Cuốn sách này nhấn mạnh các vấn đề về tính toán thuỷ văn, hướng tới đối tượng sinh viên các năm cuối nhằm cung cấp các kiến thức và cách tiếp cận đến vấn đề ứng dụng quan trọng trong việ
Trang 1Philip B Bedient
Wayne C Huber
Hydrology
and Floodplain Analysis
Second Edition
Trang 2§¹i häc Quèc gia Hµ Néi
Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn
Philip B Bedient Wayne C Huber
Thuû v¨n häc
vµ
Ph©n tÝch vïng ngËp lôt
Biªn dÞch: NguyÔn Thanh S¬n
Hµ néi - 2003
Trang 3Lời người dịch
Cuốn sách Thuỷ văn học và Phân tích vùng ngập lụt của các giáo sư Philip B
Bedient, trường đại học Tổng hợp Rice và Wayne C Huber, trường đại học Tổng hợp bang Oregon do Addison - Wesley Publising Company xuất bản đã tổng kết kinh nghiệm giảng dạy gần 45 năm của các tác giả trong lĩnh vực này Đây là một cuốn sách trình bày rất chi tiết và cô đọng các bài giảng về thuỷ văn học nói chung và các vùng thuỷ văn vùng ngập lụt, nói riêng
Cuốn sách này gồm hai phần chính như tên sách đã nêu Điều hấp dẫn là cách trình bày từ lý thuyết, ví dụ, bài tập một cách mạch lạc, rõ ràng, là một cuốn giáo trình kiểu mẫu giúp người đọc nắm vững các vấn đề một cách khoa học và có khả năng tiệm cận ngay với những bài toán thực tiễn
Sách có 9 chương, 5 chương đầu tiên dành để truyền đạt, phân tích những vấn đề cơ bản nhất của thuỷ văn học Ba chương tiếp theo dành để phân tích thuỷ văn các vùng đặc thù (vùng đồng bằng ngập lụt) và thuỷ văn nước ngầm Chương cuối bàn về các vấn đề kỹ thuật thường gặp trong thiết kế thuỷ văn Bạn đọc có thể tìm hiểu kỹ
thêm ở phần về cuốn sách của các tác giả
Các ví dụ, bài tập được chọn lọc, phù hợp với lý thuyết trên kinh nghiệm giảng dạy
và thực tiễn nghiên cứu của các tác giả Các mô hình sử dụng máy tính đã được cập nhật và giáo trình mang màu sắc của thuỷ văn hiện đại Với hơn 80 ví dụ và lời giải cùng nhiều bài tập về nhà để rèn luyện với sự chuẩn bị công phu cơ sở dữ liệu, cuốn sách có ích không chỉ đối với sinh viên mà còn là cẩm nang chỉ dẫn đối với các nhà nghiên cứu, nhất là trong lĩnh vực mô hình toán thuỷ văn và thuỷ lực
Khi dịch cuốn sách này, người dịch cố ý không chuyển đổi các đơn vị Anh, Mỹ dùng trong cuốn sách bởi các số liệu tính toán trong các bảng biểu, ví dụ và hình vẽ đều dùng đơn vị Anh và không thể làm lại Hơn nữa, trong phần phụ lục các giả đã đưa ra
đầy đủ các bảng biểu chuyển đổi đơn vị, các thuật giải, các mô tả chương trình máy tính
và các ký hiệu đầy đủ có thể giúp người đọc chuyển đổi dễ dàng, nếu có nhu cầu
Tuy rất cố gắng chuyển tải trung thành nội dung cuốn sách, do hạn chế về thuật ngữ nên có thể vẫn còn có những khiếm khuyết nhất định Rất mong sự góp ý của bạn
đọc để lần xuất bản sau được tốt hơn Xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Văn Tuần đã đọc kỹ bản dịch và hiệu đính để bản thảo được hoàn thiện với chất lượng cao hơn Xin cảm ơn các sinh viên Lê Thị Huệ, Trần Nam Bình, Cao Phong Nhã, Cấn Thu Văn và Phạm Quang Huy lớp K45 TV đã đóng góp nhiều trong công việc dịch thuật, chế bản để cuốn sách sớm hoàn thành
