Thủy văn công trình - Chương 4 pdf

HỆ THỐNG SÔNG NGÒI: Nước mưa khi rơi xuống đất, một phần bị tổn thất do bốc hơi, một phần đọng ở các chổ trũng và ngấm xuống đất, phần còn lại chạy dọc theo sườn dốc tạo thàng dòng chảy

CHƯƠNG 4

SÔNG NGÒI VÀ SỰ HÌNH THÀNH

DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

I HỆ THỐNG SÔNG NGÒI:

Nước mưa khi rơi xuống đất, một phần bị tổn thất do bốc hơi, một phần

đọng ở các chổ trũng và ngấm xuống đất, phần còn lại chạy dọc theo

sườn dốc tạo thàng dòng chảy mặt trên các khe, suối, và chảy xuống

đồng bằng trong các sông

Các sông trực tiếp chảy ra biển hay vào các hồ gọi là sông chính Các

sông chảy vào sông chính gọi là sông nhánh cấp 1 Các sông chảy vào

sông nhánh cấp 1 gọi là sông nhánh cấp 2,…

Tất cà các sông chính và nhánh, cùng các khe suối , ao hồ đầm lầy hợp

thành một hệ thống sông, và người ta lấy tên sông chính để đặt tên cho

hệ thống sông này Ví du:ï hệ thống sông Hồng, hệ thống sông Mekong

1.1 Sự phân bố của các sông nhánh:

• Phân bố theo hình nan quạt: Các sông nhánh lớn phân bố gần nhau

• Phân bố theo hình lông chim: Các sông nhánh phân bố đều đặn hai

bên sông chính

• Phân bố theo hình cành cây: Các sông nhánh phân bố đều đặn hai bên

sông chính theo thứ tự từ lớm tới nhỏ

• Phân bố song song: Các sông nhánh phân bố song song nhau bên cạnh

sông chính

Đối với một hệ thống sông lớn, sự phân bố các sông nhánh thường là tổ

hợp của những sự phân bố trên

II LƯU VỰC SÔNG:

Là phần đất mà trên đó nước chảy vào sông (khu vực tập trung nước của sông)

Đường phân nước của lưu vực

Là đường nới liền các điểm cao nhất chung quanh lưu vực, ngăn cách lưu vực này với lưu vực bên cạnh Vì đây là đường qua các điểm cao nhất nên nước mưa rơi xuống sẽ chảy trên các sườn dốc đổ vào hai lưu vực của hai con sông khác nhau

2

3

4

5

6

7

6

7

5

6

7

5

4

3

4

5

5

5

2

3

2

1

1

3 4

6

6

7 6

Hình 1 Đường phân nước mặt xác định ranh giới lưu vực của sông Y

Sông Y

8 5

7 2

5

3

0 5

Cách vẽ các đường đồng mức

Để xác định đường phân nước cần có bản đồ địa hình và các đường đẳng độ cao của lưu vực

Tương tư, người ta cũng có đường phân nước ngầm của lưu vực

Nếu hai đường phân nước mặt và ngầm trùng nhau, ta có một lưu vực kín Thực tế, đường phân nước ngầm rất khó xác định, nên người ta thường lấy đường phân nứoc mặt làm đường phân nước chung cho hai lưu vực sát nhau Ví dụ ta có thể xem đường phân nước cho lưu vực trong hình 1

III CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA LƯU VỰC

1 Diện tích F và tình hình phân bố diện tích lưu vực

Là phần diện tích nằm bên trong đường phân nước của lưu vực (được xác định bởi máy đo diện tích (thường dùng bản đồ tỷ lệ 1/5000 hay 1/10000 để xác định nhằm đảm bảo độ chính xác )

Tình hình phân bố diện tích trong lưu vực được biễu diễn bằng đồ thị như

hình 3 và 4:

