ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA THỦY VĂN HỌC Thủy văn học là khoa học về nước, nghiên cứu sự hình thành, sự tồn tại, sự vận động của nước trên quả đất cùng với các đặc tính vật lý, hóa học củ
Trang 1Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA THỦY VĂN HỌC
Thủy văn học là khoa học về nước, nghiên cứu sự hình thành, sự tồn tại, sự vận động của nước trên quả đất cùng với các đặc tính vật lý, hóa học của chúng và tác động qua lại đối với môi trường xung quanh bao gồm cả tác động đối với các vật thể sống đặc biệt là đối với con người Thủy văn có thể được coi như một ngành khoa học chứa đựng trong nó toàn bộ các khoa học khác nhau về nước hoặc được định nghĩa một cách chính xác hơn là một ngành khoa học nghiên cứu về tuần hoàn nước, về chu trình vận động của nước trên trái đất Các kiến thức thủy văn được áp dụng trong việc điều khiển và sử dụng nguồn tài nguyên nước Đối tượng của thuỷ văn học là nghiên cứu lớp thủy quyển bao quanh trái đất bao gồm nước đại dương, biển, sông ngòi, ao hồ, đầm lầy, hồ chứa nhân tạo, những vùng tích ẩm dưới dạng lớp vỏ tuyết, băng hà và nước ngầm
Thủy văn liên quan chặt chẽ với các ngành khoa học khác như khí tượng học, địa chất học, địa mạo học, thủy lực học, toán học và các khoa học khác liên quan đến nghiên cứu lớp vỏ trái đất – khoa học địa lý
Trong quá trình phát triển, thủy văn học đã phân làm hai bộ phận lớn: thủy văn lục địa và thủy văn đại dương Bản thân thủy văn lục địa cũng phân thành một số bộ môn có tính độc lập nhất định theo đối tượng nghiên cứu như: thủy văn sông ngòi, thủy văn ao hồ và đầm lầy, thủy văn nước ngầm, thủy văn băng hà Ngoài ra theo nghiệp vụ công tác còn có các môn học: đo đạc thủy văn, địa lý thủy văn, dự báo thủy văn, tính toán thủy văn, động lực học sông ngòi, vật lý nước lục địa, hóa học nước lục địa…
Ngày nay thủy văn hiện đại đi sâu nghiên cứu thủy văn trong các môi trường đặc thù: thủy văn nông nghiệp, thủy văn rừng, thủy văn vùng triều, thủy văn đô thị…
Môn thủy văn đại cương cho chương trình đào tạo kỹ thuật viên khí tượng là một môn học thuộc nhóm các môn cơ sở giúp cho học sinh có những kiến thức chung về thủy văn Môn học giúp cho học sinh nắm được các vấn đề sau:
- Các quá trình cơ bản trong tuần hoàn nước, chu trình thủy văn và cân bằng nước xảy
ra trên trái đất;
- Một số đặc trưng ở lưu vực sông, dòng chảy và chế độ nước trong sông;
- Đo mực nước và lưu lượng nước, xử lý sơ bộ tài liệu mực nước và lưu lượng nước Nội dung của môn học nhằm trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản về thủy văn học nói chung đồng thời cũng gắn một mảng kiến thức thực hành quan trọng đó là đo và xử lý sơ
bộ mực nước và lưu lượng nước nhằm đảm bảo tay nghề cho học sinh để đáp ứng được công tác điều tra cơ bản
Trang 21.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THỦY VĂN HỌC
1.2.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của thủy văn học trên thế giới
Thủy văn học có nguồn gốc phát triển từ lâu đời Vào khoảng 4.000 năm về trước, nhân dân Trung Quốc dưới sự lãnh đạo của Đại Vũ đã đấu tranh bền bỉ với nước lũ sông Hoàng, cũng thời gian đó người Ai Cập đã tiến hành quan trắc mực nước trên sông Nile với mục đích phòng chống lũ
Việc sử dụng nguồn nước ngày càng tăng, và do đó yêu cầu nghiên cứu các hiện tượng thủy văn ngày càng trở nên cấp bách Thủy văn học đã luôn phát triển cả về phương pháp nghiên cứu cũng như kỹ thuật quan trắc, thu thập các đặc trưng thủy văn Lịch sử phát triển của thủy văn có thể khái quát chia sơ bộ thành các giai đoạn sau:
1.2.1.1 Giai đoạn trước thế kỷ 18
Đây là thời kỳ phát triển cổ điển của thủy văn học Trong giai đoạn này việc phân tích các hiện tượng thủy văn chủ yếu mang tính chất định tính Những quan trắc để thu thập tài liệu cũng được đã được ứng dụng, nhưng chủ yếu là quan trắc mực nước Việc tiến hành các quan trắc cũng mang tính chất cục bộ mà không có tính hệ thống Vào thời kỳ cuối của giai đoạn này (thời kỳ Phục Hưng) người Ý đã chế tạo thành công máy đo lưu tốc, và sử dụng nó
để đo tốc độ và lưu lượng ở các sông suối có yêu cầu khai thác nguồn nước
1.2.1.2 Giai đoạn từ thế kỷ 18 đến đầu thế kỷ 20 (đến trước năm 1930)
Đây là thời ký phát triển mạnh của thủy văn học do yêu cầu phát triển của các công trình giao thông và thủy lợi Tính toán thủy văn được phát triển ở nhiều nước có mức độ phát triển công nghiệp cao Ở Pháp Bengranger công bố công trình nghiên cứu về quan hệ mưa rào dòng chảy trên sông Scence Ở Ý, Montarini đưa ra kết quả nghiên cứu về chế độ thủy văn sông Tibrer Ở Hoa kỳ Humprey và Abert đã quan trắc và phân tích chế độ thủy lực và lưu lượng nước trên sông Mississipi Vào cuối thế kỷ 19 có công trình nghiên cứu của Penk (Áo)
về cân bằng nước và chế độ dòng chảy của sông Danuyp Ở Nga, vào năm 1865 – 1870, người ta đã tổ chức hàng loạt các trạm quan trắc thủy văn để nghiên cứu diễn biến sông ngòi, phục vụ cho giao thông vận tải Các công trình nghiên cứu quan trọng có thể kể đến là “vấn
đề chuyển động của nước trong sông và sự hình thành dòng chảy sông ngòi” của J.S.Leliapski (1893); “Cơ cấu dòng sông” của V M Lochin (1897)
Cuối thế kỷ thứ 19, trên cơ sở tài liệu tích lũy được A J Vaiakov phát hiện quan hệ dòng chảy sông ngòi và khí hậu, ông phát biểu một nhận xét nổi tiếng “Sông ngòi là sản phẩm của khí hậu” Vào những năm 1878 – 1908 E V Opakov phân tích dao động của dòng chảy sông Danuyp trong nhiều năm, phát hiện tính đồng bộ trong sự thay đổi dòng chảy và mưa,
đã khẳng định tính đúng đắn của Vaiakov trước đây
Đầu thế kỷ 20 một số công thức kinh nghiệm đã được công bố và sử dụng rộng rãi như các công thức của Penk, Sraiber, Kenler ở châu Âu, các công thức của N.Dongov, I.Langer, D.J Koserin sử dụng ở Nga Ở Mỹ Niuel đã xây dựng đường đẳng trị dòng chảy nằm trên lãnh thổ Hoa Kỳ
Nhìn chung, trong giai đoạn này các phương pháp nghiên cứu chủ yếu là tổng hợp địa lý Các nghiên cứu chưa được thực hiện một cách hệ thống và chưa được đề cập một cách đầy
đủ đến toàn bộ các vấn đề của dòng chảy sông ngòi
Trang 3Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu của thủy văn học cho tính toán thiết kế các công trình thủy lợi còn nhiều hạn chế Cho đến những năm 1925 – 1930, ở Nga D J Koserin mới bắt đầu tổng hợp một cách có hệ thống các tài liệu thủy văn và đưa ra một số phương pháp tính toán thủy văn phục vụ thiết kế các công trình
1.2.1.3 Giai đoạn từ năm 1930 – 1960
Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ và quan trọng nhất của thủy văn học Với những kết quả nghiên cứu ở giai đoạn trước, thủy văn học đã phát triển thành một môn khoa học độc lập Các nhà khoa học ở các nước Liên Xô cũ, Mỹ, các nước châu Âu, Ấn Độ và Trung Quốc, Nhật Bản đã xây dựng thành công hệ thống cơ sở lý luận của tính toán thủy văn Các nhà khoa học đã đề xuất các phương pháp tính toán hợp lý các đặc trưng thủy văn dùng trong quy hoạch, thiết kế các công trình thủy lợi Một điều đáng chú ý là phương pháp thống kê toán học đã được ứng dụng trong thủy văn do D.L Xokolopski đề nghị và được phát triển bởi N.S Kritski và M.F Menken; G.N Brokovic; G.A Alexeiev; G.G Svanitze…
