Thủy văn công trình - Chương 1 ppsx

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÔNG NGÒI VÀ NỀN KINH TẾ
QUỐC DÂN.

Trên trái đất, nước là loại vật chất phong phú nhất, là thành phần cấu
tạo chính của mọi vật thể sống, là lực lượng chủ lực không ngừng làm
thay đổi hình thể bề mặt trái đất. Nước giữ vai trò then chốt trong việc
điều hòa nhiệt độ quả đất, bảo đảm cho sự sinh tồn của nhân loại.
Sông ngòi và nền kinh tế Quốc dân liên hệ với nhau rất chặt chẽ.
Muốn sống và tồn tại, con người cần có nước. Người ta có thể nhòn đói
được, nhưng không thể nhòn khát. Trong điều kiện phát triển kinh tế
hiện nay, mọi hoạt động của con người đều liên quan đến việc khai
thác và sử dụng nguồn nước. Nước để phục vụ ruộng đồng, phục vụ
sinh hoạt hàng ngày, nước làm lạnh nồi hơi, máy móc, nước phục vụ
giao thông vận tải, quốc phòng, năng lượng nước làm ra điện,
Theo số liệu sơ bộ, nước ta có trên 1000 sông, suối với trữ năng tiềm
tàng khoảng 260-280 tỷ KW/h. Trong đó, sông Đà, sông Lô, sông
Đồng Nai có nguồn năng lượng rất lớn. Nhiều nhà máy thủy điện lớn ở
nước ta được xây dựng: Hoà Bình, Trò An, Thác Bà, Đa Nhim, và
nhiều nhà máy khác đang xây dựng.
Bên cạnh đó, tác hại mà sông ngòi đem đến cho chúng ta không ít. Lũ
lụt đã đem lại cho chúng ta bao nhiêu chết chóc đau thương. Dòng
chảy trong những đoạn sông quanh co đã lôi cuốn đi hàng vạn mét đất,
làm sụp lỡ bờ, nhà của, con người tiêu tan.
Lợi và hại là hai mặt trái phải của dòng sông. Chúng ta cần nghiên
cứu kỹ lưỡng để lợi dụng và chinh phục nó, bắt nó phải phục vụ cho
cuộc sống của con người.

1.2 NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG MÔN HỌC.

Thủy văn là ngành khoa học nghiên cứu mọi pha khác nhau của nước
trên trái đất, có vò trí quan trọng đối với con người và môi trường. Các
thành tựu của thuỷ văn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực
khác nhau như: thiết kế và vận hành các công trình thủy, cấp nước đô
thò, bố trí và xử lý các nguồn nước thải, tưới tiêu, sản xuất năng lượng
điện, phòng chống lũ lụt, xói lở bờ, bồi lắng phù sa, ngăn mặn, giảm
nhẹ ô nhiễm, Nhiệm vụ của Thủy văn là giúp phân tích các vấn đề
tính toán như trên và cung cấp chỉ dẫn sử dụng và bảo vệ nguồn tài
nguyên nước.
Đối tượng nghiên cứu của Thủy Văn là các loại nước khác nhau trên
trái đất, sự phân bố, vận động , các đặc tinh vật lý, hóa học của chúng,
các tác động qua lại đối với môi trường chung quanh và con người.
Thủy văn có thể được xem là ngành khoa học chứùa đựng toàn bộ các
ngành khoa học khác về nước hay nói cách khác, đây là ngành khoa
học nghiên cứu về vòng tuần hoàn Thủy văn, về chu trình vận động
vónh cửu của nước giữa mặt đất và bầu khí quyển. Các kiến thức thủy
văn được áp dụng trong việc điều khiển và áp dụng nguồn tài nguyên
nước trên đất liền. Trong đại dương, nước thuộc phạm vi nghiên cứu
của Hải dương học.

1.3 VÒNG TUẦN HOÀN THỦY VĂN.

Nước trên trái đất tồn tại trong một khoảng không gian gọi là thuỷ
quyển (từ độ cao 15 km trên bầu khí quyễn đến sâu trong thạch quyển
1 km. Trong vòng thuỷ quyển, nước vận động vô cùng phức tạp, cấu
tạo thành vòng tuần hoàn thủy văn (hay còn gọi là chu trình thủy văn)
như hình 1.1

Nước bốc hơi từ các đại dương và lục đòa trở thành một bộ phận của
khí quyển, hơi nước bốc lên cao, gặp lạnh, hội đủ điều kiện, chúng sẽ
ngưng tụ và rơi trở lại mặt đất, mặt biển. Lượng nước rơi xuống mặt
đất có thể bò ngăn giữ lại bởi các rừng cây , rồi chảy trên các sườn dốc,
thấm vào lòng đất thành dòng nước ngầm, chảy vào các lòng sông

thành dòng chảy mặt. Phần lớn lượng nước được các lớp thảm thực vật
giữ lại, , và một phần dòng chảy mặt sẽ quay lại bầu khí quyển qua
con đường bốc hơi, phần còn lại đổ ra biển, và cũng sẽ bốc hơi. Dòng
chảy ngầm sẽ ở sâu trong lòng đất, đến tầng không thấm, và sẽ xuất
lộ thiên ra các dòng suối chảy dần vào sông, cuối cùng cũng bốc hơi
hoặc đổ ra biển.












Theo thống kê của Ven Techow, nếu tổng lượng nước trên trái đất là
100%, thì 96,5% là nước đại dương, 1,7% là băng ở hai cực, 1,7% là
nước ngầm, chỉ có 0,1% là nước mặt và hơi nước trong không khí


1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CÁC HIỆN TƯNG THỦY

VĂN

1. Phương pháp “Phân tích nguyên nhân hình thành”
Hiện tượng thủy văn là kết quả của nhiều nguyên nhân khác. Dòng
chảy sinh ra trên mặt đất phụ thuộc vào mưa, điều kiện đòa chất, lớp
phủ thực vật, đòa hình, lưu vực…Vì thế, để nghiên cứu hiện tượng thuỷ
Tầng không thấm
Biển
Bốc hơi từ mặt đất
Bốc hơi từ đại
dương
Mưa rơi
xuống đại
dương
Hơi ẩm chuyền
vào mặt đất
Mưa trên mặt đất
Mặt đất
Tầng thấm
Dòng chảy ngầm
Dòng chảy mặt
Dòng chảy mặt
H. 1.1 Tuần hoàn Thủy văn

văn, người ta dùng phương pháp “Phân tích nguyên nhân hình
thành”
Theo phương pháp này, người ta xây dựng các mô hình lý của dòng
chảy để nghiên cứu, bố trí và đo đạc các đặc trưng thủy lực trên sông
để thu thập số liệu. Ngày nay, khi phương pháp số đã và đang phát
triển, người ta còn sử dụng các mô hình toán để nghiên cứu dòng chảy

và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến môi trường.
2. Phương pháp “Tổng hợp đòa lý”
Dựa theo phương pháp này, người ta nghiên cứu sự quan hệ của các
đặc trưng thủy văn với điều kiện cảnh quan đòa lý của lưu vực. Trên cơ
sở phương pháp này, người ta xây dựng các bản đồ đẳng trò, hoặc bản
đồ phân vùng các đặc trưng dòng chảy.
3. Phương pháp “Lưu vực tương tự”
Có thể xem đây là sự phát triển của phương pháp tổng hợp đòa lý.
Phương pháp này dùng để nghiên cứu một lưu vực không có đầy đủ
các số liệu thuỷ văn. Người ta chọn một lưu vực nào đó có các điều
kiện đòa hình tương tự và mượn các đặc trưng của lưu vực này cho lưu
vực nghiên cứu. Các đặc trưng này có thể dùng trực tiếp, hoặc hiệu
chỉnh lại bằng các hệ số. Phương pháp này hiện dùng khá phổ biên đối
với nước ta, khi mà chuỗi sô liệu thủy văn còn chưa đủ.
4. Phương pháp “Thống kê”
Xuất phát của phương pháp này cho rằng hiện tượng thủy văn là
kết quả của nhiều nhân tố phức tạp. Các nhân tố này lại phụ thuộc vào
các điều kiện phức tạp khác, mà trong thực tế không thể xét hết được.
Vì thế các hiện tượng trên được ghép vào các hiện tượng ngẫu nhiên,
phục tùng quy luật số lớn, có thể nghiên cứu được bằng phương pháp
xác suất thống kê. Phương pháp này phát triển mạnh mẽ trong nghiên
cứu thủy văn, nhất là trong tính toán thủy văn công trình, khi mà người
ta không cần biết điều kiện, hoàn cảnh hoặc trình tự xảy ra một hiện
tượng nào đó, mà chỉ cần biếtkhả năng xảy ra hiện tượng đó trong một
khoảng thời gian nhất đònh




1.5 SỰ PHÂN BỐ NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT

Trữ lượng nước trên trái đất theo tài liệu của M.I.Lơvovitra
Các thành phần Thể tích
1000km
3
Chiếm tỷ lệ
%
Nước trong đại dương 1.70.23 94,20
Nước ngầm đến độ sâu 5km 64.000 4,39
Các lớp băng 24.000 1,65
Nước ao hồ 230 0,016
Nước trong đất 75 0,005
Hơi nước trong khí quyển 14 0,001
Nước sông ngòi, suối 1,2 0,0001
Tổng trữ lượng 1.454.643 100

1.6 LƯU VỰC

Đònh nghóa lưu vực
: Lưu vực của một con sông là phần mặt đất mà từ
đó nước chảy vào sông. Đây là khu vực tập trung nước cho con sông.
Đường cong khép kín bao quanh, phân chia các lưu vực, mà từ đó,
nước chảy về các các phía của các lưu vực khác nhau gọi là đường
phân nước. Nước chảy vào sông từ dòng nước mặt và nước ngầm nên
có hai dường phân nước: đường phân nước mặt và đường phân nước
ngầm.
Trong thực tế rất khó xác đònh đường phân nước ngầm nên thường lất
đường phân nước mặt làm đường phân nước của lưu vực, đây là đường
cong khép kín nối các điểm chung quanh lưu vực