Nguồn sông Nguồn sông

A

B

B

A

f 1

f 2

f 3

f 4

f 5

f 6

f 7

f 8

f 9

f 10

f 1

f 2

f 3

f 4

f 9

f 10

f phải

f trái

0 50 100

f 11

f 12

f 13

Trục tung là chiều dài sông chính, trục hòanh là diện tích lưu vực Bên phải trục hòanh biễu diễn diện tích lưu vực bên phải sông, bên trái trục hòanh biễu diễn diện tích lưu vực bên trái sông

Biểu đồ trên cho ta tình hình tăng triển của diện tích lưu vực sông từ nguồn đến cửa sông

2 Chiều dài lưu vực: L 1 (km)

Là chiều dài đọan gấp khúc nối từ cửa sông đến các điểm giữa của các đọan thẳng cắt ngang lưu vực, đến điểm xa nhất của lưu vực Trong thực tế lấy chiều dài sông chính (tính từ nguồn đến cửa sông) làm chiều dài lưu vực

3 Chiều rộng bình quân của lưu vực: B (km)

1 L

F

4 Hệ số hình dạng của lưu vực: K d

Hệ số hình dạng biểu diễn mức độ phát triển của lưu vực:

1

2 1

1 2 1

B L

B

L L

F

Nếu hình dạng của lư vực càng vuông thì Kd càng tiến dần đến 1 Ngược lại, nếu lưu vực càng hẹp thì Kd càng nhỏ hơn 1 Trị số Kd cho ta khả

năng tập trung lũ của lưu vực

5 Độ cao bình quân của lưu vực: H bq (m)

) F a (

h a H

i

i i bq

=

=

trong đó: hi là cao trình bình quân giữa hai đường đồn gmức

Ai là diện tích giữa hai đường đồng mức

6 Độ dốc bình quân của lưu vực: I bq

) F a (

l H

I

i

i bq

= Δ

=

lưu vực

7 Chiều dài lòng sông: L (km)

Là chiều dài đường nước chảy trong sông từ nguồn đến cửa sông

8 Mật độ lưới sông: D (km/km 2 )

Mật độ lưới sông được tính bằng tỷ số giữa tổng chiều dài của các sông trong lưu vực trên diện tích lưu vực:

F

L

IV LÒNG SÔNG VÀ BÃI SÔNG

Lòng sông là phần sông có nước chảy về mùa kiệt

Bãi sông là phần đất hai bên bờ mà đến mùa lũ bị ngập

Ranh giới giữa lòng sông và bãi sông thường là chỗ địa hình thay đổi đột

Một sông phát triển đầy đủ bao gồm năm đọan: Nguồn sông, thượng lưu sông, trung lưu sông, hạ lưu sông, và cửa sông

IV CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH CỦA SÔNG

1 Hình thái lòng sông trên mặt bằng:

làm cho hướng di chuyển của dòng chảy bị lệch đi, sẽ tạo nên hiện tượng bồi xói hai bên bờ sông làm cho sông có dạng uốn cong Những dạng này được thấy ở miền đồng bằng

b) Sự thay đổi hình thái lòng sông trên mặt bằng: Dòng nước trong sông chảy uốn khúc sẽ tạo nên sự phân bố vận tốc không đều trên một mặt cắt ngang của sông, làm cho bên bờ lõm có vận tốc phân bố rất lớn, tạo nên sự xói mòn bên bờ lõm, và xa về hạ lưu sông, sẽ hình thành các bãi bồi Hiện tượng này theo thời gian càng xảy ra rõ rễt hơn, và cứ thế lòng sông phát triển dần dần tạo ra những bãi bồi nhỏ ngay giữa sông

414500 415000 415500 416000 416500 417000 417500 418000 418500 419000 1194000

1194500

1195000

1195500

1196000

1196500

1197000

1197500

Hình 4 Trường vận tốc sông Tiền đoạn Tân Châu

414500 415000 415500 416000 416500 417000 417500 418000 418500 419000

1194000

1194500

1195000

1195500

1196000

1196500

1197000

1197500

-1.2 -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1

0.2 0.03 0.02 0.01 0.00 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05 -0.06 -0.07 -0.08 -0.09 -0.10 m