Đây là một cuốn sách hay, rất hữu dụng cho sinh viên và học viên sau đại học cũng như các nhà nghiên cứu, thực hành
Xin trân trọng giới thiệu cùng độc giả
11
Trang 4Mở đầu
Hiện tượng lũ lụt, khô hạn, vấn đề điều khiển hệ thống thoát lũ và cung cấp nước, vấn đề chất lượng nước và môi trường là các vấn đề có ý nghĩa quan trọng trong thuỷ văn học hiện đại đang được sự quan tâm của các nhà thuỷ văn công trình, địa chất thuỷ văn, các nhà khoa học trong lĩnh vực Khoa học Trái Đất Cuốn sách này nhấn mạnh các vấn đề về tính toán thuỷ văn, hướng tới đối tượng sinh viên các năm cuối nhằm cung cấp các kiến thức và cách tiếp cận đến vấn đề ứng dụng quan trọng trong việc phân tích lưu vực, tính toán ngập lụt, kiểm soát lũ, thuỷ văn đô thị, thiết kế mưa và thuỷ lực dòng chảy và mô hình hoá bằng máy tính
Phiên bản thứ hai của cuốn sách này được giới hạn và mở rộng trong các chương
1, 2 và 4 Những quan điểm mới về đo đạc thuỷ văn, về quá trình thấm, về mô hình HEC-1 và HEC-2 đã được trình bày Chương 9 nhấn mạnh tầm quan trọng của thiết kế thuỷ văn với các ví dụ chi tiết về cách giải hợp lý cho kênh dẫn, lưu vực nhỏ, hồ chứa và vùng ngập lụt
Ngoài ra, các biểu bảng tính toán thuỷ văn được sắp xếp rõ ràng, trích dẫn hơn 80
ví dụ, 192 bài tập minh hoạ và 4 hướng nghiên cứu chính
sự phát triển của thuỷ văn học
Trong hai mươi năm qua, thủy văn học là môn học được trưởng thành như một khoa học kỹ thuật Hướng theo sự phát triển của lý thuyết thủy văn học truyền thống trước 1960, một sự tăng đột biến về số lượng và sự phức tạp của các nghiên cứu thủy văn học là từ hai lực phát động vào cuối những năm 1960:
Việc phát triển, mở rộng thành thị trong Hoa Kỳ và sự quan tâm đến môi trường,
sự kiểm tra chất lượng nước mặt được nhấn mạnh
Sự ra đời hàng loạt công trình về mưa, dòng chảy và chất lượng nước cũng như
sự phát triển của kỹ thuật máy tính tạo cơ sở tốt hơn cho việc phân tích dữ liệu và xây dựng mô hình lưu vực
Vào những năm 1970 thủy văn học bước vào một kỷ nguyên mới Trong thập niên này một số lớn mô hình tính toán trên máy tính phức tạp được tạo ra bởi các cơ quan thuộc Chính phủ và các trường đại học định hướng vào sự dự đoán nạn lụt, điều khiển nạn lụt, các kỹ thuật tài nguyên nước, thủy lực thiết kế, vấn đề tưới nước, kiểm tra độ nhiễm bẩn, quản lý chất lượng và những vấn đề cung cấp nước
Trong những năm 1980, những mô hình tính toán trên máy tính được cập nhật tài liệu đã trở thành thường lệ và vận hành các thủ tục phân tích thủy văn chi tiết các lưtree vực
Bổ sung tính năng sử dụng bằng những máy tính cá nhân vào những năm 1980
Trang 5đã cách mạng hóa hơn nữa tính thực hành của thủy văn học Hàng trăm chương trình lớn, nhỏ đã được viết để làm đơn giản hoá công việc tính toán trên của các kỹ sư và các nhà thủy văn Nhiều máy tính lớn sớm hơn đã tích hợp để có những phiên bản được chuyển đổi chạy trên những máy tính cá nhân mạnh Sự hữu dụng của những mô hình tính toán trên máy tính đã được khai triển cho lớp học và cho thực tế thiết kế một cách
đáng kể
