BÀI GIẢNG TÍNH TOÁN THỦY văn

Qui luật biến đổi theo thời gian và không gian của dòng chảy đợc xét trong mối quan hệ qua lại với môi trờng tự nhiên và hoạt động của con ngời.Ngoài ra, môn học tính toán cân bằng nớc c

Lời nói đầu

Bài giảng Tính toán thuỷ văn biên soạn để sử dụng giảng dạy cho sinh viên Cao

đẳng chuyên ngành Thuỷ văn của trờng Cao đẳng Tài nguyên và Môi trờng Hà Nội.Nội dung bài giảng đợc viết theo chơng trình chi tiết môn học do các chuyên giaViệt Nam cùng chuyên gia Hà Lan xây dựng trong khuôn khổ dự án hợp tác Hà Lan– Việt Nam (Poject NPT/VNM/007) Đặc biệt, bài giảng đợc kế thừa kho tàng kiếnthức thuỷ văn của các tác giả Việt Nam và nớc ngoài Bài giảng cũng nhận đợc nhiều

ý kiến đóng góp quý báu của các chuyên gia thuỷ văn Việt Nam tại trờng Đại họcThuỷ lợi Hà Nội

Nhóm tác giả chúng tôi xin chân thành cảm ơn các tác giả trong danh mục thamkhảo tại trang 153 cuốn bài giảng này và chúng tôi không quên cám ơn chính phủ HàLan đã tải trợ để bài giảng đợc hoàn thành

Trong quá trình biên soạn khó tránh khỏi thiếu xót, chúng tôi rất biết ơn nếu các quý

độc giả đóng góp ý kiến cho việc biên soạn bài giảng môn học sau này hoàn thiệnhơn

Nhóm tác giả

Chơng I

Mở đầu

1.1 Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu của môn học

ánh sáng, không khí, đất và nớc là những yếu tố cơ bản cho sự tồn tại của mọi sinhvật sống trên trái đất Trong đó, nớc là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quýgiá, nó làm cho hành tinh chúng ta khác với mọi hành tinh khác trong vũ trụ mặt trời.Nớc tham gia vào các quá trình tự nhiên trên trái đất Sự hình thành, quá trình vận

động của nớc trên trái đất luôn có mối quan hệ mật thiết qua lại với môi trờng sinhthái của trái đất theo chu trình thuỷ văn và đợc ngành Thuỷ văn học nghiên cứu mộtcách toàn diện Đây cũng là ngành lớn trong hệ thống các ngành khoa học về trái

đất

Có nhiều định nghĩa khác nhau về Thuỷ văn học, theo UNESCO (1979): “Thuỷ văn

là khoa học vật lý, nó nghiên cứu về sự hình thành, vận động và phân bố của nớc trêntrái đất cũng nh những đặc tính vật lý, hoá học và sự tác động của nớc đến môi trờng,

kể cả mối quan hệ của nớc với mọi hoạt động của con ngời”

Chính vì lẽ trên, Thuỷ văn là ngành khoa học ứng dụng, về bản chất sự hoạt động của

nó mang tính liên ngành, liên quốc gia

Trong quá trình phát triển, thuỷ văn học đợc phân thành hai bộ phận lớn: Thuỷ vănlục địa và thuỷ văn biển Theo đối tợng nghiên cứu thuỷ văn lục địa đợc phân thành:Thuỷ văn sông ngòi, thuỷ văn ao hồ đầm lầy, thuỷ văn băng hà, thuỷ văn nớc ngầm.Theo nghiệp vụ công tác thì thuỷ văn lục địa đợc phân thành các môn: Đo đạc thuỷvăn, địa lý thuỷ văn, điều tra thuỷ văn, dự báo thuỷ văn, phân tích và tính toán thuỷvăn,…

Phân tích và tính toán thuỷ văn là môn học chuyên môn, nghiên cứu sự hình thành vàdiễn biến dòng chảy trên lu vực sông suối, ao hồ và đầm lầy cũng nh nớc trong đất,sinh vật và khí quyển Qui luật biến đổi theo thời gian và không gian của dòng chảy

đợc xét trong mối quan hệ qua lại với môi trờng tự nhiên và hoạt động của con ngời.Ngoài ra, môn học tính toán cân bằng nớc cho lu vực và khu vực, tính các đặc trngdòng chảy phục vụ cho việc thiết kế các công trình thuỷ công, quy hoạch và quản lýtài nguyên nớc

Để nâng cao kết quả tính toán thuỷ văn cần thiết phải tiến hành phân tích các hiện ợng thuỷ văn và các yếu tố có liên quan, lựa chọn số liệu, phát triển mô hình và tínhtoán tần suất xuất hiện các đặc trng thuỷ văn

t-Bài giảng tính toán thuỷ văn sử dụng cho sinh viên Cao đẳng Thuỷ văn bao gồm cácnội dung sau:

• Nghiên cứu và tính toán chuẩn dòng chảy năm

• Sự biến đổi của dòng chảy năm theo thời gian và không gian

• Nghiên cứu và tính toán dòng chảy nhỏ nhất

• Nghiên cứu và tính toán dòng chảy lớn nhất

• Tính toán cân bằng nớc cho lu vực

• Tính toán dòng chảy vùng sông ảnh hởng triều

Để hiểu đợc các nội dung trên sinh viên phải đợc trang bị trớc những kiến thức cơbản: Toán học, vật lý, hoá học, địa lý tự nhiên,…; một số kiến thức cơ sở: Thuỷ lực,

khí tợng đại cơng, thuỷ văn đại cơng, địa lý thuỷ văn, môi trờng, thống kê thuỷ văn,

…; một số môn chuyên ngành khác nh: Đo đạc thuỷ văn, Chỉnh biên thuỷ văn, Dựbáo thuỷ văn,… Đặc biệt trong quá trình tính toán ngoài tài liệu thực đo cần sử dụngthêm các tài liệu điều tra, khảo sát thuỷ văn và các tài liệu có liên quan để phân tích,chọn phơng pháp tính và kết quả phù hợp

1.2 Lịch sử phát triển của môn học

Nớc luôn giữ vai trò quan trọng trong cuộc sống loài ngời Từ xa xa con ngời đã luôn

cố gắng kiểm soát nớc Vết tích của những công trình phòng lụt, giữ nớc (đê, đập ),công trình dẫn nớc (nh kênh, cống ), ở La Mã, Ai Cập, Hy Lạp, Trung Quốc, ấn Độ

đợc xây dựng từ nhiều thế kỷ trớc công nguyên, giếng đào cấp nớc (1700 B.C ởJoseph gần Cairô), máy đo nớc sông Nile (3000 B.C) chứng tỏ rằng xa xa con ngời

đã giải quyết những bài toán thuỷ văn

Cũng nh bao ngành khoa học khác, khoa học thuỷ văn trải qua nhiều giai đoạn pháttriển Ban đầu thuỷ văn giống nh một khoa học quan trắc ma và mực nớc, cùng vớithời gian và sự phát triển của xã hội loài ngời, thuỷ văn có sự phát triển đáng quantâm trong từng thời kỳ:

• Sự đo lợng ma rào ở ấn Độ vào thế kỷ thứ t trớc công nguyên

• Lý giải chu kỳ thuỷ văn đợc viết trong một cuốn sách năm 239 trớc công nguyên ởTrung Quốc

• Plato (427-348 B.C) mô tả mối liên quan giữa sự phá rừng với yếu tố của chu trìnhthuỷ văn

• Khái niệm của Alecxandơ về quan trắc lu lợng trong thế kỷ đầu tiên

• Khoảng từ năm 64 đến 150 (sau công nguyên) hoàng đế La Mã Nêrô nêu ranguyên lý tính toán lu lợng bằng tích số của tốc độ và diện tích mặt cắt ngang (Q =V.F)

• Lý thuyết về tuần hoàn và cân bằng nớc là cơ sở lý luận của tính toán thuỷ văn đã

đợc nhà khoa học ngời La Mã Marcux Vitriviux nêu ra hàng trăm năm trớc côngnguyên, và đợc một số nhà khoa học nổi tiếng ngời ý Lêona đờvinxi và B.Palixi ngờiPháp hoàn chỉnh vào thế kỷ XV và XVI Cũng trong giai đoạn này Lêona đờvinxi đãtiến hành đo đạc dòng chảy bằng phao nổi

• Sự thừa nhận về nguyên lý liên tục của dòng chảy ở thế kỷ XVII

• Những nghiên cứu thực nghiệm của Perrault ở thế kỷ XVII chứng minh ma là nguồn cung cấp dòng chảy trong sông

• Năm 1663 Wren đã xây dựng trạm tự ghi mực nớc đầu tiên

• Thế kỷ XVIII, XIX do nhu cầu xây dựng các công trình giao thông và thuỷ lợi màtính toán thuỷ văn đợc chú ý và phát triển mạnh mẽ ở các nớc công nghiệp hoá Mộtloạt các công trình nghiên cứu thuỷ văn có kết quả đợc đa ra nh: Công trình nghiêncứu về quan hệ ma và dòng chảy trên lu vực sông Xen của Bengrangơ (Pháp), kếtquả nghiên cứu về chế độ thuỷ văn sông Tibrơ của Montarini (ý), nghiên cứu về diễnbiến lu lợng dòng chảy và các nhân tố ảnh hởng của Humphrây và Abôt (Mỹ), Penk(áo) đã sử dụng phơng trình cân bằng nớc để nghiên cứu dòng chảy sông Đanup,

đặc biệt thời kỳ này các nhà khoa học thuỷ văn đã nhận thấy “dòng chảy là sản phẩmcủa khí hậu”

• Đầu thế kỷ XX một loạt các công thức kinh nghiệm để tính toán dòng chảy đã ra

đời và đợc sử dụng rộng rãi nh: Công thức của Penk, Sraibơ, Kenlơ tính toán chovùng Trung Âu, các công thức của N.Đôngốp, I.Langơ, Đ.Kasêrin tính cho các sông

ở nớc Nga, bản đồ đẳng trị dòng chảy trên lãnh thổ Hoa kỳ đợc Niuel xây dựng vàcông bố, N.Đôngôp công bố kết quả nghiên cứu về sự hình thành lũ từ ma rào

• Trong những năm 1930 – 1960 các nhà thuỷ văn học tại các nớc châu Âu, Hoa

Kỳ, ấn độ, Nhật Bản đã xây dựng thành công hệ thống cơ sở lý luận của tính toánthuỷ văn, các tác giả cũng đã đa ra một số phơng pháp tính toán các đặc trng dòngchảy phục vụ cho việc qui hoạch nguồn nớc và thiết kế các công trình Một loạt cácsách chuyên môn thuỷ văn do các tác giả nổi tiếng ở nhiều nớc xuất bản

Những năm gần đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành khoa học nhtoán, lý, hoá , sinh …và các công nghệ kỹ thuật ngày càng hiện đại đã giúp ngànhthuỷ văn nói chung, môn tính toán thuỷ văn nói riêng ngày càng hoàn thiện, nhiềumô hình vật lý, toán, thuỷ lực ra đời đã phần nào đáp ứng đợc việc qui hoạch, quản lý

và khai thác tài nguyên nớc một cách hợp lý, có hiệu quả trong một môi trờng sinhthái bền vững

ở Việt nam, thuỷ văn cũng có lịch sử phát triển khá lâu Từ xa xa ông cha ta cũng đãchú ý quan sát các hiện tợng tự nhiên, thu thập một số kiến thức về thuỷ văn để ứngdụng trong sản xuất Ba ngàn năm về trớc, từ thời Lã Vọng, vùng Duyên hải đã cóbài ca con nớc, tuy cha đợc chính xác và tỷ mỉ nhng rất có tác dụng đối với sản xuấtkhi cha có lịch thuỷ triều Nhiều câu ca dao, tục ngữ, bài vè ông cha ta sáng tác nói

về các hiện tợng thời tiết, con nớc Khoảng hai ngàn năm trớc thời Giao Chỉ ông cha

ta đã biết lợi dụng thuỷ triều để lấy nớc ngọt tới ruộng Năm 43 (trớc công nguyên)nhân dân ta đã đắp đê sông Hồng để phòng lũ bảo vệ đồng bằng châu thổ sôngHồng Dới triều Tự Đức, Nguyễn Công Trứ đã lợi dụng nớc triều lên xuống để độngviên nhân dân đào vét kênh mơng, quai đê lấn biển biến bãi biển hoang vu PhátDiệm thành đồng ruộng phì nhiêu Trong lĩnh vực quân sự, ông cha ta cũng biết lợidụng thuỷ triều để bày mu đánh giặc tạo nên chiến thắng Bạch Đằng vang dội năm

