Thủy văn công trình - Chương 4 pdf

CHƯƠNG 4.
SÔNG NGÒI VÀ SỰ HÌNH THÀNH
DÒNG CHẢY TRONG SÔNG


I. HỆ THỐNG SÔNG NGÒI:
Nước mưa khi rơi xuống đất, một phần bò tổn thất do bốc hơi, một phần
đọng ở các chổ trũng và ngấm xuống đất, phần còn lại chạy dọc theo
sườn dốc tạo thàng dòng chảy mặt trên các khe, suối, và chảy xuống
đồng bằng trong các sông.
Các sông trực tiếp chảy ra biển hay vào các hồ gọi là sông chính. Các
sông chảy vào sông chính gọi là sông nhánh cấp 1. Các sông chảy vào
sông nhánh cấp 1 gọi là sông nhánh cấp 2,…
Tất cà các sông chính và nhánh, cùng các khe suối , ao hồ đầm lầy hợp
thành một hệ thống sông, và người ta lấy tên sông chính để đặt tên cho
hệ thống sông này. Ví du:ï hệ thống sông Hồng, hệ thống sông Mekong.
1.1 Sự phân bố của các sông nhánh:

• Phân bố theo hình nan quạt: Các sông nhánh lớn phân bố gần nhau.
• Phân bố theo hình lông chim: Các sông nhánh phân bố đều đặn hai
bên sông chính.
• Phân bố theo hình cành cây: Các sông nhánh phân bố đều đặn hai bên
sông chính theo thứ tự từ lớm tới nhỏ.
• Phân bố song song: Các sông nhánh phân bố song song nhau bên cạnh
sông chính.
Đối với một hệ thống sông lớn, sự phân bố các sông nhánh thường là tổ
hợp của những sự phân bố trên.

II. LƯU VỰC SÔNG:
Là phần đất mà trên đó nước chảy vào sông (khu vực tập trung nước của

sông).
Đường phân nước của lưu vực

Là đường nới liền các điểm cao nhất chung quanh lưu vực, ngăn cách lưu
vực này với lưu vực bên cạnh. Vì đây là đường qua các điểm cao nhất
nên nước mưa rơi xuống sẽ chảy trên các sườn dốc đổ vào hai lưu vực của
hai con sông khác nhau.
2
3
4
5
6
7
6
7
5
6
7
5
4
3
4
5
5
5
2
6
7
5
4

3
2
1
1
3
4
6
6
7
6
Hình 1. Đường phân nước mặt xác đònh
ranh giới lưu vực của sông Y
Sông Y

10
85
72
5
3
05
Caựch veừ caực ủửụứng ủong mửực

Để xác đònh đường phân nước cần có bản đồ đòa hình và các đường đẳng
độ cao của lưu vực.
Tương tư, người ta cũng có đường phân nước ngầm của lưu vực.
Nếu hai đường phân nước mặt và ngầm trùng nhau, ta có một lưu vực kín.
Thực tế, đường phân nước ngầm rất khó xác đònh, nên người ta thường
lấy đường phân nứoc mặt làm đường phân nước chung cho hai lưu vực sát
nhau. Ví dụ ta có thể xem đường phân nước cho lưu vực trong hình 1

III. CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA LƯU VỰC

1. Diện tích F và tình hình phân bố diện tích lưu vực

Là phần diện tích nằm bên trong đường phân nước của lưu vực (được xác
đònh bởi máy đo diện tích (thường dùng bản đồ tỷ lệ 1/5000 hay 1/10000
để xác đònh nhằm đảm bảo độ chính xác )
Tình hình phân bố diện tích trong lưu vực được biễu diễn bằng đồ thò như
hình 3 và 4:
Nguồn sông
Nguồn sông
A
B
B
A
f
1
f
2
f
3
f
4
f
5
f
6
f
7
f

8
f
9
f
10
f
1
f
2
f
3
f
4
f
5
f
6
f
7
f
8
f
9
f
10
Hình 2. Biểu đồ tăng triển diện tích lưu vực
Hình 3. Phân chia diện tích lưu vực
f
p
hải

f trái
0
50
100
f
11
f
12
f
13

Trục tung là chiều dài sông chính, trục hòanh là diện tích lưu vực. Bên
phải trục hòanh biễu diễn diện tích lưu vực bên phải sông, bên trái trục
hòanh biễu diễn diện tích lưu vực bên trái sông.
Biểu đồ trên cho ta tình hình tăng triển của diện tích lưu vực sông từ
nguồn đến cửa sông.
2. Chiều dài lưu vực: L
1
(km)

