Bài giảng Sự hình thành dòng chảy sông ngòi

Chương 2 Sự hình thành dòng chảy sông ngòiI. Hệ thống sông ngòi – Lưu vực sông1. Hệ thống sông ngòiSông ngòi được hình thành dưới tác động bào mòn của dòng chảy do nước mưa hoặc tuyết tanSông là một dải lãnh thổ trên đó có dòng nước chảy tương đối lớn và tương đối ổn định.Một tập hợp những sông suối gồm một sông chính và các phụ lưu phân lưu lớn nhỏ có liên quan chặt chẽ với nhau về dòng chảy và lưu vực tập trung nước được gọi là hệ thống sông.Ví dụ:HT sông Hồng: sông Hồng và các sông Đà, Thao, Lô, GâmHT sông Mã: sông Mã và các sông Chu, Âm, BưởiPhân loại và phân cấp hệ thống sôngPhân loại: HT sông hình nan quạtHT sông hình lông chimHT sông hình cành câyHT sông hình song songMột hệ thống sông lớn thường có hình dạng hỗn hợp.Phân cấp hệ thống sông:Sông chính: là dòng sông có kích thước dài nhất và có lượng nước chảy trong sông là lớn nhấtSông phụ:Nhập lưu: là dòng sông phụ cung cấp nước cho hệ thốngPhân lưu: là dòng sông phụ lấy nước của hệ thống2. Lưu vực sôngLưu vực của một con sông là phần mặt đất mà nước trên đó sẽ chảy ra sông (kể cả nước mặt và nước ngầm).Đường chia nước của lưu vực sông là đường cong giới hạn vùng cấp nước cho sông. Có hai loại: đường chia nước mặt và đường chia nước ngầm.Việc xác định đường chia nước ngầm là rất khó nên thông thường người ta lấy đường chia nước mặt là đường phân lưu.Lưu vực kín: là lưu vực có đường chia nước mặt trùng với đường chia nước ngầmLưu vực hở: là lưu vực có đường chia nước mặt không trùng với đường chia nước ngầmĐường phân lưuCửa ra lưu vựcSông nhánhSông chínhSơ họa một lưu vực sôngSơ họa mặt cắt một lưu vực sôngĐường chia nước mặtMưaBốc hơiDòng chảy mặtThấmDòng chảy ngầmMặt cắt A-AĐường chia nước ngầm 3. Các đặc trưng hình học của lưu vực sôngDiện tích lưu vựcChiều dài sôngChiều dài lưu vựcChiều rộng bình quân lưu vựcĐộ cao bình quân lưu vựcĐộ dốc lòng sôngĐộ dốc bình quân lưu vựcMật độ lưới sôngMặt cắt sôngHệ số hình dạng lưu vựcHệ số uốn khúcHệ số không đối xứngHệ số phát triển đường phân nướca.Diện tích lưu vựcLà diện tích khu vực được khống chế bởi đường phân lưu. Ký hiệu: F. Đơn vị: km2.Được xác định bằng máy đo diện tích hoặc một số phương pháp khác.Trong thực tế, thường sử dụng các bản đồ tỉ lệ 1/10000; 1/25000; 1/50000 và 1/100000F (km2)b.Chiều dài sôngLà chiều dài đường nước chảy trên sông chính tính từ nguồn đến mặt cắt cửa ra lưu vực. Ký hiệu: Ls. Đơn vị: km.Ls (km)c.Chiều dài lưu vựcLà chiều dài đường gấp khúc nối từ cửa ra qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực (vuông góc với trục sông chính) cho đến điểm xa nhất của lưu vực. Ký hiệu: Llv. Đơn vị: kmLlv (km)Một số đặc trưng hình học khácChiều rộng bình quân lưu vực:Là tỷ số giữa diện tích lưu vực và chiều dài lưu vực Blv (km) = F/Llv  F/LsĐộ cao bình quân lưu vực:Trong đó:Hi- cao trình đường đồng mức thứ ifi- diện tích bộ phận của lưu vực nằm giữa 2 đường đẳng cao liên tiếpF- Diện tích lưu vựcn- số mảnh diện tích Một số đặc trưng hình học khácĐộ dốc lòng sông chính Js (o/oo): tính theo đường kẻ dọc sông sao cho các phần diện tích thừa thiếu không chế bởi đường thẳng và đường đáy sông bằng nhauĐộ dốc bình quân lưu vực J (o/oo)Trong đó:Dhi : chênh lệch cao độ giữa hai đường đồng mứcli: chiều dài của đường đẳng cao thứ i trong phạm vi lưu vựcMột số đặc trưng hình học khácMật độ lưới sông (km/km2)Là tỷ số giữa tổng chiều dài của tất cả các sông suối trên lưu vực chia cho diện tích lưu vực.Hệ thống sông ngòi Việt namTổng số các sông trên lãnh thổ với dòng chảy thường xuyên và có chiều dài từ 10km trở lên là 2.3609 hệ thống sông có diện tích lưu vực từ 10.000km2 trở lên166 sông có diện tích lưu vực từ 500-10000km2, phần lớn là sông nhánh của các sông lớn2170 sông có diện tích lưu vực nhỏ hơn 500km2 (chiếm 93%), trong đó1556 sông có diện tích lưu vực nhỏ hơn 100km2SôngDiện tích (km2)Tổng lượng nước (km3/năm)Trong nướcNgoài vàoToàn bộBằng- Kỳ Cùng 12.880 7,191,738,92Hồng-Thái Bình 168.700 93,044137Mã-Chu 28.400 15,764,3420,1Cả 27.200 19,464,7424,2Gianh 4.680 8,14 8,14Quảng Trị 2.660 4,68 4,68Hương 2.830 5,64 5,64Thu Bồn 10.350 19,3 19,3Vệ 1.260 2,36 2,36Trà Khúc 3.189 6,19 6,19An Lão 1.466 1,64 1,64Côn 2.980 2,58 2,58Kỳ Lộ 1.920 1,45 1,45Ba 13.800 10,36 10,36Cái (Nha Trang) 1.900 1,9 1,9Cái (Phan Rang) 3.000 1,72 1,72Lũy 1.910 0,82 0,82Cái (Phan Thiết) 1.050 0,488 0,488Đồng Nai 44.100 29,21,430,6Mê Kông 795.000 20,6*500520,6(*): không tính ở Tây NguyênII. Các nhân tố khí hậu, khí tượngChế độ thủy văn của một vùng phụ thuộc chủ yếu khí hậu, sau đó là địa hình, địa chất và thổ nhưỡng và lớp phủ thực vật.Các nhân tố khí hậu ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy là mưa và bốc hơiMưa và bốc hơi lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khí tượng khác: nhiệt độ, bức xạ, độ ẩm, áp suất không khí, gió, ...Các yếu tố khí tượngNhiệt độ mặt đấtNhiệt độ mặt nướcNhiệt độ không khíÁp suất không khíĐộ ẩm không khíGióBãoMưaBốc hơiMưaa. Khái niệm và phân loạiLà hiện tượng nước ở thể lỏng hoặc thể rắn từ các tầng khí quyển rơi xuống bề mặt đất.Quá trình hình thành mưa:Không khí ẩm bị lạnh đi xuống dưới điểm sươngHơi nước quá bão hòa ngưng kết lại thành hạtCác hạt lớn lên và khi trọng lượng thắng lực ma sát của tầng khí quyển và tốc độ các luồng không khí đi lên mà rơi xuống thành mưa.Phân loại mưaTheo tính chất của mưa:Mưa ràoMưa dầmMưa phùnTheo nguyên nhân làm khối không khí thăng lên cao:Mưa đối lưuMưa địa hìnhMưa gió xoáyMưa front lạnhMưa front nóngMưa bãob. Các đặc trưng mưaLượng mưa: là lớp nước mưa đo được tại một trạm quan trắc trên một đơn vị diện tích trong một thời đoạn nào đó. Ký hiệu: HT. Đơn vị: mm.Lượng mưa trận, Lượng mưa ngày, Lượng mưa tháng, Lượng mưa nămCường độ mưa: Là lượng mưa rơi trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu: at. Đơn vị: mm/h, mm/phút.Đường quá trình mưa: là sự biến đổi của cường độ mưa theo thời gianat (mm/ph)tTt1t2at maxHt1-t2aTThùng đo mưa chuẩnThiết bị đo mưa tự ghic. Các phương pháp tính mưa bỡnh quân lưu vựcPhương pháp bỡnh quân số họcPhương pháp đa giác TheissonPhương pháp đường đẳng trịPhương pháp bỡnh quân số học Trong đó:n là số trạm đo mưa trên lưu vựcXi là lượng mưa ở trạm thứ iNhận xét: Phương pháp này chỉ sử dụng tốt khi trên lưu vực có nhiều trạm mưa và được bố trí ở những vị trí đặc trưng. Trạm đo mưaPhương pháp đa giác Theissen Cơ sở của phương pháp: coi lượng mưa đo được ở một vị trí nào đó trên lưu vực chỉ đại diện cho lượng mưa của một vùng nhất định quanh nóNội dung phương phỏp:Nối các trạm đo mưa bằng các đoạn thẳngKẻ đường trung trực của các đoạn thẳng đóCỏc đường trung trực này chia lưu vực thành cỏc đa giỏc. Lượng mưa của trạm đo nằm trong mỗi đa giỏc là lượng mưa bỡnh quõn của phần diện tớch thuộc đa giỏc đú.Phương pháp đa giác Theissen (tiếp)Xác định lượng mưa bỡnh quân lưu vực:Trong đó: Xi là lượng mưa tại trạm thứ i đại diện cho mảnh diện tích thứ i; n là số đa giác (hoặc trạm mưa); fi là diện tích của khu vực thứ i; F là diện tích lưu vực tính bằng km2Phương pháp đa giác Theissen (tiếp)Nhận xét:Phương pháp này ứng dụng được khi trên lưu vực và lân cận nó có nhiều điểm đo mưa với n3.Phương pháp đa giác là phương pháp thường dùng nhất trong tính toán thuỷ văn hiện nay. ưu điểm của phương pháp: xét được quyền số diện tích fi/F (so với phương pháp bỡnh quân số học) Ví dụ 1Lưu vực sông có diện tích: F=1000 km2Trên lưu vực có 4 trạm mưa, mỗi trạm khống chế diện tích là : f1= 160km2f2= 310km2f3= 270km2f4=260km2Lượng mưa đại diện cho 4 mảnh diện tích tương ứng là:X1= 210mmX2=250mmX3=310mmX4=320mmLượng mưa bình quân lưu vực là: Xbq = 278mmPhương pháp đường đẳng trịĐường đẳng trị mưa là đường cong nối liền các điểm trên bản đồ có lượng mưa bằng nhau.C¸c b­íc thùc hiÖn:Dùa vµo tµi liÖu quan tr¾c trong vµ ngoµi l­u vùc ®ång bé, tiÕn hµnh tÝnh to¸n vµ vÏ c¸c ®­êng ®¼ng trÞ m­a.X¸c ®Þnh diÖn tÝch khèng chÕ bëi c¸c ®­êng ®¼ng trÞ l­îng m­a kÕ cËn nhau2400mm2200mm2000mm1800mm1600mm1400mm1200mmPhương pháp đường đẳng trị (tiếp)Tính lượng mưa bỡnh quân lưu vựcTrong đó fi là diện tích nằm giữa hai đường đẳng trị có lượng mưa tương ứng là Xi và Xi+1 2400mm2200mm2000mm1800mm1600mm1400mm1200mmPhương pháp đường đẳng trị (tiếp)Nhận xét:Phương pháp này cho kết quả chính xác nhấtPhương pháp này không chỉ cho ta tính được lượng mưa bỡnh quân lưu vực mà còn cho biết quy luật biến đổi của mưa theo không gian (vị trí tâm mưa, giảm dần về các hướng như thế nào ...)Khối lượng tính toán lớn, cần tài liệu đủ nhiều, trạm phân bố đều trong không gianVí dụ 2TTXi(mm)fi(km2)116001502170041031800300419002505200025062100100722002200mm2100mm2000mm1900mm1800mm1700mm1600mmXbq=1873mm2. Bốc hơiLà hiện tượng thoát hơi nước từ mặt nước, mặt đất hoặc lá cây.Lượng bốc hơi: được tính bằng bề dày lớp nước bị bốc thoát trong thời đoạn nào đó. Z (mm)Lượng bốc hơi ngàyLượng bốc hơi thángLượng bốc hơi nămQuy luật về sự thay đổi lượng bốc hơi theo thời gian được gọi là chế độ bốc hơi.Phân loại bốc hơiBốc hơi mặt nước: là bốc hơi trực tiếp từ mặt thoáng của nước.Các nhân tố ảnh hưởng chính: độ thiếu hụt bão hòa, nhiệt độ, tốc độ gió,chất nước, diện tích mặt bốc hơi,...VD: Bốc hơi mặt nước hàng tháng tại trạm Láng (Hà Nội)ThángIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIINămZt(mm)65545272111105113102889882661008Ghi chú: Độ thiếu hụt bão hòa là chênh lệch giữa áp suất hơi nước bão hòa và áp suất hơi nước thực tế, biểu thị mức độ bão hòa hơi nước trong không khí.Phân loại bốc hơi (tiếp)Bốc hơi mặt đất:Là bốc hơi trực tiếp từ mặt đấtPhụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố:Khí tượng: nhiệt độ, độ thiếu hụt bão hòa, gióTính chất vật lý của đất, trạng thái mặt đất, địa hình...Bốc hơi qua lá cây:Còn gọi là thoát hơi thực vậtPhụ thuộc vào các nhân tố:Nhiệt độ, ánh sáng, loài thực vật, độ ẩm của đấtQuá trình bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá cây gọi chung là quá trình bốc thoát hơi.Lượng bốc thoát hơi được đo đạc bởi thùng đo bốc hơi của đất.Thùng đo bốc hơiBốc hơi lưu vựcLà lượng bốc hơi tổng hợp trên bề mặt lưu vực bao gồm lượng bốc hơi từ hồ ao, đầm lầy, bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá.Ghi chú: Trong thực tế, có thể đo được bốc hơi mặt đất và bốc hơi mặt nước nhưng không thể đo được lượng bốc hơi lưu vực. Để xác định lượng bốc hơi lưu vực có thể sử dụng phương trình cân bằng nước.Phân loại bốc hơi (tiếp)III. Dòng chảy sông ngòiThuật ngữ “Dòng chảy” được dùng để chỉ khả năng cung cấp nước của một lưu vực sông nào đó trong một khoảng thời gian nhất định.Phân loại dòng chảy sông ngòi:Theo nguồn gốc:Dòng chảy mặtDòng chảy ngầmTheo thời gian:Dòng chảy nămDòng chảy lũDòng chảy kiệtDòng chảy mặt do mưaDòng chảy mặt do tuyết tanDòng chảy sát mặtDòng chảy ngầmSự di chuyển của nước từ mặt đất vào trong lòng đất hay các khe nứt của đáSự chuyển động của nước ngầm ra khỏi mặt đấtDòng chảy mùa lũ và dòng chảy mùa kiệtSự hình thành dòng chảy sông ngòiKhi mưa rơi xuống bề mặt lưu vực:Một phần bị giữ lại trên lá cây, mái nhà Một phần bị giữ lại trong các chỗ trũng (điền trũng)Một phần bị bốc hơi trở lại: bốc hơi qua lá, bốc hơi của lượng nước bị giữ lại trên lá cây, bốc hơi mặt nước, bốc hơi mặt đấtMột phần bị thấm xuống đất: giai đoạn đầu thấm nhiều, giai đoạn sau thấm ít dần và ổn địnhPhần còn lại chảy tràn trên sườn dốc tạo thành các lạch nước rồi đổ vào suối, suối đổ vào sông nhánh, sông nhánh đổ vào sông chính và cuối cùng chảy ra cửa ra của lưu vực (biển hoặc hồ lớn)Phần dòng chảy sau khi bị thấm xuống đất sẽ tham gia vào quá trình hình thành dòng chảy ngầm, sau một thời gian cũng sẽ chảy về cửa ra của lưu vựcBốc hơiMưaBốc hơiNước ngầmSôngThấmChưa bão hòaBão hòaThoát hơiDòng chảy mặtMực nước ngầmTổn thất điền trũngSơ họa sự hình thành dòng chảy sông ngòiCác đại lượng biểu thị dòng chảy sông ngòiLưu lượng dòng chảy Q(m3/s)Là lượng nước sinh ra trên lưu vực đi qua mặt cắt cửa ra trong đơn vị thời gian 1 giây.Lưu lượng tại một thời điểm bất kỳ gọi là lưu lượng tức thời Sự thay đổi của lưu lượng theo thời gian gọi là quá trình lưu lượngĐồ thị của quá trình lưu lượng gọi là đường quá trình lưu lượngLưu lượng bình quân trong một thời khoảng T bất kỳ là giá trị trung bình của lưu lượng trong khoảng thời gian đó.Các đại lượng biểu thị dòng chảy sông ngòi (tiếp)Tổng lượng dòng chảy W(m3)Là lượng nước sinh ra trên lưu vực chảy qua mặt cắt cửa ra trong một khoảng thời gian nào đó.Công thức tổng quát:t1,t2 là thời điểm đầu và cuối của thời đoạn tính toánQ(t) là lưu lượng trong khoảng thời gian vô cùng nhỏ dtTrong thực tế, nếu có n thời đoạn tính toán thì:Qi là lưu lượng bình quân trong thời đoạn thứ iNếu Dt=hằng số thì:Các đại lượng biểu thị dòng chảy sông ngòi (tiếp)Độ sâu dòng chảy Y (mm)Nếu trải đều tổng lượng nước trên toàn bộ bề mặt diện tích lưu vực được một lớp nước gọi là độ sâu dòng chảy hoặc lớp dòng chảyCông thức tính toán:Mô đun dòng chảy M(l/s.km2)Là lượng nước sinh ra trên mỗi đơn vị diện tích lưu vực trong một đơn vị thời gian.Hệ số dòng chảy aLà tỉ số giữa độ sâu dòng chảy và lượng mưa tương ứng sinh ra dòng chảy trong thời gian T. Ý nghĩa của các đại lượng biểu thị dòng chảyLưu lượng dòng chảy và Tổng lượng dòng chảy:Phản ánh mức độ lớn nhỏ về lượng nước mà lưu vực có khả năng cung cấp Mô đun dòng chảy và Lớp dòng chảy:Phản ánh mức độ phong phú về nguồn nước của lưu vựcKhông phụ thuộc vào diện tích của lưu vực nên có thể sử dụng để so sánh mức độ phong phú của dòng chảy giữa các lưu vực.Hệ số dòng chảy:Phản ánh tình hình sản sinh dòng chảy trên lưu vực.a càng lớn thì lượng tổn thất càng ít và ngược lạiLưu ý: Tất cả các đại lượng biểu thị dòng chảy đều có mối quan hệ với nhau. Biết một trong năm đại lượng sẽ xác định được các đại lượng còn lại.Ảnh hưởng của một số nhân tố đến sự hình thành dòng chảy sông ngòiNhân tố khí hậu, khí tượng:Mưa: Là nhân tố quan trọng nhất, là nguyên nhân chủ yếu sinh ra dòng chảy ở nước ta, chi phối quy luật dòng chảy theo thời gianBốc hơi: ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành dòng chảy qua quá trình tổn thất dòng chảyNhiệt độ, gió, độ ẩm không khí: ảnh hưởng gián tiếp đến sự hình thành dòng chảy do tác động đến mưa và bốc hơiNhân tố mặt đệmDiện tích lưu vực: có tác dụng điều hòa dòng chảy. Lưu vực càng lớn thì dòng chảy ngầm càng lớnĐộ dốc lưu vực: ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy, đặc biệt dòng chảy lũĐịa chất, thổ nhưỡng: ảnh hưởng gián tiếp đến quá trình tổn thất dòng chảy do thấmĐịa hình: ảnh hưởng đến hướng đón gió của lưu vực, qua đó gián tiếp ảnh hưởng đến lượng mưa sinh dòng chảyNhân tố con người: Các hoạt động sản xuất ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sự hình thành dòng chảy sông ngòi IV. Phương trình cân bằng nướcNguyên lý cân bằng nước: “Xét trong một thời đoạn bất kỳ, chênh lệch giữa lượng nước đến và lượng nước đi ra khỏi một thể tích bằng lượng nước tích đọng trong thể tích đấy.”Phương trình cân bằng nước tổng quátXét một khu vực bất kỳ trên lưu vực trong một thời đoạn bất kỳ tCác thành phần nước đến:Lượng mưa: XLượng nước ngưng tụ: Z1Lượng nước mặt đến: Ym1Lượng nước ngầm đến: Yng1Các thành phần nước đi:Lượng bốc hơi: Z2Lượng nước mặt đi: Ym2Lượng nước ngầm đi: Yng2Chênh lệch trữ lượng nước trên khu vực tại đầu và cuối thời đoạn tính toán: W=W2 -W1PTTQ: (X+Z1+Ym1+Yng1)-(Z+Ym2+Yng2)=WZ2XZ1Ym1Ym2Yng1Yng2WTrong một thời đoạn bất kỳĐối với lưu vực kín:Vì đường phân chia nước mặt và đường phân chia nước ngầm trùng nhau nên: Ym1=0, Yng1=0Đặt Y= Ym2+Yng2; Z= Z2-Z1X-(Z+Y)=WĐối với lưu vực hở:Vì đường phân chia nước mặt và đường phân chia nước ngầm không trùng nhau, nên: Ym1=0, Yng1≠0. X+Yng1-(Z+Y)=WPhương trình cân bằng nước viết cho lưu vựcTrong thời kỳ nhiều nămĐối với lưu vực kín:PTCBN viết cho năm thứ i: Xi-(Zi+Yi)=WiPTCBN viết cho n năm: Xi- Zi- Yi= WiChia cả 2 vế cho n và đặt:X0=(Xi)/n là chuẩn mưa nămY0=(Yi)/n là chuẩn dòng chảy nămZ0=(Zi)/n là chuẩn bốc hơi nămTrong thời kỳ nhiều năm có năm thừa nước, có năm thiếu nước nên Wi  0Kết luận: X0-Z0-Y0=0Đối với lưu vực hở:X0+ (Yng1)/n -Z0-Y0=0Phương trình cân bằng nước viết cho lưu vực