ Theo tính chất: Dòng chảy năm, dòng chảy lớn nhất, dòng chảy bé nhất(còn gọi dòng chảy nền, dòng chảy kiệt, dòng chảy mùa khô), dòng chảy rắn (dòng chảy bùn cát)

5.6.1 Các đặc trưng cơ bản của dòng chảy

* Sự hình thành dòng chảy: Dòng chảy = Lượng mưa – lượng tổn thất – biến đổi lượng nước trữ của lưu vực.

- Đối với thời gian dài thì biến đổi lượng nước trữ của lưu vực có thể xem bằng không

- Lượng tổn thất bao gồm lượng bốc thoát hơi; lượng nước điền trũng trên bề mặt đất; lượng nước bị giữ lại trên bề mặt thảm thực vật và thảm khô, thảm mục; lượng nước thấm vào trong đất

5.6.2 Các học thuyết cơ bản về sự hình thành dòng chảy trên sườn dốc:

* Giả thuyết Horton (1933):

* Giả thuyết Hewlett (1961):

5.6.3 Một số phương pháp ước tính dòng chảy trong lưu vực:

- Tính lưu lượng đỉnh lũ theo “Phương trình hợp lý” :

Q = 0.278CIA (m3/s)Trong đó C là hệ số dòng chảy, có thể tra trong bảng “Table 5.5” vàhoặc bảng “Table 12.7” dưới đây:

- Ước tính dòng chảy theo phương trình Manning (1890):

Q = (1/n) x A x R2/3 x S1/2

Trong đó Q là lưu lượng dòng chảy (m3/S); A là diện tích mặt ướt, cóđơn vị là m2, R là bán kính thủy lực, có đơn vị là m (bằng A/P, P là chu vimặt ướt); S là độ dốc mặt đáy sông suôi – tuy nhiên thường lấy S là độ dốcmặt nước, có giá trị là số thập phân

n là hệ số nhám bề mặt của Manning, thường gọi là hệ số Manning nđược tra theo bảng sau:

0.024 Columbia River at Vernita,

Washington0.028 Clark Fork at St Regis, Montana

0.032 Salt River below Stewart Mountain

Dam, Arizona0.033 Clearwater River at Kamiah, Idaho

0.036 West Fork Bitterroot River near

Conner, Montana

0.037 Wenatchee River at Plain,

Washington0.038 Moyie River at Eastport, Idaho

0.038 Spokane River at Spokane,

Washington

0.041 Middle Fork Flathead River near

Essex, Montana0.043 Catherine Creek near Union, Oregon

0.043 Chiwawa River near Plain,

Washington

0.043 Grande Ronde River at La Grande,

Oregon0.045; 0.073 Provo River near Hailstone, Utah

0.050 Clear Creek near Golden, Colorado

0.051 South Fork Clearwater River near

0.065 Merced River at Happy Isles Bridge,

near Yosemite, California0.073 Boundary Creek near Porthill, Idaho

0.075 Rock Creek near Darby, Montana (Missing)

(Nguồn:http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/sws/fieldmethods/Indirects/nvalues/index.htm)

- Tính hệ số dòng chảy (C) từ tỷ lệ diện tích không thấm nước (i)trong các lưu vực đô thị:

+ Theo Urbonas và các cộng sự (1990):

C = 0.858i 3 – 0.78i 2 + 0.774i + 0.04

Fa/S = Q/(P – Ia)

Theo nguyên lý cân bằng ta có: P = Fa + Ia + Q.

Từ đó có thể tính được Q = (P-Ia) 2 /(P – Ia + S)

- Đối với các lưu vực nhỏ, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chothấy Ia = 0.2S Vì vậy:

Q = (P – 0.2S) 2 /(P + 0.8S)

Trong đó Q là lớp dòng chảy sau trận mưa và S là lượng nước tối đacó thể được giữ lại trong lưu vực Cả 2 đại lượng này đều được tính theo đơn

vị của lượng mưa P (inch)

- Chỉ số S có thể được tính thông qua mối liên hệ giữa S (được tínhbằng inch) với chỉ số đường cong dòng chảy (ký hiệu là CN, có giá trị

0 ≤ CN ≤ 100 Đối với các vùng không thấm nước hoặc mặt nước thì CN =100):

S = (1000/CN) – 10

+ Chỉ số CN phụ thuộc vào từng nhóm đất thủy văn và hiện trạng sử dụngđất, được xác định theo cách tra bảng (Bảng “Table 08” và “Table 5.1” dướiđây)

(Lưu ý: độ ẩm của đất trước trận mưa đang xét được gọi là độ ẩm kỳtrước, được tính gián tiếp thông qua lượng mưa kỳ trước đồng thời đượcchia thành 3 nhóm: độ ẩm kỳ trước trong điều kiện bình thường – ký hiệuAMC II, độ ẩm kỳ trước trong điều kiện ẩm ướt (AMC III) và độ ẩm kỳtrước trong điều kiện khô (AMC I) Tiêu chuẩn để phân loại 3 loại độ ẩmnày được thể hiện trong bảng sau:

Nhóm AMC

Tổng lượng mưa 5 ngày trước (in)

Mùa không hoạt động Mùa sinh trưởng