Bài giảng thủy văn công trình chương 2

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 ch

Chương 2: Các nguyên lý thuỷ văn

THUỶ VĂN CÔNG TRÌNH

Khoa Thuỷ văn – Tài nguyên nước

Bộ môn Thuỷ văn – Tài nguyên nước

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

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

1 Hệ thống sông ngòi

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

Tập hợp toàn bộ các sông suối lớn nhỏ̉ có liên quan đến nguồn nước sông gọi là hệ thống sông: Hệ thống sông Hồng; Hệ thống sông Đồng Nai… Phân loại sông thường theo cách sau:

Sông hình cành cây

•Các sông trực tiếp đổ ra

biển hoặc vào các hồ

trong nội địa gọi là sông

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

2 Lưu vực sông

Là phần diện tích mặt đất giới hạn bởi mặt cắt cửa ra và đường chia nước Toàn bộ nước trên

phần diện tích đó(kể cả nước mặt và nước ngầm)

sẽ chảy ra qua mặt cắt cửa ra

Mặt cắt cửa ra Là mặt cắt ngang sông mà tại đó

tiến hành nghiên cứu, đo đạc lượng nước trên lưu vực chảy qua (còn gọi là tuyến khống chế )

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

Đường chia nước Là đường nối các điểm cao

nhất xung quanh lưu vực và ngăn cách nó với các lưu vực khác ở bên cạnh, trên đường phân nước nước sẽ chảy về các lưu vực sông khác nhau

Để xác định cần dựa vào bản đồ địa hình

Có 2 loại đường: đường chia nước mặt và đường chia nước ngầm Thực tế thường thì không trùng nhau (gọi là lưu vực hở) Ứng dụng thực tế thường coi là trùng nhau (gọi là lưu vực kín)

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng hình học của lưu vực sông

chế bởi đường phân nước và mặt căt cửa ra

 Ls là chiều dài đường nước chảy trên dòng chính tính

từ nguồn đến mặt cắt cửa ra của lưu vực

Ls (km)

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng hình học của 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)

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

3 Các đặc trưng hình học của lưu vực sông

• Chiều rộng bình quân lưu vực B:

B = F/Llv

• Độ cao bình quân lưu vực(m):

n

Yngi Wi

Zi Yi

 Độ dốc lòng sông và độ dốc bình quân lưu vực

- Độ dốc trung bình lòng sông

Js = 2  /L 2 trong đó:  là tổng diện tích phía dưới đường nối các điểm cao độ đáy sông, L là tổng độ dài sông trên mặt phẳng nằm ngang

- Độ dốc trung bình lưu vực

 Mật độ lưới sông: D = ∑L/F (km/km 2 )

Một số đặc trưng khác

F

i h n

1

i 2

i

l 1 i l

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

 Mưa và bốc hơi phụ thuộc vào các yếu

tố khí tượng khác: nhiệt độ, độ ẩm, gió…

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

 Mưa địa hình

 Mưa gió xoáy

 Mưa bão

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

Các đặc trưng mưa

a) Lượng mưa (mm) : là lớp nước mưa rơi

trong một thời đoạn thời gian nào đó

Thời gian xác định lương mưa nhỏ hơn 1 ngày gọi là mưa thời đoạn ngắn (mưa 60 phút, 120 phút…), ngược lại lớn hơn 1 ngày gọi là thời đoạn dài (mưa ngày, mưa tháng, mưa năm)

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

b) Cường độ mưa (mm/phút,mm/h) : là lượng

mưa rơi trong một đơn vị thời gian

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

mm

Jan Feb March April May June July Aug Sep Oct Nov Dec Total Lai Chau 4 27 11 139 491 479 780 304 188 4 49 0 2476 Son La 4 17 9 166 267 176 290 174 169 69 11 1 1353 Tuyen Quang 2 32 17 120 288 163 231 175 208 20 14 24 1294

Ha Noi 3 25 29 98 118 211 286 330 388 145 5 21 1659 Bai Chay 4 21 31 44 100 297 410 129 268 80 41 7 1432 Nam Đinh 6 45 32 43 175 60 217 162 179 125 10 33 1087 Vinh 33 35 142 76 204 9 44 637 119 495 45 123 1962 Hue 255 3 100 180 153 17 63 261 307 1544 907 603 4393

Da Nang 153 0 58 55 156 7 24 152 253 1147 894 164 3063 Qui Nhon 68 1 93 23 78 28 5 311 135 673 808 18 2241 Playku 0 0 31 49 306 209 444 522 258 327 168 0 2314

Da Lat 0 0 98 85 338 147 206 530 394 208 148 2 2156 Nha Trang 23 3 40 27 157 49 17 51 168 483 543 4 1565 Vung Tau 2 - 8 27 302 314 210 297 173 117 70 2 1522

Months

Mưa trung bình tháng một số trạm ở Việt Nam

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

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

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

Phương pháp tính lượng mưa bình quân lưu vực

a Phương pháp bình quân số học: 

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





2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

Phương pháp tính lượng mưa bình quân lưu vực

c Phương pháp đường đẳng trị

F

X

X f

X

n

i

i i

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

2 Bốc hơi

Bốc hơi là hiện tượng nước chuyển từ trạng thái lỏng hoặc rắn sang trạng thái hơi Đại lượng biểu thị lượng bốc hơi ký hiệu Z (mm) được tính bằng

bề dày lớp nước bị bốc thoát trong một thời đoạn nào đó (ngày, tháng, năm) Theo nguồn gốc bốc hơi thường chia ra:

2.2 Các yếu tố khí hậu, khí tượng

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

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

•3 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.