Là chiều dài đọan gấp khúc nối từ cửa sông đến các điểm giữa của các
đọan thẳng cắt ngang lưu vực, đến điểm xa nhất của lưu vực. Trong thực
tế lấy chiều dài sông chính (tính từ nguồn đến cửa sông) làm chiều dài
lưu vực.
3. Chiều rộng bình quân của lưu vực: B (km)

1
L
F
B = (4.1)

4. Hệ số hình dạng của lưu vực: K
d

Hệ số hình dạng biểu diễn mức độ phát triển của lưu vực:
1
2
1
1
2
1
d
L
B
L
BL
L
F
K === (4.2)
Nếu hình dạng của lư vực càng vuông thì K
d
càng tiến dần đến 1. Ngược
lại, nếu lưu vực càng hẹp thì K
d
càng nhỏ hơn 1. Trò số K
d
cho ta khả
năng tập trung lũ của lưu vực.
5. Độ cao bình quân của lưu vực: H
bq

(m)

)Fa(
ha
H
i
ii
bq
=
=
∑
∑
(4.3)
trong đó: h
i
là cao trình bình quân giữa hai đường đồn gmức.
A
i
là diện tích giữa hai đường đồng mức.
6. Độ dốc bình quân của lưu vực: I
bq



)Fa(
l
HI
i
i
bq

=
Δ=
∑
∑
(4.4)
Trong đó: l
i
là độ dài bình quân giữa hai đường đồng mức gần nhau trong
lưu vực.

7. Chiều dài lòng sông: L (km)

Là chiều dài đường nước chảy trong sông từ nguồn đến cửa sông.

8. Mật độ lưới sông: D (km/km
2
)
Mật độ lưới sông được tính bằng tỷ số giữa tổng chiều dài của các sông
trong lưu vực trên diện tích lưu vực:
F
L
D
∑
= (4.5)

IV. LÒNG SÔNG VÀ BÃI SÔNG

Lòng sông là phần sông có nước chảy về mùa kiệt.
Bãi sông là phần đất hai bên bờ mà đến mùa lũ bò ngập.
Ranh giới giữa lòng sông và bãi sông thường là chỗ đòa hình thay đổi

đột.
Một sông phát triển đầy đủ bao gồm năm đọan: Nguồn sông, thượng
lưu sông, trung lưu sông, hạ lưu sông, và cửa sông.

IV. CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH CỦA SÔNG

1. Hình thái lòng sông trên mặt bằng:

a)
Hiện tượng uốn khúc của sông: do một nguyên nhân khách quan, sẽ
làm cho hướng di chuyển của dòng chảy bò lệch đi, sẽ tạo nên hiện
tượng bồi xói hai bên bờ sông làm cho sông có dạng uốn cong.
Những dạng này được thấy ở miền đồng bằng.

b) Sự thay đổi hình thái lòng sông trên mặt bằng: Dòng nước trong
sông chảy uốn khúc sẽ tạo nên sự phân bố vận tốc không đều trên
một mặt cắt ngang của sông, làm cho bên bờ lõm có vận tốc phân
bố rất lớn, tạo nên sự xói mòn bên bờ lõm, và xa về hạ lưu sông, sẽ
hình thành các bãi bồi . Hiện tượng này theo thời gian càng xảy ra
rõ rễt hơn, và cứ thế lòng sông phát triển dần dần tạo ra những bãi
bồi nhỏ ngay giữa sông.

414500 41500
0
415500 41600
0
416500 41700
0
417500 41800
0

418500 41900
0
1194000
1194500
1195000
1195500
1196000
1196500
1197000
1197500

Hình 4. Trường vận tốc sông Tiền đoạn Tân Châu

414500 415000 415500 416000 416500 417000 417500 418000 418500 419000
1194000
1194500
1195000
1195500
1196000
1196500
1197000
1197500
-1.2
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4

-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.03
0.02
0.01
0.00
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
-0.05
-0.06
-0.07
-0.08
-0.09
-0.10
m

Hình 5. Bồi xói đoạn sông Tiền Tân Châu

-200 0 200 400 600 800 1000
0
200
400
600
800
1000

Hình 7. Trường vận tốc đoạn cong sông Lũy-Phan Thanh










-200 0 200 400 600 800 1000
0
200
400
600
800
1000
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2

-0.1
0.0
0.0
0.1
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
m
Hình 8. Diễn biến đáy đoạn cong Sông Lũy-Phan Thanh