938

Cuối thế kỷ XIX, đầu thế kỷ XX ngời Pháp đã đặt một số trạm thuỷ văn trên sông Hồng, sông Đà, sông Lô, sông Đuống, sông Luộc tuy nhiên số trạm tha, quy phạm

đo đạc không rõ ràng nên số liệu có độ chính xác không cao Đồng thời Pháp cũng

đã cho xây dựng một số công trình giao thông, thuỷ lợi trên cơ sở của một số bàitoán thuỷ văn

Thực tế sau hoà bình lập lại (sau 1954) tính toán thuỷ văn của Việt nam mới thực sựbắt đầu Tuy đất nớc mới đợc độc lập, công cuộc khôi phục kinh tế và bớc đầu xâydựng cơ sở vật chất cho chủ nghĩa xã hội của chúng ta còn gặp nhiều khó khăn nhng

Đảng và nhà nớc ta đã nhận thấy nớc ta là một nớc nông nghiệp lạc hậu, các côngtrình thuỷ lợi hầu nh cha có, vì thế cả nớc đã tập trung giải quyết hàng loạt vấn đềquan trọng về tính toán thuỷ văn, thuỷ lợi đợc đặt lên hàng đầu với hai nhiệm vụchính là chống lũ lụt và hạn hán

Trong nghị quyết của Bộ chính trị Trung ơng Đảng tháng 12 năm 1958 nêu rõ:

“ Việc trị thuỷ các dòng sông lớn là nhiệm vụ quan trọng của ngành Thuỷ lợi.Chúng ta phát triển từng bớc, tiến tới trị thuỷ tận gốc và khai thác các con sông lớn

nh sông Hồng, sông Thái bình, sông Mã, sông Cả, sông Gianh Trớc hết phải tậptrung lực lợng nghiên cứu trị thuỷ sông Hồng ” vì nạn lũ sông Hồng uy hiếpnghiêm trọng vùng đồng bằng Bắc bộ rộng lớn phì nhiêu

Để thực hiện nhiệm vụ quan trọng nêu trên ta bắt đầu khôi phục lại các trạm đo đạc

cũ trên sông Hồng và tiến hành quy hoạch lới trạm cơ bản trên các sông miền Bắc

uỷ ban trị thuỷ và khai thác sông Hồng đợc thành lập nhằm nghiên cứu toàn diện

sông Hồng Chúng ta đã tiến hành điều tra và đánh giá tổng năng lợng các sôngchính ở miền Bắc, dự kiến biện pháp khai thác Năm 1960 Cục Thuỷ văn đợc thànhlập với nhiệm vụ tổ chức và quản lý toàn bộ công tác đo đạc, thu thập tài liệu thuỷvăn Đồng thời là việc giải quyết qui hoạch sử dụng tài nguyên nớc sông Hồng, sôngThái Bình và một số sông lớn ở miền Trung, tiến hành thiết kế, xây dựng một số hồchứa nớc và các nhà máy thuỷ điện…

Các nhà thuỷ văn học Việt nam ở các trung tâm nghiên cứu, các trờng đại học đã đa

ra các phơng pháp, các công thức tính toán thuỷ văn phù hợp với tình hình dòng chảycủa nớc ta Nhiều công trình nghiên cứu, nhiều giáo trình về thuỷ văn công trình,tính toán thuỷ văn đã đợc biên soạn và đa vào sử dụng

ở miền Nam, trớc năm 1975 cũng đã có 41 trạm thuỷ văn trên các triền sông, chủyếu là ở hệ thống sông Đồng Nai và các sông vùng ven biển miền Trung Ngoài racũng đã tính toán dòng chảy từ ma theo mô hình SSARR tại 30 vị trí trên các sông.Tuy nhiên, chất lợng số liệu quan trắc và tính toán dòng chảy có độ chính xác khôngcao Mặt khác, thời gian này tài liệu đo đạc thuỷ văn của một số trạm không liên tục,việc đo đạc và tính toán thuỷ văn chủ yếu phục vụ cho mục đích chiến tranh mà thôi.Khi miền Nam hoàn toàn giải phóng nhà nớc đã tập trung đo đạc, khảo sát, nghiêncứu dòng chảy các sông miền Nam Trung Bộ, Tây nguyên, và các sông ở đồng bằngsông Cửu Long Mạng lới đo đạc thuỷ văn đã đợc thành lập Nhiều báo cáo khoahọc, đề tài nghiên cứu và nhiều công trình thuỷ lợi đã đợc xây dựng, phục vụ chocông cuộc tái thiết đất nớc, phát triển kinh tế xã

hội, bảo vệ an ninh quốc phòng

Năm 1987, theo quy hoạch lới trạm thuỷ văn của Tổng cục Khí tợng Thuỷ văn (cũ)thì trên toàn lãnh thổ Việt nam có 252 trạm thuỷ văn, trong đó có 32 trạm thuỷ vănhạng 1, 58 trạm thuỷ văn hạng 2 và 162 trạm thuỷ văn hạng 3 Do nhiều nguyênnhân khách quan và chủ quan một số trạm thuỷ văn trên sông suối nhỏ ở miền Bắcngừng hoạt động, đến nay chỉ còn 232 trạm thuộc mạng lới trạm thuỷ văn cơ bản

1.3 Các phơng pháp nghiên cứu của môn học

Hiện tợng thuỷ văn là kết quả tổng hợp của nhiều nhân tố tự nhiên khác nhau Dòngchảy sinh ra trên mặt đất phụ thuộc vào ma, địa hình, địa chất, thổ nhỡng, thảm phủthực vật, đặc tính thuỷ lực của lu vực,

Đặc điểm của các hiện tợng thuỷ văn :

• Có nguyên nhân hình thành vật lí rõ rệt : Sự hình thành trên và dới mặt đất, sự tồntại, phân bố theo không gian và diễn biến theo thời gian của các hiện tợng thuỷ văn

đều xảy ra dới tác dụng của nhân tố vật lí (theo quy luật của vật lí, cơ học, hoá học)

• Mang tính chất địa lí: hiện tợng thuỷ văn là kết quả tổng hợp tơng tác của các nhân

tố địa lí nh: khí hậu, địa hình, thảm phủ thực vật Sự phân phối dòng chảy theo khônggian cũng mang tính chất địa đới, khu vực

• Mang tính ngẫu nhiên (không lặp lại y nguyên về lợng và sự phân phối) Hiện tợngthuỷ văn là sản phẩm của các nhân tố ngẫu nhiên (nh các nhân tố khí hậu ) và sự tổhợp tính đa nguyên nhân của các hiện tợng thuỷ văn đã tạo nên tính ngẫu nhiên củachúng Các giá trị định lợng, sự phân phối theo thời gian và không gian của hiện tợngthuỷ văn xuất hiện nh một biến ngẫu nhiên

Những đặc điểm trên của hiện tợng thuỷ văn là cơ sở của các phơng pháp nghiên cứucủa môn học

1.3.1 Phơng pháp phân tích nguyên nhân hình thành

Dùng các kiến thức vật lý, hoá học, nguyên lý bảo toàn vật chất, năng lợng để nghiêncứu các hiện tợng thuỷ văn.

Hiện tợng thuỷ văn là kết quả của sự tác động tổng hợp, ảnh hởng qua lại của nhiềunhân tố vì vậy phân tích vật lý đơn thuần thờng khó mang lại kết quả chính xác, chonên thờng kết hợp nhiều phơng pháp nghiên cứu khác nhau

1.3.2 Phơng pháp tổng hợp địa lý

Nội dung của phơng pháp này là nghiên cứu sự quan hệ giữa các đặc trng thuỷ vănvới điều kiện cảnh quan địa lý của lu vực Trên cơ sở coi hiện tợng thuỷ văn là hiện t-ợng địa lý tự nhiên, mang đặc điểm địa đới hoặc khu vực, ta có thể phân vùng, nộingoại suy, sử dụng tính chất tơng tự địa lý để nghiên cứu Nghiên cứu hiện tợng thuỷvăn theo hớng này là các phơng pháp :

1.3.2.1 Phơng pháp tham số tổng hợp

Coi đại lợng thuỷ văn là hàm của nhiều nhân tố địa lý, trong đó các nhân tố địa lýchủ yếu đóng vai trò làm biến, các nhân tố thứ yếu đợc tập hợp dới dạng tham sốtổng hợp (ổn định cho từng khu vực địa lí) Phơng pháp dẫn đến việc thiết lập cáccông thức kinh nghiệm

1.3.2.2 Phơng pháp nội suy địa lý

Coi hiện tợng thuỷ văn thay đổi tuyến tính và liên tục trên các khu vực địa lý có điềukiện đồng nhất hay biến thiên liên tục Phơng pháp này dẫn đến việc phân khu, phânvùng thuỷ văn, xây dựng bản đồ đẳng trị dòng chảy

1.3.2.3 Phơng pháp tơng tự thuỷ văn

Coi sự tơng tự về điều kiện hình thành hiện tợng thuỷ văn (khí hậu, diện tích lu vực,

địa hình, địa chất thổ nhỡng, mức độ khai thác nớc, ) sẽ dẫn đến tơng tự về hiện ợng thuỷ văn Phơng pháp này giúp ta có thể suy đoán dòng chảy cho lu vực Độchính xác của kết quả tính phụ thuộc vào mức độ tơng tự về điều kiện hình thànhdòng chảy giữa hai lu vực

và tính toán điều tiết

1.3.4 Phơng pháp mô hình toán

Phơng pháp mô hình toán thuỷ văn là phơng pháp mô tả các hiện tợng thuỷ văn bằngcác biểu thức toán học Trong thực tế các hiện tợng thuỷ văn phụ thuộc vào nhiềuyếu tố biến đổi phức tạp theo thời gian và không gian cho nên các mô hình toán họcbiểu diễn biểu diễn đầy đủ các mối quan hệ phức tạp này sẽ có khối lợng tính toánrất lớn, khiến ta khó có thể tính bằng tay đợc Trớc kia, khi cha có máy tính để đơngiản ngời ta chỉ chọn một vài nhân tố chủ đạo (nhân tố ảnh hởng chính) làm cho cấutạo mô hình đơn giản để có thể tính bằng tay với sự trợ giúp của các đồ thị , bảng trasẵn Tuy nhiên việc đơn giản hoá đó đã làm cho kết quả tính toán bị hạn chế về độchính xác Để khắc phục các tác giả bổ xung bằng cách sử dụng mô hình vật lý đểkiểm tra Mặc dù vậy không phải trờng hợp nào cũng sử dụng mô hình vật lý thuậnlợi, đặc biệt khi lu vực tính toán lớn, hệ thống công trình thuỷ lợi lớn, phức tạp thì sửdụng mô hình vật lý sẽ tốn kém và khó khăn

Từ khi máy tính điện tử ra đời và ngày càng phát triển đã tạo ra sự đổi mới trongcông cụ tính toán, dẫn đến việc xây dựng và tính toán thuỷ văn theo mô hình toán

thuận lợi và thờng cho kết quả chính xác hơn Mô hình toán có nhiều u điểm hơn môhình vật lý cho nên nó càng ngày càng đợc áp dụng rộng rãi và trở nên phổ biếntrong tính toán thuỷ văn Có nhiều mô hình toán đang đợc sử dụng trong tính toán,thiết kế hay dự báo thuỷ văn nh: H.M.C (Liên Xô cũ), SSARR, ARIMA (Mỹ), TANK(Nhật), MIKE (Đan Mạch)

Các mô hình toán học đang đợc áp dụng trong thuỷ văn có thể chia làm hai loại: Môhình tất định và mô hình ngẫu nhiên Cho dù biểu diễn các quá trình thuỷ văn bằngmô hình toán loại nào thì vẫn cần xác định các thông số của mô hình sao cho phùhợp nhất với vùng đang nghiên cứu

