GIÁO TRÌNH THỦY VĂN CÔNG TRÌNH

 Giảm nhẹ ô nhiễm, sử dụng nước cho các nhu cầu giải trí, bảo vệ nguồn cá và độngvật hoang dãNhiệm vụ của môn học Thủy văn công trình là: - Cung cấp những kiến thức cơ bản về sự hình th

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA XÂY DỰNG THỦY LỢI – THỦY ĐIỆN

GIÁO TRÌNH THỦY VĂN CÔNG TRÌNH

ThS NGUYỄN BẢN

KS PHẠM THÀNH HƯNG

Đà Nẵng, 2010

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 6

1.1 Tài nguyên nước và vấn đề khai thác tài nguyên nước 6

1.2 Nhiệm vụ và nội dung của môn học thủy văn công trình 8

1.3 Đặc điểm của hiện tượng thủy văn và phương pháp nghiên cứu 9

1.4 Vài nét về lịch sử phát triển của thủy văn học 11

CHƯƠNG II: SÔNG NGÒI VÀ SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI 14

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực 14

2.2 Các nhân tố KH-KT ảnh hưởng đến sự hình thành dòng chảy trong sông 20

2.3 Ảnh hưởng của yếu tố mặt đệm đến sự hình thành dòng chảy sông ngòi 27

2.4 Ảnh hưởng hoạt động dân sinh kinh tế đến chế độ dòng chảy sông ngòi 28

2.5 Dòng chảy sông ngòi 28

BÀI TẬP CHƯƠNG 2 38

CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT XÁC SUẤT THỐNG KÊ ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN THỦY VĂN 39

3.1 Một số kiến thức cơ bản về lý thuyết xác suất 39

3.2 Đại lượng ngẫu nhiên và luật phân bố xác suất của đại lượng ngẫu nhiên 41

3.3 Thống kê toán học ứng dụng trong tính toán thuỷ văn 45

3.4 Ứng dụng phương pháp thống kê toán học trong tính toán thuỷ văn 48

3.5 Phân tích tương quan 67

BÀI TẬP CHƯƠNG 3 78

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY NĂM THIẾT KẾ 79

4.1 Khái niệm chung 79

4.2 Tính toán các đặc trưng dòng chảy năm thiết kế 87

4.3 Phân phối dòng chảy năm thiết kế 98

BÀI TẬP CHƯƠNG 4 104

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LŨ THIẾT KẾ 107

5.1 Khái niệm chung 107

5.2 Công thức căn nguyên dòng chảy và sự hình thành đỉnh lũ 116

5.3 Tính toán cường độ mưa và lượng mưa thiết kế 120

5.4 Tính toán dòng chảy lũ thiết kế 124

5.5 Xác định dòng chảy lũ thiết kế khi không có tài liệu thực đo 232

BÀI TẬP CHƯƠNG 5 232

CHƯƠNG VI: TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY KIỆT THIẾT KẾ 234

6.1 Khái niệm dòng chảy kiệt 234

6.2 Nhân tố ảnh hưởng dòng chảy kiệt 234

6.3 Phương pháp xác định lưu lượng kiệt thiết kế 235

BÀI TẬP CHƯƠNG 6 240

CHƯƠNG VII : TÍNH TOÁN THỦY VĂN VÙNG SÔNG ẢNH HƯỞNG THỦY TRIỀU 241

7.1 Một số kiến thức về thuỷ triều 241

7.2 Chế độ thuỷ văn vùng sông ảnh hưởng triều 249

7.4 Tính toán các đặc trưng thuỷ văn thiết kế vùng cửa sông ven biển 256

PHẦN THỨ HAI: ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY 265

CHƯƠNG VIII: HỒ CHỨA VÀ ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY BẰNG HỒ CHỨA 265

8.1 Khái niệm về điều tiết dòng chảy và phân loại 265

8.2 Hồ chứa và công trình đầu mối 268

8.3 Các thành phần dung tích và mực nước của hồ chứa - Nguyên tắc lựa chọn 270

8.4 Bồi lắng hồ chứa và tính toán bồi lắng hồ chứa 275

8.5 Các yêu cầu về nước và phân loại 282

8.6 Tài liệu cơ bản dùng trong tính toán hồ chứa 283

CHƯƠNG IX: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT CẤP NƯỚC 286

9.1 Khái niệm chung 286

9.2 Tính toán điều tiết đối với hồ chứa điều tiết năm 289

9.3 Tính toán điều tiết đối với hồ chứa điều tiết nhiều năm 306

BÀI TẬP CHƯƠNG 9 326

CHƯƠNG X: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ 328

10.1 Tiêu chuẩn chống lũ cho công trình và phòng lũ cho hạ du 328

10.2 Các biện pháp phòng chống lũ cho hạ du 330

10.3 Phương pháp tính toán điều tiết lũ 332

BÀI TẬP CHƯƠNG 10 352

CHƯƠNG XI: ĐIỀU PHỐI HỒ CHỨA 355

11.1 Khái niệm chung 355

11.2 Xây dựng biểu đồ điều phối hồ chứa điều tiết năm 357

11.3 Xây dựng biểu đồ điều phối cho hồ chứa điều tiết nhiều năm 361

11.4 Vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối hồ chứa 362

CHƯƠNG XII: ĐO ĐẠC VÀ CHỈNH LÝ SỐ LIỆU THỦY VĂN 364

12.1 Phân loại trạm quan trắc 364

12.2 Phương pháp đo và tính số liệu mực nước 366

12.3 Phương pháp đo và tính lưu lượng nước 372

12.4 Phương pháp đo và tính lưu lượng bùn cát 381

12.5 Phương pháp đo và tính độ mặn của nước sông vùng ven biển 388

PHỤ LỤC 391

TÀI LIỆU THAM KHẢO 405

LỜI NÓI ĐẦU

Thuỷ văn công trình là môn học cơ sở quan trọng đối với sinh viên các ngành Xâydựng Thuỷ lợi – Thủy điện, Xây dựng Cầu đường, Xây dựng Dân dụng – Công nghiệp

và Quản lý dự án Tuỳ theo yêu cầu của từng ngành kỹ thuật mà nội dung giảng dạy cónhững điểm khác biệt Mục tiêu của Giáo trình Thuỷ văn công trình là giới thiệu nhữngkhái niệm cơ bản về dòng chảy sông ngòi, cung cấp những phương pháp tính toán cácđặc trưng thuỷ văn thiết kế

Giáo trình Thuỷ văn công trình do bộ môn Cơ sở kỹ thuật thủy lợi biên soạn cótham khảo các tài liệu liên quan đến lĩnh vực thủy văn và tài nguyên nước và tiếp cậnnhững phương pháp tính toán hiện đại trên thế giới trong lĩnh vực tính toán thuỷ văn Giáo trình gồm 12 chương được chia làm 2 phần:

Phần 1: Tính toán các đặc trưng thuỷ văn thiết kế

Phần 2: Điều tiết dòng chảy

Giáo trình được biên soạn dùng làm tài liệu tham khảo nội bộ cho sinh viên cácngành xây dựng và quản lý dự án tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.Mặc dù đã có nhiều cố gắng chọn lọc những nội dung cơ bản và kết hợp với sự nhữngphương pháp hiện đại thực tế đang được áp dụng trong tính toán thiết kế, nhưng chắcchắn không tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết, rất mong nhận được sự góp ý đểcuốn giáo trình được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1.1 Tài nguyên nước và vấn đề khai thác tài nguyên nước

I Tài nguyên nước

1 Tầm quan trọng của tài nguyên nước

Nước là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển môi trường sống Nước là một loại tàinguyên thiên nhiên quý giá và có hạn, là động lực chủ yếu chi phối mọi hoạt động dân sinh kinh

tế của con người Nước được sử dụng cho nông nghiệp, phát điện, giao thông vận tải, chăn nuôi,thuỷ sản, cấp nước sinh hoạt, cấp nước công nghiệp, cải tạo môi trường v v

2 Các dạng tài nguyên nước

Nước tồn tại dưới những dạng khác nhau: Nước trên trái đất, ngoài đại dương, ở các sôngsuối, hồ ao, các hồ chứa nhân tạo, nước ngầm, trong không khí, băng tuyết và các dạng liên kếtkhác

Bảng 1- : Ước lượng nước trên trái đất [8]

Hạng mục Diện tích

(106 Km2) Thể tích(Km3) Phần trămcủa tổng

lượng nước

Phần trăm của nướcngọt

Nguồn nước trên thế giới rất lớn nhưng nước ngọt mới là yêu cầu cơ bản cho hoạt độngdân sinh kinh tế của con người

Nước ngọt chiếm tỉ lệ khoảng 3% tổng lượng nước trên trái đất Trong đó,

– 2/3 trong số đó là băng tuyết ở các cực

– Đại bộ phận của phần còn lại là nước ngầm ở độ sâu từ 200 đến 600m, đa phần

bị nhiễm mặnNước ngọt có thể khai thác được chiếm khoảng 1% tổng lượng nước trên trái đất

Nước phân bố không đều theo không gian và thời gian

Theo không gian:

– Vùng nhiều nước: Châu Âu, Châu Á

– Vùng ít nước: Châu Phi

Theo thời gian:

– Mùa mưa và mùa khô

– Mùa lũ và mùa kiệt

3 Đặc tính của tài nguyên nước

Gây lợi: Là động lực cho các hoạt động dân sinh kinh tế của con người

Gây hại: Lũ lớn, lũ quét, lụt lội gây thiệt hại về con người và tài sản

Tài nguyên nước được đánh giá bởi ba đặc trưng quan trọng: Lượng, chất lượng và độngthái của nó:

 Lượng nước: tổng lượng nước sinh ra trong một khoảng thời gian một năm hoặcmột thời kỳ nào đó trong năm Nó biểu thị mức độ phong phú của tài nguyên nước trênmột vùng lãnh thổ

 Chất lượng nước: các đặc trưng về hàm lượng của các chất hoà tan và không hoàtan trong nước (có lợi hoặc có hại theo tiêu chuẩn sử dụng của đối tượng sử dụng nước)

 Động thái của nước được đánh giá bởi sự thay đổi của các đặc trưng dòng chảytheo thời gian, sự trao đổi nước giữa các khu vực chứa nước, sự vận chuyển và quy luật

chuyển động của nước trong sông, sự chuyển động của nước ngầm, các quá trình trao đổichất hoà tan, truyền mặn v v

II Vấn đề khai thác tài nguyên nước

Khai thác nguồn nước có thể theo những mục đích khác nhau: cấp nước tưới, cấp nước chocông nghiệp, cấp nước cho sinh hoạt, phát điện, giao thông thủy, du lịch, cải tạo môi trường,

phòng chống lũ lụt, tiêu úng, lấn biển v v, có thể gọi chung là các yêu cầu về nước.

Yêu cầu sử dụng nước càng ngày càng tăng cùng với sự phát triển của các biện pháp thủylợi sẽ làm thay đổi mạnh mẽ chế độ tự nhiên của dòng chảy sông ngòi Chính vì vậy, theo quan

điểm hiện đại, có thể coi  Hệ thống tài nguyên nước là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nước ở dạng tự nhiên hoặc dạng được tái tạo, hệ thống các yêu cầu về nước, hệ thống các công trình thủy lợi cùng với sự tác động qua lại giữa chúng và tác động của môi trường

Nhiệm vụ của các quy hoạch sử dụng nước là sự thiết lập một cân bằng hợp lý với hệ thốngnguồn nước theo các tiêu chuẩn đã được quy định bởi các mục đích khai thác và quản lý nguồnnước Đánh giá tài nguyên nước bởi vậy cũng cần được tiến hành với sự phân tích các tác độngqua lại giữa các thành phần cấu thành hệ thống nguồn nước

Những nét chính về phát triển nguồn nước trong tương lai

1 Nhu cầu cấp nước

2 Phát triển thuỷ điện

3 Giao thông thủy

4 Sản xuất công nghiệp

5 Phòng chống lũ lụt

6 Khai thác lợi dụng tổng hợp

1.2 Nhiệm vụ và nội dung của môn học thủy văn công trình

Thủy văn là môn khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất, sự xuất hiện, chu kỳ và sựphân bố của nước, các đặc tính hoá học và lý học của nước và sự phản ứng của nước đối với

môi trường, bao gồm cả mối quan hệ giữa nước với các vật sống (HĐ Liên bang Mỹ về Khoa

học và Công nghệ).

Thủy văn được ứng dụng trong:

 Thiết kế và vận hành các công trình thủy lợi

 Sản xuất năng lượng thủy điện

 Giao thông thủy

 Cấp và thoát nước đô thị

 Bố trí và xử lý các nguồn nước thải

 Phòng chống lũ lụt

 Phòng chống xói lở và bồi lắng phù sa

 Ngăn mặn xâm nhập

 Giảm nhẹ ô nhiễm, sử dụng nước cho các nhu cầu giải trí, bảo vệ nguồn cá và độngvật hoang dã

Nhiệm vụ của môn học Thủy văn công trình là:

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

- Cung cấp các phương pháp tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế phục vụ công tác quyhoạch, thiết kế và thi công hệ thống công trình thủy lợi – thủy điện, giao thông và các công trìnhxây dựng khác

- Phương pháp tính toán cân bằng nước trong hệ thống, đặc biệt là cân bằng nước đối với

hệ thống hồ chứa nước

Nội dung của môn học:

PHẦN I: (Dành cho sinh viên các ngành Xây dựng, quản lý dự án và tin học xây dựng)

Chương 1: MỞ ĐẦU

Chương 2: SÔNG NGÒI VÀ SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI

Chương 3: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT XSTK TRONG TÍNH TOÁN THỦY VĂN

Chương 4: DÒNG CHẢY NĂM THIẾT KẾ

Chương 5: DÒNG CHẢY LŨ THIẾT KẾ

Chương 6 : TÍNH TOÁN THỦY VĂN CỦA VÙNG ẢNH HƯỞNG TRIỀU

PHẦN II   : (Dành riêng cho sinh viên ngành Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện)

Chương 7 : KHO NƯỚC VÀ ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY

Chương 8: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT CẤP NƯỚC

Chương 9: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ

Chương 10 : ĐIỀU PHỐI KHO NƯỚC

Chương 11: ĐO ĐẠC VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN

1.3 Đặc điểm của hiện tượng thủy văn và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Đặc điểm của hiện thủy văn

Các hiện tượng thủy văn là kết quả sự tác động của nhiều nhân tố tự nhiên Dòng chảy sinh

ra trên mặt đất phụ thuộc các yếu tố khí hậu, điều kiện địa hình địa chất, thảm thực vật, thổnhưỡng v v Đó là một quá trình tự nhiên với đầy đủ tính chất vật lý của nó, biểu hiện phạm trùnguyên nhân và hậu quả Nếu biểu diễn một cách hình thức quan hệ của dòng chảy sông ngòivới nhân tố tự nhiên tác động lên nó dưới dạng:

trong đó: X là tập hợp các yếu tố khí tượng, khí hậu tham gia vào sự hình thành dòng chảysông ngòi, biểu thị dưới dạng vectơ:

X = ( x1, x2, , xi, ,xn), (1-2)với x1, x2, , xi, ,xn là các đặc trưng khí tượng, khí hậu: mưa, bốc hơi, gió

Z là tập hợp các đặc trưng mặt đệm tác động lên sự hình thành dòng chảy sông ngòi, biểuthị dưới dạng vectơ:

Z = ( z1, z2, , zi, ,zm), (1-3)

với z1, z2, , zi, ,zm là các đặc trưng mặt đệm: diện tích lưu vực, độ dốc lưu vực,điều kiện địa hình, địa chất, lớp phủ thực vật

Nhóm các yếu tố khí tượng, khí hậu X biến động lớn theo thời gian, thường gọi là nhómbiến đổi nhanh Sự biến đổi của loại này vừa mang tính chu kỳ, vừa mang tính ngẫu nhiên Tínhchu kỳ phản ảnh quy luật thay đổi của xu thế bình quân, tính ngẫu nhiên thể hiện ở sự xuất hiệnmột giá trị cụ thể tại thời điểm nào đó của chu kỳ và sự lệch của nó so với giá trị bình quân.Nhóm các nhân tố mặt đệm Z biến đổi chậm theo thời gian, thường gọi là nhóm biến đổichậm 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 các quá trình dòngchảy theo quan hệ (1-1) quyết định tính chất của hiện tượng thủy văn Hiện tượng thủy văn vừamang tính tất định, vừa mang tính ngẫu nhiên

a Tính chất tất định của hiện tượng thủy văn thể hiện ở các mặt sau:

(1) Sự thay đổi có chu kỳ của các xu thế bình quân theo thời gian: chu kỳ một năm (mùa lũ,mùa kiệt); chu kỳ nhiều năm (nhóm ít nước xuất hiện với các nhóm nhiều nước)

(2) Tính quy luật biểu thị mối quan hệ vật lý của các nhân tố ảnh hưởng (X, Z) đến các đặctrưng dòng chảy Y Mối quan hệ giữa các đặc trưng dòng chảy và các nhân tố ảnh hưởng trongnhiều trường hợp có thể biểu diễn bằng mô hình toán học dưới dạng các biểu thức toán học hoặc

đồ thị

(3) Sự biến đổi có quy luật theo không gian do bị chi phối bởi tính địa đới của các hoạtđộng khí hậu, khí tượng tổ hợp với những hình thế mặt đệm tương đối ổn định của từng khu vựctrên lãnh thổ Nhờ đó, có thể tiến hành xây dựng các bản đồ phân vùng hoặc các bản đồ đẳng trị

b Tính ngẫu nhiên của hiện tượng thủy văn phụ thuộc chủ yếu vào sự biến đổi ngẫu nhiêncủa nhóm nhân tố khí hậu, khí tượng

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu và tính toán thủy văn có thể chia làm hai loại: Phương phápphân tích nguyên nhân hình thành và phương pháp thống kê xác suất

1.3.2.1 Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành

Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành là phương pháp được xây dựng dựa vàotính tất định của hiện tượng thủy văn Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành có thểphân loại như sau:

(1) Phương pháp phân tích căn nguyên

Trên cơ sở phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến sự hình thành các quá trình dòng chảy theobiểu thức (1-1), người ta thiết lập các mối quan hệ toán học giữa các đặc trưng thủy văn với cácđặc trưng biểu thị nhân tố ảnh hưởng: hoặc bằng các biểu thức toán học, hoặc bằng các đồ thị,cao hơn nữa là các mô hình toán và mô hình mô phỏng hệ thống Các mô hình mô phỏng hệthống hiện nay được sử dụng rộng rãi trong tính toán thủy văn công trình

(2) Phương pháp tổng hợp địa lý

Hiện tượng thủy văn mang tính địa đới, tính khu vực và biến đổi nhịp nhàng theo khônggian Bởi vậy, có thể xây dựng các bản đồ phân vùng, bản đồ đẳng trị các đặc trưng hoặc cáctham số thủy văn Bằng các bản đồ này có thể nội suy, ngoại suy các đặc trưng cần xác địnhtrong tính toán thủy văn thiết kế

(3) Phương pháp lưu vực tương tự

Phương pháp lưu vực tương tự được sử dụng rộng rãi trong tính toán thủy văn trong trườnghợp không có tài liệu đo đạc thủy văn

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là: các tham số và đặc trưng thủy văn của lưu vựckhông có tài liệu quan trắc được suy ra từ lưu vực khác, có tài liệu đo đạc thủy văn và có điềukiện hình thành dòng chảy tương tự như lưu vực cần phải tính toán

Hai lưu vực được gọi là tương tự nếu như các kiện về mặt đệm, khí tượng, khí hậu tương tựnhau và tác động của các nhân tố đó đến tham số hoặc đặc trưng thủy văn đang xem xét là cũngtương tự nhau

1.3.2.2 Phương pháp thống kê xác suất

Hiện tượng thủy văn mang tính ngẫu nhiên, do đó có thể coi các đại lượng thuỷ văn đặctrưng là các đại lượng ngẫu nhiên và có thể áp dụng lý thuyết thống kê xác suất để từ đó xácđịnh các đặc trưng thủy văn thiết kế theo một tần suất thiết kế đã được quy định

Trong thực tế cần thiết phải sử dụng kết hợp các phương pháp trên đây

1.4 Vài nét về lịch sử phát triển của thủy văn học

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

Thủy văn học có nguồn gốc phát triển từ thời cổ xa xưa ở châu á (theo UNESCO, 1974),người Trung quốc đã biết ghi chép quan trắc về mưa, mưa tuyết, tuyết và gió trên các quẻ âmdương ngay từ năm 1200 trước công nguyên Rất có thể họ đã sử dụng các dụng đo mưa từ năm

1000 trước công nguyên và thiết lập hệ thống trạm quan trắc đo mưa từ năm 200 trước côngnguyên

Vào khoảng 4000 năm trước đây, người Ai cập đã tiến hành các quan trắc mực nước trênsông Nin với mục đích phòng chống lũ

Việc sử dụng nguồn nước ngày càng tăng và do đó yêu cầu nghiên cứu hiện tượng thủy vănngày càng trở nên cấp bách Thủy văn học vì thế đã luôn luôn phát triển cả về phương phápnghiên cứu cũng như kỹ thuật quan trắc, thu thập các số liệu thủy văn Lịch sử phát triển củathủy văn học có thể sơ bộ chia ra các giai đoạn sau đây

(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 cáchiện tượng thủy văn chủ yếu mang tính định tính Những quan trắc để thu thập các tài liệu thủyvăn cũng đã được ứng dụng, nhưng chủ yếu là đo đạc mực nước Việc tiến hành các quan trắccũng mang tính cục bộ Vào thời kỳ cuối của giai đoạn này (thời kỳ Phục hưng) người ý đã chếtạo thành công máy đo lưu tốc và sử dụng nó để đo lượng nước ở các sông suối có yêu cầu khaithác nguồn nước

(2) Giai đoạn từ thế kỷ thứ 18 đến đầu thế kỷ 20 ( đến trước năm 1930):

Đây là thời kỳ phát triển mạnh của Thủy văn học do yêu cầu phát triển của các công trìnhgiao thông và thủy lợi Các phương pháp tính toán thủy văn được phát triển ở các nước có trình

độ phát triển công nghiệp cao ở Pháp, Bengơrang công bố công trình nghiên cứu quan hệ mưarào dòng chảy trên sông Xen ở ý, Montarini đưa ra kết quả nghiên cứu chế độ thủy văn củasông Tibrơ Ở Hoa Kỳ Humpray và Abơt đã quan trắc và phân tích chế độ thủy lực và lưu lượngnước trên sông Mixixipi ở Nga, vào những năm 1865 - 1870, đã tổ chức hàng loạt các trạm

quan trắc thủy văn để nghiên cứu diễn biến của sông ngòi, phục vụ giao thông thủy Các côngtrình nghiên cứu có gía trị có thể kể đến là “ Vấn đề chuyển động của nước trong sông và sựhình thành dòng chảy sông ngòi” của J.S Leliapski (năm 1893), “Cơ cấu lòng sông” của V.MLôchin (năm 1897).

Cuối thế kỷ 19, trên cơ sở tài liệu tích luỹ được, A.J Vailâykôp phát hiện quan hệ giữa dòngchảy sông ngòi và khí hậu, ông đã phát biểu nhận xét nổi tiếng “ Sông ngòi là sản phẩm của khíhậu” Đầu thế kỷ 20 một số công thức kinh nghiệm về xác định các đặc trưng thuỷ văn đã đượccông bố và sử dụng rộng rãi ở Châu Âu, ở Mỹ người ta đã tiến hành vẽ các đường đẳng dòngchảy năm trên lãnh thổ Hoa Kỳ

Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu thủy văn cho tính toán thiết kế các công trình thủy lợicòn nhiều hạn chế Cho đến năm 1925 -1930 ở Nga D.J Koserin mới bắt đầu tổng hợp một cách

hệ thống các tài liệu thủy văn và đưa ra một số phương pháp tính toán thủy văn phục vụ chocông tác thiết kế công trình

(3) Giai đoạn từ 1930 - 1960:

Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ và quan trọng nhất của thủy văn học Với những kết quảnghiên cứu ở giai đoạn trước, thủy văn học đã phát triển thành một môn khoa học độc lập Cácnhà khoa học ở Liên Xô trước đây Mỹ các nước châu âu, Ân độ, Trung Quốc , Nhật Bản đã xâydựng thành công hệ thống cơ sở lý luận của tính toán thủy văn Các nhà khoa học đã đưa ra cácphương pháp tính toán hợp lý các đặc trưng thủy văn thiết kế trong quy hoạch, thiết kế các côngtrình thủy lợi Một điều đáng chú ý là phương pháp thống kê xác suất đã được ứng dụng trongthủy văn do D.L Xôcôlôpski đề nghị và được phát triển bởi M.F Men ken, G.N Brokovic, G.AAlec-xây-ep, G.G Svanitze v v

Cũng trong giai đoạn này các mô hình toán đã được thiết lập và bắt đầu được sử dụng trongtính toán thủy văn, dự báo tác nghiệp, phân tích tính toán diễn biến lòng sông

Các phương pháp tính toán điều tiết dòng chảy được xây dựng Các nghiên cứu về dòngchảy năm, dòng chảy lũ, động lực học sông ngòi, động lực học cửa sông v v đã được nghiêncứu một cách khoa học và rất cơ bản

Cùng với sự phát triển hoàn thiện về các phương pháp nghiên cứu và tính toán, hệ thốngcác trạm quan trắc thủy văn được mở rộng và tổ chức một cách hệ thống Các thiết bị và kỹthuật đo đạc, phân tích số liệu thủy văn cũng được hiện đại hoá

(4) Giai đoạn từ 1960 đến nay:

Đây là giai đoạn phát triển hiện đại của thủy văn học Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máytính điện tử và phương pháp tính, việc ứng dụng các mô hình toán học trong thủy văn được khaithác một cách triệt để Sự phức tạp của hiện tượng thủy văn được giải quyết và ứng dụng mộtcách có hiệu quả trong thực tế sản xuất

Xuất phát từ qua điểm hệ thống, các phương pháp tính toán thủy văn hiện đại cũng pháttriển mạnh Các phương pháp đó được xây dựng trong mối quan hệ tương tác giữa dòng chảy vàcác biện pháp công trình, các yêu cầu về nước của con người Từ đó, các mô hình mô phỏng hệthống đối với hệ thống nguồn nước phức tạp Lý thuyết phân tích hệ thống được áp dụng đểphân tích và tính toán các đặc trưng thủy văn trong quy hoạch và thiết kế hệ thống nguồn nước

Xu thế hiện đại của việc xây dựng các mô hình hệ thống là sự kết hợp giữa mô hình thủy văn,thủy lực, mô hình quản lý chất lượng nước

Sự phát triển của phương pháp tính, các thiết bị quan trắc cũng được hiện đại hoá Các thiết

bị tự động trong đo đạc, kỹ thuật viễn thám v v được ứng dụng rộng rãi

1.4.2 Một số nét về lịch sử phát triển của thủy văn học Việt nam

Ở nước ta, trước thế kỷ 20 không thấy có những tư liệu nghiên cứu về thủy văn học Tuynhiên những quan trắc và phân tích định tính có thể đã có từ lâu Không thể không có nhữngquan trắc dù chỉ là rất thô sơ và những phân tích về thủy triều khi Ngô Quyền ở thế kỷ thứ 10 đã

sử dụng quy luật thủy triều để đánh quân Nam Hán trên sông Bạch đằng Từ 3000 năm về trước,

từ đời Lã Vọng đã có bài ca về con nước rất có tác động đối với sản xuất nông nghiệp và ngưnghiệp Các hệ thống đê điều đã được hình thành từ nhiều thế kỷ nay Các sông đào như sôngĐuống, kênh nhà Lê không thể thực hiện được nếu không có quan trắc và phân tích quy luậtdòng chảy sông ngòi

Tuy nhiên, chỉ đến đầu thế kỷ 20, khi người Pháp cai trị nước ta, hệ thống quan trắc khítượng thủy văn mới được hình thành và có tài liệu ghi chép lại Tài liệu sớm nhất được quantrắc vào năm 1902 Từ năm 1910 đến năm 1954 hệ thống quan trắc được mở rộng trên các hệthống sông lớn và chủ yếu là đo mực nước

Từ năm 1959 cho đến nay, hệ thống các trạm đo đạc thủy văn đã được mở rộng trên mộtquy mô lớn và hệ thống tổ chức quan trắc được coi là có hệ thống và đầy đủ nhất

Cùng với sự phát triển của hệ thống các trạm quan trắc, đội ngũ cán bộ nghiên cứu thủy vănđược đào tạo và lớn mạnh, các cơ quan quản lý và nghiên cứu được hình thành Hiện nay độingũ cán bộ khoa học kỹ thuật ngành thủy văn Việt Nam đã lớn mạnh và có khả năng tiếp cậnđược với những tiến độ khoa học kỹ thuật thủy văn trên thế giới

CHƯƠNG II: SÔNG NGÒI VÀ SỰ HÌNH THÀNH DÒNG

CHẢY SÔNG NGÒI

2.1 Hệ thống sông ngòi - Lưu vực

Các sông trực tiếp đổ ra biển hoặc vào các hồ trong nội địa gọi là sông chính Các sông đổvào 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 Tên của hệ

thống sông thường lấy theo tên của sông chính, chẳng hạn như hệ thống sông Hồng gồm sôngHồng và các nhánh Đà, sông Thao, sông Lô - Gâm hợp thành; hệ thống sông Thái bình gồmsông Thái bình, sông Cầu, sông Thương, sông Lục nam; hệ thông sông Mã gồm sông Mã, sôngChu, sông Âm, sông Bưởi; hệ thống sông Mê Kông gồm sông Tiền, sông Hậu, sông Tông LêSáp, biển Hồ v.v…

Sự phân bố của các sông nhánh dọc theo sông chính ảnh hưởng quyết định sự hình thànhdòng 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 2-1a), sông dạng hình lông chim trong đó cácsông nhánh phân bố tương đối đều đặn dọc theo sông chính (hình 2-1b), sông nhánh phân bốtheo hình cành cây (hình 2-1c), sông nhánh phân bố song song (hình 2-1d), Nói chung, cácsông 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 cácsông nhánh lại có kiểu phân bố dạng cành cây hoặc lông chim

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

2.1.2 Lưu vực sông

1 Lưu vực sông và tuyến khống chế

Lưu vực của một con sông (gọi tắt 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 nướccủa một con 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 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 vàlượng dòng chảy của lưu vực sông.

2- 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 cáclưu vực sông khác nhau

Muốn xác định đường phân nước mặt phải căn cứ vào bản đồ địa hình có vẽ các đườngđồng mức cao độ (xem hình 2-2)

Hình 2-2: Đường phân nước của lưu vực

Sông

Tầng không thấm

Đường phân nước ngầm Đường phân nước mặt

Hình 2-3: Đường phân nước mặt và đường

phân nước ngầm của con sông

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, nướcmưa 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 2-2)

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 2-3)

Trong thực tế việc xác định đường phân nước ngầm là 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.

3- Các đặc trưng hình học của lưu vực sông

a- Diện tích lưu vực

Diện tích khu vực được khống chế bởi đường phân lưu và mặt cắt khống chế gọi là diệntích lưu vực sông, thường ký hiệu là F và đơn vị dùng là km2 Sau khi định được đường phânlưu, diện tích lưu vực xác định được bằng máy đo diện tích hoặc bằng một số phương phápkhác, chẳng hạn như đếm ô vuông trên bản đồ có tỷ lệ định sẵn Để xác định chính xác diện tíchlưu vực, cần sử dụng các bản đồ có tỷ lệ thích hợp Trong thực tế, người thường ta sử dụng cácloại bản đồ tỷ lệ 1/10000, 1/25000, 1/50000 và 1/100000

b Chiều dài sông và chiều dài lưu vực

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

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

c Chiều rộng bình quân của lưu vực

Chiều rộng bình quân của lưu vực B (đơn vị tính là km) bằng tỷ số giữa diện tích lưu vực

và chiều dài lưu vực

  L F

d- Độ cao bình quân lưu vực

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

(2-2)

ở đây: Hi - Cao trình của đường đẳng cao thứ i

fi - Diện tích bộ phận của lưu vực nằm giữa hai đường đẳng cao liên tiếp thứ i

và i-1

F - Diện tích toàn bộ lưu vực

n - Số mảnh diện tích bộ phận giữa các đường đẳng cao (đồng mức về cao độ) củalưu vực

e 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:

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

D có giá trị lớn

g Mặt cắt sông

Mặt cắt sông gồm có: mặt cắt ngang và mặt cắt dọc

- Mặt cắt ngang của sông tại một vị trí trên sông là mặt cắt vuông gốc với hướng nước chảy

tại vị trí đó Bộ phận mặt cắt có nước chảy thường xuyên gọi là lòng sông, phần mặt cắt ngang

chỉ ngập lụt về mùa lũ được gọi là bãi sông Mặt cắt ngang sông có cả lòng sông và bãi sông chỉ

có nước chảy qua về mùa lũ được coi là mặt cắt lớn (hình 2-5)

- Mặt cắt dọc sông là mặt cắt qua trục lòng sông (đường nối các điểm thấp nhất của các mặt

cắt ngang của con sông) Muốn xác định mặt cắt dọc của một con sông, ta đo cao trình các điểmsâu nhất của lòng sông tại những nơi địa hình thay đổi rõ rệt Sau đó lấy chiều dài sông làmhoành độ và cao trình của các điểm tương ứng làm tung độ rồi nối các điểm đó trên hệ tọa độvuông gốc ta được biểu đồ mặt cắt dọc sông (hình 2-4)

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

h Một số đặc trưng khác

- Hệ số hình dạng của lưu vực Kd biểu thị hình dạng của lưu vực sông Hệ số Kd được tínhbằng công thức:

(2-6)

Hình 2-5: Mặt cắt ngang của sông

- Hệ số phát triển đường phân

Hệ số Kc được tính theo côngthức:

(2-7) Trong đó: P - Chu vi đườngphân nước của lưu vực (km),

F - Diện tích của lưu vực (km2)

Thông thường thì hệ số Kd  1 Lưu vực có Kd càng lớn thì khả năng tập trung dòng chảycàng nhanh

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

(2-8)

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

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

(2-9)

Trong đó: Ft,Fp - Phần diện tích thuộc phía trái và phía phải của sông chính (km2),

F - Diện tích của lưu vực (km2)

Bãi Lòng

2070

2.2 Các nhân tố khí hậu, khí tượng ảnh hưởng đến sự hình thành dòng chảy trong sông

Chế độ thuỷ văn của một vùng phụ thuộc chủ yếu khí hậu, sau đó là địa hình, địa chất vàthổ 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 ra dòng chảy, bốc hơi làm giảm lượng dòng chảy Nhưngmưa và bốc hơi lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khí tượng khác như nhiệt độ, bức xạ, độ ẩm, ápsuất không khí, gió, v.v

2.2.1 Nhiệt độ mặt đệm và nhiệt độ không khí

1 Nhiệt độ mặt đất

Do bức xạ mặt trời nên ban ngày nhiệt độ mặt đất tăng lên, ban đêm nó toả nhiệt nên nhiệt

độ lại hạ xuống Biên độ thay đổi nhiệt độ của mặt đất tương đối lớn Nhiệt độ cao nhất trongngày xảy ra lúc 1314giờ, thấp nhất xuất hiện trước lúc mặt trời mọc 12giờ

3 Nhiệt độ không khí

Nhiệt độ không khí trên mặt đất theo quy định là nhiệt độ đo trong bóng râm, tại vị tríkhông 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 giancũng có tính chu kỳ như nhiệt độ mặt đất, song biên độ thay đổi nhỏ hơn và thời gian xảy rađiểm cực đại và cực tiểu cũng chậm hơn, càng lên cao sự sai kém nói trên càng lớn Ở ViệtNam, phần lớn các nơi đều có nhiệt độ trung bình năm trên 200C, biên độ thay đổi của nhiệt độkhông khí trong ngày từ 480C và trong năm khoảng 15200C

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

2.2.3 Độ ẩm không khí

Độ ẩm không khí là chỉ mật độ hơi nước có trong không khí Độ ẩm của không khí thường

biểu thị bằng độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối

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 làmmHg hay mb

Ở một nhiệt độ t0 nào đó, áp suất hơi nước trong không khí có một giới hạn tối đa E tươngứng với trạng thái bão hòa hơi nước trong không khí, vượt quá giới hạn này hơi nước sẽ chuyểnsang thể lỏng Người ta gọi E là áp suất hơi nước bão hoà của không khí ở nhiệt độ t0

2 Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối (R) là tỷ số giữa áp suất hơi nước thực tế (e) với áp suất hơi nước bão hòa

(E) trong cùng một nhiệt độ, thường tính theo %:

 100% (2-10)

Độ ẩm tương đối cho ta biết mức độ bão hoà hơi nước trong không khí, khi không khí chưađạt đến trạng thái bão hoà thì R<100 (%) Giá trị của R càng lớn thì không khí càng ẩm ướt ởcác tỉnh phía Bắc của nước ta thường có độ ẩm tương đối rất lớn Theo tài liệu thống kê nhiềunăm thì độ ẩm tương đối trung bình nhiều năm tại Hà Nội là 85%, giá trị lớn nhất có thể trên90% vào các tháng mưa phùn

Bảng 2-1: Độ ẩm tương đối R(%) của không khí bình quân tháng tại vị trí quan trắc

3 Độ thiếu hụt bão hoà.

Độ thiếu hụt bão hoà (d) được tính bằng d=E-e, đơn vị cũng dùng là mmHg hoặc mb Độ

thiếu hụt bão hoà cũng là một đại lượng biểu thị mức độ bão hoà hơi nước trong không khí Độthiếu hụt bão hoà lớn thì độ ẩm tương đối của không khí nhỏ và ngược lại

2.2.4 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 độ 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 theo bảng (2-3) Tốc độ gióđược đo bằng các thiết bị đo như cột đo gió (còn được dùng để đo hướng gió), máy đo gió kiểucốc 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 ĐôngBắc)

Bảng 2-2: Hướng gió thịnh hành và tốc độ gió trung bình trong các tháng tại Hà Nội

2.2.5 Bão

Bão là khu vực gió xoáy rất mạnh bao trùm trên một vùng rộng lớn ở trung tâm bão (còn

gọi mắt bão) khí áp thấp còn ở rìa bão khí áp cao hơn Građien khí áp ở trung tâm đặc biệt lớn,làm cho không khí từ vành ngoài chuyển vào trung tâm rất mạnh hình thành xoáy trôn ốc theohướng đi lên Tốc độ gió có thể đạt đến cấp 12 hoặc trên cấp 12, ở vùng trung tâm bão có tốc độgió rất nhỏ có thể chỉ cấp 0, nhưng ngay tại rìa của tâm bão thì tốc độ gió lại rất lớn và giảm dầnkhi càng ra xa tâm bão Bão thường đổ bộ vào nước ta rải rác từ tháng 7 đến tháng 11 hàng năm.Bảng 2-3: Bảng cấp gió Bô-pho (Beaufort-Scale, năm 1805)

- Thuyền buồm mỗi giờ có thể đi được 2,3 hải lý/giờ.

- Thuyền buồm hơi bị lắc, tốc độ 34 hải lý/giờ.

- Thuyền buồm nếu căng toàn buồm, sẽ nghiêng về một bên.

- Lá và cành cây nhỏ bị lay động không ngừng Lá cờ mở ra.

- Gió bụi và vụn giấy bay lên Cành cây nhỏ bị lắc.

- Thuyền cá phải thu hẹp buồm.

- Thuyền cá phải thu hẹp buồm nữa Lúc đánh cá cần chú ý nguy hiểm.

- Thuyền cá về nghỉ ở cảng, thuyền ngoài khơi thả neo.

- Thuyền cá ở trong cảng không ra biển nữa.

- Trên mặt đất rất ít, tổn thất nhiều.

nt

-2.2.6 Mưa

2.2.6.1 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 hoà) và nhờ

các hạt bụi trong không khí tạo điều kiện cho phần hơi nước quá bão hoà mau chóng ngưng kếtlại thành hạt, các hạt đó không ngừng lớn dần lên đến khi trọng lượng của nó thắng được lực masát của tầng khí quyển và tốc độ các luồng không khí đi lên mà rơi xuống thành mưa Mưa đượchình 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:

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

- Do không khí bức xạ mà mất nhiệt;

- Do sự xáo trộn hai khối không khí đã bão hoà hoặc gần bão hoà có nhiệt độ khácnhau;

- Nhưng quan trọng nhất là khi khối không khí bốc lên cao do áp suất xung quanh giảm

đi rất nhanh theo chiều cao làm cho thể tích khối không khí đó nở ra và sinh công Năng lượngsản ra công đó lấy ngay trong bản thân khối không khí, vì vậy mà nhiệt độ giảm đi

2.2.6.2 Phân loại mưa

Hình 2-6: Các loại mưa

a) Mưa đối lưu; b) Mưa địa hình; c) Mưa frông lạnh và mưa frông nóng; d) Mưa bão

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 có thể chia làm 5 loại sau:

- Mưa đối lưu

- Mưa địa hình

- Mưa gió xoáy

- Mưa frông lạnh- Mưa frông nóng

- Mưa bão

2.2.6.3 Lượng mưa và cường độ mưa

a 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 mưangày, nếu thời đoạn tính toán là một tháng, một năm ta có tương ứng lượng mưa tháng và lượngmưa năm

b Cường độ mưa:

Cường độ mưa là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian, đơn vị tính thường dùng là

mm/phút hoặc mm/h

2.2.6.4 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 nhữnglưu vực nhỏ, trạm quan trắc đặt tại địa điểm thích hợp có thể coi lượng mưa trạm đo này đạibiểu cho lượng mưa bình quân toàn lưu vực Ở lưu vực tương đối lớn thì lượng mưa đo được ởcác trạm thường khác nhau, lúc đó muốn tính lượng mưa bình quân toàn lưu vực có thể dựa vàotài liệu quan trắc mưa của các trạm đo mưa trên lưu vực (kể cả các trạm đo nằm sát lưu vựcnghiên cứu) Sau đây là một số phương pháp thường dùng để tính lượng mưa bình quân toàn lưuvực

a- Phương pháp bình quân số học

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

(2-16)

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 ởnhững vị trí đặc trưng

b- Phương pháp đa giác Thiessen

Cơ sở của phương pháp là coi lượng mưa đo được ở một vị trí nào đó trên lưu vực chỉ đạidiện cho lượng mưa của một khu vực nhất định quanh nó Diện tích của khu vực đó được khốngchế 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 chocác 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 2-7) Lượng mưa của trạm đo nằm trong mỗi đagiác là lượng mưa bình quân của phần diện tích thuộc đa giác đó Khi đó lượng mưa bình quântoàn lưu vực được tính theo công thức:

(2-17)

Trong đó: Xi là lượng mưa của trạm đo thứ i, đại diện cho lượng mưa bình quân của đagiác có diện tích fi; F là diện tích của toàn bộ lưu vực; Xi tính bằng mm, fi và F tính bằng km2; n

là số trạm đo mưa

2100 2000 1900

1800

1700 2200

1635

1710 1780

1840

1950

1975

2 2150

Hình 2-8: Sơ đồ đường đẳng trị mưa

Hình 2-7: Sơ đồ tính mưa bình quân lưu vực theo phương pháp đa giác Thiessen với 4

điểm đo mưa 1, 2, 3, 4Phương pháp này chỉ ứng dụng được khi số trạm đo mưa dùng để tính cho lưu vực 3.Mặt khác, các trạm đo mưa cũng cần phân bố đều trên lưu vực thì lượng mưa bình quân tínhtoán mới có độ chính xác cao Chú ý rằng, các trạm đo mưa được chọn để lập các tam giác cóthể nằm ngoài lưu vực nhưng phải là các trạm đo nằm ở vị trí không xa so với đường phân lưucủa lưu vực

c- Phương pháp đường đẳng trị

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 sơ các tài liệu đo mưa trên toàn lãnh thổ, trong đó có chứa lưu vực nghiên cứu (hình 2-8) Lượng mưa bình quân lưu

vực được tính theo công thức sau:

(2-18)

Trong đó: Xi là giá trị lượngmưa của đường đẳng trị thứ itrong phạm vi lưu vực, tính bằngmm; F là diện tích của toàn bộ lưuvực; fi là diện tích bộ phận của lưuvực nằm giữa hai đường đẳng trịliên tiếp thứ i và i+1 và đườngphân lưu của lưu vực ; fi và F tínhbằng km2; n là số mảnh diện tích

bộ phận của lưu vực Kết quả tínhtheo phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp trên do khắc phục được nhữngtrường hợp mà sự phân bố của các trạm đo mưa trên lưu vực nghiên phân bố không đều vàkhông đặc trưng, đặc biệt là những trường hợp mà trên lưu vực nghiên cứu không có trạm đomưa Tuy nhiên, do phải xây dựng bản đồ đẳng trị mưa nên khối lượng tính toán lớn

34

210 mm

250 mm

320 mm

310 mm

 Điểm đo mưa Cạnh tam giác nối các điểm đo mưa

Đường phân lưu Các đuờng trung trực

Các phương pháp tính lượng mưa bình quân lưu vực được sử dụng trong tính toán lượngmưa thời đoạn, mưa trận, mưa ngày, vài ngày, tháng, mùa, năm và trung bình nhiều năm.

2.2.7 Bốc hơi

2.2.7.1 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 ký hiệu là Z, được tính bằng bề dày lớp nước bị

bốc hơi trong thời đoạn nào đó, đơn vị là mm Quy luật về sự thay đổi của lượng bốc hơi theo

thời gian được gọi là chế độ bốc hơi

2.2.7.2 Các loại bốc hơi

a Bốc hơi mặt nước

Bốc hơi mặt nước là bốc hơi trực tiếp từ mặt thoáng của nước Bốc hơi mặt nước chịu ảnhhưởng của nhiều loại nhân tố khác nhau, nhưng chủ yếu là các nhân tố khí tượng như: Độ thiếuhụt bão hoà, nhiệt độ, tốc độ gió Nhiệt độ mặt nước càng cao bốc hơi càng nhiều, gió thổi làmtăng độ thiếu hụt bão hoà do đó làm tăng khả năng bốc hơi Ngoài các nhân tố trên bốc hơi mặtnước còn phụ thuộc vào đặc tinh hoá lý của nước (tốc độ bốc hơi của nước mặn nhỏ hơn nướcngọt )

b- 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 hoà, gió) các yếu tố khác như: tính chất vật lý của đất, trạng thái mặt đất, địahình, v.v cũng đều ảnh hưởng tới quá trình bốc hơi mặt đất

c- 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 các khí khổng rất

nhỏ trên mặt lá cây, nên còn gọi là thoát hơi thực vật Các nhân tố chính ảnh hưởng đến bốc hơi

lá cây: Nhiệt độ, ánh sáng, loài thực vật và độ ẩm của đất

Quá trình bốc hơi từ mặt đất và bốc thoát hơi nước từ thảm thực vật được gọi gộp chung làquá trình bốc hơi mặt đất

d 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 hồ ao, đầm lấy, bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá Trong thực tế,không thể đo được lượng bốc hơi lưu vực mà chỉ có thể tính được thông qua phương trình cânbằng nước

2.3 Ảnh hưởng của yếu tố mặt đệm đến sự hình thành dòng chảy sông ngòi

Các đặc tính của lưu vực sông bao gồm đặc điểm địa hình, lớp phủ thực, điều kiện địa chấtthổ nhưỡng, độ dốc lưu vực, ao hồ đầm lầy v v ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành dòngchảy 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 lượngmưa, hướng và tốc độ gió, nhiệt độ không khí và do đó sẽ ảnh hưởng đến lượng dòng chảy vàchế độ dòng chảy trên lưu vực

Lớp phủ thực vật là yếu tố đặc biệt quan trọng ảnh hưởng đến sự hình 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 trữ lượng nước ngầm và làm giảm qúa trình xói mòn đấttrên bề mặt lưu vực

Đặc tính thổ nhưỡng và điều kiện địa chất quyết định lượng nước ngấm xuống đất và lượngnước trữ trong lưu vực

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 thời gian mưa và

bổ sung dòng chảy cho sông ngòi sau khi kết thúc mưa

2.4 Ảnh hưởng hoạt động dân sinh kinh tế đến chế độ dòng chảy sông ngòi

Sự ảnh hưởng của các hoạt động dân sinh kinh tế đến dòng chảy sông ngòi được thể hiện ởnhiều khía cạnh khác nhau, có thể tác động tích cực nhưng cũng có những tác động tiêu cực đếndòng 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 kiêt Đây là các tác động xấu đến sự hình thànhdòng chảy sông ngòi

Việc xây dựng các hồ chứa lớn ở đầu nguồn có thể làm thay đổi căn bản chế độ dòng chảyvùng hạ du, có thể tác gây những tác động tích cực hoặc tiêu cực đến môi trường, sinh thái vàcác hoạt động dân sinh kinh tế vùng hạ du

2.5 Dòng chảy sông ngòi

2.5.1 Sơ lược về sự hình thành dòng chảy sông ngòi

2.5.1.1 Khái niệm về dòng chảy sông ngòi

Nước mưa rơi xuống lưu vực, một phần chảy trên mặt đất (dòng chảy mặt), một phần ngấmxuống 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 dướiđất cung cấp

2.5.1.2 Sự hình thành dòng chảy sông ngòi

Các quá trình sinh dòng chảy trên lưu vực do mưa có thể mô tả khái quát trên hình (2-9).Dưới đây trình bày một số khái niệm liên quan đến sự hình thành dòng chảy sông ngòi

a Tổn thất ban đầu: xẩy 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 điềnvào những chỗ trũng trên lưu vực, bị giữ lại trên lá cây và thấm xuống đất Cường độ mưa tronggiai đoạn này nhỏ hơn cường độ thấm tiềm năng của đất

Hình 2-9: 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

b Quá trình tổn thất do bốc hơi: Hiện tượng bốc hơi xẩy 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 mặtnước; bốc hơi từ mặt đất

c Quá trình tổn thất do thấm: Tổn thất thấm xẩy 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 hòathì cường thấm đạt giá trị ổn định gọi là cường độ thấm ổn định

d 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 chảythành từng lớp trên mặt sườn dốc của lưu vực gọi là chảy tràn trên sườn dốc

Trong quá trình chảy tràn, nước không ngừng bị tổn thất vì ngấm và bốc hơi, nhưng đồngthời 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

e Sự hình thành dòng chảy ngầm: Nước mưa thấm xuống đất được phân chia ra thành

các thành phần sau:

0 10 20 30 40 50 60 70

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

- 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 sựhình thành lũ

- Một phần nước ngấm sâu xuống tầng đất bão hoà 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 đếnsông hình thành dòng chảy ngầm Đây là thành phần chủ yếu của dòng chảy bổ sung cho hệthống sông trong thời gian mùa kiệt Sơ đồ hình thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt vàdòng chảy ngầm được mô tả trên hình (2-10)

Hình 2-10: Sơ đồ sự hình thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm

Hướng chảy tràn trên sườn dốc (hình 2-10) thường trùng với hướng độ dốc mặt đất lớnnhất Tốc độ chảy tràn lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào sự thay đổi của độ sâu lớp nước chảy tràn, vào

độ dốc mặt đất và độ nhám của mặt dốc

g 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 tronglòng sông đến cửa ra của lưu vực Giai đoạn chảy trong sông gọi là quá trình tập trung dòngchảy trong sông

Về bản chất, quá trình tập trung dòng chảy trong sông là một quá trình thuỷ lực rất phứctạp, nó có liên quan mật thiết với hình 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 củalòng sông, v.v Các quá trình mưa, thấm, chảy tràn trên sườn dốc và tập trung nước trongsông có thể diễn ra đồng thời, không phải quá trình này kết thúc thì quá trình kia mới xuấthiện Có thể trên cùng một lưu vực, một quá trình nào đó có nơi phát sinh sớm, có nơi phátsinh muộn, thậm chí có nơi không hình thành

2.5.2 Các đại lượng biểu thị dòng chảy sông ngòi

trong thời gian 1 giây

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 2-11: Đường quá trình lưu lượng của một trận lũ

Lưu lượng nước bình quân trong khoảng thời gian T là giá trị trung bình của lưu lượngnước trong khoảng thời gian đó, được tính theo công thức sau đây:

(2-19)

hoặc được viết dưới dạng sai phân: (2-20)

Trong đó: Qi - Lưu lượng bình quân của thời đoạn tính toán thứ i; n là số thời đoạn tínhtoán trong khoảng thời gian T

b- Tổng lượng dòng chảy W (m3 ): là lượng nước chảy qua mặt cắt ngang sông

trong một khoảng thời gian T nào đó từ thơi điểm t1 đến thời điểm t2 (T = t2 - t1) Tổng lượngdòng chảy W được tính theo công thức sau:

(2-21)

hoặc: (2-22)

Trong đó: - Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian T tính từ thời điểm t1 đến t2

c- Độ sâu dòng chảy Y còn gọi là lớp dòng chảy: Giả sử đem tổng lượng nước chảy qua

mặt cắt cửa ra của lưu vực trong một khoảng thời gian nào đó trải đều trên toàn bộ diện tích lưuvực, ta được một lớp nước có chiều dày Y gọi là độ sâu dòng chảy (hoặc còn gọi là lớp dòngchảy) Công thức tính Y như sau:

Y là lớp dòng chảy đơn vị tính là mm.

d- Mô đun dòng chảy M (l/s-km2 ): là trị số lưu lượng tính trên một đơn vị diện tích

(1 km2) tham gia vào sự hình thành vào lưu lượng ở tuyến cửa ra của lưu vực

Từ các công thức trên có các dạng công thức biến đổi sau:

W= 103YF (2-25)

Y= MT/106 (2-26)

Độ sâu dòng chảy và mô đun dòng chảy là hai đặc trưng đã loại trừ tham số diện tích lưuvực trong công thức tính toán, bởi vậy các đại lượng này được sử dụng để so sánh mức độphong phú của dòng chảy của các lưu vực khác nhau

e- Hệ số dòng chảy : được tính bằng tỷ số giữa độ sâu dòng chảy Y và lượng mưa tương

ứng X sinh ra độ sâu dòng chảy đó

 = (2-27)

 là hệ số không thứ nguyên Vì 0  Y  X nên 0    1 Hệ số  càng lớn, tổn thấtdòng chảy càng bé và ngược lại Hệ số này phản ánh mức độ tổn thất dòng chảy trên lưu vực Các phương pháp cắt nước ngầm được áp dụng tuỳ thuộc vào đặc điểm hình thành dòngchảy mặt và dòng chảy ngầm của từng lưu vực cụ thể Dưới đây giới thiệu một số phương phápcắt nước ngầm

2.5.3 Chế độ dòng chảy sông ngòi và sự hình thành các pha dòng chảy

2.5.3.1 Khái niệm về chế độ dòng chảy sông ngòi

Những biến đổi có tính quy luật của các yếu tố khí hậu kéo theo sự biến đổi của hiện tượngthuỷ văn theo thời gian

Sự biến đổi có quy luật của yếu tố khí hậu theo thời gian gọi là chế độ khí hậu Dòng chảysông ngòi là sản phẩm của khí hậu, bởi vậy những thay đổi theo thời gian của các đặc trưngdòng chảy sông ngòi cũng mang tính quy luật Sự thay đổi có quy luật của dòng chảy sông ngòi

theo thời gian gọi là chế độ dòng chảy sông ngòi Chế độ dòng chảy sông ngòi cũng được đặc

trưng bởi sự thay đổi theo thời gian của các yếu tố cấu thành bao gồm: chế độ mực nước, chế độlưu lượng, v.v

Phân tích chế độ dòng chảy là sự phân tích những đặc tính của sự thay đổi theo thời giancủa các đặc trưng dòng chảy, bao gồm quy luật thay đổi theo thời gian của đặc trưng đó, các giátrị đặc trưng lớn nhất, nhỏ nhất, bình quân, biên độ thay đổi theo thời gian

Chế độ dòng chảy sông ngòi bị chi phối chủ yếu bởi chế độ khí hậu Tuy nhiên ảnh hưởngcủa các yếu tố mặt đệm như địa hình, địa mạo, thổ nhưỡng, địa chất, cũng có tác động rấtmạnh và ảnh hưởng trực tiếp đến sự thay đổi dòng chảy sông ngòi.

2.5.3.2 Sự hình thành các pha dòng chảy sông ngòi

Một trong những nét đặc thù của chế độ dòng chảy sông ngòi là sự tồn tại tính chu kỳ, màđặc trưng nhất của nó là sự hình thành các pha dòng chảy Xét trong thời kỳ nhiều năm, sự thayđổi lượng dòng chảy theo thời gian hình thành pha nhiều nước (những năm liên tục có dòngchảy phong phú), pha ít nước (những năm liên tục dòng chảy nhỏ) Trong từng năm, dòng chảysông ngòi thường hình thành pha nước lớn vào các tháng mưa nhiều quen gọi dòng chảy mùa lũ

và pha nước nhỏ vào các tháng ít mưa thường gọi dòng chảy mùa kiệt

Hình 2-14: Đường quá trình lưu lượng bình quân ngày năm 1971 trên S Đà tại Hoà bình

Hình (2-14) là đồ thị quá trình lưu lượng Q~t tại trạm thuỷ văn Hoà bình năm 1971 Theohình (2-14) có thể chia thành 3 giai đoạn Từ tháng I đến tháng V là thời kỳ có lưu lượng nhỏthuộc thời kỳ mùa kiệt Mùa lũ bắt đầu từ tháng VI và kết thúc vào tháng X Sau đó là thời kỳnước nhỏ, lưu lượng giảm dần cho đến tháng XII và nối tiếp với tháng I năm sau, cũng thuộcthời kỳ mùa kiệt Có thể coi từ tháng VI đến tháng X là thời kỳ mùa lũ và từ tháng XI đến tháng

V năm sau là thời kỳ mùa kiệt Trong thời kỳ mùa lũ, dòng chảy sinh ra chủ yếu dòng chảy mặt,còn thời kỳ mùa kiệt nước ngầm là nguồn cung cấp chính của dòng chảy sông ngòi Trong thời

kỳ mùa lũ dòng chảy trong sông biến động mạnh theo thời gian do có mưa lớn trong thời kỳ đógây ra Trong thời kỳ mùa kiệt dòng chảy trong sông nhỏ, khá ổn định vì chủ yếu do nước ngầmcung cấp Thời kỳ bắt đầu mùa lũ, mùa kiệt hàng năm tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu từngvùng ở nước ta, thời kỳ mùa lũ và mùa kiệt ở các vùng khác nhau cũng khác nhau Bảng (2-8)

là giới hạn mùa lũ và mùa kiệt ở các vùng của Việt nam

Bảng 2-8: Giới hạn mùa lũ và mùa kiệt của sông ngòi một số vùng của Việt nam

1 Bắc bộ và Bắc Thanh hoá Từ tháng VI đến tháng X Từ tháng XI đến tháng V

2 Nam Thanh hoá, Bắc Nghệ

an Từ tháng VII đến tháng XI Từ tháng XII đến tháng VI

3 Nam Hà tĩnh đến Quảng trị Từ tháng IX đến tháng XII Từ tháng I đến tháng VIII

4 Ven biển từ Quảng Nam đến

Ninh thuận Từ tháng X đến tháng I Từ tháng II đến tháng IX

5 Khu vực Tây nguyên (trừ lưu

vực Eatub và Eakir) Từ tháng VII đến tháng XI Từ tháng XII đến tháng VI

6 Sông Ba, lưu vực Eatub,

Eaknir Từ tháng VII đến tháng XII Từ tháng I đến tháng VI

7 Nam Bộ Từ tháng VII đến tháng XI Từ tháng XII đến tháng VI

2.5.4 Phương trình cân bằng nước

Phương trình cân bằng nước là một công cụ được sử dụng để đánh giá quy luật cân bằngnước của quá trình hình thành dòng chảy và tính toán dòng chảy sông ngòi

Nguyên lý cân bằng nước được phát biểu như sau:  Với một khu vực bất kỳ hiệu số củalượng nước đến và lượng nước đi khỏi một khu vực đó trong thời đoạn tính toán bất kỳ bằng sựthay đổi trữ lượng nước của khu vực đó trong thời đoạn tính toán Phương trình cân bằngnước là sự thể hiện toán học của nguyên lý cân bằng nước

2.5.4.1 Phương trình cân bằng nước tổng quát

Ta lấy một khu vực bất kỳ trên mặt đất, giả thiết có một mặt trụ thẳng đứng bao bọc quanhchu vi khu đất đó tới giới hạn tầng đất không thấm nước (hình 2-15)

Hình 2-15: Sơ đồ các thành cân bằng nước của một khu vực giới hạn

Xét trong một thời đoạn t bất kỳ ta có các thành phần nước chảy đến và chảy đi khỏi khuvực đó như sau:

Phần nước đến bao gồm:

X: Lượng mưa bình quân rơi trên khu vực ta xét;

Z1: Lượng nước ngưng tụ trên bề mặt khu vực;

Y1: Lượng dòng chảy mặt chảy đến;

W1: Lượng dòng chảy ngầm chảy đến;

U1-: Lượng nước trữ trong khu vực đầu thời đoạn t

Phần nước đi bao gồm:

Z2: Lượng nước bốc hơi trên bề mặt khu vực;

Y2: Lượng dòng chảy mặt chảy đi;

W2: Lượng dòng chảy ngầm chảy đi;

U2: Lượng nước trữ trong khu vực cuối thời đoạn t

Phương trình cân bằng nước tổng quát viết cho một khu vực trên trong một thời đoạn bất

2.5.4.2 Phương trình cân bằng nước của lưu vực sông trong thời đoạn bất kỳ

Phương trình (2-30) là phương trình cân bằng nước viết cho một khu vực bất kỳ trên mặtđất Phương trình cân bằng nước viết cho khu vực giới hạn bởi đường phân lưu của lưu vựcsông gọi là phương trình cân bằng nước của lưu vực sông

a) Đối với lưu vực kín

Lưu vực kín là lưu vực có đường phân chia nước mặt trùng với đường phân chia nướcngầm, khi đó không có nước mặt và nước ngầm từ lưu vực khác chảy đến, tức là Y1=0 và W1=0.Đối với lưu vực kín, lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực ký hiệu là Y chính làlượng dòng chảy ra khỏi lưu vực, tức là Y=Y2+W2 Đặt Z=Z2-Z1 biểu thị hiệu số lượng bốc hơitrừ đi lượng ngưng tụ trên lưu vực cũng là một thành phần nước ra khỏi lưu vực Từ phươngtrình (2-30) ta có phương trình cân bằng nước viết cho một lưu vực kín trong thời đoạn t bất

kỳ như sau:

X = Y + Z + U (2-31)

Trong đó: Y=Y2+W2 và Z=Z2-Z1

b) Đối với lưu vực hở

Đối với lưu vực hở do có sự trao đổi nước ngầm với lưu vực lân cận nên có lượng dòngchảy ngầm từ lưu vực khác chảy vào hoặc ngược lại, khi đó phương trình cân bằng nước trongthời đoạn t bất kỳ có dạng (2-32):

X = Y + Z +W + U (2-32)

Trong đó W = W2-W1 và Y=Y2; Giá trị W có thể nhận giá trị âm hoặc dương

2.5.4.3 Phương trình cân bằng nước của lưu vực trong thời kỳ nhiều năm

Phương trình cân bằng nước dạng (2-31) và (2-32) được viết cho một thời đoạn t bất kỳ,

có thể với t =1 năm, 1 tháng, 1 ngày hoặc nhỏ hơn Bằng cách lấy bình quân hai vế củaphương trình cân bằng nước (2-31) và (2-32) cho thời kỳ nhiều năm với thời đoạn tính toánbằng 1 năm ta được phương trình cân bằng nước viết cho thời kỳ nhiều năm

a) Đối với lưu vực kín

Đối với lưu vực kín, từ phương trình (2-31) xét trong n năm ta có:

X0 = Y0 + Z0 (2-35)

Trong đó X0= , Y0= , Z0= là các giá trị bình quân nhiều năm củalượng mưa năm, lượng dòng chảy năm và lượng bốc hơi năm Nếu n đủ lớn thì X0, Y0, Z0, gọi làchuẩn mưa năm, chuẩn lớp dòng chảy năm, chuẩn bốc hơi năm

Phương trình (2-35) gọi là phương trình cân bằng nước của lưu vực kín trong thời kỳ nhiềunăm

b) Đối với lưu vực hở

Từ phương trình (2-32) với cách làm tương tự nhận được phương trình cân bằng nướctrong thời kỳ nhiều năm cho lưu vực hở dạng (2-36) như sau:

X0 = Y0 + Z0 +W0 (2-36)

Trong trường hợp lưu vực hở, giá trị W0= không tiến tới 0 được, bởi vì sự traođổi nước ngầm giữa các lưu vực thường không cân bằng, phần lớn chỉ xảy ra theo một chiều

5 Tính modul dòng chảy M0, biết lượng mưa X0 = 2000 (mm); hệ số dòng chảy 0=0,45.

6 Tính lượng bốc hơi Z0, biết lượng mưa X0 = 2500 (mm); lưu lượng dòng chảy Q0 = 70 (m3/s)

và diện tích của lưu vực F = 3500 (km2)

7 Cho diện tích lưu vực F= 1168 (km2), chiều dài lưu vực Llv= 99.1(km), chiều dài sông chínhLsc= 98.3(km) và tổng chiều dài sông nhánh Lsn=135.3(km), tính bề rộng lưu vực B, hệ sốhình dạng lưu vực Kd và mật độ lưới sông của lưu vực D?

8 Trên lưu vực có 4 trạm mưa, mỗi trạm khống chế diện tích là : f1= 160 km2 , f2= 310 km2,f3= 270 km2, f4=260 km2 Lượng mưa đại diện cho 4 mảnh diện tích tương ứng là: X1=210mm, X2=250mm, X3=310mm, X4=320mm Tính lượng mưa bình quân lưu vực theophương pháp đa giác Thesien (phương pháp bình quân gia quyền)?

9 Lưu vực sông có diện tích lưu vực F=1000 km2 Trên lưu vực có 5 trạm đo mưa, mỗi trạm đo

có lượng mưa tương ứng X1= 210mm, X2=250mm, X3=310mm, X4=320mm, X5=260mm.Tính lượng mưa bình quân lưu vực theo phương pháp bình quân số học?

10 Lưu vực sông được chia bởi các đường đẳng trị mưa X1=1600mm, X2=1700mm,

X3=1800mm, X4=1900mm, X5=2000mm, X6=2100, X7=2200mm Tương ứng với các phầndiện tích giới hạn bởi các đường đẳng trị mưa là f1=150 km2, f2= 410 km2, f3= 300 km2, f4=250km2, f5=250 km2, f6= 100 km2 Tính lượng mưa bình quân lưu vực theo phương pháp đườngđẳng trị mưa?

CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT XÁC SUẤT THỐNG KÊ ỨNG

DỤNG TRONG TÍNH TOÁN THỦY VĂN

3.1 Một số kiến thức cơ bản về lý thuyết xác suất

3.1.1 Biến cố ngẫu nhiên và phân loại

3.1.1.1 Khái niệm về phép thử và biến cố

- Phép thử: được hiểu là các thử nghiệm hoặc các quan sát được thực hiện đối với một hiện

tượng ngẫu nhiên nào đó Các thử nghiệm và quan sát đó phải được thực hiện trong cùng mộtđiều kiện nhất định

- Biến cố: Kết quả của phép thử ngẫu nhiên gọi là biến cố ngẫu nhiên, hoặc nói ngắn gọn

gọi là biến cố

3.1.1.2 Phân loại biến cố

1 Biến cố chắc chắn: là biến cố nhất định phải xuất hiện trong một phép thử, thường ký

hiệu là E

2 Biến cố không thể có: là biến cố không thể xuất hiện trong một phép thử, thường ký

hiệu là 

3 Biến cố độc lập và biến cố phụ thuộc

- Biến cố độc lập: là biến cố mà sự xuất hiện của nó không phụ thuộc vào sự xuất hiện của

các biến cố khác

- Biến cố phụ thuộc: là biến cố mà sự xuất hiện của nó phụ thuộc vào sự xuất hiện của biến

cố khác

vực sông nào đó: gọi A là biến cố xuất hiện giá trị Qmax của sông thứ nhất, B là biến cố xuất hiện

Qmax của sông thứ hai Nếu sự xuất hiện giá trị Qmax của sông này phụ thuộc sự xuất hiện giá trị

Qmax của sông kia thì hai biến cố A và B được gọi là biến cố phụ thuộc, trong trường hợp ngượclại gọi là biến cố độc lập

4 Biến cố xung khắc: Hai biến cố A và B được gọi là hai biến cố xung khắc nếu chúng

không cùng xuất hiện trong một phép thử

5 Biến cố đối lập: A được gọi là đối lập với biến cố A nếu biến cố và biến cố A không

xảy ra trong phép thử nhưng một trong hai biến cố chắc chắn phải xuất hiện

6 Biến cố đồng khả năng: Các biến cố A1, A2, , An được gọi là các biến cố đồng khảnăng nếu khả năng xuất hiện của các biến cố này trong một phép thử ngẫu nhiên là như nhau

7 Biến cố tổng: biến cố C được gọi là biến cố tổng của hai biến cố A và B (quy ước viết là

C = A+B), nếu hoặc A xuất hiện, hoặc B xuất hiện, hoặc cả A và B cùng xuất hiện đều dẫn đến

sự xuất hiện của biến cố C

8 Biến cố tích: C được gọi là biến cố tích của hai biến cố A và B (C=A.B), nếu biến cố C

xuất hiện là do biến cố A và B cùng xuất hiện tạo nên

Trên hình 3-1 mô tả hình học về biến cố tích và biến cố tổng, trong đó các miền gạch chéo

mô tả miền của các loại biến cố

Hình 3-1: Sơ đồ mô tả biến cố tổng và biến cố tích

a) Biến cố A; b) Biến cố B; c) Biến cố tổng; d) Biến cố tích; Vùng giao của hai biến cố

A và B là vùng trùng lặp của hai biến cố

3.1.1.3 Khái niệm về biến cố cơ bản và không gian biến cố

Biến cố cơ bản (còn gọi là biến cố sơ cấp) là biến cố mà sự xuất hiện của nó không do sự tổhợp của các biến cố khác hợp thành Tập hợp tất cả các biến cố cơ bản có thể xuất hiện trongmột phép thử được gọi là không gian biến cố

3.1.2 Xác suất và các định lý cơ bản về xác suất

Xác suất là số đo khả năng xuất hiện của một biến cố nào đó trong một phép thử ngẫunhiên Xác suất thường ký hiệu P, là một số không âm và không lớn hơn 1:

3.1.2.1 Định nghĩa xác suất

a Định nghĩa cổ điển của xác suất: Xác suất xuất hiện của một biến cố A nào đó bằng tỷ

số giữa số biến cố cơ bản thuận lợi cho A xuất hiện trên tổng các biến cố cơ bản của không gianbiến cố Công thức tính xác suất của biến cố A là:

P (A) =

(3-2)

Trong đó: n là tổng các biến cố cơ bản của không gian biến cố đang xét; m là số biến cố cơbản thuận lợi cho biến cố A xuất hiện

Thí dụ: Khi ta thực hiện phép thử gieo con xúc xắc, tính xác suất xuất hiện mặt có số lớn

hơn 2 Ký hiệu e1, e2, e3, e4, e5, e6 là mặt của con xúc xắc, ta có không gian các biến cố cơ bảngồm 6 biến cố cơ bản Gọi A là biến cố để con xúc xắc xuất hiện mặt có số đọc lớn hơn 2 Khicon xúc xắc xuất hiện các mặt e3, e4, e5, e6 đều dẫn đến sự xuất hiện của biến cố A Như vậy sốbiến cố cơ bản thuận lợi cho A xuất hiện là 4, xác suất xuất hiện biến cố A theo định nghĩa là:

Giả sử ta thực hiện n lần một phép thử và quan sát sự xuất hiện một biến cố A nào đó Giả

sử trong n lần đó quan sát được m lần xuất hiện biến cố A Khi đó tỷ số:

AB

A

p = được gọi là tần số xuất hiện của biến cố A.

2) Định nghĩa xác suất theo thống kê

Xác suất xuất hiện của một biến cố A nào đó trong một phép thử là tần số xuất hiện củabiến cố đó khi số lần thực hiện phép thử tăng lên vô hạn

3.2.1 Khái niệm về đại lượng ngẫu nhiên

Định nghĩa: Đại lượng ngẫu nhiên là một đại lượng mà trong một phép thử nó nhận một

giá trị có thể với xác suất tương ứng của nó

3.2.2 Đại lượng ngẫu nhiên rời rạc và đại lượng ngẫu nhiên liên tục

Đại lượng ngẫu nhiên được chia làm hai loại: Đại lượng ngẫu nhiên liên tục và đại lượngngẫu nhiên rời rạc

- 0 x1 x2 .xi x

Hình 3-2: Mô tả các giá trị ngẫu nhiên trên trục số xĐại lượng ngẫu nhiên X là đại lượng ngẫu nhiên rời rạc nếu như nó chỉ nhận một số giá trịhữu hạn trong khoảng xác định của nó

Đại lượng ngẫu nhiên được gọi là liên tục nếu nó nhận bất kỳ giá trị trong khoảng xác địnhcủa nó

3.2.3 Luật phân bố xác suất của đại lượng ngẫu nhiên

Luật phân bố xác suất của đại lượng ngẫu nhiên là quy luật liên hệ những giá trị có thể của đại lượng ngẫu nhiên với những xác suất tương ứng của chúng.

Luật phân bố của đại lượng ngẫu nhiên được biểu thị dưới dạng bảng hoặc dạng đồ thị(xem bảng 3-2 và hình 3-3)

Bảng 3-2a: Biểu thị luật phân bố xác suất của đại lượng ngẫu nhiên rời rạc dạng bảng

Hình 3-3 là sự biểu thị luật phân bố xác của một đại lượng ngẫu nhiên rời rạc với 6 giá trị

có thể x1, x2, ,x6

Hình 3-3: Biểu thị luật phân bố xác xuất của đại lượng ngẫu nhiên rời rạc dạng đồ thịViệc biểu thị luật phân bố xác suất dưới dạng bảng phân bố hoặc đa giác phân bố chỉ thựchiện được đối với đại lượng ngẫu nhiên rời rạc Đối với đại lượng ngẫu nhiên liên tục thì cáchbiểu thị này không thể sử dụng được vì hai lý do sau đây :

1 Đại lượng ngẫu nhiên liên tục có thể nhận bất kỳ một giá trị nào trên khoảng xác địnhcủa nó, do đó tổng số các giá trị có thể của nó là vô hạn Vì vậy việc lập bảng phân bố hoặc vẽ

đa giác phân bố không thể thực hiện được

2 Vì số giá trị của đại lượng ngẫu nhiên là vô cùng lớn nên không thể xác định được xácsuất để đại lượng X nhận đúng một giá trị xi nào đó p(X = xi ), vì:

p( X = xi ) = = 0 (3-4)Theo công thức (3-4), xác suất để đại lượng ngẫu nhiên X nhận đúng một giá trị cụ thể nào

đó bằng “0” Điều này thực ra là không đúng và không có nghĩa

3.2.4 Hàm phân bố xác suất của đại lượng ngẫu nhiên

3.2.4.1 Khái niệm

Ký hiệu F(x) là hàm phân bố xác suất ta có:

F (x) = P (X ≥ x) (3-5)

Định nghĩa: Hàm phân bố xác suất F(x) là xác suất để cho đại lượng ngẫu nhiên X nhận

các giá trị lớn hơn hoặc bằng một giá trị x, trong đó x là biến số nhận các giá trị có thể trên miềnxác định của nó

3.2.4.2 Tính chất và đồ thị của hàm phân bố xác suất

a Tính chất

Hàm phân bố xác suất F(x) có những tính chất như sau:

1 Giá trị của hàm phân bố xác suất luôn dương và nhận giá trị trong khoảng [0,1]: