Bài giảng Thủy văn môi trường - Chương 2: Quá trình thủy văn

Nội dung text: Bài giảng Thủy văn môi trường - Chương 2: Quá trình thủy văn

1. Chương2: QUÁ TRÌNH THỦY VĂN Các quá trình thủy văn làm biến đổi phân bố không gian và thời gian của nước trong mọi khâu của vòng tuần hoàn thủy văn. Sự vận động của nước trong hệ thống thủy văn chịu ảnh hưởng và chi phối các tính chất vật lý của hệ thống như hình dạng, kích thước dòng chảy và của tác động qua lại giữa nước với các đối tượng trung gian khác trong đó có không khí và nhiệt. Rất nhiều định luật khác nhau điều khiển hoạt động của hệ thống thủy văn. 2.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THỦY VĂN: Hệ thống là một tập họp các thành phần có quan hệ liên thông với nhau tạo thành một tổng thể. Ví dụ: tuần hoàn thủy văn là một hệ thống thủy văn với các thành phần là:nước rơi, bốc hơi, dòng chảy với các pha khác nhau của chu trình. Các thành phần này có thể tập họp thành các hệ thống con của chu trình lớn. Có ba hệ thống con trong tuần hoàn thủy văn: Hệ thống nước khí quyển, bao gồm các quá trình nước rơi, bốc hơi, ngăn giữ nước bởi cây cối, và bốc thoát hơi từ sinh vật. Hệ thống nước mặt, bao gồm các quá trình chảy trên sườn dốc, chảy mặt, xuất lộ của các dòng sát mặt, dòng ngầm, quá trình dòng chảy đổ vào sông ngòi, đại dương. Hệ thống nước dưới mặt đất, bao gồm các quá trình thấm, bổ sung nước cho kho nước ngầm, các dòng sát mặt đất và dòng ngầm sâu trong lòng đất. Trong việc phát triển các mô hình thủy văn, định lý vận tải Reynolds (hay còn gọi là phương pháp thể tích kiểm tra đã cho ta một lý thuyết nền tảng cơ sở. Định lý này được sử dụng để thiết lập các phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình năng lượng của nhiều quá trình thủy văn.
2. Trong trường hợp X là khối lượng, ta có k=1, và theo định luật bảo toàn khối lượng, dX/dt=0, suy ra: undA 0 u dA dQ dm 0 n (2.3) A A A A dA2 u2ø Đối với dòng nguyên tố, lưu chất chỉ vào một đầu (diện tích dA1), và ra ở đầu kia dA1 (dA2), nên ta có: u1 1u1ndA1 = 2u2ndA2 (2.4) Phương trình (2.4) là phương trình liên tục cho dòng nguyên tố. Đối với toàn dòng chảy, ta phải lấy tích phân phương trình trên cho toàn dòng, lúc ấy: u dA u dA M M 1 1n 1 2 2n 2 1 2 (2.5) A1 A2 Nếu lưu chất là không nén được, =conts, ta suy ra: Q1= Q2 hay Q=const dọc theo dòng chảy (2.6) Đối với một hệ thống thủy văn, nếu tổng lượng dòng vào bằng tổng lượng dòng ra thì hệ thống được gọi là kín. Ví dụ vòng tuần hoàn thủy văn là một hệ thống kín. Ngược lại, hệ thống xem như là hở. Ví dụ : quá trình Mưa rào-dòng chảy mặt là một hệ thống hở vì khi mưa xuống, không tất cả đều trở thành dòng chảy mà còn một phần đã bay ngượclại khí quyển bằng bốc hơi. Các phương trình liên tục trên được thiết lập cho chất lỏng một pha (hoặc là dòng khí, hoặc là dòng nước. Đố với dòng nhiều pha (ví dụ như khí và nước), cần viết phương trình liên tục cho từng pha riêng biệt, và đại lượng dX/dt trong mỗi pha sẽ là lượng biến đổi X trong một đơn vị thời gian của dòng lưu chất thêm vào hoặc lấy ra khỏi pha đang xét. 2.4 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LƯỢNG.
3. Từ phương trình (2.1), ta có: dH dW  1 1 (e u2 gZ) dw (e u2 gZ) u dA u u n dt dt t w 2 A 2 (2.12) (2.12) là phương trình cân bằng năng lượng cho dòng chất lỏng không ổn định có khối lượng riêng thay đổi. Đối với dòng ổn định, không có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài: dW 1 2 (eu u gZ) undA (2.14) dt A 2 dW 1 e u dA ( u2 gZ) u dA hay: u n n (2.15) A dt A 2 dW Nhận xét thấy euundA là phần biến đổi năng lượng do A dt chuyển động của các phần tử bên trong khối lưu chất và do ma sát của khối lưu chất với bên ngoài. Đại lượng này khó xác định được bằng lý thuyết, thông thường, nó được tính từ thực nghiệm, tuỳ trường hợp cụ thể. Ta đặt: dW e u dA gh Q u n f (2.16) A dt với hf là mất năng trung bình của một đơn vị trọng lượng lưu chất. Xét cho một đoạn dòng chảy từ mặt cắt 1-1 đến 2-2, mà mặt cắt bao quanh là các đường dòng. Dòng lưu chất chỉ có thể vào mặt cắt 1-1 và ra ở mặt cắt 2-2. Như vậy từ (2.16) và (2.15) ta có: 1 1 2 2 ghf Q ( u gZ) u1ndA ( u gZ) u 2ndA (2.17) A1 2 A2 2 Nếu lưu chất không nén được, ta có: 1 1 gh Q ( V 2 gZ ) Q ( V 2 gZ ) Q (2.18) f 2 1 1 1 2 2 2 2