Thủy văn học - Chương 2

Hiện tượng lũ lụt, khô hạn, vấn đề điều khiển hệ thống thoát lũ và cung cấp nước, vấn đề chất lượng nước và môi trường là các vấn đề có ý nghĩa quan trọng trong thuỷ văn học hiện đại

Chương 2

ĐẠI CƯƠNG VỀ SÔNG NGÒI VÀ SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI

2.1 Sông và hệ thống sông

2.1.1 Lưới sông

2.1.1.1 Sông chính và sông nhánh

Nước mưa rơi xuống đất, một phần bị tổn thất do bốc hơi, đọng vào các chỗ trũng

và ngấm xuống đất, phần còn lại dưới tác dụng của trọng lực chảy tràn trên các sườn dốc,

tập trung vào các chỗ trũng thành các khe suối và chảy xuống phía dưới tạo thành sông

ngòi, rồi đổ ra biển hoặc 1 khu chứa nào đó

Dòng nước tự nhiên chảy theo chỗ trũng của địa hình, có lòng dẫn ổn định và có

nguồn cung cấp nước mặt và nước ngầm gọi là sông

Sông chính: là sông trực tiếp đổ ra biển hoặc hồ chứa

Sông trực tiếp chảy vào sông chính gọi là sông nhánh cấp 1, sông chảy vào sông

nhánh cấp I gọi là sông nhánh cấp 2, cứ như vậy mà suy ra các sông nhánh cấp tiếp theo

2.1.1.2 Mạng lưới sông

Tập hợp toàn bộ sông nhánh, sông chính có liên quan dòng chảy với nhau gọi là hệ

thống sông hay lưới sông

Trong hệ thống sông, người ta lấy tên sông chính gọi tên cho cả hệ thống sông ấy

VD : Hệ thống sông Hồng, hệ thống sông Thái Bình

Tập hợp toàn bộ sông, hồ, đầm lầy trong một khu vực nhất định gọi là hệ thống

địa lý thủy văn của khu vực ấy

Để đặc trưng cho lưới sông dùng khái niệm mật độ lưới sông D:

F

L

D= ∑

(2.1) Với:

ΣL - tổng độ dài các sông, suối trong lưới sông;

F - diện tích lưu vực sông

Thông thường D = 0÷1,3

2.1.2 Các dạng lưới sông chính

Sự bố trí các sông nhánh dọc theo sông chính có ảnh hưởng quyết định đến sự hình

thành dòng chảy trong sông chính Có thể phân thành các dạng lưới sông chính như sau:

2.1.2.1 Lưới sông hình lông chim

Dạng lưới sông này có sông chính tương đối dài, các sông nhánh phân bố đều sang

2 bên vì vậy ít sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu không lớn

S §«ng

Hình 2.1 Lưới sông hình lông chim

2.1.2.2 Lưới sông hình nan quạt

Sông chính không dài lắm, các sông nhánh đổ vào sông chính ở những vị trí gần nhau, vì vậy có khả năng sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu khá lớn

Th¸i Nguyªn

S. T h−¬n g

An Ch©u

S. L

ôc N am

Ph¶ L¹i

S CÇu

S §uèng

Hình 2.2 Lưới sông hình nan quạt

2.1.2.3 Lưới sông song song

Sông chính và sông nhánh gần như song song nhau Đến gần cửa sông chính sông nhánh mới đổ vào sông chính Loại này sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu tương đối lớn

và nhanh Hệ thống sông Hồng là điển hình cho loại sông này

S L«

S H ång

S §µ

S Ch¶y

Hình 2.3 Lưới sông song song

2.1.2.4 Lưới sông hỗn hợp

Dạng lưới sông này là tổng hợp của các dạng lưới sông trên Hệ thống sông Cửu Long là điển hình cho loại sông này

2.2 Lưu vực sông và các đặc trưng của lưu vực

2.2.1 Lưu vực sông và đường phân nước của lưu vực

2.2.1.1 Lưu vực sông

Lưu vực của 1 con sông là diện tích mặt đất trên đó nước trực tiếp chảy từ các sườn dốc và dồn vào lòng sông, hoặc theo các sông nhánh chảy vào sông chính Nói cách khác, lưu vực của một con sông là khu vực tập trung nước của con sông đó

2.2.1.2 Đường phân nước của lưu vực

Đường phân nước là đường ranh giới mà từ đó nước chảy về 2 phía đối diện nhau của 2 lưu vực cạnh nhau

