TÍNH TỐN THỦY VĂN Nguyễn Thanh Sơn NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2003 Từ khoá: Tần suất, Chuẩn dòng chảy năm, Dòng chảy lũ, mặt dệm, dao động dòng chảy năm, phân phối dòng chảy năm, dòng chảy lũ, cường độ tới hạn, vi phân, dòng chảy kiệt, tài nguyên nước, môi trường Tài liệu Thư viện điện tử Đại học Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác khơng chấp thuận nhà xuất tác giả MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI TỰA Chương 1.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THỦY VĂN 1.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TÍNH TỐN THỦY VĂN 1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu 1.2.2 Tổng hợp, phân chia giai đoạn phát triển thủy văn 11 1.2.3 Lịch sử phát triển thủy văn Việt Nam 12 1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12 1.3.1 Phương pháp khảo sát trạm đo 12 1.3.2 Phương pháp khái quát 13 1.3.3 Phương pháp mơ hình hố tốn học thực nghiệm 13 1.3.4.Phương pháp thống kê 15 Chương SỰ HÌNH THÀNH DỊNG CHẢY 16 2.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẾ ĐỘ NƯỚC LỤC ĐỊA 16 2.2 ĐƠN VỊ ĐO DÒNG CHẢY 16 2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA LƯU VỰC 18 2.3.1 Các đặc trưng mạng lưới địa lý thủy văn 18 2.3.2 Các đặc trưng hình thái lưu vực 18 2.3.3 Các yếu tố mặt đệm 20 2.3.4 Các đặc trưng khí hậu 21 2.4 BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA DÒNG CHẢY 23 2.4.1 Giai đoạn tạo dòng 23 2.4.2 Giai đoạn dòng chảy sườn dốc 24 2.4.3 Giai đoạn dịng chảy sơng ngòi 25 2.5 CƠNG THỨC CĂN NGUN CỦA DỊNG CHẢY 26 2.5.1 Khái niệm đường cong chảy truyền 26 2.5.2 Thành lập cơng thức ngun dịng chảy 26 Chương PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC 28 3.1 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC DẠNG TỔNG QUÁT 28 3.2 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC CHO MỘT LƯU VỰC SƠNG NGỊI 29 3.2.1 Phương trình cân nước cho lưu vực kín 29 3.2.2 Phương trình cân nước cho lưu vực hở 29 3.3 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC CHO THỜI KỲ NHIỀU NĂM 29 3.4 PHÂN TÍCH CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DỊNG CHẢY SƠNG NGỊI THƠNG QUA PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC 30 3.5 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC AO HỒ, ĐẦM LẦY 31 3.5.1 Phương trình cân nước cho ao hồ 31 3.5.2 Phương trình cân nước cho đầm lầy 31 3.6 CÁN CÂN NƯỚC VIỆT NAM 32 3.6.1 Tài nguyên nước toàn lãnh thổ 32 3.6.2 Tài nguyên nước theo vùng kinh tế nông nghiệp 32 Chương CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM 35 4.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM 35 4.2 XÁC ĐỊNH CHUẨN DỊNG CHẢY NĂM KHI CĨ ĐẦY ĐỦ TÀI LIỆU QUAN TRẮC 35 4.3 LỰA CHỌN THỜI KỲ TÍNH TOÁN 36 4.4 TÍNH CHUẨN DỊNG CHẢY NĂM KHI KHÔNG ĐỦ SỐ LIỆU QUAN TRẮC 38 4.5 XÁC ĐỊNH CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM KHI KHƠNG CĨ TÀI LIỆU QUAN TRẮC 40 4.5.1 Xác định theo đồ đẳng trị 40 4.5.2 Phương pháp nội suy 41 4.5.3 Xác định chuẩn dịng chảy năm theo phương trình cân nước 41 4.6 ẢNH HƯỞNG CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN TỚI CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM 42 4.6.1 Ảnh hưởng yếu tố khí hậu 42 4.6.2 Ảnh hưởng diện tích lưu vực đến chuẩn dòng chảy năm 43 4.6.3 Ảnh hưởng địa hình đến chuẩn dịng chảy năm 44 4.6.4 Ảnh hưởng địa chất thổ nhưỡng tới chuẩn dòng chảy năm 45 4.6.5 Ảnh hưởng rừng dạng thảm thực vật đến chuẩn dòng chảy năm 45 4.6.6 Ảnh hưởng hồ đến chuẩn dòng chảy năm 47 4.6.7 Ảnh hưởng đầm lầy đến chuẩn dòng chảy năm 47 4.6.8 Ảnh hưởng hoạt động kinh tế đến chuẩn dòng chảy năm 47 4.7 XÂY DỰNG BẢN ĐỒ CHUẨN DÒNG CHẢY NĂM 48 4.7.1 Phân tích tài liệu xây dựng đồ chuẩn dòng chảy năm 48 4.7.2 Các bước xây dựng đồ chuẩn dòng chảy năm 48 4.8 DỊNG CHẢY SƠNG NGỊI VIỆT NAM VÀ CÁC YẾU TỐ ĐỊA LÝ TÁC ĐỘNG TỚI NÓ 49 4.8.1 Các yếu tố khí hậu 49 4.8.2 Thổ nhưỡng nham thạch 52 4.8.3 Địa hình 53 4.8.4 Rừng 54 4.8.5 Sự hoạt động kinh tế người 55 Chương DAO ĐỘNG DÒNG CHẢY NĂM 58 5.1 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT XÁC SUẤT THỐNG KÊ TÍNH DAO ĐỘNG DỊNG CHẢY NĂM 59 5.1.1 Một số tính chất đường phân bố đặc trưng dòng chảy 59 5.1.2 Đường cong đảm bảo khái niệm thống kê 60 5.2 XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG CHUỖI DỊNG CHẢY KHI CĨ ĐẦY ĐỦ SỐ LIỆU QUAN TRẮC 61 5.3 XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒ GIẢI - GIẢI TÍCH G A ALECXÂYEV 63 5.4 XÁC ĐỊNH THAM SỐ THỐNG KÊ DÒNG CHẢY NĂM KHI QUAN TRẮC NGẮN 66 5.5 XÁC ĐỊNH THAM SỐ THỐNG KÊ DỊNG CHẢY NĂM KHI KHƠNG CĨ QUAN TRẮC 68 5.6 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG ĐẢM BẢO VÀ TÍNH TỐN DỊNG CHẢY NĂM VỚI XÁC SUẤT AN TOÀN CHO TRƯỚC 69 Chương SỰ PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY TRONG NĂM 72 6.1 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY TRONG NĂM 72 6.1.1 Vai trò nhân tố ảnh hưởng phân phối dòng chảy năm 72 6.1.2 Tình hình phân phối dòng chảy Việt Nam 74 6.2 NĂM ĐẠI BIỂU MƯA NĂM VÀ DÒNG CHẢY NĂM 74 6.2.1 Lựa chọn năm đại biểu 74 6.2.2 Phân phối dòng chảy theo phương pháp năm đại biểu 75 6.4 ĐƯỜNG CONG DUY TRÌ LƯU LƯỢNG 76 6.4.1 Ý nghĩa đặc trưng biểu thị 76 6.4.2 Phương pháp mơ hình hố đường cong trì lưu lượng 77 6.5 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MƠ HÌNH PHÂN PHỐI DỊNG CHẢY NĂM KHI CÓ TÀI LIỆU QUAN TRẮC 78 6.5.1 Phương pháp V.G Anđrâyanôp 78 6.5.2 Phương pháp năm điển hình 79 6.6 TÍNH TỐN PHÂN PHỐI DÒNG CHẢY NĂM KHI THIẾU TÀI LIỆU QUAN TRẮC 79 6.6.1 Phương pháp lưu vực tương tự 79 6.6.2 Quan hệ thông số phân phối với nhân tố ảnh hưởng (xây dựng cho vùng) 80 6.6.4 Phương pháp tần suất để tính phân phối dịng chảy năm thiết kế 81 6.6.5 Phương pháp điều tiết toàn chuỗi 81 6.6.6 Phương pháp phân tích q trình ngẫu nhiên 81 Chương DÒNG CHẢY LỚN NHẤT 82 7.1 Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU LŨ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG DÒNG CHẢY LỚN NHẤT 82 7.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI DÒNG CHẢY LỚN NHẤT 82 7.3 SỰ HÌNH THÀNH DỊNG CHẢY LŨ 83 7.3.1 Sự hình thành dịng chảy lũ 83 7.3.2 Cơng thức tính Q max sơ đồ phương pháp tính Qmax từ tài liệu mưa rào 84 7.4 MƯA RÀO VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 86 7.4.1 Mưa rào 86 7.4.2 Công thức triết giảm cường độ mưa 87 7.5 VẤN ĐỀ TỔN THẤT VÀ CHẢY TỤ 89 7.5.1.Tổn thất 89 7.5.2 Chảy tụ phương pháp xác định thời gian chảy tụ 91 7.6 CÁC CÔNG THỨC TÍNH DỊNG CHẢY LỚN NHẤT 95 7.6.1 Công thức cường độ giới hạn 96 7.6.2 Cơng thức thể tích 98 7.6.3 Công thức triết giảm 100 7.7 GIẢI PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DỊNG CHẢY LŨ 104 7.7.1 Giải phương trình vi phân lịng sơng sở 104 7.7.2 Tìm mơdun lưu lượng lớn lưu vực sở 105 7.7.3 Công thức khái quát dòng chảy lớn lưu vực sở 107 7.7.4 Giải phương trình vi phân cho hệ thống sơng ngịi 109 7.7.5 Cơng thức dạng tổng qt dịng chảy lớn theo hệ thống lịng sơng 112 7.7.6 Khảo sát hệ số địa lý thủy văn 112 7.8 TỔNG LƯỢNG LŨ VÀ QUÁ TRÌNH LŨ 114 7.8.1 Tổng lượng lũ phương pháp xác định 116 8.2 Phương pháp xác định trình lũ 117 7.8.3 Thành phần tổ hợp nước lũ 120 7.8.4 Mùa lũ Việt Nam 122 Chương DÒNG CHẢY BÉ NHẤT 126 8.1 TÍNH TỐN DỊNG CHẢY BÉ NHẤT KHI CĨ SỐ LIỆU QUAN TRẮC 126 8.2 TÍNH TỐN DỊNG CHẢY BÉ NHẤT KHI KHƠNG