Tài liệu Nguyên lý thuỷ văn

1 MỤC LỤC CHƯƠNG I MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 6 1.1 NỘI DUNG VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC.................................. 6 1.1-1 Vai trò của nước và đối tượng nghiên cứu.............................................................. 6 1.1-2 Nội dung nghiên cứu của thủy văn. ......................................................................... 7 1.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC ĐẶC TRƯNG TV VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....... 8 1.2-1 Đặc điểm các hiện tượng thủy văn. ........................................................................ 8 1.2-2 Đặc điểm của các phương pháp nghiên cứu. ......................................................... 9 1.2-3 Phương pháp tổng hợp địa lý. .............................................................................. 9 1.2-4 Phương pháp thống kê sác suất.......................................................................... 11 1.2-5 Phương pháp vật lý.............................................................................................. 13 1.2-6 Phương pháp mô hình toán. ................................................................................. 14 1.2-7 Phương pháp ứng dụng kỹ thuật Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý. ........... 15 1.3 SỰ PHÂN BỐ VÀ TUẦN HOÀN NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT.................................... 15 1.3-1 Phân bố đất liền và mặt nước (đại dương và biển) trên trái đất......................... 15 1.3-2 Vòng tuần hoàn nước nhỏ và lớn trên trái đất ...................................................... 16 1.4 DÒNG CHẢY VÀ CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG . ................................................ 17 1.4-1 Dòng chảy.............................................................................................................. 17 1.4-2 Các nhân tố ảnh hưởng. ....................................................................................... 17 1.5 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC. ..................................................................... 18 1.5-1 Nguyên lý chung. .................................................................................................. 18 1.5-2 Phương trình cân bằng nước tổng quát................................................................ 18 1.5-3 Các trường hợp riêng ........................................................................................... 19 1.5-4 Phương trình cân bằng nước trong hệ sinh thái tổng hợp. .................................. 19 Câu hỏi chương 1: ............................................................................................................... 20 CHƯƠNG II SÔNG NGÒI VÀ LƯU VỰC ........................................................................... 21 2.1 SỰ HÌNH THÀNH LƯỚI THỦY VĂN VÀ CÁC HỆ THỐNG SÔNG. ..................... 21 2.1-1 Sự hình thành lưới thủy văn................................................................................... 21 2.1-2 Nguồn và cửa sông. .............................................................................................. 21 2.1-3 Phân cấp sông. ..................................................................................................... 23 2.1-4 Độ dài và mật độ lưới sông. ................................................................................. 24 2.1-5 Sơ đồ thủy văn của một con sông. ........................................................................ 25 2.2 LƯU VỰC SÔNG ........................................................................................................ 26 2.2-1 Các khái niệm. ....................................................................................................... 26 2.2-2 Các đặc trưng địa lý tự nhiên của lưu vực. ........................................................... 27 2.2-3 Các đặc trưng hình học của lưu vực. .................................................................... 28 2.2-4 Lòng sông và bãi sông. .......................................................................................... 31 2.2-5 Các đặc trưng chính của sông............................................................................... 32 Câu hỏi chương 2: ............................................................................................................... 33 CHƯƠNG III SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY TRÊN LƯU VỰC. ................................... 34 3.1 CÁC QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY. .................................................... 34 3.1-1 Khái niệm chung.................................................................................................... 34 3.1-2 Quá tình mưa. ........................................................................................................ 34 3.1-3 Quá trình tổn thất. ................................................................................................. 34 3.1-4 Sự hình thành dòng chảy trên sườn dốc. ............................................................... 36 3.1-5 Qúa trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông. ...................................... 36 3.2 CÁC THÀNH PHẦN DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI.................................................... 37 3.2-1 Sự hình thành 3 thành phần dòng chảy. ................................................................ 37 3.2-2 Thành phần dòng chảy mặt. .................................................................................. 38 2 3.2-3 Thành phần dòng chảy sát mặt.............................................................................. 40 3.2-4 Thành phần dòng chảy ngầm................................................................................. 41 3.2-5 Phân tích các thành phần dòng chảy trên đường quá trình dòng chảy thực đo. 42 Câu hỏi và chương 3:........................................................................................................... 43 CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MƯA .................................................................... 44 4.1 SỰ BIẾN ĐỔI MƯA THEO HÀNG NĂM. ................................................................. 44 4.1-1 Các khái niệm. ....................................................................................................... 44 4.1-2 Sự biến đổi mưa năm theo hàng năm. ................................................................... 44 4.1-3 Thời khoảng tính toán chuẩn mưa năm................................................................ 45 4.2 SỰ BIẾN ĐỔI MƯA THEO KHÔNG GIAN............................................................... 47 4.3 TÍNH LƯỢNG MƯA TRUNG BÌNH TRÊN LƯU VỰC. .......................................... 49 4.3 -1 Phương pháp trung bình số học. ......................................................................... 49 4.3-2 Phương pháp trung bình có tỷ lệ ( trọng số). ........................................................ 49 4.4 SỰ BIẾN ĐỔI MƯA THEO THỜI GIAN TRONG NĂM........................................ 50 4.4-1 Phân mùa mưa....................................................................................................... 50 4.4-2 Phân phối mưa trong năm. .................................................................................... 51 Câu hỏi chương 4: ............................................................................................................... 54 CHƯƠNG V BỐC HƠI ........................................................................................................... 55 5.1 MỘT SỐ KHÁI NỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA.................................................................... 55 5.1-1 Bốc hơi mặt nước................................................................................................... 55 5.1-2 Bốc hơi mặt đất...................................................................................................... 56 5.2 XÁC ĐỊNH LƯỢNG BỐC HƠI. ................................................................................. 57 5.2-1 Đo bốc hơi mặt nước. ............................................................................................ 57 5.2-2 Đo bốc hơi mặt đất. ............................................................................................... 58 5.3 KHẢO SÁT MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH BỐC HƠI. .............................................. 60 5.3-1 Công thức tính bốc hơi mặt nước. ......................................................................... 60 5.3-2 Tính bốc hơi trung bình lưu vực. ........................................................................... 61 Câu hỏi chương 5: ............................................................................................................... 62 CHƯƠNG VI TỔN THẤT THẤM........................................................................................ 63 6.1 KHÁI NIỆM TỔN THẤT THẤM VÀ CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG .................... 63 6.1-1 Khái niệm.............................................................................................................. 63 6.1-2 Tính chất lý học của nham thạch đối với nước. .................................................... 63 6.1-3 Quá trình vật lý thấm............................................................................................. 67 6.1-4 Các đặc trưng biểu thị quá trình thấm. ................................................................. 67 6.1-5 Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình thấm. ......................................................... 69 6.2 CẤU TRÚC ẨM CỦA ĐẤT. ........................................................................................ 70 6.2-1 Khái niệm............................................................................................................... 70 6.2-2 Sơ đồ cấu trúc ẩm trong đất. ................................................................................. 72 6.3 MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH THẤM THEO THỜI GIAN. ...................................... 72 6.3-1 Phương trình của Alecxâyép. ................................................................................ 73 6.3-2 Công thức Popov ................................................................................................... 75 6.3-3 Công thức Horton.................................................................................................. 75 6.3-4 Công thức Holtan. ................................................................................................. 75 6.3-5 Công thức Philip.................................................................................................... 76 6.3-6 Xác định các thông số đường cong thấm............................................................... 76 6.4 CHỈ SỐ TỔN THẤT THẤM ĐỀU. .............................................................................. 77 6.4-1 Chỉ số thấm đều φ ................................................................................................. 77 6.4-2 Hệ số dòng chảy trận lũ......................................................................................... 78 6.5 ĐO ĐẠC KHẢ NĂNG THẤM . ................................................................................... 78 3 6.5-1 Phương pháp dùng ống đo thấm. ......................................................................... 78 6.5-2 Thí nghiệm mưa nhân tạo...................................................................................... 79 Câu hỏi chương 6: ............................................................................................................... 79 CHƯƠNG VII CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY TRONG SÔNG....................................................... 80 7.1 KHÁI NIỆM CHUNG................................................................................................. 80 7.1-1 Định nghĩa và tính chất. ....................................................................................... 80 7.1-2 Các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy năm. ........................................................ 81 7.2 CHU KỲ DÒNG CHẢY NĂM - LỰA CHỌN THỜI KỲ TÍNH TOÁN.................... 84 7.2-1 Khái niệm............................................................................................................... 85 7.2-2 Khảo sát chu kỳ dòng chảy. ................................................................................... 85 7.2-3 Đường cong luỹ tích sai chuẩn.............................................................................. 85 7.3 SỰ THAY ĐỔI DÒNG CHẢY NĂM THEO HÀNG NĂM. ....................................... 87 7.3-1 Hệ số mô đuyn lớn nhất và nhỏ nhất. .................................................................... 87 7.3-2 Hệ số biến đổi CV................................................................................................... 87 7.3-4 Hệ số không đối xứng CS . ..................................................................................... 91 7.4 PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY TRONG NĂM ................................................................ 92 7.4-1 Các đặc trưng biểu thị - phương pháp nghiên cứu ............................................... 92 7.4-2 Các nhân tố ảnh hưởng đến phân phối dòng chảy trong năm. ............................ 93 7.4-3 Phân phối dòng chảy trong năm............................................................................ 95 7.4-4 Đường cong duy trì lưu lượng............................................................................... 99 7.5 DÒNG CHẢY NHỎ NHẤT........................................................................................ 102 7.5-1 Khái niệm dòng chảy nhỏ nhất. ........................................................................... 102 7.5-2 Nhân tố ảnh hưởng. ............................................................................................. 102 7.5-3 Dòng chảy kiệt sông suối Việt Nam..................................................................... 103 7.6 DÒNG CHẢY BÙN CÁT. .......................................................................................... 104 7.6-1 Sự xói mòn lưu vực và nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy bùn cát..................... 104 7-6.2 Đặc trưng biểu thị dòng chảy bùn cát. ................................................................ 105 7.6-3 Sự phân bố dòng chảy bùn cát trên mặt cắt và theo thời gian. ........................... 105 Câu hỏi chương 7: ............................................................................................................. 107 CHƯƠNG VIII DÒNG CHẢY LŨ........................................................................................ 108 8.1 KHÁI NIỆM CHUNG & Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU. .............................................. 108 8.1-1 Khái niệm ............................................................................................................ 108 8.1-2 Ý nghĩa nghiên cứu dòng chảy lũ. ...................................................................... 108 8.2 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI DÒNG CHẢY LŨ. ....................................... 109 8.2-1 Nhân tố khí tượng. .............................................................................................. 109 8.2-2 Nhân tố mặt đệm................................................................................................. 109 8.3 SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY LŨ ........................................ 111 8.3-1 Sự hình thành dòng chảy lũ. ................................................................................ 111 8.3-2 Quá trình mưa. .................................................................................................... 113 8.3-3 Quá trình tổn thất. ............................................................................................... 116 8.3-4 Quá trình tập trung nước..................................................................................... 117 8.3-5 Công thức căn nguyên dòng chảy....................................................................... 120 8.4 SỰ TRIẾT GIẢM MÔ DUYN ĐỈNH LŨ.................................................................. 125 Câu hỏi chương 8: ............................................................................................................. 128 CHƯƠNG IX ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT THỐNG KÊ XS TRONG THỦY VĂN.......... 130 9.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM TRONG LÝ THUYẾT XS-TK ............................................. 130 9.1-1 Tần suất và tần suất luỹ tích................................................................................ 130 9.1-2 Thí dụ................................................................................................................... 131 9.2 ĐƯỜNG TẦN SUẤT KINH NGHIỆM. .................................................................... 132 4 9.2-1 Công thức tính tần suất kinh nghiệm.................................................................. 132 9.2-2 Phương pháp vẽ đường tần suất kinh nghiệm. ................................................... 133 9.2-3 Độ lặp lại. ........................................................................................................... 133 9. 3 ĐƯỜNG TẦN SUẤT LÝ LUẬN............................................................................... 133 9.3-1 Các tham số thống kê......................................................................................... 133 9.3-2 Đường tần suất lý luận. ....................................................................................... 138 9. 4 KIỂM ĐỊNH THỐNG KÊ....................................................................................... 145 9.4-1 Kiểm định tính phù hợp của hàm phân bố so với phân bố kinh nghiệm. .......... 145 9.4-2 Kiểm định tính thuần nhất của hai mẫu thống kê............................................ 148 9.5 XÂY DỰNG ĐƯỜNG TẦN SUẤT THEO CÁC MẪU ............................................ 150 KHÔNG THUẦN NHẤT.................................................................................................. 150 9. 6 PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN. .................................................................................. 152 9.6-1 Khái niệm mở đầu.............................................................................................. 152 9.6-2 Tương quan tuyến tính....................................................................................... 153 9.6-3 Tương quan không tuyến tính. ........................................................................... 158 Câu hỏi chương 9: ............................................................................................................. 158 CHƯƠNG X PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN NƯỚC. ............... 159 10.1 CÁC KHÁI NIỆM.................................................................................................... 159 10.1-1 Tài nguyên. ....................................................................................................... 159 10.1-2 Môi trường........................................................................................................ 159 10.1-3 Phát triển. ......................................................................................................... 160 10.1-4 Phát triển bền vững. ......................................................................................... 160 10.1-5 Cân bằng nước. ................................................................................................. 161 10.1-6 Cân bằng nước và phát triển bền vững tài nguyên nước. ............................... 161 10.2 PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG VÀ BẢO VỆ TÀI NGUYÊN NƯỚC......................... 162 10.2-1 Cơ sở lý luận về PTBV tài nguyên nước........................................................... 162 10.2-2 Cơ sở thực tiễn của PTBV tài nguyên nước. .................................................... 168 Câu hỏi chương 10: ........................................................................................................... 172 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 173 PHẦN PHỤ LỤC ................................................................................................................... 175 5 CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 NỘI DUNG VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC. 1.1-1 Vai trò của nước và đối tượng nghiên cứu. Nước có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong tất cả các quá trình tự nhiên xẩy ra trên trái đất và đóng vai trò to lớn trong mọi hoạt động thực tiễn của con người. Sự tuần hoàn không ngừng của nước trong tự nhiên tạo điều kiện tạo điều kiện cho nước đi vào các lục địa. Nước hoà tan và phá huỷ các nham thạch, tạo nên bề mặt gồ ghề bên ngoài của vỏ trái đất. Nước có nhiều trong vỏ phong hoá. Tầng thổ nhưỡng bao phủ phần lớn đất liền ở mức độ nào cũng đều ngậm nước. Ý nghĩa của nước đối với sự tồn tại và phát triển của đời sống hữu cơ trên trái đất đặc biệt to lớn. Trong đời sống sinh vật, nước là môi trường cơ bản đảm sự trao đổi vật chất và sự phát triển của cơ thể. Thí dụ nước vận chuyển chất dinh dưỡng hút từ đất lên để nuôi cơ thể thực vật, nước điều hoà nhiệt độ với mức độ đáng kể - nước bốc hơi từ bề mặt lá làm cho lá khỏi bị đốt nóng quá trong nóng bức mùa hè. Một cây hướng dương trong thời kỳ sinh trưởng cần 40 lít nước, cây ngô cần 240 g nước để tạo nên 1 gam vật chất khô.... Thực vật lấy toàn bộ lượng nước cần thiết từ dưới đất lên. Thủy văn học nghiên cứu nước tự nhiên, nghiên cứu các quy luật hình thành và vận động của nước trên bề mặt, trong đất và trong sông hồ. Trên cơ sở nghiên cứu trên kết hợp với các ngành học khác (như toán học, lý học, cơ học, tin học ...) tiến hành phân tích khái quát hoá các quy luật vận động của nước, tìm quy luật phân bố theo không gian và thời gian các đặc trưng thủy văn và đồng thời tìm ra các phương pháp tính toán phục vụ cho thực tế. Việc nghiên cứu toàn diện các quá trình thủy văn phải nhằm hai mặt, một là nghiên cứu nước như một yếu tố cảnh quan địa lý và mặt khác khám phá những quy luật vật lý tạo nên các quá trình thủy văn. Như vậy các đối tượng nghiên cứu của thuỷ văn là các sông ngòi, hồ ao, đầm lầy, các kho nước nhân tạo và nước dưới đất. Nước trên mặt đất và trong lớp vỏ trái đất liên quan với nhau rất chặt chẽ. Vì vậy một loạt vấn đề về những hoạt động của nước trên trái đất đồng thời được nghiên cứu bởi thuỷ văn học, khí tượng học, thổ nhưỡng học, địa mạo học, địa lý học và các khoa học khác nghiên cứu khí quyển và thạch quyển. Thí dụ những vấn đề chung của thủy văn khí tượng là sự hình thành , sự rơi và sự phân bố trên bề mặt đất, sự bốc hơi của nước từ bề mặt sông ngòi, ao hồ đầm lầy, từ mặt đất và thảm phủ thực vật. Những vấn đề chung của thủy văn địa mạo và thổ nhưỡng là các quá trình xói mòn và bồi tụ các sản phẩm nham thạch bị phá hoại trên mặt đất. Trong nghiên cứu thuỷ văn những thành tựu của toán học, vật lý học, thuỷ lực học và thuỷ động lực học cũng như tin học được ứng dụng rộng rãi. Tuỳ theo đặc điểm và tính chất ứng dụng của dòng chảy mà thủy văn đất liền thường chia ra như sau: - Theo nguồn nước có thể phân thành: + Thủy văn nước mặt, 6 + Thủy văn nước ngầm, + Thủy văn nước ven biển. - Theo đối tượng nghiên cứu có thể phân thành : + Thủy văn sông ngòi, + Thuỷ văn hồ, + Thủy văn đầm lầy, + Thủy văn nước ngầm, + Thủy văn bùn cát (phù sa). - Theo đối tượng phục vụ có thể chia ra: + Thủy văn thủy lợi, + Thuỷ văn nông nghiệp, + Thuỷ văn rừng + Thuỷ văn mỏ + Thuỷ văn đô thị Môn học có hai ý nghĩa quan trọng: - Ý nghĩa thực tiễn. Nước ta nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa độ ẩm và lượng mưa phong phú, do địa hình cắt xẻ mạnh và phức tạp nên mạng lưới sông ngòi dày, có nguồn tài nguyên nước tiềm tàng, phong phú phục vụ cho xây dựng đất nước. Tuy vậy việc thu thập quan trắc tài liệu còn kém, thiếu đồng bộ, phần lớn các trạm quan trắc thủy văn chỉ xây dựng sau hoà bình và sau giải phóng thống nhất đất nước do đó việc nghiên cứu các quy luật hình thành, vận động và biến đổi theo không gian và thời gian các đặc trưng thủy văn trên cơ sở tổng hợp phân tích so sánh các số liệu quan trắc được có ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn. - Ý nghĩa khoa học. Trong khi nghiên cứu về thuỷ văn sông ngòi chúng ta gặp và phải giải quyết nhiều vấn đề phức tạp, ví dụ trong khi nghiên cứu dòng chảy lũ chúng ta gặp các vấn đề liên quan tới quy luật hình thành mưa rào, chảy tràn trên mặt, chảy ngầm, thấm và cung cấp nước ngầm, vấn đề chuyển động của sóng lũ. Thời gian gần đây khi kỹ thuật công nghệ tính toán phát triển việc giải các hệ phương trình vi phân phức tạp mô tả các quá trình hình thành dòng chảy đã góp phần đi sâu nghiên cứu những vấn đề phức tạp của môn học và tính toán chính xác các đặc trưng thủy văn phục vụ cho các ngành kinh tế khác nhau ngày càng có hiệu quả. 1.1-2 Nội dung nghiên cứu của thủy văn. Thủy văn một là một môn chuyên môn quan trọng phục vụ nhiều yêu cầu đòi hỏi của thực tế sản xuất. Ở nước ta hiện nay sự nghiệp thủy lợi đang được phát triển mạnh, việc hoàn chỉnh và phát triển các hệ thống thủy nông phục vụ sản xuất nông nghiệp, việc nghiên cứu phòng chống thiên tai lũ lụt trên các hệ thống sông, việc quy hoạch thiết kế các công trình thuỷ điện, hồ chứa sử dụng tổng hợp đang đòi hỏi bộ môn thủy văn cung cấp những luận cứ khoa học trong việc lựa chọn các phương án hợp lý. Đó là việc tính toán cung cấp các trị số đặc trưng khí tượng thủy văn phục vụ cho quy hoạch, thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, giao thông... Từ các yêu cầu thực tế đó đòi hỏi môn học phải giải quyết các vấn đề sau: 7 1/ Nghiên cứu: Nghiên cứu quy luật hình thành, vận động, biến đổi các đặc trưng thủy văn theo không gian, theo thời gian. Nghiên cứu chế độ thủy văn sông ngòi, hồ ao, đầm lầy. 2/ Phân tích và tính toán cân bằng nước: Đây là cơ sở đánh giá nguồn nước, đánh giá các thành phần của nguồn nước, là cơ sở lựa chọn các phương án sử dụng nguồn nước thích hợp trong các ngành kinh tế khác nhau, đồng thời là nguyên tắc tính toán để phát hiện ra tính không hợp lý của các số liệu và kết quả tính toán. 3/ Cung cấp các số liệu để chọn các phương án thiết kế và thi công: Kết quả tính toán các đặc trưng thủy văn như chuẩn dòng chảy năm, sự phân bố dòng chảy trong năm, đặc trưng dòng chảy lớn nhất, nhỏ nhất ứng với các tần suất thiết kế khác nhau v.v.. của một con sông hay một vùng nào đó là cơ sở để chọn phương án thiết kế và thi công. Bên cạnh các số liệu đặc trưng đó cần phải cung cấp những luận cứ khoa học về quy luật và chế độ thủy văn của các sông lớn hay một khu vực. 4/ Nghiên cứu các phương pháp, mô hình tính toán thủy văn thích hợp với từng lưu vực sông, từng vùng và từng công trình: Ở nước ta cũng như nhiều nước khác việc khai thác sử dụng nguồn nước ngày càng cao, các công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước ngày càng nhiều song tài liệu thủy văn nhìn chung còn ít, chưa đồng bộ nên phải có phương pháp tính toán hợp lý đối với từng công trình, từng lưu vực tương ứng với tình hình tài liệu cụ thể của công trình. Hoạt động kinh tế của con người có ảnh hưởng không nhỏ tới chế độ thủy văn của các sông suối, vì vậy đòi hỏi chúng ta phải có nghiên cứu hiệu chỉnh các đặc trưng thủy văn tính toán cho phù hợp. 1.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 1.2-1 Đặc điểm các hiện tượng thủy văn. a/ Các đặc trưng thủy văn có tính ngẫu nhiên. Các đặc trưng thủy văn như dòng chảy năm, dòng chảy lũ hay dòng chảy kiệt là những đại lượng ngẫu nhiên độc lập, sự thay đổi của nó phù hợp với luật thống kê, có thể dùng luật phân phối của mẫu phân tích xác định quy luật phân phối của tổng thể. Nguyên nhân dẫn tới đặc tính này là do dòng chảy chịu tác động của nhiều nhân tố khác nhau và những nhân tố đó cũng là các đại lượng ngẫu nhiên. b/ Các đặc trưng thủy văn có tính tất nhiên hay tính chất vật lý của hiện tượng. Các hiện tượng thuỷ văn được hình thành và phát triển theo các quy luật của tự nhiên, các tính chất luật vật lý của hiện tượng cũng như tuân theo các quy luật chuyển động cơ học chất lỏng, ví dụ như sự hình thành và vận động của dòng chảy trên lưu vực, trong sông. c/ Các đặc trưng thủy văn có tính khu vực. Từ chỗ các hiện tượng thủy văn tuân theo các quy luật tự nhiên như quả đất quay quanh mặt trời và quanh mình nó dẫn tới trên trái đất phân thành các mùa thời 8 tiết cũng như các mùa mưa, mùa dòng chảy khác nhau, tuy nhiên ở các vùng khác nhau các mùa này lệch nhau và dẫn tới chúng có đặc tính khu vực. Nghĩa là các khu vực địa lý khác nhau có đặc điểm thuỷ văn khác nhau, trong cùng một khu vực các đặc trưng thuỷ văn có các đặc tính giống nhau. 1.2-2 Đặc điểm của các phương pháp nghiên cứu. - Trong thủy văn có nhiều phương pháp nghiên cứu vì các quá trình thủy văn xẩy ra phức tạp, chịu sự tác động của nhiều nhân tố khác nhau. - Qua nghiên cứu sự phát triển của lý thuyết dòng chảy ta thấy những phương pháp ban đầu thường mang tính chất tổng hợp địa lý và thống kê xác suất (như các phương pháp của kôtrerin, Xôcolopxki, Alecxâýep). Những phương pháp này có rất nhiều đóng góp trong phân tích và tính toán thủy văn, song nhìn chung chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế, chưa giải quyết được những vấn đề phức tạp của hiện tượng thủy văn, nhất là đối với các môi trường không đồng nhất. - Ngày nay, trong thủy văn đã vận dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại để nghiên cứu. Trên cơ sở toán học, phương pháp tính , nhất là nhờ máy tính điện tử người ta có thể tiến hành giải quyết những vấn đề phức tạp trong thủy văn như giải các phương trình vi phân biểu thị mối quan hệ giữa dòng chảy và các nhân tố ảnh hưởng, đã mô hình hoá các quá trình hình thành dòng chảy phức tạp, đồng thời đưa ra các phương pháp tính toán hợp lý và cho kết quả tốt, đặc biệt từ những năm 80 trở lại đây trong thủy văn đã ứng dụng kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý bước đầu cho kết quả khả quan , nhanh chóng. - Tóm lại có thể phân chia các phương pháp nghiên cứu thủy văn thành ba hướng sau đây: + Tổng hợp địa lý, + Thống kê xác suất, + Phương pháp vật lý. + Phương pháp mô hình toán. + Phương pháp ứng dụng kỹ thuật Viễn thám. 1.2-3 Phương pháp tổng hợp địa lý. Phương pháp tổng hợp địa lý là phương pháp dựa trên cơ sở coi hiện tượng thủy văn mang tính chất khu vực, biến đổi nhịp nhàng theo điều kiện địa lý cảnh quan khí hậu, nó có thể phân khu, có thể nội suy theo toạ độ địa lý và theo tính chất tương tự khu vực. 1. Phương pháp tham số tổng hợp. Đây là phương pháp biểu thị mối quan hệ giữa các đặc trưng dòng chảy và các nhân tố ảnh hưởng của chúng bằng các biểu thức toán học. Trong các biểu thức đó cần làm rõ các nhân tố chủ đạo và các nhân tố thứ yếu biểu thị bằng các tham số tổng hợp. Một hình thức khác của phương pháp này là phân chia khu vực thành nhiều vùng, mỗi vùng có một quan hệ dòng chảy với các nhân tố chủ đạo riêng. Ví dụ như quan hệ mưa năm và dòng chảy năm có dạng y = ax + b. 2. Phương pháp nội suy địa lý. 9 Cơ sở của phương pháp là dựa trên giả thiết những đặc trưng thủy văn cũng như các yếu tố cảnh quan địa lý khí hậu biến đổi điều hoà và liên tục trên lãnh thổ tuân theo quy luật địa đới chung, nghĩa là coi dòng chảy là một hàm của kinh vĩ độ và diện tích lưu vực M = f( F,x,y). Nếu ta loại trừ được yếu tố diện tích lưu vực F thì có thể xây dựng được đường đẳng trị các đặc trưng thủy văn và dùng phương pháp nội suy địa lý để tính toán. Nội dung của phương pháp là dùng tài liệu các đặc trưng thủy văn của các trạm gốc của một lãnh thổ nào đó suy ra giá trị trung gian của đối tượng nghiên cứu (mưa, dòng chảy năm, lũ, kiệt...). Một trong những phương pháp nội suy thường dùng là bản đồ các đường đẳng trị. Tuy nhiên giả thiết các đặc trưng thủy văn biến đổi điều hòa liên tục chỉ đúng trong những vùng rộng lớn, nơi mà quy luật khí hậu và cảnh quan địa lý nói chung chưa bị vi phạm bởi các yếu tố phi địa đới. Đối với dòng chảy có thể xem như một đặc trưng tổng hợp của toàn lưu vực nên có thể xem như chúng đã bị điều hoà và thay đổi đều đặn, nó khác với các yếu tố khí tượng cục bộ, hay yếu tố thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật v.v.. 3. Phương pháp tương tự thủy văn. Là phương pháp thường hay được sử dụng trong tính toán thủy văn. Sau khi chọn được lưu vực tương tự ta có thể chuyển trực tiếp hay hiệu chỉnh kết quả tính toán các đặc trưng thủy văn của nó cho lưu vực nghiên cứu. Phương pháp này dùng để xét những đặc trưng dòng chảy mà cơ bản phụ thuộc vào các nhân tố cục bộ địa phương không mang tính chất địa đới, nó không thể trực tiếp biểu thị trên bản đồ đẳng trị. Chọn lưu vực tương tự cần chú ý tới tính chất chung nhất của các yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới dòng chảy của hai lưu vực trong điều kiện địa lý cụ thể đã cho. Tuỳ theo các yêu cầu tính toán các đặc trưng dòng chảy khác nhau mà các điều kiện tương tự chọn cũng khác nhau. Ví dụ khi xét sự phân phối dòng chảy trong năm ngoài những điều kiện khí hậu chúng ta cần xét tới khả năng trử nước và điều tiết dòng chảy của lưu vực, song đối với dòng chảy năm trong điều kiện đủ và thừa ẩm thì những yếu tố đó là thứ yếu không đáng kể. Đối với dòng chảy lũ ngoài các yếu tố ảnh hưởng tới sự triết giảm môđuyn đỉnh lũ và dạng lũ như hồ ao đầm lầy, thảm phủ thực vật ta còn cần xét tới độ dốc, độ nhám sườn dốc, độ dốc lưu vực và lòng sông. Khi ứng dụng phương pháp ta có hai cách: - Tương tự trực tiếp. Khi giá trị dòng chảy của lưu vực sông nghiên cứu xác định trực tiếp theo tài liệu lưu vực sông tương tự (ví dụ theo bản đồ đẳng trị hay nội suy địa lý) hay nhân với một hệ số hiệu chỉnh nào đó do sự thay đổi các nhân tố phi địa đới ảnh hưởng tới dòng chảy. - Tương tự gián tiếp. Nhằm xác định các tham số trong các công thức quan hệ của lưu vực nghiên cứu thông qua kết quả tính toán của lưu vực tương tự hoặc mượn các tham số của lưu vực tương tự dùng cho lưu vực sông nghiên cứu. 10 Phương pháp cho phép mở rộng phạm vi hiểu biết trong khu vực thủy văn rộng lớn, giúp ta nghiên cứu khảo sát được chế độ thủy văn ngay cả đối với lưu vực chưa được nghiên cứu bằng cách đưa vào các kết quả khảo sát đo đạc của các trạm thủy văn cơ bản. 1.2-4 Phương pháp thống kê sác suất. Việc ứng dụng phương pháp tổng hợp địa lý để nghiên cứu tính toán thủy văn cho thấy kết quả mang tính chất nội suy và có nhiều hạn chế. Thực tế hiện nay do tài liệu đo đạc còn hạn chế , ngắn chưa đủ để phục vụ cho yêu cầu tính toán thiết kế cho nên phải sử dụng phương pháp khác nhằm mục đích ngoại suy các giá trị chưa biếtphương pháp này gọi là phương pháp xác suất thống kê. 1. Ưng dụng lý luận sác suất thống kê. Ưng dụng lý thuyêt thống kê xác suất trong tính toán thuỷ văn dựa trên cơ sở coi hiện tượng thuỷ văn là những biến cố ngẫu nhiên độc lập đựoc thể hiện qua các điểm sau: - Lượng dòng chảy năm (lũ, kiệt) là một biến ngẫu nhiên độc lập, nghĩa là lượng dòng chảy năm giữa các năm không liên quan gì với nhau. Hệ số tương quan R i ≈ i + 1, R i ≈ i + 2 của dòng chảy giữa hai năm kề nhau hay cách nhau của các sông trên thế giới cũng như Việt Nam rất nhỏ, khoảng ± 0.5 và sai số tương quan σRi thì rất lớn. - Lượng dòng chảy năm là biến ngẫu nhiên, sự thay đổi của nó phù hợp với luật thống kê có thể dùng quy luật phân phối xác suất của mẫu phân tích xác định quy luật phân phối của tổng thể. - Các hiện tượng xuất hiện dưới tác dụng của một tổng hay một tích của các yếu tố ngẫu nhiên độc lập (hay phụ thuộc yếu) tạo nên một chuỗi ngẫu nhiên tuân theo luật thống kê xác suất. Nếu gọi R1 - là hệ số tương quan chuỗi hai năm kề nhau và R2- hệ số tương quan cách nhau 2 năm của các chuỗi thủy văn ta thấy chúng rất nhỏ như trong bảng sau: Bảng 1.1 Hệ số tương quan chuỗi dòng chảy năm và dòng chảy lũ TT Sông Trạm n Dòng chảy lũ dòng chảy năm R1 R2 R1 R2 1 Thao Yên Bái 55 -0.006 0.013 -0.14 -0.09 2 Lô Tuyên Quang 49 -0.19 0.17 -0.003 0.002 3 Đà Hoà Bình 49 0.18 0.24 -0.16 -0.03 4 Trường Nghi Xướng 66 0.09 0.09 Giang 5 Hoàng Hà Thâm Huyện 35 0.00 0.22 (R1- Hệ số tương quan chuỗi hai năm kề nhau, R2 - Hệ số tương quan chuỗi cách nhau một năm). 11 Theo định lý giới hạn trung tâm của sác suất phân phối của nhiều đại lượng tiệm cận vơí phân phối chuẩn thì chuỗi các đại lượng đó là chuỗi số ngẫu nhiên. Kiểm định chuỗi số thuỷ văn ta thấy đảm bảo định lý đó. Cụ thể ở dạng phân bố chuẩn thì tỷ số % của các điểm nằm trong phạm vi ±σ, ±2σ, ±3σ so với tổng số điểm đạt 68.3%, 95.4% và 99.7% còn đối với các chuỗi thủy văn tương ứng là 62.9 - 74.0% (trung bình 69.0%), 91-98.2% (trung bình 95.9%) và 98.0-100.% (trung bình 99.6%). Khi ứng dụng phương pháp thống kê xác suất ta sử dụng thời gian quan trắc đơn thuần không trực tiếp nghiên cứu bản chất vật lý của hiện tượng nên kết quả chỉ mang hàm ý sác suất, nó không nói lên được mối quan hệ nhân quả giữa hiện tượng thủy văn với các nhân tố khác. Vì thế trước khi sử dụng phương pháp cần nghiên cứu bản chất vật lý của hiện tượng, cần khám phá cơ cấu của nó trong mối quan hệ với các nguyên nhân và nhân tố ảnh hưởng tới sự hình thành và phát triển của hiện tượng. Khi sử dụng cần chý ý 3 vấn đề: + Kiểm nghiệm sự thích hợp giữa các số liệu và đường tần suất lý luận chọn để tính toán. + Cần chú ý xem xét tính đồng nhất theo thời gian và không gian. + Mối quan hệ giữa các đại lượng cùng chuỗi. 2/ Ưng dụng lý thuyết tương quan. Cũng như mọi hiện tượng tự nhiên khác, hiện tượng thủy văn vừa có tính ngẫu nhiên vừa có tính tất nhiên. Điều này thể hiện trong không gian bằng mối quan hệ giữa các đại lượng cùng thời kỳ, cùng một khu vực địa lý khí hậu, trong thời gian nó thể hiện bằng mối quan hệ giữa các đại lượng dòng chảy năm này và năm khác. Tính tất nhiên không gian dẫn tới mối quan hệ tương quan mà trong thống kê cổ điển thường dùng để kéo dài tài liệu của trạm nghiên cứu theo tài liệu của lưu vực sông tương tự. Tính tất nhiên thời gian thể hiện bằng chu kỳ lặp lại của nó phụ thuộc vào điều kiện khí hậu thời tiết mà nguyên nhân sâu xa là diễn biến có chu kỳ của mặt trăng, mặt trời và các hiện tượng khác trong vũ trụ. Những lưu ý khi ứng dụng: Cũng như lý thuyết sác suất thống kê lý thuyết tương quan ứng dụng trong thuỷ văn cũng không đi sâu nghiên cứu bản chất của hiện tượng và có thể dẫn tới những sai lầm: - Một là: Cũng có thể có hai liệt số không liên quan về mặt vật lý nhưng có hệ số tương quan rất lớn điều đó không có ý nghĩa về mặt thực tế hoặc khi so sánh tương quan giữa nhiều chuỗi số không xét cùng trong một chu kỳ nhất định sẽ cho ta những kết luận phiến diện thiếu chính xác. - Hai là: Khi xét tương quan giữa hai biến thì đó là quan hệ giữa biến này phụ thuộc vào một trong nhiều yếu tố khác hợp thành nên dù muốn hay không trong một mức độ nhất định ý nghĩa cùng thời gian sẽ bị lu mờ mà ý nghĩa cùng tần suất sẽ rõ nét hơn vì lúc đó tần suất đóng vai trò một tham số tổng hợp. Nếu dùng quan hệ nhiều biến để mô tả thì phải xác định được các yếu tố chính phụ theo mức độ tương quan giảm dần và khi đó xác định được hàm số phụ thuộc một cách chính xác. 12 - Ba là: Tiêu chuẩn đánh giá mức độ tương quan giữa hai chuỗi số thế nào là phù hợp hiện nay có nhiều cách khác nhau. + Đánh giá theo xu hướng lý thuyết, thường ít được vận dụng trong thực tế vì tài liệu đo đạc còn ngắn chưa đúng theo yêu cầu của một chuỗi thống kê. + Đánh giá theo kinh nghiệm thống kê ⎢R ⎢≥ 0.8 thì coi là tương quan chặt chẽ. Đánh giá theo kinh nghiệm đơn giản dễ hiểu thiếu cơ sở lý luận nhưng thường hay được sử dụng trong thực tế. 3. Ứng dụng lý thuyết quá trình ngẫu nhiên. Lý thuyết quá trình ngẫu nhiên có ý nghĩa rất lớn khi nghiên cứu các giao động nhiều năm của các đặc trưng dòng chảy, của các quá trình thủy văn khí tượng và các quá trình địa vật lý. Khi ứng dụng lý thuyết thống kê cổ điển chỉ cho ta biết các giá trị đặc trưng thuỷ văn ứng với một tần suất nhất định. Muốn có một quá trình biến đổi theo thời gian thường phải đơn giản hoá bằng cách chọn một mô hình đại biểu (thực tế hay giả tạo). Nhìn chung loại mô hình nào cũng khó có thể xẩy ra trong tương lai, vì vậy phải có một phương pháp mới, phương pháp mô hình hoá dòng chảy khắc phục được những nhược điểm trên. 1.2-5 Phương pháp vật lý. Dòng chảy sông ngòi hình thành và biến đổi theo không gian và thời gian chịu sự chi phối bởi nhiêù yếu tố mà có thể quy về hai nhóm - Nhân tố khí hậu (X, Z, t0, d, V...) quyết định sự biến đổi dòng chảy theo thời gian. - Nhân tố mặt đệm (địa hình địa mạo, thảm phủ thực vật, địa chất thổ những ...) tương đối ổn định theo thời gian nhưng biến đổi theo không gian. Nó ảnh hưởng tới quá trình hình thành dòng chảy và biến đổi dòng chảy thông qua tổn thất, điều tiết và tập trung nước. - Cơ sở của phương pháp là dựa vào tài liệu đo đạc đầy đủ, chính xác và đồng bộ ở các bãi thực nghiệm dòng chảy hay các lưu vực nhỏ. Qua phân tích tính toán quá trình cơ bản tiến hành thiết lập các quan hệ định lượng giữa các nhân tố bằng các phương trình toán học. - Có hai hướng sau: + Hướng nghiên cứu thực nghiệm. Người ta cho rằng hiện tượng thủy văn rất phức tạp nên phải trên cơ sở mô hình tự nhiên mà nghiên cứu tổng hợp hoặc xét những nhân tố chủ đạo ảnh hưởng tới sự hình thành dòng chảy bằng cách so sánh kết quả đo đạc về dòng chảy hai lưu vực có tất cả các điều kiện ảnh hưởng tự nhiên như nhau, từ lưu vực nhỏ suy ra các lưu vực lớn. + Hướng nghiên cứu lý thuyết. Dùng lý thuyết toán học, cơ học v.v. để mô hình hoá các quá trình hình thành dòng chảy và xây dựng các hệ phương trình chuyển động của dòng chảy sau đó dùng kỹ thuật tính toán hiện đại để giải. Hiện nay có rất nhiều mô hình dòng chảy khác nhau đang được vận dụng trong thực tế rất có kết quả. 13 Hai hướng nghiên cứu này luôn bổ sung cho nhau, hướng thực nghiệm giúp cho việc xây dựng phương trình thuỷ lực của dòng chảy sông ngòi một cách chắc chắn, đồng thời là cơ sở để xác định các tham số, hệ số mà đơn thuần lý thuyết không giải quyết được. Hướng lý thuyết chỉ ra đường lối đúng đắn rõ ràng cho hướng thực nghiệm tiến hành. 1.2-6 Phương pháp mô hình toán. Thuỷ văn học là một khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất , nó cũng giống như các nghành khoa học khác, quá trình nghiên cứu vận dụng trải qua các giai đoạn: quan sát, mô tả, thực nghiệm giải thích bản chất của hiện tượng từ đó tìm ra quy hình thành luật vận động của nước và những biện pháp sử dụng có hiệu quả nhất nhằm phục vụ cho lợi ích của con người và bảo vệ môi trường sinh thái. Việc mô tả các hiện tượng thuỷ văn bằng các biểu thức toán học được gọi là các mô hình toán thủy văn. Vì các hiện tượng thủy văn luôn biến đổi theo thời gian và không gian, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố cho nên các mô hình toán biểu diễn đầy đủ các mối quan hệ phức tạp này sẽ có khối lượng tính toán rất lớn, không thể thực hiện bằng tay được. Trước đây khi chưa có máy tính người ta chỉ chú ý tới các nhân tố chính, các nhân tố chủ đạo làm cho cấu tạo mô hình đơn giản đi nhiều vì thế có thể tính bằng tay hoặc dưới sự giúp đỡ của các đồ thị hay bảng tra. Việc đơn giản hoá các quá trình dòng chảy tất nhiên sẽ dẫn tới độ chính xác của kết quả kém đi, các thiếu sót này có thể bổ sung bằng cách sử dụng các mô hình vật lý để kiểm tra đánh giá mức độ tin cậy. Tuy vậy mô hình vật lý càng ngày càng khó thực hiện vì quy mô kích thước các công trình trên sông ngày càng lớn, càng phức tạp nên chi phí để thực hiện mô hình vật lý khá tốn kém khó có thể thực hiện được. Từ các yếu tố trên dẫn tới mô hình toán trong thủy văn ngày càng phổ biến và ứng dụng rộng rãi. Có thể kể ra nhiều mô hình toán đang được sử dụng nhiều trong thực tế tính toán và dự báo thủy văn như: Mô hình H. M. Kusmen (Liên xô cũ), SSARR, ARIMA (Mỹ) TANK (Nhật).. Các mô hình toán đang được áp dụng trong thủy văn có thể chia ra hai loại: mô hình tất định và mô hình ngẫu nhiên. Trong các mô hình tất định dòng chảy được coi như kết quả tất nhiên của lượng mưa, độ ẩm, nhiệt độ và đặc điểm bề mặt của lưu vực. Trên cơ sở đó các mô hình toán tìm cách biểu diễn các quan hệ mưa - dòng chảy bằng các biểu thức toán học khác nhau. Vì dòng chảy chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, mỗi yếu tố lại tác động lên dòng chảy theo những quy luật riêng rất phức tạp do đó mô hình toán dù có phức tạp đến đâu cũng khó có thể mô tả đầy đủ , chính xác tất cả các mối quan hệ này. Vì thế một hướng phát triển khác của mô hình toán là coi các giá trị dòng chảy mang tính ngẫu nhiên và chuỗi số tập hợp các giá trị của dòng chảy phải tuân theo các quy luật thống kê. Những mô hình loại này đang được sử dụng có hiệu quả trong việc dự báo thuỷ văn dài hạn và tính toán thiết kế các công trình trên sông. 14 Dù biễu diện các quá trình thủy văn bằng mô hình toán loại nào thì vẫn cần phải xác định các thông số mô hình sao cho phù hợp với lưu vực, với bản chất vật lý của quá trình thủy văn vùng đang nghiên cứu. 1.2-7 Phương pháp ứng dụng kỹ thuật Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý. Từ khi Mỹ phóng vệ tinh Landsat để nghiên cứu địa lý tài nguyên trái đất, các thông tin thu nhận được chứa đựng nhiều tư liệu quý giá, trong đó có thủy văn. Từ những năm 80 trở lại đây các tư liệu viễn thám đã được ứng dụng để nghiên cứu các đặc trưng hình thái lưu vực, mạng lưới sông ngòi, nghiên cứu tổng hợp dòng chảy, cân bằng nước lưu vực, xây dựng các bản đồ ngập lụt, đánh giá tác động môi trường, dòng chảy bùn cát của lưu vực. Những nghiên cứu này bước đầu đã mang lại kết quả khả quan và tiết kiệm được nhiều thời gian và kinh phí. 1.3 SỰ PHÂN BỐ VÀ TUẦN HOÀN NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT 1.3-1 Phân bố đất liền và mặt nước (đại dương và biển) trên trái đất. Nước lấp đầy những bồn địa khổng lồ trên mặt đất, hình thành nên lớp vỏ nước - Đại dương thế giới. Trong tổng diện tích trấi đất 510 triệu km2 đại dương chiếm 361 triệu km2 tương ứng 70,8%, đất liền chiếm 149 triệu km2 tương ứng 29,2%. Đất liền phân bố chủ yếu ở bắc bán cầu, ở đó đất liền chiếm 39% bề mặt, ở Nam bán cầu đất liền chỉ chiếm 19%. Phần đất liền mà từ đó sông đưa nước ra các biển nối liền với Đại dương thế giới gọi là phần rìa, còn phần của đất liền mà từ đó nước đi vào các bồn chứa khép kín bên trong đất liền, không có dòng chảy thông ra đại dương gọi là phần không lưu thông. Theo kết quả tính toán của các nhà thủy văn tổng lượng nước trên toàn trái đất là 1.385.600.000 km3 trong đó phân chia như sau: - Nước trong đại dương 1.338.000.000 km3 chiếm 96.52 % 3 - Nước trong băng tuyết 24.012.100 km chiếm 1.74% 3 - Nước trong đất 23.400.000 km chiếm 1.69% 3 - Nước trong sông 2.120 km chiếm 0.00015% 3 - Nước trong hồ 176.400 km chiếm 0.0130% 3 - Nước trong đầm lầy 10.300 km chiếm 0.0007% 3 - Nước trong khí quyển 12.900 km chiếm 0.0009% 3 - Nước trong các cơ thể sống 1.120 km chiếm 0.00007% Trước đây cho rằng nước trong đại dương là 1.370 triệu km3 nhưng theo tài liệu đo đạc mới nhất của các nhà hải dương Liên xô cũ thì chỉ có 1.338 triệu km3 tức là ít hơn 2,3% do xác định độ sâu bình quân của đại dương thấp hơn 80m. Việc xác định nước trong đất (nước ngầm) nói chung chính xác hơn nước trong băng tuyết. Nước trong sông tương đối khó xác định. Lượng nước này trên toàn thế giới được xác định ở một thời điểm nhất định. Nước trong hồ và đầm lầy xác định tương đối dễ và chính xác. 15 1.3-2 Vòng tuần hoàn nước nhỏ và lớn trên trái đất Nhờ năng lượng tới của mặt trời, hàng năm khoảng 519.000 km3 nước bốc hơi từ mặt biển, đại dương và đất liền. Một phần bốc hơi từ mặt đại dương lại rơi ngay trên đó,nghĩa là trở về với đại dương, hoàn thành vòng tuần hoàn nhỏ. Hơi nước theo các khối không khí vào đất liền, trong những điều kiện thuận lợi ngưng tụ lại và rơi xuống thành mưa. Mưa rơi trên đất liền một phần thấm vào trong đất, một phần chảy trên mặt đổ vào sông suối, phần còn lại bốc hơi. Quá trình mưa rơi trên mặt đất và sau đó bốc hơi dù có lặp lại bao nhiêu lần chăng nữa thì cuối cùng hơi nước do không khí mang vào đất liền sẽ chảy trở về đại dương, hoàn thành vòng tuần hoàn lớn của nước trên trái đất. Một phần nhỏ trong tổng lượng nước tuần hoàn trên trái đất, khoảng 7,7 nghìn 3 km trong một năm hoàn thành vòng tuần hoàn trong phạm vi các miền không lưu thông. Lượng ẩm trong không khí 39 2. Mưa rơi xuống mặt đất 100 4. Bốc hơi từ lục địa 61 2. Mưa rơi xuống đại dương 385 Dòng chảy mặt Hồ chứa Thấm 5. Dòng chảy sát Mực nước ngầm mặt 1. Bốc hơi từ đại dương 424 6.Dòng chảy mặt chẩy ra biển 38 5. Dßng ch¶y ngÇm Tầng không thấm nước 7. Dòng chảy ngầm chẩy ra biển 1 Hình 1-1 Sơ đồ tuần hoàn nước trong tự nhiên 1.Bốc hơi từ mặt đại dương; 2- Mưa trên mặt đại dương; 3- Mưa trên đất liền; 4 - Bốc hơi từ mặt đất liền; 5 - Dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm nhập vào sông; 6Dòng chảy sông ngòi vào đại dương (bể không lưu thông); 7- Dòng chảy ngầm vào đại dương (bể không lưu thông); 8-Trao đổi hơi nước giữa đất liền và đại dương lưu thông trong khí quyển. 16 Ghi chú: Tương ứng với 100 đơn vị mưa trên lục địa có 38 đơn vị chảy dòng chảy mặt ra biển; 1 đơn vị chảy ngầm ra biển; 61 đơn vị bốc hơi từ lục địa; tương ứng có 385 đơn vị mưa xuống đại dương và 424 đơn vị bốc hơi từ đại dương. Sự tuần hoàn nước trong những miền không lưu thông ở mức độ nào đó mang tính chất độc lập, mặc dầu một mặt nào đó có liên quan với tuần hoàn nước chung trên trái đất. Đặc điểm trong sự trao đổi ẩm của các miền không lưu thông với đại dương thế giới là ở chỗ, nước từ những miền không không lưu thông đi vào đại dương không phải bằng dòng chảy trực tiếp mà theo dạng hơi nước cuốn theo các khối không khí. Để cho 519.000 km3 nước bốc hơi và tham gia vào vòng tuần hoàn cần có xấp xỉ 3.10 20 kilôcalo. Hàng năm trái đất được gần 13,4.1020 kilôcalo từ mặt trời. Ta thấy gần 22% năng lượng mặt trời tới trái đất tiêu hao vào việc tuần hoàn của nước trên trái đất. 1.4 DÒNG CHẢY VÀ CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG . 1.4-1 Dòng chảy Dòng chảy là kết quả của mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố khí tượng và mặt đệm lưu vực, là đặc trưng luôn biến đổi theo thời gian và không gian. Dòng chảy của một lưu vực sông tính đến một vị trí bất kỳ trên sông là kết quả dòng chảy thu nhận được từ diện tích lưu vực tính đến vị trí đó. Đối với dòng chảy sông ngòi có thể phân ra: - Dòng chảy năm - Dòng chảy lũ - Dòng chảy kiệt - Dòng chảy ngầm - Dòng chảy mặt - Dòng chảy sát mặt - Dòng chảy bùn cát 1.4-2 Các nhân tố ảnh hưởng. Quá trình hình thành dòng chảy rất phức tạp, nó là kết quả của sự tổ hợp nhiều nhân tố ảnh hưởng. Có những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp như mưa, có những nhân tố ảnh hưởng gián tiếp như độ ẩm, nhiệt độ, gió,v.v.. và các đặc trưng địa lý và hình thái của lưu vực. Các nhân tố ảnh hưởng tới từng đặc trưng dòng chảy có mức độ khác nhau. Có nhân tố ảnh hưởng tới đặc trưng này đáng kể nhưng với đặc trưng khác thì ít ảnh hưởng. Việc phân chia các nhân tố ảnh hưởng thành các nhóm khác nhau có thể theo nhiều cách. - Có thể phân chia thành hai nhóm: nhóm nhân tố thiên nhiên và nhóm nhân tố hoạt động kinh tế của con người. - Có thể phân theo tính chất thay đổi của các nhân tố mà chia ra: Các nhân tố biến đổi nhanh có tính chu kỳ (X, Z, d, T0, v.v ) gọi chung là nhân tố khí hậu; Các 17 nhân tố thay đổi chậm hoặc không thay đổi (địa hình, địa chất thổ nhưỡng, thảm phủ) gọi chung là các nhân tố mặt đệm. Ngoài ra các hoạt động kinh tế của con người cũng có vai trò quan trọng trong việc làm thay đổi dòng chảy và có thể chia ra làm một nhóm. 1.5 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC. 1.5-1 Nguyên lý chung. Phương trình cân bằng nước phản ánh quy luật chung của tự nhiên - quy luật bảo toàn vật chất. Nó là cơ sở để đánh giá các thành phần của dòng chảy sông ngòi, của các phương pháp nghiên cứu và tính toán. Về nguyên lý có thể nêu như sau: Đối với một vi thể tích nhỏ trong không gian, trong khoảng thời gian bất kỳ thì hiệu giữa lượng nước đến và lượng nước đi ra khỏi thể tích đó bằng lượng nước tích đọng trong vi thể tích. Sử dụng phương pháp cân bằng nước ta có thể tiến hành so sánh những nguồn ẩm đi tới phạm vi lãnh thổ nghiên cứu trong những thời đoạn khác nhau và xác định mức độ ảnh hưởng của chúng tới quá trình hình thành chế độ nước của đối tượng nghiên cứu. Trên cơ sở tổng hợp các thành phần riêng biệt của cân bằng nước ta có thể xác định những sai số đo đạc có thể gặp, phân tích để loại trừ sai số đó và đánh giá mức độ chính xác của các kết quả thu được. Phương pháp cân bằng nước cho phép xác định gián tiếp theo hiệu số giữa các đại lượng nghiên cứu một trong những thành phần cân bằng nước (dòng chảy, mưa, bốc hơi, thấm...) do những điều kiện nào đó không đo đạc được song cần phải biết nó để giải quyết những bài toán kinh tế, kỹ thuật hoặc để xác minh những quy luật chung của tuần hoàn ẩm trong phạm vi không gian đang xét. Trên cơ sở nguyên lý này ta có thể viết phương trình cân bằng nước cho bất kỳ một đối tượng nào trong bất kỳ một khoảng thời gian nào. Phương trình viết cho thời đoạn ngắn cho phép phân tích tỷ mỉ các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành dòng chảy. Phương trình viết cho thời gian dài tuy không cho biết được cơ cấu hình thành dòng chảy song nó cần thiết cho việc xét tương quan giữa các yếu tố riêng biệt của phương trình. 1.5-2 Phương trình cân bằng nước tổng quát. Trong trường hợp chung, đường viền giới hạn phần bề mặt đất ta xét cắt những dòng nước đi vào và đi ra. Chúng ta vẽ một một bề mặt thẳng đứng và xét: 18 - Lượng nước vào: + Lượng mưa rơi trực tiếp - X, + Lượng dòng chảy mặt từ bên ngoài đổ vào-YV, + Lượng dòng chảy ngầm từ ngoài chảy vào UV + Lượng nước ngưng tụ trên bề mặt Zn. - Lượng nước ra: + Lượng dòng chảy ở mặt cắt cữa ra YR, + Lượng dòng chảy ngầm ra khỏi lưu vực UR + Lượng nước bốc hơi Z - Lượng nước tích đọng: + Lượng nước tích đọng ở đầu thời đoạn Wđ + Lượng nước tích đọng ở cuối thời đoạn Wc Phương trình cân bằng nươc trong bất cứ thời đoạn nào có thể viết: X + Y V + U V + Z n - Y R - Z - U R = Wc - W đ (1-1) 1.5-3 Các trường hợp riêng Nếu ta không xét một vùng bất kỳ mà xét một lưu vực sông có đường chia nước rõ rệt, thì trong trường hợp này chỉ có một dòng chảy ra của đường viền khép kín của lưu vực. Nếu là lưu vực kín, nghĩa là đường phân chia nước mặt và nước ngầm trùng nhau thì phương trình viết: X -Y - Z = ± ΔW (1-2) Là lưu vực kín xét trong thời kỳ nhiều năm phương trình sẽ là: X 0 - Y0 = Z0 (1-3) 1.5-4 Phương trình cân bằng nước trong hệ sinh thái tổng hợp. Hệ sinh thái tổng hợp là hệ sinh thái bao gồm điều kiện tự nhiên và hoạt động kinh tế của con người. Trong trường hợp này phương trình cân bằng nước có dạng: (1-4) X -Y - Z = ± ΔW + WKT 1 - W KT 2 Trong đó: WKT ! – Tổng lượng nước dùng, bao gồm nước dùng trong nông nghiệp, nước dùng công nghiệp và nước dùng sinh hoąt. 19 WKT 2 - Tổng lượng nước thải, bao gồm nước hồi quy trong nông nghiệp, nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt Câu hỏi chương 1: 1. Đặc điểm của các hiện tượng thủy văn? 2. Các phương pháp nghiên cứu trong thủy văn. 3. Phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy sông ngòi. 4. Nguyên lý viết phương trình cân bằng nước, phương trình cân bằng nước tổng quát và các trường hợp riêng? 20