Cũng trong giai đoạn này, đã thiết lập các mô hình toán và bắt đầu sử dụng trong tính toán thủy văn, dự báo tác nghiệp, phân tích và tính toán diễn biến lòng sông…
Xây dựng các phương pháp tính toán điều tiết dòng chảy Các nghiên cứu về dòng chảy năm, dòng chảy lũ, động lực học sông ngòi, động lực cửa sông… đã được nghiên cứu một cách khoa học và chi tiết
Cùng với sự phát triển hoàn thiện về các phương pháp nghiên cứu và tính toán, hệ thống các trạm quan trắc thủy văn được mở rộng và được tổ chức một cách có hệ thống Các thiết bị và
kỹ thuật đo đạc, phân tích số liệu thủy văn cũng được hiện đại hóa
Nói tóm lại, đây là giai đoạn phát triển quan trọng và hoàn thiện, làm cơ sở cho sự phát triển hiện đại của thủy văn học sau này
1.2.1.4 Giai đoạn từ 1960 đến nay
Đây là giai đoạn phát triển hiện đại của thủy văn học Nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử và phương pháp tính, việc ứng dụng các mô hình toán học trong thủy văn được khai thác một cách triệt để Sự phức tạp của hiện tượng thủy văn được giải quyết và ứng dụng một cách có hiệu quả trong thực tế sản xuất
Những quan niệm hiện đại về dòng chảy sông ngòi được hình thành theo quan điểm hệ thống Theo quan điểm hệ thống, dòng chảy sông ngòi không phải chỉ là sản phẩm của khí hậu mà là kết quả của sự tác động tương tác giữa điều kiện khí hậu, mặt đệm cùng với sự tác động của con người vào điều kiện mặt đệm và những biện pháp khai thác nguồn nước Quan điểm hệ thống còn thể hiện trong phương pháp đánh giá dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm trong mối quan hệ tương tác lẫn nhau Xuất phát từ quan điểm hệ thống, các phương pháp tính toán thủy văn hiện đại cũng được xây dựng Các phương pháp đó được xây dựng trong mối quan hệ tương tác giữa dòng chảy và các biện pháp công trình, các yêu cầu về nước của con người Tiêu biểu cho các phương pháp đó là việc thiết lập các mô hình mô phỏng hệ thống đối với các hệ thống phức tạp Lý thuyết phân tích hệ thống được áp dụng khi phân tích và tính toán các đặc trưng thủy văn trong quy hoạch, thiết kế Xu thế hiện đại của việc xây dựng các mô hình hệ thống là sự kết hợp giữa các mô hình thủy văn, thủy lực, các mô hình quản lý chất lượng nước…
Trang 4Cùng với sự phát triển của phương pháp tính toán, các thiết bị và phương pháp quan trắc cũng được cải tiến, kỹ thuật viễn thám, các máy đo hiện đại đã được sử dụng trong khảo sát
đo đạc và thu thập tài liệu
Nói tóm lại, các phương pháp tính toán và nghiên cứu trong thủy văn học được tiến hành trong mối quan hệ tương tác giữa con người và thiên nhiên
1.2.2 Lịch sử phát triển của thủy văn học ở Việt Nam
Ở nước ta, trước thế kỷ 20 không thấy có những tư liệu về nghiên cứu thủy văn Tuy nhiên những quan trắc và các phân tích định tính có thể đã có từ rất lâu Không thể không có những quan trắc (dù chỉ là rất thô sơ) và những phân tích về quy luật của thủy triều khi Ngô Quyền ở thế kỷ thứ 10 sử dụng thủy triều để tiêu diệt quan Nam Hán trên sông Bạch Đằng
Ba ngàn năm về trước, từ đời Lã Vọng, vùng duyên hải đã có bài ca về con nước rất có tác dụng trong sản xuất nông nghiệp Các sông đào như sông Đuống, sông Luộc, kênh nhà Lê và các hệ thống đê được xây dựng từ bao đời nay không thể thực hiện được mà không có kiến thức về dòng chảy sông ngòi