•4 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

Bốc hơi mặt nước:

•Lượng nước cấp cho bốc hơi rất dồi dào

•Ít sự ngăn trở quá trình bốc hơi

• 5 Bốc hơi tiềm năng (E p ): là lượng bốc hơi lớn nhất 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 Bốc hơi tiềm năng thường

đo trong lều khí tượng Hoặc tính theo công thức đơn giản: Công thức Thornthwaite (1948):

ET = 16La(10t/I)a (mm/tháng) Với: La : hệ số hiệu chỉnh về số giờ ánh sáng ngày / 12

t: nhiệt độ trung bình tháng I: chỉ số nhiệt lượng hàng năm = tổng 12 tháng chỉ số i

i = (t/5)1,514

a: hằng số thay đổi theo địa phương

• 6 Bốc hơi thực tế (Ea): luôn nhỏ hơn hoặc bằng bốc hơi tiềm năng Được đo đạc bằng dụng cụ gọi là thùng/chậu đo bốc hơi ( xem hình)

Lượng bốc hơi/ thời gian

Mặt nước t=0 Mặt nước t=1

Đo bốc hơi

2.3 Dòng chảy sông ngòi

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

2.3 Dòng chảy sông ngòi

Dòng chảy ngầm

Thấm

Dòng chảy ngầm ra sông

Dòng chảy sát mặt ra sông

2.3 Dòng chảy sông ngòi

1 Sơ lược sự hình thành 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)

2.3 Dòng chảy sông ngòi

2 Các đặc trưng biểu thị dòng chảy sông ngòi

a Lưu lượng nước Q (m3/s): lượng nước chảy qua mặt cắt ngang sông 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 t1 đến 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

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

e Hệ số dòng chảy: Hệ số dòng chảy biểu thị mức độ tổn thất dòng chảy Được tính bằng tỉ số giữa độ sâu dòng chảy và lượng mưa tương ứng sinh ra dòng chảy đó

3

10 



F

W Y

F

Q M

2.3 Dòng chảy sông ngòi

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 Nghiên cứu chế độ dòng chảy là việc nghiên cứu sự thay đổi của các đặc trưng dòng chảy theo thời gian

•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)

2.3 Dòng chảy sông ngòi

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

2.4 Phương trình cân bằng nước

1 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.”

Wđến – Wđi = ∆W

2.4 Phương trình cân bằng nước

2 Phương trình cân bằng nước

1) Phương trình cân bằng nước tổng quát: Xét một

khu vực bất kỳ trên lưu vực trong một thời đoạn bất kỳ  t

 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 cân bằng nước tổng quát:

 

2.4 Phương trình cân bằng nước

2) Phương trình cân bằng nước của lưu vực sông trong thời đoạn bất kỳ:

a) Phương trình cân bằng nước đối với lưu vực kín:

đường phân chia nước mặt trùng với

đường phân chia nước ngầm

Ym1 = 0; Yng1 = 0

X = Y + Z +  W

Trong đó: Y=Y m2 +Y ng2 và Z=Z 2 -Z 1

c) Phương trình cân bằng nước đối với lưu vực hở:

đường chia nước mặt không trùng với đường

chia nước ngầm do vậy có sự trao đổi của nước ngầm từ lưu vực khác

X = Y + Z +  W +  Yng

2.4 Phương trình cân bằng nước

2) Phương trình cân bằng nước của lưu vực sông trong thời kỳ nhiều năm:

Ptcbn X = Y + Z +  W (cho lưu vực kín) và Ptcbn X = Y + Z +  W +  Yng(cho lưu vực hở) là hai ptcbn viết cho thời đoạn bất kỳ Nếu ta chọn thời kỳ cbn là ∆t = 1 năm thì mỗi năm thứ i ta có thể viết được một phương trình

Xi = Yi + Zi +  Wi và Xi = Yi + Zi +  Wi +  Yng i Trong thời kỳ nhiều năm sẽ có

n phương trình Bằng cách lấy bình quân:

- Đối với lưu vực kín phương trình: Xo = Yo + Zo

- Đối với lưu vực hở thành phần khác o vì có sự trao đổi nước hai lưu vực do vậy có phương trình : Xo = Yo + Zo +  Wo

Wo n

Zi Yi

) (

Câu hỏi thảo luận chương 2

• 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