Chơng Phân tích quan hệ ma - dòng chảy ảnh: Các nhà bÃi bồi 2.1 Các quan hệ ma dòng chảy Khi cờng độ ma hay cờng độ tuyết tan lớn cờng độ thấm mặt đất nớc dần tích tụ vào vùng trũng đợc hình thành hình dạng bề mặt lu vực Sau nơi lu vực sinh dòng tràn hay chảy bề mặt Chúng nhanh chóng tập trung lại thành rÃnh nhỏ kênh, rÃnh hay kênh lại tập trung thành dòng chảy lớn (nh đà trình bày phần 1.6) Dòng chảy sát mặt dòng chảy biểu diẽn thành đờng trình lu lợng ma sinh Toàn dòng chảy đợc sinh từ lợng ma định lu vực đợc nhà thuỷ văn quan tâm, họ đà làm phân tích thông kê số liệu thuỷ văn nh; lợng ma, lợng bốc hơi, số liệu dòng chảy để phát triển quan hệ dự báo Các yếu tố nh ; lợng ma thời điểm trớc, loại đất, tham số thấm thay đổi theo 96 mùa dòng chảy gây nên quan hệ phức tạp Một số nhà nghiên cứu đà cố gắng tìm hiểu quan hệ ma- dòng chảy để áp dụng cho nhiều vùng, nhiều lu vực với đặc trng khác Tuy nhiên sử dụng phơng pháp phải ý thay đổi nhân tố ảnh hởng đến việc tính toán dòng chảy đà biết lợng m−a Kholer & Linsley (1951) ®· cho thÊy mèi quan hệ thời gian ma số giáng thuỷ trớc (API) Chỉ số đặc trng cho độ chứa nớc đất không ma Cơ quan bảo vệ tài nguyên đất (1964) đà tính u việt đờng cong quan hệ ma- dòng chảy Đờng cong bao gồm yếu tố diện tích đất, loại đất, tổn thất ban đầu dòng chảy trực tiếp (phần 2.4) Nhà địa lý ngời Mỹ Survey đà mở rộng phạm vi nghiên cứu thu thập số liệu đặc trng thuỷ văn theo giờ, ngày cho lu vực định để tạo quan hệ ma- dòng chảy theo năm Hàng năm quan hệ ma- dòng chảy thay đổi theo mùa phụ thuộc vào sức chứa khác, quan hƯ l−ỵng n−íc tỉn thÊt cã thĨ lÊy xÊp xØ theo suy giảm tuyến tính dòng chảy Những quan hệ ma- dòng chảy đơn giản thờng thờng đợc sử dụng kế hoạch nghiên cứu nguồn nớc nơi mực nớc cân Yêu cầu hiểu biết cách chi tiết cờng độ, thời gian phân bố lợng ma dòng chảy để phục vụ cho việc kiểm soát lũ nghiên cứu bÃi ngập, đặc biệt vùng đô thị Một só công thức ma dòng chảy đơn giản đợc gọi phơng pháp tỷ lệ Nó cho phép dự báo lu lợng cực đại Qp theo: Qp = CIA đây: C = hệ số dòng chảy phụ thuộc vào ®Êt sư dơng I = c−êng ®é m−a, coi thêi gian m−a = thêi gian tËp trung n−íc tc tc = thời gian lợng nớc vận chuyển từ điểm xa lu vực tới mặt cắt khống chế (phút, giờ) A = diện tích lu vực Phơng pháp tỷ lệ thờng đợc coi Kuichling (1889) Lloyd-Davies(1906), nhng Munvaney (1851) đà có báo tổng kết phơng pháp Island Cơ sở lý thuyết phơng pháp với giả thiết cờng độ ma đồng ổn định sinh dòng chảy lớn toàn thành phần lu vực sinh lợng dòng chảy thời gian tập trung nớc xảy Chơng (phần 6.4) chơng (phần 9.3) đà trình bày cách chi tiết sở lý thuyết ví dụ ứng dụng phơng pháp tỷ lệ Phơng pháp đà đợc mở rộng để tính toán cho khu vực có lợng ma không đồng diện tích lu vực thay đổi thông qua việc sử dụng phơng pháp thời giandiện tÝch §−êng cong quan hƯ thêi gian - diƯn tÝch cho biÕt sù ph©n bè thêi gian di chun tõ vùng khác lu vực (phần 2.2) phơng pháp tỷ lệ phần đầu định nghĩa đờng trình ma, phần sau thừa nhận để phát triển học thuyết đờng trình phù hợp hoá phơng pháp đờng trình thuỷ văn cho việc phân tích lợng ma lu vực phức tạp diện tích rộng 97 2.2 phân tích đờng trình thuỷ văn Hiện tợng dòng chảy mặt Hình 2.1 Sự phân bố lợng ma đồng Một đờng trình thuỷ văn biểu diễn liên tục quan hệ lu lợng - thời gian Nó kết tổng hợp điều kiện địa lý khí tợng lu vực phản ánh ảnh hởng tổng cộng nhân tố : khí hậu, tổn thất thuỷ văn, dòng chảy mặt, dòng sát mặt dòng ngầm Các nhân tố khí hậu ảnh hởng tới thể tích dòng chảy hình dạng đờng trình gồm: a) Cờng độ dạng trình ma, b) Sự phân bố lợng ma lu vực, c) Thời gian trận ma Các nhân tố địa lý tự nhiên quan trọng gồm: a) Kích thớc hình dạng vùng tiêu nớc b) Bản chất mạng lới sông c) Độ đốc đất kênh dẫn d) Kho chứa lu vực (Sherman 1932) Với lợng ma xác định, tổn thất thuỷ văn gồm: ngấm, lấp đầy kho nớc ngầm, sau sinh dòng chảy điền trũng di chuyển vào rÃnh nhỏ hay kênh nhỏ cuối dòng chảy tập trung thành dòng chảy lu vực Một lợng nớc ngấm vào đất di chuyển thẳng đứng lên tầng nớc xâm nhập vào dòng chảy gọi lợng nhập hay dòng chảy sát mặt Lợng giáng thuỷ bổ sung cho nớc mặt thấm xuống đất tạo 98 nên dòng chảy sở nớc bề mặt cắt dòng chảy kênh Đồ thị bao gồm nhánh lên, điểm cực đại nhánh xuống không đổi lợng ma liên tục với cờng