Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung: Giới thiệu những khái niệm cơ bản về thủy văn nước mặtbao gồm chu trình thủy văn, mưa, các loại tổn thất, dòng chảy, cácphương trình cơ bản của dòng chảy mặt, các đặc tính lý h
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC BỘ MÔN THỦY VĂN VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC THỦY VĂN NƯỚC MẶT (Surface Hydrology) PGS TS Hoàng Thanh Tùng Email: httung@tlu.edu.vn Mob: 0904160372 BÀI MỞ ĐẦU a Nội dung: Giới thiệu khái niệm thủy văn nước mặt bao gồm chu trình thủy văn, mưa, loại tổn thất, dịng chảy, phương trình dịng chảy mặt, đặc tính lý hố sinh học nước; phương pháp sử dụng nghiên cứu thủy văn nước mặt số toán ứng dụng thủy văn nước mặt quy hoạch quản lý tài nguyên nước, phòng chống thiên tai b Giáo trình: Surface water hydrology (tiếng Anh) - “Thủy văn nước mặt” Thủy văn Thiết kế - PGS TS Lê Văn Nghinh Thủy văn công trình – Bộ mơn TV & TNN c Đánh giá: Điểm trình 30% ( tập, tinh thần học tập) Điểm thi kết thúc: 70% (thi cuối kỳ - thi viết) Nội dung môn học Chương Nội dung Số tiết I Những vấn đề thủy văn nước mặt Chu trình thủy văn Mưa Bốc Thấm Lượng trữ nước tự nhiên Tổn thất cất trữ Tổn thất điền trũng Dịng chảy Các phương trình dịng chảy mặt 2.1 Dòng chảy tràn 2.2 Dòng chảy sơng thiên nhiên 2.3 Hồ chứa 2.4 Diễn tốn dịng chảy Đặc tính hố, lý sinh học nước 3.1 Đặc tính vật lý 3.2 Đặc tính hố học 3.3 Đặc tính sinh học II III LT Phân bổ TH BT,DA 12 3 3 0 Nội dung môn học Chương Nội dung Số tiết IV Phân tích tính tốn thủy văn nước mặt 4.1 Sự biến đổi yếu tố thủy văn theo không gian thời gian 4.2 Các phương pháp thống kê thủy văn 4.3 Phân tích tần suất 4.4 Tương quan hồi quy 4.5 Tính tốn đặc trưng thủy văn trường hợp có đủ số liệu 4.6 Tính tốn đặc trưng thủy văn trường hợp không đủ số liệu Những toán ứng dụng thủy văn nước mặt 5.1 Đánh giá tài ngun nước lưu vực 5.2 Tính tốn mực nước thiết kế 5.3 Tính tốn thuỷ văn thiết kế hồ chứa 5.4 Tính tốn thủy văn thiết kế phục vụ tưới, tiêu nơng nghiệp 5.5 Dự báo dịng chảy 5.6 Tính tốn thủy văn thiết kế phục vụ giao thơng 5.7 Tính tốn thủy văn thiết kế phục vụ quy hoạch thủy lợi phòng lũ Tổng LT 18 45 27 12 V Phân bổ TH BT,DA 0 Chương I: Những vấn đề thủy văn nước mặt Chu trình thủy văn Giáng thủy Bốc Thấm Lượng trữ nước tự nhiên Tổn thất cất trữ Tổn thất điền trũng Dòng chảy Chu trình thuỷ văn Chu trình thuỷ văn hệ thống kín theo nghĩa nước luân chuyển hệ thống luôn nằm hệ thống Tồn chu trình dẫn dắt vượt lượng xạ đến so với lượng xạ Chu trình bao gồm tiểu hệ thống: nước khí quyển, dịng chảy mặt, nước sát mặt (hay cịn gọi pha khơng bão hịa), nước ngầm (hay pha bão hòa), nước mạng lưới lòng dẫn nước biển, đại dương Chu trình thuỷ văn Thuỷ văn nước mặt đề cập tới phần chu trình thuỷ văn xuất bề mặt trái đất Nó thuỷ văn khí - nghiên cứu chuyển động nước khí thường dạng nước nước mưa (đơi coi khí tượng thuỷ văn) Thuỷ văn nước đất (đơi cịn gọi thuỷ văn địa chất hay địa chất thuỷ văn) liên quan tới nước lỗ rỗng bề mặt đất Việc phân chia chu trình thuỷ văn thành tiểu hệ thống (trên không, mặt đất mặt đất) tương đối, trao đổi biến động liên tục theo khơng gian thời gian xảy q trình chuyển động nước Chu trình thuỷ văn Hai định luật áp dụng cho tượng khoa học chu trình thuỷ văn định luật bảo toàn khối lượng nước định luật bảo toàn lượng nước Định luật bảo toàn khối lượng biểu diễn qua số hạng phương trình cân nước đơn giản, mơ tả chu trình thuỷ văn thời khoảng Δt diện tích cụ thể đó: P+C+Is+Iu+ΔS= E+Os+Ou Trong đó: P lượng mưa rơi diện tích đó; C lượng nước ngưng tụ, Is lượng dòng chảy mặt đến Iu lượng chảy ngầm đến, ΔS lượng nước trữ thay đổi diện tích, E lượng bốc hơi, Os lượng chảy mặt Ou lượng chảy ngầm khỏi diện tích Chu trình thuỷ văn Sơ họa pha nước bề mặt đất chu trình thuỷ văn, chiều rộng mũi tên lớn độ lớn trung bình tương đối việc chuyển nước vùng ẩm ướt Chu trình thuỷ văn Nhắc lại số khái niệm học môn học “Nguyên lý TV”: Tổn thất cất giữ lượng nước mưa bị thực vật giữ lại Bốc thoát nước chuyển hoá nước trực tiếp từ dạng lỏng sang dạng hơi, trình vật lý bốc trình sinh học thoát xảy thực vật Trữ điền trũng q trình nước giữ lại bề mặt lưu vực chỗ trũng có kích cỡ khác từ đầm lầy, ao hồ đến phần cỡ hạt đất Thấm coi chuyển động nước vào lòng đất Dòng chảy mặt (cũng gọi lượng mưa hiệu lượng mưa vượt quá) phần lại nước mưa sau bị tổn thất dạng cất giữ, điền trũng thấm 4.2 Tính tốn lũ thiết kế d Đường q trình lũ thiết kế Q(t) ~ t •Sử dụng mơ hình tốn thuỷ văn •Khái qt hố theo dạng tốn học + Dạng tam giác + Dạng hình thang + Dạng Xơ-kơ-lơp-sky 184 4.2 Tính tốn lũ thiết kế d Đường trình lũ thiết kế Q(t) ~ t •Dạng tam giác Thời gian kéo dài trận lũ: Ta có Tx γ = Tl Tlu = 2Wmp Qmp Tlũ = Tl + Tx Đối với lưu vực nhỏ điều tiết γ =1,5÷2 Đối với lưu vực điều tiết nhiều γ =2,5÷3,5 lấy theo lưu vực tương tự 185 4.2 Tính tốn lũ thiết kế Dạng tam giác Qmaxp 1200 1000 800 600 Wmaxp 400 200 11 13 15 17 19 21Tlũ23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 186 4.2 Tính tốn lũ thiết kế d Đường trình lũ thiết kế Q(t) ~ t *Dạng hình thang Tlu = Thời gian kéo dài trận lũ 2W mp 1,1Q mp 1200 Tđ 1000 Qmaxp 800 600 400 Wmaxp 200 Tl 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 Tx T 187 4.2 Tính tốn lũ thiết kế d Đường trình lũ thiết kế Q(t) ~ t *Dạng Xô-kô-lôp-sky t Qt = Qm tl Qmaxp 1000.00 m tx − t Qt = Qm tx 1200.00 800.00 n 600.00 m n 400.00 200.00 Lũ mưa rào thường lấy m = 2, n = 0.00 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 tl tx 188 Bài tốn Dự báo dịng chảy Bài tốn 5: Dự báo dịng chảy Khái niệm Dự báo thủy văn tính trước cách khoa học tình hình biến đổi đặc trưng thủy văn sông, suối, hồ ao, kho nước,… để phục vụ cho việc chống thiên tai sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước nghành kinh tế quốc dân Dự báo thủy văn cơng việc khó, địi hỏi người làm cơng việc không thành thạo nghiệp vụ mà phải có kiến thức ngành liên quan địa lý, khí tượng, thủy lực, tốn, máy tính… Và vận dụng cách linh hoạt, sáng tạo việc suy đoán, lựa chọn giá trị dự báo Bài toán 5: Dự báo dòng chảy Phân loại dự báo thủy văn: Có nhiều cách phân loại dự báo thủy văn khác nhau, tuỳ theo quan điểm phân chia Theo yêu cầu phục vụ có: Dự báo cho nông nghiệp, Dự báo cho giao thông, Dự báo cho chống lũ lụt… Theo đối tượng dự báo có loại: Dự báo mực nước Dự báo lưu lượng, dự báo truyền mặn, Dự báo bùn cát… Bài tốn 5: Dự báo dịng chảy Phân loại dự báo thủy văn: Theo thời gian dự kiến có loại: Dự báo ngắn hạn: dự báo có thời gian dự kiến tối đa thời gian tập trung nước trung bình lưu vực (thơng thường < 48 h) Dự báo hạn vừa: dự báo có thời gian dự kiến dài dự báo ngắn hạn tối đa không 10 ngày Dự báo hạn dài: dự báo có thời gian dự kiến 10 ngày tới năm Khi thời gian dự kiến lớn năm gọi dự báo siêu hạn dài Bài tốn 5: Dự báo dịng chảy Hình thức phát tin dự báo thủy văn Bản tin dự báo thủy văn có giá trị sử dụng chuyển đến người sử dụng kịp thời Mọi hình thức thơng tin sử dụng để truyền tin dự báo thủy văn Nội dung tin dự báo thủy văn phải rõ ràng, dễ hiểu Các yếu tố dự báo phải đáp ứng nhu cầu thực tế sản xuất, với thời gian dự kiến độ xác phù phợ với thực tế sản xuất yêu cầu Bài toán 5: Dự báo dịng chảy Các tiêu chí đánh giá dự báo thủy văn Theo định số 18/2008/QĐ-BTNMT ngày Tháng 12/2008 Bộ Trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường ban hành Quy chuẩn Quốc giá dự báo lũ thì: a Độ xác dự báo lũ quy định sau: Dự báo coi sai số dự báo (sai số dự báo thực tế) nhỏ sai số cho phép (±Scf) Dự báo gần mức: Trị số dự báo coi xấp xỉ gần mức sai số dự báo nằm phạm vi: -50% Scf ÷ Dự báo xấp xỉ mức tương đương: Trị số dự báo coi xấp xỉ mức tương đương sai số dự báo nằm phạm vi: ±50% Scf Dự báo mức: Trị số dự báo coi mức sai số dự báo nằm phạm vi: ÷ +Scf Dự báo mức: Trị số dự báo coi mức sai số dự báo nằm phạm vi: -Scf ÷ Bài tốn 5: Dự báo dịng chảy Các tiêu chí đánh giá dự báo thủy văn Scf = 0,674σ1 σ1= n ( ΔΥi − ΔΥ )2 i =1 (n − 1) b Đánh giá chất lượng dự báo: Đánh giá chất lượng lần dự báo, vào sai số dự báo (Sdb) phân loại sau: Bảng 1-1: Đánh giá chất lượng lần dự báo Sai số dự báo (Sdb) Xếp loại ≤ 25% sai số cho phép Tốt 26 ÷ 50% sai số cho phép Khá 51 ÷ 100% sai số cho phép Đạt 101 ÷ 150% sai số cho phép Kém > 150% sai số cho phép Quá Bài tốn 5: Dự báo dịng chảy Đánh giá chung kết dự báo theo phần trăm số lần dự báo với tổng số lần dự báo theo công thức: n P = m 100% (3.5) đó: P: mức bảo đảm dự báo (%); n: số lần dự báo đúng; m: tổng số lần dự báo Bài tốn 5: Dự báo dịng chảy c Tiêu chuẩn đánh giá phương án dự báo Tiêu chuẩn đánh giá phương án dự báo đưa Bảng 1-2 Bảng 2-1: Bảng tiêu chất lượng phương án dự báo σ, σ η Mức đảm bảo phương án dự báo P% Chất lượng phương án dự báo ≤ 0,50 ≥ 0,86 ≥ 82 Tốt ≤ 0,60 ≥ 0,80 ≥ 75 Đạt ≤ 0,80 ≥ 0,60 ≥ 60 Dùng tạm > 0,80 < 0,60 < 60 Khơng dùng Bài tốn 5: Dự báo dòng chảy Một số phương pháp thường dùng Dự báo chuyển động sóng lũ – Phương pháp mực nước tương ứng Dự báo lưu lượng gần chuyển động sóng lũ Phương pháp biến dạng lũ – mơ hình Muskingum Diễn tốn lũ mơ hình SSARR Dự báo dịng chảy hệ thống sơng Mơ hình thủy văn: HEC-HMS, NAM, SSARR Mơ hình thủy lực: HEC-RAS, MIKE11 Dự báo dòng chảy theo phương pháp thống kê Hồi quy, tương quan Mạng Trí tuệ nhân tạo ANN Ứng dụng Viễn thám dự báo thủy văn