Tuy nhiên, chỉ đến đầu thế kỷ thứ 20, khi người Pháp cai trị ở nước ta, hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn mới được thiết lập Tài liệu đo được sớm nhất vào năm 1902 Những năm từ 1910 cho đến 1954, hệ thống quan trắc thủy văn được mở rộng trên hệ thống các sông lớn và chủ yếu là các trạm đo mực nước
Từ năm 1959 cho đến nay, hệ thống các trạm đo đạc thủy văn đã được mở rộng trên quy mô lớn và việc tổ chức quan trắc được coi là có hệ thống
Cùng với sự phát triển của hệ thống các trạm quan trắc, đội ngũ cán bộ nghiên cứu thủy văn được đào tạo và lớn mạnh, các cơ quan quản lý và nghiên cứu được hình thành Hiện nay, đội ngũ cán bộ và thủy văn học Việt Nam đang tiếp cận và hòa hợp với những tiến bộ khoa học kỹ thuật của thủy văn, thủy lợi trên thế giới
1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƯỢNG THỦY VĂN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.3.1 Đặc điểm của hiện tượng thủy văn
Cũng như mọi hiện tượng tự nhiên khác trong thiên nhiên, hiện tượng thủy văn là kết quả của sự tác động của nhiều nhân tố tự nhiên Dòng chảy sinh ra trên mặt đất phụ thuộc vào mưa, điều kiện địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật… Đó là một quá trình tự nhiên với đầy đủ tính chất vật lý của nó và biểu hiện của phạm trù nguyên nhân và hậu quả Nếu biểu diễn một cách hình thức quan hệ của dòng chảy sông ngòi với các nhân tố tự nhiên tác động lên nó dưới dạng:
Trong đó X là véc tơ hàng của các yếu tố khí tượng, khí hậu tham gia vào quá trình hình thành dòng chảy sông ngòi:
X = (x1, x2, ,xi, ,xn) (1 – 2) Trong đó x1, x2, x3, ,xn là ký hiệu đặc trưng cho các yếu tố khí tượng, khí hậu: mưa, bốc hơi, gió
Trang 5Ký hiệu Z biểu thị véc tơ hàng của các đặc trưng mặt đệm tác động lên sự hình thành dòng chảy:
Z = (z1, z2, ,zi, ,zn) (1 – 3) Trong đó z1, z2, là ký hiệu đặc trưng cho các yếu tố mặt đệm: diện tích lưu vực, điều kiện địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật
Nhóm các nhân tố khí hậu, khí tượng X biến động lớn theo thời gian, thường được gọi là nhóm biến đổi nhanh Sự biến đổi loại này vừa có tính chất chu kỳ, vừa có tính ngẫu nhiên Tính chu kỳ phản ánh quy luật thay đổi của xu thế bình quân, tính ngẫu nhiên thể hiện ở sự xuất hiện một giá trị cụ thể tại thời điểm nào đó của chu kỳ và lệch so với giá trị bình quân Nhóm nhân tố mặt đệm Z biến đổi chậm theo thời gian, thường gọi là nhóm biến đổi chậm Tính quy luật của nó thể hiện qua sự biến đổi theo không gian tạo thành các vùng, miền có điều kiện mặt đệm đồng nhất
Tổ hợp của hai nhóm nhân tố, tham gia vào quá trình dòng chảy theo quan hệ (1 – 1) quyết định tính chất của các hiện tượng thủy văn Rõ ràng, hiện tượng thủy văn mang hai tính chất: tính tất định và tính ngẫu nhiên
Tính chất tất định của hiện tượng và các quá trình thủy văn thể hiện ở các mặt sau:
Tính chu kỳ của các xu thế bình quân theo thời gian: chu kỳ một năm (mùa lũ, mùa kiệt), chu kỳ nhiều năm (nhóm năm ít nước kế tiếp với các nhóm năm nhiều nước)
Tính quy luật không chỉ thể hiện ở tính chu kỳ mà còn thể hiện sự biến đổi có quy luật theo không gian do bị chi phối bởi tính địa đới của các hoạt động khí hậu và khí tượng tổ hợp với những hình thế mặt đệm tương đối ổn định của từng khu vực trên lãnh thổ
