Bài giảng Thuỷ văn nước mặt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC
BỘ MÔN THỦY VĂN VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC

THỦY VĂN NƯỚC MẶT

(Surface Hydrology)

PGS. TS. Hoàng Thanh Tùng
Email:
Mob: 0904160372


BÀI MỞ ĐẦU
a. Nội dung: Giới thiệu những khái niệm cơ bản về thủy văn nước mặt
bao gồm chu trình thủy văn, mưa, các loại tổn thất, dòng chảy, các
phương trình cơ bản của dịng chảy mặt, các đặc tính lý hoá và sinh
học của nước; các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu thủy văn
nước mặt và một số bài toán ứng dụng của thủy văn nước mặt trong
quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, phòng chống thiên tai.
b. Giáo trình:


Surface water hydrology (tiếng Anh) - “Thủy văn nước mặt”



Thủy văn Thiết kế - PGS. TS. Lê Văn Nghinh



Thủy văn cơng trình – Bộ mơn TV & TNN

c. Đánh giá: Điểm quá trình 30% ( bài tập, tinh thần học tập)
Điểm thi kết thúc: 70% (thi cuối kỳ - thi viết)


Nội dung môn học
Chương

Nội dung

Số tiết

I

Những vấn đề cơ bản của thủy văn nước mặt
 Chu trình thủy văn
 Mưa
 Bốc hơi
 Thấm
 Lượng trữ nước tự nhiên
 Tổn thất cất trữ
 Tổn thất điền trũng
 Dịng chảy
Các phương trình cơ bản của dòng chảy mặt
2.1. Dòng chảy tràn
2.2. Dòng chảy trong sơng thiên nhiên
2.3. Hồ chứa
2.4. Diễn tốn dịng chảy
Đặc tính hố, lý và sinh học của nước

3.1. Đặc tính vật lý
3.2. Đặc tính hố học
3.3. Đặc tính sinh học

II.

III.

3

LT
3

Phân bổ
TH
0

BT,DA
0

12

6

3

3

3

3

0

0


Nội dung mơn học
Chương

Nội dung

Số tiết

IV

Phân tích tính tốn thủy văn nước mặt
4.1. Sự biến đổi của các yếu tố thủy văn theo không
gian và thời gian
4.2. Các phương pháp thống kê trong thủy văn
4.3. Phân tích tần suất
4.4. Tương quan và hồi quy
4.5. Tính tốn các đặc trưng thủy văn trong trường hợp
có đủ số liệu
4.6. Tính tốn các đặc trưng thủy văn trong trường hợp
không đủ số liệu
Những bài toán ứng dụng của thủy văn nước mặt
5.1. Đánh giá tài ngun nước lưu vực
5.2. Tính tốn mực nước thiết kế.
5.3. Tính tốn thuỷ văn thiết kế hồ chứa.

5.4. Tính tốn thủy văn thiết kế phục vụ tưới, tiêu trong
nơng nghiệp.
5.5. Dự báo dịng chảy
5.6 Tính tốn thủy văn thiết kế phục vụ giao thơng.
5.7. Tính tốn thủy văn thiết kế phục vụ quy hoạch thủy
lợi và phòng lũ.
Tổng

9

LT
9

18

6

9

3

45

27

12

6

V

Phân bổ
TH
BT,DA
0
0


Chương I: Những vấn đề cơ bản của
thủy văn nước mặt


Chu trình thủy văn



Giáng thủy



Bốc hơi



Thấm



Lượng trữ nước tự nhiên



Tổn thất cất trữ



Tổn thất điền trũng



Dòng chảy


Chu trình thuỷ văn






Chu trình thuỷ văn là một hệ
thống kín theo nghĩa nước ln
chuyển trong hệ thống ln
ln nằm trong hệ thống.
Tồn bộ chu trình được dẫn dắt
bởi sự vượt quá của lượng bức
xạ đến so với lượng bức xạ đi.
Chu trình bao gồm các tiểu hệ
thống: nước trong khí quyển,
dịng chảy mặt, nước sát mặt

(hay cịn gọi là pha khơng bão
hịa), nước ngầm (hay pha bão
hịa), nước trong mạng lưới
lòng dẫn và nước ở biển, đại
dương


Chu trình thuỷ văn








Thuỷ văn nước mặt đề cập tới phần của chu trình thuỷ văn xuất
hiện trên bề mặt trái đất.
Nó tiếp theo thuỷ văn khí quyển - nghiên cứu sự chuyển động
nước trong khí quyển thường ở dưới dạng hơi nước và nước
mưa (đôi khi được coi như là khí tượng thuỷ văn) và
Thuỷ văn nước dưới đất (đơi khi cịn gọi là thuỷ văn địa chất
hay địa chất thuỷ văn) liên quan tới nước ở trong các lỗ rỗng
dưới bề mặt đất.
Việc phân chia chu trình thuỷ văn thành các tiểu hệ thống (trên
không, trên mặt đất và dưới mặt đất) chỉ là tương đối, bởi
những sự trao đổi biến động liên tục cả theo không gian và thời
gian xảy ra trong quá trình chuyển động nước.

Chu trình thuỷ văn




Hai định luật cơ bản áp dụng cho từng hiện tượng khoa học của chu
trình thuỷ văn là định luật bảo toàn khối lượng nước và định luật
bảo toàn năng lượng nước
Định luật bảo toàn khối lượng có thể được biểu diễn qua các số hạng
của phương trình cân bằng nước đơn giản, mơ tả chu trình thuỷ văn
trong một thời khoảng Δt trên một diện tích cụ thể nào đó:

P+C+Is+Iu+ΔS= E+Os+Ou


Trong đó: P là lượng mưa rơi trên diện tích đó; C là lượng nước ngưng
tụ, Is là lượng dòng chảy mặt đến và Iu là lượng chảy ngầm đến, ΔS là
lượng nước trữ thay đổi trong diện tích, E là lượng bốc hơi, Os lượng
chảy mặt đi và Ou là lượng chảy ngầm đi ra khỏi diện tích.


Chu trình thuỷ văn
Sơ họa về pha nước
trên bề mặt đất của chu
trình thuỷ văn, chiều
rộng mũi tên lớn chỉ độ
lớn trung bình tương đối
của việc chuyển nước
trong một vùng ẩm ướt

Chu trình thuỷ văn


Nhắc lại một số khái niệm đã học trong môn học “Nguyên lý
TV”:








Tổn thất cất giữ là lượng nước mưa bị thực vật giữ lại.
Bốc thoát hơi nước là sự chuyển hoá của nước trực tiếp từ dạng
lỏng sang dạng hơi, hoặc là do quá trình vật lý của bốc hơi hoặc
do quá trình sinh học của thoát hơi xảy ra đối với thực vật
Trữ điền trũng là q trình trong đó nước được giữ lại trên bề
mặt lưu vực trong những chỗ trũng có kích cỡ khác nhau từ đầm
lầy, ao hồ đến các phần cỡ như hạt đất
Thấm được coi là sự chuyển động của nước vào trong lòng đất
Dòng chảy mặt (cũng còn được gọi là lượng mưa hiệu quả hoặc
lượng mưa vượt quá) là phần còn lại của nước mưa sau khi đã bị
tổn thất dưới dạng cất giữ, điền trũng và thấm


Chu trình thuỷ văn
Nhắc lại một số khái niệm đã học trong môn học “Nguyên lý
TV”:









Ẩm trong đất là nước được giữ lại trong vùng khơng bão hịa
nước ở phía trên mực nước ngầm.
Dịng chảy sát mặt nói chung được coi là nước thấm vào trong
đất nhanh chóng qua lớp đất trên và di chuyển vào các lòng dẫn
trên bề mặt đất, chúng không chuyển động tới mực nước ngầm.
Thấm sâu là sự chuyển động của nước xuống dưới sâu qua các
lớp đất dưới tác dụng của trọng lực. Nước thấm sâu thường là bổ
sung cho nước ngầm như một lượng bổ cập tự nhiên
Nước ngầm là nước chứa trong đất đá bão hòa nước. Bề mặt tự
do của nước trong địa tầng đất, đá được gọi là mực nước ngầm.


Chu trình thuỷ văn








Dâng mao dẫn là hiện tượng nước dâng thẳng đứng trên mực

nước ngầm thông thường qua các lỗ rỗng mao quản nhỏ trong
đất
Dịng chảy sơng ngịi là hiện tượng nước chảy qua các lịng dẫn
sơng ngịi hiện có. Sau khi tiếp nhận nước vào trong các lịng
dẫn, dịng chảy mặt chịu một tổn thất nữa, đó là tổn thất di
chuyển trong lòng dẫn. Những tổn thất này có thể do phải điền
lấp lịng dẫn (trữ tạm thời), điền lấp trữ ven bờ, thấm qua lịng
sơng ngịi và bốc hơi từ lòng dẫn, chỗ điền trũng hoặc từ chỗ trữ
ven bờ.
Một phần nước mưa không tham gia trực tiếp vào hình thành
dịng chảy mặt được gọi là “lượng mưa tổn thất ”. Phần còn lại
được gọi là “lượng mưa hiệu quả”.
Mối quan hệ giữa mưa và dòng chảy mặt đơi khi được biểu thị
qua hệ số dịng chảy mặt.


Chu trình thuỷ văn


Chu trình thuỷ văn


Chu trình thuỷ văn


Giáng thủy








Theo trạng thái vật lý, giáng thuỷ có thể phân loại thành mưa và
sương (dạng lỏng), tuyết, sương muối và băng (dạng rắn) và mưa
đá (lẫn cả dạng rắn và lỏng).
Theo quan điểm thuỷ văn mưa và tuyết là hai dạng quan trọng nhất
bởi vì chúng tạo ra hoặc là dịng chảy mặt tức thì từ lượng mưa
hoặc chúng tích lũy nước lại dưới dạng tuyết trên bề mặt và tạo ra
dòng chảy mặt trong thời kỳ tuyết tan.
Hơi nước trong khơng khí là nguồn của giáng thuỷ. Để cho mưa
xuất hiện, khơng khí chứa hơi nước buộc phải đẩy lên cao và sau
đó bị lạnh đi, nhờ đó hình thành các giọt nước và tinh thể băng. Do
khơng khí được đẩy lên cao bởi các cơ chế nâng lên khác nhau, nó
chịu áp suất khí quyển giảm. Sau đó nó co lại và lạnh đi.
Bốn trường hợp chuyển động lên cao và lạnh đi đáng kể nhất đối
với khối khơng khí là: đối lưu, lên cao theo sườn núi, hoạt động
front và hội tụ.


Giáng thủy






Mưa biến đổi theo cả không gian và thời gian với cường độ mưa
khác nhau. Sự biến động này có ảnh hưởng lớn đến việc đo mưa và

phân tích mưa (trận mưa thiết kế, mưa có khả năng lớn nhất v.v.).
Những cực trị trong mưa phụ thuộc vào thời gian xem xét. Mưa
thông thường được lấy mẫu tại các điểm rời rạc và nó có thể được
đại diện cho giá trị trung bình mưa diện.
Lượng mưa trên một diện tích phụ thuộc vào nhiều yếu tố ví dụ
như vị trí địa lý (vĩ độ), hướng gió, địa hình (độ cao so với mực
nước biển), khoảng cách tới biển, thảm thực vật v.v. Mưa có sự
biến đổi lớn trên tồn cầu, một số nơi có lượng mưa trung bình
năm hơn 12,000 mm, trong khi đó ở nhưng nơi khơ hạn lượng mưa
trung bình năm lại nhỏ hơn 20 mm.


Giáng thủy


Giáng thủy


Giáng thủy
Sự phân bố mưa trong năm có thể được đặc trưng bằng các cách
khác nhau: hai cách đơn giản là:



Phân bố theo trung bình tháng trong năm hoặc
Quan hệ giữa mưa trung bình năm và trung bình mưa một ngày
lớn nhất trong năm

Bốc hơi









Theo quan điểm của thuỷ văn, có hai loại bốc hơi đáng kể là bốc hơi
từ hồ ao và bốc thoát hơi nước thực tế của các khu vực có cây.
Khái niệm tiềm năng bốc hơi có giá trị về mặt lý thuyết.
Tiềm năng bốc hơn được định nghĩa là bốc hơi nước xảy ra khi luôn
đủ nước trong đất cho việc sử dụng tiêu hao của thực vất với giả thiết
rằng bề mặt được bao phủ bởi tham xanh thực vật.
Bốc hơi từ hồ ao là bốc hơi thực tế từ bề mặt nước trong một thời
đoạn. Bốc hơi xảy ra là kết quả của sự trao đổi nhiệt và trao đổi khối
lượng ở bề mặt tiếp giáp giữa nước và khơng khí.
Bốc thốt hơi nước thực tế là lượng nước bị bốc hơi và thoát hơi sinh
học trong một thời đoạn do trao đổi tao đổi nhiệt và trao đổi khối
lượng tại bề mặt tiếp giáp giữa đất-khơng khí và cây-khơng khí.


Bốc hơi


Bốc hơi




Tính bốc hơi hàng năm của hồ từ số liệu đo bằng thùng trong thực
tế bằng cách nhân lượng bốc hơi thùng với hệ số kinh nghiệm
chuyển đổi từ thùng đo sang hồ. Hệ số chuyển đổi này đối với một
khu vực cụ thể cần phải được xác định bằng cách so sánh giữa bốc
hơi thực tế đo trên thùng và bốc hơi trên mặt hồ nếu có thể hoặc
bằng cách so sánh với thùng đo đủ lớn để mơ phỏng như một hồ.
Bốc thốt hơi nước thơng thường được coi là bốc hơi thực tế từ
nước, đất, thực vật và các bề mặt khác cộng với thoát hơi do thực
vật. Người ta khơng thể đo bốc thốt hơi nước trực tiếp từ một lưu
vực trong điều kiện tự nhiên


THỦY VĂN NƯỚC MẶT
Hồng Thanh Tùng
Bộ mơn Thủy văn & TNN