Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi

Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Chương 2. ĐẠI CƯƠNG VỀ SÔNG NGÒI VÀ SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI. 2.1. Sông và hệ thống sông. 2.1.1. Lưới sông. 2.1.1.1. Sông chính và sông nhánh. Nước mưa rơi xuống đất, một phần bị tổn thất do bốc hơi, đọng vào các chỗ trũng và ngấm xuống đất, phần còn lại dưới tác dụng của trọng lực chảy tràn trên các sườn dốc, tập trung vào các chỗ trũng thành các khe suối và chảy xuống phía dưới tạo thành sông ngòi, rồi đổ ra biển hoặc 1 khu chứa nào đó. Dòng nước tự nhiên chảy theo chỗ trũng của địa hình, có lòng dẫn ổn định và có nguồn cung cấp nước mặt và nước ngầm gọi là sông. Sông chính: là sông trực tiếp đổ ra biển hoặc hồ chứa. Sông trực tiếp chảy vào sông chính gọi là sông nhánh cấp 1, sông chảy vào sông nhánh cấp I gọi là sông nhánh cấp 2, cứ như vậy mà suy ra các sông nhánh cấp tiếp theo. 2.1.1.2. Mạng lưới sông. Tập hợp toàn bộ sông nhánh, sông chính có liên quan dòng chảy với nhau gọi là hệ thống sông hay lưới sông. Trong hệ thống sông, người ta lấy tên sông chính gọi tên cho cả hệ thống sông ấy. VD : Hệ thống sông Hồng, hệ thống sông Thái Bình... Tập hợp toàn bộ sông, hồ, đầm lầy... trong một khu vực nhất định gọi là hệ thống địa lý thủy văn của khu vực ấy. Để đặc trưng cho lưới sông dùng khái niệm mật độ lưới sông D: F LD ∑= (2.1) Với: ΣL - tổng độ dài các sông, suối trong lưới sông; F - diện tích lưu vực sông. Thông thường D = 0÷1,3. 2.1.2. Các dạng lưới sông chính. Sự bố trí các sông nhánh dọc theo sông chính có ảnh hưởng quyết định đến sự hình thành dòng chảy trong sông chính. Có thể phân thành các dạng lưới sông chính như sau: 2.1.2.1. Lưới sông hình lông chim. Dạng lưới sông này có sông chính tương đối dài, các sông nhánh phân bố đều sang 2 bên vì vậy ít sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu không lớn. 2-1 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. S. §«ng Hình 2.1. Lưới sông hình lông chim. 2.1.2.2. Lưới sông hình nan quạt. Sông chính không dài lắm, các sông nhánh đổ vào sông chính ở những vị trí gần nhau, vì vậy có khả năng sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu khá lớn. Th¸i Nguyªn S. Th −¬ ng An Ch©u S. Lô c N am Ph¶ L¹i S. CÇu S. §uèng Hình 2.2. Lưới sông hình nan quạt. 2.1.2.3. Lưới sông song song. Sông chính và sông nhánh gần như song song nhau. Đến gần cửa sông chính sông nhánh mới đổ vào sông chính. Loại này sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu tương đối lớn và nhanh. Hệ thống sông Hồng là điển hình cho loại sông này. S. L« S. Hång S. §µ S. C h¶y Hình 2.3. Lưới sông song song. 2.1.2.4. Lưới sông hỗn hợp. Dạng lưới sông này là tổng hợp của các dạng lưới sông trên. Hệ thống sông Cửu Long là điển hình cho loại sông này. 2-2 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. 2.2. Lưu vực sông và các đặc trưng của lưu vực. 2.2.1. Lưu vực sông và đường phân nước của lưu vực. 2.2.1.1. Lưu vực sông. Lưu vực của 1 con sông là diện tích mặt đất trên đó nước trực tiếp chảy từ các sườn dốc và dồn vào lòng sông, hoặc theo các sông nhánh chảy vào sông chính. Nói cách khác, lưu vực của một con sông là khu vực tập trung nước của con sông đó. 2.2.1.2. Đường phân nước của lưu vực. Đường phân nước là đường ranh giới mà từ đó nước chảy về 2 phía đối diện nhau của 2 lưu vực cạnh nhau. Như vậy có thể thấy đường phân nước là đường nối liền các điểm cao nhất phân cách lưu vực con sông này với lưu vực con sông khác. S«ng S«ng VÞ trÝ ®−êng ph©n n−íc mÆt TÇng kh«ng thÊm VÞ trÝ ®−êng ph©n n−íc ngÇm Dßng mÆt Dßng ngÇm Hình 2.4. Đường phân nước của lưu vực. Có 2 loại đường phân nước là đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm. - Đường phân nước mặt là đường nối các điểm cao nhất liên tiếp trên lưu vực mà từ các điểm đó nước mặt đổ về lưu vực này hay lưu vực khác ở bên cạnh. - Đường phân nước ngầm là đường nối các điểm cao nhất liên tiếp trên bề mặt tầng đất không thấm, từ đó nước ngầm đổ về 2 lưu vực cạnh nhau. Đặc điểm của đường phân nước: - Đường phân nước của một lưu vực thường không ổn định do tác động của môi trường và con người. - Đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm không trùng nhau, đường phân nước ngầm khó xác định nên thực tế lấy đường phân nước mặt làm đường phân nước của lưu vực. Để xác định đường phân nước của lưu vực (gọi tắt là đường phân lưu) phải căn cứ vào bản đồ địa hình có các đường đồng mức cao độ. 2.2.2. Các đặc trưng hình học của lưu vực. 2.2.2.1. Diện tích lưu vực (F - km2). Là phần diện tích được giới hạn bởi đường phân nước, phản ánh diện tích hứng nước mưa của sông. Cách xác định F: Trên bản đồ địa hình ta vạch ra được đường phân nước của lưu vực, dùng máy đo diện tích hoặc dùng phương pháp kẻ ô vuông để đếm ô diện tích. 2-3 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Độ chính xác của diện tích lưu vực phụ thuộc vào độ chính xác của bản đồ, vào việc xác định đường phân nước và tỷ lệ bản đồ. Để biểu thị tình hình phân bố diện tích của lưu vực có thể dùng biểu đồ tăng diện tích. Cách vẽ biểu đồ như sau: O D A E B f1 f2 f3 f5 f5 f7 f8 f4 f10 f9 cöa C nguån O D E B C Af5 f3 f2 f1 f7 f8 f9 f10 f6 f4 .fi = F (km2)∑ Hình 2.5. Biểu đồ tăng trưởng diện tích lưu vực. Giả sử có một lưu vực sông như hình 2.5. Biểu đồ tăng trưởng diện tích trên hệ trục vuông góc. - Tung độ là chiều dài sông chính được vẽ theo một tỷ lệ nhất định. - Hoành độ biểu thị diện tích của lưu vực và cũng được vẽ theo một tỷ lệ nhất định: diện tích bên phải sông vẽ ở hoành độ bên phải, diện tích bên trái sông vẽ ở hoành độ bên trái, khi vẽ tiến hành theo thứ tự từ nguồn đến cửa sông. - Tại các vị trí có sông nhánh chảy vào (điểm A, B) kéo dài hoành độ thêm một đoạn bằng diện tích lưu vực sông nhánh, tung độ bằng chiều dài sông nhánh, cũng được vẽ theo một tỷ lệ về độ dài đã chọn để vẽ sông chính. Thông qua biểu đồ thấy được tình hình tăng giảm của diện tích lưu vực sông từ nguồn đến cửa sông. 2.2.2.2. Chiều dài của lưu vực (L - km). Là khoảng cách theo đường gãy khúc từ nguồn đến cửa sông đi qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực và vuông góc với hướng dòng chảy. Để đơn giản, trong tính toán L thường được lấy bằng chiều dài của sông chính. 2.2.2.3. Chiều rộng bình quân của lưu vực (B - km). Được đo bằng tỷ số giữa diện tích của lưu vực với chiều dài của lưu vực. L FB = (2.2) 2.2.2.4. Độ cao trung bình của lưu vực (Htb) F H.f f H.f...H.fH.fH ii i nn2211 tb ∑ ∑ = +++= (2.3) Trong đó : 2-4 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. fi – diện tích giới hạn phần lưu vực giữa 2 đường đồng mức liên tiếp; Hi - độ cao trung bình giữa 2 đường đồng mức; F – diện tích của lưu vực. 2.2.2.5. Độ dốc trung bình của lưu vực Jtb ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +++++= −1n21n0tb l...ll2 ll. F hJ (2.4) Trong đó : l0, l1, ln – chu vi các đường đồng mức trong lưu vực; h – chênh lệch độ cao giữa 2 đường đồng mức liền nhau; F – diện tích lưu vực. 2.2.2.6. Một số hệ số đặc trưng của lưu vực. a. Hệ số hình dạng của lưu vực (Kd). Hệ số hình dạng biểu thị mức độ phát triển hình học của lưu vực. L BKd = (2.5) Trong đó: B – chiều rộng trung bình của lưu vực; L – chiều dài của lưu vực. Kd ≤ 1. Kd càng lớn lưu vực càng gần hình vuông, lũ tập trung càng nhanh và càng lớn. Kd càng nhỏ thì lưu vực càng hẹp và dài. VD : + Sông Lô: Kd = 0,017 + Sông Hồng: Kd = 0,04 + Sông Đà: Kd = 0,063 b. Hệ số tròn của lưu vực sông (Kc) KC được biểu thị bằng tỷ số giữa chiều dài đường phân nước của lưu vực với chu vi hình tròn có diện tích bằng diện tích lưu vực. T P C L LK = (2.6) Trong đó : LP – chiều