Xét về mặt toán học phơng pháp thống kê giúp việc thiết lập các mô hình ngẫunhiên, phơng pháp phân tích vật lí dẫn đến việc thiết lập các mô hình tất định (cácmô hình toán thuỷ văn - thuỷ lực)

Trong thực tế, khi nghiên cứu, tính toán hay dự báo các đặc trng thuỷ văn ngời ta ờng kết hợp các phơng pháp: Phơng pháp vật lí giúp ta hiểu biết bản chất hiện tợng,tạo cơ sở để giải quyết bài toán thuỷ văn Phơng pháp tổng hợp địa lí đa ra phơngpháp tính trong các trờng hợp thiếu hoặc không có tài liệu quan trắc Phơng phápthống kê cho kết quả về định lợng

th-Để nắm rõ qui luật biến đổi theo thời gian và không gian của các hiện tợng thuỷ vănngời ta thờng nghiên cứu tại một khu vực (thay đổi theo thời gian), sau đó nghiêncứu cho các khu vực khác nhau, từ đó kết hợp việc nghiên cứu theo không gian vàthời gian Khi nghiên cứu cần xem xét nguyên nhân nào trội mà chọn các phơngpháp cho phù hợp (hoặc kết hợp)

1.4 Các nhân tố ảnh hởng đến dòng chảy

Quá trình hình thành dòng chảy chịu ảnh hởng của nhiều nhân tố phức tạp, chúngkhông những ảnh hởng đến tổng lợng dòng chảy mà còn ảnh hởng đến phân phốidòng chảy theo thời gian Có ba nhóm nhân tố chủ yếu ảnh hởng đến dòng chảy trên

lu vực: Nhân tố khí hậu, nhân tố mặt đệm và các hoạt động kinh tế của con ngời

1.4.1 Nhân tố khí hậu

Ma, bốc hơi, nhiệt độ, áp suất không khí, gió

Trong các nhân tố khí hậu thì ma và bốc hơi là các nhân tố ảnh hởng trực tiếp Ma lànguyên nhân chính sinh ra dòng chảy, nó ảnh hởng đến dòng chảy cả về lợng và sựphân phối Thật vậy, những năm ma lớn thì dòng chảy cũng lớn và ngợc lại Trongnăm, ở nớc ta ma phân làm hai mùa: mùa ma nhiều (ta thờng gọi là mùa ma, lợng mamùa này chiếm khoảng 80% đến 90% lợng ma năm) và mùa khô (lợng ma mùa nàychỉ chiếm khoảng 10% đến 20% lợng ma năm) tơng ứng sẽ tạo ra hai mùa dòng chảy

là mùa lũ (lợng dòng chảy lớn, chiếm khoảng 70% đến 80% lợng dòng chảy năm vàbiến thiên nhanh) và mùa dòng chảy cạn (lợng dòng chảy nhỏ, chỉ chiếm khoảng20% đến 30% lợng dòng chảy năm và biến thiên chậm chạp) Nhân tố bốc hơi làmgiảm lợng dòng chảy Bốc hơi lu vực bao gồm ba loại: bốc hơi mặt thoáng nớc, bốchơi mặt đất và bốc thoát hơi nớc qua lá cây

Các nhân tố khí hậu khác nh nhiệt độ, áp suất không khí, gió, là các nhân tố ảnh ởng gián tiếp đến dòng chảy thông qua quá trình ma và quá trình bốc hơi

h-1.4.2 Nhân tố mặt đệm

Các nhân tố mặt đệm nh vị trí địa lý, địa hình, địa chất thổ nhỡng, ao hồ, đầm lầy, thảm phủ thực vật, mạng lới sông, là các nhân tố biến thiên chậm chạp

Mỗi lu vực có một vị trí địa lý nhất định, nó phản ánh điều kiện khí hậu của lu vực,

từ đó ảnh hởng đến chế độ dòng chảy của mỗi lu vực

Địa hình của lu vực không những ảnh hởng đến ma và bốc hơi mà còn ảnh hởng đếnkhả năng tập trung nớc của lu vực Địa hình càng dốc thì dòng chảy càng tập trungnhanh và ngợc lại.

Đặc tính địa chất, thổ nhỡng của lu vực bao gồm cấu tạo địa chất và tính chất nhamthạch của lu vực, nó quyết định lợng nớc ngấm xuống đất và lợng trữ nớc trong luvực Những lu vực có kết cấu thổ nhỡng dễ thấm nớc hay địa chất đá vôi, sa thạch,diệp thạch thì lợng nớc ngấm sẽ tăng, dòng chảy mặt sẽ giảm đi, dòng chảy ngầm sẽtăng lên

Ao hồ đầm lầy trên lu vực là các kho trữ nớc bề mặt trong mùa ma, nó có tác dụnglàm giảm dòng chảy mặt, làm giảm nhỏ đỉnh lũ Mặt khác, chính nớc trong ao hồ,

đầm lầy làm phong phú dòng chảy ngầm, từ đó làm phong phú dòng chảy trong mùacạn

Tác dụng của thảm phủ thực vật đối với dòng chảy trên lu vực rất rõ rệt Thảm phủthực vật cản trở quá trình tập trung nớc trên lu vực trong mùa ma lũ, kéo dài thờigian tập trung nớc của lu vực, hơn nữa đất có thảm phủ thực vật sẽ rất xốp Tất cả các

điều kiện đó làm giảm dòng chảy mặt trong mùa ma lũ, tăng cờng quá trình ngấm

n-ớc, từ đó tăng lợng dòng chảy ngầm, kết quả là làm tăng dòng chảy của sông trongmùa cạn

Nói tóm lại, nhân tố mặt đệm tham gia vào quá trình điều tiết lại dòng chảy trên luvực, làm cho dòng chảy trên lu vực có xu hớng điều hoà hơn trong năm Khả năng

điều tiết lại này của lu vực gọi là khả năng điều tiết tự nhiên

1.4.3 Các hoạt động của con ngời

Các hoạt động kinh tế nh các biện pháp canh tác trong nông nghiệp (làm ruộng bậcthang, chuyển đổi cơ cấu cây trồng, ), xây dựng các công trình thuỷ lợi (đào ao, hồchứa, kênh, mơng, ), các biện pháp lâm nghiệp (trồng cây gây rừng, phủ xanh đấttrống đồi trọc, ) đều nhằm mục đích điều tiết lại dòng chảy trên lu vực sao cho điềuhoà hơn trong năm nhằm khai thác có hiệu quả và bền vững tài nguyên nớc Tuynhiên cũng nhiều hoạt động của con ngời nh việc tăng trởng dân số, đô thị hoá quánhanh, khai thác nớc bừa bãi đã ngày càng làm cạn kiệt nguồn tài nguyên nớc

Sự tơng tác có tính chất đa dạng và phức tạp của các nhân tố đã dẫn đến sự xuất hiệnngẫu nhiên của các đặc trng dòng chảy Nghiên cứu sự tác động của các nhân tố

đến dòng chảy cần xét trong điều kiện cụ thể với các đặc trng dòng chảy cụ thể

ớc cũng nh hiểu rõ đợc cơ cấu các thành phần của nớc, trên cơ sở đó giải quyết cácbài toán qui hoạch tổng hợp tài nguyên nớc, có kế hoạch khai thác tài nguyên nớchợp lý, ta cần tiến hành tính toán cân bằng nớc Mặt khác thông qua phơng trình cânbằng nớc ta có thể xác định dòng chảy khi đã biết các thành phần khác trong phơngtrình

Cân bằng nớc nhằm đánh giá lợng nớc thợng nguồn chảy vào, lợng nớc khu giữa, ợng nớc của mỗi nhánh sông, lợng nớc tổn thất trên mỗi đoạn sông phục vụ cho côngtác qui hoạch, khai thác nguồn nớc Ngoài ra, qua tính toán cân bằng nớc chúng ta cóthể phát hiện những sai xót trong đo đạc, tình hình mất nớc trên lu vực hay các khuvực sông

l-1.5.2 Nguyên lý tính toán cân bằng nớc – Bài toán cân bằng nớc thờng gặp

Phơng trình đợc xây dựng cho lu vực của một con sông hay một khu vực dựa theonguyên lí bảo toàn vật chất (vật lí học).

Nguyên lí cân bằng nớc đợc phát biểu nh sau: Trên một lu vực nhất định hay mộtphần lu vực nào đó, trong một khoảng thời gian nhất định, tổng lợng nớc vào lu vựcbằng tổng lợng đi ra khỏi lu vực cộng với lợng nớc trữ lại trên lu vực

- Tính cân bằng nớc phải luôn kết hợp với công tác điều tra thực địa để tránh nhữngkết luận sai lầm

- Khai thác các mô hình toán trong việc tính cân bằng nớc là cần thiết nhng cần kếthợp nghiên cứu nghiệm chứng các mô hình thành phần Ngày nay, với công nghệmáy tính điện tử và các phần mềm tính toán thì việc xác định lợng nớc các nhánhsông vùng đồng bằng đơn giản, tuy nhiên vẫn còn nhiều tồn tại mà các nhà chuyênmôn cần nghiên cứu bổ sung hoàn chỉnh Đặc biệt các tồn tại chủ yếu là các mô hìnhthành phần Thực chất trong tính toán lợng nớc lợng nớc không cân bằng vì lợng nớchồi qui sau khí tới, lợng nớc tổn thất cha xét đến sau bốc hơi, lợng nớc triềumặn cha đợc đề cập thoả đáng Đây cũng là các thành phần rất khó xác định khigiải quyết bài toán cân bằng nớc

Hình 1-1: Sơ đồ phân bố nớc toàn cầu (UNESCO-1992)

1.5.2.2 Phân bố nớc của bề mặt trái đất

Lợng nớc trong thuỷ quyển 1386 *

106 Km3

(100 %)

Lợng nớc ngọt 35* 106 Km3

(30.6 %)

Sinh quyển 0.011 * 106

(0.10 %)

K quyển 0.02 * 106

(0.19 %)

Sông ngòi 0.02 * 106

(0.19 %)

Thổ nhỡng0.047 * 106

(0.44 %)

Hồ, hồ chứa 0.102 * 106

Theo Baumgartner (1972) nớc bao phủ khoảng 71% diện tích bề mặt trái đất cáctrạng thái của nớc ở thể hơi, thể lỏng, thể rắn tơng tác với nhau trong khí quyển, địaquyển và sinh quyển một cách phức tạp để giữ cho Trái đất ở trạng thái cân bằng Sựcân bằng giữa mặt nớc bao phủ và mặt lục địa đợc Baumgartner thể hiện trong bảng1-1.

Một đặc tính quan trọng của tài nguyên nớc là phân bố không đều theo không gian

và thời gian Trên thế giới có những quốc gia đạt khả năng nớc ngọt trên đầu ngờikhá cao nh ở Băng đảo (Iceland) 667.000 m3/ngời/năm, Suriname với 474.000 m3/ng-ời/năm, bên cạnh đó cũng có quốc gia đạt khả năng nớc rất thấp nh Côoet 75 m3/ng-ời/năm, Djibouti 23 m3/ngời/năm

Bảng 1-2 và 1-3 cho thấy các thành phần cân bằng nớc và phân bố dòng chảy ở đạidơng và lục địa cũng nh ở các khu vực khác nhau trên thế giới (tính theo trung bìnhnhiều năm)

Xét một lu vực hình trụ mà phía dới là

tầng không thấm nớc Trong một khoảng

thời gian nhất định

u1: Lợng nớc trữ trên lu vực đầu thời khoảng tính

u2: Lợng nớc trữ trên lu vực cuối thời khoảng tính

Từ nguyên lí cân bằng nớc ta có:

( x + z1 + y1 + w1)= (z2 + y2 + w2) + (u2- u1) (1.1)

Phơng trình cân bằng nớc trong các trờng hợp cụ thể

• Lu vực kín (đờng phân nớc mặt và đờng phân nớc ngầm trùng nhau)

Trờng hợp này sẽ không có dòng chảy mặt đến và không có dòng chảy ngầm vào ra

Trong trờng hợp lu vực kín, thời khoảng xét trong nhiều năm (có sự xen kẽ thời kì nhiêù nớc và thời kì ít nớc) thì ∆ U = 0

Khi ấy phơng trình cân bằng là: (1.3)

• Lu vực hở (Đờng phân nớc mặt và đờng phân nớc ngầm không trùng nhau)

Trờng hợp này thờng xảy ra với các lu vực nhỏ Phơng trình cân bằng sẽ là:

(1.4)

∆w = w2 - w1 : Lợng nớc ngầm thay đổi trong thời khoảng tính

Với lu vực hở, thời khoảng xét nhiều năm, phơng trình sẽ là :

(Tính trong thời kì nhiều năm) (1.7)

Phơng trình cân bằng nớc là một công cụ cơ bản để tính toán dòng chảy Tuy nhiênviệc xác định chính xác các thành phần trong phơng trình, đặc biệt là lợng nớc ngầmtrao đổi giữa các lu vực là vấn đề khó khăn dẫn đến kết quả tính toán dòng chảy có

độ chính xác cha cao

Chơng II

tính toán Chuẩn dòng chảy năm

(Thời khoảng bất kì)

W = ∑∆

∆

1 0

2.1 Khái niệm về chuẩn dòng chảy năm và các đặc trng biểu thị

Lợng dòng chảy chảy qua một mặt cắt sông hay mặt cắt cửa ra của một lu vực trongthời gian một năm gọi là lợng dòng chảy năm

Trị bình quân của lợng dòng chảy năm tính trong nhiều năm liên tục bao gồm nhómnăm nhiều nớc, nhóm năm nớc trung bình và nhóm năm ít nớc với điều kiện không

có biến đổi địa chất, khí hậu cũng nh mức độ khai thác nớc lớn đợc gọi là chuẩndòng chảy năm (hay lợng dòng chảy hàng năm)

Theo định nghĩa trên, chuẩn dòng chảy năm là đặc trng dòng chảy quan trọng, nóphản ánh khả năng tiềm tàng nguồn nớc của một lu vực hay một con sông, là mộttrong các thông số thống kê của đờng tần suất dòng chảy năm

Chuẩn dòng chảy năm là trị số tơng đối ổn định, có nghĩa nếu có thêm một vài nămquan trắc vào mẫu tính toán thì chuẩn dòng chảy năm tính theo mẫu mới này sẽkhông thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể so với mẫu tính ban đầu

Các đặc trng biểu thị chuẩn dòng chảy năm bao gồm:

Lu lợng dòng chảy chuẩn: Q o (m 3 /s)

n

Q n

Q Q

Q Q

n

i

i n

o

∑

=

=+++

(2.1)Trong đó Qi – Lu lợng năm thứ i

n – Số năm tính toán đủ dài

Tổng lợng dòng chảy chuẩn: W o (m 3 hay km 3 )

T – Thời gian của 1 năm tính bằng giây (= 31,536 * 106 s )

Độ sâu dòng chảy chuẩn: Y o (mm)

Mặt khác, dòng chảy là kết quả của hàng loạt các yếu tố tác động ngẫu nhiên phứctạp, khiến qui luật xuất hiện về lợng cũng nh sự biến đổi của chúng có qui luật nhngkhông y nguyên Để nâng cao kết quả nghiên cứu và tính toán thiết kế ngay khi cónhiều tài liệu đo đạc, ngời ta cần phân tích kỹ các nhân tố ảnh hởng để từ đó đa ra đ-

ợc phơng pháp hay công thức tính toán hợp lý

Việc nghiên cứu các nhân tố ảnh hởng đến dòng chảy có ý nghĩa lớn cả về lý thuyếtlẫn thực tiễn Có nhiều nhân tố ảnh hởng trực tiếp hoặc gián tiếp, ở đây ta đề cập đếnmột số nhân tố tác động chính sau:

Tóm lại, ta có quan hệ tổng quát: Y0 = f(X0 , Z0) trong đó Z0 là chuẩn bốc hơi năm của lu vực ở Việt nam chuẩn bốc hơi năm tơng đối ổn định trong từng vùng thuỷvăn, do đó ngời ta thờng tiến hành phân vùng, phân khu với các giá trị Z0 là hằng số.Theo [11] có thể viết phơng trình cân bằng Y0 = f(X0) nh bảng (2-1) Đây cũng làmột dạng công thức kinh nghiệm tính chuẩn dòng chảy năm theo chuẩn ma năm của

lu vực

Bảng 2-1 Phơng trình cân bằng nớc Y 0 = f(X 0 ) viết cho các vùng thuỷ văn [11]

M0 = f( F ) tản mạn, không tuân theo qui luật trên, nhiều lu vực có diện tích nhỏ

nh-ng chuẩn dònh-ng chảy năm lớn và nh-ngợc lại nhiều lu vực có diện tích lớn nhnh-ng chuẩndòng chảy năm lại nhỏ Lý giải điều này các tác giả cho rằng sự phân cắt mạnh về

địa hình khiến cho các lu vực nhỏ đôi khi cũng có độ cắt sâu lòng sông khá lớn Mặtkhác, nhiều trận ma có cờng độ lớn đã làm cho vai trò của diện tích lu vực đến chuẩndòng chảy năm không rõ ràng

Thực tế cho thấy: đối với các lu vực nhỏ, các nhân tố địa phơng khác nh địa hình,

địa chất, thổ nhỡng, thảm phủ thực vật ảnh hởng lớn đến dòng chảy hàng năm Yếu

tố địa hình, đặc biệt là hớng núi, độ cao bình quân của lu vực ảnh hởng trực tiếp đếnlợng ma, từ đó ảnh hởng đến chuẩn dòng chảy năm Quan hệ giữa mô đuyn dòngchảy chuẩn với độ cao bình quân trên cùng sờn núi thờng chặt chẽ (M0 = f(HBq)) Sựthay đổi về độ cao, hớng núi đã đóng vai trò quan trọng trong việc gây ma và từ đólàm thay đổi ma theo độ cao, theo hớng núi Địa hình càng lên cao lợng ma càng lớn,xong chỉ tăng đến độ cao nào đấy, nó sẽ giảm Các vùng trớc núi thờng ma lớn (vùng

đón gió) Các tâm ma lớn trớc núi nh: Bảo lộc (X0=2810 mm), Bắc quang (X0=4843mm), Hoàng Liên Sơn, Mờng Tè, Móng Cái, Bắc đèo Hải Vân, Trà My, Ba Tơ Cácvùng khuất núi, thung lũng hay đồng bằng khuất gió có lợng ma nhỏ nh vùng Lạngsơn, Sơn động, Yên Châu, Mờng Xén, Ya Sup, Cheo reo,

Sờn núi đón gió thờng có lợng ma lớn, từ đó chuẩn dòng chảy năm cũng lớn, sờnkhuất gió thì ngợc lại càng lên cao thì lợng ma càng tăng Mặc dù vậy, quan hệ mô

đuyn dòng chảy chuẩn với độ cao bình quân của lu vực: M0 = f(Htb) ở các lu vựcsông Việt nam cũng không rõ ràng (quan hệ tản mạn)

Yếu tố ao hồ và đầm lầy làm tăng diên tích mặt thoáng nớc trên lu vực do đó làmtăng lợng tổn thất nớc do bốc hơi (bốc hơi mặt nớc lớn hơn bốc hơi mặt đất và thảmphủ thực vật), kết quả làm giảm lợng dòng chảy hàng năm của lu vực

2.2.3 Các hoạt động kinh tế của con ngời

Các hoạt động kinh tế của con ngời có ảnh hởng lớn đến chuẩn dòng chảy năm.Trong quá trình phát triển con ngời đã làm thay đổi mặt đệm từ đó ảnh hởng đến

chuẩn dòng chảy năm Các công trình khai thác nớc lớn nh các hồ chứa đã làm thay

đổi dòng chảy nói chung và chuẩn dòng chảy năm nói riêng

2.3.1 Sự thay đổi lợng ma năm, lợng dòng chảy năm trung bình theo chuỗi thời gian quan trắc

2.3.1.1 Sự thay đổi của lợng ma năm trung bình theo chuỗi thời gian

Ví dụ nghiên cứu sự biến đổi ma năm trung bình theo chuỗi thời gian của trạm đo

m-a Hà nội (1890-1977) : Chim-a chuỗi qum-an trắc rm-a thành các mẫu có số năm n =11 năm(chu kì ma trung bình) Tính lợng ma trung bình trong thời khoảng 11 năm và trongthời khoảng dài (N = 88 năm) Sau đó thống kê chênh lệch của trị bình quân và hệ sốbiến đổi giữa mẫu tài liệu dài và mẫu tài liệu ngắn (∆X và ∆C V ) và tính

Thống kê tơng tự cho các mẫu khác nhau: 15, 20, 25, 30 năm rồi tính các đặc trng

nh trên, ta nhận thấy :

• 50% mẫu n =11 năm cho sai số > 5 % so với mẫu 88 năm

Sở dĩ có sai số trên là do xuất phát điểm về thời gian của các mẫu tính toán cha phùhợp (cha bao gồm thời kì ma lớn, trung bình, ma ít)

• Các mẫu không độc lập nhau: Mẫu thống kê bị lệ thuộc vào năm bắt đầu quan trắcnên không thoả mãn yêu cầu sử dụng chung cho toàn vùng với chuỗi quan trắc ngắnNghiên cứu các mẫu chọn khác nhau ở trên cho thấy, chuỗi chọn với số năm n≥ 30năm mới cho các giá trị ma trung bình sai khác với lợng ma bình quân nhiều năm ≤

5%

2.3.1.2 Sự thay đổi của dòng chảy năm trung bình theo chuỗi thời gian

Cách tiến hành tơng tự nh ma năm Để nghiên cứu sự thay đổi của dòng chảy nămtrung bình theo chuỗi thời gian ta tiến hành chọn 4 trạm thuỷ văn (Sơn Tây, Hoàbình, Phù Ninh, Yên bái) có chuỗi quan trắc dòng chảy 77 năm, chia các chuỗi quantrắc ra làm 7 mẫu nhỏ Tính các đặc trng: QBq, Cv theo mẫu 77 và 11 năm

Tính sai số: ∆QBq/Q0N (%), ∆Cv/CvN (%)

Cho thấy 60 % số mẫu cho chênh lệch lớn hơn 5%

Nếu chọn các mẫu không độc lập theo nhóm năm : 11, 15, 20, 25 … thì với mẫu n ≥

30 năm cho sai số < 5% so với mẫu dài

Vậy thời khoảng tính chuẩn dòng chảy năm: n ≥ 30 năm là tơng đối đảm bảo sai số cho phép.

Theo yêu cầu của thống kê học thì thời khoảng tính chuẩn ma năm hay chuẩn dòngchảy năm là thời khoảng đủ dài thoả mãn 3 yêu cầu:

+ Đảm bảo yêu cầu sai số cho phép

+ Đảm bảo tính đại biểu

+ Đảm bảo tính đồng nhất

1 Đảm bảo yêu cầu sai số cho phép

Trong tính toán thiết kế sai số cho phép nhiều khi đợc qui định trớc do đó mẫu tính toán đợc gọi là đảm bảo sai số cho phép khi sai số tơng đối của chuỗi tính toán

≤ sai số cho phép qui định (σ’

cf) Sai số tơng đối của mẫu tính lợng ma năm hay lợngdòng chảy năm bình quân nhiều năm đợc tính theo công thức:

Từ công thức tính sai số cho phép ta có thể rút ra số năm cần thiết để xác định chuẩn

ma năm và chuẩn dòng chảy năm không vợt quá sai số cho phép đã định

(2.8)(2.9)

2 Đảm bảo tính đại biểu

Mẫu tính đại biểu bao gồm: Nhóm năm nhiều nớc, nhóm năm nớc trung bình, nhómnăm nớc ít Tuy nhiên, thực tế cho thấy có những trạm ma (hay trạm dòng chảy) thờikì ma ít (hay ít mớc) đôi khi kéo dài hơn 11 năm, hoặc thời kỳ ma nhiều (hay nhiềunớc) dài tới mời lăm, mời sáu năm, do đó nếu lấy chu kỳ tính ngắn hay trung bình (n

n

C VX X

0

10

X VX

C n

σ

=

n

X o

o

X

on

Xn X

σσ

σσ

σ σ

0 =

2 4

0

10

Q VQ C n

σ

=

=11năm) thì nhiều khi không đảm bảo tính đại biểu Nếu độ dài mẫu tính n ≥ 33 năm

sẽ tơng đối đảm bảo cho việc tính chuẩn ma năm hay dòng chảy năm

3 Đảm bảo tính đồng nhất

Khi cần nghiên cứu sự phân bố cho một khu vực lãnh thổ thì việc tính ma hay dòng chảy cho các trạm trên khu vực phải mang tính chất đồng nhất Việc chọn thời kỳtính toán đồng nhất thờng n ≤ 33 năm hay n = 50 năm nhiều khi gặp khó khăn do cáctrạm không có sự đo đạc đồng thời trong chu kì tính, gián đoạn hay tài liệu đo đạcngắn hoặc trạm gốc thiếu tính đại biểu

Vì lý do trên nên trong tính toán thờng:

∗Lấy toàn bộ chuỗi năm quan trắc đợc: Sử dụng cho công tác qui hoạch hayvùng có chuỗi quan trắc ngắn

* Sử dụng lý thuyết tơng quan giữa ma hay dòng chảy của lu vực tính toán với

ma hay dòng chảy của lu vực tơng tự để bổ xung, kéo dài tài liệu

∗ Lấy chuỗi tính toán 11 năm tơng đối đồng bộ trên lãnh thổ Tính hệ số hiệuchỉnh cho từng dải thuỷ văn (tơng đồng với dải khí hậu) và dùng hệ số này để kéodài trực tiếp chuẩn dòng chảy năm cho các trạm trong dải có tài liệu ngắn hay không

Qua nghiên cứu về sự biến đổi ma năm và dòng chảy năm theo chuỗi thời gian ở trên

ta đã sơ bộ xác định đợc thời khoảng đủ dài để tính toán Tuy nhiên, chu kỳ biến đổicủa dòng chảy là chu kỳ hở, sự bắt đầu và kết thúc của thời đoạn tính toán không hợp

lý có thể làm cho giá trị chuẩn dòng chảy tính ra thiên lớn hoặc thiên nhỏ so với giátrị chuẩn dòng chảy khi thời đoạn tính là vô cùng lớn Để tránh đợc điều này, các nhàthuỷ văn đã nghiên cứu chu kỳ dao động của dòng chảy năm trong nhiều năm

Sự nghiên cứu đợc bắt đầu bằng đờng quá trình dòng chảy theo trình tự thời giannhiều năm Qt ~ t Đờng quá trình thể hiện đợc sự biến đổi dòng chảy theo thời gian,tuy nhiên không phải lúc nào dạng đờng này cũng thể hiện rõ chu kỳ dao động củadòng chảy năm theo thời gian, nhiều trờng hợp các chu kỳ nhỏ làm mờ chu kỳ lớn,

do đó xác định chu kỳ lặp lại khó khăn

Để khắc phục nhợc điểm nêu trên, ngời ta sử dụng biểu đồ trung bình trợt Biểu đồtrung bình trợt có tác dụng san bằng đờng quá trình trong mỗi bớc trợt, nhằm giảmbớt các chu kỳ nhỏ

Giả sử có quá trình dòng chảy thực đo: Qi ~ ti với i = 1, 2, 3, 4, N

Nếu ta chọn chu kỳ trợt bằng a thì ta có đờng trung bình trợt là:

Yi ~ ti+a với i = 1, 2, 3, (N – a)Trong đó:

a

Q Q

Q

+ + −+

K = n cho mỗi dải thuỷ văn

Chu kỳ trợt a chọn càng lớn thì đờng quá trình dòng chảy càng bị san bằng, thờngchọn a = 4 hoặc a = 5.

Mặc dù biểu đồ trung bình trợt đã san bằng đờng quá trình nhng việc xác định chu

kỳ lặp lại của dòng chảy vẫn khó khăn, do đó ngời ta thờng dùng đờng cong luỹ tíchsai chuẩn dòng chảy năm có dạng:

N: là số năm quan trắc dài (N ≥ 50 năm) và biến suất dòng chảy năm Ki = Qi/ Q0

Đờng luỹ tích sai chuẩn dòng chảy đa ra đã đáp ứng đợc việc xác định chu kỳ củadòng chảy dễ ràng hơn, tuy nhiên để so sánh chu kỳ dao động dòng chảy của nhiềutrạm trên lu vực đợc thuận lợi các tác giả đã loại bỏ ảnh hởng của các nhân tố có tínhchất địa phơng đến đờng luỹ tích bằng cách đa thêm vào công thức hệ số biến đổidòng chảy năm:

∼ tn (năm) (2.10)

Từ tài liệu ma và dòng chảy năm thực đo của trạm Sơn Tây và Hà Nội ta thiết lậpbảng tính phụ trợ của đờng cong luỹ tích sai chuẩn ma và dòng chảy (Bảng 2-2), tiếnhành vẽ nh hình 2-1a, 2-1b

Bảng 2-2 Bảng tính tung độ đờng cong luỹ tích sai chuẩn ma năm Trạm Hà Nội

Hình 2-1a: Đờng luỹ tích sai chuẩn ma năm

Hình 2-1b: Đờng luỹ tích sai chuẩn dòng chảy năm

Đờng cong lũy tích sai chuẩn dòng chảy năm có các tính chất sau:

Độ lệch giá trị trung bình của đại lợng mô đuyn dòng chảy năm trong khoảng thời

gian m năm so với trị số trung bình toàn chuỗi đợc đặc trng bằng tang góc nghiêng

của đờng thẳng nối hai điểm đầu và cuối của khoảng thời gian đó so với đờng thẳngnằm ngang

K TB -1 = ( LC – LĐ)/m

LĐ, LC - tung độ điểm đầu và điểm cuối của khoảng thời gian m năm

Mô đuyn dòng chảy năm trung bình:

N

m TB

Dựa vào tính chất này cho thấy khi đờng thẳng nối hai điểm bất kỳ của đờng luỹ tíchsai chuẩn nằm ngang, khi ấy LĐ≈ LC⇒(K TB −1)≈0 do đó Q m ≈Q N

Đờng luỹ tích sai chuẩn dễ ràng cho chúng ta trong việc xác định các pha nớc lớn(khi đờng thẳng nối hai điểm bất kỳ của đờng luỹ tích sai chuẩn có phơng dốc ngợc

so với phơng ngang, lúc này giá trị (K TB −1)>0), Các pha nớc bé (khi đờng thẳngnối hai điểm bất kỳ của đờng luỹ tích sai chuẩn có phơng dốc thuận so với phơngngang, giá trị (K TB − 1 ) < 0)

Từ đờng luỹ tích sai chuẩn dòng chảy chúng ta có thể xác định đợc thời kỳ tính toánhợp lý, trong đó có các pha nớc lớn, nớc nhỏ, nớc trung bình và đủ dài, khi ấy chuẩndòng chảy năm tính trong thời kỳ sẽ gần bằng hoặc bằng chuẩn dòng chảy năm tínhvới một tổng thể Nếu vẽ đờng luỹ tích sai chuẩn của nhiều trạm trên lu vực lên cùngmột biểu đồ ta có thể chọn đợc chu kỳ nhỏ đồng nhất cho các trạm và chu kỳ lớn đủdài cho trạm đại biểu

Một u điểm nữa của đờng luỹ tích sai chuẩn là đờng dao động trên dới trục hoànhnên dễ vẽ, dễ so sánh chu kỳ của nhiều trạm trên lu vực

Việc tiến hành vẽ đờng luỹ tích sai chuẩn ma năm cũng làm tơng tự nh trên Trongtrờng hợp vẽ đờng luỹ tích sai chuẩn ma và dòng chảy năm của cùng lu vực trêncùng biểu đồ ta sẽ thấy các đờng lũy tích sai chuẩn thờng dao động đồng pha

2.3.2 Sự thay đổi chuẩn ma năm – chuẩn dòng chảy năm theo không gian

2.3.2.1 Sự thay đổi chuẩn ma năm theo không gian

Một trong những phơng pháp nghiên cứu chuẩn ma biến đổi theo không gian là việcxây dựng bản đồ đẳng tri chuẩn ma năm Các nhà thuỷ văn cho rằng ma là một trongcác yếu tố khí hậu chịu ảnh hởng của các nhân tố địa đới vì vậy nó luôn thay đổitheo không gian, tuân theo qui luật địa đới Một số tác giả đã nghiên cứu và tiếnhành xây dựng bản đồ đẳng trị lợng ma năm, nh:

• Bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm toàn Đông Dơng (Đỗ Đình Cơng [6])

• Bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm miền nam Việt Nam (Tst Weather Wing, Mĩ [7])

• Bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm toàn lãnh thổ Việt Nam (Viện qui hoạch và quản línơc, Trờng Đại học Thuỷ lợi [11])

• Bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm miền Bắc Việt Nam (Tổng cục Khí tợng Thuỷ Trờng Đại học Thuỷ lợi [12])

văn-Địa hình nớc ta phức tạp ( độ cao, hớng núi thay đổi), đây là yếu tố ảnh hởng lớn đếnchuẩn ma năm, do đó đã làm cho việc xây dựng bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm khókhăn và độ chính xác của bản đồ cha cao Để xây dựng bản đồ chuẩn ma

c, Các trạm khống chế có tài liệu quan trắc ma theo chuỗi n = 11 năm

Các trạm đại biểu có tài liệu quan trắc ma N ≥ 33 năm ( trong đó bao gồm 11 năm kểtrên)

d, Tính lợng ma bình quân trong 11 năm cho các trạm khống chế (cả trạm đại biểu).

e, Tính lợng ma bình quân trong N năm cho các trạm đại biểu

f, Tính hệ số hiệu chỉnh KN cho các trạm đại biểu:

g, Tính chuẩn ma năm của các trạm khống chế theo hệ số hiệu chỉnh KN của trạm đạibiểu:

h, Điền giá trị chuẩn ma năm của các trạm khống chế lên bản đồ trống Tiến hànhnội suy tuyến tính giữa các trạm liền kề và vẽ các đờng đẳng trị chuẩn ma năm

i, Hiệu chỉnh chuẩn ma năm theo độ cao: Vì lợng ma tăng theo độ cao nên tại đâybiến thiên ma lớn hơn, đờng đồng mức ma sẽ mau hơn

k, Kiểm tra tính hợp lý của các đờng vừa vẽ

Cần chú ý rằng các đờng đồng mức không giao nhau và không cắt núi do lợng ma tạisờn núi đón gió thờng lớn hơn sờn núi khuất gió Bản đồ đồng mức chuẩn ma nămcho thấy sự biến đổi chuẩn ma năm theo không gian Những chỗ đờng đồng mứcmau thể hiện sự biến đổi chuẩn ma năm theo không gian lớn và ngợc lại chỗ đờng

đồng mức tha cho thấy sự biến đổi chuẩn ma năm nhỏ Từ bản đồ đẳng trị chuẩn manăm ta dễ ràng nhận thấy những tâm ma lớn, tâm ma bé Những tâm ma lớn, lợng matăng dần từ ngoài vào trong tâm ma Những tâm ma bé, biến đổi ngợc lại

Kiểm tra chi tiết bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm đợc tiến hành bằng cách xác địnhchính xác diện tích khống chế của các trạm đo ma trên bẳn đồ đẳng trị vừa vẽ, sau đótính chuẩn ma năm cho các trạm đo ma khống chế theo công thức:

Trong đó: X0 J , X0 (J +1) - Giá trị của đờng đồng mức chuẩn ma năm thứ j và (j + 1)

fJ - Diện tích kẹp bởi đờng đồng mức chuẩn ma năm thứ j và (j + 1)

So sánh giữa giá trị chuẩn ma năm tính theo công thức và chuẩn ma năm tính từ tàiliệu thực đo nếu sai khác không vợt quá 5% là đạt yêu cầu, nếu không ta tiến hànhchỉnh lại đờng đồng mức tại lu vực có sự sai lớn đó

Tỷ lệ bản đồ đợc chọn

t-ơng ứng1000

500

200

50

3222157

1/25000001/15000001/10000001/500000

n

N N

X

X

n N

j j

n j

j o oj

j oF

f

X X

f X

1

1

) 1

2 (

2.3.2.2 Sự thay đổi chuẩn dòng chảy năm theo không gian

Đễ thấy rõ đợc sự thay đổi chuẩn dòng chảy năm theo không gian ngời ta tiến hànhxây dựng bản đồ đẳng trị chuẩn dòng chảy năm Dựa trên cơ sở cho rằng chuẩn dòngchảy năm là đặc trng biến đổi dần dần theo kinh, vĩ độ Trên cơ sở đó tiến hành nộisuy đờng thẳng các giá trị chuẩn dòng chảy liền kề, nh vậy nếu chuẩn dòng chảybiến đổi dần đều thì cần ít trạm đo khống chế, ngợc lại thì cần nhiều và phải có cáctrạm đại biểu theo độ cao, theo vùng

1 Các b ớc xây dựng bản đồ

+ Chọn tỷ lệ bản đồ: Bản đồ địa hình trống có tỷ lệ phù hợp với mật độ lới trạm thuỷvăn Tỷ lệ bản đồ đợc chọn phụ thuộc vào diện tích khống chế và khoảng cách trungbình giữa các trạm (nh bảng số 2-3)

+ Chọn lu vực khống chế: Thờng chọn lu vực có diện tích vừa (Lu vực kín có diệntích nằm trong khoảng: 100 km2 < F < 5000 Km2, không nên chọn các lu vực nhỏ vìcác lu vực nhỏ thờng là các lu vực hở cũng nh các lu vực lớn thờng nằm trên cácvùng khí hậu khác nhau không nên chọn

Các trạm khống chế lu vực đợc chọn có tài liệu quan trắc dòng chảy dài và đồng bộ.Nếu trạm nào tài liệu ngắn hay cha đồng bộ thì ta phải kéo dài theo tơng quan haykéo dài theo hệ số quan hệ KN

n

N N

+ Đặc trng xây dựng bản đồ thờng đợc chọn là độ sâu dòng chảy chuẩn y0 hay mô

đuyn dòng chảy chuẩn M0 vì các đặc trng này loại bỏ đợc ảnh hởng của diện tích luvực

+ Chọn vị trí đặt tài liệu đo: Giá trị y0 hay M0 của các trạm khống chế tính từ tài liệu

đủ dài đợc điền vào điểm trọng tâm của lu vực Có hai cách xác định điểm trọng tâm

lu vực: Có quan điểm cho rằng chuẩn dòng chảy năm là do chuẩn ma năm bình quân

lu vực sinh ra nên chuẩn dòng chảy năm đợc điền tại vị trí đại biểu cho lợng matrung bình của lu vực Cũng có quan điểm đề nghị chọn điểm trọng tâm hình học của

lu vực

+ Tiến hành vẽ bản đồ: Tuỳ theo mức chênh lệch chuẩn dòng chảy năm của các trạm

kế cận và mức chênh giữa các đờng đồng mức chọn ta tiến hành phân chia tuyến tính

và vẽ các đờng cong đồng mức chuẩn dòng chảy năm nh vẽ đờng đồng mức độ caotrong trắc địa Tuy nhiên vì chuẩn dòng chảy năm thay đổi theo độ cao và phụ thuộcvào hớng, sờn núi và các yếu tố mặt đệm khác nên trong quá trình vẽ đờng đồng mứccần lu ý và hiệu chỉnh cho phù hợp

Chú ý : khi vẽ cần tham khảo bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm, và lu ý đến điều kiện

địa hình Thực tế cho thấy sự biến đổi theo không gian của hai bản đồ này tơng tựnhau

2 Kiểm tra tính chất hợp lý của bản đồ

Việc kiểm tra tính chất hợp lý của bản đồ đợc thực hiện hai mức sau:

a/ Kiểm tra sơ bộ

Kiểm tra sự hợp lý giữa bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm với bản đồ đẳng trị chuẩndòng chảy năm vừa vẽ Cùng lu vực thì bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm và chuẩn dòngchảy năm tơng tự nhau Các tâm ma cũng là các tâm dòng chảy Giống nh bản đồ

đẳng trị chuẩn ma năm đờng đồng mức chuẩn dòng chảy không giao nhau và khôngcắt núi Những nơi đờng đồng mức mau thì biến thiên dòng chảy theo không gian lớn

và ngợc lại

b/ Kiểm tra chi tiết (độ chính xác) bản đồ

+ Tiến hành tính chuẩn dòng chảy của các lu vực khống chế trên bản đồ theo côngthức:

F

f y

y f

y y f y y

n n F

ì +

+ +

ì + +

ì +

=

+

2

2 2

) 1 ( 0 0 2

03 02 1 02 01

+ So sánh trị số chuẩn dòng chảy năm tính theo công thức (2.11) với chuẩn dòngchảy năm tính từ tài liệu ban đầu nếu sai khác không vợt quá 5% giá trị là đợc, nếukhông phải hiệu chỉnh lại đờng đẳng trị vừa vẽ

3 ứng dụng bản đồ đẳng trị chuẩn dòng chảy năm

- Bản đồ đẳng trị chuẩn dòng chảy năm cho biết sự biến đổi chuẩn dòng chảy nămtheo không gian

- Ta có thể sử dụng bản đồ để tính chuẩn dòng chảy năm cho các lu vực không có tài liệu, cụ thể:

• Xác định chính xác vị trí lu vực cần tính trên bản đồ

• Xác định điểm trọng tâm của lu vực: Cần chú ý rằng khi xây dựng bản đồ

điểm trọng tâm của các lu vực khống chế đợc xác định theo phơng pháp nào thì tacũng xác định điểm trọng tâm cho lu vực cần tính toán theo phơng pháp đó

• Tính lợng dòng chảy chuẩn của lu vực bằng cách nội suy đờng thẳng giá trịcủa điểm trọng tâm theo các giá trị của hai đờng đồng mức kẹp điểm trọng tâm đó,hoặc sau khi có vị trí lu vực nghiên cứu ta tính chuẩn dòng chảy năm theo công thức(2.11) Tuy nhiên tính cho lu vực nhỏ, lu vực không khép kín, xác định điểm trọngtâm sẽ không chính xác, ta nên sử dụng công thức (2.11) để tính chuẩn dòng chảynăm

Việc xây dựng bản đồ đẳng trị chuẩn dòng chảy năm thờng khó khăn, độ chính xáccủa bản đồ cha cao, dẫn đến kết quả tính chuẩn dòng chảy năm theo bản đồ còn cósai số, đôi khi sai số lớn Lý giải việc này, ta thấy rằng khi xây dựng bản đồ ta chọn

lu vực khống chế vừa nhng khi tính thờng áp dụng cho các lu vực nhỏ vì trong thực

tế các lu vực nhỏ thờng thiếu hoặc không có tài liệu thực đo dòng chảy Xét về mặtbản chất có sự không phù hợp Mặt khác nhiều khi xác định điểm trọng tâm của luvực cha chính xác

2.3.3 Chuẩn bốc hơi năm

2.3.3.1 Các yếu tố ảnh hởng tới sự bốc hơi và phơng pháp xác định

1 Các yếu tố ảnh h ởng tới sự bốc hơi

Sự bốc hơi mặt nớc phụ thuộc vào độ chênh lệch về sức trơng hơi nớc, nhiệt độ, độ

ẩm, khí áp, gió, tính chất của nớc và bản chất của mặt bốc hơi

+ Độ chênh lệch về sức trơng hơi nớc

ở mặt tiếp xúc giữa nớc và không khí tồn tại hai quá trình: Quá trình hoá hơi (bốchơi) và quá trình ngng tụ Hai quá trình này luôn song song tồn tại

Quá trình hoá hơi phụ thuộc vào sức trơng hơi nớc ở mặt thoáng (en)

Quá trình ngng tụ phụ thuộc vào sức trơng hơi nớc trong không khí (ek)

Quá trình bốc hơi mặt thoáng phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa (en- ek) Sự chênhlệch này càng lớn thì tốc độ bốc thoát hơi nớc càng lớn.

+ Khí áp

áp suất không khí càng lớn thì bốc thoát hơi nớc càng nhỏ và ngợc lại Càng lên cao

áp suất càng giảm, do đó bốc hơi càng tăng (tuy nhiên lên cao nhiệt độ giảm vì vậybốc hơi phần nào bị cản trở)

Nếu ta gọi V là tốc độ bốc hơi, thì:

P

e e K

+ Bản chất của mặt bốc hơi

Mặt bốc hơi cong (lồi) thì bốc hơi càng lớn do sức trơng hơi nớc mặt cong lớn, hơnnữa mặt nớc cong lồi thì việc liên kết của các phân tử nớc trên mặt thoáng yếu nêncác phân tử nớc dễ bị bứt ra khỏi bề mặt hơn Tuy nhiên mặt thoáng cong lõm thì cókết quả ngợc lại

Mặt lu vực có thực vật sẽ bốc hơi nhiều hơn vùng đất trống bởi đất có thảm phủ thựcvật thờng xốp hơn, ngoài ra còn gia tăng bởi quá trình bốc thoát hơi nớc qua lá cây

2 Cách đo bốc hơi

a/ Dụng cụ đo bốc hơi

Đo bằng thùng (GGI 3000), chậu hay bằng ống Piche

+ Khi đo bốc hơi bằng các dụng cụ khác nhau thì kết quả tính sẽ khác nhau

+ Trờng hợp hai giai đoạn tài liệu của một trạm đo bằng các dụng cụ khác nhau, khitính toán ta phải qui đổi tài liệu theo một dụng cụ đo theo hệ số chuyển đổi:

Công thức trên thờng ứng dụng cho các trạm ở miền Bắc, với: KG=1.00ữ1.20

Các trạm miền Nam thờng dùng hệ số KC:

Trờng hợp đo bốc hơi bằng thùng GGI-3000 xong đặt thùng ở vờn và ở bè có quan

hệ chuyển đổi theo hệ số:

VUON GGI

BE GGI

Z K

3000

3000

Ngời ta có thể xây dựng phơng trình tơng quan giữa thùng đo ở vờn và thùng đo ở bè,

nh kết quả thực nghiệm ở Suối hai:

ZGGI-3000 Bè= 1.22 ZGGI-3000 Vờn- 0.8

Hoặc:

ZBè= 1.31 ZVờn

b/ Phơng pháp đo khả năng bốc thoát hơi nớc (Bốc hơi mặt nớc, bốc hơi mặt

đất, thoát hơi qua lá)

- Gọi: Bốc hơi mặt nớc là Zon

Bốc thoát hơi qua lá cây là Zoc

- Việc đo Zon thông qua ống Piche, chậu thùng

Zoc thông qua thí nghiệm, thực nghiệm và lý thuyết

- Ngời ta có thể đo thể tích hay trọng lợng nớc mất đi do bốc hơi

- Thực tế trong tính toán thuỷ văn thờng xét tới các loại bốc hơi nh sau:

• Bốc hơi mặt nớc dùng trong tính toán kho nớc và trong chế độ tới lúa nớc (Đobằng thùng, chậu, ống Piche)

• Bốc hơi qua lá cây: xác định bằng cách so sánh cân bằng phơng thẳng đứnghay theo chế độ sinh trởng của cây trồng

Math cải tiến dụng cụ đo bốc thoát hơi nớc của Thơn wây tơ: Dụng cụ gồm mộtbồn đất trồng cỏ phủ kín, chôn sâu sao cho mặt bồn bằng với mặt đất ông tới nớcnhiều lần trong ngày Biết lợng nớc tới, lợng thấm đợc dẫn bằng một hệ thống ốngsát đáy bồn không ngấm và đợc dẫn ra một bồn trống

Nh vậy:

Lợng nớc tới + Lợng ma (nếu có) - Lợng ngấm thừa chảy ra = Lợng nớc bốc thoátqua lá cây

• Bốc hơi mặt đất hay bốc hơi mặt lu vực dùng trong tính toán cân bằng nớc

đợc xác định theo phơng pháp cân bằng nớc hay công thức kinh nghiệm

3 Xác định l ợng bốc hơi mặt n ớc

a/ Theo tài liệu thực đo

Nếu tài liệu thực đo không đồng bộ (về dụng cụ đo hay về địa điểm đo) ta chuyển

đổi theo hệ số hay phơng trình tơng quan sau đó mới tiến hành tính toán

b/ Theo công thức kinh nghiệm

n : Số ngày trong thời khoảng tính toán

e0 : Trị số trung bình của áp suất hơi nớc tính theo nhiệt độ mặt nớc (có nhiệt độ mặtnớc tra bảng tra e0) (mb)

e200 : Trị số áp suất hơi nớc tuyệt đối trung bình ở độ cao 200 cm so với mặt nớc (độ