CĨ TÀI LIỆU QUAN TRẮC 127 8.3 TÌNH HÌNH DỊNG CHẢY KIỆT Ở VIỆT NAM 128 8.3.1 Các thời kỳ dòng chảy kiệt 128 8.3.2 Nước mùa khô vấn đề nước 128 Chương DÒNG CHẢY RẮN 130 9.1 CÁC YẾU TỐ HÌNH THÀNH DỊNG CHẢY RẮN 131 9.2 TÍNH TỐN DỊNG CHẢY PHÙ SA 131 9.3 TÍNH TỐN LẮNG ĐỌNG HỒ CHỨA 133 9.4 LŨ BÙN ĐÁ 133 Chương 10 MƠ HÌNH HỐ TỐN HỌC DỊNG CHẢY 135 10.1 PHÂN LOẠI MƠ HÌNH DỊNG CHẢY 135 10.1.1 Mơ hình ngẫu nhiên 135 10.1.2 Mơ hình tất định 136 10.1.3 Mơ hình động lực - ngẫu nhiên 138 10.2 NHỮNG NGUYÊN LÝ CHUNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG MƠ HÌNH " HỘP ĐEN" - LỚP MƠ HÌNH TUYẾN TÍNH DỪNG 139 10.2.1 Một số cấu trúc mơ hình tuyến tính 140 10.3 GIỚI THIỆU CÁC MƠ HÌNH HỘP ĐEN TRONG TÍNH TỐN THỦY VĂN 145 10.3.1 Mơ hình Kalinhin - Miuliakốp - Nash 145 10.3.2 Đường lưu lượng đơn vị 146 10.4 NGUN LÝ XÂY DỰNG MƠ HÌNH "QUAN NIỆM" DỊNG CHẢY 147 10.4.1 Xây dựng cấu trúc mơ hình 147 10.4.2 Xác định thông số mơ hình 148 10.5 GIỚI THIỆU MƠ HÌNH QUAN NIỆM 150 10.5.1 Mơ hình TANK 150 10.5.2 Mơ hình SSARR 159 10.6 MƠ HÌNH DIỄN TOÁN CHÂU THỔ 163 10.7.2 Mơ hình hố chuỗi dòng chảy năm 167 10.7.3 Xét phân bố dòng chảy năm 168 10.9 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TOÁN THỦY VĂN Ở VIỆT NAM 171 Chương 11 QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG NƯỚC 172 11.1 NGUỒN NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG 172 11.1.1 Nguồn nước Trái Đất 172 11.1.2 Sử dụng nguồn nước mặt, nước ngầm 173 11.1.3 Ảnh hưởng môi trường chất lượng nước sông, vấn đề ô nhiễm nước 175 11.1.4 Ảnh hưởng công trình thủy lợi, đập nước đến mơi trường 176 11.2 KIẾN THỨC CƠ SỞ ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 176 11.2.1 Những thơng số vật lý, hố học, sinh học chất lượng nước 176 11.2.2 Nhu cầu oxy sinh học BOD 177 11.2.3 COD, TOD, TOC 179 11.3 THÀNH PHẦN VÀ NGUỒN GỐC NƯỚC THẢI 179 11.3.1 Nước thải sinh hoạt 179 11.3.2 Nước thải công nghiệp 180 11.3.3 Nước thải từ nông nghiệp, chăn nuôi 180 11.4 CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÙNG VÀ TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG NƯỚC 180 11.4.1 Chất lượng nước dùng 180 11.4.2 Tiêu chuẩn chất lượng nước 181 11.5 PHÂN TÍCH NHỮNG ẢNH HƯỞNG Ô NHIỄM TRONG TỰ NHIÊN 182 11.5.1 Số biến đổi ơxy hịa tan khu vực ô nhiễm 182 11.5.2 Nguồn cung cấp tiêu thụ ôxy nước 182 11.5.3 Mơ hình tính tốn biến đổi BOD - Ôxy hòa tan theo chiều dòng chảy 184 TÀI LIỆU THAM KHẢO 187 HYDROLOGICAL CALCULATION 187 LỜI TỰA Giáo trình "Tính tốn thủy văn" biên soạn cho sinh viên ngành Thủy văn lục địa, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Giáo trình cịn dùng tài liệu tham khảo cho nhà thủy văn nghiên cứu, thiết kế quản lý tài nguyên mơi trường nước Trong 11 chương, giáo trình đề cập tới vấn đề phân tích, tính tốn q trình tượng dịng chảy lưu vực sơng ngịi Cơ sở lý luận cấu trúc giáo trình dựa "Tính tốn thủy văn" nhà bác học Xô-Viết I Ph Goroskov (1979) tác phẩm tên tác giả trường Đại học Thủy lợi (1985), có bổ sung thêm số kiến thức lĩnh vực mơ hình tốn thủy văn đại Chúng xin phép tác giả cho sử dụng tài liệu giáo trình Giáo trình biên soạn kinh nghiệm thực tiễn số năm giảng dạy Bộ môn Thủy văn lục địa, Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Cuốn sách cố gắng cập nhật số thành tựu nghiên cứu thủy văn nước Tác giả xin cảm ơn TS Lương Tuấn Anh, PGS.TS Nguyễn Văn Tuần có nhiều ý kiến đóng góp nhằm hồn thiện sách Chắc chắn giáo trình cịn nhiều khiếm khuyết, tác giả mong nhận đóng góp, bổ sung chuyên gia, bạn đồng nghiệp để lần xuất sau hoàn thiện Tác giả Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THỦY VĂN 1.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tính tốn thủy văn phần quan trọng thủy văn học liên quan chặt chẽ với nhu cầu thực tế kinh tế quốc dân nhằm giải vấn đề điều hịa phân phối tài ngun nước Tính tốn thủy văn làm nhiệm vụ cầu nối nghiên cứu lý thuyết lĩnh vực thủy văn vấn đề thực tiễn sử dụng tài nguyên nước Có thể nói tính tốn thủy văn phần thủy văn thực hành Chính nội dung xác định mục đích nghiên cứu vị trí Tính toán thủy văn chuyên đề nghiên cứu thủy văn học như: Dự báo thủy văn, Tính tốn thủy lợi Động lực học dịng sông- hướng nghiên cứu thủy văn học Trong giáo trình xem xét vấn đề hình thành, qui luật phân bố phát triển đặc trưng dòng chảy phương pháp định lượng chúng Nội dung giáo trình tập trung chủ yếu vào việc phân tích đặc trưng dòng chảy, nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện khí tượng, mặt đệm tới đặc trưng nguyên lý khái quát địa lý thay đổi theo thời gian, khơng gian dịng chảy tham số thống kê Tóm lại đảm bảo cho khả tính tốn dịng chảy lưu vực chí cịn chưa nghiên cứu Nước dạng tài ngun q báu khơng thay được, thành phần tách rời mơi trường sống, lợi ích, hiểm họa khơng lường nhân loại Chính vậy, Thủy văn học ngành khoa học xác định vai trò nước thiên nhiên phát triển kinh tế - xã hội đất nước Nước tài nguyên tự tái tạo nên mang ý nghĩa đặc biệt phát triển nhân loại Để sử dụng tính tốn thủy văn cần làm rõ nhu cầu sử dụng thông tin đặc trưng tham số dòng chảy ngành kinh tế quốc dân khác Khi thiết kế trạm thủy điện thiết phải có thơng tin dịng chảy trung bình nhiều năm, dịng chảy năm nhiều nước nước, phân bố dòng chảy theo mùa theo tháng Theo thơng tin xác định cơng suất thiết kế nhà máy thủy điện khả sản xuất điện năm Khi làm đập, hồ chứa cần có thơng tin lưu lượng cực đại tần suất lặp lại Để đảm bảo cung cấp nước cho cơng nghiệp sinh hoạt trước hết phải nắm vững thơng tin dịng chảy cực tiểu năm nước bé, nước trung bình Để xây dựng hồ chứa phục vụ cho cơng tác thủy nông cần số liệu tin cậy dịng chảy trung bình nhiều năm, giá trị tổng lượng lưu lượng nước cực đại mùa lũ, đặc biệt phân phối dòng chảy năm lượng dịng chảy mùa kiệt Đối với giao thơng vận tải thiết kế cầu, cống qua sơng cần có mực nước lớn Để đảm bảo cho tàu thuyền lại cần biết rõ mực nước thấp Để qui hoạch kinh tế lãnh thổ cần có số liệu vùng ngập lụt khả xói lở hai bờ sông Sự cần thiết đảm bảo yêu cầu khác lĩnh vực xây dựng đặc trưng mn hình mn vẻ dịng chảy nội dung Tính tốn thủy văn 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TÍNH TỐN THỦY VĂN 1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu Cũng môn khoa học nào, khoa học thủy văn trải qua nhiều giai đoạn phát triển: từ đơn sơ đến hồn chỉnh cơng trình nghiên cứu lý thuyết, từ đơn giản đến phức tạp kỹ thuật đo đạc, thu thập thơng tin, phương tiện tính tốn Việc xem xét cách có hệ thống giai đoạn phát triển khoa học thủy văn có ý nghĩa định việc đưa nghiên cứu mới, phù hợp với quy luật phát triển khách quan, giúp ta xác định chiến lược phát triển ngành trước mắt chọn đề tài nghiên cứu kỷ XXI Lịch sử phát triển thủy văn thể qua nhiều cơng trình nghiên cứu tác giả Các cơng trình đề cập đến vấn đề sau: Khoảng từ năm 3500 đến 3000 (trước Công nguyên) uy hiếp thường xuyên sông Nin khiến cho Pharaông (các vua Ai Cập thời cổ đại) phải lệnh thường xuyên theo dõi mực nước sông Nin qua thiết bị đo đạc gọi nilomet Khoảng từ năm 450 đến 350 (trước Công nguyên) Plato Aristotle nêu lên nguyên lý tuần hoàn thủy văn Những quan sát Hy Lạp đời Khoảng từ năm 64 đến 150 (sau Cơng ngun) hồng đế La Mã Nêrơ nêu ngun lý tính tốn lưu lượng nước tích số diện tích mặt cắt ngang tốc độ chảy (Q = F.v) Việc đo đạc mưa tiến hành Palestin Từ năm 1452 đến 1519, Leonard de Vinci tiến hành đo đạc dòng chảy phao Từ năm 1510 đến 1590 Palisay củng cố lý thuyết Plato Aristotle tuần hoàn thủy văn khái niệm Từ 1610 - 1687 phải kể đến cơng trình: 1610: Santoriơ đề xuất dụng cụ đo tốc độ nước 1614: bảng Logarit Napror đời 1642: Pascal đặt sở cho việc tính tốn máy 1663: Wren xây dựng trạm tự ghi mực nước 1738: Bernoulli phát triển mối quan hệ tốc độ áp suất dòng chảy 1769: Herberden phát biến đổi mùa mưa theo độ cao 1775: Chezy nêu cơng thức dịng chảy kênh hở 1797: Venturi nêu cơng thức tính dịng chảy ống có hình dạng co hẹp lại Thế kỷ XIX: 1802: Dalton phát mối quan hệ bốc áp suất 1851: Muvaney nêu khái niệm thời gian tập trung dịng chảy dẫn cơng thức tỷ lệ tiếng Q = CIF 1856: Darey với lý thuyết dòng chảy ngầm 1885: Maning với cơng thức dịng chảy Chezy - Manning Từ 1865-1876 Nga I.S Lêliasky đưa lý thuyết chuyển động nước dịng sơng hình thành sơng ngịi (1893); V.M.Lochin đưa lý thuyết " Cơ cấu dịng sơng "(`1897) Từ 1878 đến 1908 E Vopakep phân tích dao động dịng chảy nhiều năm, phát tính đồng dịng chảy mưa khẳng định đắn ý kiến Vaiaykôp: "Sơng ngịi sản phẩm khí hậu" Vào cuối kỷ XIX cơng trình nghiên cứu Pencơ chế độ mưa dịng sơng Đanyp Trong Pencơ lần dùng phương trình cân nước để khảo sát bốc từ mặt lưu vực Ở Mỹ, Niuenlơn lần xây dựng đồ đẳng trị dòng chảy năm Thế kỷ XX (cho tới mơ hình SSARR đời) thủy văn học phát triển mạnh mẽ 1914: Hazen đưa khái niệm thủy văn ngẫu nhiên đặt móng tổng qt cho Tính tốn thủy văn 1919: Viện Thủy văn Quốc gia Liên Xô thành lập điều hành thống tồn cơng tác nghiên cứu thủy văn sơng ngịi Liên Xơ cũ 1924: Poster sử dụng đường tần suất tính tốn thiết kế 1929: Polter thực cố gắng để mô tả q trình dịng chảy theo hướng định 1930: Bush xây dựng máy tính tương tự dùng thủy văn 1932: Sherman đề xuất khái niệm đường đơn vị 1930: S.N Kriski -M.F.Menken đề phương pháp thống kê dùng tính tốn dịng chảy sơng D.L.Xôkolopski đề nghị dùng phương pháp thống kê xác suất vào việc nghiên cứu biến động dòng chảy năm Về sau G.A Alecxayep, G.G Svannitze tiếp tục phát triển thủy văn ngẫu nhiên Liên Xô cũ 1933: Horton đưa lý thuyết thấm 1935: Mocarthy đưa phương pháp diễn toán Muskingum 1942: Geumbel đề lý thuyết giá trị cực trị dùng thủy văn 1943: Máy tính hệ I đời dùng tính toán thủy văn 1945: S.N.Kriski-M.F.Menken đề phương pháp K.M dùng tính tốn điều tiết hồ chứa thứ hai 1948: Linsley sử dụng phương pháp tương tự điện tính tốn lũ 1949: Máy tính hệ II đời dùng thủy văn 1950: Sugawara đề xuất mơ hình pha mặt đất tuần hoàn thủy văn 1951: Kohler, Lunsley sử dụng kỹ thuật tương quan hợp trục 1955: Lighthile Whihfam đưa lý thuyết sóng động lực 1956: Suganawa đưa mơ hình Tank - mơ hình dùng nhiều giới 1956: Sử dụng phương pháp phân tích hệ thống tài nguyên nước qua chương trình tài nguyên nước Stanford Máy tính hệ III đời dùng thủy văn 1957: Nash đề xuất khái niệm đường đơn vị tức thời 1958: Mơ hình SSARR đời Trong năm phương hướng toán thủy văn phát triển mạnh mẽ, riêng lĩnh vực mơ hình tất định kể hàng loạt mơ hình tiếng: 1959- 1960: Mơ hình Stanford !968: Mơ hình Kutchment mơ hình Hyrenn 1970: Box Jenkins đưa mơ hình Arima Từ 1971 -1990 hướng thủy văn tính tốn phát triển mạnh mẽ đa dạng Từ 1990 -nay thủy văn học đại đòi hỏi kết hợp nhiều lĩnh vực khoa học Trái Đất, đặc biệt hệ thống thông tin địa lý 10 1.2.2 Tổng hợp, phân chia giai đoạn phát triển thủy văn Điểm lại kiện lịch sử trình phát triển thủy văn, kết hợp với phân tích điều kiện phát triển kinh tế - xã hội giai đoạn cho phép ta tạm thời phân định thời kỳ phát triển khoa học thủy văn Mỗi thời kỳ có