dài đường phân nước; LT – chu vi đường tròn có diện tích bằng diện tích lưu vực. Hình dạng càng tròn, lũ tập trung càng nhanh và lớn. c. Hệ số không đối xứng Kđx. 2-5 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Đại lượng này biểu thị cho sự phân bố không đều của diện tích lưu vực 2 bên sông chính. ( ) pt ptpt pta FF FF.2 2 FF FF K + −=+ −= (2.7) Trong đó Ft, FP là diện tích tương ứng của phần lưu vực bên trái, bên phải sông. 2.2.3. Các đặc trưng địa lý tự nhiên của lưu vực. 2.2.3.1. Vị trí địa lý. Vị trí địa lý của lưu vực được xác định trên cơ sở các toạ độ địa lý (kinh độ, vĩ độ) và các vùng tiếp giáp trên bản đồ địa lý sông ngòi. Cần chỉ rõ xung quanh phân giới của lưu vực có những ngọn núi nào, đồng thời đề cập đến con sông đó cách xa biển bao nhiêu km và xét xem hơi nước vận chuyển từ biển vào lưu vực như thế nào. Vị trí lưu vực đóng vai trò tương đối quan trọng trong nghiên cứu thuỷ văn. Vị trí địa lý quyết định điều kiện khí hậu, qua đó ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ thuỷ văn. 2.2.3.2. Địa hình của lưu vực. Những lưu vực nhiều đồi núi có hiện tượng mưa nhiều. Độ cao, hướng núi có ảnh hưởng đến tình hình khí hậu, khí tượng trên lưu vực 2.2.3.3. Cấu tạo địa chất, thổ nhưỡng. Đặc trưng này bao gồm tính chất của nham thạch, cấu tạo địa chất của lưu vực. Cấu tạo địa chất thổ nhưỡng có tác dụng điều tiết thủy văn, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nước ngầm trong lưu vực. 2.2.3.4. Thảm phủ thực vật. Thảm phủ thực vật bao gồm rừng, các loại cây trồng trên lưu vực có tác dụng quan trọng điều tiết dòng chảy trên lưu vực, ảnh hưởng đến yếu tố khí hậu, làm chậm tập trung dòng chảy mặt và tăng cường dòng chảy ngầm. Để đặc trưng cho nhân tố này dùng hệ số phủ rừng KP F F K pp = (2.8) Trong đó: FP – diện tích rừng cây phủ trên lưu vực; F – diện tích toàn bộ lưu vực. 2.2.3.5. Ao hồ đầm lầy. Ao hồ đầm lầy có tác dụng điều tiết làm chậm quá trình tập trung dòng chảy mặt. Trong mùa lũ, một phần nước được trữ trong các ao hồ, đầm lầy. Khi lũ rút, nước được tháo ở các ao hồ để điều tiết dòng chảy. 2.3. Dòng sông và các đặc trưng chính. 2.3.1. Phân đoạn dòng sông. 2-6 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Một con sông phát triển đầy đủ thường chia làm 5 đoạn có tính chất khác nhau: nguồn sông, thượng lưu, trung lưu, hạ lưu và cửa sông. . . . . . 1 2 3 4 5 BiÓn, hå, cöa s«ng Hình 2.6. Phân đoạn dòng sông. 2.3.1.1. Nguồn sông. Nguồn là nơi bắt đầu của dòng sông. Nguồn sông thường bao gồm một diện tích rất lớn, nhiều lúc khó xác định như ở vùng đá vôi có nhiều hang động, cũng có khi bắt nguồn từ một mạch nước ngầm hoặc một hồ chứa nước. 2.3.1.2. Thượng lưu. Thượng lưu là đoạn sông trực tiếp nối với nguồn sông. Đặc điểm là lòng sông hẹp, độ dốc lớn, nước chảy xiết, xói mòn chủ yếu theo chiều sâu, thường có thác ghềnh lớn, không thuận lợi cho giao thông vận tải. 2.3.1.3. Trung lưu. Trung lưu là đoạn nối tiếp với thượng lưu, độ dốc lòng sông đã giảm nhiều, không có những ghềnh thác lớn, nước chảy yếu hơn, xói lở phát triển sang 2 bên bờ mạnh làm cho lòng sông đã mở rộng dần, bãi sông xuất hiện, trên mặt bằng sông đã có dạng uốn khúc. Nhìn chung đoạn này tương đối thuận lợi cho giao thông vận tải. 2.3.1.4. Hạ lưu. Hạ lưu là đoạn cuối cùng của sông trước khi đổ ra biển, hồ chứa hoặc con sông khác. Đặc điểm ở đoạn này là độ dốc lòng sông rất bé, nước chảy chậm, bồi nhiều hơn xói, tạo nhiều bãi sông nằm ngang ở giữa lòng sông, hình dạng lòng sông quanh co uốn khúc rất nhiều, lòng sông mở rộng ra nhiều so với đoạn trên. Hạ lưu thuận lợi cho phát triển giao thông vận tải thuỷ cũng như các ngành kinh tế khác. 2.3.1.5. Cửa sông. Cửa sông là nơi sông tiếp giáp với biển hoặc hồ hoặc một con sông khác. Ở cửa sông lòng sông mở rộng, lưu tốc bé dần, phù sa lắng đọng tạo thành những tam giác châu. Trong một số trường hợp đặc biệt, do điều kiện địa hình địa chất và khí hậu mà sông có thể không có đầy đủ các phân đoạn như trên. Ví dụ ở vùng sa mạc khô nóng hay khi chảy qua các vùng núi đá vôi có nhiều hang động ngầm, sông sẽ bị mất nước và không thể chảy ra đến biển, khi đó sông không có cửa, còn gọi là sông cụt. 2.3.2. Các đặc trưng chính của dòng sông. 2.3.2.1. Mặt bằng dòng sông. a. Hiện tượng uốn khúc của dòng sông Trên mặt bằng, các đoạn sông ở vùng đồng bằng có dạng uốn khúc theo hình sin. Nguyên nhân của hiện tượng này là do quy luật vận động của dòng nước và ảnh hưởng của lực quán tính Coriolit, được giải thích như sau: 2-7 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Bê xãi B·i båi d/c Fk Hình 2.7. Hiện tượng quanh co uốn khúc của dòng sông. Giả sử hình dạng ban đầu của dòng sông là thẳng, nước chảy xuôi theo hướng thẳng của lòng sông. Sau đó do ảnh hưởng của các vật cản trong dòng chảy, sự thay đổi độ nhám lòng sông và ảnh hưởng của lực quán tính Coriolit nên dòng nước bị xiên lệch vào một bên bờ gây xói bờ này, làm bờ bị lõm vào. Sản phẩm xói lở bị dòng nước cuốn đi rồi lắng đọng bồi vào một chỗ khác ở hạ lưu làm cho phần bờ hạ lưu này bị lồi ra. Mặt khác, dòng nước chảy tới chỗ bờ lõm này gặp sức cản của bờ chảy xiên sang bờ bên kia và lại gây ra xói lở. Quá trình cứ thế tiếp diễn gây ra hiện tượng quanh co uốn khúc của dòng sông. Sự quanh co uốn khúc phát triển theo thời gian, hình thành các vực sâu và bãi bồi kế tiếp nhau trên sông. b. Hệ số uốn khúc của dòng sông ( Φ ) Để biểu diễn mức độ quanh co uốn khúc của dòng sông nhiều hay ít dùng hệ số uốn khúc của dòng sông là : l L=Φ (2.9) Trong đó: L – chiều dài thực của con sông; l – chiều dài đoạn thẳng nối từ nguồn sông đến cửa sông. Sông càng uốn khúc thì Φ càng lớn, thông thường Φ = 1.25÷ 2.5 c. Sự phân bố độ sâu trên lòng sông. Sự phân bố độ sâu trên lòng sông có liên quan chặt chẽ đến hình dạng quanh co trên mặt bằng của dòng sông. Do tác dụng xói mòn của dòng nước nên trên sông sẽ hình thành các vực sâu ở bờ lõm và bãi bồi ở bờ lồi. Xét ở 1 phía bờ thì vực sâu và bãi bồi thường kế tiếp nhau. Xét trên cả 2 phía bờ sông thì vực sâu và bãi bồi thường đối diện nhau. Đoạn giữa bãi bồi và vực sâu là đoạn lòng sông thẳng. Đoạn quá độ giữa 2 bãi bồi là gềnh cạn. Đường nối liền những điểm sâu nhất trên lòng sông (theo mặt cắt ngang) gọi là lạch hàng vận. Khi lạch hàng vận là đường cong trơn đủ sâu thì có lợi cho giao thông vận tải thuỷ. Nếu nó là đường khúc khuỷu gồ ghề thì trở ngại cho giao thông vận tải. 2-8 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Bê lâm (L¹ch s©u) L¹ch hµng vËn 1 1 M /c n ga ng 2 2 Bê låi (b·i båi) Hình 2.8. Phân bố độ sâu trên lòng sông. 2.3.2.2. Mặt cắt dọc dòng sông. a. Khái niệm. Mặt cắt dọc dòng sông là mặt cắt đáy sông dọc theo lạch hàng vận Muốn xác định mặt cắt dọc đáy sông, cần đo cao trình của các điểm dọc theo lạch hàng vận, khoảng cách giữa các điểm đo phụ thuộc vào tỷ lệ đo vẽ và được quy định trong các quy phạm đo đạc khảo sát. Ngoài ra cần đo tại các vị trí đặc biệt như: nơi chiều sâu tăng giảm một cách đột ngột; nơi có ghềnh cạn, thác, bãi, đảo nổi; nơi chiều rộng lòng sông thay đổi một cách rõ rệt; nơi có hiện tượng nước dâng; nơi có con sông khác chảy vào; nơi có sự thay đổi địa danh dọc sông. Lấy chiều dài sông làm hoành độ và cao trình của các điểm tương ứng làm tung độ, nối các điểm trên hệ toạ độ vuông góc, được biểu đồ mặt cắt dọc sông, còn gọi là trắc dọc sông. Cao tr×nh Cù ly km Lai Ch©u 22 30 70 50 33 8 28 0 21 6 15 4 12 4 122 Hình 2.9. Trắc dọc sông. b. Độ dốc dọc. Mặt nước cũng như đáy sông không nằm ngang tuyệt đối mà luôn có độ dốc. Độ dốc theo chiều dòng chảy gọi là độ dốc dọc, có 2 dạng độ dốc dọc là độ dốc dọc đáy sông và độ dốc dọc mặt nước. 2-9 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. D L D 1 1 2 Hình 2.10. Độ dốc đáy sông và độ dốc mặt nước. Độ dốc đáy sông xác định bằng công thức: L zId ∆= (2.10) Độ dốc mực nước xác định bằng công thức: L HIm ∆= (2.11) Trong đó: ∆z - độ chênh cao trình đáy giữa 2 mặt cắt 1-1 và 2-2; ∆H - độ chênh mực nước giữa 2 mặt cắt; L - chiều dài đoạn sông giữa 2 mặt cắt. Độ dốc mặt nước của dòng sông không phải là cố định mà luôn luôn biến hoá tuỳ theo MN ở lòng sông. Độ dốc dọc thường được biểu diễn bằng tỷ số (‰) hoặc m/km. Mặt cắt dọc sông cho biết tình hình phân bố độ dốc lòng sông và chênh lệch mực nước giữa các vị trí trên sông. Mặt cắt dọc là căn cứ chủ yếu để nghiên cứu đặc tính của dòng nước và dự tính năng lượng tiềm tàng của sông. 2.3.2.3. Mặt cắt ngang lòng sông. a. Khái niệm. Mặt cắt ngang sông tại một vị trí trên sông là mặt cắt vuông góc với hướng dòng chảy tại vị trí đó. Mặt cắt ngang dòng sông biến hoá theo tình hình mực nước trong sông. Lúc mực nước thấp dòng nước chỉ chảy qua vùng thấp nhất của đáy sông và phần đó gọi là lòng sông. Mùa lũ nước dâng lên phần lớn thung lũng 2 bên và gọi là bãi sông. MNK MNL . . .2 33 1 Hình 2.11. Mặt cắt ngang lòng sông. 2-10 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. 1-Lớp trầm tích 2-Lòng sông 3-Bãi sông Căn cứ vào hình dáng mặt cắt khi nước lớn và nước thấp, có thể phân ra mặt cắt đơn và mặt cắt kép. M/c ®¬n MNK MNL M/c kÐp Hình 2.12. Mặt cắt đơn và mặt cắt kép. Để xây dựng mặt cắt ngang làm tương tự như xây dựng mặt cắt dọc: - Đo cao độ các điểm đáy sông trên mặt cắt ngang. Khoảng cách giữa các điểm đo phụ thuộc vào tỷ lệ đo vẽ. - Vẽ các điểm đáy sông trên hệ trục toạ độ vuông góc có trục tung là cao độ, trục hoành là khoảng cách giữa các điểm đo. - Nối các điểm đo lại thu được trắc ngang sông. b. Các đặc trưng thủy lực trên mặt cắt ngang. (1) Diện tích mặt cắt ướt ω (m2): Là diện tích của phần mặt cắt có nước chảy qua. Để xác định ω trên mặt cắt ngang sông dựng các thuỷ trực (là các đường thẳng đứng từ mặt nước xuống đáy sông) chia mặt cắt ngang thành các mảnh nhỏ sao cho trong khoảng giữa 2 thuỷ trực có thể coi gần đúng đáy sông là đường thẳng. 2 b.hb. 2 hh...b. 2 hh 2 b.h nn 1n n1n 1 2101 ++++++=ω −− (2.12) bo b1 . bn-1 bn B h1 h2 hn wo w1 wn wn-1 Hình 2.13. Tính toán các thông số trên mặt cắt ướt. Trong đó: hi - độ sâu lòng sông tại các thuỷ trực, [m]; bi – khoảng cách theo chiều ngang giữa các thủy trực, [m]. (2) Chu vi ướt χ (m): Chu vi ướt là độ dài đáy sông trên mặt cắt ướt tính từ mép nước. Sử dụng cách chia mảnh bằng các thuỷ trực như trên, xác định được χ: 2-11 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. ( ) 2n2n212212120 hb...hhbhb +++−+++=χ (2.13) (3) Bề rộng mặt cắt có nước B (m): Là khoảng cách giữa mép nước bờ phải đến mép nước bờ trái. B được xác định bằng cách đo căng dây cáp (sông nhỏ) hay dùng các phương pháp trắc đạc. (4) Độ sâu trung bình HTB (m): B HTB ω= (2.14) Trong đó: ω - diện tích mặt cắt có nước (m2); B - chiều rộng mặt cắt có nước (m). Với những sông lớn, khi bề rộng >> độ sâu, có thể coi χ ~ B và HTB~R với R là bán kính thuỷ lực của dòng chảy. c. Hình dáng mặt nước trên mặt cắt ngang: Trên mặt cắt ngang, mặt nước không nằm ngang mà có dạng cong và có độ dốc, gọi là độ dốc ngang. Nguyên nhân gây ra độ dốc ngang của mặt nước trên mặt cắt ngang là do lực quán tính ly tâm ở những đoạn sông cong và lực quán tính Coriolit ở những đoạn sông thẳng có hướng gần song song với hướng kinh tuyến. B D H l Fl P a Bê lâm D H B b P Fk k F Bê lâm Hình 2.14. Độ dốc ngang mặt nước. Ở đoạn cong, lực quán tính ly tâm tác dụng lên 1 đơn vị trọng lượng chất lỏng là: R vF 2 l = (2.15) Lực ly tâm làm cho mặt sông bị nghiêng đi về phía bờ lõm. Độ chênh lệch mực nước giữa 2 bờ là ∆Hl được tính theo công thức sau : g.R v.Btg.BH 2 l =α=∆ (2.16) g.m.R v P Ftg 2 l ==α (2.17) (với một đơn vị chất điểm thì m = 1) Mọi vật chuyển động trên quả đất đều bị lực do quả đất tự quay quanh nó sinh ra, lực này luôn vuông góc với hướng chuyển động của vật. Ở Bắc bán cầu lực này làm cho hướng chuyển động lệch về phải, ở Nam bán cầu lực làm hướng chuyển động lệch về trái. Lực Coriôlit tác dụng lên một đơn vị khối lượng là : 2-12 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. ϕω= sin.v..2FC (2.18) ω - tốc độ góc chuyển động quay của trái đất; v – lưu tốc trung bình dọc sông; ϕ - vĩ độ địa lý tại vị trí đang xét. Một chất điểm chuyển động chịu tác dụng của 2 lực: trọng lực P và lực Criôlits Fk. Hợp lực của 2 lực này thành lực F. Lực F làm cho hướng chuyển động của vật bị xiên đi và làm cho mặt nước bị nghiêng đi một góc β. g.m sin.v..2 P Ftg K ϕω==β (2.19) g sin.v..2.Btg.BHK ϕω=β=∆ (2.20) Nguyên nhân làm mặt nước có dạng lồi hoặc lõm là do ảnh hưởng của lực ma sát, lưu tốc giữa sông luôn lớn hơn lưu tốc 2 bờ. - Khi nước lên, nước ở giữa sông lên nhanh hơn 2 bờ nên mặt nước có dạng lồi lên. - Khi nước rút, nước ở giữa sông rút nhanh hơn 2 bên bờ nên mặt nước có dạng lõm xuống. 2.4. Khái niệm cơ bản về sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Nước mưa khi rơi xuống lưu vực, một phần chảy trên mặt đất tạo thành dòng chảy mặt, một phần ngấm xuống đất rồi tập trung thành mạch nước ngầm (dòng chảy ngầm) chảy vào sông, sau đó chảy qua cửa ra của lưu vực tạo thành dòng chảy sông ngòi. Sau đây nghiên cứu quá trình hình thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm. 2.4.1. Quá trình hình thành dòng chảy mặt. 2.4.1.1. Quá trình mưa: Mưa là giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành dòng chảy sông ngòi. Cường độ mưa và lượng mưa luôn biến đổi theo không gian và thời gian. Xét sự phân bố của mưa theo không gian ta thấy một trận mưa có thể bao trùm khắp cả lưu vực, hoặc một phần lưu vực. Mặt khác, cường độ mưa trong một khoảng thời gian ở nhiều nơi trên lưu vực cũng khác nhau. Khu vực có cường độ mưa lớn nhất gọi là trung tâm mưa, trung tâm mưa trong một trận mưa cũng không cố định mà luôn thay đổi. Ngay tại một vị trí lượng mưa cũng luôn thay đổi lúc to lúc nhỏ. Xét trong một thời gian dài, có thời kỳ mưa nhiều, có thời kỳ mưa ít. 2.4.1.2. Quá trình tổn thất: Nước mưa rơi xuống lưu vực không phải tất cả tham gia vào việc hình thành dòng chảy mà có một phần tổn thất do bốc hơi, một phần thấm xuông đất và bị giữ lại trong đất, một phần đọng lại trên lớp thực vật, các quá trình đó gọi chung là quá trình tổn thất trên lưu vực : 2-13 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. A X E B f B E Hình 2.15. Quá trình tổn thất trên lưu vực. Xét mặt cắt ngang lưu vực trong thời kỳ đầu của 1 trận mưa: - Một phần nhỏ nước mưa rơi trực tiếp xuống mặt sông và tham gia vào dòng chảy sông ngòi. - Phần lớn nước mưa rơi xuống đất. Nếu trên mặt đất có lớp phủ thực vật thì một phần nước rất nhỏ sẽ đọng lại trên lá cây, lượng này sau đó cũng mất đi do bốc hơi hoặc rơi xuống đất. Khi nước mưa rơi xuống mặt đất thì quá trình ngấm bắt đầu xảy ra. - Nếu cường độ mưa nhỏ hơn cường độ ngấm (E < f) thì tất cả nước mưa đều bị ngấm xuống đất, quá trình ngấm kéo dài suốt thời gian mưa và một thời gian ngắn sau khi tạnh mưa. Trong thời kỳ đầu, cường độ ngấm lớn, sau đó giảm dần rồi tiến tới ổn định. - Khi cường độ mưa E > f thì mặt đất còn lượng nước quá thấm. Lượng nước này sẽ chảy vào các chỗ trũng và tiếp tục bị mất đi do bốc hơi và ngấm. Sau khi mưa, lượng nước ở các chỗ trũng có thể tồn tại một thời gian mới ngấm và bốc hơi hết. 2.4.1.3. Quá trình chảy tràn trên sườn dốc. Quá trình này chỉ xảy ra sau khi đã xuất hiện lượng nước quá thấm cũng như nước đã tích tụ đầy các chỗ trũng. Nước sẽ chảy thành từng lớp trên mặt của lưu vực. Thời gian xuất hiện chảy tràn phụ thuộc vào địa chất từng nơi trên lưu vực, trong quá trình chảy tràn nước không ngừng bị tổn thất do ngấm và bốc hơi. Độ sâu của lớp nước chảy tràn dày hay mỏng, tốc độ chảy tràn mạnh hay yếu, hiện tượng chảy tràn duy trì lâu hay chóng được quyết định bằng cường độ mưa và cường độ ngấm, còn hiện tượng bốc hơi thì không đáng kể. 2.4.1.4. Quá trình tập trung dòng chảy trong sông. Nước sau quá trình chảy tràn trên sườn dốc, tập trung và chảy trong lòng sông cho đến cửa ra của lưu vực, giai đoạn này gọi là quá trình tập trung dòng chảy trong sông. Nói chung quãng đường của nước chảy trong sông khá dài, có thể đến hàng trăm, thậm chí tới hàng ngàn km. Các quá trình hình thành dòng chảy được trình bày ở trên trong thực tế không xảy ra một cách riêng rẽ, độc lập với nhau mà đan xen vào nhau với những mối quan hệ chặt chẽ. Vì vậy dòng chảy trong sông được xuất hiện một cách đa dạng, mang tính chất ngẫu nhiên. 2.4.2. Quá trình hình thành dòng chảy ngầm. 2-14 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. X I II IIITÇng kh«ng thÊm Hình 2.16. Quá trình hình thành dòng chảy ngầm. Nước mưa ngấm xuống đất, một phần bị giữ lại ở tầng mặt đất rồi dần dần bốc hơi qua đất hoặc qua thực vật, phần lớn sẽ tiếp tục bị ngấm xuống do tác dụng của trọng lực. Quá trình ngấm xuống sẽ tiếp tục cho tới lớp đất sát trên tầng đất không thấm. Tại lớp này, do khong thể tiếp tục ngấm xuống nên nước ngầm sẽ tích tụ lại thành lớp, ngấm theo chiều ngang đến chỗ trũng hơn và chảy vào sông. Những con sông lớn, lòng sông sâu, mực nước ngầm thường cao hơn đáy sông nên nước ngầm luôn chảy vào sông.Về mùa khô, nước ngầm là nguồn bổ sung nước chủ yếu cho các con sông lớn. Vì lượng nước ngầm trữ trong lưu vực rất lớn nên dòng chảy ngầm tương đối ổn định. Những con sông nhỏ, lòng sông nông, đáy sông thường cao hơn mực nước ngầm nên không được nước ngầm thường xuyên bổ sung. Sau khi mưa tạnh một thời gian, nước sông cạn đi rất nhanh và nếu gặp hạn có thể bị khô cạn. 2.5. Phân bố của nước trên trái đất và phương trình cân bằng nước. 2.5.1. Sự phân bố của nước trên trái đất. Theo quan điển thủy văn học, nước trên trái đất trong quá trình chuyển động của nó vào mỗi thời điểm có một vị trí nhất định, những vị trí ấy thuộc vào 1 trong 4 tầng sau: 2.5.1.1. Tầng không khí chứa hơi nước. Lượng nước tầng này có khoảng 12.300 km3 = 1/41 thể tích lượng nước rơi xuống quả đất trong 1 năm. 2.5.1.2. Tầng nước trên mặt đất. Thể tích khối nước này V = 751.210 km3, không kể lượng nước biển, đem phủ toàn bộ diện tích trái đất cho ta một lớp nước có độ sâu H = 5m. 2.5.1.3. Nước trong tầng đất ẩm. Tầng này ở trên mặt lớp nước ngầm, đất ở lớp này có nhiều lỗ rỗng chứa không khí nhưng bị nước lấp kín vì vậy gọi là tầng đất chứa không khí, sự nghiên cứu về tầng này còn ít. 2.5.1.4. Nước trong đất bão hoà nước. - Ở tầng đất này không có không khí tự do, nước trong tầng này khá lớn, nếu đem phủ lên trái đất sẽ được một lớp nước có độ sâu H = 160 – 180m. 2.5.2. Tuần hoàn của nước trong thiên nhiên. Trong thực tế, sự tuần hoàn của nước là một quá trình phức tạp, nó được thực hiện qua quá trình vận động của nước như sau : Nước rơi → nước ngầm → dòng chảy → bốc hơi Các nghiên cứu cho thấy, hàng năm tổng lượng nước mưa rơi xuống lục địa là khoảng 100.000 km3, trong đó hơi nước do biển bốc lên và mang vào lục địa là 30.000 km3, còn lại là lượng bốc hơi trên bề mặt lục địa. 2-15 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Quá trình tuần hoàn có thể biểu diễn như hình 2.17. Ym X Z Yn Zd X®B B §iÓm ph©n n−íc mÆt TÇng kh«ng thÊm Hình 2.17. Tuần hoàn nước trong tự nhiên. 2.5.3. Phương trình cân bằng nước trên toàn trái đất. Phương trình cân bằng nước thể hiện nguyên lý bảo toàn vật chất. Quan sát mực nước biển cho thấy rằng : trong một thời gian rất dài mực nước biển trung bình thay đổi không đáng kể, điều đó chứng minh rằng trong nước biển luôn luôn bốc hơi nhưng sự tổn thất ấy được đền bù bằng lượng nước mưa rơi xuống mặt biển, dòng mặt và dòng ngầm chảy ra biển. Lượng nước bốc hơi và lượng nước đền bù bằng nhau. Nếu gọi : XB – lượng nước mưa rơi bình quân xuống mặt biển; YB – lượng nước bình quân chảy ra biển do dòng mặt, dòng ngầm; ZB – lượng nước bốc hơi bình quân trên mặt biển. Có phương trình cân bằng nước trên biển : BBB YXZ += (2.21) Tương tự đối với lục địa : Zđ – lượng nước bốc hơi bình quân trên lục địa; Xđ - lượng nước mưa rơi bình quân trên lục địa; YB – lượng nước bình quân chảy ra biển (Ym + Yn). Có phương trình cân bằng nước trên lục địa : ddd YXZ −= (2.22) Kết hợp phương trình (2.21) và (2.22) : dBdB XXZZ +=+ (2.23) Nếu gọi : dB ZZZ += - tổng lượng nước bốc hơi; dB XXX += - tổng lượng nước mưa rơi. Suy ra : XZ = (2.24) (2.24) là phương trình cân bằng nước trên toàn trái đất. 2.5.4. Phương trình cân bằng nước trên một lưu vực 2-16 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. 2.5.4.1. Phương trình cân bằng nước trong một khu vực: Xét một khu vực bất kỳ, xây dựng một mặt trụ bao quanh chu vi của khu vực tới tận tầng đất không thấm. Z2 X Z1 W1 Y1 Y2 W2 U1 U2TÇng kh«ng thÊm Hình 2.18. Sơ đồ tính toán cân bằng nước trên lưu vực. Xét lượng nước đến và đi trong một khoảng thời gian nhất định. Lượng nước đến gồm có: - X : lượng nước mưa rơi bình quân xuống khu vực đang xét; - Y1 : lượng dòng chảy mặt chảy vào khu vực xét; - Z1 : lượng nước ngưng tụ từ khí quyển và đọng lại trong khu vực; - W1 : lượng dòng chảy ngầm chảy vào khu vực; Lượng nước đi ra khỏi khu vực gồm: - Y2 : dòng mặt chảy ra khỏi khu vực; - Z2 : lượng nước bốc hơi ra khỏi khu vực; - W2 : lượng dòng ngầm chảy đi. Ngoài ra có: - U1 : lượng trữ nước trong khu vực ở thời điểm đầu. - U2 : lượng trữ nước trong khu vực ở thời điểm cuối. Như vậy phương trình cân bằng nước của một khu vực bất kỳ trong một thời đoạn nào đó có dạng sau : 22221111 U W Y Z U W Y ZX +++=++++ (2.25) Tất cả các đại lượng trên đều có đơn vị là mm. 2.5.4.2. Phương trình cân bằng nước của một lưu vực. Trước hết xét phương trình cho một lưu vực kín. Lưu vực kín là lưu vực có đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm trùng nhau. Bởi vậy không có sự trao đổi nước với lưu vực bên cạnh. Trong trường hợp này không có dòng chảy đến (Y1 = 0, W1 = 0) và nước chảy ra cửa ra của lưu vực có thể viết: Y = Y2 + W2 Đặt: U2 – U1 = ± ∆U và Z2 – Z1 = Z 2-17 Chương 2: Đại cương về sông ngòi và sự hình thành dòng chảy sông ngòi. Phương trình (2.25) còn lại là : U Z Y X ∆±+= (2.26) Đối với lưu vực hở (đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm không trùng nhau) phương trình cân bằng nước có dạng : WU Z Y X ∆±∆±+= (2.27) Trong đó : ∆W = W2 – W1 2.5.4.3. Phương trình cân bằng nước của lưu vực trong nhiều năm. Quan trắc trong nhiều năm, nhận thấy lượng trữ nước biến hoá rất ít, khi n → ∞ thì ∆U → 0. Phương trình cân bằng nước của lưu vực kín trong nhiều năm sẽ là: 000 Z Y X += (2.28) Hoặc 000 - Z X Y = (2.29) Phương trình cân bằng nước trong nhiều năm của một lưu vực hở là: 0000 W Z X Y ∆±−= (2.30) Phương trình cân bằng nước là một công cụ cơ bản để tính toán dòng chảy, cho biết sự phân phối các thành phần nước, đánh giá tài nguyên của lưu vực. Trong hoàn cảnh nước ta, tài liệu thuỷ văn thiếu nhiều, có những lưu vực chỉ có tài liệu về lượng mưa, nếu ta đo được lượng bốc hơi Z0 qua một thời gian quan trắc, dựa vào các phương trình cân bằng nước ta có thể tính được lượng dòng chảy Y0. Bảng 2.1. Số liệu của phương trình cân bằng nước trong thời kỳ nhiều năm ở một số khu vực. Khu vực X0, mm Y0 , mm Z0 , mm Toàn trái đất 1055 0 1055 Toàn lãnh thổ Việt nam 1850 857 993 Lưu vực sông Hồng 1800 837 963 Lưu vực sông Cửu Long 1556 700 856 2-18