Phát triển về lý luận
ý tưởng đầu tiên cho quyển sách bắt nguồn từ những kinh nghiệm của tác giả trong việc dạy về phân tích thủy văn học lưu vực từ 1976 tại trường đại học Rice Phiên bản đầu tiên của cuốn sách (1988) được viết trong thời gian năm năm và cung cấp các phương pháp tính gần đúng hiện đại bao gồm sự liệt kê chi tiết những phương pháp số
và những mô hình tính toán trên máy tính thường được sử dụng trong thủy văn học Phiên bản hai, sau bốn năm, đã bổ sung đáng kể các kiến thức mới, những ví dụ, bảng biểu và một chương mới về những vấn đề dự án trong thủy văn học
Tác giả đã lựa chọn những mô hình tính đơn giản để sinh viên học nhiệt tình và hiệu quả hơn khi họ tiệm cận những vấn đề thủy văn học hiện đại
Với khả năng hiện thời của những máy tính cá nhân, những hoạt động như vậy
đang trở thành là quy tắc cho sự rèn luyện của các kỹ sư và các nhà thủy văn học Văn bản này cung cấp một số chương trình và những bảng biểu FORTRAN đơn giản được sử dụng trong thủy văn học và thủy lực học, sẵn sàng trên đĩa cho hệ máy PC hoặc máy tính Macintosh
Bốn chương ( 5, 6, 7, và 9) cống hiến cho lý thuyết và ứng dụng chi tiết ba mô hình được sử dụng rộng rãi nhất để làm mẫu: HEC - 1, HEC - 2 và SWMM Với trường hợp chi tiết, chính là học về lưu vực và lập kế hoạch thủy văn thực tại Điều này là một
sự cải tiến đặc biệt khác trước, cộng thêm chương 9 trình bày về vấn đề dự án, phiên bản hai là một sự tham khảo có ích cho cả những sinh viên lẫn những người chuyên nghiệp trong thủy văn
Tổ chức cuốn sách
Cuốn sách được chia ra hai phần chủ yếu: Phần đầu tiên, gồm có bốn chương bao trùm những chủ đề thuỷ văn truyền thống như sự thấm, mưa, bốc hơi, sự đo đạc và phân tích lưu lượng trận mưa, xác suất ngập lụt và những phương pháp khảo sát nạn lụt Những chủ đề này cung cấp cho sinh viên một sự hiểu biết toàn diện chu trình thủy văn học trong tự nhiên cũng như bài toán xây dựng thiết kế bên trong giới hạn nhất định của nạn lụt Nhiều ví dụ thực tế được sử dụng để minh hoạ các lý thuyết và
định nghĩa Những phương pháp thực nghiệm và những sự tính toán gần đúng cùng các bảng biểu được sử dụng khắp nơi
Chương 3, Sự phân tích tần số, giới thiệu những phân phối chuẩn để phân tích dữ liệu có liên quan nạn lụt và nhấn mạnh tại sao những phân phối đặc thù trên được chọn cũng như bàn đến sự phù hợp dữ liệu đo được
Chương 4, Diễn toán lũ, bao gồm những ví dụ chi tiết về động lực học dòng sông
và bể chứa đồng thời liên hệ với những phương pháp số trị Những phương trình diễn toán lũ được dẫn xuất ra chi tiết, được phân tích và cung cấp kèm theo một chương
8
Trang 6trình máy tính Một thảo luận đầy đủ về những phương pháp diễn toán thủy lực tiên tiến hơn và những mô hình sẵn có đã được trình bày
