Giáo trình Thủy Văn - ThS. Vũ Hoàng Điệp (Chủ biên)

Giáo trình Thủy Văn - ThS. Vũ Hoàng Điệp (Chủ biên) gồm phần mở đầu và 8 chương được biên soạn từ các giáo trình chuyên ngành, chọn lọc các nội dung lý thuyết và tính toán thủy văn cơ bản ứng dụng trong công tác quy hoạch đô thị và thiết kế công trình dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên các chuyên ngành Cấp thoát nước và Kỹ thuật hạ tầng đô thị theo đề cương chi tiết được phê duyệt trong chương trình đào tạo. Mời các bạn cùng tham khảo!

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KHOA KỸ THUẬT HẠ TẦNG & MÔI TRƯỜNG ĐÔ THỊ

BỘ MÔN CHUẨN BỊ KỸ THUẬT KHU ĐẤT XÂY DỰNG

ThS Vũ Hoàng Điệp (Chủ biên) ThS Đinh Thị Thu Hoài, ThS Nguyễn Hữu Phú

THỦY VĂN

Hà Nội, 2017

LỜI NÓI ĐẦU Môn học Thủy văn được giảng dạy tại trường Đại học Kiến trúc Hà Nội với vai trò là môn học cơ sở cho các ngành đào tạo của Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường Đô thị nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về sự hình thành dòng chảy sông ngòi, lưu vực, quá trình hình thành dòng chảy sông ngòi; các phương pháp đo đạc và thu thập tài liệu thuỷ văn; các phương pháp tính toán các đặc trưng thuỷ văn thiết kế, điều tiết dòng chảy phục vụ công tác quy hoạch và thiết kế hệ thống công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị Việc dạy và học môn học này từ trước đến nay chủ yếu sử dụng giáo trình của chuyên ngành Thủy lợi, chưa

có tài liệu giảng dạy được biên soạn riêng phù hợp với đặc thù chuyên ngành đào tạo của Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường

hạ tầng đô thị theo đề cương chi tiết được phê duyệt trong chương trình đào tạo, đồng thời là tài liệu tham khảo cho sinh viên các chuyên ngành khác của khoa Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường Đô thị - Trường đại học Kiến trúc Hà Nội

Trong quá trình biên soạn, tác giả đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp thiết thực của các nhà khoa học, các chuyên gia, các đồng nghiệp ở Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Trường Đại học Thủy lợi và Hội Quy hoạch phát triển đô thị Việt Nam Lần đầu biên soạn và xuất bản, tài liệu này không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc

Tác giả

MỞ ĐẦU

1 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG MÔN HỌC

Thủy văn học là một ngành trong hệ thống các khoa học về trái đất; khoa học nghiên cứu quy luật tồn tại và vận động của nước trong tự nhiên Hầu như mọi quá trình tự nhiên trên trái đất cùng với hoạt động mọi mặt của con người luôn luôn gắn liền và chịu sự chi phối, tác động của nước Thủy văn học nghiên cứu những quy luật chung về sự tồn tại và vận động của nước trong những không gian lớn trên trái đất và trong những khoảng thời gian khá dài

Thủy văn học có hai bộ phận lớn đó là thủy văn học đất liền (gọi tắt là thủy văn) và thủy văn học hải dương (gọi tắt là hải văn) Thủy văn học đất liền lại có thể chia ra làm thủy văn sông ngòi, thủy văn ao hồ đầm lầy, thủy văn nước ngầm, thủy văn băng hà Ngoài ra theo mục tiêu nghiệp vụ còn có thể chia thành các ngành: tính toán thủy văn, đo đạc thủy văn, dự báo thủy văn

Kết quả nghiên cứu của thủy văn học phục vụ cho rất nhiều ngành của nền kinh

tế, xã hội và quốc phòng Thủy văn học đáp ứng nhu cầu của các ngành xây dựng, giao thông, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, du lịch Trong xây dựng cơ bản, hầu hết các chuyên ngành đều sử dụng kiến thức thủy văn học, ví dụ như xây dựng công trình thủy lợi, công trình cảng – đường thủy, công trình biển, công trình kỹ thuật cơ sở hạ tầng

Thủy văn công trình là tập hợp các kiến thức cơ bản nhất của thủy văn học, để phục vụ cho các quá trình thiết kế, thi công và vận hành các công trình xây dựng Môn học thủy văn dành cho ngành kỹ thuật cơ sở hạ tầng có nhiệm vụ đánh giá nguồn nước, tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế, tính toán cân bằng nước trong hệ thống Môn học không đi sâu nghiên cứu những quy luật của quá trình dòng chảy mà chủ yếu nghiên cứu các phương pháp tính toán đặc trưng của thủy văn, tính toán cân bằng nước khi lập các quy hoạch và thiết kế hệ thống nguồn nước Các đặc trưng thủy văn cần xác định làm cơ sở quy hoạch và thiết kế công trình gọi là các đặc trưng thủy văn thiết kế Nhiệm vụ và yêu cầu tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế tùy thuộc nhiệm vụ quy hoạch và thiết kế công trình cụ thể

Với vai trò là môn học cơ sở ngành, nhiệm vụ của môn học Thủy văn trình bày trong tài liệu này gồm những nội dung cơ bản sau đây:

- Cung cấp những kiến thức cơ bản về sự hình thành dòng chảy sông ngòi, lưu vực, quá trình hình thành dòng chảy sông ngòi

- Các phương pháp đo đạc và thu thập tài liệu thủy văn

- Cung cấp các phương pháp tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế phục vụ công tác quy hoạch, thiết kế và thi công hệ thống công trình thủy lợi, giao thông, cấp thoát nước và các công trình khác có liên quan

- Phương pháp tính toán cân bằng nước trong hệ thống

Riêng với lĩnh vực Thuỷ văn đô thị, một bộ phận của thuỷ văn học chuyên nghiên cứu những quy luật vận động của nước trên các lưu vực đô thị sẽ được tách riêng và trình bày chuyên sâu với vai trò là môn học chuyên ngành

2 ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƯỢNG THỦY VĂN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đặc điểm của hiện tượng thủy văn

Hiện tượng thủy văn xảy ra muôn hình muôn vẻ nhưng tựu trung nó mang những đặc điểm cơ bản sau đây:

a Hiện tượng thủy văn có nguyên nhân hình thành vật lý rõ rệt

Ví dụ dòng chảy của một con sông được hình thành là kết quả tất yếu dưới tác dụng của các nhân tố vật lý được thể hiện qua mưa, bốc hơi, thấm, rừng cây, ruộng lúa, lòng sông, sự canh tác của con người Các nhân tố vật lý này khá nhiều và tác động của chúng đến dòng chảy là rất phức tạp và luôn luôn thay đổi Chính điều này làm cho hiện tượng thủy văn trở nên rất đa dạng, muôn hình muôn vẻ

b Hiện tượng thủy văn mang tính chất địa lý rõ rệt

Ví dụ cũng là hiện tượng lũ nhưng lũ ở các vùng miền khác nhau thì tính chất cũng rất khác nhau

c Hiện tượng thủy văn mang tính chất ngẫu nhiên

Như ở trên đã nói hiện tượng thủy văn rất đa dạng, muôn hình muôn vẻ nên giá trị định lượng của các đại lượng thủy văn mang tính ngẫu nhiên, không lặp đi lặp lại Ví dụ dòng chảy lớn nhất tại một trạm thủy văn không bao giờ lặp lại như

cũ

2.2 Phương pháp nghiên cứu của thủy văn học

Từ những đặc điểm trên đây của hiện tượng thủy văn, người ta đã xây dựng nên ba phương pháp để nghiên cứu thủy văn như sau:

a Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành

Một hiện tượng thủy văn bao giờ cũng được phân tích như là kết quả tác động của một nhóm các nhân tố vật lý Các nhân tố này được phân chia thành các thành nhân tố chính và các nhân tố phụ Kết quả của việc phân tích nguyên nhân hình thành cho phép thiết lập mối quan hệ giữa đại lượng thủy văn cần nghiên cứu với các nhân tố ảnh hưởng đến nó Mối quan hệ này có thể được biểu thị dưới dạng các công thức hoặc các phương trình toán học

b Phương pháp phân tích tính chất địa lý của hiện tượng thủy văn

Theo hướng này có thể chia làm ba phương pháp cụ thể như sau:

 Phương pháp tương tự địa lý – thủy văn

Giả sử có hai trạm thủy văn (trạm đang xét và trạm tham khảo) có điều kiện địa lý tự nhiên và khí hậu tương tự giống nhau, chúng ta cho rằng chúng sẽ có quy luật thủy văn tương tự như nhau Từ đó dựa vào số liệu thủy văn của trạm tham khảo

đã có ta có thể suy ra số liệu thủy văn của trạm đang xét chưa có hoặc không đủ số liệu