đối tượng nghiên cứu riêng, mang sắc thái riêng nội dung nghiên cứu phương pháp luận Những thời kỳ là: Thời kỳ thủy văn địa lý: Đối tượng nghiên cứu thời kỳ mô tả thủy vực địa lý riêng rẽ Thủy văn mang sắc thái khoa học tự nhiên đơn với nội dung nghiên cứu chủ yếu giải tượng thủy văn, tính toán thành phần cán cân nước tuần hoàn thủy văn, phân vùng, phân khu xây dựng đồ đẳng trị thủy văn Về phương pháp phân tích vi mơ thường áp dụng phương pháp thực nghiệm Thời kỳ thủy văn kỹ thuật (hay thủy văn ứng dụng ): Đối tượng nghiên cứu thời kỳ xem mối quan hệ input ouput hệ thống (theo khái niệm đưa Đooge) Ở thời kì thủy văn khơng mang sắc thái khoa học-tự nhiên đơn mà kết hợp khoa học tự nhiên khoa học kỹ thuật Nội dung chủ yếu phân tích, tính tốn mối quan hệ input ouput (như mưa - dòng chảy), sử dụng phương pháp phân khu đẳng trị thành phần thủy văn, phân tích thơng số cơng thức tính tốn Về phương diện nghiên cứu chuyển sang phân tích chi tiết (hay phân tích thành phần) Phương pháp đo đạc thu thập số liệu phát triển thông qua lưới điểm quan trắc phạm vi lớn Thời kỳ thủy văn tài nguyên nước: Đây giai đoạn phát triển thủy văn Đặc điểm chủ yếu giai đoạn can thiệp mạnh mẽ người vào q trình thủy văn Do đối tượng nghiên cứu chủ yếu xem xét mối quan hệ cung cầu nước hệ thống Do tác động người trở thành nhân tố đáng kể nên thủy văn mang sắc thái hỗn hợp khoa học tự nhiên, khoa học kỹ thuật khoa học xã hội Nội dung nghiên cứu chủ yếu đánh giá, phân tích dự báo biến đổi tác động người Về phương diện nghiên cứu, chủ yếu phân tích hệ thống Phương pháp đo đạc thu thập số liệu chủ yếu đo đạc tự động Có thể nêu lên số chủ đề nghiên cứu thủy văn giai đoạn là: - Phân tích hệ thống tài nguyên nước - Mơ hình hố thủy văn, đặc biệt mơ hình phân bố - Thủy văn mơi trường đặc thù: đô thị, rừng, kho nước, vùng canh tác công nghiệp, thủy văn vùng giáp ranh triều mặn Trong tương lai, thủy văn môi trường đặc thù đóng vai trị quan trọng tạo giai đoạn phát triển thủy văn Đây điểm đáng ý Ở Việt Nam vấn đề thủy văn thị, thủy văn rừng cịn ý Trong lĩnh vực giới nghiên cứu hoàn thiện Nên nước ta, hướng phát triển thủy văn kỷ XXI theo hướng "hoạt động thủy văn vào chuyên ngành bám sát thực tiễn vùng có đặc thù riêng, theo yêu cầu sản xuất nông lâm nghiệp, khai thác thủy điện, giao thông xây dựng" Ngoài phân chia lịch sử phát triển thủy văn qua giai đoạn Ventechen chia lịch sử phát triển làm giai đoạn: Giai đoạn suy đoán trước năm 1400 Giai đoạn quan sát 1400 - 1600 Giai đoạn đo đạc đơn giản 1600 - 1700 Giai đoạn thực nghiệm 1700 - 1800 11 Giai đoạn đổi đáng kể 1800 - 1900 Giai đoạn chủ nghĩa thực nghiệm 1900 - 1930 Giai đoạn phân tích quan hệ nhân 1930 - 1950 Giai đoạn lý thuyết hoá mơ hình thủy văn, thủy văn hệ thống 1950-đến 1.2.3 Lịch sử phát triển thủy văn Việt Nam Ở nước ta thủy văn có lịch sử phát triển lâu Từ thời cổ xưa tổ tiên ta ý quan sát tượng tự nhiên, thu thập số kiến thức thủy văn để ứng dụng trực tiếp sản xuất hàng ngày 3000 năm trước Công nguyên, từ đời Lã Vọng vùng duyên hải có “Bài ca nước”; chưa xác tỷ mỷ có tác dụng sản xuất chưa có lịch thủy triều Khoảng 2000 năm trước thời Giao Chỉ, nhân dân ta biết lợi dụng thủy triều để lấy nước tưới ruộng Vào khoảng kỷ XIX triều Tự Đức, Nguyễn Công Trứ lợi dụng nước thủy triều lên xuống để động viên nhân dân đào vét mương ngòi, quai đê lấn biển biến vùng bãi biển Phát Diệm hoang vu thành đồng ruộng phì nhiêu bát ngát Trong lĩnh vực quân sự, cha ông ta biết lợi dụng kiến thức thủy văn cách tài tình để đánh tan quân xâm lược Năm 43 trước Công nguyên, nhân dân ta biết quan sát mực nước sông Hồng để xây dựng đê sông Hồng để bảo vệ cho đồng Bắc Bộ phì nhiêu cố đô Thăng Long Cuối kỷ XIX với mục đích khai thác thuộc địa, thực dân Pháp đặt số trạm thủy văn sông Hồng, sông Đà, sông Lô vùng dân cư trù phú, đất đai phì nhiêu trạm ven sơng Đuống, sơng Luộc Số trạm quan trắc thưa thớt, quy phạm đo đạc khơng rõ ràng nên số liệu có độ xác không cao Thực tế công tác thủy văn nước ta bắt đầu sau hịa bình lập lại năm 1954 Chúng ta bắt tay vào công khôi phục kinh tế bước đầu xây dựng sở vật chất cho chủ nghĩa xã hội Do nước ta nước nông nghiệp nên công tác thủy lợi đặt lên hàng đầu với hai nhiệm vụ chống hạn hán chống lũ lụt Trong Nghị Bộ Chính trị Trung ương Đảng tháng XII năm 1958 nêu rõ: Việc trị thủy dịng sơng lớn nhiệm vụ quan trọng ngành thủy lợi Chúng ta phải bước tiến hành trị thủy tận gốc, khai thác sông lớn sông Hồng, sơng Thái Bình, sơng Mê Kơng Trước hết phải tập trung lực lượng nghiên cứu trị thủy sơng Hồng, lũ sông Hồng uy hiếp nghiêm trọng đồng Bắc Bộ phì nhiêu rộng lớn Để phục vụ cho nhiệm vụ quan trọng ta bắt đầu khôi phục trạm đo đạc cũ tiến hành quy hoạch lưới trạm miền Bắc Uỷ ban khai thác trị thủy sông Hồng thành lập Năm 1960 Cục Thủy văn thành lập Đến nay, lãnh thổ nước ta có 106 sơng 1360 phụ lưu cấp I đến cấp VI, có 203 trạm đo đạc thủy văn Về đội ngũ cán bộ, ta có đội ngũ mạnh có khả đảm bảo giải vấn đề thủy văn, thủy lợi, điều tra đề Nhiều công trình thành tựu khoa học lĩnh vực thủy văn học cơng bố Tạp chí Khoa học Khí tượng Thủy văn, Tạp chí Khoa học Thủy lợi đời 1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Khi nghiên cứu chế độ tính tốn đặc trưng dịng chảy , sử dụng phương pháp sau: 1.3.1 Phương pháp khảo sát trạm đo Khi mạng lưới quan trắc thủy văn dày đặc với chuỗi quan trắc đủ dài, có khả bao qt tồn lưu vực nghiên cứu Phương pháp sử dụng rộng rãi nhiều nước lãnh thổ nhỏ Thực 12 chất phương pháp phương pháp trung bình số học, phương pháp trung bình có trọng số 1.3.2 Phương pháp khái quát Dùng số liệu thu thập qua mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn để xác định qui luật hình thành dịng chảy, phân bố đặc trưng dòng chảy theo lãnh thổ biến thiên chúng theo thời gian Điều đạt nhờ phân tích chất vật lý, địa lý tượng hay q trình xét từ nhóm yếu tố ảnh hưởng đến hình thành phát triển dịng chảy đặc trưng Cũng tổng hợp dòng chảy từ việc nghiên cứu thành phần cấu thành dòng chảy riêng rẽ 1.3.3 Phương pháp mơ hình hố tốn học thực nghiệm Khi phân tích số liệu thực nghiệm theo phương pháp thường sử dụng rộng rãi phương pháp thống kê toán học lý thuyết xác suất Phụ thuộc vào trạng thái nghiên cứu tượng yêu cầu tốn, phương pháp khái qt khoa học thủy văn chia ra: 1) phương pháp hệ số tổng cộng; 2) phương pháp đồ nội suy địa lý; 3) phương pháp tương tự thủy văn Phương pháp hệ số tổng cộng việc phân tách yếu tố chủ đạo quan hệ nghiên cứu với nhân tố tác động cách đưa hệ số tổng cộng theo quan hệ thiết lập, việc phân tích bóc dần thành phần xác định mối quan hệ toán - lý, từ chất tác động số yếu tố chủ đạo để đưa cơng thức tính tốn chung Cơ sở phương pháp dựa việc coi dịng chảy sản phẩm nhiều q trình địa lý tự nhiên (khí hậu mặt đệm) tác động lên Loại thường gặp nhóm cơng thức triết giảm dịng chảy cực đại Giả sử muốn xác định lớp dòng chảy y từ tập hợp yếu tố địa lý tự nhiên lưu vực cụ thể từ quan hệ đại lượng dòng chảy A = f( F, x, I, δ1,δ2, δ3, ,) với F- diện tích lưu vực; x- lượng mưa; I - độ dốc bình quân lưu vực; δ1, δ2, δ3 hệ số rừng, ao hồ, đầm lầy ta có mối liên hệ từ cơng thức: y= A (F + 1)n (1.1) Trong (1.1) A - Hệ số địa lý tổng cộng yếu tố hình thành tác động đến dịng chảy Nếu có tài liệu quan trắc y xác định A cách: Từ (1.1) logarit hoá hai vế ta có: lny = ln A - nln (F+1) Từ (1.1) theo số liệu dựng quan hệ lny =f[ln (F+1)] Từ giá trị lnA H.1.1 xác định A, n = tgα, thay vào cơng thức (1.1) ta có cơng thức kinh nghiệm xác định y với tham số A Cũng từ ví dụ ta muốn xác định lớp dịng chảy y từ số liệu mưa x cơng thức sử dụng có dạng: y =A1 x + b (1.2) với A1 - hệ số địa lý tổng hợp phản ánh quan hệ mưa lớp dòng chảy, b - lớp dịng chảy chưa có mưa 13 lny lnA α ln[(F+1)] Hình 1.1 Quan hệ lny = f[ln (F+1)] y α b x Hình 1.2 Quan hệ y = f(x) Tương tự xác định tham số địa lý cần tìm qua hệ số địa lý tổng hợp sở nhận biết dạng quan hệ yếu tố việc phân tích chất tượng hay trình yếu tố ảnh hưởng Phương pháp đồ nội suy địa lý dựa sở giả thiết đặc trưng dòng chảy yếu tố cảnh quan địa lý thay đổi từ từ theo lãnh thổ tuân theo qui luật địa đới Nội dung phương pháp sau: Theo sơ đồ H.1.3, y1, y2, y3, y4 giá trị đường đồng mức lớp dòng chảy lưu vực Khoảng cách L, Ly xác định cách đo trực tiếp đồ Cần xác định giá trị dòng chảy y qua điểm Y đường đồng mức giả sử By Theo phương pháp nội suy tuyến tính địa lý ta có: y3 − y y3 − y = L Ly (1.3) Biến đổi công thức (1.3) ta nhận được: y = y3 − ( y3 − y ) L y L (1.4) Các giá trị vế phải (1.4) xác định y tính dễ dàng Phương pháp tương tự thủy văn phụ thuộc vào việc lựa chọn lưu vực tương tự với lý luận rằng, dịng chảy sản phẩm khí hậu chịu tác động điều kiện địa lý tự nhiên nên với lưu vực tương tự (có điều kiện địa lý cảnh quan giống nhau) dịng chảy chúng tương tự Có đặc trưng dòng chảy lưu vực tương tự ta xác định đặc trưng dịng chảy lưu vực xét qua việc xác định mức độ quan hệ hai lưu vực để tính tốn số hiệu chỉnh Phương pháp hay dùng kéo dài chuỗi số liệu Cụ thể nội dung phương pháp trình bày chương 14 y4 y3 By y2 y1 Y LY L Hình 1.3 Sơ đồ tính dịng chảy theo phương pháp nội suy địa lý 1.3.4.Phương pháp thống kê Các phương pháp thống kê tham gia vào tốn tính tốn thủy văn nhiều ứng dụng cụ thể Hầu tốn thống kê có mặt lĩnh vực tính tốn đặc biệt đóng vai trị quan trọng khâu xử lý số liệu - kiện thông tin đầu vào quan trọng tốn tính tốn thủy văn phương pháp Vì tầm quan trọng nên tách riêng môn học chuyên đề " Xác suất thống kê thủy văn" giáo trình khơng có ý nhắc lại, tốn cụ thể mà chương sau xem xét gặp phép toán thống kê lời giải Bài tốn thống kê thường gặp tính tốn thủy văn kiểm tra tính đồng nhất, tính phù hợp số liệu qua việc lựa chọn tiêu sở phân tích ý nghĩa vật lý tượng; dạng đường cong phân bố chuỗi tham số đặc trưng nó; hàm sử dụng để mô tả giai đoạn trình dịng chảy: hàm tương quan, hàm cấu trúc, hàm phổ; hàm phân tích nhân tố v.v Ngay sử dụng mơ hình việc xác định tham số, thành phần thường xuyên áp dụng lời giải từ phép toán lý thuyết xác suất thống kê Phương pháp thống kê sử dụng rộng rãi thủy văn học, nói chung tính tốn thủy văn, nói riêng Ngồi cịn dùng phương pháp cân nước, cân nhiệt v.v dựa nguyên tắc định luật bảo toàn vật chất lượng mà ta trực tiếp khảo sát chương 15 ... nghiệm 17 00 - 18 00 11 Giai đoạn đổi đáng kể 18 00 - 19 00 Giai đoạn chủ nghĩa thực nghiệm 19 00 - 19 30 Giai đoạn phân tích quan hệ nhân 19 30 - 19 50 Giai đoạn lý thuyết hố mơ hình thủy văn, thủy văn. .. XX (cho tới mơ hình SSARR đời) thủy văn học phát triển mạnh mẽ 19 14: Hazen đưa khái niệm thủy văn ngẫu nhiên đặt móng tổng quát cho Tính tốn thủy văn 19 19: Viện Thủy văn Quốc gia Liên Xô thành... 16 8 10 .9 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN Ở VIỆT NAM 17 1 Chương 11 QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG NƯỚC 17 2 11 .1 NGUỒN NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG 17 2 11 .1. 1