Các chương 5 - 9 được thiết kế để áp dụng kỹ thuật máy tính lý thuyết và mô hình thủy văn học cho một số vùng đặc thù của việc thiết kế thủy văn và thiết kế - phân tích lưu vực, sự mô tả phác họa vùng ngập lụt và thuỷ văn đô thị Những phương pháp và những mô hình máy tính hiện đại nhất để dự đoán nạn lụt, tính toán vùng ngập lụt, và thiết kế thuỷ văn đô thị được nhấn mạnh trong mọi chi tiết đáp ứng cho sử dụng thực tiễn và cung cấp những sự nghiên cứu chi tiết qua các trường hợp ví dụ Chương 5 giới thiệu các mô hình mô phỏng trong thủy văn, những phương pháp mô phỏng điều khiển và dự đoán nạn lụt, đường quá trình lũ trên lưu vực Giới thiệu phương pháp luận toàn diện về tổ chức dữ liệu đầu vào của mô hình ngập lụt
Chương này bàn về ứng dụng của HEC-1, đường quá trình lưu lượng đơn vị, phương pháp sóng động học và hiệu ứng lưu vực từ quá trình đô thị hoá, việc phân chia các kênh và bể chứa, đánh giá tính hiệu dụng trong các điều kiện mặt đệm phức tạp trên lưu vực cho thấy những khó khăn khi ứng dụng mô hình hệ thống
Chương 6, Thủy văn đô thị, tổng quan những phương pháp chuẩn và những mô hình máy tính cho các cống và kênh mở tại các hệ thống cống rãnh Những sự phát triển gần đây trong thiết kế hệ thống thoát hồ chứa, kể cả phần quản lý nước (SWMM), được trình bày với một sự nghiên cứu lưu lượng đô thị toàn diện nhất Nhấn mạnh về khía cạnh phân tích thống kê dữ liệu và lý thuyết trên nền các đường cong IDF được sử dụng trong hệ thống thiết kế thoát nước thành thị và những sự so sánh tạo
ra các phương pháp hợp lý làm chuẩn thiết kế
Chương 7, Thủy lực học vùng ngập lụt cho những tổng quan đầu tiên, những khái niệm từ dòng chảy trong kênh hở, các yêu cầu để vận hành theo trắc diện tính toán Tiếp theo, HEC - 2 của Trung tâm kỹ thuật thủy văn được mô tả chi tiết bởi vì tính phổ biến của nó và yêu cầu sử dụng của những kỹ sư thực hành Đường cong nước mặt ngoài và mặt nghiêng được yêu cầu trong đa số các vùng ngập lụt và kênh thiết kế của các dự án, những thiết diện tại ngã tư có cầu bắc qua đòi hỏi xác định vị trí và những
hệ số cơ bản Một nghiên cứu trường hợp chi tiết được giới thiệu minh hoạ cho mô hình
Sự dự đoán nạn lụt gồm các đỉnh cho một trận mưa lịch sử hoặc dự báo, sử dụng phương pháp hợp lý hoặc một mô hình tính đã kéo theo sự biến đổi các đỉnh điều chỉnh trong vùng ngập lụt Đây là một trong những bài toán khó nhất trong việc lập quy hoạch thủy văn
Chương 9 hướng vào vài vấn đề thực tiễn liên quan đến trận mưa thiết kế, lưu vưc nhỏ thiết kế, hồ chứa thiết kế, và rộng hơn là lưu vực ngập lụt thiết kế
Các chương 5, 6,7, và 9 cùng trình bày một tổ hợp đơn nhất các phương pháp thường sử dụng bởi những kỹ sư thực hành và những nhà thủy văn học nhưng trước đó chưa bao giờ đề tài này kết hợp trong một cuốn sách giáo khoa phổ thông
Chương 8 trình bày thủy văn học nước dưới đất như một chương độc lập, bao gồm dòng trong môi trường xốp, những thuộc tính tầng chứa nước, giếng và các ứng dụng máy tính Đưa ra những phương trình của dòng và ứng dụng vào một số bài toán nước ngầm, bao gồm sự phân tích cả trạng thái dừng lẫn trạng thái động Sự phân chia về những phương pháp số giới thiệu kỹ thuật thực nghiệm trong nước ngầm và những ví
dụ sử dụng những chương trình máy tính đơn giản để mô tả