 Phương pháp nội suy địa lý

Phương pháp này coi đặc trưng thủy văn với tính cách là đặc trưng địa lý nên

có thể phân khu, phân vùng thủy văn hoặc xây dựng các bản đồ đẳng trị của các đại lượng thủy văn

 Phương pháp tham số địa lý tổng hợp

Phương pháp này coi đại lượng thủy văn là hàm của nhiều yếu tố địa lý Các yếu tố chính được xét chi tiết riêng biệt, còn các yếu tố địa lý thứ yếu được tập hợp lại thành các tham số tổng hợp

c Phương pháp phân tích số liệu thống kê của hiện tượng thủy văn

Giá trị của một đặc trưng thủy văn xuất hiện như một đại lượng ngẫu nhiên vì

nó có tính không lặp lại Áp dụng lý thuyết xác suất thống kê để tìm quy luật thống

kê của hiện tượng thủy văn Phương pháp này được sử dụng nhiều trong thủy văn

để tính toán các giá trị xuất hiện của đại lượng thủy văn thích ứng với những độ tin cậy, những khả năng xuất hiện khác nhau

3 VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KHOA HỌC THỦY VĂN

3.1 Sơ lược về sự phát triển của khoa học thủy văn trên thế giới

Loài người từ thời cổ đại ở các châu lục đã biết sử dụng các quy luật thủy văn

để đấu tranh với thiên nhiên và phục vụ cho đời sống của mình, những di tích của các công trình dẫn nước và phòng chống lụt ở Ấn Độ, Trung Quốc, Hy Lạp, Ai Cập để lại từ nhiều thế kỷ trước công nguyên đã ghi nhận những kiến thức thủy văn lâu đời của các dân tộc trên thế giới Cùng với sự tiến bộ của xã hội loài người, kiến thức thủy văn học ngày càng được tích lũy và đánh dấu những bước đường phát triển của mình

Khoảng 100 năm trước công nguyên ở La Mã đã có những công trình của Marcus Vitruvius về lý thuyết tuần hoàn và cân bằng nước Sau đó, lý thuyết này đã được hoàn chỉnh ở Ý và Pháp trong những thế kỷ XV và XVI Đến những thế kỷ từ XVII đến XIX, các công trình thủy lợi và giao thông được xây dựng nhiều đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của khoa học thủy văn Các công trình khoa học quan trọng của thủy văn được lần lượt công bố ở các nước phát triển như Mỹ, Pháp, Ý, Nga Ở Nga, AJ Vaiaykopxki xác định được quan hệ giữa dòng chảy với các nhân

tố ảnh hưởng Ở Pháp, Belgrand công bố quan hệ mưa và dòng chảy trên lưu vực sông Seine, còn ở Mỹ, Humphreys và Abbot thiết lập được sự diễn biến lưu lượng của sông Mississipi phụ thuộc vào các nhân tố ảnh hưởng Đầu thế kỷ XX, hàng loạt các công trình thủy văn được áp dụng rộng rãi trong thực tế Các công thức kinh nghiệm và các bản đồ đẳng trị dòng chảy đã trở thành những công cụ đắc lực trong tính toán thủy văn Từ năm 1930 đến 1960 ở Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản và các nước châu Âu đã xây dựng hoàn chỉnh hệ thống cơ sở lý luận cho tính toán thủy văn và

đề xuất các phương án hợp lý, chặt chẽ xác định các đặc trưng dòng chảy Những thập kỷ từ 70 đến 90 vừa qua sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin đã mở

ra một trang mới cho việc nghiên cứu và áp dụng thủy văn vào thực tiễn của các ngành kinh tế quốc dân và quốc phòng Vấn đề bảo vệ môi trường cũng đã trở thành mục tiêu rộng lớn và phức tạp của khoa học thủy văn

Trong lĩnh vực thủy văn đô thị, một loạt các mô hình toán thuỷ văn, thuỷ lực

ra đời được giải trên máy tính đã cho phép kỹ thuật tính toán tiêu thoát nước đô thị chuyển sang một giai đoạn mới - giai đoạn mô hình toán - giải quyết vấn đề về số lượng và chất lượng nước thải đô thị Các mô hình có khả năng mô phỏng được những phương án quy hoạch, thiết kế và quản lý tối ưu các hệ thống tiêu thoát nước của các đô thị Để mô phỏng quá trình hình thành và tiêu thoát nước trên các lưu vực đô thị đến nay trong lĩnh vực thuỷ văn đô thị đã xuất hiện một số mô hình toán như:

- RRL - Road Research Laboratory của Phòng thí nghiệm cầu đường Anh,

- ILLUDAS - Illinois Urban Drainage Area Simulator của Đại học Quốc gia Illinois Hoa Kỳ,

- SWMM- Storm Water Management Model của Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US EPA)

Trong số đó mô hình SWMM được coi là mô hình phổ dụng nhất hiện nay 3.2 Một số nét về sự phát triển của khoa học thủy văn Việt Nam

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới, nóng ẩm và mưa nhiều Sông ngòi nước ta phân bố dày đặc lại chịu ảnh hưởng của các loại hình thời tiết khắc nghiệt Chính vì vậy chế độ thủy văn nước ta rất phong phú và phức tạp Từ xa xưa ông cha

ta đã nắm vững các quy luật thủy văn để phục vụ cho đời sống dựng nước và giữ nước của mình Từ đầu công nguyên, người Việt Nam đã biết lợi dụng thủy triều để dẫn nước ngọt làm lúa và lấy nước mặn làm muối, quan sát mức nước lũ lớn để xây dựng hệ thống đê sông Hồng Giữa thế kỷ thứ X, Ngô Quyền đã lợi dụng thủy triều

để tiêu diệt quân xâm lược Nam Hán trên sông Bạch Đằng

Cuối thế kỷ XIX, đầu thế kỷ XX với chương trình khai thác thuộc địa, thực dân Pháp đã cho xây dựng các công trình giao thông và thủy lợi ở nước ta Một số bài toán thủy văn đã được giải quyết phục vụ cho việc thiết kế xây dựng các công trình ấy Công tác thủy văn ở nước ta chỉ thực sự được bắt đầu phát triển sau kháng chiến chống Pháp (1954) Hàng loạt các vấn đề quan trọng đã được giải quyết trong quy hoạch sử dụng tài nguyên nước của hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình và các sông lớn miền Trung Các công trình nghiên cứu thủy văn đã được áp dụng phục vụ

cho công cuộc kiến thiết đất nước Sau ngày thống nhất đất nước (1975); công tác thủy văn được mở rộng phạm vi hoạt động và đẩy mạnh hơn nữa nhằm đáp ứng nhu cầu ngày to lớn của sự nghiệp xây dựng và bảo vệ đất nước Hiện nay với mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành thủy văn đang có thêm cơ hội vươn lên mạnh mẽ để hòa nhập với tiến trình chung của khoa học kỹ thuật thế giới, đồng thời phục vụ kịp thời nhịp độ phát triển kinh tế xã hội của nước ta

Những năm gần đây, việc ứng dụng các mô hình toán thuỷ văn - thuỷ lực vào

mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy đánh giá những tác động, ảnh hưởng và những thay đổi xảy ra trên lưu vực ngày càng trở lên phổ biến Đặc biệt là trong lĩnh vực thủy văn đô thị việc sử dụng các mô hình toán đã hỗ trợ đắc lực giúp cho công tác quy hoạch hệ thống thoát nước mưa chống ngập úng đô thị Tuy nhiên trong tính toán và kiểm chứng mô hình còn gặp nhiều khó khăn vì các tài liệu quan trắc khí tượng thuỷ văn còn thiếu, đặc biệt là dòng chảy thực đo trên hệ thống tiêu thoát Đây cũng là yêu cầu từ thực tế đòi hỏi đối với việc phát triển thủy văn đô thị tại Việt Nam

CHƯƠNG 1 SÔNG NGÒI VÀ SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI

1.1 HỆ THỐNG SÔNG NGÒI – LƯU VỰC

1.1.1 Hệ thống sông ngòi

a Khái niệm

Nước mưa rơi xuống đất, một phần bị tổn thất do bốc hơi, đọng vào các chỗ trũng và ngấm xuống đất, một phần dưới tác dụng của trọng lực chảy dọc theo sườn dốc tập trung tạo thành các lạch nước rồi sau đó tạo thành các khe suối hợp lưu với nhau tạo thành mạng lưới sông ngòi Như vậy có thể hiểu sông là dòng nước tự nhiên chảy theo chỗ trũng của địa hình, có lòng dẫn ổn định, có nguồn cung cấp nước mặt

và nước ngầm

Các sông trực tiếp đổ ra biển hoặc vào các hồ trong nội địa gọi là sông chính Các sông đổ vào sông chính gọi là sông nhánh cấp I, các sông đổ vào sông nhánh cấp I gọi là sông nhánh cấp II, cứ như thế mà suy ra các sông nhánh cấp tiếp theo Sông chính cùng với các sông nhánh của nó hợp thành hệ thống sông ngòi hay còn gọi là lưới sông Tên của hệ thống sông thường lấy theo tên của sông chính, chẳng hạn như hệ thống sông Hồng gồm sông Hồng và các nhánh sông Đà, sông Thao, sông Lô – Gâm hợp thành; hệ thống sông Thái Bình gồm sông Thái Bình, sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam; hệ thống sông Đồng Nai gồm sông Đa Nhim, sông Bé, sông La Ngà, sông Sài Gòn, sông Đạ Huoai và sông Vàm Cỏ Tập hợp của toàn bộ sông, hồ, đầm lầy trong một khu vực nhất định gọi là

hệ thống địa lý thủy văn của khu vực ấy

b Hình dạng phân bố của sông ngòi

Sự phân bố của các sông nhánh dọc theo sông chính ảnh hưởng quyết định sự hình thành dòng chảy trên hệ thống sông Có thể phân ra các loại: sông nhánh phân

bố theo hình nan quạt, trong đó các cửa sông nhánh lớn ở gần nhau (hình 1.1a), sông dạng hình lông chim trong đó các sông nhánh phân bố tương đối đều đặn dọc theo sông chính (hình 1.1b), sông nhánh phân bố theo hình cành cây (hình 1.1c), sông nhánh phân bố song song (hình 1.1d), Nói chung, các sông lớn thường có sự phân

bố các sông nhánh dạng hỗn hợp giữa hai hoặc ba hình thức trên Chẳng hạn như hệ

thống sông Hồng có sự phân bố sông nhánh dạng song song, nhưng trên các sông nhánh lại có kiểu phân bố dạng cành cây hoặc lông chim

Hình 1.1: Các dạng phân bố của sông nhánh

a – Dạng nan quạt, b – Dạng lông chim, c – Dạng cành cây, d – Dạng song song

c Phân đoạn sông

Dựa vào điều kiện địa lý và diễn biến của sông thiên nhiên có thể chia sông thành các đoạn có tính chất khác nhau là: nguồn sông, thượng lưu, trung lưu, hạ lưu

và cửa sông

Nguồn sông là nơi bắt nguồn của dòng chảy Thông thường nguồn sông xuất hiện nơi núi cao, rừng rậm có nhiều khe suối nhỏ có nước chảy quanh năm, có khi dòng sông bắt nguồn từ mạch nước ngầm lớn hay hồ lớn

Thượng lưu là đoạn đầu của sông trực tiếp nối với nguồn sông Đặc điểm của đoạn này là rất dốc, vận tốc dòng chảy lớn, lòng sông hẹp và bị xói lở mạnh theo chiều sâu, có nhiều ghềnh thác

Trung lưu là đoạn tiếp sau thượng lưu Độ dốc ở đoạn này đã giảm nhiều không còn ghềnh thác lớn; xói lở phát triển mạnh ở hai bên bờ làm lòng sông rộng

ra, nước chảy yếu đi và sông trở nên quanh co uốn khúc

Hạ lưu là đoạn cuối của dòng sông, lòng sông ở đây phát triển rộng ra hai bên

bờ, độ dốc đáy nhỏ Đoạn này tình hình bồi lắng mạnh tạo nên các bãi ven sông hoặc bãi giữa

Cửa sông là nơi sông đổ ra biển, hồ hoặc chỗ nhập lưu vào con sông khác

1.1.2 Lưu vực sông

a Lưu vực sông và tuyến khống chế

Lưu vực của một con sông (gọi tắt là lưu vực sông) là phần mặt đất mà nước trên đó sẽ chảy ra sông (kể cả nước mặt và nước ngầm) Nói cách khác, lưu vực sông

là khu vực tập trung nước của một con sông (hình 1.2)

Hình 1.2: Lưu vực của sông Nước trên lưu vực chảy theo hệ thống sông suối tập trung vào lòng chính, mặt cắt sông tại đó nước trên lưu vực chảy qua nó gọi là tuyến khống chế, còn gọi là mặt cắt cửa ra của lưu vực Tại mặt cắt cửa ra, nếu tiến hành đo đạc các yếu tố thủy văn

sẽ thu được quá trình dòng chảy và lượng dòng chảy của lưu vực sông

b Đường phân nước của lưu vực sông

Đường phân nước của lưu vực sông là đường nối các điểm cao nhất xung quanh lưu vực và ngăn cách nó với các lưu vực khác ở bên cạnh, nước ở hai phía của đường này sẽ chảy về các lưu vực sông khác nhau

Muốn xác định đường phân nước mặt phải căn cứ vào bản đồ địa hình có vẽ các đường đồng mức cao độ

Có hai loại đường phân nước: đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm Đường phân nước mặt là đường nối các điểm địa hình cao nhất trên mặt đất xung quanh lưu vực, nước mưa rơi xuống hai phía của nó sẽ chảy tràn theo sườn dốc tập trung vào hai lưu vực khác nhau (đường nét đứt trên hình 1.2)

Đường phân nước ngầm là đường phân chia sự tập trung nước ngầm giữa các lưu vực Thường thì đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm của một lưu vực không trùng nhau (hình 1.3)

Hình 1.3: Đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm của lưu vực sông Lưu vực có đường phân chia nước mặt trùng với đường phân chia nước ngầm được gọi là lưu vực kín, khi đó không có nước mặt và nước ngầm từ lưu vực khác chảy đến

Lưu vực có đường phân chia nước mặt và đường phân chia nước ngầm không trùng nhau được gọi là lưu vực hở, khi đó có lượng dòng chảy ngầm từ lưu vực khác chảy vào hoặc ngược lại

Trong thực tế việc xác định đường phân nước ngầm rất khó khăn, bởi vậy thường lấy đường phân nước mặt làm đường phân nước của lưu vực sông và gọi là đường phân lưu

c Các đặc trưng hình học của lưu vực sông

 Diện tích lưu vực

Diện tích khu vực được khống chế bởi đường phân lưu và mặt cắt khống chế gọi là diện tích lưu vực sông, thường ký hiệu là F và đơn vị dùng là km Sau khi định được đường phân lưu, diện tích lưu vực xác định được bằng các phương pháp

đo

 Chiều dài sông và chiều dài lưu vực

Chiều dài sông (thường ký hiệu là L ) là chiều dài đường nước chảy trên dòng chính tính từ nguồn đến mặt cắt cửa ra của lưu vực

Chiều dài lưu vực L : là chiều dài đường gấp khúc nối từ cửa ra qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực (vuông góc với trục sông chính) cho đến điểm xa nhất của lưu vực Đơn vị đo chiều dài sông L và chiều dài lưu vực L thường tính bằng km (hình 1.4)

Hình 1.4: Chiều dài lưu vực

 Chiều rộng bình quân của lưu vực

Chiều rộng bình quân của lưu vực B (km) được tính bằng tỷ số giữa diện tích lưu vực (km2) và chiều dài lưu vực (km)

LV

FB=

 Độ cao bình quân lưu vực

Độ cao bình quân của lưu vực H (m) có thể tính theo công thức:

n n i-1 i i-1 i

i

TB n

i i=1

Ở đây: H - Cao độ của đường đồng mức thứ i (m);

f - Diện tích bộ phận của lưu vực nằm giữa hai đường đồng mức liên tiếp thứ i và i-1 (km2)

F - Diện tích toàn bộ lưu vực (km2)

n - Số mảnh diện tích bộ phận giữa các đường đồng mức của lưu vực

 Độ dốc lòng sông và độ dốc bình quân của lưu vực

- Độ dốc trung bình của sông tính theo lòng sông chính có thể dùng công thức sau:

Hình 1.5: Mặt cắt dọc sông

- Độ dốc bình quân lưu vực cơ thể tính theo công thức:

n i-1 i

i i=1

i i=1

l + l

Δh 2

f = F



Trong đó: Δh – chênh lệch caođộ giữa hai đường đồng mức cao độ; i

li – là chiều dài của đường đồng mức thứ i trong phạm vi lưu vực

Hình 1.6: Mặt cắt ngang của sông

- Mặt cắt dọc sông là mặt cắt qua trục lòng sông (đường nối các điểm thấp nhất của các mặt cắt ngang sông) Muốn xác định mặt cắt dọc của một con sông Ta đo cao trình các điểm sâu nhất của lòng sông tại những nơi địa hình thay đổi rõ rệt Sau

đó lấy chiều dài sông làm hoành độ và cao trình của các điểm tương ứng làm tung

độ rồi nối các điểm đó trên hệ tọa độ vuông góc ta được biểu đồ mặt cắt dọc sông như ở hình 1.5

Biểu đồ mặt cắt dọc cho biết sự thay đổi độ dốc lòng sông từ đầu sông đến cửa sông của một con sông Mặt cắt dọc sông là căn cứ chủ yếu để nghiên cứu đặc tính của dòng nước và ước tính năng lượng tiềm tàng của sông