2. Mặt cắt sông:

a)
Mặt cắt dọc: là mặt cắt qua trục lòng sông. Người ta xác đònh mặt
cắt dọc sông bằng cao trình tại các điểm giữa lòng sông, nơi có đòa
hình thay đổi rõ rệt ( nơi sâu nhất). Sau đó, lấy cao trình này làm
trục tung, vẽ theo trục hoành là chiều dài sông tương ứng.
b)
Mặt cắt ngang: là mặt cắt vuông góc dòng chảy

2. Độ dốc mặt nước:

a) Độ dốc dọc I:
H
I
L
Δ
=−

(4.6)
Trong đó, ΔH= H
2
- H
1

H
1
là cao trình mực nước tại mặt cắt 1,ở thượng lưu
H
2
là cao trình mực nước tại mặt cắt 2,ở hạ lưu
L là khoảng cách giữa hai mặt cắt 1 và 2.
Độ dốc I giảm dần từ nguồn đến cửa sông.
Độ dốc I của sông nhỏ thường lớn hơn sông lớn, sông nhánh lớn hơn sông
chính.
Trên cùng một con sông, độ dốc mặt nước cũng khác nhau theo từng
đoạn.

b) Độ dốc ngang:


Độ dốc ngang xuất hiện do ảnh hưởng của lực Coriolic hay lực ly tâm, tại
những đoạn uốn cong.
Dưới ảnh hưởng của lực Coriolic, Các
dòng chảy ở Bắc Bán cầu có thiên
hướng lệch về bên phải của dòng, nên
mực nước ở bờ phải cao hơn bờ trái. Ở
Nam bán cầu thì lệch về bên trái, nên
mực nước ở bờ trái cao hơn bờ phải.

Tại những đoạn uốn cong, dưới ảnh
hưởng của lực ly tâm, mực nước của
F
l
G
F

Hình 9. Độ dốc ngang sông của
nước dưới ảnh hưởng của lực ly tâm

bờ lõm cao hơn bờ lồi.
V. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI:

Nước mưa rơi xuống lưu vực, một phần chảy trên mặt đất (dòng chảy
mặt), một phần ngấm xuống mặt đất thành nước ngầm (dòng chảy ngầm).
Tất cả các dòng chảy này sau đó tập trung vào sông, sau đó chảy ra cửa
ra của lưu vực. Sự luân chuyển nước như thế này tạo ra dòng chảy sông
ngòi.
1.
Sự hình thành dòng chảy mặt:

a) Quá trình mưa:

Dòng chảy trong sông ngòi của nước ta chủ yếu hình thành do mưa rơi
xuống lưu vực, nên mưa là khâu đầu tiên trong quá trình hình thành dòng
chảy sông ngòi.
Người ta đánh giá một cơn mưa lớn hay nhỏ qua
Cường độ mưa

Cường độ mưa: là lượng mưa trong một đơn vò thời gian, Ký hiệu là X
(mm).
Cường độ mưa luôn thay đổi theo thời gian, theo không gian.
Trong một lưu vực, khu vực có cường độ mưa lớn nhất gọi là trung tâm
mưa.
Trong một trận mưa, trung tâm mưa cũng thường xuyên di chuyển.
Người ta biễu diễn quá trình mưa thay đổi theo thời gian như sau:










X(mm)
giờ
200
100
2
46
8
10
Hình 10. Biễu diễn quá trình
mưa theo thời gian

b) Quá trình tổn thất nước:

Là lượng nước mưa bò ngấm vào đất, đọng lại trên thực vật, bốc hơi
ngược lại
Khi cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm thì tất cả mưa rơi xuống đều bò
thấm vào đất.
Khi cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm thì saau khi dòng thấm vào đất
bão hòa, trên mặt đất sẽ còn thửa lượng nước mưa, lượng nước này sẽ
làm đầy các nơi bò trũng trong lưu vực, hoặc tràn trên sườn dốc vào các
chỗ trũng hơn. Lượng nước này sẽ tiếp tục mất đi do quá trình thấm và
bốc hơi, và được bổ sung trong suốt trận mưa. Sau cơn mưa, nó có thể tồn
tại trong một thời gian dài rồi mới ngấm và bốc hơi hết.

c) Quá trình tràn trên sườn dốc:

Khi cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm thì đến một lúc nào đó lượong
mưa xuống lớn hơn lượng nước thấm, lúc này xuất hiện hiện tựơng chảy
tràn.
Thời gian bắt đầu hiện tượng chảy tràn phụ thuộc vào cấu trúc đất đá
từng nơi. Những nơi nào ít thấm, dốc nhiều thì xuất hiện sớm hơn, và sau
đó, nếu mưa mổi lúc một lớn hơn thì phạm vi chảy tràn sẽ phát triển toàn
bộ lưu vực bò mưa.
Dòng chảy tràn có tốc độ và bề dày lớp nước tràn phụ thuộc vào tương
quan giữa cường độ mưa và thấm, độ dốc mặt đất và độ nhám mặt dốc.
Rừng cây cũng là nhân tố quyết đònh lớp nước tràn và tốc độ, cũng như
thời gian chảy tràn.

d) Quá trình tập trung dòng chảy trong sông:

Nước mưa tràn trên sườn dốc rồi tập trung vào sông. Sau đó chảy trong
sông đến cửa ra, đây là quá trình tập trung dòng chảy trong sông.

