Bài giảng Mô hình toán thuỷ văn

Nội dung text: Bài giảng Mô hình toán thuỷ văn

1. MÔ HÌNH TOÁN THUỶ VĂN
2. ➢Tính toán khi chuỗi số liệu tương đối ngắn: Chọn lưu vực tương tự (nơi có nhiều số liệu quan trắc) để suy ra các số liệu của lưu vực đang nghiên cứu bằng: a) Phương pháp phân tích tương quan (có thể lập tương quan dòng chảy với dòng chảy theo năm, mùa, tháng; hoặc tương quan giữa dòng chảy theo lượng mưa năm, mùa, tháng. b) Trong trường hợp hệ số Cv của hai lưu vực chênh lệch nhau khá nhiều (khi số năm quan trắc song song của hai lưu vực là quá ít); ta thường dùng phương pháp tương quan cùng tần suất của Ivanov như sau: Giả sử tần suất xuất hiện dòng chảy các năm ở hai lưu vực là như nhau. Dựa trên cơ sở này, ta có trình tự tính toán như sau: 1. Tính Cv; Cs của trạm cần nghiên cứu (trạm A). 2. Dựa vào tài liệu của trạm tương tự (trạm B) để xác định tần suất (tích luỹ) dòng chảy của các năm của trạm này (năm nào mà ở trạm A có số liệu đo). 3. Mượn tần suất của trạm B làm tần suất xuất hiện dòng chảy cho những năm tương đương bên trạm A, cùng với hệ số Cv, Cs (Cs thường tính theo phương pháp đường thích hợp : Cs=mCv) của trạm A và một số năm có số liệu quan trắc, ta tra được hệ số module Kp (ghi chú: Kp=xi/xtb) của trạm A, ta tính được trị số chuẩn của dòng chảy trạm A theo công thức: Qpi Với Q là chuẩn dòng chảy (giá trị trung bình các Q = 0i 0i năm) tính được ứng với dòng chảy Q của trạm A. K p pi
3. ➢Tính toán khi không có số liệu: 1. Sử dụng bản đồ đẳng trị độ sâu dòng chảy (Yoi) hoặc module dòng chảy (Moi). Chuẩn của lưu vực sẽ được nội suy tuyến tính dựa trên cơ sở những đường đẳng trị đã biết. 2. Nếu cũng không có bản đồ đẳng trị, thường ta chọn một lưu vực tương tự cùng một vùng mùa mưa, có diện tích ao hồ, rừng xấp xỉ. với lưu vực tính toán. Từ đó xem: M0tính toán=KM0tương tự Trong đó K là hệ số hiệu chỉnh nếu có sự khác nhau (mưa, bốc hơi) trong hai lưu vực: K=(X0tínhtoán-Z0tínhtoán)/( X0tươngtự-Z0tươngtự) X là lượng mưa, Z là lượng bốc hơi).
4. 2. Trong trường hợp chuỗi số liệu quan trắc ngắn (2-3 năm) thì phải tính bằng cách chọn lưu vực tương tự có chuỗi số liệu quan trắc dài. Trình tự tính toán như sau: Q Xét sự tương tự dòng chảy kiệt của hai lưu vực. Tính: = A Q Trong đó A: trạm tương tự; B: trạm nghiên cứu. B Nếu ổn định trong mấy năm đo đạc, có thể kết luận hai trạm tương tự d. chảy kiệt. Lúc ấy ta tính: ➢Tính dòng chảy kiệt thiết kế của trạm tương tự. ➢Dòng chảy kiệt thiết kế của trạm nghiên cứu tính bằng: QQBp= Ap là giá trị trung bình của các hệ số đã tính Ví dụ: Tính lưu lượng dòng chảy kiệt của trạm A ứng với tần suất thiết kế 3 95%. Biết QB95%= 3.65 m /s Qua đo đạc 2 năm ta được kết quả sau: Năm 1983: QA=2.15 m3/s; Năm 1984: QA=2.20 m3/s. Sau khi phân tích tương tự, ta chọn B làm trạm tương tự, với: Năm 1983: QB=4.48 m3/s, Năm 1984: QB=4.90 m3/s. Tính hệ số trong hai năm như sau: 1983=2.15/4.48=0.48; 1984=2.2/4.9=0.45; Hệ số khá ổn định, lấy trung bình ta được =0.465. Từ QB95%= 3.65 m3/s. Vậy: QA95%= 0.465*3.65 = 1.7m3/s
5. MÔ HÌNH TOÁN – THUỶ VĂN Mô hình Toán – Thuỷ văn Mô hình Mô hình Số lượng nước Chất lượng nước Mô hình Mô hình Mô hình Mô hình Truyền chất Nước ngầm Nước mặt Bùn cát Coi quá trình thuỷ văn Mô hình Mô hình là kết quả tất nhiên của các yếu tố vật lý. Còn Tất định Thống kê các yếu tố ngẫu nhiên chỉ thể hiện qua sự giao động của chúng Mô hình Mô hình Mô hình Dòng chảy Dòng chảy Quy hoạch quản sườn dốc trong sông lý lưu vực
6. 1. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY LŨ VÀ CÔNG THỨC CĂN NGUYÊN (Time/Area method) Quá trình hình thành dòng chảy lũ có 3 giai đoạn: tổn thất, nuớc dâng và nước rút. Để định lượng quá trình hình thành dòng chảy lũ, ta xét ví dụ sau: ➢Trên lưu vực giả thiết mưa rơi đều. ➢Ta chia lưu vực thành nhiều diện tích fi nằm giữa các đường đẳng thời (đường chảy cùng thời gian) ➢Thời gian tập trung nước giữa hai đường đẳng thời liên tiếp nhau là 1 đơn vị thời gian (có thể là giờ, ngày, .) ➢Gọi  là thời gian mà hạt nước ở xa nhất trong lưu vực chảy đến cửa ra của lưu vực. Thời gian này gọi là thời gian tập trung nước. Ví dụ =5 đơn vị, như vậy ta có các đường đẳng thời tương ứng với các diện tích lưu vực ở giữa lần lượt là f1, f2, f3, f4, f5. ➢Giả sử thời gian mưa hình thành dòng chảy kéo dài T=6 đơn vị. Lượng mưa vượt thấm sinh ra dòng chảy (sau khi đã trừ bớt đi tổn thất do thấm, bốc hơi, ) trong mỗi đơn vị thời gian kế tiếp nhau lần lượt là h1, h2, h3, h4, h5, h6. ➢Ta có lượng nước tập trung ở cửa ra theo thứ tự thời gian như sau:
7. i Tổng quát ta có: Qi=  h k f i−+ k 1 k1= Công thức trên gọi là công thức căn nguyên của dòng chảy Để quá trình lũ tiến tới quá trình thực của nó thì đơn vị thời đoạn (giữa thời điểm này sang thời điểm khác) phải thật nhỏ. Lúc ấy ta có dạng tích phân:  ▪ Qt là lưu lượng tại thời điểm t Q= h f d ▪ f là hàm tập trung nước, hàm này tt −  mô tả sự phân phối diện tích theo thời 0 gian tập trung dòng chảy . h f5 h4 f4 h3 h2 h5 f3 h1 h f2 6 f1 t Cửa ra
8. 2. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY LŨ VÀ MÔ HÌNH LŨ ĐƠN VỊ (Shecman, 1932) ➢Đường quá trình đơn vị: là đường cong biễu diễn quá trình dòng chảy (theo thời gian) trực tiếp tạo ra bởi 1 cm mưa vượt thấm phân bố đều trên lưu vực (với cường độ mưa không đổi trong 1 đơn vị thời gian). ➢Ý nghĩa “đơn vị”: 1 đơn vị độ sâu mưa vượt thấm q q (m3/s/km2/cm): lưu lượng trên một đơn vị diện tích lưu vực tạo ra bởi 1 cm mưa vượt thấm Thời gian đáy của đường quá trình dòng chảy trực tiếp là thời gian duy trì dòng chảy trực tiếp từ mưa vượt thấm t Tb (thời gian đáy)
9. Phương pháp cơ bản : ➢Để tính toán lưu lượng dòng chảy trực tiếp Qn khi cho mưa vượt thấm Xm (m=1  M) và đường quá trình đơn vị qn-m+1 . ➢Biểu đồ mưa hiệu quả được chuyển thành dòng chảy lưu vực bằng cách ta dùng phương trình sau: n M Qn =  Xmqn−m+1 m=1 Ví dụ : Cơn mưa kéo dài 3 giơ, với các cường độ lần lượt là X1, X2, X3 . Ta có đường quá trình đơn vị lần lượt theo thời gian là: q1, q2, q3, Ta tính được lưu lượng Qn như sau: Q1= X1q1 Q2= X1q2 + X2q1 Q3= X1q3 + X2q2 + X3q1 Q4= 0 + X2q3 + X3q2 Q5= 0 + 0 + X3q3 Từ đường quá Tính các biểu đồ quá trình + Đường quá trình dòng chảy trình đơn vị dòng chảy trực tiếp. đáy (ước tính trong sông) Đường quá trình dòng chảy trong sông
10. 3. MÔ HÌNH MƯA-DÒNG CHẢY KIỂU BỂ CHỨA: MÔ HÌNH TANK CẤU TRÚC MÔ HÌNH TANK ĐƠN Giả thiết: Quan niệm lưu vực sông như một dãy bể chứa xếp theo phương thẳng đứng: 1. Bể thứ nhất: mô tả lớp đất mặt nên có thêm cơ cấu truyền ẩm. 2. Từ bể thứ hai trở đi: cấu tạo tương tực như nhau. Về nguyên tắc, có thể chọn nhiều bể nhưng thường chỉ chọn 3-4 bể là được. Đôi khi chỉ chọn 2 bể.