Trang 7Phiên bản mới của cuốn sách cung cấp kỹ thuật hoặc cho sinh viên hoặc cho các nhà khoa học với tất cả lý thuyết thích hợp để hiểu thủy văn học và sự phân tích vùng ngập lụt Kỹ sư thực hành tìm thấy quyển sách một sự tham khảo hiện đại cho những nguyên lý thủy văn học, sự phân tích tần số nạn lụt, sự phân tích vùng ngập lụt, sự mô phỏng bằng máy tính và nước mưa thiết kế
lời cảm ơn
Cuốn sách về các phân tích thuỷ văn lưu vực này đã được tích luỹ trong một số năm giảng dạy Trong quá trình trao đổi với các đồng nghiệp và sinh viên đã dần hoàn thiện các ý tưởng về sự nhấn mạnh các phương pháp hiện đại Tác giả cảm thấy mắc nợ nhiều nhóm nghiên cứu, các tổ chức và cá nhân vì những đóng góp đáng kể của họ để cấu trúc nội dung cuốn sách được hoàn thiện chất lượng cao
Sự đóng góp của các nhà biên tập trong việc rà soát bản thảo cẩn thận và các góp ý quý báu của: Robert Johanson, trường đại học Pacific; Richard H McCuen, trường đại học Maryland; Ed Schroeder, trường đại học California, Davis; Stuart G Walesh, trưởng khoa, trường đại học Valparaiso; và Ralph A Wurbs, trường đại học Texas A& M Tom Robbins, biên tập viên nhà xuất bản Addison - Wesley, trong cả hai phiên bản Sự quản lý của cơ quan Flanagan Barbara trong việc quản lý toàn bộ các chi tiết kỹ thuật là sống còn tới sự xuất bản phiên bản đầu tiên Helen Wythe đóng góp nhiều về những sự thay đổi cho phiên bản hai Những tác giả cũng cám ơn tất cả các đồng nghiệp ở Addison - Wesley vì những nỗ lực của họ
Lời cảm ơn đặc biệt dành cho kỹ thuật viên tận tâm Pamela Ross ở trường đại học Rice vì sự giúp đỡ của cô ấy, về kỹ năng xem lại văn bản, biên tập những ví dụ, những bài toán, bài tập ở nhà, và những chương trình máy tính Tim Jenkin, Beth Erlanson, Carol Ellinger giúp đỡ nhiều về những bảng biểu, những ví dụ, và bài tập ở nhà những bài toán cho phiên bản hai Chúng ta vô cùng cảm ơn Kelsey - Bettschen và Diana Freeman Marilyn đánh máy hầu hết phác thảo đầu tiên Cuối cùng, chúng ta dành sự cảm ơn cho Kathy Moore, người tổ chức tất cả sự đánh máy, minh hoạ, về những sự thay đổi văn bản và hình vẽ cho phiên bản thứ hai
Philip B Bedient Wayne C Huber
10
Trang 8Về cuốn sách
Thuỷ văn học và Phân tích vùng ngập lụt, phiên bản thứ hai cung cấp đầy đủ các
khái niệm cơ bản và các phương pháp thiết kế trong thuỷ văn và phân tích vùng ngập lụt Bốn chương đầu tiên bao trùm các chủ đề về dòng chảy mặt như giáng thuỷ, bốc thoát hơi, thấm và phân tích mưa - dòng chảy, tần suất lũ và các phương pháp diễn toán lũ Chương 5, 6 và 7 đề cập tới lý thuyết và kỹ thuật máy tính hiện đại đối với một
số lĩnh vực thuỷ văn công trình gồm phân tích lưu vực, thuỷ văn đô thị và thuỷ lực vùng ngập lụt Chương 8 bàn luận một cách súc tích về chủ đề nước ngầm bao gồm nước ngầm, dòng chảy ngầm, thuỷ lực giếng và các kỹ thuật mô hình hoá nước dưới đất
Điểm mới trong phiên bản này ở chương 9 với các phương pháp thiết kế mưa - dòng chảy nhấn mạnh đến các lưu vực nhỏ và lớn đang đô thị hoá Các phương pháp thiết kế với qui mô các kênh và ống sử dụng phép xấp xỉ đường quá trình đơn vị để mô tả các chỉ tiêu thiết kế chuẩn cho vùng đô thị Chương 9 kết thúc với một chuyên đề phân tích vùng ngập lụt và thiết kế sử dụng HEC-1 và HEC-2