Hình 5 Bồi xói đoạn sông Tiền Tân Châu

-200 0 200 400 600 800 1000 0

200

400

600

800

1000

Hình 7 Trường vận tốc đoạn cong sông Lũy-Phan Thanh

-200 0 200 400 600 800 1000 0

200

400

600

800

1000

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.0 0.1 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

m

Hình 8 Diễn biến đáy đoạn cong Sông Lũy-Phan Thanh

2 Mặt cắt sông:

cắt dọc sông bằng cao trình tại các điểm giữa lòng sông, nơi có địa hình thay đổi rõ rệt ( nơi sâu nhất) Sau đó, lấy cao trình này làm trục tung, vẽ theo trục hoành là chiều dài sông tương ứng

b) Mặt cắt ngang: là mặt cắt vuông góc dòng chảy

2 Độ dốc mặt nước:

L

Δ

H1 là cao trình mực nước tại mặt cắt 1,ở thượng lưu

H2 là cao trình mực nước tại mặt cắt 2,ở hạ lưu

L là khoảng cách giữa hai mặt cắt 1 và 2

Độ dốc I giảm dần từ nguồn đến cửa sông

Độ dốc I của sông nhỏ thường lớn hơn sông lớn, sông nhánh lớn hơn sông chính

Trên cùng một con sông, độ dốc mặt nước cũng khác nhau theo từng đoạn

b) Độ dốc ngang:

Độ dốc ngang xuất hiện do ảnh hưởng của lực Coriolic hay lực ly tâm, tại những đoạn uốn cong

Dưới ảnh hưởng của lực Coriolic, Các

dòng chảy ở Bắc Bán cầu có thiên

hướng lệch về bên phải của dòng, nên

mực nước ở bờ phải cao hơn bờ trái Ở

Nam bán cầu thì lệch về bên trái, nên

mực nước ở bờ trái cao hơn bờ phải

Tại những đoạn uốn cong, dưới ảnh

hưởng của lực ly tâm, mực nước của

F l

Hình 9 Độ dốc ngang sông của nước dưới ảnh hưởng của lực ly tâm

bờ lõm cao hơn bờ lồi

V SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI:

Nước mưa rơi xuống lưu vực, một phần chảy trên mặt đất (dòng chảy mặt), một phần ngấm xuống mặt đất thành nước ngầm (dòng chảy ngầm) Tất cả các dòng chảy này sau đó tập trung vào sông, sau đó chảy ra cửa

ra của lưu vực Sự luân chuyển nước như thế này tạo ra dòng chảy sông ngòi

1 Sự hình thành dòng chảy mặt:

a) Quá trình mưa:

Dòng chảy trong sông ngòi của nước ta chủ yếu hình thành do mưa rơi xuống lưu vực, nên mưa là khâu đầu tiên trong quá trình hình thành dòng chảy sông ngòi

Cường độ mưa: là lượng mưa trong một đơn vị thời gian, Ký hiệu là X (mm)

Cường độ mưa luôn thay đổi theo thời gian, theo không gian

Trong một lưu vực, khu vực có cường độ mưa lớn nhất gọi là trung tâm mưa

Trong một trận mưa, trung tâm mưa cũng thường xuyên di chuyển

Người ta biễu diễn quá trình mưa thay đổi theo thời gian như sau:

X(mm)

giờ

200

100

2 4 6 8 10 Hình 10 Biễu diễn quá trình

b) Quá trình tổn thất nước:

Là lượng nước mưa bị ngấm vào đất, đọng lại trên thực vật, bốc hơi ngược lại

Khi cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm thì tất cả mưa rơi xuống đều bị thấm vào đất

Khi cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm thì saau khi dòng thấm vào đất bão hòa, trên mặt đất sẽ còn thửa lượng nước mưa, lượng nước này sẽ làm đầy các nơi bị trũng trong lưu vực, hoặc tràn trên sườn dốc vào các chỗ trũng hơn Lượng nước này sẽ tiếp tục mất đi do quá trình thấm và bốc hơi, và được bổ sung trong suốt trận mưa Sau cơn mưa, nó có thể tồn tại trong một thời gian dài rồi mới ngấm và bốc hơi hết

c) Quá trình tràn trên sườn dốc:

Khi cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm thì đến một lúc nào đó lượong mưa xuống lớn hơn lượng nước thấm, lúc này xuất hiện hiện tựơng chảy tràn

Thời gian bắt đầu hiện tượng chảy tràn phụ thuộc vào cấu trúc đất đá từng nơi Những nơi nào ít thấm, dốc nhiều thì xuất hiện sớm hơn, và sau đó, nếu mưa mổi lúc một lớn hơn thì phạm vi chảy tràn sẽ phát triển toàn bộ lưu vực bị mưa

Dòng chảy tràn có tốc độ và bề dày lớp nước tràn phụ thuộc vào tương quan giữa cường độ mưa và thấm, độ dốc mặt đất và độ nhám mặt dốc Rừng cây cũng là nhân tố quyết định lớp nước tràn và tốc độ, cũng như thời gian chảy tràn

d) Quá trình tập trung dòng chảy trong sông:

Nước mưa tràn trên sườn dốc rồi tập trung vào sông Sau đó chảy trong sông đến cửa ra, đây là quá trình tập trung dòng chảy trong sông

Quá trình tập trung dòng chảy trong sông bắt đầu từ khi nước chảy từ sườn dốc vào sông, cho đến khi lượng nước cuối cùng vào sông chảy ra hết khỏi cửa ra của lưu vực sông

Đây là một quá trình thủy động lực rất phức tạp, nó liên quan tới địa hình, địa chất lòng sông

2 Sự hình thành dòng chảy ngầm:

Khi nước ngấm xuống đất, một phần bị các rễ cây hút, một phần bị mao dẫn ngược lên mặt đất và bốc hơi, phần còn lại thấm sâu xuống đất, đến một lúc nào đó làm tầng đất ngấm bị bão hoà, làm mực nước ngầm dâng lên Nước ngầm thấm qua các lớp đất vào sông hình thành dòng chảy ngầm

Một phần dòng chảy ngầm có thể chảy qua lưu vực khác, nhất là lưu vực không bi khép kín

Lượng nước ngầm trữ trong lưu vực tương đối lớn và ổn định, nên dòng chảy ngầm tương đối ổn định hơn dòng chảy mặt

Những sông có lòng bị bào mòn sâu, mực nước sông thấp hơn mực nước ngầm, dòng chảy ngầm tiếp tục chảy vào sông thậm chí sau mùa mưa Đây là lượng nước chủ yếu nuôi sông vào những mùa khô, làm sông không bị hạn kiệt

Đối với những sông suối nhỏ miền trung du, mực nước thường cao hơn mực nước bão hoà trong đất nên không được nuốc ngầm bổ sung thường xuyên Vì thế, sông dễ bị khô khiệt khi tới mùa nắng hạn

VI NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI:

1 Nhân tố khí hậu:

Mua và bốc hơi ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy

a)Nhiệt độ mặt đệm và không khí, gồm có: Mặt đất, mặt nước, không khí b) Áp suất khong khí

c) Gió

d) Bão

e) Độ ẩm không khí (áp suất hơi nước, bão hoà, độ ẩm tuyệt đối, tương đối)

f) Bốc hơi (bề mặt nước,bề mặt đất, qua thực vật)

g) Mưa

2 Nhân tố mặt đệm:

a) Vị trí địa lý và địa hình của khu vực

c) Lớp phủ thực vật

3 Hoạt động của con người:

chứa loại nhỏ (tác dụng giữ nước)

b) Các hoạt động lâm nghiệp: trồng cây gây rừng, chắn gió, lũ

để điều tiết nước

VII NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG CHẢY:

1

1

C R

n

E

J

L

Δ

= −

Δ :Độ dốc thủy lực (độ dốc của đường năng )

2 1

E E E

2

P V

E Z

g

γ

= + +

Lưu lượng dòng chảy đều trong kênh còn được tính theo công thức Chezy:

2 Tổng lượng dòng chảy sau một thời gian T: W=QtbT

thời gian sinh ra W