độ không đổi, đến lu lợng đạt đến điểm cân bằng, lợng nhập lợng cân (hình 2.2) Điểm p cho biết thời gian mà lu lợng nhập vào đều, sinh dòng chảy tc, điều kiện lu lợng cân tự nhiên xảy ngoại trừ lu vực nhỏ cờng độ thời gian ma tự nhiên không đồng Hình 2.2 Biểu đồ thuỷ văn cân Hình 2.3 Quan hệ biểu đồ DRO 99 Dòng chảy sở lòng dẫn tự nhiên phân bố nớc ngầm nông thành phần đồ thị lu vực tự nhiên rộng lớn, dòng chảy chuẩn nhân tố quan trọng dòng chảy nã cã thĨ bÞ bá qua l−u vực nhỏ, lu vực đô thị, nơi mà dòng chảy tràn chủ yếu Dòng chảy sở đợc tách loại trừ toàn lợng ma để tính đồ thị dòng chảy trực tiếp (DRO), thể tích nớc dới đồ thị (DRO) phải tơng ứng với lợng ma hiệu lợng ma lại sau trừ lợng thấm lợng nớc tổn thất kho toàn lợng ma thu đợc (hình 2.3) Đồ thị DRO cho biết lợng ma hiệu lu vực tơng ứng với thời gian quan hệ thời gian cờng độ ma nh nhân tố địa lý tự nhiên Các thành phần đờng trình Một đồ thị đợc tạo nên từ thay đổi nhân tố nh dòng chảy tràn hay dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm hay dòng chảy sở dòng chảy sát mặt từ lợng nớc thấm lợng nớc vận chuyển theo phơng thẳng đứng xâm nhập vào dòng chảy tầng đất phía Các quan hệ thành phần đồ thị phụ thuộc vào cờng độ ma rơi (i) nh trữ lợng ẩm đất SDvs (hình 2.3) dung tích thấm F đợc xác định nh tổng lợng nớc đợc hình thành đất sau ma (Horton 1935) Không có dòng chảy tràn xảy i < f, dòng sát mặt dòng ngầm không, F < lợng ẩm tồn trừ nớc ngầm đến từ lợng trữ ngầm thời gian nhiều năm Trờng hợp mà i > f F> Sd ma lớn lúc dòng chảy trực tiếp, dòng ngầm, dòng sát mặt đợc sinh Lợng giáng thuỷ đóng góp phần, nhân tố không ảnh hởng lớn đến toàn dòng chảy Dòng chảy mặt nhân tố quan trọng trờng hợp xảy ma với cờng độ cao trình đô thị hoá chậm làm đỉnh đồ thị dẹt rút ngắn thời gian tới đỉnh Dòng chảy sát mặt yếu tố quan trọng ảnh hởng đến cờng độ ma thời đoạn lu vực trËn m−a, nã cã quan hƯ víi líp ®Êt máng nằm đá cứng lớp đất cứng Nếu nớc ngầm đổ vào sông suối suốt thời kỳ ma lớn, sông gọi sông cấp nớc Còn dòng chảy từ sông vào nớc ngầm nh trờng hợp mùa kiệt sông gọi sông nớc Trong thực tế, tổng dòng chảy phân chia thành hai phần: dòng chảy trực tiếp dòng chảy sở Nh hình 2.3, DRO bao gồm cảdòng chảy sát mặt, mà dòng chảy sở chủ yếu dòng chảy ngầm Đồ thị hình 2.3 bao gồm nhánh lên, đỉnh lũ, nhánh xuống chân lũ Độ dốc nhánh lên đợc xác định cờng độ ma điểm uốn nhánh xuống, thờng thời gian lợng nhập bề mặt dừng lại, lợng nớc ngầm lu vực bắt đầu cấp nớc cho sông suối Nhánh xuống phân chia dòng chảy Một vài chế tồn để phân chia DRO từ dòng chảy sở dựa vào phân tích đờng cong triết giảm nớc ngầm Trong số trờng hợp, đờng cong đợc mô tả phơng trình dạng tổng quát: qt = q0.e-kt 100 (2.1) q0 = lu lợng ban đầu qt = lu lợng thời điểm t k = hệ số giảm Hình 2.4 Phân chia dòng chảy chuẩn Những phơng trình dạng thờng đợc dùng việc thiết kế để nhận định mức độ tổn thất ban đầu Phơng trình 2.1 đợc biểu diễn dới dạng đờng thẳng lới logarit Sai số đờng cong đờng cong tổng hợp đợc biểu diễn loại giấy thể DRO Trong thực tế, dòng chảy sở giảm xuống đợc mở rộng xuống phía dới ®Ønh cđa ®−êng cong råi sau ®ã nèi c¸c ®iĨm cuối dòng chảy mặt (ABD hình 2.4) Những phơng pháp khác sử dụng cho phân chia dòng chảy sở bao gồm đờng thẳng đơn từ A tới D hình 2.4 Những phơng pháp có điểm bất lợi phụ thuộc vào tính chủ quan nên thờng không xác Sự phân chia dòng chảy sở mang tính kỹ tính khoa học Và nhiều trờng hợp đặc biệt cần ý nh lu vực đô thị , dòng chảy sở thờng không đợc ý không ảnh hởng lớn đến tổng lợng dòng chảy Trong tự nhiên, sông lớn, dòng chảy sở quan trọng phân bố lợng nớc dọc hai bờ sông Bất phơng pháp đợc chọn để phân chia dòng chảy sở, nhà thuỷ văn nên chuẩn hoá để đồ thị so sánh trận ma với trận ma khác, lu vực lu vực khác ma hiệu đờng trình Hiện tợng dòng chảy mặt đà đuợc xem xét phần 2.1 đà cho thấy phân 101 chia lợng ma cách rõ rệt thành thành phần nh: ngấm, nớc ngầm, điền trũng dòng chảy trực tiếp Ta viết phơng trình cân nớc Lợng ma tính toán = Điền trũng + Bốc + Ngấm + Dòng chảy mặt điền trũng bao gồm toàn dòng chảy mặt, thành phần quan trọng để xác định thời gian phân bố lợng ma tính toán lợng ma hiệu quả, dòng chảy trực tiếp + trữ lợng nớc lu vực khoảng thời gian dài Hình 2.5 Đờng cong tổn thất thấm Nhìn