Thêm vào trong chương 9, ở phiên bản thứ hai này, đáng chú ý là các ví dụ tính dùng bảng số và mở rộng các phép đo thuỷ văn như phương pháp SCS, phân tích tốc độ tổn thất mà HEC -1 và HEC -2 đã thảo luận Trình bày thêm hơn 60 bài tập về nhà mới để rèn luyện
Phiên bản này thích hợp đối với các khoá thuỷ văn dân sự, kỹ thuật môi trường,
địa chất học và các khoa học trái đất khác Lần xuất bản này lược duyệt tiếp tục các vấn đề về thuật toán dùng trong thuỷ văn hiện đại đáp ứng đào tạo đại học và sau đại học về các khía cạnh cân bằng và phân tích lưu vực, diễn toán và kiểm soát lũ, thuỷ văn đô thị, mưa thiát kế và các mô hình máy tính
Ngoài các vấn đề chính, trong cuốn sách còn gắn kèm theo hơn 80 ví dụ và lời giải; cuối các chương đều tổng kết các ý tưởng chính, lược duyệt và xem xét 192 các kiểm nghiệm trong lĩnh vực thiết kế thực tiễn
Trang 9Về tác giả
hợp Rice, Houton, Texas Ông bảo vệ luận án Ph.D Kỹ thuật môi trường ở Đại học Tổng hợp Florrida Các quan tâm nghiên cứu của ông về thuỷ văn nước mặt trong lĩnh vực mô hình hoá lưu vực, chất lượng nước mưa đô thị, hệ thống điền trũng và phân tích vùng ngập lụt Gần đây các nghiên cứu của ông hướng tới mô hình thuỷ văn nước ngầm vận tải công cộng và các nơi đổ rác thải nguy hiểm Ông là nghiên cứu viên thuộc Cơ quan trung tâm quốc gia bảo hộ môi trường về nghiên cứu nước ngầm
Dr Bedient là người điều tra chính của 30 dự án và là tác giả của hơn 80 bài báo
kỹ thuật Ông thích hợp vai trò cố vấn trong cả hai lĩnh vực công cộng và tư nhân và là một kỹ sư chuyên nghiệp có tiếng Dr Bedient được thừa nhận là người lãnh đạo ưu tú tầm quốc gia trong khoa học môi trường từ 1988-1993
hợp Oregon ở Corvalis Ông bảo vệ Ph.D ở trường đại học Kỹ thuật Massachusetts
Ông thực hiện luận án tiến sỹ thuộc lĩnh vực thống kê và được biết đến qua hơn 90 công trình và bài báo về kỹ thuật thống kê Ông còn là nhà kỹ thuật và cố vấn cho các xưởng
và các hãng phim
Qua nhiều năm trên cương vị Giáo sư ở trường Tổng hợp Florida tại Gainesville,
Dr Huber nghiên cứu về thuỷ văn lưu vực sông, hồ, thống kê mưa, mô hình thuỷ lực và chất lượng nước Ông góp phần vào xây dựng mô hình SWMM, về nghiên cứu tổng lượng và chất lượng nước trong các vùng đô thị
6
Trang 10Mục lục
Chương1 Các nguyên lý thuỷ văn học 21
Lịch sử thuỷ văn cổ đại 22 Lịch sử hiện đại 23
Sự phát triển của máy tính 24
1.2 Vòng tuần hoàn nước 26
Độ ẩm không khí 30 Giai đoạn biến đổi 31 Nguyên nhân và cơ chế thành tạo 32
Điểm giáng thuỷ 33 Vùng giáng thuỷ 41
1.4 Bốc hơi và bốc thoát hơi nước 45
Xác định bốc hơi bằng phương pháp cân bằng nước 46 Phương pháp trao đổi khối lượng 47 Phương pháp cân bằng năng lượng 48 Thùng bốc hơi 49 Bốc thoát hơi nước 52
Phương trình cường độ thấm 55 Các phương pháp thấm lỹ thuyết 63
Các thành phần của biểu đồ thuỷ văn 71
Độ ẩm không khí 72
Thấm và nước ngầm 73
Đo đạc dòng chảy sông ngòi 73