Quá trình tập trung dòng chảy trong sông bắt đầu từ khi nước chảy từ
sườn dốc vào sông, cho đến khi lượng nước cuối cùng vào sông chảy ra
hết khỏi cửa ra của lưu vực sông.
Đây là một quá trình thủy động lực rất phức tạp, nó liên quan tới đòa hình,
đòa chất lòng sông.

2. Sự hình thành dòng chảy ngầm:

Khi nước ngấm xuống đất, một phần bò các rễ cây hút, một phần bò mao
dẫn ngược lên mặt đất và bốc hơi, phần còn lại thấm sâu xuống đất, đến
một lúc nào đó làm tầng đất ngấm bò bão hoà, làm mực nước ngầm dâng
lên. Nước ngầm thấm qua các lớp đất vào sông hình thành dòng chảy
ngầm.
Một phần dòng chảy ngầm có thể chảy qua lưu vực khác, nhất là lưu vực
không bi khép kín.
Lượng nước ngầm trữ trong lưu vực tương đối lớn và ổn đònh, nên dòng
chảy ngầm tương đối ổn đònh hơn dòng chảy mặt.
Những sông có lòng bò bào mòn sâu, mực nước sông thấp hơn mực nước
ngầm, dòng chảy ngầm tiếp tục chảy vào sông thậm chí sau mùa mưa.
Đây là lượng nước chủ yếu nuôi sông vào những mùa khô, làm sông
không bò hạn kiệt.
Đối với những sông suối nhỏ miền trung du, mực nước thường cao hơn
mực nước bão hoà trong đất nên không được nuốc ngầm bổ sung thường
xuyên. Vì thế, sông dễ bò khô khiệt khi tới mùa nắng hạn.

VI. NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÒNG CHẢY

SÔNG NGÒI:

1. Nhân tố khí hậu:
Mua và bốc hơi ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy
a)Nhiệt độ mặt đệm và không khí, gồm có: Mặt đất, mặt nước, không khí.
b) Áp suất khong khí.
c) Gió.
d) Bão.

e) Độ ẩm không khí (áp suất hơi nước, bão hoà, độ ẩm tuyệt đối, tương
đối)
f) Bốc hơi (bề mặt nước,bề mặt đất, qua thực vật)
g) Mưa.

2. Nhân tố mặt đệm:

a)
Vò trí đòa lý và đòa hình của khu vực.
b)
Đòa chất thỗ nhưỡng.
c)
Lớp phủ thực vật.
d)
Ao hồ và đầm lầy.

3. Hoạt động của con người:

a)
Các hoạt động nông nghiệp: ruộng bậc thang, bờ vùng, bờ thửa. hồ
chứa loại nhỏ (tác dụng giữ nước)

b)
Các hoạt động lâm nghiệp: trồng cây gây rừng, chắn gió, lũ
c)
Các hoạt động thủy lợi: Xây dựng hồ chứa, làm nhà máy thủy điện
để điều tiết nước


VII. NHỮNG ĐẠI LƯNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG
CHẢY:

1.
Lưu lượng Q:Công thức Chezy:

2
3
1
QACRJ AR J
n
==

1
6
1
CR
n
=
:Công thức Manning
E
J
L

Δ
=−
Δ
:Độ dốc thủy lực (độ dốc của đường năng )
21
EE EΔ= −
2
2
PV
EZ
g
γ
=++
Công thức Chezy để tính vận tốc :

2
3
1
VCRJ R J
n
==

Lưu lượng dòng chảy đều trong kênh còn được tính theo công thức Chezy:


2. Tổng lượng dòng chảy sau một thời gian T: W=Q
tb
T
3.
Độ sâu dòng chảy : Y=(10

3
W)/(10
6
F) (mm)
4.
Module dòng chảy: M=(10
3
Q)/F (lít/(s.km
2
))
5.
Hệ số dòng chảy: α=Y/X với X là lượng mưa tương ứng với
thời gian sinh ra W.