Như vậy có thể thấy đường phân nước là đường nối liền các điểm cao nhất phân cách lưu vực con sông này với lưu vực con sông khác

VÞ trÝ ®−êng ph©n n−íc mÆt

TÇng kh«ng thÊm

VÞ trÝ ®−êng ph©n n−íc ngÇm

Dßng mÆt

Dßng ngÇm

Hình 2.4 Đường phân nước của lưu vực

Có 2 loại đường phân nước là đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm

- Đường phân nước mặt là đường nối các điểm cao nhất liên tiếp trên lưu vực mà

từ các điểm đó nước mặt đổ về lưu vực này hay lưu vực khác ở bên cạnh

- Đường phân nước ngầm là đường nối các điểm cao nhất liên tiếp trên bề mặt tầng đất không thấm, từ đó nước ngầm đổ về 2 lưu vực cạnh nhau

Đặc điểm của đường phân nước:

- Đường phân nước của một lưu vực thường không ổn định do tác động của môi trường và con người

- Đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm không trùng nhau, đường phân nước ngầm khó xác định nên thực tế lấy đường phân nước mặt làm đường phân nước của lưu vực

Để xác định đường phân nước của lưu vực (gọi tắt là đường phân lưu) phải căn cứ vào bản đồ địa hình có các đường đồng mức cao độ

2.2.2 Các đặc trưng hình học của lưu vực

2.2.2.1 Diện tích lưu vực (F - km2)

Là phần diện tích được giới hạn bởi đường phân nước, phản ánh diện tích hứng nước mưa của sông

Cách xác định F: Trên bản đồ địa hình ta vạch ra được đường phân nước của lưu vực, dùng máy đo diện tích hoặc dùng phương pháp kẻ ô vuông để đếm ô diện tích

Độ chính xác của diện tích lưu vực phụ thuộc vào độ chính xác của bản đồ, vào việc

xác định đường phân nước và tỷ lệ bản đồ

Để biểu thị tình hình phân bố diện tích của lưu vực có thể dùng biểu đồ tăng diện

tích Cách vẽ biểu đồ như sau:

O

D

A

E B

f1 f2 f3 f5

f8 f4

cöa

C

D

E

B

C

A

f10 f6

f4

.

fi = F (km2)

∑

Hình 2.5 Biểu đồ tăng trưởng diện tích lưu vực

Giả sử có một lưu vực sông như hình 2.5

Biểu đồ tăng trưởng diện tích trên hệ trục vuông góc

- Tung độ là chiều dài sông chính được vẽ theo một tỷ lệ nhất định

- Hoành độ biểu thị diện tích của lưu vực và cũng được vẽ theo một tỷ lệ nhất

định: diện tích bên phải sông vẽ ở hoành độ bên phải, diện tích bên trái sông vẽ

ở hoành độ bên trái, khi vẽ tiến hành theo thứ tự từ nguồn đến cửa sông

- Tại các vị trí có sông nhánh chảy vào (điểm A, B) kéo dài hoành độ thêm một

đoạn bằng diện tích lưu vực sông nhánh, tung độ bằng chiều dài sông nhánh,

cũng được vẽ theo một tỷ lệ về độ dài đã chọn để vẽ sông chính

Thông qua biểu đồ thấy được tình hình tăng giảm của diện tích lưu vực sông từ

nguồn đến cửa sông

2.2.2.2 Chiều dài của lưu vực (L - km)

Là khoảng cách theo đường gãy khúc từ nguồn đến cửa sông đi qua các điểm giữa

của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực và vuông góc với hướng dòng chảy

Để đơn giản, trong tính toán L thường được lấy bằng chiều dài của sông chính

2.2.2.3 Chiều rộng bình quân của lưu vực (B - km)

Được đo bằng tỷ số giữa diện tích của lưu vực với chiều dài của lưu vực

L

F

2.2.2.4 Độ cao trung bình của lưu vực (Htb)

F

H f f

H f

H f H f

i

n n 2

2 1 1

+

Trong đó :

fi – diện tích giới hạn phần lưu vực giữa 2 đường đồng mức liên tiếp;

Hi - độ cao trung bình giữa 2 đường đồng mức;

F – diện tích của lưu vực

2.2.2.5 Độ dốc trung bình của lưu vực Jtb

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

2

l l F

h

Trong đó :

l0, l1, ln – chu vi các đường đồng mức trong lưu vực;

h – chênh lệch độ cao giữa 2 đường đồng mức liền nhau;

F – diện tích lưu vực

2.2.2.6 Một số hệ số đặc trưng của lưu vực

a Hệ số hình dạng của lưu vực (Kd)

Hệ số hình dạng biểu thị mức độ phát triển hình học của lưu vực

L

B

Trong đó:

B – chiều rộng trung bình của lưu vực;

L – chiều dài của lưu vực

Kd ≤ 1

Kd càng lớn lưu vực càng gần hình vuông, lũ tập trung càng nhanh và càng lớn Kd

càng nhỏ thì lưu vực càng hẹp và dài

VD :

+ Sông Lô: Kd = 0,017

+ Sông Hồng: Kd = 0,04

+ Sông Đà: Kd = 0,063

b Hệ số tròn của lưu vực sông (Kc)

KC được biểu thị bằng tỷ số giữa chiều dài đường phân nước của lưu vực với chu vi

hình tròn có diện tích bằng diện tích lưu vực

T

P C

L

L

Trong đó :

LP – chiều dài đường phân nước;

LT – chu vi đường tròn có diện tích bằng diện tích lưu vực

Hình dạng càng tròn, lũ tập trung càng nhanh và lớn

c Hệ số không đối xứng Kđx

Đại lượng này biểu thị cho sự phân bố không đều của diện tích lưu vực 2 bên sông

chính

p t a

F F

F F 2 2

F F

F F K

+

−

= +

−

Trong đó Ft, FP là diện tích tương ứng của phần lưu vực bên trái, bên phải sông

2.2.3 Các đặc trưng địa lý tự nhiên của lưu vực

2.2.3.1 Vị trí địa lý

Vị trí địa lý của lưu vực được xác định trên cơ sở các toạ độ địa lý (kinh độ, vĩ độ)

và các vùng tiếp giáp trên bản đồ địa lý sông ngòi

Cần chỉ rõ xung quanh phân giới của lưu vực có những ngọn núi nào, đồng thời đề

cập đến con sông đó cách xa biển bao nhiêu km và xét xem hơi nước vận chuyển từ biển

vào lưu vực như thế nào

Vị trí lưu vực đóng vai trò tương đối quan trọng trong nghiên cứu thuỷ văn Vị trí

địa lý quyết định điều kiện khí hậu, qua đó ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ thuỷ văn

2.2.3.2 Địa hình của lưu vực

Những lưu vực nhiều đồi núi có hiện tượng mưa nhiều Độ cao, hướng núi có ảnh

hưởng đến tình hình khí hậu, khí tượng trên lưu vực

2.2.3.3 Cấu tạo địa chất, thổ nhưỡng

Đặc trưng này bao gồm tính chất của nham thạch, cấu tạo địa chất của lưu vực Cấu

tạo địa chất thổ nhưỡng có tác dụng điều tiết thủy văn, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp

nước ngầm trong lưu vực

2.2.3.4 Thảm phủ thực vật

Thảm phủ thực vật bao gồm rừng, các loại cây trồng trên lưu vực có tác dụng quan

trọng điều tiết dòng chảy trên lưu vực, ảnh hưởng đến yếu tố khí hậu, làm chậm tập trung

dòng chảy mặt và tăng cường dòng chảy ngầm

Để đặc trưng cho nhân tố này dùng hệ số phủ rừng KP

F

F

Trong đó:

FP – diện tích rừng cây phủ trên lưu vực;

F – diện tích toàn bộ lưu vực

2.2.3.5 Ao hồ đầm lầy

Ao hồ đầm lầy có tác dụng điều tiết làm chậm quá trình tập trung dòng chảy mặt

Trong mùa lũ, một phần nước được trữ trong các ao hồ, đầm lầy Khi lũ rút, nước được

tháo ở các ao hồ để điều tiết dòng chảy

2.3 Dòng sông và các đặc trưng chính

2.3.1 Phân đoạn dòng sông

Một con sông phát triển đầy đủ thường chia làm 5 đoạn có tính chất khác nhau: nguồn sông, thượng lưu, trung lưu, hạ lưu và cửa sông

BiÓn, hå, cöa s«ng

Hình 2.6 Phân đoạn dòng sông

2.3.1.1 Nguồn sông

Nguồn là nơi bắt đầu của dòng sông Nguồn sông thường bao gồm một diện tích rất lớn, nhiều lúc khó xác định như ở vùng đá vôi có nhiều hang động, cũng có khi bắt nguồn

từ một mạch nước ngầm hoặc một hồ chứa nước

2.3.1.2 Thượng lưu

Thượng lưu là đoạn sông trực tiếp nối với nguồn sông Đặc điểm là lòng sông hẹp,

độ dốc lớn, nước chảy xiết, xói mòn chủ yếu theo chiều sâu, thường có thác ghềnh lớn, không thuận lợi cho giao thông vận tải

2.3.1.3 Trung lưu

Trung lưu là đoạn nối tiếp với thượng lưu, độ dốc lòng sông đã giảm nhiều, không

có những ghềnh thác lớn, nước chảy yếu hơn, xói lở phát triển sang 2 bên bờ mạnh làm cho lòng sông đã mở rộng dần, bãi sông xuất hiện, trên mặt bằng sông đã có dạng uốn khúc Nhìn chung đoạn này tương đối thuận lợi cho giao thông vận tải

2.3.1.4 Hạ lưu

Hạ lưu là đoạn cuối cùng của sông trước khi đổ ra biển, hồ chứa hoặc con sông khác Đặc điểm ở đoạn này là độ dốc lòng sông rất bé, nước chảy chậm, bồi nhiều hơn xói, tạo nhiều bãi sông nằm ngang ở giữa lòng sông, hình dạng lòng sông quanh co uốn khúc rất nhiều, lòng sông mở rộng ra nhiều so với đoạn trên Hạ lưu thuận lợi cho phát triển giao thông vận tải thuỷ cũng như các ngành kinh tế khác

2.3.1.5 Cửa sông

Cửa sông là nơi sông tiếp giáp với biển hoặc hồ hoặc một con sông khác Ở cửa sông lòng sông mở rộng, lưu tốc bé dần, phù sa lắng đọng tạo thành những tam giác châu Trong một số trường hợp đặc biệt, do điều kiện địa hình địa chất và khí hậu mà sông có thể không có đầy đủ các phân đoạn như trên Ví dụ ở vùng sa mạc khô nóng hay khi chảy qua các vùng núi đá vôi có nhiều hang động ngầm, sông sẽ bị mất nước và không thể chảy ra đến biển, khi đó sông không có cửa, còn gọi là sông cụt

2.3.2 Các đặc trưng chính của dòng sông

2.3.2.1 Mặt bằng dòng sông

a Hiện tượng uốn khúc của dòng sông

Trên mặt bằng, các đoạn sông ở vùng đồng bằng có dạng uốn khúc theo hình sin Nguyên nhân của hiện tượng này là do quy luật vận động của dòng nước và ảnh hưởng của lực quán tính Coriolit, được giải thích như sau:

Bê xãi

B·i båi

d/c Fk

Hình 2.7 Hiện tượng quanh co uốn khúc của dòng sông

Giả sử hình dạng ban đầu của dòng sông là thẳng, nước chảy xuôi theo hướng thẳng

của lòng sông Sau đó do ảnh hưởng của các vật cản trong dòng chảy, sự thay đổi độ

nhám lòng sông và ảnh hưởng của lực quán tính Coriolit nên dòng nước bị xiên lệch vào

một bên bờ gây xói bờ này, làm bờ bị lõm vào

Sản phẩm xói lở bị dòng nước cuốn đi rồi lắng đọng bồi vào một chỗ khác ở hạ lưu

làm cho phần bờ hạ lưu này bị lồi ra Mặt khác, dòng nước chảy tới chỗ bờ lõm này gặp

sức cản của bờ chảy xiên sang bờ bên kia và lại gây ra xói lở Quá trình cứ thế tiếp diễn

gây ra hiện tượng quanh co uốn khúc của dòng sông

Sự quanh co uốn khúc phát triển theo thời gian, hình thành các vực sâu và bãi bồi kế

tiếp nhau trên sông

b Hệ số uốn khúc của dòng sông ( Φ )

Để biểu diễn mức độ quanh co uốn khúc của dòng sông nhiều hay ít dùng hệ số uốn

khúc của dòng sông là :

l

L

=

Trong đó:

L – chiều dài thực của con sông;

l – chiều dài đoạn thẳng nối từ nguồn sông đến cửa sông

Sông càng uốn khúc thì Φ càng lớn, thông thường Φ = 1.25÷ 2.5

c Sự phân bố độ sâu trên lòng sông

Sự phân bố độ sâu trên lòng sông có liên quan chặt chẽ đến hình dạng quanh co trên

mặt bằng của dòng sông Do tác dụng xói mòn của dòng nước nên trên sông sẽ hình

thành các vực sâu ở bờ lõm và bãi bồi ở bờ lồi Xét ở 1 phía bờ thì vực sâu và bãi bồi

thường kế tiếp nhau Xét trên cả 2 phía bờ sông thì vực sâu và bãi bồi thường đối diện

nhau Đoạn giữa bãi bồi và vực sâu là đoạn lòng sông thẳng Đoạn quá độ giữa 2 bãi bồi

là gềnh cạn Đường nối liền những điểm sâu nhất trên lòng sông (theo mặt cắt ngang) gọi

là lạch hàng vận Khi lạch hàng vận là đường cong trơn đủ sâu thì có lợi cho giao thông

vận tải thuỷ Nếu nó là đường khúc khuỷu gồ ghề thì trở ngại cho giao thông vận tải

Bê lâm (L¹ch s©u)

L¹ch hµng vËn 1

1

M/c

ng n

2

2

Bê låi (b·i båi)

Hình 2.8 Phân bố độ sâu trên lòng sông

2.3.2.2 Mặt cắt dọc dòng sông

a Khái niệm

Mặt cắt dọc dòng sông là mặt cắt đáy sông dọc theo lạch hàng vận

Muốn xác định mặt cắt dọc đáy sông, cần đo cao trình của các điểm dọc theo lạch hàng vận, khoảng cách giữa các điểm đo phụ thuộc vào tỷ lệ đo vẽ và được quy định trong các quy phạm đo đạc khảo sát Ngoài ra cần đo tại các vị trí đặc biệt như: nơi chiều sâu tăng giảm một cách đột ngột; nơi có ghềnh cạn, thác, bãi, đảo nổi; nơi chiều rộng lòng sông thay đổi một cách rõ rệt; nơi có hiện tượng nước dâng; nơi có con sông khác chảy vào; nơi có sự thay đổi địa danh dọc sông

Lấy chiều dài sông làm hoành độ và cao trình của các điểm tương ứng làm tung độ,

nối các điểm trên hệ toạ độ vuông góc, được biểu đồ mặt cắt dọc sông, còn gọi là trắc

dọc sông

Cao tr×nh

Cù ly km

Lai Ch©u

22 30 70 50

122

Hình 2.9 Trắc dọc sông

b Độ dốc dọc

Mặt nước cũng như đáy sông không nằm ngang tuyệt đối mà luôn có độ dốc Độ dốc theo chiều dòng chảy gọi là độ dốc dọc, có 2 dạng độ dốc dọc là độ dốc dọc đáy sông

và độ dốc dọc mặt nước

L

1

1

2

Hình 2.10 Độ dốc đáy sông và độ dốc mặt nước

Độ dốc đáy sông xác định bằng công thức:

L

z

Id ∆

Độ dốc mực nước xác định bằng công thức:

L

H

Im = ∆

(2.11) Trong đó:

∆z - độ chênh cao trình đáy giữa 2 mặt cắt 1-1 và 2-2;

∆H - độ chênh mực nước giữa 2 mặt cắt;

L - chiều dài đoạn sông giữa 2 mặt cắt

Độ dốc mặt nước của dòng sông không phải là cố định mà luôn luôn biến hoá tuỳ

theo MN ở lòng sông Độ dốc dọc thường được biểu diễn bằng tỷ số (‰) hoặc m/km

Mặt cắt dọc sông cho biết tình hình phân bố độ dốc lòng sông và chênh lệch mực

nước giữa các vị trí trên sông Mặt cắt dọc là căn cứ chủ yếu để nghiên cứu đặc tính của

dòng nước và dự tính năng lượng tiềm tàng của sông

2.3.2.3 Mặt cắt ngang lòng sông

a Khái niệm

Mặt cắt ngang sông tại một vị trí trên sông là mặt cắt vuông góc với hướng dòng

chảy tại vị trí đó

Mặt cắt ngang dòng sông biến hoá theo tình hình mực nước trong sông Lúc mực

nước thấp dòng nước chỉ chảy qua vùng thấp nhất của đáy sông và phần đó gọi là lòng

sông Mùa lũ nước dâng lên phần lớn thung lũng 2 bên và gọi là bãi sông

MNK MNL

3

1

Hình 2.11 Mặt cắt ngang lòng sông