1.7 CÂN BẰNG NƯỚC
Đối với bất kỳ một lưu vực nào đó, trong một thời gian nhất
đònh, quan hệ thay đổi của các yếu tố thủy văn (mưa, bốc hơi, dòng
chảy) phải tuân theo quy luật sau: Cho mỗi lưu vực, lượng nước đến,
sau khi trừ bớt đi lượng nước trữ lại trong lưu vực (hoặc cộng thêm
lượng nước mất đi trong lưu vực), phải bằng lượng nước đi khỏi lưu
vực. Đây là nguyên lý cân bằng nước. Đây là cơ sở chủ yếu để phân
tích nguyên nhân hình thành dòng chảy về mặt đònh tính và đònh
lượng. Dựa vào nguyên lý cân bằng này, ta có thể xây dựng các
phương pháp tính toán thủy văn trong trường hợp thiế số liện dòng
chảy. Ta có các ví dụ sau đây về cân bằng nước:
1. Cân bằng nước thông dụng:
Cho một lưu vực bất kỳ, trong một thời gian nhất đònh, xét lượng
nước đến và lượng nước đi, ta lập được phương trình cân bằng nước
như sau:
Lượng nước đến gồm có:
X: Lượng mưa bình quân trên lưu vực
Z
1
: Lượng nước ngưng tụ trên mặt lưu vực
Y
1
: Lượng dòng chảy mặt đến lưu vực.
W
1
: Lượng dòng chảy ngầm đến lưu vực
U
1
: Lượng nước trữ trong lưu vực ở điểm thời gian đầu.

Lượng nước đi gồm có:
Z
2
: Lượng nước bốc hơiï trên mặt lưu vực
Y
2
: Lượng dòng chảy mặt đi khỏi lưu vực.
W
2
: Lượng dòng chảy ngầm đi khỏi lưu vực
U
2
: Lượng nước trữ trong lưu vực ở điểm thời gian cuối.
Ta có phương trình cân bằng nước như sau:
(1.1)


X+Z
1
+Y
1
+W
1
+U
1
=Z
2
+Y
2

+W
2
+U
2


2. Cân bằng nước của lưu vực kín trong thời đoạn bất kỳ:
Lưu vực kín là lưu vực có đường phân nước mặt và đường phân nước
ngầm trùng nhau, do đó không có nước mặt và nước ngầm từ lưu vực
khác chảy đến, Y
1
=0 và W
1
=0. Thông thường đây là lưu vực cho
những sông lớn, khi mà nước của nó cung cấp cho những sông nhỏ và
vừa
(1.2)

3. Cân bằng nước của lưu vực kín trong nhiều năm:
Trong nhiều năm, ta tính bình quân, chênh lệch lượng nước trữ trong
lưu vực không đáng kể, do đó đối với lưu vực kín, ta có:

(1.3)

1.8 CÁC ĐẠI LƯNG THỦY VĂN và KHÁI NIỆM CẦN THIẾT:
1. Mực nước : z
2. Đường dòng, ống dòng, dòng nguyên tố
3. Diện tích mặt cắt ướt: A
4. Chu vi ướt: χ
5. Bán kính thủy lực: R

6. Lưu lượng nước: Q
7. Vận tốc dòng chảy:V
8. Tổng lượng nước:
∫
=
T
QdtW
0

9. Module dòng chảy : M=10
3
Q/F
Trong đó F: diện tích lưu vực
10. Độ sâu dòng chảy: (Y) Là chiều dày lớp nước bình quân được
sinh ra trên bề mặt lưu vực sau một khoảng thời gian nào đó :
F
W
Y
3
10
=
X+Z
1
+U
1
=Z
2
+Y
2
+W

2
+U
2

X+Z
1
=Z
2
+Y
2
+W
2


11. Hàm lượng bùn cát : là khối lượng bùn cát trong một đơn vò thể
tích mẫu nước. (g/m
3
)
12. Độ mặn nguồn nước: S%: số g muối cát trong một đơn vò thể
tích mẫu nước.
13. Độ chua nước sông: hàm lượng axít (hoặc gốc axít) có chứa
trong nước làm nước bò chua, biểu thò bằng chỉ số pH:
pH=-lg[H
+
]
với [H
+
]là nồng độ ion gốc axít
14. Độ nhiễm bẩn nguồn nước ( BOD, COD, DO đơn vò mg/l).
BOD: Biology Oxigen Demand: nhu cầu oxi hoá biểu thò mức độ

ô nhiễm các chất hữu cơ.
COD: Chemical Oxigen Demand: nhu cầu oxi hoá biểu thò mức
độ ô nhiễm các chất vô cơ và kim loại độc hại.
DO: Dissolved Oxigen : lượng oxy hoà tan trong nước.
Trong điều kiện bình thường, DO đạt bão hoà trong nước ở
7,8 mg/l
Nếu DO>5mg/l thì nước được coi là sạch.