chung, phơng pháp đợc sử dụng để xác định lợng ma hiệu việc sử dụng lý thuyết ngấm Horton Green Ampt với lợng tổn thất ban đầu ngấm lấp đầy vũng bề mặt đất, phơng pháp số , tỷ lệ tổn thất không đổi suốt thời kỳ ma rơi Những phơng pháp đà đợc miêu tả chi tiết phần 1.5 phơng pháp đợc sử dụng mô hình HEC - (xem chơng 5), hàm giảm Mô hình cho thấy cờng độ ma tổn thất trớc theo quy luật hệ số tổn thất khó xác định phơng pháp số đơn giản hoá đợc sử dụng nhiều số liệu không nhiều cho phân bố thấm theo thời gian (hình 2.5) Chú ý số đợc sử dụng cho biết lợng tổn thất đầu thời đoạn ma nhiều cuối thời đoạn ma.Ví dụ 2.1 miêu tả trình tính lợng ma tính toán tổng lợng ma trình ví dụ 2.1 lợng ma hiệu Ma xuất nh đờng trình ma (cờng độ thời gian) hình E2.1a số cho trận ma 0.5 in/giờ, biểu diễn lợng ma hiệu đồ thị (lu lợng - thời gian)trong hình E2.1, xác định thể tích dòng chảy lu vực 102 giải Ban đầu vẽ đờng trình phân bố ma nh hình E2.1b sau đa vào đồ thị phía góc trái hình E2.1c, ý lợng ma thời điểm t = 4, t = lµ b»ng nh−ng thời gian ma xét Tổng lợng dòng chảy diện tích dới đồ thị, để xác định tổng lợng dòng chảy dùng tổng diện tích Q.dt, đồ thị cho thấy thể tích theo dạng cột nh hình E2.1b Hình E2.1a Hình E2.1b Hình E2.1c Hình E2.1d 103 Một số phơng pháp khác sử dụng đợc nh hình E2.1d nhng cần sử dụng lới phủ, máy đo diện tích để đo diện tích dới đờng cong phân bố tổng lợng dòng chảy phơng pháp toán học nh phép tính tích phân Simpson Lợng ma hiệu ban đầu đà xác định cho lu vực sau trở thành vấn đề trung tâm công trình thuỷ văn để biến đổi lợng ma hiệu thành dòng chảy trực tiếp bề mặt Biểu đồ thuỷ văn kết đợc xây dựng từ phân bố dòng tràn dòng chảy kênh đến từ thời gian khác điểm khác lu vực Tổng lợng nớc theo đờng trình hình cột hình E2.1d đà đợc tính toán bảng sau: Thời gian(giờ) Lu lợng trung bình (ft3/s) Thể tích (ft3/s.giờ) 0-2 100 200 2-4 300 600 4-6 500 1000 6-8 700 1400 8-10 650 1300 10-12 600 1200 12-14 500 1000 14-16 400 800 16-18 300 600 18-20 200 400 20-22 150 300 22-24 100 200 24-26 50 100 ∑ Q dt = 9100(ft / giê) = 9100 (ac − in ) Thời gian vận động dòng chảy tràn dòng chảy kênh phụ thuộc vào diện tích lu vực Thời gian vận chuyển dòng chảy tràn thờng có ý nghÜa mét l−u vùc nhá, cßn thêi gian di chuyển dòng chảy kênh lại có ý nghĩa lu vực lớn Cách tốt để tìm đợc lợng ma hiệu tạo đồ thị nh nào? Dựa vào định nghĩa đồ thị thống kê thời gian diện tích cho thấy phơng pháp giả thiết đờng trình lợng tháo lợng nớc mà dòng chảy đa ngoài, không xét đến lợng trữ nớc lu vực Nếu lợng ma dồng đợc phân bố toàn lu vực, nớc ban đầu chảy từ vùng gần tới cửa theo thời gian diện tích tăng lên, ví dụ, hình 2.6, vùng A1 chảy mặt cắt khống chế sau đến mặt cắt A2, A3, A4 Ta cã thĨ diƠn gi¶i nh− sau; Qn= Ri A1 + Ri-1 A2 + +R1 Aj đây: Qn = tung độ đồ thị thời điểm n (ft3/s) Ri = tung độ lợng ma hiệu thời điểm i (ft/s) Aj = tung ®é ®−êng cong thêi gian - diện tích thời điểm j (ft2) 104 (2.2) Hình 2.6 Phơng pháp thời gian diện tích Chú ý tung độ đờng trình đo ma không trùng với tung độ đờng trình thống kê dòng ch¶y sinh tõ thêi kú m−a R1 ë vïng A3, R2 – A2, R3 – A1 §Õn cưa thời điểm tạo lu lợng Q3 Toàn đờng cong đợc thiết lập giá trị Qi đờng cong cho thấy tính u việt tợng dòng chảy mặt Nhng tính hợp lý hạn chế xây dựng đờng đẳng trị khó khăn đờng cong phải phát triển mở rộng vùng lân cận để thấy ảnh hởng lợng trữ nớc l−u vùc (xem vÝ dơ 2.2) Mét kh¸i niƯm truyền thống thực tế lý thuyết đờng cong đơn vị đợc xem nh vấn đề quan trọng thuỷ văn liên quan đến dự báo dòng chảy mặt Học thuyết đà kết hợp phơng pháp thấm dòng chảy lũ kênh nh hồ chứa đủ để đa thay đổi đầu vào ma lợng trữ 105 Sierra Nevađa vùng Cacade thuộc miền tây nớc Mỹ Lợng tuyết đo đạc đợc phải sử dụng dụng cụ chuyên dùng, dụng cụ đo ma, cọc tuyết băng tuyết đợc tích luỹ suất thời kỳ tuyết rơi Nghiên cứu tuyết rơi nơi cần thiết để biết đợc lợng tuyết chìm hay Trung tâm bảo vệ tài nguyên đất đà tính toán lợng tuyết rơi nhiều nơi thuộc phía Tây nớc Mỹ Tuyết nhân tố sinh dòng chảy, miền Tây nớc Mỹ nhng phần lớn dòng chảy mìên Đông Bắc miền Tây có nguồn gốc từ tuyết Do kho chứa tan băng tuyết đóng vai trò quan trọng chu trình thuỷ văn số nơi, nhà thuỷ văn phải có khả dự báo phân bố lợng băng tuyết toàn dòng chảy Bởi băng tuyết bắt đầu tan vào mùa xuân tạo nên dòng chảy lớn Hệ thống kiểm soát nh sức chứa hồ chứa đà đợc áp dụng vài nơi để cung cấp nớc Dới điều kiện định băng tuyết liên quan đến vấn đề lũ, vùng núi Đặc trng vật lý băng tuyết Năng lợng biến đổi băng tuyết, khí trái đất nhân tố tác động đến tỷ lệ băng tuyết Các nhân tố địa hình, địa lý, mặt đệm quan träng Khi tuyÕt r¬i xuèng mét thêi kú, mËt độ tăng lên với lợng băng tuyết lắng xuống nén lại Khi tuyết rơi mật độ khoảng 10% dạng lỏng, nhng mật độ tăng lên 50% loại khác Tuy nhiên để tuyết vào bàn tay độ sâu 1/10 độ sâu băng tuyết Tuyết già giữ lại toàn lợng chất lỏng chống lại ảnh hởng trọng lực Tuy nhiên nhiệt độ tăng lên làm tuyết tan sinh dòng chảy Sức nóng tăng lên tác động vào nhiệt độ đóng băng tuyết Tuyết tan bốc hai chu trình nhiệt động lực học nghiên cứu với lợng đạt đến độ cân Năng lợng cho tuyết tan đợc chuyển từ : 1) Năng lợng xạ mặt trời, 2) Sự thay đổi lợng sóng dài, 3) Sự dẫn nhiệt trao đổi nhiệt sức nóng từ không khí, 4) Sự ngng tụ nớc không khí, 5) Khả vận chuyển từ đất, 6) Sức nóng cung cấp ma rơi Sức nóng thay đổi bề mặt không khí băng tuyết ảnh hởng đến trình tuyết tan sức nóng thay đổi theo loại đất điều kiện ảnh hởng quan trọng thứ hai Hình 2.19 cho biết loại lợng dự trữ tuyết tan hàng ngày Cho gam nớc đà tan từ băng 00C, (320F), 80 cal/g sức nóng đà cung cấp Tuy mật độ nớc 1g/cm, 80cal làm tan 80 cm3 (nớc cân bằng) tuyết Thêm vµo 80 cal/cm3 = 80 cal/cm2.cm = 80 ly/cm, ë ly biểu thị cal/cm2 cờng độ xạ Tuy nhiên, 80ly cần thiết để làm tan cm tuyết, 2.54 * 80= 203.2 ly/in.lợng tuyết (cân nớc) Nớc đóng băng lại với nhiệt độ lạnh dần hình thành từ băng tuyết đất, dòng chảy, từ nớc ngầm Tính toán tuyết tan khó khăn thay đổi xạ mặt trời chiếu xuống mặt ®Êt, vµ sù thay ®ỉi cđa hƯ sè Albedo - hệ số phản chiếu Mặc dù 5- 10 % xạ sóng 148 ngắn bị phản chiếu mặt nớc, đến 83% bị ảnh hởng bề mặt tuyết khô Khi tuyết già hệ số Albedo nã cã thĨ thÊp h¬n 50% kÕt cÊu thay đổi, xạ sóng ngắn xâm nhập thay đổi theo độ sâu, mật độ tuyết Phát xạ tuyết giống nh hộp đen, phát xạ sóng dài 00C tơng đơng với 8.4 cm (3.3 in) tan thêi gian mét ngµy Do tia phát xạ từ khí vào trái đất xạ sóng dài giảm khoảng cm(0.8 in) tuyết tan ngày dới lợng mặt trời gần nhiệt độ đóng băng Sức nóng trao đổi khối băng tuyết khí đợc tác động trình trao đổi, dẫn nhiệt, ngng tụ bốc (Anderson 1976, Cục công binh Mỹ 1956) Tốc độ gió nhiệt độ không khí hai nhân tố quan trọng ảnh hởng đến mật độ tut míi Tû lƯ nhiƯt vËn chun (dÉn nhiƯt ) tỷ lệ khác nhiệt độ không khí Ta nhiệt độ băng tuyết Ts, vận tốc gÝo v Sù ng−ng tơ, tan lµ tû lƯ áp suất nớc bề mặt tuyết, khí tốc độ gió Nhiệt vận chuyển từ đất tới khối băng tuyết nhỏ ngày nhng tích luỹ để làm tan vài cm mùa Năng lợng cha đủ để giữ lại độ ẩm cho đất tạo tác động mạnh đến dòng chảy trình có trình tuyết, băng tan xảy Hình 2.18 Tuyết rơi tự nhiên nớc Mỹ (số liệu Trung tâm Môi trờng cung cấp) Nhiệt dộ giọt nớc ma giảm dần tiếp xúc với khối băng tổng sức nóng trao đổi với tuyết dựa vào nhiệt độ bề mặt ớt phồng Cho ví dụ lợng nhiệt thay đổi 10mm lợng ma 100C làm tan khoảng 1,2 cm 149 nớc từ khối băng Nhiều lòng chảo có đờng bao quanh cao, ë phÝa d−íi cđa khèi tut bao phđ (dßng tuyết) bị áp lực di chuyển lên phía xuống dới sờn dốc Khi trình tuyết tan, lợng tuyết di chuyển nhanh xuống phía có độ dốc thấp, với tỷ lệ tuyết tan giảm theo độ cao Cho nhiệt độ không khí trạm, đờng phân lu lu vực, độ cao trung bình dòng tuyết, ta tính đợc diện tích tuyết tan dựa vào tỷ lệ thay đổi nhiệt độ không khí theo độ cao khoảng 10C/ 100m (50F/1000ft) giảm theo độ cao Hình 2.19 Các loại lợng ngày Năng lợng dự trữ băng tuyết Năng lợng dự trữ khối băng đựơc biết thành phần lợng hỗn hợp từ khối băng, với tỷ lệ đơn vị đơn vị diện tích 150 dơn vị thời gian Đơn vị thích hợp cal/cm2-ngày, ly/ngày Trong thành phần lợng dự trữ thành phần biến đổi dễ dàng H = QN + Qg +Qc + Qe + Qp (2.51) H = lợng nhiệt băng tuyết thay đổi QN = Hiệu lợng sóng ngắn sóng dài Qg = Lợng nhiệt vận chuyển từ đất vào khối băng Qc = Lợng nhiệt trao đổi không khí khối băng Qe = Lợng nhiệt phát trình bốc trình ngng tụ nớc thành băng Qp = Sự thay đổi lợng nhiệt ma Nếu thay đổi kho chứa có thể, làm cho tuyết già gây tợng tuyết tan Các thành phần cụ thể không đợc đề cập đây, nhiên tính toán hiệu xạ sóng ngắn sóng dài đựơc trình bày chi tiết phụ lục D.1 Trao đổi nhiệt làm tan ngng tụ hai trình phức tạp;lợng nhiệt hỗn hợp tỷ lệ gradient nhiệt độ không khí trớc Các hệ số vận chuyển hệ số khuếch tán hàm theo vận tốc gió độ nhám bề mặt; Eagleson (1970) tổng hợp phơng trình đà xây dựng từ tập số liệu tõ Serria Nevada ë California cđa c¸c kü s− ng−êi Mỹ(1956) Lợng nhiệt di chuyển tới từ lòng đất thờng không đợc ý đến, lợng nhiệt di chuyển tới từ lòng đất nhiệt độ khối băng mặt đất biết Lợng nhiệt chuyển từ nớc ma vào khối băng tỷ lệ nhiệt độ nớc ma (coi nhiệt độ ẩm chỗ phồng ra) nhiệt độ tuyết Giả sử tuyết đà già, tổng lợng tuyết tan từ giá trị H là; M = H/80 cm/ngày M = h/203.2 in/ngày Phơng pháp lợng dự trữ phơng pháp tốt cho việc dự báo tuyết tan toàn thành phần đà đợc xác định Trung tâm Thời tiết Quốc gia (Anderson 1973,1976) đà phát triển mô hình cho việc dự báo dòng chảy Không may mắn số thành phần lợng dự trữ tính đợc, làm cho việc sử dụng trở nên đơn giản nhng không xác; phơng pháp độ - ngày chủ yếu dựa vào số liệu nhiệt độ Các phơng trình số tuyết tan - độ - ngày nhiệt độ Các phơng trình tuyết tan theo độ - ngày số nhiệt độ đợc xây dựng từ phơng trình tuyến tính dự trữ lợng (Huber 1981) Tuyết tan hàng ngày đợc giả sử tỷ lệ với nhiệt độ trung bình ngày nhiệt độ chuẩn: M = Df(Ta Tb) (2.53) đây: M = ®é tan hµng ngµy (in/ngµy, cm/ngµy) Ta = nhiƯt ®é không khí trung bình ngày 0C , 0F) Tb = nhiệt độ chuẩn tan băng (0C, 0F) Df = nhân tố độ- ngày (in/ngày, cm/ngày) 151 Các hệ số kinh nghiệm độ - ngày khoảng từ 0.05 đến 0.15 in/ngày- 0F (0.2 - 0.7 in/ngày - 0C) Phơng trình 2.53 phơng trình đơn giản, Cục công binh Mỹ đà biểu diễn kết hình 2.20 Nhiệt ®é chn tut tan cã thĨ nhá h¬n nhiƯt ®é đóng băng từ phơng trình 2.53 cho thấy tuyến tính điều kịên xem xét băng Các phơng trình hình 2.20 nên sử dụng Ta< 340F Các phơng trình độ - ngày đợc tạo phức tạp có nhân tố nh lợng ma, gió, xạ nhân tố khác hệ số Viessman (1977) đà tổng hợp phơng trình ban đầu công thức kinh nghiệm Cục công binh Mỹ (1956) Tuy nhiên số trờng hợp số liệu thay đổi dự án tốt đợc tạo với phơng pháp lợng dự trữ đầy đủ Hình 2.20 Các phơng trình kinh nghiệm độ - ngày (Cục Công binh Mỹ 1956) Chú ý : Phơng trình áp dụng cho vùng có nhiệt độ nh đờng trình Tính toán dòng chảy từ tuyết tan Học thuyết đờng cong dòng chảy đợc kết hợp với lợng tuyết tan kể số liệu ngắn vài ngày, hay số liệu mùa Dự báo hạn ngắn sử dụng cho việc thiết kế hồ chứa, điều khiển lũ diễn toán lũ Để dự báo cho vài ngày cần số liệu băng tuyết dòng chảy, dự báo dài điều kiện dự báo đặc trng khí tợng Loại số liệu đợc sử dụng việc tính toán dòng chảy sinh từ băng tuyết nh hình 2.21 Tuyết tan xảy số phần lu vực đợc bao phủ bëi tut vµ u tè quan träng lµ tû lƯ tuyết tan giảm theo độ cao, lên cao nhiệt độ giảm Các nhân tố ảnh hởng đợc xem xét việc phân chia lu vực thành lu vực nhỏ, giả thiết rằng; độ sâu tuyết, lợng tuyết tổn thất phần lu vực đồng Trong trờng hợp cụ thể, tuyết tan đợc xác định phơng pháp số đà trình bày phần trớc Các phơng pháp đợc sử dụng việc nghiên cứu lũ, lợng nhập lu ban đầu đà đợc tính toán 152 Hình 2.21 Đờng trình số liệu khí tợng tính lợng nớc sinh (Cục công binh Mỹ 1956) Các chế hoạt động bể chứa đợc sử dụng để điều tiết thành phần nớc mặt, với thời gian đơng đơn vị khác phơng pháp tính toán kho chứa đợc trình bày chi tiết chơng 153 kết luận Chơng trình bày chi tiết sở phân tích quan hệ ma - dòng chảy, vấn đề trung tâm kỹ s thuỷ văn Tính lợng ma hiệu phải tính đến trình tổn thất nh: thấm, bốc hơi, lợng trữ, tơng ứng với dòng chảy mặt trực tiếp Học thuyết đờng cong đơn vị cho phép biến lợng ma hiệu thành đờng trình dòng chảy cho lu vực dựa vào phép cộng dồn làm trễ đợc gọi kết hợp đờng trình Đờng cong đơn vị đợc xây dựng in dòng chảy trực tiếp đợc sinh lợng ma rơi đồng lu vực thời gian định Các đờng cong đơn vị đợc biến đổi từ số liệu đo ma lu vực Phơng pháp đờng cong S giúp cho đờng cong đơn vị thời gian chuyển thành thời gian khác lu vực phơng pháp tổn thất cho phép xây dựng đờng cong đơn vị từ trận ma có thời kỳ dài Học thuyết đờng cong đơn vị trình bày công thức lý luận công thức kinh nghiệm mà áp dụng cho lu vực số liệu đo đạc Phơng pháp Sneyder (1938) phơng pháp đợc sử dụng dạng biến dổi nh ngày công thức lý luận đờng cong đơn vị chủ yếu phụ thuộc vào tham số nh: thời gian tới đỉnh hay thời gian trễ (tp) đợc tính toán độ dài kênh, độ dốc, diện tích lu vực hình dạng lu vực Thành phần quan hệ thứ quan hệ lu lợng lớn diện tích lu vực hay Các đờng cong đơn vị thờng bị ảnh hởng việc đô thị hoá, phát triển nông nghiệp hay kênh mơng hoá đồng ruộng Các mô hình nhận thức đợc phát triển vào cuối năm 1950 cố gắng ®Ĩ thiÕt lËp mét c¬ së lý thut cho ®−êng cong đơn vị Các mô hình tuyến tính dựa vào chuỗi bể chứa bậc thang đợc sử dụng để mô tả lại lu vực tơng ứng Phơng pháp sóng động lực phát triển vào năm 1960 đờng trình dòng chảy tràn đờng trình cho kênh thông qua việc giải phơng trình liên tục phơng trình Manning cho khu vực định Phơng pháp sóng động lực trở nên hữu ích việc sử dụng phơng pháp số chủ yếu mô hình máy tính nh HEC-1 Cục công binh Mỹ thuộc Trung tâm Thuỷ văn công trình (1981) Phần sau chơng trình bày học thuyết tuyết rơi tuyết tan mèi quan hƯ cđa nã víi c¬ chÕ m−a - dòng chảy Đặc tính tuyết tan bao phủ toàn phơng trình kinh nghiệm độ- ngày đợc trình bày sử dụng để xác định tû lƯ tut tan theo in.ngµy, cm/ngµy nh− lµ mét hàm nhiệt độ không khí hệ số tan Tuyết tan nhân tố quan trọng ảnh hởng đến dòng chảy lũ xác định lợng nớc cung cấp 154 Bài tập 2.1 a) Giải thích khái niệm phơng pháp thời gian - diện tích? b) Các nhân tố đặc trng ảnh hởng đến hình dạng, thời gian đờng cong đơn vị gì? c)Làm lại ví dụ 2.2 với cờng độ ma 1/3 in/giờ 2.2 Xác định đờng trình ma từ lợng ma thành phần hình P2.2a sử dụng đờng trình đơn vị đà cho hình P2.2b Hình P2.2a Hình P2.2b 2.3 a) Cho đờng trình hình tam gi¸c víi TB = 12 giê, TR = giê, QP = ft3/s TB = thời gian sở đờng trình đơn vị TR = thời gian nhánh lên QP = lu lợng lớn xây dựng đờng cong S cho lu vực b) Xây dựng đờng cong đơn vị 1-giờ từ bảng tính toán đờng cong S với (nó cần thiết để làm trơn đờng cong) t = 2.4 Một lu vực có tham số đợc cho dới Tìm lu lợng lớn QP, thời gian trễ thời gian chuẩn đờng cong đơn vị TB sử dụng phơng pháp Sneyder A = 150mi2 Ct = 1.70 L = 27mi Lca=15mi Cp = 0.7 2.5 Mét b¶n vÏ cđa l−u vùc Buffalo Creek nh− h×nh P2.5 Chia thành diện tích A diện tích B theo hình dạng, độ dốc, diện tích, chiều dài kênh đờng cong đơn vị đà cho với điều kiện hai vùng đô thị hoá hoàn toàn a) Giả sử hai vùng có điều kiện nh nhau, giá trị lợng thoát lớn điểm thứ nÕu m−a r¬i hai giê víi tû lƯ 2.5 in/giờ giả sử toàn lợng thấm 155 in b) Giả sử vùng B đà đô thị hoá hoàn toàn, vùng A có điều kiện Xác định đờng trình lợng thoát điểm thứ nh lợng ma rơi in/giờ ma c) Có đờng trình dòng thoát lu vực Buffalo Creek đà đô thị hoá hoàn toàn lợng ma đà cho nh phần b Hình P2.5 2.6 Mét l−u vùc xÊp xØ 43 mi2 vµ cã quan hệ thời gian-diện tích lu vực lân cận mặt cắt cửa Thời gian Phạm vi (giờ) (mi2) Lợng ma ngày Thời gian (giờ) Lợng ma(in/giờ) 9.5 0.6 6.7 0.9 5.2 1.0 8.0 1.2 6.6 0.7 7.0 0.4 0.2 Dựa vào số liệu đo ma để tạo đờng trình dòng thoát sử dụng phơng pháp thời gian - diện tích 2.7.Cho đờng trình ma lợng ma nh hình P2.7 bảng số liệu ghi lại từ trận ma Giả sử không tổn thất yêu cầu xác định: a) đờng trình đơn vị 1giờ b) đờng cong S c) đờng trình đơn vị 30 phút Thời gian (giờ) 156 Q(m3/s) 7.5 22.5 48.8 78.8 75.0 48.8 26.3 7.5 Hình P2.7 2.8 UGS đà ghi lại trận ma vào 15/6/1976 số liệu đợc cho vào hình P2.8 trang 161 với điểm chấm đen đờng cong lợng ma đờng cong dòng chảy tích luỹ tơng đơng diện tích lu vực 88.4 mi2 a) Xác định cờng độ thời gian lợng ma gần nh đồng dạng b) Thời gian tới đỉnh trận ma c) Tìm số cho trận ma coi lợng ma xấp xỉ lợng dòng chảy Hình P2.8 2.9 Số liệu ma hình P2.9 đợc USGS ghi lại trận ma Hummingbird 1/9/1979 Các điểm chấm đen đờng cong lợng ma đờng cong dòng chảy tích luỹ xÊp xØ diƯn tÝch l−u vùc lµ 0.32 mi2 a) Xác định thời gian cờng độ lợng ma b) Thời gian tới đỉnh trận ma c) Tìm số cho trận ma dựa vào xấp xỉ hoá lợng ma dòng chảy d) Xây dựng đờng cong đơn vị cho lu vực sử dụng thời gian phần a 157 Hình P2.9 2.10 Một lu vực có đặc trng sau A = 2600 ac L = mi S = 53 ft/mi I = 40 % dòng chảy nét đứt a) Sử dụng phơng trình Espey-Winslow xác định đờng trình đơn vị tam giác (tp Qp) b) Sử dụng phơng trình phơng pháp chuyên dụng để xác định đờng trình đơn vị 10 phút (TR,TB,Qp,W50,W75) Minh hoạ đồ thị 2.11 Cho lu vực nh phần 2.10 khu vực tính với 1/4 ac Đất thuộc nhóm B Xác định đờng trình đơn vị lu vực với thời gian ma sử dụng phơng pháp SCS Giả thiết độ dốc trung bình lu vực độ dốc kênh Hình P2.12 2.12 Sử dụng quan hệ thu đợc từ phơng trình (2.3), xây dựng đờng trình dòng chảy từ ma cho trËn m−a thĨ nh− h×nh P2.12 sư dơng biểu đồ đơn vị: Thời gian (giờ) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 U (m3/s) 158 0 30 80 50 30 15 2.13 Sư dơng ng«n ngữ lập trình FORTRAN (phụ lục E) xây dựng đờng trình S cho biểu đồ sau a) D = 30 Thêi gian (giê) 0.5 1.5 2.5 3.5 U(m3/s) 30 80 50 30 15 b) D = giê Thêi gian (giê) U(m /s) 12 15 18 21 24 27 30 33 175 200 150 100 75 50 40 20 10 c) D = giê Thêi gian (giê) 12 18 24 30 36 42 48 U(m3/s) 80 260 240 110 75 50 10 2.14 Sư dơng c¬ së đờng trình S (phụ lục E) để xây dựng a) Đờng trình đơn vị từ đờng trình đơn vị 2.13 (b) b) Đờng trình đơn vị từ đờng trình đơn vị 1.23 (c) 2.15 Sư dơng c¬ së lý thut céng thêi gian trễ (phụ lục E) làm lại 2.2 so sánh kết 2.16 Làm lại ví dụ 2.8 b dựa vào cách tính theo bảng lấy CN = 80 2.17 Kh¸i qu¸t ho¸ mét l−u vùc theo chuỗi n bể chứa tuyến tính , với kho chứa hệ số k, với lu lợng đỉnh tức thời đờng trình là: u(t)max = 1/(k(n-1)!) * e(1-n) * (n-1)(n-1) 2.18 Biểu đồ đơn vị đợc cho theo bảng dới HÃy xác định lợng ma lu vực Nếu nh thấm không đổi 0.4 inch/ giờ, tính toán diện tích lu vùc Thêi gian (giê) Lng m−a (in) 0.8 1.3 1.6 0.6 Đờng trình đơn vị 20 80 180 130 90 45 2.19 Cho biểu đồ đơn vị dới đây, Tính biểu đồ đơn vị Sau tính ngợc trở lại tìm biểu đồ đơn vị để chứng minh kết tính toán xác Vẽ đồ thị cho biểu đồ đơn vị trªn cïng mét thêi gian Thêi gian (giê) L−u l−ỵng (m /s) 10 11 12 13 33 100 200 400 500 433 367 300 233 167 100 33 2.20 Làm lại ví dụ 2.4 sử dụng bảng tính 2.21 Làm lại ví dụ 2.10 (chỉ phần b) sử dụng tham số lu vực đà cho đờng trình thấm Hoston với k = 0.17, fc = 0.1 inch/giê, vµ f0= 0.45 inch/giê, Sư dơng khoảng tính 0.5 2.22 Sử dụng lợng ma phần 2.7 đờng trình thấm Horton với hệ số k = 0.7 cm/giờ, xác định vẽ đồ thị lợng ma hiệu đà xảy Giả thiết kho chứa ngầm lu vực 0.5 cm, tính toán lọng ma hiệu khoảng cách trung bình nửa giờ, dựa vào để làm ví dụ 6.1 159 Tài liệu tham khảo Anderson, F A., 1973, “National Weather Service River Forecast System: Snow Accumulation and Ablation Model,” NOAA Tech Memo NWS HYDRO-17,U.S Dept of Commerce, Washington,D.C Anderson, F A., 1976, A Point Enetgv and Mass Balance of a SnowCover, NOAA Tech Rept NWS 19, U.S Dept of Commerce, Washington, D.C Capece, J C., K L Campbell, and L B Baldwin, 1984, “Estimating Runoff Peak Rates and Volumes from Flat, High-Water-Table Watersheds,” Paper no 84-2020, ASAE, St Joseph, Missouri Chow, V T (editor), 1964, Handbook of Applied Hydrology, McGraw-Hill Book Company, New York Clark, C 0., 1945, “Storage and the Unit Hydrograph,” ASCE Trans., vol 110, pp 1419—1446 Diskin, M H., 1964 A Basic Study of the Linearity of the Rainfall Runoff Process in Watersheds, Ph.D Thesis, University of Illinois, Urbana Dooge, J C I., 1959, “A General Theory of the Unit Hydrograph,” Geophys Res., vol 64, no.2, pp 241—256 Dooge, J C I., 1973, Linear Theory of Hydrologic Svst ems, Agr Res Ser Tech Bull No 1468, United States Department of Agriculture,Washington, D.C Eagleson, P S., 1962, “Unit Hydrographs for Sewered Areas,” Proc.ASCE, J Hvd Div., vol 88, no HY2, pp 1—25 10 Eagleson, P 5., New York 1970, Dynamic Hydrology, McGraw-Hill BookCompany, 11 Espey, W H., Jr., D G Altman, and C B Graves, 1977, Nomographs for Ten-Minute Unit Hydrographs for Small Urban Watersheds, ASCE Urban Water Resources Research Program, Tech.Memo 32 (NTIS PB-282 158), ASCE, New York 12 Espey, W H., Jr., and D E Winslow, 1968, The Effects of Urbanization on Unit Hydrographs for Small Watersheds, Houston, Texas,TRACOR for the Office of Water Resources Research, U.S Department of the Interior, Austin, Texas 13 Gray, D M., 1962, Derivation of Hydrographs for Small J’Vatershedsfrom Measurable Physical Characteristics, Iowa State University,Agr and Home Econ Expt Sta Res Bull 506, pp 14 - 570 14 Henderson, F M., and F A Wooding, 1964, “Overland Flow and Groundwater Flow from Steady Rainfall of Finite Duration, J Geophi’s Res., vol 69, no 8, pp 1531—1539 15 Horton, R F., 1935, Surface Runoff Phenomena, Edwards Brothers, Inc., Ann Arbor, Michigan 16 Huber, W C., J P Heaney, S J Nix, R F Dickinson, and D J Polmann, 1981, Storm Water Management Model User’s Manual,Iersion III, EPA160 600/2-84- 09a (NTIS PB84- 198423), EPA, Athens, Georgia 17 Hydrologic Engineering Center, 1981, HEC-1 Flood Hydrograph Package: User’s Manual and Programmer’s Manual, updated 1987, U.S Army Corps of Engineers, Davis, California 18 Johnstone, D., and W P Cross, 1949, Elements of~4pplied IJi drologi , Ronald Press Company, New York 19 Kohler, M A., and R K Linsley, Jr., 95 1, Predicting the Runoff from Storm Rain fall, U.S Weather Bureau, Research Paper 34 20 Kuichling, E., 1889, “The Relation Between the Rainfall and the Discharge of Sewers in Populous Districts,” ~1SCE Trans., vol 20 pp 1—56 21 Lighthill, M J., and G B Whitham, 1955 “on Kinematic Waves, Part I: Flood Movement in Long Rivers,” Roy Soc (London,) Proc.,ser.A,vol 229, no ll78,pp.281—316 22 Lloyd-Davies, D E., 1906, “The Elimination of Storm Water from Sewerage Systems,” Inst Civ Eng Proc., vol 164, pp 41 —67 23 Mulvaney, T J., 185 1, “On the Use of Self-Registering Rain and Flood Gauges,” Inst Civ Eng (Ireland) Trans., vol 4, no pp —8 24 Nash, J F., 1958, “The Form of the Instantaneous Unit Hydrograph,” General Assembli’ of Toronto, Internatl Sci Ilvdrol (Gentbrugge) Pith 42, Compt Rend 3, pp 114—118 25 Nash, J F., 1959, “Systematic Determination of Unit Hydrograph Parameters,” J Geoph vs Res., vol 64, no 1, pp 111 11 — 26 Newton, D W., and J W Vineyard, 1967, “Computer-Determined Unit Hydrograph from Hoods,” Proc ASCE, J Hyd Div., vol 93, no HY5, pp 19—236 27 O’Kelly, J J., 1955, “The Employment of Unit-Hydrographs to Determine the Flows of Irish Arterial Drainage Channels,” Inst.Civ Eng (Ireland) Proc., vol 4, no 3, pp 365—4 12 28 Overton, D F., and M F Meadows, 1976, Storm water Modeling, Academic Press, New York 29 Raudkivi, A J., 1979, Hydrology, Pergamon Press, Elmsford, New York 30 Sherman, L K., 1932, “Streamflow from Rainfall by the Unit-Graph Method,” Eng News-R cc., vol 108, pp 501—505 31 Smith, D P., Jr., and P B Bedient, 1980, “Detention Storage for Urban flood Control,” J Water Res Plan., Man Div., ASCE, vol 106, no WR2, pp 413—425 32 Snyder, F F., 1938, “Synthetic Unit Graphs,” Trans AGU, vol 19, pp 447—454 33 Snyder, W M., 1955, “Hydrograph Analysis by the Method of Least Squares,” ASCE, J Hvd Div., vol 81, pp 1—25 34 Soil Conservation Service, 1957, Use of Storm and Watershed Characteristics in Synthetic Hydrograph Analysis and Application, U.S Department of Agriculture, Washington, D.C 161 35 Soil Conservation Service, 1964, SCS National Engineering Handbook, Section 4: Hydrology, updated 1972, U.S Department of Agriculture, Washington, D.C 36 Soil Conservation Service, 1986, Urban Hydrology for Small Watersheds, 2nd ed., Tech Release No 55 (NTIS PB87-101580), U.S Department of Agriculture, Washington, D.C 37 Tauxe, G W., 1978, “S-Hydrographs and Change of Unit Hydrograph Duration,” ASCE Tech Notes, J Hyd Div., vol 104, no HY3, pp 439— 444 38 Taylor, A B., and H F Schwartz, 1952, “Unit Hydrograph Lag and Peak flow Related to Basin Characteristics,” Trans Am Geophys Union., vol 33 39 United States Army Corps of Engineers, North Pacific Division, 1956, Snow Hydrology, Portland, Oregon 40 Viessman, W., G L Lewis, and J W Knapp, 1989, Introduction to Hydrology, 3rd ed., Harper & Row, New York 41 Wooding, R A., 1965, “A Hydraulic Model for the Catchment Stream Problem, Part I: Kinematic Wave Theory,” J Hydrol., vol.3, pp 254—267 162 ... Var(t) = E(t 2 )- [E(t) ]2 = ∫u(t)t dt – (nK) = K2n(n+ 1) – n2K2 = K2n (2 .4 3) Tuy nhiªn giá trị n K mô hình Nash(195 9) đợc tính từ phơng pháp moment chơng n =(? ?’1Q - µ’1i) )2 / (? ?2Q - µ2i) (2 .4 4) K... Thêi gian Un (gi? ?) (ft /s) P1Un P2Un P3Un P4Un P5Un P6Un Q (ft3/s) 0 62. 5 31 .25 125 62. 5 62. 5 62. 5 31 .25 125 62. 5 0 62. 5 125 93.75 0 62. 5 187.5 62. 5 3 12. 5 93.75 125 31 .25 25 0 62. 5 62. 5 125 31 .25 ... chảy vào bể thứ , Q1 lợng nhập, Q2 lợng tháo, thì: Q1 – Q2 = KdQ2/dt (2 .3 8) gi¶i Q2 = 1/K(t/K)e-t/K (2 .3 9) Víi n bĨ chøa Qn = 1/KΓ(n)*(t/K)n-1e-t/K, (2 .4 0) ë (n) hàm gama phơng trình 2. 40 hàm