C2 qttvan

Chương2:

QUÁ TRÌNH THỦY
VĂN
Các quá trình thủy văn làm biến đổi phân bố
không gian và thời gian của nước trong mọi khâu
của vòng tuần hoàn thủy văn. Sự vận động
của nước trong hệ thống thủy văn chịu ảnh
hưởng và chi phối các tính chất vật lý của hệ
thống như hình dạng, kích thước dòng chảy và của
tác động qua lại giữa nước với các đối tượng
trung gian khác trong đó có không khí và nhiệt.
Rất nhiều định luật khác nhau điều khiển hoạt
động của hệ thống thủy văn.
2.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THỦY VĂN:
Hệ thống là một tập họp các thành phần có
quan hệ liên thông với nhau tạo thành một tổng
thể. Ví dụ: tuần hoàn thủy văn là một hệ
thống thủy văn với các thành phần là:nước
rơi, bốc hơi, dòng chảy với các pha khác nhau của
chu trình. Các thành phần này có thể tập họp
thành các hệ thống con của chu trình lớn. Có ba
hệ thống con trong tuần hoàn thủy văn: Hệ
thống nước khí quyển, bao gồm các quá trình
nước rơi, bốc hơi, ngăn giữ nước bởi cây cối, và
bốc thoát hơi từ sinh vật. Hệ thống nước mặt,
bao gồm các quá trình chảy trên sườn dốc, chảy
mặt, xuất lộ của các dòng sát mặt, dòng
ngầm, quá trình dòng chảy đổ vào sông ngòi,
đại dương. Hệ thống nước dưới mặt đất, bao
gồm các quá trình thấm, bổ sung nước cho kho

nước ngầm, các dòng sát mặt đất và dòng
ngầm sâu trong lòng đất.


Trong việc phát triển các mô hình thủy văn, định
lý vận tải Reynolds (hay còn gọi là phương
pháp thể tích kiểm tra đã cho ta một lý thuyết
nền tảng cơ sở. Định lý này được sử dụng để
thiết lập các phương trình liên tục, phương trình
động lượng, phương trình năng lượng… của
nhiều quá trình thủy văn.

2.2 ĐỊNH LÝ VẬN TẢI REYNOLDS.
Trong định lý này, người ta áp dụng các định luật
vật lý cho một dòng chất lỏng chuyển động liên
tục qua một thể tích kiểm tra cố định trong không
gian, có thể tích là W, được bao quanh bởi diện tích
A:
W

A2
1

A1
B

C

D

Gọi X là đại lượng nào đó của dòng lưu chất qua
W, k là giá trị X trong một đơn vị khối lượng,
ta có
Bằng phương pháp thể tích kiểm soát, ta có thể
tìm đạo hàm toàn phần của X theo thời gian như
sau:

(2.1)


Nếu dòng lưu chất chuyển động ổn định ( dòng
ổn định là dòng mà các đặc trưng thủy lực của
dòng (vận tốc, diện tích mặt cắt ướt, lưu lượng,..)
không thay đổi theo thời gian), thành phần

;

ta suy ra:
(2.2)
2.3 PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC.
Trong trường hợp X là khối lượng, ta có k=1, và
theo định luật bảo toàn khối lượng, dX/dt=0, suy ra:
(2.3)
dA2
u2ø
dA1
u1

1u1ndA1

=

2u2ndA2

Đối với dòng nguyên tố, lưu
chất chỉ vào một đầu (diện
tích dA1), và ra ở đầu kia (dA 2),
nên ta có:
(2.4)

Phương trình (2.4) là phương trình liên tục cho dòng
nguyên tố. Đối với toàn dòng chảy, ta phải lấy
tích phân phương trình trên cho toàn dòng, lúc ấy:
(2.5)
Nếu lưu chất là không nén được, =conts, ta suy ra:
Q1= Q2 hay Q=const dọc theo dòng chảy
(2.6)
Đối với một hệ thống thủy văn, nếu tổng lượng
dòng vào bằng tổng lượng dòng ra thì hệ thống
được gọi là kín. Ví dụ vòng tuần hoàn thủy văn
là một hệ thống kín. Ngược lại, hệ thống xem như
là hở. Ví dụ : quá trình Mưa rào-dòng chảy mặt
là một hệ thống hở vì khi mưa xuống, không tất
cả đều trở thành dòng chảy mà còn một phần
đã bay ngượclại khí quyển bằng bốc hơi.


Các phương trình liên tục trên được thiết lập cho
chất lỏng một pha (hoặc là dòng khí, hoặc là
dòng nước. Đố với dòng nhiều pha (ví dụ như khí

và nước), cần viết phương trình liên tục cho từng
pha riêng biệt, và đại lượng dX/dt trong mỗi pha sẽ
là lượng biến đổi X trong một đơn vị thời gian
của dòng lưu chất thêm vào hoặc lấy ra khỏi pha
đang xét.

2.4 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LƯNG.
Khi X là động lượng, thì k= , ta có:

.

Theo định luật 2 Newton, biến thiên động lượng
trong một đơn vị thời gian bằng tổng ngoại
lực tác dụng lên khối chất lỏng (có thể tích
w như trên). Đối với dòng ổn định,
từ phương
trình (2.2), ta có:
(2.7)
Đối với toàn dòng chảy từ mặt cắt 1-1 đến 2-2,
phương trình (2.7) trở thành phương trình động lượng
chiếu trên một phương s bất kỳ:
(2.8)
với 0 là hệ số hiệu chỉnh động lượng.
2.5 CÂN BẰNG NĂNG LƯNG.
Trong trường hợp X là năng lượng của dòng chảy
có khối lượng m (ký hiệu là E, bao gồm nội
năng, động năng và thế năng), ta có:
X = E = Eu+1/2mu2+mgZ

(2.9)

Vậy k bằng:
(2.10)


trong đó eu là nội năng trên một đơn vị khối
lượng.
Theo định luật I Nhiệt động lực học, số gia năng
lượng (dE/dt) được truyền vào chất lỏng trong
một đơn vị thời gian, bằng suất biến đổi
trong một đơn vị thời gian của nhiệt lượng
(dH/dt) truyền vào khối chất lỏng đang xét,
trừ đi suất biến đổi công (dW/dt) trong một
đơn vị thời gian của khối chất lỏng đó thực
hiên đối với môi trường ngoài (ví dụ trong
quá trình chuyển động công mất đi do ma
sát):
(2.11)
Từ phương trình (2.1), ta có:

(2.12)
(2.12) là phương trình cân bằng năng lượng cho
dòng chất lỏng không ổn định có khối lượng
riêng  thay đổi.
Đối với dòng ổn định, không có sự trao đổi nhiệt
với bên ngoài:
(2.14)
hay:
Nhận xét thấy

(2.15)
là phần biến đổi

năng lượng do chuyển động của các phần tử
bên trong khối lưu chất và do ma sát của khối lưu
chất với bên ngoài. Đại lượng này khó xác định
được bằng lý thuyết, thông thường, nó được tính
từ thực nghiệm, tuỳ trường hợp cụ thể. Ta đặt:


(2.16)
với hf là mất năng trung bình của một đơn vị
trọng lượng lưu chất.
Xét cho một đoạn dòng chảy từ mặt cắt 1-1 đến
2-2, mà mặt cắt bao quanh là các đường dòng.
Dòng lưu chất chỉ có thể vào mặt cắt 1-1 và
ra ở mặt cắt 2-2.
Như vậy từ (2.16) và (2.15) ta có:
(2.17)
Nếu lưu chất không nén được, ta có:
(2.18)
hay:

(2.19)

trong đó: Z là thế năng (bao gồm cả vị năng lẫn
áp năng) của một đơn vị trọng lượng lưu chất,
là động năng của một đơn vị trọng lượng lưu
chất,
 là hệ số hiệu chỉnh động năng.

Phương trình (2.19) là phương trình năng lượng
viết cho dòng lưu chất trọng lực không nén
được chuyển động ổn định
2.6 QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN.
Sự dẫn tải của nhiệt năng được diễn ra theo ba
cách: dẫn truyền, đối lưu, và bức xạ.
Dẫn truyền xảy ra do các phân tử lưu chất
chuyển động hỗn loạn trong khối, chúng tiếp xúc
nhau và trao đổi nhiệt với nhau.
Đối lưu là phương thức vận chuyển nhiệt khi lưu
chất chuyển động. Phương thức này dẫn tải nhiệt
trên một phạm vi rộng lớn hơn.


Bức xạ là phương thức truyền nhiệt bằng các
sóng điện từ và có thể diễn ra trong chân
không.
Trong khi vận tải nhiệt bằng hai phương thức đầu,
thì cũng đồng thời dẫn tải khối lượng, động lượng
hay năng lượng.