ẩm tuyệt đối của không khí) (mb)

* U200 : Tốc độ gió trung bình ở độ cao 200 cm so với mặt nớc (m/s)

Trờng hợp không có tài liệu đo đạc trên mặt nớc thì tính U200 theo số liệu của máy đogió tại đất liền nh sau:

U200= K1K2K3 Uq (2.17)

K1 : Hệ số xét đến tình trạng che khuất của trạm trên đất liền

K2 : Hệ số xét đến đặc điểm địa hình tại điểm quan trắc

K3 : Hệ số xét đến độ dài trung bình của gió thổi trên mặt nớc (có bảng tra sẵn hệ sốK)

Uq : Tốc độ gió tại vị trí đặt máy đo gió trong thời khoảng tính toán (m/s)

Để tra bảng tính K3 cần tính độ dài gió thổi trung bình theo công thức :

Ltb=1/n[ LTB - ĐN(mTB+mĐN)+LĐB - TN(mĐB+mTN) ] (2.19)

Với:

n = (mTB + mĐN) + (mĐB + mTN)

* e200 tính theo công thức:

e200 = e’

200 + (0.8 e0 – e’

e’

200 : Độ ẩm tuyệt đối của không khí (áp suất hơi nớc) đo tại Đài Khí tợng trên mặt

đất tính trung bình trong khoảng thời gian tính toán

M : Hệ số hiệu chỉnh xét đến sự thay đổi trung bình của nhiệt độ nớc và nhiệt độkhông khí đo ở Đài Khí tợng và tuỳ vào độ dài trung bình của đờng gió thổi (có bảngtra sẵn)

* Công thức tính lợng bốc thoát hơi nớc của Thơn Wây Tơ

Thực nghiệm đợc tiến hành tại miền Trung và miền Đông nớc Mĩ Theo Ông khảnăng bốc thoát hơi nớc phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình hàng tháng, còncác yếu tố khác là thứ yếu:

Công thức thể hiện:

γ

γ+

(2.25)

R : Hệ số phản chiếu

U2 : Vận tốc gió ở độ cao 2,0 m ( mile/ngày )

Mile: Đơn vị đo độ dài thuộc hệ Anh (1 mile = 1,609347 km)

2.3.3.2 Sự thay đổi bốc hơi năm theo thời gian

Sự thay đổi bốc hơi năm theo hàng năm của các trạm quan trắc bốc hơi ở nớc takhông lớn, hệ số biến đổi bốc hơi năm Cvz nhỏ, dao động từ 0.05 – 0.14, đa số cáctrạm hệ số biến đổi trong khoảng 0.05 – 0.10 Nh vậy nếu tính theo sai số cho phép6% thì số năm tính toán chuẩn bốc hơi năm chỉ cần: n = 1 – 3 (năm) Trong tínhtoán sự phân phối lợng bốc hơi năm thiết kế chỉ cần chọn một năm đại biểu trungbình, nếu yêu cầu tỉ mỉ hơn thì chọn 3 năm đại biểu (bốc hơi nhiều, trung bình và ít)

là đợc

Lu vực tính có nhiều tài liệu bốc hơi ta có thể chọn chuỗi n =11 năm để tính chuẩnbốc hơi năm Kết quả tính theo chuỗi này chỉ sai khác 1% so với chuỗi 20 năm quantrắc

2.3.3.3 Sự thay đổi chuẩn bốc hơi năm theo không gian

Tỉ số giữa lợng bốc hơi năm trung bình nhiều năm giữa trạm bốc hơi lớn nhất vàtrạm bốc hơi nhỏ nhất trong một vùng thuỷ văn của miền đồi núi là 1,30 trong khi đó

ở vùng đồng bằng là 1,40 Trong khi đó tỷ số giữa chuẩn ma năm của trạm ma lớnnhất và trạm ma nhỏ nhất trong một vùng thuỷ văn đạt tới 4 lần

Chính sự ổn định theo không gian, đặc biệt trong vùng thuỷ văn của chuẩn bốc hơinăm mà [11] đã phân vùng Z0 nh bảng (2-1) và ta có thể lấy tài liệu quan trắc bốc hơicủa trạm đại biểu để tính trong dải khí hậu hay dải thuỷ văn

2.3.4 Tính chuẩn ma năm – chuẩn dòng chảy năm

2.3.4.1 Tính chuẩn ma năm

Việc tính chuẩn ma năm cho mỗi trạm ma xảy ra một trong các trờng hợp: có nhiềutài liệu quan trắc ma năm, thiếu hay không có tài liệu quan trắc

1 Tính chuẩn m a năm khi có nhiều tài liệu quan trắc

ta tiến hành vẽ đờng luỹ tích sai chuẩn ma năm để chọn thời kỳ tính toán hợp lý vàtính chuẩn ma năm theo công thức:

X X

n i j

∑

=

= 1 0

2 0

i i

Nếu gọi: Xon là chuẩn dòng chảy năm tính với n đủ dài

XoN là chuẩn dòng chảy năm tính với tổng thể (N → ∞)

Ta có:

2 Tính chuẩn m a năm khi có ít tài liệu quan trắc (tài liệu ngắn)

Trong trờng hợp trạm ma tính toán có tài liệu quan trắc ngắn ta tiến hành chọn trạm

ma tơng tự với trạm ma tính toán về điều kiện khí hậu đặc biệt là ma, nên chọn trạmtrong cùng dải khí hậu với trạm tính toán, có tài liệu quan trắc ma dài và có cùngmột khoảng thời gian quan trắc đồng thời với trạm tính toán Xây dựng tơng quan manăm giữa trạm tính toán và trạm tơng tự trong khoảng thời gian quan trắc đồng thời.Nếu hệ số tơng quan ma năm tốt (|γ| ≥ 0.8) ta xác định phơng trình tơng quan Tơngquan ma năm của hai trạm có thể có quan hệ dạng đờng thẳng hoặc có dạng đờngcong

T

ơng quan dạng đ ờng thẳng: XiA = a XiB + b (2.31)

XiA, XiB là lợng ma năm thứ i của trạm tính toán và trạm tham khảo

a, b là các thông số của phơng trình tơng quan có thể xác định theo phơng pháp giảitích hay theo phơng pháp đồ giải

n

i

B iB A iA

X X

X X X X a

Trong đó X A ; X B - Lợng ma năm bình quân trong n năm quan trắc song song

Theo đồ giải: a - Hệ số góc ( a = tg ∝ ) ; b - tung độ gốc

Hình 2-2: Tơng quan ma năm của trạm tính A và trạm tơng tự B

Trong trờng hợp số điểm tơng quan ma năm ít việc định đờng tơng quan khó khăn ta

có thế cấy thêm điểm tơng quan lợng ma mùa tơng ứng

Dùng phơng trình tơng quan (2.31) để kéo dài tài liệu ma năm Khi có tài liệu manăm đủ dài ta tính chuẩn ma năm nh trờng hợp đủ tài liệu ta cũng có thể tính chuẩn

ma năm cho trạm tính toán (X0A) theo chuẩn ma năm của trạm tham khảo (X0B) :

T

ơng quan dạng cong:

m iB

3 Tính chuẩn m a năm khi không có tài liệu quan trắc

Khi lu vực tính toán không có tài liệu quan trắc ma năm, muốn tính chuẩn ma nămtrong trờng hợp này ta có thể dùng công thức kinh nghiệm, bản đồ đẳng trị chuẩn m-

a năm hay tính theo trạm ma tơng tự

Công thức kinh nghiệm dạng: X0 = Y0 + Z0

Trong đó Z0 – chuẩn bốc hơi năm (mm) là đặc trng tơng đối ổn định theo thời gian

và từng vùng, ta có thể lấy theo bảng phân vùng (2-1)

Trờng hợp sử dụng tài liệu ma của trạm ma tơng tự để tính cho lu vực tính toán cần

có hệ số hiệu chỉnh phù hợp Tuỳ thuộc vào mức độ tơng tự của các nhân tố chủ yếu

ảnh hởng đến lợng ma năm giữa trạm ma tơng tự và lu vực tính mà đa ra hệ số hiệuchỉnh cho phù hợp Tốt nhất nên chọn trạm ma gần nhất với lu vực tính hay trongcùng một dải khí hậu

2.3.4.2 Tính chuẩn ma năm bình quân của lu vực

XA(mm)

XB(mm)

∝

b

Nh ta đã biết chuẩn dòng chảy năm của lu vực lớn hay bé cơ bản phụ thuộc vàochuẩn ma năm của lu vực lớn hay bé Mặt khác chuẩn ma năm lại biến đổi không

đều theo không gian, do vậy việc tính chuẩn ma năm cho các lu vực có diện tíchkhống chế vừa và lớn là phải xác định chuẩn ma năm bình quân lu vực đây là việclàm cần thiết cho các lu vực có diện tích lớn và vừa khi tính toán dòng chảy từ ma

Để tính chuẩn ma năm bình quân lu vực trớc tiên ta phải chọn thời khoảng tính toán

đảm bảo yêu cầu (N năm), đồng bộ cho tất cả các trạm ma trên lu vực Trờng hợp cótrạm ma tài liệu quan trắc ngắn cần tiến hành xây dựng tơng quan kéo dài tài liệu tr-

ớc khi tính lợng ma năm bình quân lu vực Có hai phơng pháp tính chuẩn ma bìnhquân lu vực là phơng pháp trung bình số học và phơng pháp trung bình có tỉ lệ

1 Ph ơng pháp trung bình số học

• Phơng pháp trung bình số học một lần: Lợng ma bình quân nhiều năm, bình quân

lu vực là giá trị trung bình số học của các giá trị chuẩn ma năm tại các trạm đo matrên lu vực, đợc thể hiện tính theo công thức:

X oF - Lợng ma bình quân nhiều năm, bình quân lu vực

X oi - Lợng ma bình quân nhiều năm của trạm ma thứ i (hay chuẩn ma năm của trạm

ma thứ i

m - Số trạm đo ma trên lu vực

Trong trờng hợp trạm đo ma trên lu vực phân bố đều và đại biểu, địa hình lu vựckhông phức tạp thì phơng pháp này cho kết quả tính khá chính xác Nhìn chung ph-

ơng pháp thờng phù hợp tính cho các lu vực thuộc vùng đồng bằng

• Phơng pháp ô vuông (Trung bình số học hai lần): Ta áp đặt một lới ô vuông lên luvực Lợng ma bình quân nhiều năm , bình quân lu vực là trị số trung bình số học củachuẩn ma năm trên mỗi ô vuông Trong đó chuẩn ma năm của mỗi ô vuông là chuẩn

ma trung bình số học của các trạm đo ma nằm trong ô vuông Do đó để tính theo

ph-ơng pháp này ta phải tiến hành tính trung bình hai lần:

+ Tính chuẩn ma năm trung bình mỗi ô vuông

a

X X

a

j j i

∑

=

0 0

(2.36)Trong đó: X0 i là chuẩn ma năm bình quân của ô vuông thứ i

a là số trạm đo ma trong ô vuông thứ i

X0 J là chuẩn ma năm của trạm đo ma thứ j trong ô vuông thứ i

+ Tính chuẩn ma năm bình quân lu vực

m

X X

(2.37)với m là số ô vuông

Để nâng cao kết quả tính toán ngời ta có thể kiểm chứng bằng cách thiết lập một lới ô vuông khác và làm tơng tự ta tính đợc chuẩn ma năm bình quân lu vực lần thứhai Nếu sai khác giữa hai lần tính không vợt quá 5% là đợc

m

X X

m oi oF

∑

= 1

Cần chú ý rằng trong trờng hợp ô vuông không có trạm đo ma thì chuẩn ma năm của

ô vuông đợc tính trung bình theo các ô vuông liền kề Nếu trạm đo ma nằm trên cạnhcủa ô vuông thì chuẩn ma năm của trạm ma đó đợc tính cho cả hai ô

2 Ph ơng pháp trung bình có tỉ lệ

• Phơng pháp đa giác (phơng pháp Thaison)

- Nối các trạm đo ma ở giáp rìa lu vực thành một đờng gẫy khúc khép kín 5)

(1-2-3-4 Vẽ các tam giác (cố gắng tạo các tam giác đều có góc nhọn) (nh hình 2(1-2-3-4 3)

- Kẻ các đờng trung trực của tam giác tạo thành các hình đa giác bao quanh trạm đoma

- Đo diện tích các hình đa giác (fi)

- Tính chuẩn ma năm bình quân lu vực theo công thức:

f

f X X

1

Xoi – Lợng ma bình quân nhiều năm của trạm ma khống chế đa giác thứ i

m - Số đa giác

fi – Diện tích của đa giác thứ i (km 2)

Rõ ràng, trung bình có tỷ lệ đợc nói đến ở đây là hệ số tỷ lệ của phần diện tích đagiác mà mỗi trạm đo ma khống chế với toàn bộ diện tích lu vực Nếu ta kẻ đa giácmới khác, diện tích khống chế của các trạm đo ma sẽ khác đi dẫn tới kết quả tínhchuẩn ma năm bình quân lu vực cũng sẽ thay đổi Tuy nhiên sự sai khác giữa hai lầntính không vợt quá 5% là đạt yêu cầu

Hình 2-3: Phơng pháp đa giác của Thaison

- Xác định đúng vị trí của lu vực cần tính lên bản đồ đẳng trị chuẩn ma năm

- Tính chuẩn ma năm bình quân lu vực theo công thức:

Trong đó: X0 J , X0 (J +1) là giá trị của đờng đồng mức chuẩn ma năm thứ j và (j + 1)

fJ là diện tích kẹp bởi đờng đồng mức chuẩn ma năm thứ j và (j + 1)

+ Lu vực có trạm đo ma nhiều và đại biểu thì việc tính theo bản đồ đẳng trị cũng khátin cậy, xong yêu cầu tài liệu phải dài và đồng bộ

2.3.4.3 Tính chuẩn dòng chảy năm

Nh ta đã biết chuẩn dòng chảy năm là một đặc trng quan trọng trong việc nghiêncứu, qui hoạch hay thiết kế công trình Tính đặc trng chuẩn dòng chảy năm có thểxảy ra một trong ba trờng hợp: Tính trong trờng hợp nhiều tài liệu thực đo dòng chảy(tài liệu đủ dài), có ít tài liệu (tài liệu ngắn) hay không có tài liệu (hoặc có quá ít –

1 vài năm) đo đạc dòng chảy

1 Tính chuẩn dòng chảy năm khi có nhiều tài liệu quan trắc dòng chảy

Sau khi nghiên cứu sự thay đổi dòng chảy năm theo chuỗi thời gian và chu kỳ lớn, bécủa dòng chảy ta xác định thời khoảng tính toán đáp ứng đợc các yêu cầu của mẫutính Chuẩn dòng chảy năm đợc tính theo công thức:

Qon = 1/n ( Q1 + Q2 + ….+ Qn) (2.39)Trong đó : n – Chuỗi tính toán đủ dài

Qi – Lợng dòng chảy năm thứ i

Tuy nhiên, cho dù tính theo mẫu đủ dài nhng chuẩn dòng chảy năm tính ra vẫn có sai

số so với tổng thể (khi độ dài mẫu tính là vô cùng lớn) Sự chênh lệch này đợc đánhgiá bởi sai số tuyệt đối của dòng chảy năm Theo thống kê thuỷ văn thì sai số tuyệt

n

j

j o oj

j oF

f

X X

f X

1

1

) 1

2 (

Trong đó: σ - Hiệu số quân phơng của dòng chảy năm tính toán

Nếu gọi: Qon là chuẩn dòng chảy năm tính với n đủ dài

QoN là chuẩn dòng chảy năm tính với tổng thể (N →∞)

Ta có:

2 Tính chuẩn dòng chảy năm khi có ít tài liệu quan trắc dòng chảy

Trong trờng hợp tài liệu đo đạc dòng chảy năm ngắn muốn tính chuẩn dòng chảynăm ngời ta có thể dùng lý thuyết tơng quan để kéo dài tài liệu, sau đó tính nh trờnghợp đủ tài liệu Ta có thể sử dụng tơng quan giữa dòng chảy của lu vực tính toán vớidòng chảy của lu vực tơng tự trong khoảng thời gian quan trắc đồng thời hoặc tơngquan giữa dòng chảy với nhân tố ảnh hởng chủ yếu (nh ma của lu vực tính toán hay

ma của lu vực tơng tự) trong khoảng thời gian quan trắc đồng thời

a/ Dùng tơng quan dòng chảy với dòng chảy để kéo dài tài liệu dòng chảy

Lu vực tính toán có tài liệu quan trắc dòng chảy ngắn nhng ta có thể tìm đợc một luvực tơng tự (ở cùng khu vực) Lu vực tơng tự có cùng điều kiện địa lý tự nhiên, điềukiện khí hậu (đặc biệt là ma), mức độ khai thác nớc, có tài liệu quan trắc dài và cócùng một thời kỳ quan trắc song song với lu vực tính toán Tiến hành xây dựng tơngquan dòng chảy giữa hai lu vực trong thời gian quan trắc đồng thời để bổ sung, kéodài tài liệu dòng chảy năm cho lu vực tính toán, sau đó tính chuẩn dòng chảy nămcho lu vực nh trờng hợp có đủ tài liệu

Điều quan trọng của các phơng pháp tính trong trờng hợp này là chọn đợc lu vực

t-ơng tự tốt Để lựa chọn tốt lu vực tt-ơng tự ngoài việc nghiên cứu kỹ sự thay đổi ma vàdòng chảy theo chuỗi thời gian ta cần nghiên cứu sự thay đổi ma và dòng chảy nămtheo không gian Qua kinh nghiệm cho thấy nếu ta tiến hành vẽ đờng quá trình dòngchảy biểu thị bằng mô đuyn dòng chảy của lu vực tính toán và lu vực tơng tự trongthời gian quan trắc đồng thời lên cùng một biểu đồ Nếu hai đờng quá trình songsong hay gần nh song song thì chứng tỏ rằng hai lu vực có tính tơng tự tốt (hình 2-4).Sau khi chọn đợc lu vực tơng tự ta đánh giá mức độ tơng quan dòng chảy giữa hai luvực bằng cách tính hệ số tơng quan γ theo một trong các công thức sau:

i

A iA

n

i

B iB A iA

M M M

M

M M M M

1

2 1

n K n

K

n K K

1

2 1

2

1

)(

)(

Với

A

iA iA

M M

K =

MiA , MiB - Dòng chảy năm thứ i của lu vực nghiên cứu A và tơng tự B

A

M , M B - Trị bình quân dòng chảy năm lu vực A và B trong n năm quan trắc đồngthời

Hình 2-4: Đờng quá trình dòng chảy lu vực tính toán A và lu vực tơng tự B

Nếu  γ ≥ 0.8 chứng tỏ tơng quan dòng chảy hai lu vực tốt Ta thiết lập phơng trìnhtơng quan và bổ sung kéo dài tài liệu:

Việc xác định các thông số a, b nh các công thức (2.17), (2.18) hoặc xác định theo

đồ giải nếu nh hệ số tơng quan cao và các điểm tơng quan có xu thế rõ ràng

Ta cũng có thể kéo dài tài liệu theo phơng trình hồi qui sau:

n iA A

A

1

1 2

n iB B

Trạm thuỷ văn A (lu vực tính toán) có 10 năm tài liệu lu lợng bình quân năm thực đo(1986 – 1995) dùng để tính đặc trng chuẩn dòng chảy năm Trạm tơng tự B ở phíahạ lu trạm A có 18 năm tài liệu lu lợng bình quân năm thực đo (1982 – 1999) Hãytính chuẩn dòng chảy năm cho lu vực A theo tơng quan dòng chảy giữa 2 lu vực.Tài liệu cho nh sau:

- Lập bảng tính các thông số trong phơng trình tơng quan ở đây ta thiết lập phơngtrình hồi qui tuyến tính

Bảng 2-4 Bảng tính các thông số thống kê trong tơng quan dòng chảy

i iA

n

i

iB iA

n K n

K

n K K

1

2 1

- TÝnh hÖ sè håi qui:

B

A B

Q A Q

R

σ

σ γ

=

s m n

n K Q

1021.128451

3 1

s m n

n K Q

n

i iB B

110

1056.1211711

3 1

625

419 93

Q A Q

R

σ

σ γ

Q N

Q Q

iA N

18

1499318

3

18 1

Q Q

N

i iB

Q0A = 833 m3/s

b/ Dùng tơng quan ma với dòng chảy để kéo dài tài liệu dòng chảy

Trong trờng hợp không tìm đợc lu vực tơng tự có tài liệu quan trắc dòng chảy dài màbản thân lu vực tính toán hoặc lu vực tơng tự lại có tài liệu ma dài và có cùng khoảngthời gian quan trắc song song với dòng chảy năm của lu vực tính, nh vậy ta có thểxây dựng tơng quan ma năm với dòng chảy năm để kéo dài tài liệu dòng chảy nămcho lu vực tính toán, sẽ có hai trờng hợp xảy ra :

- Tơng quan ma – dòng chảy năm ở ngay lu vực tính toán

- Tơng quan ma năm ở lu vực tơng tự – dòng chảy năm ở lu vực tính toán

Cách xây dựng tơng quan kéo dài tài liệu tơng tự nh trờng hợp tơng quan dòng chảyvới dòng chảy Tuy nhiên đặc trng dòng chảy để xây dựng tơng quan là độ sâu dòngchảy năm và thờng mức độ tơng quan thờng không cao, nhất là khi xây dựng tơngquan dòng chảy ở lu vực tính toán với ma ở lu vực tơng tự Chính vì vậy khi xét các

điều kiện tơng tự giữa hai lu vực cần chặt chẽ hơn

3 Tính chuẩn dòng chảy năm khi không có tài liệu quan trắc dòng chảy

Khi không có hoặc có rất ít năm quan trắc dòng chảy (n ≅ 0) muốn tính chuẩn dòngchảy năm ta có thể sử dụng một trong các phơng pháp sau :

a/ Công thức kinh nghiệm

Từ phơng trình cân bằng nớc nhiều năm Y0 = X0 −Z0 ta thấy chuẩn dòng chảy nămphụ thuộc vào chuẩn ma và chuẩn bốc hơi năm, vì vậy hớng xây dựng công thức kinhnghiệm là chuẩn dòng chảy năm là hàm phụ thuộc vào chuẩn ma năm X0 và độ thiếuhụt bão hoà hơi nớc trong không khí d

Nếu ma và dòng chảy có quan hệ cong thì công thức kinh nghiệm có dạng :

0

10

x

a

e X

0 0 0

0

X

Z X

Z X X

Khi d = 0 (Đất không bốc hơi) thì α0 = 1

Khi d = 4.8 (Bốc hơi đạt giá trị lớn nhất) thì khi ấy α0 = 0

Công thức (2.39) thờng cho kết quả thiên nhỏ khi độ thiết hụt bão hoà hơi nớc nằmtrong giới hạn: 1.5 ữ 2.0 < d < 2.5 ữ 4.0

+ Công thức Pôliakốp (Nga)

9

9

3 0

+

=

d K

+

=

d d

b/ Bản đồ đẳng trị chuẩn dòng chảy năm

Khi ta không có tài liệu quan trắc dòng chảy năm nhng lại có bản đồ đẳng trị chuẩndòng chảy năm ta xác định chuẩn dòng chảy năm cho lu vực tính toán giống nh phần ứng dụng của bản đồ đã trình bày trong mục 3 trang 21

c/ Phơng pháp tơng tự thuỷ văn

Nội dung của phơng pháp tơng tự thuỷ văn là dùng tài liệu dòng chảy thực đo của luvực tơng tự tính cho lu vực tính toán, nh vậy khi xét điều kiện tơng tự của hai lu vựccần xét kỹ các yếu tố :

- Hai lu vực có cùng điều kiện khí hậu, nhất là lợng ma, sự phân phối ma theo thờigian, nhiệt độ, độ thiếu hụt bão hoà hơi nớc trong không khí

- Độ cao lu vực, đặc tính chung của địa hình, thổ nhỡng, thực vật che phủ phải tơngtự

- Tơng tự về diện tích của lu vực, độ cắt sâu lòng sông