11. Bể thứ nhất được bố trí từ 1 tới 3 cửa ra ứng với các ngưỡng H1A, H2A, H3A ➢XA > H1A sinh ra dòng chảy mặt YA= (XA - H1A)* 1. với 1 là hệ số dòng chảy ➢XA < H1A dòng chảy mặt = 0; lượng mưa chưa đủ thấm vào điền trũng: YA= 0 ➢Tương tự cho cửa 2, 3 và dòng chảy YAd xuống cửa đáy Dòng chảy ra khỏi bể A là : YA = Y1A + Y2A + Y3A + YAd Mực nước bể A vào cuối ngày nhất là : XA = XA0 + XM − E − T1 − YA Trường hợp không mưa, sau một thời đoạn tính do bốc hơi E và ngấm T1 làm cho XA giảm tới 0 lớp A1 chuyển từ bão hoà độ ẩm CA1 sang thiếu hụt ẩm X lớp A2 lại truyền ngược ẩm lên A1 theo tốc độ: A1 X A1 T2 = b0 + b 1− CA1 Tóm lại: Ở bể A có cả thảy 13 thông số khác nhau: 1, 2, 3, C0, C, b0, b, H1A, H2A, H3A, CA1, CA2 và thêm 1 hoặc 2 thông số để tính E.
12. ❖Như vậy, sau khi truyền ẩm xuống lớp A2, lớp nước tự do trong bể A còn là: XA = XA0 + XM - (CA1 –XA1) - T1 Đây là phần ngậm nước để A1 đạt tới bão hoà * X A = 0 + 25 - (1) - 0,7 = 23.3 mm * X A: là lượng nước còn lại ở bể A sau khi đã trừ đi tất cả tổn thất tối thiểu ban đầu (ta gọi là mưa vượt thấm) * ❖X A tiếp tục tham gia vào các dòng chảy qua các cửa bên (→Y1A, Y2A, Y3A), bốc hơi (E), chảy xuống bể dưới (YAd) Cuối cùng lớp nước trong bể A còn lại là: * XA = X A - YAi - E ❖Tới khi XA < H1 thì Y1A, Y2A, Y3A = 0 ; Chỉ còn YAd và E khác không. ❖Khi lớp nước còn lại trong bể A thấp hơn ngưỡng thấp nhất H1A thì không còn * dòng chảy tràn nữa, xem như là lớp nước điền chỗ trũng: XA → X A * ❖Nếu không có mưa bổ sung thì: XA = X A - YAd - E cho tới khi XA=0 thì YAd=0 * ❖Khi YAd=0 thì lớp A1 bắt đầu khô dần: X A1 = XA1 - E với XA1 < 0 XA1[i] = XA1[i-1] - E[i]
13. 2. Bể thứ hai : Từ bể thứ hai trở xuống : ➢ Chỉ có 1 lớp, không thể trao đổi ẩm từ dưới lên ➢ Chỉ có một cửa đáy và 1 cửa bên. ➢Không có hiện tượng bay hơi và chảy ngược lên Các thông số của bể 2: B, Bd, HB và lớp nước ban đầu có trong bể : XB0 Cân bằng nước cho bể 2 giai đoạn 1: XB[i] = XB[i – 1] + YAd[i] ➢Nếu XB > HB YB= B(XB – HB) ➢Nếu XB 0 YBd= Bd.XB YB= B(XB-HB) Cân bằng nước cho bể 2 giai đoạn 2: XB HB XB[i] = XB[i – 1] + YAd[i] – YB[i] – YBd[i] 3. Bể thứ ba : tương tự như bể hai: YBd= Bd.XB XC[i] = XC[i – 1] + YBd[i] – YC[i] – YCd[i]
14. Cấu tạo bể chứa loại hai: ➢ Giống bể thứ hai nhưng không có cửa đáy. ➢Nhận nước từ tất cả cacù bể chứa loại 1 (xếp thẳng đứng) Dòng chảy vào bể chứa loại hai: ➢ Dòng chảy qua tất cả các cửa bên của các bể thẳng đứng. Dòng chảy ra khỏi bể chứa loại hai: ➢Dòng chảy ở cửa ra của lưu vực