L

K = L

Trong đó: LP- chiều dài đường phân nước (km);

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

Trong đó: P – chu vi đường phân nước của lưu vực (km),

F – Diện tích của lưu vực (km )

- Hệ số uốn khúc của dòng sông KU được tính theo công thức:

S U N

L

K =

Trong đó: LS - Chiều dài sông chính (km),

LN - Khoảng cách từ nguồn đến cửa ra của lưu vực theo đường thẳng (km)

- Hệ số không đối xứng của lưu vực KP có thể được tính theo công thức:

Trong đó: FT, FP – Phần diện tích phía trái và phía phải của sông chính (km ),

F – Diện tích của lưu vực (km )

1.2 CÁC NHÂN TỐ KHÍ HẬU, KHÍ TƯỢNG

Chế độ thủy văn của một vùng phụ thuộc chủ yếu vào khí hậu, sau đó là địa hình, địa chất, thổ nhưỡng và lớp phủ thực vật Các nhân tố khí hậu ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy là mưa và bốc hơi Mưa là nguyên nhân sinh dòng chảy, bốc hơi làm giảm lượng dòng chảy Nhưng mưa và bốc hơi lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khí tượng khác như nhiệt độ, bức xạ, độ ẩm, áp suất không khí, gió, v.v

1.2.1 Nhiệt độ mặt đệm và nhiệt độ không khí

Hầu hết các quá trình thời tiết như mây, mưa, gió, bão, cũng như các yếu tố khí tượng khác thay đổi đều trực tiếp hoặc gián tiếp có liên quan đến những thay đổi của nhiệt độ mà trước tiên là nhiệt độ của mặt đệm (mặt đất và mặt nước)

a Nhiệt độ mặt đất

Do bức xạ mặt trời nên ban ngày nhiệt độ mặt đất tăng lên, ban đêm nó tỏa nhiệt nên nhiệt độ lại hạ xuống Biên độ thay đổi nhiệt độ của mặt đất tương đối lớn Nhiệt độ cao nhất trong ngày xảy ra lúc 13h÷14h, thấp nhất xuất hiện trước lúc mặt trời mọc khoảng 1÷2 giờ

Đất dẫn nhiệt kém nên sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất với tầng đất ở phía dưới mặt đất rất ít, dưới mặt đất 4m thay đổi nhiệt độ ít hơn trên mặt đất, ở độ sâu 15÷20m thì nhiệt độ hầu như không đổi Song dưới sâu hơn nữa thì nhiệt độ lại tăng theo chiều sâu do ảnh hưởng của nguồn nội nhiệt trong lòng quả đất

c Nhiệt độ không khí

Nhiệt độ không khí trên mặt đất theo quy định là nhiệt độ đo trong bóng râm, tại vị trí không khí lưu thông dễ dàng, không có gió và ở độ cao 2m trên mặt đất Không khí nóng lên hay lạnh đi không phải dưới ảnh hưởng trực tiếp của bức

xạ mặt trời mà chủ yếu là nguồn nhiệt ở mặt đất, cho nên sự thay đổi của nhiệt độ không khí theo thời gian cũng có tính chu kỳ như nhiệt độ mặt đất, song biên độ thay đổi nhỏ hơn và thời gian xảy ra điểm cực đại và cực tiêu cũng chậm hơn, càng lên cao sự sai kém nói trên càng lớn Ở Việt Nam, phần lớn các nơi đều có nhiệt độ trung bình năm trên 20 C, biên độ thay đổi của nhiệt độ không khí trong ngày từ 4÷8 C và trong năm khoảng 15÷20 C

Nhiệt độ không khí còn thay đổi theo độ cao, ở tầng cao đối lưu của khí quyển càng lên cao nhiệt độ hạ thấp đi, song độ giảm đó thường không cố định, biến đổi theo mùa và theo vùng

1.2.2 Áp suất không khí (khí áp)

Không khí có trọng lượng và không ngừng chuyển động, do đó nó gây ra áp suất tác dụng lên mặt đất và các vật trên mặt đất Theo quy ước, áp suất không khí

là trọng lượng của một cột không khí thẳng đứng có tiết diện là một đơn vị diện tích

và độ cao tính từ mực quan trắc tới giới hạn trên của khí quyển

Áp suất không khí được đo bằng atmotphe (at), milibar (mb) hoặc minimet cột thủy ngân (mmHg)

1at = 1.000mb = 760 mmHg

Càng lên cao áp suất không khí càng giảm Áp suất không khí luôn thay đổi theo không gian Nơi nhiệt độ cao, mật độ không khí giảm có áp suất nhỏ Ngược lại, nơi nào có nhiệt độ thấp áp suất không khí lớn Tại một địa phương nào đó áp suất khí quyển cũng thay đổi theo thời tiết nóng lạnh

Áp suất hơi nước (kí hiệu e) là áp lực do hơi nước trong không khí gây ra tác dụng lên một đơn vị diện tích Áp suất hơi nước là một phần của áp suất không khí nên cũng dùng đơn vị là mmHg hay mb

Ở một nhiệt độ t nào đó, áp suất hơi nước trong không khí có một giới hạn tối đa E tương ứng với trạng thái bão hòa hơi nước trong không khí, vượt quá giới hạn này hơi nước sẽ chuyển sang thể lỏng Người ta gọi E là áp suất hơi nước bão hòa của không khí ở nhiệt độ t

Bảng 1.1: Độ ẩm tương đối R (%) bình quân tháng tại vị trí quan trắc

c Độ thiếu hụt bão hòa

Độ thiếu hụt bão hòa (d) được tính bằng công thức d = E-e, đơn vị cũng dùng

là mmHg hoặc mb Độ thiếu hụt bão hòa cũng là một đại lượng biểu thị mức độ bão hòa hơi nước trong không khí Độ thiếu hụt bão hòa lớn thì độ ẩm tương đối nhỏ và ngược lại Trong ngày độ ẩm tuyệt đối lớn nhất xuất hiện vào lúc hoàng hôn khoảng 15h÷16h, nhỏ nhất vào lúc bình minh Độ ẩm tương đối biến thiên ngược lại

1.2.4 Gió

Gió là sự chuyển động của không khí theo chiều nằm ngang Gió là nhân tố ảnh hưởng nhiều nhất tới mưa và bốc hơi Gió vận chuyển hơi nước từ nơi này đến nơi khác làm tăng khả năng bốc hơi và làm thay đổi đổ ẩm không khí, gây các nhiễu động và là nguyên nhân của mưa Hai đặc trưng quan trọng của gió là tốc độ gió và hướng gió

Tốc độ gió tính theo đơn vị m/s và được chia ra làm 12 cấp Tốc độ gió được

đo bằng các thiết bị đo như cột đo gió (còn được dùng để đo hướng gió), máy đo gió kiểu cốc quay v.v

Hướng gió phân ra làm 16 hướng chính, kí hiệu bằng các chữ cái đầu tên phương hướng: B (Bắc), N (Nam), Đ (Đông), T (Tây), ĐB (Đông Bắc), ĐN (Đông Nam), ĐĐB (Đông Đông Bắc)

Khi thiết kế quy hoạch xây dựng công trình, người ta quan tâm đến hướng gió thịnh hành và tốc độ gió lớn nhất của hướng gió thịnh hành đó Hướng thịnh hành của gió trong một khoảng thời gian đó là hướng mà tổng số ngày gió của hướng gió

đó lớn hơn so với những hướng còn lại

Bảng 1.2: Hướng gió thịnh hành và tốc độ gió trung bình trong các tháng tại Hà Nội Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm Hướng

gió ĐB ĐB ĐN ĐN ĐN ĐN ĐN ĐN TB TB BĐB B Tốc độ

gió (m/s) 2,8 2,9 2,8 3,0 3,0 2,6 2,3 2,3 2,4 2,2 2,4 2,4 2,6

Việt Nam nằm trong khu vực gió mùa có hai hướng gió thịnh hành là gió Đông Nam và gió Đông Bắc Thời kỳ mùa xuân và mùa hạ gió hướng Đông Nam (ĐN) là chính còn thời kỳ mùa Đông gió hướng Đông Bắc là chính, thời kỳ mùa thu không

1.2 thống kê hướng gió thịnh hành và tốc độ gió trung bình các tháng trong năm tại

1.2.6 Mưa

a Khái niệm về mưa

Mưa là hiện tượng nước ở thể lỏng hoặc thể rắn từ các tầng khí quyển rơi xuống

bề mặt đất Mưa chính là hiện tượng không khí ẩm vì một nguyên nhân nào đó mà lạnh đi xuống dưới điểm sương (Điểm sương là nhiệt độ lúc hơi nước trong không khí đạt tới trạng thái bão hòa) và nhờ các hạt bụi trong không khí tạo điều kiện cho

phần hơi nước quá bão hòa mau chóng ngưng kết lại thành các hạt, các hạt đó không ngừng lớn dần lên đến khi trọng lượng của nó thắng được lực ma sát của tầng khí quyển và tốc độ các luồng không khí đi lên mà rơi xuống thành mưa Mưa được hình thành từng đợt, mỗi đợt được coi là một trận mưa

Nguyên nhân làm khối không khí lạnh đi xuống dưới điểm sương có thể là:

1 Do khối không khí ẩm và nóng đi qua mặt đệm lạnh;

b Phân loại mưa

Theo tính chất của mưa người ta phân thành 3 loại sau: mưa rào, mưa dầm, mưa phùn

Căn cứ vào nguyên nhân làm khối không khí thăng lên cao ta có thể chia làm

4 loại: mưa đối lưu, mưa địa hình, mưa front và mưa bão

Mưa đối lưu:

Loại mưa này ở nước ta thường xảy ra vào mùa hè Trong mùa này mặt đất bị nung nóng bởi bức xạ mặt trời làm cho nước bốc hơi nhanh Hơi nước nhanh chóng đạt tới mức bão hòa trong không khí Nhiệt độ tăng lên làm cho khối không khí nóng

ẩm này trở nên không ổn định và bốc lên cao Đồng thời không khí chuyển động từ trên xuống chiếm chỗ tạo thành luồng đối lưu Khối không khí nóng ẩm bốc lên cao lạnh đi vì nhiệt động lực bị giảm, tạo nên mưa gọi là mưa đối lưu Mưa loại này có cường độ mưa lớn, diện mưa không rộng, thời gian không dài lắm, kèm theo sấm sét (hình 1.7a)

Mưa địa hình:

Khối không khí ẩm trên đường di chuyển gặp núi cao bò trượt lên và giảm nhiệt động lực tạo thành mưa, gọi là mưa địa hình Mưa loại này thường có lượng nước lớn Mưa địa hình xảy ra ở sườn núi đón gió, còn sườn bên kia rất ít khi có mưa Mưa sườn Tây Trường Sơn, ở biên giới Việt Lào là ví dụ điển hình (hình 1.7b)

ngột Vùng chuyển tiếp này được thường biểu diễn bằng một mặt ngăn cách gọi là mặt front

Nếu luồng không khí nóng di chuyển nhanh gặp sự cản trở của không khí lạnh,

nó sẽ trượt lên không khí gây ra hiện tượng lạnh đi vì động lực, tạo thành mưa frong nóng Loại này có cường độ mưa nhỏ, thời gian mưa dài, diện mưa rộng (hình 1.7c) Nếu luồng không khí lạnh khô chủ động đi tới với vận tốc nhanh sẽ đẩy khối không khí nóng nhẹ bốc lên cao rồi giảm nhiệt động lực tạo nên mưa, gọi là mưa front lạnh (hình 1.7d) Loại mưa này có cường độ mưa lớn, thời gian mưa ngắn

Mưa bão:

Khi bão di chuyển với gió xoáy rất mạnh, hất không khí ẩm lên cao sẽ lạnh đi gây mưa lớn gọi là mưa bão (e) Bão đổ bộ vào đất liền kèm theo mưa rất lớn, kéo dài nhiều ngày gây ra lũ lụt (hình 1.7e)

c Lượng mưa và cường độ mưa

 Lượng mưa

Lượng mưa là lớp nước mưa rơi trong một thời đoạn nào đó, đơn vị là mm Lượng mưa quan trắc được trong một trận mưa gọi là lượng mưa trận, trong một ngày đêm gọi là lượng mưa ngày, nếu thời đoạn tính toán là một tháng, một năm ta

có tương ứng lượng mưa tháng và lượng mưa năm Thí dụ, lượng mưa một năm nào

đó tại một trạm quan trắc là 1500mm, có nghĩa là tại vị trí đó lượng mưa rơi xuống trong năm xếp được thành một lớp dày 1500mm

 Cường độ mưa

Cường độ mưa: lượng nước mưa rơi xuống trong 1 đơn vị thời gian trên 1 đơn

vị diện tích, đơn vị tính thường dùng là mm/phút hoặc mm/h

Lượng mưa và cường độ mưa được đo đạc tại các trạm khí tượng, thủy văn

Để đo lượng mưa và cường độ mưa người ta thường dùng thùng đo mưa (hình 1.8)

để đọc trực tiếp lượng mưa trong một thời đoạn nào đó hoặc máy đo mưa tự ghi để ghi lại quá trình lượng mưa theo thời gian

Hiện nay, ở các trạm khí tượng người

ta đã đo mưa bằng các thiết bị đo mưa tự

động, liên kết với máy tính để lưu số liệu đo

cường độ mưa và lượng mưa trong các tập

số liệu

Hình 1.8: Thùng đo mưa

d Mưa rào và các chỉ tiêu mưa rào

Mưa rào là loại mưa có cường độ lớn tập trung trong thời gian ngắn có diện tích mưa không rộng Mưa rào – mưa dầm thường có thời gian mưa dài, cường độ mưa tương đối lớn, diện tích mưa cũng khá rộng và có thể tồn tại những khoảng thời gian trong đó cường độ mưa rất lớn, hay gây ra lũ nguy hiểm

Đặc điểm của mưa rào là cường độ thay đổi liên tục theo thời gian Trong một trận mưa rào, giai đoạn đầu cường độ mưa không lớn, lượng mưa chủ yếu làm ướt mặt đất và cây cối mà không sinh dòng chảy Giai đoạn cuối của trận mưa rào, cường

độ mưa cũng không lớn, chỉ làm kéo dài thời gian rút nước lũ mà không tham gia vào việc tạo nên đỉnh lũ Thời gian có cường độ mưa lớn so với toàn trận không dài song có tác dụng quyết định trong việc hình thành con lũ, lượng mưa trong thời gian này thường chiếm 80÷90% lượng mưa cả trận

Năm 1905 Becger là người đề xuất tiêu chuẩn mưa rào, ông lấy lượng mưa thời đoạn làm chỉ tiêu đánh giá (bảng 1.3) Ở Việt Nam, năm 1960 Nha khí tượng cũng đã đưa ra tiêu chuẩn mưa rào, có dạng tương tự như Becger (bảng 1.4) Khi lượng mưa tương ứng với các thời đoạn vượt quá các giá trị lượng mưa ghi trong bảng 1.3, bảng 1.4 được coi là mưa rào

Bảng 1.3: Tiêu chuẩn mưa rào của Becger

Khi phân tích chế độ nhiều năm của mưa, cần khảo sát sự thay đổi của lượng mưa theo thời gian trong nhiều năm (Xt ~ t), trong đó Xt là lượng mưa của một năm tại năm thứ t; phân tích tính chu kỳ của sự thay đổi mưa trong thời kỳ nhiều năm: nhóm năm mưa nhiều liên tục, nhóm năm ít mưa liên tục cùng với các đặc trưng cực trị là lượng mưa năm lớn nhất Xmax, lượng mưa năm nhỏ nhất Xmin, lượng mưa năm bình quân nhiều năm X0 có thể tính theo công thức:

Trong đó: Xi là lượng mưa năm của năm thứ i, n là số năm tính toán

Khi nghiên cứu đặc điểm chế độ mưa trong một năm cần phân chia thời gian trong năm ra mùa mưa (các tháng mưa nhiều) và mùa khô (các tháng mưa ít), sự

chênh lệch lượng mưa giữa hai mùa Ngoài ra cần phân tích sự phân phối mưa theo thời gian trong một năm với thời đoạn tính toán ngày hoặc tháng Quá trình thay đổi lượng mưa các thời đoạn theo thời gian trong một năm gọi là phân phối mưa trong năm Bảng 1.5 biểu thị phân phối mưa năm dưới dạng thời đoạn tháng tại một trạm quan trắc

Bảng 1.5: Phân phối mưa trong năm tại một vị trí quan trắc

Lượng mưa

(mm) 56,2 40,6 41,7 53,9 112,5 88,5 77,1 165,2 436,6 675,1 345,8 124,4 2218

Phân tích chế độ mưa thời đoạn ngắn thực chất là phân tích đặc điểm của đường quá trình mưa trong một trận mưa và tìm ra những dạng đặc trưng của quá trình mưa Đối với bài toán tiêu ứng hoặc khi tính lũ cho lưu vực lớn thường chọn thời đoạn bằng một ngày và phân tích quá trình thay đổi lượng mưa theo thời gian với thời đoạn ngày (bảng 1.6) Khi tính cho các lưu vực nhỏ, thường quá trình mưa được nghiên cứu với thời đoạn ngắn hơn, thời đoạn tính toán có thể bằng 1 giờ hoặc nhỏ hơn

Bảng 1.6: Quá trình lượng mưa ngày của một trận mưa 5 ngày tại một trạm quan trắc Thời gian (ngày) Thứ tự ngày trong 5 ngày mưa Tổng cộng

Lượng mưa (mm) 120,0 70,0 101,0 50,0 20,0 361,0

được gọi là mô hình mưa của một trận mưa, nó đặc trưng cho dạng mưa và tính chất mưa của một trận mưa Mô hình phân phối mưa của các trận mưa khác nhau thường khác nhau Một trận mưa có thể có một đỉnh hoặc nhiều đỉnh Phân tích chế độ mưa thời đoạn ngắn đặc biệt quan trọng trong tính toán lũ và tính toán tiêu úng

 Nhân tố ảnh hưởng đến chế độ mưa

Chế độ mưa bị chi phối bởi chế độ khí hậu và đặc điểm mặt đệm Trong các yếu tố khí hậu ảnh hưởng đến mưa thì chế độ gió đóng vai trò quan trọng nhất Ở các tính phía Bắc nước ta về mùa đông gió mùa Đông Bắc mang không khí lạnh và khô từ lục địa phía Bắc xuống, lượng mưa do đó rất ít và cường độ mưa nhỏ Mùa

hạ các khí nóng ẩm ngự trị, thêm vào đó là các hình thế thời tiết gây mưa như bão, front, dải hội tụ nhiệt đới thường gây mưa lớn Gió mùa Đông Bắc từ biển vào lại gây mưa lớn ở các tỉnh miền Trung nước ta

Trong các yếu tố mặt đệm thì điều kiện địa hình có ảnh hưởng trội nhất đối với mưa Ở những vùng núi thì các thung lũng và khu vực khuất gió có lượng mưa nhỏ hơn so với vùng núi cao có sườn đón gió gây mưa Độ cao của núi cũng ảnh hưởng đến chế độ mưa cũng như lượng mưa Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy khi độ cao tăng thì lượng mưa cũng tăng, tuy nhiên đến một mức nào đó có thể lượng mưa giảm xuống hoặc ít giảm Do ảnh hưởng của địa hình trong một vùng có điều kiện khí hậu tương đối đồng nhất có thể tồn tại những vùng mưa lớn thường gọi là tâm mưa Ở nước ta có những trung tâm mưa lớn: Đông Triều, Bắc Quang, Hoàng Liên Sơn, Tam Đảo, Bà Nà, Trà Mi Lượng mưa năm bình quân nhiều năm tại các trung tâm mưa này rất lớn, có thể đạt trên 3000 mm thậm chí đạt trên 5000 mm (Bà Nà) Song, ngược lại, có vùng mưa rất nhỏ: vùng Mường Xén ở thung lũng thượng nguồn sông

Cả, khu vực tỉnh Ninh Thuận Lượng mưa năm bình quân nhiều năm tại khu vực này chỉ đạt trên dưới 1000 mm, đặc biệt khu vực tỉnh Ninh Thuận chỉ đạt khoảng

800 mm

f Phương pháp tính lượng mưa bình quân lưu vực

Tài liệu đo được ở trạm đo mưa chỉ cho ta biết được lượng mưa ở một điểm Trên những lưu vực nhỏ, trạm quan trắc đặt tại địa điểm thích hợp có thể coi lượng mưa trạm đo này đại biểu cho lượng mưa bình quân toàn lưu vực Ở lưu vực tương đối lớn thì lượng mưa đo được ở các trạm thường khác nhau, lúc đó muốn tính lượng mưa bình quân toàn lưu vực có thể dựa vào tài liệu quan trắc mưa của các trạm đo mưa trên lưu vực (kể cả các trạm đo nằm sát lưu vực nghiên cứu) Sau đây là một

số phương pháp thường dùng để tính lượng mưa bình quân toàn lưu vực

 Phương pháp bình quân số học

Theo phương pháp này, lượng mưa bình quân trên lưu vực được tính theo công thức:

n i i=1

1

Trong đó: Xi là lượng mưa của trạm thứ i, n là số trạm đo mưa tính toán

Phương pháp này thích hợp đối với những lưu vực có nhiều trạm đo mưa và được bố trí ở những vị trí đặc trưng Nếu các trạm đo mưa phân bố tương đối đều trên toàn lưu vực thì kết quả tính theo công thức này khá chính xác

 Phương pháp đa giác Thiessen

Cơ sở của phương pháp này là coi lượng mưa đo được ở một trị ví nào đó trên lưu vực chỉ đại diện cho lượng mưa của một khu vực nhất định quanh nó Diện tích của khu vực đó được khống chế bởi các đường trung trực của các đoạn thẳng nối liền các trạm với nhau

Cách làm cụ thể như sau: Nối các trạm đo mưa trên bản đồ thành những tam giác sao cho các cạnh của các tam giác đó không cắt nhau Sau đó vẽ đường trung trực của các tam giác đó, các đường này tạo thành những đa giác (hình 1.9) Lượng mưa của trạm đo nằm trong mỗi đa giác là lượng mưa bình quân của phần diện tích thuộc đa giác đó Khi đó lượng mưa bình quân toàn lưu vực 𝑋 được tính theo công thức:

n

i i i=1 n i i=1

Trong đó: X là lượng mưa của trạm đo thứ i, đại diện cho lượng mưa bình quân của

đa giác có diện tích f ;

F là diện tích của toàn bộ lưu vực;

X tính bằng mm,

f và F tính bằng km ;

n là số trạm đo mưa

Hình 1.9: Sơ đồ tính mưa bình quân lưu vực theo phương pháp đa giác Thiessen

với 4 điểm đo mưa 1, 2, 3, 4

Ví dụ: Hình 1.9 cần tính giá trị bình quân lượng mưa ngày lớn nhất của một lưu vực sông có diện tích lưu vực F = 1.000 km Trên lưu vực có 4 trạm mưa, mỗi trạm mưa khống chế một mảnh diện tích tương ứng là f = 150 km ; f = 320 km ;f =

280 km ; f = 250 km Lượng mưa đại diện cho 4 mảnh diện tích tương ứng là X

= 250 mm; X = 280 mm; X = 360 mm; X = 380 mm Theo công thức (1-13) tính được giá trị bình quân lượng mưa ngày lớn nhất (bảng 1.7)

Bảng 1.7: Tính lượng mưa bình quân trên lưu vực theo đa giác Thiessen

TT 𝐱𝐢 𝐟𝐢 𝐱𝐢𝐟𝐢 Lượng mưa ngày lớn nhất bình quân

 Phương pháp đường đẳng trị

Hình 1.10: Sơ đồ đường đẳng trị mưa Đường đẳng trị mưa là đường cong nối liền các điểm trên bản đồ có lượng mưa bằng nhau Các đường đẳng trị mưa được vẽ trên một vùng lãnh thổ rộng lớn trên

cơ sở các tài liệu đo mưa trên toàn lãnh thổ, trong đó có chứa lưu vực nghiên cứu (hình 1.10) Lượng mưa bình quân lưu vực X được tính theo công thức sau:

i i=1 n i i=1

Ví dụ: Hình 1.10 cần tính giá trị bình quân lượng mưa năm của một lưu vực sông có diện tích lưu vực F = 1850 km Lưu vực được chia thành 6 mảnh có diện tích tương ứng là f = 250 km ; f = 450 km ; f = 400 km ; f = 200 km ;f = 300

km ;f = 250 km Các mảnh diện tích được giới hạn bởi 7 đường đẳng trị mưa có

giá trị tương ứng là X = 2200 mm;X = 2300 mm; X = 2400 mm; X = 2500 mm; X = 2600 mm;X = 2700 mm; X = 2800 mm

Theo công thức (1-14) tính được giá trị bình quân lượng mưa năm (bảng 1.8) Bảng 1.8: Tính lượng mưa bình quân trên lưu vực theo đường đẳng trị mưa

TT X i (mm) f i (km 2 ) x + xi i+1

2

i i+1

x + xf2

1.2.7 Bốc hơi

a Khái niệm về bốc hơi

Bốc hơi là hiện tượng bốc thoát hơi nước từ mặt nước, mặt đất hoặc từ lá cây Đại lượng biểu thị bốc hơi thường dùng là lượng bốc hơi, được tính bằng bề dày lớp nước bị bốc hơi trong thời đoạn nào đó, đơn vị là mm Thời đoạn tính toán bốc hơi

có thể là một ngày, tháng, năm, tương ứng ta có lượng bốc hơi ngày, lượng bốc hơi tháng, lượng bốc hơi năm Quy luật về sự thay đổi của lượng bốc hơi theo thời gian được gọi là chế độ bốc hơi Phân tích chế độ bốc hơi ngày, tháng, năm hoặc trong nhiều năm cũng tương tự như phân tích chế độ mưa

b Các loại bốc hơi

Hiện tượng bốc hơi thường xảy ra ở những nơi có nước như biển, sông, hồ ao, đồng ruộng ở các tầng đất ẩm ướt và ở mặt ngoài các thực vật bao phủ quanh quả đất Vì vậy, bốc hơi có thể chia làm 3 loại: bốc hơi mặt nước, bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá cây

Bảng 1.9 minh họa sự thay đổi bốc hơi trong năm tại trạm Láng (Hà Nội) Theo bảng này vào các tháng từ II đến IV có độ ẩm không khí thường cao song nhiệt độ không khí chưa cao nên lượng bốc hơi hàng tháng nhỏ Từ tháng V đến VIII có nhiệt

độ không khí cao, độ ẩm không khí giảm xuống nên bốc hơi có giá trị lớn Từ tháng

IX trở đi nhiệt độ không khí giảm, mặc dù độ ẩm không khí tiếp tục giảm nhưng bốc hơi giảm xuống, tuy nhiên vẫn còn lớn hơn thời kỳ đầu năm

Bảng 1.9: Bốc hơi mặt nước hàng tháng tại trạm Láng (Hà Nội)

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm Bốc hơi

(mm) 65 54 52 72 111 105 113 102 88 98 82 66 1008

 Bốc hơi mặt đất

Bốc hơi mặt đất là bốc hơi trực tiếp từ mặt đất Hiện tượng bốc hơi mặt đất diễn ra phức tạp hơn nhiều so với bốc hơi mặt nước Ngoài các yếu tố khí tượng (nhiệt độ, độ thiếu hụt bão hòa, gió) các yếu tố khác như: tính chất vật lý của đất, trạng thái mặt đất, địa hình cũng đều ảnh hưởng tới quá trình bốc hơi mặt đất Đất bụi, đất chắc có mao quản nhỏ bốc hơi lớn hơn đất tơi hay đất cục có mao quản to Vùng có mực nước ngầm cao, mặt đất ẩm ướt làm tăng tốc độ bốc hơi mặt đất, ngược

lại lớp phủ thực vật làm giảm sự bốc hơi mặt đất Bốc hơi trên bề mặt gồ ghề sẽ lớn hơn Địa hình núi cao có sự trao đổi đối lưu mạnh, tốc độ bốc hơi lớn hơn ở thung lũng và đồng bằng

 Bốc hơi qua lá cây

Thực vật trong quá trình sinh trưởng hút nước từ dưới đất lên, một phần tham gia vào việc tạo thành các tế bào thực vật, một phần sẽ bốc hơi qua mặt lá cây, nên còn gọi là thoát hơi thực vật Các nhân tố chính ảnh hưởng đến bốc hơi lá cây là nhiệt độ, ánh sáng, loài thực vật và độ ẩm của đất Nhiệt độ là yếu tố chủ yếu tác động đến bốc hơi qua lá, nhiệt độ tăng lên 10 C thì tốc độ bốc hơi sẽ tăng lên 1 lần Quá trình bốc hơi từ mặt đất và bốc thoát hơi nước từ thảm thực vật được gọi gộp chung là quá trình bốc hơi mặt đất Lượng bốc thoát hơi được đo đạc bởi thùng

đo bốc hơi mặt đất Đây là một loại thùng chứa đất nguyên khối, trên đó có cả lớp phủ thực vật giống như môi trường đất tại vị trí cần quan trắc Lượng bốc thoát hơi

từ thùng đất này được xác định thông qua tính toán cân bằng nước của tất cả lượng

ẩm đi vào và đi ra mẫu đất đang xét Lượng mưa rơi trên thùng bốc hơi, lượng nước thoát đi qua đáy và lượng biến đổi độ ẩm của đất bên trong thùng đều được đo đạc Lượng bốc thoát hơi chính là lượng nước cần thiết để hoàn chỉnh cho cân bằng nước này

 Bốc hơi lưu vực

Lượng bốc hơi trên lưu vực là lượng bốc hơi tổng hợp trên bề mặt lưu vực bao gồm lượng bốc hơi từ ao hồ, đầm lầy, bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá cây Trong thực tế, không thể đo được lượng bốc hơi lưu vực mà chỉ có thể tính được thông qua phương trình cân bằng nước

Nghiên cứu quá trình bốc hơi không những có ý nghĩa quan trọng đối với việc tìm hiểu sự cân bằng nước mà còn có ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong tính toán điều tiết hồ chứa, quy hoạch khu tưới và các vấn đề khác liên quan đến khai thác tài nguyên nước

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ MẶT ĐỆM VÀ CÁC HOẠT ĐỘNG NHÂN TẠO ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI

1.3.1 Ảnh hưởng của yếu tố mặt đệm

Các đặc tính của lưu vực sông bao gồm đặc điểm địa hình, lớp phủ thực vật, điều kiện địa chất, thổ nhưỡng, độ dốc lưu vực, ao hồ đầm lầy ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành dòng chảy sông ngòi gọi chung là các yếu tố mặt đệm

Đặc điểm địa hình của lưu vực gián tiếp ảnh hưởng đến các yếu tố khí tượng như lượng mưa, hướng và tốc độ gió, nhiệt độ không khí và do đó sẽ ảnh hưởng đến lượng dòng chảy và chế độ dòng chảy trên lưu vực Ngoài ra điều kiện địa hình (độ dốc sườn dốc, độ dốc lòng sông) sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ tập trung dòng chảy trong sông và ảnh hưởng đến quá trình xói mòn đất trên lưu vực

Lớp phủ thực vật là yếu tố đặc biệt quan trọng ảnh hưởng đến sự tạo thành dòng chảy Một lưu vực có độ che phủ của rừng lớn có tác dụng làm giảm tốc độ tập trung dòng chảy, tăng lượng nước ngấm xuống đất làm tăng lượng nước ngầm và làm giảm quá trình xói mòn đất trên bề mặt lưu vực Một lưu vực có lớp phủ thực vật nghèo nàn sẽ có tác dụng ngược lại và là nguyên nhân gây ra hiện tượng lũ quét, trượt lở đất trên bề mặt lưu vực Loại thực vật và cấu trúc lớp phủ thực vật cũng có ảnh hưởng đến chế độ hình thành dòng chảy trên lưu vực

Đặc tính thổ nhưỡng và điều kiện địa chất quyết định lượng nước ngầm xuống đất và lượng nước trữ trong lưu vực và loại đất cũng ảnh hưởng rõ rệt đến lượng dòng chảy Những vùng núi đá vôi thường có nhiều khe nứt, có khả năng tăng đáng

kể các dòng chảy ngầm và giảm dòng chảy mặt, ngoài ra do có nhiều hang động ngầm nên khả năng mất nước của lưu vực này và tăng lượng dòng chảy cho lưu vực khác thường xảy ra Đặc tính thổ nhưỡng của lưu vực còn ảnh hưởng đến khả năng xói mòn đất và lượng dòng chảy bùn cát trong sông Đối với các lưu vực có hiện tượng xói mòn mạnh sẽ làm tăng lượng bùn cát cho hệ thống sông

Hồ ao và đầm lầy ảnh hưởng đến khả năng điều tiết nước của lưu vực Khi mưa rơi xuống, một lượng nước lớn được tích lại trong các hồ ao và làm giảm lượng nước mặt và bổ sung dòng chảy cho sông ngòi sau khi kết thúc mưa

1.3.2 Ảnh hưởng của các hoạt động nhân tạo

Sự ảnh hưởng của các hoạt động dân sinh kinh tế đến dòng chảy sông ngòi được thể hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau, có thể tác động tích cực nhưng cũng có những tác dụng tiêu cực đến dòng chảy sông ngòi

Hiện tượng phá rừng đầu nguồn, sử dụng đất không hợp lý có thể gây ra hiện tượng lũ quét, tăng lượng xói mòn và giảm dòng chảy về mùa kiệt Đây là các tác động xấu đến chế độ dòng chảy sông ngòi

Việc xây dựng các hồ chứa lớn ở đầu nguồn có thể làm thay đổi căn bản chế

độ dòng chảy vùng hạ du, có thể gây những tác động tích cực hoặc tiêu cực đến môi trường, sinh thái và các hoạt động dân sinh kinh tế vùng hạ du

Các hoạt động dân sinh kinh tế ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước gây hậu quả rất lớn đến môi trường sinh thái và ở một mức độ nào đó có tác động xấu đến quá trình phát triển kinh tế của một quốc gia

1.4.1 Sơ lược về sự hình thành dòng chảy sông ngòi

a Khái niệm về dòng chảy sông ngòi

Thuật ngữ “dòng chảy” trong thủy văn được dùng để chỉ khả năng cung cấp nước của một lưu vực sông nào đó trong một khoảng thời gian nhất định Do vậy, dòng chảy sông ngòi được coi là lượng nước chảy trong lòng sông trong thời đoạn nào đó Nước mưa rơi xuống lưu vực, một phần chảy trên mặt đất (dòng chảy mặt), một phần ngấm xuống đất rồi tập trung thành mạch nước ngầm (dòng chảy ngầm) chảy vào sông, sau đó chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực gọi là dòng chảy sông ngòi Theo nguồn gốc của dòng chảy, người ta chia ra dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm Dòng chảy mặt hình thành trên bề mặt lưu vực sinh ra do mưa hoặc tuyết tan

và tập trung về tuyến cửa ra Dòng chảy ngầm do nước dưới đất cung cấp Dòng chảy mặt chỉ hình thành trong thời gian có mưa, còn dòng chảy ngầm hình thành cả trong thời kỳ có mưa và suốt thời kỳ không mưa Khái niệm về dòng chảy thường gắn liền với khoảng thời gian tính toán lượng dòng chảy như dòng chảy năm, dòng chảy lũ (mùa lũ, trận lũ, ), dòng chảy kiệt (mùa kiệt, tháng kiệt, ngày kiệt ),v.v

b Sự hình thành dòng chảy sông ngòi

Dòng chảy sông ngòi ở nước ta đều do mưa trên lưu vực tạo thành Khi mưa rơi xuống bề mặt lưu vực một phần tạo thành dòng chảy mặt, phần còn lại ngấm xuống đất tạo thành dòng chảy ngầm Một phần đáng kể dòng chảy ngầm là nguồn cung cấp nước cho hệ thống sông trong thời gian không có mưa Các quá trình sinh dòng chảy trên lưu vực do mưa có thể mô tả khái quát trên hình 1.11

Hình 1.11: Quá trình thay đổi cường độ mưa, tổn thất thấm ban đầu và tổn thất

thấm trong quá trình sản sinh dòng chảy của một trận mưa

Dưới đây trình bày một số khái niệm liên quan đến sự hình thành dòng chảy sông ngòi:

 Tổn thất ban đầu

Xảy ra ở giai đoạn đầu của một trận mưa Mưa rơi xuống bề mặt lưu vực trong giai đoạn này chưa thể sản sinh dòng chảy Lượng mưa bị tổn thất hoàn toàn do điền vào những chỗ trũng trên lưu vực, bị giữ lại trên lá cây và thấm xuống đất Cường

độ mưa trong giai đoạn này nhỏ hơn cường độ thấm tiềm năng của đất

 Quá trình tổn thất do bốc hơi

Hiện tượng bốc hơi xảy ra trong suốt thời gian hình thành dòng chảy bao gồm: bốc hơi qua lá và bốc hơi của lượng nước bị giữ lại trên lá cây; bốc hơi mặt nước; bốc hơi từ mặt đất

 Quá trình tổn thất do thấm

Tổn thất thấm xảy ra trong suốt thời gian mưa và cả sau khi mưa khi trên sườn dốc vẫn còn dòng chảy mặt Đường cong thấm biểu thị khả năng thấm trên bề mặt lưu vực và phụ thuộc vào loại đất và độ ẩm của đất Khi độ ẩm đất đạt trạng thái bão hòa thì cường độ thấm đạt giá trị ổn định gọi là cường độ thấm ổn định

 Quá trình chảy tràn trên sườn dốc

Hiện tượng chảy tràn trên sườn dốc chỉ bắt đầu khi đã xuất hiện lượng mưa vượt thấm (cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm) Nước mưa chảy thành từng lớp trên bề mặt của lưu vực gọi là chảy tràn trên sườn dốc Thời điểm bắt đầu xuất hiện hiện tượng chảy tràn trên sườn dốc không đồng đều Những chỗ mặt đất ít ngấm nước (như mặt đường, núi đá,…) và những nơi mặt đất dốc nhiều thì chảy tràn xuất hiện sớm hơn, sau đó cường độ mưa mỗi lúc một tăng, phạm vi chảy tràn không ngừng phát triền và mở rộng đến toàn bộ diện tích có mưa trên lưu vực

Trong quá trình chảy tràn, nước không ngừng bị tổn thất vì ngấm và bốc hơi, nhưng đồng thời mưa vẫn tiếp tục, bổ sung cho lớp nước chảy tràn Lớp nước chảy tràn dày hay mỏng, tốc độ chảy tràn mạnh hay yếu, hiện tượng chảy tràn duy trì lâu hay chóng chủ yếu do tương quan so sánh giữa cường độ mưa và cường độ thấm quyết định Nếu cường độ mưa lớn hơn rất nhiều so với cường độ thấm thì độ sâu lớp nước chảy tràn càng lớn Ngược lại khi cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm,

độ sâu lớp nước chảy tràn giảm dần, lúc này nếu không có nước ở nơi khác đến bổ sung, thì hiện tượng chảy tràn chấm dứt

 Sự hình thành dòng chảy ngầm

Nước mưa thấm xuống đất được phân chia ra thành các thành phần như sau:

- Một phần bị giữ lại ở tầng đất mặt rồi dần bốc hơi qua đất hoặc qua thực vật

- Một phần tạo thành dòng sát mặt và chảy vào hệ thống sông ngay trong thời gian đang có mưa và lũ Dòng chảy sát mặt sau khi xuất lộ tập trung nhanh vào hệ thống sông và tham gia vào sự hình thành lũ

- Một phần nước ngấm sâu xuống tầng đất bão hòa nước làm cho mực nước ngầm dâng lên Nước ngầm qua một thời gian khá dài dần dần thấm ngang qua các lớp đất chuyển động đến sông hình thành dòng chảy ngầm Đây là thành phần chủ

yếu của dòng chảy bổ sung cho hệ thống sông trong thời gian mùa kiệt Sơ đồ hình thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm xem hình 1.12

Những sông lớn thường có đáy thấp hơn nhiều so với mực nước ngầm nên nước ngầm thường xuyên cung cấp nước cho sông Bởi vậy, sau khi tạnh mưa rất lâu trong sông vẫn có lượng dòng chảy khá lớn, đặc biệt trong mùa khô, nước ngầm

là nguồn bổ sung chủ yếu cho dòng chảy trong sông Những sông suối nhỏ, lòng sông nông, đáy sông thường cao hơn mực nước ngầm nên không được nước ngầm

bổ sung thường xuyên Sau khi mưa tạnh một thời gian, nước sông cạn đi rất nhanh

và nếu gặp nắng hạn thì sông hết nước

Hình 1.12: Sơ đồ sự hình thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm

Hướng chảy tràn trên sườn dốc (hình 1.12) thường trùng với hướng độ dốc mặt đất lớn nhất Tốc độ chảy tràn lớn hay nhỏ tùy thuộc vào sự thay đổi của độ sâu lớp nước chảy tràn, vào độ dốc mặt đất và độ nhám của mặt dốc

c Quá trình tập trung dòng chảy trong sông

Nước chảy tràn trên sườn dốc rồi đổ vào các khe suối nhỏ, sau đó lại tiếp tục chảy trong lòng sông đến cửa ra của lưu vực Giai đoạn chảy trong sông gọi là quá trình tập trung dòng chảy trong sông Nói chung đoạn đường tập trung dòng chảy trong sông lớn hơn chiều dài chảy tràn trên sườn dốc rất nhiều, nó có thể dài tới hàng chục, hàng trăm, hàng nghìn cây số Quá trình tập trung dòng chảy trong sông bắt đầu từ lúc nước trên sườn dốc tập trung trong các khe lạch nhập vào trong sông cho tới lúc lượng nước cuối cùng dồn vào sông chảy hết qua mặt cắt cửa ra lưu vực

Về bản chất, quá trình tập trung dòng chảy trong sông là một quá trình thủy lực rất phức tạp, nó có liên quan mật thiết với dạng hình học (như hình dạng mặt cắt ngang của sông và sự thay đổi của nó dọc theo chiều dài sông, độ uốn khúc của sông ) và cường độ thấm của lòng sông Các quá trình mưa, thấm, chảy tràn trên sườn dốc và tập trung nước trong sông có thể diễn ra đồng thời, không phải quá trình này kết thúc thì quá trình kia mới xuất hiện Có thể trên cùng một lưu vực, một quá trình nào đó có nơi phát sinh sớm, có nơi phát sinh muộn, có nơi không hình thành

1.4.2 Các đại lượng biểu thị dòng chảy sông ngòi

sông trong một đơn vị thời gian

Lưu lượng nước tại một thời điểm t bất kỳ gọi là lưu lượng tức thời Q(t) Quá trình thay đổi lưu lượng nước theo thời gian tại một tuyến mặt cắt nào đó gọi là quá trình lưu lượng nước, ký hiệu Q~t Đồ thị của quá trình lưu lượng nước được gọi là đường quá trình lưu lượng nước (hình 1.13)

Hình 1.13: Đường quá trình lưu lượng của một trận lũ Lưu lượng nước bình quân Q trong khoảng thời gian T là giá trị trung bình của lưu lượng nước trong khoảng thời gian đó, được tính theo công thức sau đây:

T 0

Q =

n