Biểu thức (1 – 1) phản ánh quy luật vật lý của sự hình thành quá trình dòng chảy và các đặc trưng biểu thị các hiện tượng thủy văn, là cơ sở cho các phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành của các hiện tượng đó
Tính ngẫu nhiên của hiện tượng thủy văn phụ thuộc chủ yếu vào sự biến đổi ngẫu nhiên của nhóm các nhân tố khí hậu, khí tượng thông qua quan hệ biểu diễn bởi biểu thức (1 – 1)
1.3.2 Các phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu và tính toán thủy văn có thể chia làm hai loại: phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành và phương pháp thống kê xác suất
1.3.2.1 Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành
Cơ sở của phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành là tính tất định của hiện tượng thủy văn Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành lại có thể chia ra các loại sau:
• Phương pháp phân tích căn nguyên
Trên cơ sở phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến sự hình thành các đặc trưng thủy văn theo biểu thức (1 – 1), người ta phân tích quan hệ giữa đặc trưng thủy văn với các thông số đặc trưng cho nhân tố ảnh hưởng Mối quan hệ đó được biểu diễn bằng các quan hệ toán học: hoặc bằng các biểu thức, hoặc bằng các đồ thị và các biểu thức logic, cao hơn nữa là các mô
Trang 6hình toán và mô hình mô phỏng hệ thống Các mô hình mô phỏng hệ thống hiện nay được sử dụng rộng rãi trong tính toán thủy văn công trình
Khi thiết lập các quan hệ toán học cho lưu vực bất kỳ, cần phải có một số tài liệu quan trắc Điều nay không phải lúc nào cũng thực hiện được, do đó cần kết hợp với các phương pháp tổng hợp địa lý và phương pháp lưu vực tương tự
• Phương pháp tổng hợp địa lý
Vì rằng hiện tượng thủy văn mang tính địa đới, tính khu vực và biến đổi nhịp nhàng theo không gian theo các cảnh quan địa lý, bởi vậy có thể tiến hành phân vùng, nội ngoại suy bằng cách lập các bản đồ đẳng trị, các bản đồ phân khu các tham số tổng hợp và sử dụng nó trong tính toán các đặc trưng thủy văn
• Phương pháp lưu vực tương tự
Phương pháp lưu vực tương tự được sử dụng rộng rãi trong tính toán thủy văn Nguyên lý của phương pháp này là các tham số và các đặc trưng thủy văn của lưu vực không có tài liệu quan trắc được suy ra từ lưu vực khác, có tài liệu đo đạc thủy văn và có điều kiện hình thành dòng chảy tương tự như lưu vực cần phải tính toán
Gọi Y1 và Y2 là các đặc trưng cùng loại của hai lưu vực, giả sử:
Y1 = f1(X1, Z1); Y2 = f2(X2, Z2) (1 – 4) Với X1, X2, Z1, Z2 là các véc tơ tham số có dạng như biểu thức (1 – 2) và (1 – 3) Các quan
hệ f1(X1, Z1); f2(X2, Z2) có dạng như nhau
Hai lưu vực được gọi là tương tự nếu như mỗi phần tử tương ứng của X1 có giá trị xấp xỉ với
X2 và cũng như vậy với Z1 và Z2 Trong trường hợp như vậy Y1 có thể suy ra từ Y2 bằng biểu thức (1 – 5):
Y1 = Y2 hoặc Y1 = K.Y2 (1 – 5) Trong đó K là hằng số, được sử dụng như một hệ số hiệu chỉnh
1.3.2.2 Phương pháp thống kê xác suất
Vì rằng hiện tượng thủy văn mang tính chất ngẫu nhiên, do đó có thể coi các đại lượng đặc trưng thủy văn là đại lượng ngẫu nhiên Với giả định như vậy có thể áp dụng lý thuyết thống
kê xác suất, với chuỗi các đại lượng đặc trưng thủy văn bất kỳ để nghiên cứu
Trong thực tế cần kết hợp các phương pháp trên đây Mục đích cuối cùng của tính toán thủy văn là xác định các đặc trưng thiết kế tương ứng với tần suất quy định Các đặc trưng đó có thể trực tiếp xác định bằng phương pháp thống kê xác suất, hoặc xác định gián tiếp theo các phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành