1. Trang Chủ
  2. Địa Lý
  3. Thủy văn học và phân tích vùng ngập lụt ( ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 1

Thủy văn học và phân tích vùng ngập lụt ( ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 1

Các nguyên lý thuỷ văn học ảnh Thành phố Houston và Buftalo trong điều kiện mùa lũ năm 1989 1.1. Giới thiệu chung về thuỷ văn học Thuỷ văn học đề cập tới nhiều đối tượng, nghiên cứu về sự tuần hoàn và sự phân bố nước trên trái đất. Phạm vi thuỷ văn học bao gồm các tác động của các quá trình vật lý, hoá học, sinh học của nước trong tự nhiên và trong môi trường sống. Chính bởi sự đa dạng của các chu kỳ thuỷ văn trong tự nhiên và quan hệ của chúng với các mô... Ch−¬ng 1. C¸c nguyªn lý thuû v¨n häc

Thể loại Tài liệu miễn phí Địa Lý

Số trang 75

Ngày tạo 8/29/2018 11:39:07 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.44 M

Tên tệp

Tải Thủy văn học và phân tích vùng ngập lụt ( ĐH Quốc ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. Ch−¬ng 1. C¸c nguyªn lý thuû v¨n häc ¶nh Thµnh phè Houston vµ Buftalo trong ®iÒu kiÖn mïa lò n¨m 1989 1.1. Giíi thiÖu chung vÒ thuû v¨n häc Thuû v¨n häc ®Ò cËp tíi nhiÒu ®èi t−îng, nghiªn cøu vÒ sù tuÇn hoµn vµ sù ph©n bè n−íc trªn tr¸i ®Êt. Ph¹m vi thuû v¨n häc bao gåm c¸c t¸c ®éng cña c¸c qu¸ tr×nh vËt lý, ho¸ häc, sinh häc cña n−íc trong tù nhiªn vµ trong m«i tr−êng sèng. ChÝnh bëi sù ®a d¹ng cña c¸c chu kú thuû v¨n trong tù nhiªn vµ quan hÖ cña chóng víi c¸c m« h×nh thêi tiÕt, c¸c lo¹i ®Êt, d¹ng ®Þa h×nh vµ c¸c nh©n tè ®Þa chÊt kh¸c lµm cho ranh giíi gi÷a thuû v¨n vµ c¸c ngµnh khoa häc Tr¸i §Êt kh¸c nh− khÝ t−îng, ®Þa lý, sinh häc vµ h¶i d−¬ng lµ kh«ng râ rÖt. Chu kú thuû v¨n lµ mét qóa tr×nh liªn tôc trong ®ã n−íc bÞ bèc h¬i tõ bÒ mÆt ®¹i d−¬ng, sau ®ã di chuyÓn vµo ®Êt liÒn víi nh÷ng khèi kh«ng khÝ Èm −ít, vµ t¹o thµnh gi¸ng thuû nÕu gÆp ®iÒu kiÖn thuËn lîi. Gi¸ng thuû r¬i xuèng bÒ mÆt ®Êt ®−îc ph©n t¸n qua mét vµi con ®−êng (H×nh 1.1). Mét phÇn gi¸ng thuû P, hay nh÷ng trËn m−a rµo ®−îc gi÷ l¹i trong ®Êt t¹i n¬i mµ nã r¬i xuèng cßn mét phÇn quay trë l¹i khÝ quyÓn 21
  2. qua bèc h¬i E, qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi cña n−íc thµnh h¬i n−íc, bèc h¬i qua l¸ T, sù tæn thÊt h¬i n−íc th«ng qua thùc vËt lµ mét chuçi liªn quan víi nhau. Sô kÕt hîp tæn thÊt trªn ®−îc gäi lµ sù bèc h¬i qua l¸ ET. L−îng tæn thÊt trªn ®¹t lín nhÊt nÕu sù cung cÊp n−íc trong ®Êt lµ ®Çy ®ñ theo thêi gian ( xem thiÕt diÖn h×nh 1.4). PhÇn cßn l¹i ch¶y trµn trªn mÆt ®Êt hoÆc theo h−íng n−íc ch¶y vµ cung cÊp n−íc cho nh÷ng con suèi vµ nh÷ng con s«ng. Sau cïng mét l−îng n−íc ®¸ng kÓ ngÊm vµo trong lßng ®Êt gièng nh− sù rß rØ F vµ cã thÓ trë l¹i vµo nh÷ng con suèi sau ®ã sÏ hoµ trén víi nhau hoÆc cã thÓ thÊm qua nh÷ng hÖ thèng n−íc ngÇm s©u h¬n. N−íc bÒ mÆt vµ n−íc ngÇm di chuyÓn tíi nh÷ng n¬i ®é cao thÊp h¬n vµ cuèi cïng ®æ vµo ®¹i d−¬ng. Tuy nhiªn mét l−îng lín n−íc bÒ mÆt vµ mét phÇn n−íc ngÇm cã thÓ quay trë l¹i khÝ quyÓn th«ng qua sù bèc h¬i bÒ mÆt vµ bèc h¬i qua l¸. ( Xem phÇn1.4 ). H×nh 1.1. Vßng tuÇn hoµn n−íc LÞch sö thuû v¨n cæ ®¹i Biswas (1972), trong bµi luËn sóc tÝch vÒ lÞch sö thuû v¨n ®· m« t¶ thùc tiÔn viÖc ®iÒu khiÓn nguån n−íc thêi kú ®Çu ë Sumerian vµ Ai CËp cæ ®¹i ë Trung CËn §«ng vµ däc theo bê s«ng Hoµng Hµ ë Trung Quèc. Kh¶o cæ häc ®· chøng tá sù tån t¹i cña kÕt cÊu thuû lùc ®−îc x©y dùng cho viÖc t−íi tiªu vµ ho¹t ®éng ®iÒu tiÕt nguån n−íc. Vµo kho¶ng n¨m 400 tr−íc c«ng nguyªn mét c¸i ®Ëp ®· ®−îc x©y dùng ngang qua con s«ng Nile, vµ sau ®ã mét con kªnh ®Ó dÉn n−íc ngät còng ®−îc x©y dùng gi÷a Cairo vµ Suez. C¸c nhµ triÕt häc Hyl¹p vµ nh÷ng sinh viªn thuû v¨n häc ®Çu tiªn cïng Aristotle ®−a ra sù chuyÓn kh«ng khÝ Èm vµo s©u bªn trong nói nh− lµ nguån cña c¸c n−íc m¹ch vµ s«ng suèi. Homer d· ®Ò xuÊt ra ý t−ëng lµ tån t¹i mét tÇng n−íc ngÇm d−íi ®¸y ®¹i d−¬ng gièng nh− tÇng n−íc ngÇm trªn mÆt ®Êt. Ph−¬ng ph¸p ®o l−êng ®Çu tiªn ®−îc thö trong hÖ thèng n−íc ë thµnh phè Roma (vµo n¨m 97 tr−íc c«ng nguyªn) dùa trªn diÖn tÝch mÆt c¾t ngang cña dßng ch¶y. ChÝnh ®iÒu ®ã ®· gióp cho Leonardo da Vinci kh¸m ph¸ ra mèi quan hÖ chÝnh x¸c gi÷a diÖn tÝch, vËn tèc vµ l−u l−îng dßng ch¶y 22
  3. trong thêi kú Phôc h−ng ë Italia. LÇn quan tr¾c ®Çu tiªn ®−îc ghi chÐp vÒ l−îng m−a r¬i vµ dßng ch¶y bÒ mÆt ®−îc tiÕn hµnh vµo thÕ kû thø XVII bëi Perault. «ng ®· so s¸nh l−îng m−a r¬i víi dßng ch¶y −íc l−îng cña s«ng Seine vµ ®· chØ ra hai mèi quan hÖ gi÷a chóng. Ph¸t hiÖn cña Perault ®−îc c«ng bè n¨m 1694. Halley, nhµ thiªn v¨n häc ng−êi Anh (sinh n¨m 1656 vµ mÊt n¨m1742) ®· sö dông mét vïng ®Êt tròng lßng ch¶o ®Ó tiÕn hµnh −íc l−îng bèc h¬i tõ biÓn §Þa Trung H¶i vµ kÕt luËn r»ng nã ®ñ c¬ së ®Ó −íc l−îng cho dßng ch¶y s«ng nh¸nh. Marriot ®· tõng ®o vËn tèc dßng ch¶y t¹i s«ng Seine. Sù b¾t ®Çu sím cña c¸c nhµ thuû v¨n ®· cung cÊp nÒn t¶ng cho nh÷ng sù ph¸t triÓn trong thÕ kû 18, bao gåm ®Þnh luËt Becnulli, èng Pilot, vµ c«ng thøc Sezi (1769), ®iÒu ®ã ®· t¹o nªn nÒn t¶ng c¬ b¶n cho thñy lùc häc vµ ®o ®¹c. Trong suèt thÕ kû thø XIX, sù ph¸t triÓn quan träng trong thuû v¨n n−íc ngÇm ®· x¶y ra. §Þnh luËt vÒ dßng ch¶y trong trong m«i tr−êng láng cña Darcy, c«ng thøc chÝnh x¸c cña Dupuit-Thiem vµ ph−¬ng tr×nh dßng ch¶y trong èng mao dÉn cña Hagen- Poiseuille ®· ph¸t triÓn m¹nh mÏ. Trong thuû v¨n n−íc mÆt rÊt nhiÒu c«ng thøc dßng ch¶y vµ c¸c dông cô ®o ®¹c ®· ph¸t triÓn vµ cho phÐp b¾t ®Çu ®o dßng ch¶y mét c¸ch cã hÖ thèng. N¨m 1861 Humpgiêey vµ Abbot ®· gi¸n tiÕp ®a ra ph−¬ng ph¸p ®o l−îng dßng ch¶y trªn s«ng Mississippi t¹i Hîp chñng quèc Hoa Kú, vµ ®oµn kh¶o s¸t ®Þa chÊt cña MÜ ®· x©y dùng lªn mét hÖ thèng ch−¬ng tr×nh ®o dßng ch¶y ®Çu tiªn ë trªn s«ng Misissippi. N¨m 1889 c«ng thøc Manning ®· ®−îc giíi thiÖu vµ l−u tèc kÕ cña Price ®· ®−îc ph¸t hiÖn n¨m 1885. N¨m 1867, ®o l−u l−îng ®−îc tæ chøc trªn s«ng Rhine t¹i Basel. Trong suèt kho¶ng thêi gian nµy, chÝnh phñ Mü d· thµnh lËp ®−îc mét sè c¸c c¬ quan thuû v¨n bao gåm: Côc C«ng binh Mü (1802) Côc kh¶o s¸t ®Þa chÊt Mü (1879), Côc thêi tiÕt (1891) vµ Uû ban s«ng Misissippi (1893). Kho¶ng thêi gian tõ n¨m 1900 ®Õn n¨m 1930 ®−îc Chow (1964) gäi lµ thêi kú kinh nghiÖm bëi v× mét sè lín c¸c c«ng thøc kinh nghiÖm ®−îc thiÕt lËp. RÊt nhiÒu trong sè chóng sau nµy ®−îc thÊy lµ kh«ng tho¶ m·n. C¸c c¬ quan chÝnh phñ ®· cè g¾ng ®Ó t¨ng thªm nh÷ng nghiªn cøu thuû v¨n vµ mét sè c¬ quan chuyªn m«n ®· ®−îc thiÕt lËp ®Ó ph¸t triÓn ngµnh khoa häc thñy v¨n. VÝ dô: Khu nghiªn cøu thêi tiÕt ë Reclamation ( 1902 ) Côc b¶o vÖ tµi nguyªn rõng (1906 ) Tr¹m kü thuËt giao th«ng thuû qu©n ®éi Mü ( 1928 Ban phßng chèng lò lôt Los Angeles (1915 ) ®−îc ho¹t ®éng trong suèt thêi gian nµy vµ HiÖp héi khoa häc thuû v¨n quèc tÕ (1922), Liªn hiÖp ®Þa vËt lý Mü (ADU) ®−îc thµnh lËp tr−íc n¨m 1930. LÞch sö hiÖn ®¹i Thêi kú tõ n¨m 1930 ®Õn n¨m 1950 ®−îc gäi lµ thêi kú hîp lý ho¸ (Chow, 1964), t¹o ra b−íc ph¸t triÓn cã ý nghÜa trong lÜnh vùc thuû v¨n khi c¸c c¬ quan ChÝnh phñ b¾t ®Çu ph¸t triÓn nghiªn cøu ch−¬ng tr×nh riªng vÒ thuû v¨n. §−êng qu¸ tr×nh ®¬n vÞ Sherman (1932) ( th¶o luËn trong ch−¬ng 2), häc thuyÕt thÊm Horton (1933) ( ch−¬ng1) vµ ph−ong tr×nh phi tuyÕn Theis (1935) vÒ thuû lùc giÕng (ch−¬ng 8) ®· ph¸t triÓn rÊt m¹nh. N¨m 1958, Gumbel ®Ò x−íng viÖc sö dông ph©n tÝch tÇn sè ph©n bè gi¸ trÞ cùc trÞ cña sè liÖu thuû lùc, tõ ®ã x©y dùng c¸c m« h×nh thuû v¨n thèng kª c¬ b¶n (ch−¬ng 23
  4. 3). Trong kho¶ng thêi gian nµy, Côc c«ng binh Mü, Côc dù b¸o thêi tiÕt Mü (nay lµ Côc thêi tiÕt quèc gia), Bé n«ng nghiÖp Mü, vµ Côc kh¶o s¸t ®Þa chÊt Mü (USGS) ®· cã nh÷ng ®ãng gãp cã ý nghÜa quan träng vÒ lý thuyÕt thuû lùc vµ sù ph¸t triÓn m¹ng l−íi c¸c tr¹m ®o quèc gia vÒ gi¸ng thuû, bèc h¬i vµ dßng ch¶y s«ng ngßi. Côc thêi tiÕt quèc gia vÉn cã tr¸ch nhiÖm chÝnh trong viÖc ®o ®¹c m−a r¬i, th«ng b¸o c¸c trËn b·o tµn khèc, vµ c¸c kh¶o s¸t thuû lùc liªn quan kh¸c. Côc c«ng binh Mü vµ Côc b¶o vÖ ®Êt (SCS) ®· cã nh÷ng ®ãng gãp lín trong lÜnh vùc thuû v¨n häc liªn quan ®Õn ®iÒu tiÕt lò, x©y dùng hå chøa, hÖ thèng t−íi vµ b¶o vÖ ®Êt trong kho¶ng thêi gian nµy. NhiÒu n¨m gÇn ®©y Côc ®Þa chÊt Hoa K× ®· cè g¾ng t¹o ra nh÷ng b−íc tiÕn v−ît bËc ®Ó thiÕt lËp nªn mét m¹ng l−íi quèc gia ®èi víi viÖc ®o dßng ch¶y vµ l−îng m−a r¬i víi ®Çy ®ñ sè liÖu vµ chÊt l−îng ®o ®¹c. Côc ®Þa chÊt Mü ( USGS ) ®· c«ng bè vµ ®Æc biÖt ®· lµm nh÷ng cuéc nghiªn cøu, ®iÒu tra ®Ó ph¸t triÓn tr−êng thuû v¨n bëi mét lo¹t qu¸ tr×nh ph©n tÝch c¸c sè liÖu thuû v¨n phøc t¹p vµ lµm s¸ng tá mèi quan hÖ, gi¶i thÝch c¸c hiÖn t−îng thuû v¨n. C¸c c¬ quan chÝnh phñ Hoa K× ®· ®ãng vai trß hÕt søc quan träng trong viÖc nghiªn cøu vµ cung cÊp tµi chÝnh cho c¸c c¸ nh©n vµ c¸c c¬ quan nghiªn cøu trong lÜnh vùc thuû v¨n. N¨m 1930, mét con ®Ëp lín, mét hå chøa n−íc nh©n t¹o vµ ®Ò ¸n ®iÒu tiÕt lò chÝnh lµ kÕt qu¶ ®Çu tiªn cña nh÷ng tiÕn bé thùc tÕ cña c¬ häc chÊt láng, hÖ thèng thuû v¨n, dù b¸o thuû v¨n, ph©n tÝch qu¸ tr×nh bay h¬i, ®−êng qu¸ tr×nh lò vµ c«ng t¸c nghiªn cøu thuû v¨n. Sù ph¸t triÓn chÝnh trong lÜnh vùc hiÓu biÕt qu¸ tr×nh bèc h¬i xuÊt hiÖn tõ n¨m 1940 -1950 liªn quan ®Õn t×nh tr¹ng t−íi tiªu cÇn cho sù ph¸t triÓn trong tõng khu vùc n«ng nghiÖp cña Hoa Kú. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y sù ®« thÞ ho¸ mét c¸ch nhanh chãng ë Hoa Kú vµ Ch©u ¢u ®· dÉn tíi nh÷ng dù ¸n tèt h¬n trong viÖc dù ®o¸n ®Ønh dßng ch¶y vµ dù b¸o sù biÕn ®æi n−íc trong hå chøa. Qu¸ tr×nh m« t¶ vµ dù b¸o ranh giíi vïng ngËp lôt ®· trë thµnh nhiÖm vô chÝnh cña c¸c nhµ thuû v¨n ®Ó ®¸p øng yªu cÇu cña c¬ quan ®iÒu khiÓn t×nh tr¹ng khÈn cÊp liªn bang Mü (FEMWA) vµ ®iÒu tiÕt lò cho tõng ®Þa ph−¬ng hay tõng khu vùc t−íi tiªu. Sù ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh Trong suèt thêi k× tõ n¨m 1960-1970 víi sù tham gia cña m¸y tÝnh kÜ thuËt sè tõ d÷ liÖu ®Çu vµo ®· cho phÐp hoµn thµnh nh÷ng vÊn ®Ò liªn quan ®Õn n−íc t−¬ng tù nh− viÖc hoµn thµnh hÖ thèng d÷ liÖu nµy trong thêi k× ®Çu. Ngµy nay, m« h×nh tÝnh trªn m¸y cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó xem l¹i nh÷ng d÷ liÖu thuû v¨n tr−íc ®ã vµ gióp tr¶ lêi nh÷ng c©u hái khã liªn quan ®Õn thuû v¨n. M« h×nh thuû lùc ®Çu tiªn ®−îc ph¸t hiÖn bëi mét nhãm sinh viªn ë tr−êng ®¹i häc Stanford (Crowford vµ Linsley, 1966) vµ ®−îc gäi víi c¸i tªn lµ m« h×nh ®−êng ph©n n−íc Stanford. M« h×nh nµy còng dùa trªn tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh chÝnh trong mét chu k× thuû v¨n c¬ b¶n, bao gåm qu¸ tr×nh gi¸ng thuû, bèc h¬i, bèc h¬i qua l¸, qu¸ tr×nh thÊm, dßng ch¶y bÒ mÆt, dßng ch¶y ngÇm vµ dßng ch¶y s«ng ngßi. TÊt c¶ nh÷ng thuËt ng÷ chuyªn m«n ®ã ®Òu sÏ ®−îc ®Þnh nghÜa trong ch−¬ng 1. Mét m« h×nh kh¸c còng cã ý nghÜa quan träng trong viÖc thay ®æi tiÕn tr×nh dßng 24
  5. ch¶y cña thuû v¨n hiÖn ®¹i lµ m« h×nh HEC-1, ®−îc ph¸t hiÖn bëi ®oµn kÜ s− x©y dùng cña Trung t©m kÜ thuËt thuû v¨n Hoa Kú (1973). M« h×nh nµy dùa trªn nh÷ng trËn lò, tõ sè liÖu m−a r¬i ta sö dông mét hµm tæn thÊt ®¬n gi¶n vµ dïng ®¬n vÞ thuû lùc (trong ch−¬ng 5). M« h×nh kÌm theo HEC-2 còng ®−îc ph¸t hiÖn bëi ®oµn kü s− Hoa Kú (1976) thùc hiÖn dùa trªn −íc tÝnh mÆt c¾t ngang cña dßng ch¶y trªn c¬ së tØ lÖ dßng ch¶y h×nh häc vµ ®Ønh dßng ch¶y, nh÷ng thø cã thÓ ®−îc tÝnh to¸n trong m« h×nh HEC- 1 (trong ch−¬ng 7). M« h×nh qu¶n lÝ n−íc sau nh÷ng c¬n m−a (SWMM) ®−îc ph¸t triÓn cho c¬ quan b¶o vÖ m«i tr−êng (SWMM) vµ lµ m« h×nh cã s½n hoµn thiÖn nhÊt trong viÖc ®iÒu khiÓn dßng ch¶y trong thµnh phè trong nh÷ng hÖ thèng th¸o n−íc sau c¬n m−a (trong ch−¬ng 6). M« h×nh ILLUDAS (Terstriep vµ Stall, 1974) ®· ®ù¬c ph¸t triÓn tõ phßng thÝ nghiÖm nghiªn cøu hiÖn ®¹i cña Anh vµ sö dông mét l−îng n−íc ch¶y ®−îc t¹o ra tõ mét c¬n m−a nhá cho nh÷ng ®Ò ¸n rót n−íc t−¬ng tù (ch−¬ng 6 ). Mçi mét m« h×nh sÏ ®−îc miªu t¶ mét c¸ch chi tiÕt trong nh÷ng ch−¬ng tiÕp theo. M« h×nh gÇn ®©y cã tÝnh ®Õn mèi quan hÖ gi÷a ®Çu vµo sö dông bëi nh÷ng ng−êi ®iÒu tra, nh÷ng kü s− thuû v¨n vµ ®−îc m« t¶ qua mét sè c«ng cô m¸y tÝnh trong nh÷ng m« h×nh thuû v¨n. Sù ph¸t triÓn cña nh÷ng c«ng cô ®ã (c¸ch ®©y 20 n¨m ) ®· h−íng dÉn con ng−êi thu thËp nh÷ng sè liÖu thuû v¨n ®Ó x¸c ®Þnh ®iÒu kiÖn hoÆc “quan s¸t ” c¸c m« h×nh ®èi lËp. Nh÷ng m« h×nh m¸y tÝnh thuû v¨n ®−îc ph¸t triÓn tõ nh÷ng n¨m 1960-1970 ®· ®−îc x¸c ®Þnh ®Ó sö dông nh÷ng vïng d÷ liÖu kh«ng ®−îc nghiªn cøu tr−íc ®ã hoÆc chØ ®−îc x¸c ®Þnh theo nh÷ng kinh nghiÖm cã s½n. VÝ dô, tÊt c¶ nh÷ng c¬n m−a trong thµnh phè, nh÷ng ®ång b»ng ngËp lôt vµ nh÷ng l−u vùc thuû v¨n, ®å ¸n th¸o rót n−íc, ®å ¸n hå chøa nh©n t¹o vµ ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch tÇn sè xuÊt hiÖn lò vµ qu¶n lÝ nh÷ng l−u vùc s«ng réng lín ®· gióp Ých cho nh÷ng m« h×nh lËp tr×nh b»ng m¸y tÝnh. Nh÷ng m« h×nh m« pháng ®ã ®· øng dông ph©n tÝch l−u vùc (®−îc m« t¶ chi tiÕt trong ch−¬ng 5). M« h×nh ®¬n gi¶n nh− HEC-1 hay SWMM ®−îc sö dông ®Ó m« t¶ (hay tÝnh to¸n ) qu¸ tr×nh biÓu ®å thuû v¨n lµ kÕt qu¶ cña nh÷ng c¬n m−a, tõ mét diÖn tÝch l−u vùc x¸c ®Þnh râ rµng cho mét m« h×nh cô thÓ cña c−êng ®é m−a. Sù tæn thÊt thuû v¨n nh− qu¸ tr×nh thÊm, bay h¬i, bèc h¬i qua l¸, vµ l−îng n−íc ®−îc gi÷ l¹i trong hå chøa cã thÓ trùc tiÕp tÝnh ®−îc cho mét l−u vùc s«ng x¸c ®Þnh. M« h×nh tiÕp theo lµ m« h×nh ®−êng ph©n n−íc Stanford vµ SWMM cã thÓ ®¸nh gi¸ cho nh÷ng khu ®Êt chøa Èm nh÷ng n¬i cã l−îng tho¸t h¬i n−íc qua l¸ vµ nh÷ng c¬n m−a kÐo dµi trong suèt thêi gian dµi. M« h×nh thèng kª ®−îc sö dông ®Ó ®−a ra mét chuçi thêi gian tÝnh to¸n vÒ dßng ch¶y vµ l−îng m−a r¬i cã thÓ sau ®ã ®−îc ph©n tÝch b»ng ph−¬ng ph¸p c©n b»ng lò. Nh÷ng m« h×nh nh− HEC-1 kh«ng quan t©m ®Õn sù ngÉu nhiªn cña tù nhiªn, cña ®Çu vµo trùc tiÕp l−îng m−a r¬i nh−ng cã thÓ sö dông cïng víi ph−¬ng ph¸p thèng kª b¾t nguån tõ nh÷ng c¬n m−a ®−îc gäi lµ tÝnh to¸n l−îng m−a r¬i trong chu k× mét tr¨m n¨m hay 24h. M« h×nh HEC-2 cã thÓ sau ®ã ®−îc sö dông −íc l−îng mÆt c¾t ngang s«ng ®−îc dù ®o¸n sÏ x¶y ra trong thêi gian trung b×nh 100 n¨m. Møc ngËp lôt x¸c ®Þnh ®ã ®−îc gäi lµ n¨m ngËp lôt vµ ®−îc m« t¶ chi tiÕt trong ch−¬ng 7. Lîi thÕ cña m« h×nh thuû v¨n lµm trªn m¸y tÝnh bao gåm sù hiÓu biÕt s©u s¾c trong sù thu thËp vµ thiÕt lËp d÷ liÖu ®Çu vµo céng víi sù hiÓu biÕt thùc tÕ, sù cè g¾ng ®Ó “ hiÖu chØnh” kÕt qu¶ tÝnh to¸n dßng ch¶y hoÆc mùc n−íc víi sè liÖu kh¶o s¸t tõ 25
  6. l−u vùc thùc tÕ. Nh÷ng bµi thùc hµnh th−êng h−íng dÉn thu thËp thªm d÷ liÖu bæ sung hoÆc hoµn thiÖn øng dông cña mét m« h×nh riªng biÖt. TÝnh h¹n chÕ cña c¸c m« h×nh t−¬ng tù bao gåm sù nguy hiÓm tin t−ëng r»ng m« h×nh sÏ ®em l¹i kÕt qu¶ chÝnh x¸c trong tÊt c¶ c¸c tr−êng hîp. Sù tin cËy m« h×nh tÝnh trªn m¸y tÝnh m¹nh trong n¨m 1970 ®· dÉn ®Õn nhiÒu hoµi nghi thÝch øng ®èi víi m« h×nh thuû v¨n trong n¨m 1980, cïng víi sù quay trë l¹i ®èi víi yªu cÇu cña c¸c m« h×nh dÉn ®Õn kh«ng thÓ kÐo dµi sù s½n cã cña d÷ liÖu ®Çu vµo trong thùc tÕ. Tuy nhiªn m« h×nh t−¬ng tù trong thuû v¨n nÕu cung cÊp ®óng d÷ liÖu vÉn cã kh¶ n¨ng suy luËn mét c¸ch ®óng ®¾n ®Ó hiÓu ®óng hÖ thèng nguån n−íc phøc t¹p, vµ mét kØ nguyªn míi trong ngµnh khoa häc thuû v¨n ®· b¾t ®Çu. Nh÷ng ®å ¸n míi vµ phÐp tÝnh míi ®· tin t−ëng hoÆc kiÓm tra mµ kh«ng cã sù gióp ®ì phøc t¹p nµo ®«Ý víi nh÷ng m« h×nh dïng m¸y tÝnh. M« h×nh thuû v¨n th«ng th−êng ®· sö dông tõ n¨m 1990 cho viÖc ph©n tÝch l−u vùc vµ thiÕt kÕ. 1.2. Vßng tuÇn hoµn n−íc C¸c thµnh phÇn c¬ b¶n cña vßng tuÇn hoµn n−íc bao gåm: M−a, bèc h¬i, sù tho¸t h¬i n−íc, thÊm, dßng ch¶y trµn trªn mÆt, dßng ch¶y trong s«ng ngßi vµ dßng ch¶y ngÇm. Sù chuyÓn ®éng cña n−íc th«ng qua sù biÕn ®æi c¸c tr¹ng th¸i cña vßng tuÇn hoµn n−íc lµ kh«ng æn ®Þnh theo thêi gian vµ kh«ng gian, t¹o nªn c¸c gi¸ trÞ cùc trÞ cña lò lôt vµ h¹n h¸n. Vßng tuÇn hoµn n−íc lµ rÊt phøc t¹p, nh−ng d−íi c¸c ®iÒu kiÖn vµ nguån n−íc x¸c ®Þnh, sù t¸c ®éng cña mét l−u vùc s«ng tíi l−îng m−a, thÊm, vµ bèc h¬i n−íc cã thÓ tÝnh to¸n ®−îc nÕu chóng ta gi¶ thiÕt chóng ®−îc t¹o thµnh tõ nh÷ng quy luËt ®¬n gi¶n. VÝ dô, nÕu c−êng ®é m−a r¬i trªn mét l−u vùc nhá h¬n c−êng ®é thÊm vµ nÕu l−îng tr÷ Èm trong ®Êt ®¸ phong phó, khi ®ã m−a sÏ kh«ng sinh dßng ch¶y do vËy dßng ch¶y trong s«ng sÏ b»ng kh«ng. NÕu trªn c¸c vïng ®Êt kh¸c, l−îng m−a tr−íc ®ã ®· lÊp ®Çy c¸c lç hæng chøa Èm trong ®Êt ®¸ vµ nÕu c−êng ®é m−a r¬i trªn l−u vùc lín h¬n c−êng ®é thÊm vµ c−êng ®é bèc h¬i, khi ®ã toµn bé l−îng m−a r¬i trªn l−u vùc sÏ sinh ra dßng ch¶y mÆt. Trong phÇn lín c¸c tr−êng hîp, c¸c ®iÒu kiÖn m−a r¬i ë mét n¬i nµo ®ã cã c¸c ®iÒu kiÖn kh«ng thuËn lîi th× chóng ta ph¶i ®o ®¹c mét c¸ch cÈn thËn hoÆc tÝnh to¸n ®Õn sù ¶nh h−ëng cña nhiÒu nh©n tè trong vßng tuÇn hoµn n−íc ®Ó dù b¸o sù ¶nh h−ëng cña l−u vùc. C¸c nhµ thuû v¨n häc cã thÓ ph¶i tÝnh to¸n hoÆc ®¸nh gi¸ mét c¸ch chÝnh x¸c c¸c dù ¸n tµi nguyªn n−íc tíi sù biÕn ®æi c¸c thµnh phÇn cña vßng tuÇn hoµn n−íc. C¸c dù ¸n thuû lùc lín ®−îc thiÕt kÕ ph¶i tÝnh ®Õn nh÷ng ¶nh h−ëng tiªu cùc cña c¸c trËn lò lôt hoÆc h¹n h¸n ®Ó b¶o vÖ vµ th−êng xuyªn tiÕn hµnh tu söa vµ ch¨m sãc. §Æc biÖt lµ nh÷ng vïng cöa s«ng lµ mèi quan t©m cña mét nhµ kü s− thuû v¨n, bao 26
  7. gåm c¸c vïng sau: 1. Sù phßng chèng lò lôt ë mét ®Ëp trµn hoÆc cèng ngÇm trªn ®−êng quèc lé. 2. Dung tÝch hå chøa ®ßi hái ph¶i ®¶m b¶o ®Çy ®ñ n−íc t−íi cho n«ng nghiÖp hoÆc cung cÊp n−íc cho thµnh phè trong suèt thêi k× kh« h¹n. 3. HiÖu Ých cña hå chøa, ®ª ®iÒu vµ c¸c c«ng t¸c kiÓm so¸t cña con ng−êi ®èi víi dßng ch¶y lò trong s«ng. 4. ¶nh h−ëng cña sù ®« thÞ ho¸ tíi dung tÝch chøa t−¬ng lai cña mét hÖ thèng tiªu n−íc vµ mèi liªn hÖ víi dßng ch¶y lò. 5. Sù m« t¶ lò cùc h¹n cã thÓ t¨ng c−êng b¶o vÖ c¸c dù ¸n do con ng−êi lµm nªn khái lò lôt vµ xóc tiÕn viÖc ph©n vïng tèt h¬n. Trong mäi hÖ thèng thuû lùc nµo ®ã, mét kho n−íc cã thÓ ®−îc ®¸nh gi¸ sù ph¸t triÓn vµ sù biÕn ®æi h−íng cña dßng ch¶y vµ c¸c thµnh phÇn tr÷ n−íc trong l−u vùc. HÖ thèng thuû lùc ®¬n gi¶n nhÊt lµ mét mÆt nghiªng kh«ng thÊm n−íc, ®−îc giíi h¹n bëi tÊt c¶ bèn bê víi mét cöa s«ng duy nhÊt. Nh− lµ m« h×nh nhiÒu khu ®Ó xe mét thµnh phè nhá. Ph−¬ng tr×nh liªn tôc cho mäi hÖ thèng s«ng lµ: dS I −Q = (1.1) dt trong ®ã: I: Dßng ch¶y vµo l−u trong mét ®¬n vÞ thêi gian (m3/s). Q: Dßng ch¶y ra trong mét ®¬n vÞ thêi gian (m3/s). dS/dt: Sù thay ®æi tr÷ l−îng n−íc trong mét ®¬n vÞ thêi gian (m3/s). Nh− l−îng m−a tÝch tô trªn bÒ mÆt, ®é nh¸m bÒ mÆt t¨ng vµ cuèi cïng t¹o ra dßng ch¶y ra khái hÖ thèng s«ng. Sù bèc h¬i lµ kh«ng ®¸ng kÓ trong giai ®o¹n vµo l−u vùc, tÊt c¶ l−îng m−a r¬i trong l−u vùc cuèi cïng ®Òu ch¶y ra khái l−u vùc (xem h×nh 1.2), nh−ng chóng bÞ gi÷ ë mét n¬i nµo ®ã trong mét thêi gian nhÊt ®Þnh. Sù kh¸c nhau gi÷a phÇn n−íc ®Õn vµ ®i ë bÊt kú thêi ®iÓn nµo trong l−u vùc thÓ hiÖn sù thay ®æi tr÷ l−îng n−íc trong l−u vùc. Do vËy, vïng ®−îc che phñ thÓ hiÖn thÓ tÝch gi÷ n−íc liªn quan tíi kh¶ n¨ng tr÷. Mét sè kh¸i niÖm, ¸p dông cho c¸c l−u vùc nhá hoÆc c¸c l−u vùc lín khã cã thÓ thªm vµo ®−îc, chÝnh ®iÒu ®ã tÊt c¶ c¸c thuËt ng÷ bÞ mÊt cã thÓ kh«ng ®−îc biÕt ®Õn trong kho n−íc. Mét l−u vùc ®−îc x¸c ®Þnh nh− lµ mét vïng ®Êt t¹i ®ã n−íc ch¶y vÒ mét cöa s«ng duy nhÊt vµ ®−îc ph©n chia víi c¸c l−u vùc kh¸c bëi mét ®−êng ph©n thuû cña l−u vùc. C«ng thøc to¸n häc míi cho mét thêi ®o¹n nhÊt ®Þnh cña toµn bé kho n−íc trong h×nh 1.1, trong c¸c ®¬n vÞ cña ®é s©u (in hoÆc cm) trªn l−u vùc. P – R – G – E – T = ∆S (1.2) trong ®ã: P: L−îng m−a. R: Dßng ch¶y mÆt. G: Dßng ch¶y ngÇm. 27
  8. E: L−îng bèc h¬i. T: L−îng n−íc tho¸t ra. ∆S: Sù thay ®æi tr÷ l−îng n−íc trong l−u vùc. H×nh 1.2 Mét hÖ thuû v¨n ®¬n gi¶n HÖ sè dßng ch¶y cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tû sè R/P. Chó ý r»ng l−îng thÊm I mÊt m¸t tõ bÒ mÆt tíi n−íc ngÇm, sau ®ã l¹i ch¶y ra khái l−u vùc. C¸c ®¬n vÞ ®o inchs (hoÆc cm) m« t¶ mét phÇn thÓ tÝch n−íc cña l−u vùc. VÝ dô 1.1 C©n b»ng n−íc Trong mét th¸ng, mét hå 300 mÉu cã l−îng nhËp l−u lµ 15 (ft3/s), l−îng tho¸t ra lµ 13 (ft3/s), tæng l−îng tr÷ n−íc t¨ng lµ 16 (ac-ft), l−îng m−a ®o ®−îc trong hå trong mét th¸ng lµ 1.3 (inchs). Gi¶ thiÕt r»ng l−îng thÊm trong hå lµ rÊt ®¸ng kÓ, h·y x¸c ®Þnh l−îng h¬i n−íc mÊt trªn toµn hå. gi¶i: ¸p dông ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n−íc cho l−îng n−íc ®Õn vµ ®i trong hå lµ: E = I – O + P - ∆S mµ 15( ft 3 / s).( acre / 43,560 ft 2 ).12(in / ft).3600( s / giê ).(24 giê / ngµy).30(ngµy / th¸ ng ).1(th¸ ng) I= 300( acre) = 35.70 (inchs). 28
  9. 12( ft 3 / s).( acre / 43,560).12(in / ft).3600( s / giê ).24( giê / ngµy).30( ngµy / th¸ ng).1( th¸ ng) O= 300( acre) = 30.94 (in). 16( ac − ft).12(in / ft) ∆S = == 0.64 (in) . 300( acre) suy ra E = 35.70 – 30.94 + 1.3 – 0.64 = 5.42 (in). VÝ dô 1. 2 C©n b»ng n−íc l−u vùc Trong mét n¨m, mét l−u vùc víi diªn tÝch 2500 km2 nh©n ®−îc 130 cm m−a. Sù thay ®æi l−u l−îng trong mét n¨m ®o ®−îc lµ 30 m3/s. H·y tÝnh tæng l−îng n−íc mÊt do c¸c nh©n tè ¶nh h−ëng bèc h¬i, l−îng n−íc thÊm xuèng n−íc ngÇm, l−îng n−íc tho¸t. Dßng ch¶y tíi s«ng trong mét n¨m lµ bao nhiªu (theo cm)? HÖ sè dßng ch¶y? gi¶i Theo ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n−íc ta cã: ET + G = P – R - ∆S Gi¶ thiÕt r»ng mùc n−íc kh«ng thay ®æi trong mét n¨m, nghÜa lµ ∆S = 0 30(m 3 / s).86400( s).365.100( cm / m) ET + G = 130( cm) − 2500 km 2 .1000(m / km) 2 = 130 37,9 = 92,1 (cm) VËy, víi 92,1 cm mÊt do tæn thÊt, cßn 37,9 cm dßng ch¶y cung cÊp cho s«ng: HÖ sè dßng ch¶y sÏ lµ R/P = 37,9/130 R/P = 0.29. 1.3 Gi¸ng thuû Gi¸ng thuû lµ thµnh phÇn quan träng cña vßng tuÇn hoµn n−íc. M−a, tuyÕt, hoÆc m−a ®¸ lµ c¸c d¹ng biÓu hiÖn cña gi¸ng thuû vµ th−êng nhËn ®−îc tõ h¬i Èm khÝ quyÓn. Trong qu¸ tr×nh ®i lªn h¬i n−íc bÞ l¹nh ®i, ng−ng tô vµ h×nh thµnh c¸c giät n−íc tr−íc khi gi¸ng thuû cã thÓ xuÊt hiÖn. Theo ®iÒu kiÖn chuyÓn ®éng th¼ng ®øng cña khÝ quyÓn m−a ®−îc ph©n chia thµnh: 1) §èi l−u, do sù ®èt nãng m·nh liÖt cña kh«ng khÝ s¸t mÆt ®Êt dÉn ®Õn sù d·n në, ph¸t triÓn theo chiÒu cao cña kh«ng khÝ. 29
  10. 2) Xo¸y, do sù kÕt hîp chuyÓn ®éng cña nh÷ng khèi khÝ lín, nh− trong tr−êng hîp cña c¸c front nãng vµ front l¹nh. 3) §Þa h×nh, do sù n©ng c¬ häc cña nh÷ng khèi kh«ng khÝ Èm trªn nh÷ng d·y nói nh− ë T©y B¾c Th¸i B×nh D−¬ng. §é Èm kh«ng khÝ §é Èm kh«ng khÝ lµ nguån cung cÊp chñ yÕu cho gi¸ng thuû vµ h¬i Èm nµy nhËn ®−îc tõ sù bèc h¬i n−íc vµ tho¸t h¬i thùc vËt. L−îng m−a trªn n−íc Mü lín bëi v× sù bèc h¬i trªn ®¹i d−¬ng vµ sù vËn chuyÓn vµo lôc ®Þa thuËn lîi bëi hÖ thèng tuÇn hoµn khÝ quyÓn. C¸c ®¹i l−îng ®é Èm th«ng dông bao gåm ¸p suÊt h¬i n−íc, ®é Èm riªng, tØ lÖ hçn hîp, ®é Èm t−¬ng ®èi vµ nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng. D−íi nh÷ng ®iÒu kiÖn nhiÖt Èm, h¬i n−íc cã thÓ ®−îc xem nh− khÝ lÝ t−ëng, ®iÒu nµy cho phÐp nhËn ®−îc nh÷ng quan hÖ ®¬n gi¶n gi÷a ¸p suÊt, mËt ®é vµ nhiÖt ®é. ¸p suÊt riªng lµ ¸p suÊt t¸c ®éng bëi mét phÇn tö khÝ lªn trªn bÒ mÆt mét b×nh chøa hçn hîp khÝ. ¸p suÊt riªng phÇn g©y bëi h¬i n−íc ®−îc gäi lµ ¸p suÊt h¬i n−íc vµ cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh tõ quy luËt Dalton vµ quy luËt khÝ lÝ t−ëng : ρ RT e= w (1.3) 0.622 trong ®ã: e : ¸p suÊt h¬i n−íc (mb) ρw : mËt ®é h¬i n−íc hoÆc ®é Èm tuyÖt ®èi (g/cm3) R : h»ng sè kh«ng khÝ kh« = 2.87 * 103 (mb cm3/goK) T : nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (oK) Thõa sè 0.622 lµ kÕt qu¶ cña träng l−îng ph©n tö n−íc trªn träng l−îng ph©n tö kh«ng khÝ. GÇn bÒ mÆt Tr¸i §Êt ¸p suÊt h¬i n−íc b»ng 1-2% cña tæng ¸p suÊt khÝ quyÓn, ë ®©y ¸p suÊt trung b×nh khÝ quyÓn lµ 1013.2 mb (1mb = 102 pascal (Pa)). ¸p suÊt h¬i n−íc b·o hoµ lµ ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i n−íc khi kh«ng khÝ hoµn toµn b·o hoµ ( kh«ng cã sù bèc h¬i xuÊt hiÖn n÷a) vµ lµ mét hµm cña nhiÖt ®é §é Èm t−¬ng ®èi (H) lµ tØ lÖ cña l−îng h¬i n−íc cã trong kh«ng khÝ víi l−îng h¬i n−íc trong kh«ng khÝ ë ®iÒu kiÖn b·o hoµ cïng nhiÖt ®é H = 100 e/es v× thÕ ®é Èm t−¬ng ®èi 50% cã nghÜa lµ khÝ quyÓn cã thÓ gi÷ ®−îc 50% l−îng h¬i Èm d−íi ®iÒu kiÖn b·o hoµ ë nhiÖt ®é ®ã §é Èm riªng lµ khèi l−îng h¬i n−íc cã trong mét ®¬n vÞ khèi l−îng kh«ng khÝ Èm (g/g) vµ b»ng ρw/ρm, ρw lµ mËt ®é h¬i n−íc vµ ρm lµ mËt ®é kh«ng khÝ Èm. Sö dông ®Þnh luËt Dalton vµ gi¶ ®Þnh r»ng khÝ quyÓn chØ bao gåm kh«ng khÝ vµ h¬i n−íc ta cã ρ ( P − e) + 0.622 e ρm = = (1 − 0.387 e / P ) (1.4) RT RT C«ng thøc 1.4 thÓ hiÖn r»ng kh«ng khÝ Èm thùc sù nhÑ h¬n kh«ng khÝ kh« ë cïng ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é. V× thÕ: 30
  11. ρw 0,622 e q= = (1.5) ρm P − 0.387 e q: ®é Èm riªng (g/g) e: ¸p suÊt h¬i n−íc (mb) P: toµn bé ¸p suÊt khÝ quyÓn (mb) ρm: mËt ®é hçn hîp cña kh«ng khÝ kh« vµ kh«ng khÝ Èm (g/cm3) NhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng Td lµ nhiÖt ®é mµ t¹i ®ã khèi kh«ng khÝ b¾t ®Çu b·o hoµ (e = es) khi l¹nh ®i t¹i ¸p suÊt vµ dung tÝch h¬i Èm kh«ng ®æi. ¸p suÊt h¬i n−íc b·o hoµ lµ hµm cña ®iÓm s−¬ng Td. ⎛ 4278.6 ⎞ e s = 2.7489 × 10 8 exp⎜ − ⎟ (1.6) ⎜ T + 242.79 ⎟ ⎝ ⎠ d trong ®ã: es ®o b»ng mb vµ Td lµ oC. Quan hÖ nµy chÝnh x¸c kho¶ng 0.5% cña b¶ng gi¸ trÞ (1966 ) trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ 0 tíi 40oC. Quan tr¾c h¬i Èm trong khÝ quyÓn th−êng ®−îc sö dông ®Ó ph©n tÝch trong dù b¸o thêi tiÕt vµ gi¸ng thuû cã thÓ x¶y ra trªn tõng vïng riªng biÖt. Chi tiÕt h¬n vÒ øng dông cña chóng cã thÓ t×m thÊy trong tµi liÖu chuÈn (Eagleson, 1970 ; Hess, 1959 ; Wallace vµ Hobbs, 1977) Giai ®o¹n biÕn ®æi Theo tr×nh tù, h¬i n−íc b¾t ®Çu ng−ng tô h×nh thµnh gi¸ng thuû, mét d¹ng tån t¹i kh¸c cña ®é Èm kh«ng khÝ lµ Èm nhiÖt. Èm nhiÖt ng−ng tô Lc c©n b»ng víi Èm nhiÖt bay h¬i Le, tæng l−îng nhiÖt cÇn thiÕt ®Ó biÕn ®æi n−íc thµnh d¹ng h¬i ë cïng nhiÖt ®é, víi T ®o b»ng oC: L e = − Le = 597.3 − 0.57(T − 0 0 C ) (1.7) trong ®ã: Le: cal/g Èm nhiÖt tan vµ ®ãng b¨ng còng cã quan hÖ: Lm = − L f = 79.7 trong ®ã: Lm còng cã ®¬n vÞ cal / g. C¸c nhµ khÝ t−îng häc sö dông h¬i Èm vµ Èm nhiÖt lµ kh¸i niÖm th«ng dông cña nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt biÓu thÞ cho sù l¹nh ®i vµ nãng lªn cña ®é Èm kh«ng khÝ trong khÝ quyÓn. TØ lÖ nhiÖt ®é thay ®æi theo ®é cao trong khÝ quyÓn gäi lµ gradien ®o¹n nhiÖt khÝ quyÓn. Còng nh− ®é Èm, khi kh«ng khÝ kh«ng b·o hoµ th¨ng lªn, ®é Èm t¨ng lªn.Vµ ®¹t ®Õn ®é cao nµo ®ã ®é Èm lóc nµy lµ 100%. Sù l¹nh ®i h¬n n÷a cña kh«ng khÝ lµ kÕt qu¶ cña sù ng−ng tô cña h¬i n−íc t¹i møc ng−ng kÕt x¸c ®Þnh. Èm nhiÖt ng−ng tô gi¶i phãng lµm nãng kh«ng khÝ vµ lµm gi¶m gradien ®o¹n nhiÖt khÝ quyÓn. Èm nhiÖt trao ®æi nµy lµ nguån n¨ng l−îng chÝnh h×nh thµnh giã xo¸y vµ b·o nhiÖt ®íi Cã thÓ quan s¸t thÊy r»ng mét quan hÖ kh«ng thËt cÇn thiÕt tån t¹i gi÷a tæng l−îng h¬i n−íc vµ kÕt qu¶ gi¸ng thuû trªn tõng vïng. V× thÕ qu¸ tr×nh ng−ng tô cã thÓ x¶y ra trong m©y mµ kh«ng cã sù h×nh thµnh gi¸ng thuû trªn bÒ mÆt ®Êt. C¸c qu¸ tr×nh thêi tiÕt kh¸c ph¶i ®−îc nghiªn cøu kÜ ®Ó n¾m ®−îc tÊt c¶ c¬ chÕ cña gi¸ng thuû. 31
  12. Nguyªn nh©n vµ c¬ chÕ thµnh t¹o NhiÖt ®é d−íi ®iÓm b·o hoµ h¬i n−íc lµm kh«ng khÝ l¹nh ®i vµ qu¸ tr×nh ng−ng tô cña h¬i n−íc trong m©y x¶y ra. §iÒu nµy th−êng x¶y ra víi ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é thÊp theo chiÒu th¼ng ®øng. Mét nöa khèi l−îng cña khÝ quyÓn n»m trong kho¶ng 18000 ft tõ bÒ mÆt chøa phÇn lín m©y vµ h¬i Èm Qu¸ tr×nh ng−ng tô cã thÓ t¹o ra bëi: (1) Sù l¹nh ®éng lùc hoÆc sù l¹nh ®o¹n nhiÖt (kh«ng cã tæn thÊt nhiÖt ra xung quanh) lµ ®−îc miªu t¶ ®Çu tiªn, (2) Sù trén lÉn cña c¸c khèi kh«ng khÝ cã nhiÖt ®é kh¸c nhau, (3) TiÕp xóc l¹nh, (4) Sù l¹nh ®i do bøc x¹. Sù l¹nh ®éng lùc lµ qu¸ tr×nh quan träng nhÊt cña gi¸ng thuû cã thÓ thÊy ®−îc. S−¬ng, s−¬ng muèi vµ s−¬ng mï lµ s¶n phÈm phô cña qu¸ tr×nh gi¸ng thuû. Nguyªn nh©n g©y ra bëi sù tiÕp xóc vµ sù l¹nh ®i do bøc x¹. C¸c nh©n ng−ng tô ph¶i tån t¹i ®èi víi sù h×nh thµnh c¸c giät n−íc nhá, c¸c nh©n nµy ®Õn tõ nhiÒu nguån nh− muèi biÓn, bôi tõ ®Êt sÐt, s¶n phÈm ®èt ch¸y cña c«ng nghiÖp vµ cña nói löa, kÝch cì cña chóng dao ®éng tõ 0.1 µ tíi 10 µ . Nh÷ng giät n−íc th−êng cã ®−êng kÝnh 0.01 mm. Khi chóng ®¹t tíi 0.5 mm chØ lóc ®ã míi ®ñ ®iÒu kiÖn ®Ó hiÖn t−îng gi¸ng thuû x¶y ra. Cã thÓ mÊt mét giê ®Ó cho nh÷ng giät m−a nhá (1 mm) lín lªn thµnh phÇn tö ng−ng tô. Èm nhiÖt trong kh«ng khÝ t¨ng lªn lµm kh«ng khÝ l¹nh ®i, ®¹t tíi tr¹ng th¸i b·o hoµ, h¬i n−íc b¾t ®Çu ng−ng tô hÇu hÕt nh÷ng nh©n ho¹t ®éng. C¬ chÕ quan träng lµm t¨ng kÝch th−íc cña giät n−íc trong tr¹ng th¸i ®Çu lµ sù khuyÕch t¸n cña c¸c phÇn tö n−íc xuèng, gradien ¸p suÊt h¬i n−íc theo h−íng bÒ mÆt. Khi nh÷ng giät t¨ng lªn ®ñ khèi l−îng, chóng b¾t ®Çu di chuyÓn toµn bé theo m©y. Tuy nhiªn mét sè qu¸ tr×nh kh¸c ph¶i hç trî cho sù t¨ng kÝch th−íc cña nh÷ng giät n−íc ®Õn 0.5 - 3 mm ®Ó kh¾c phôc søc c¶n kh«ng khÝ vµ ®Ó m−a r¬i xuèng. Nh÷ng qu¸ tr×nh nµy bao gåm c¶ qu¸ tr×nh kÕt hîp vµ qu¸ tr×nh kÕt tinh. Qu¸ tr×nh kÕt hîp d−îc nghiªn cøu phæ biÕn trong mïa hÌ lµ m−a rµo. Khi m−a r¬i, nh÷ng giät n−íc nhá sÏ bÞ nh÷ng giät n−íc lín b¾t kÞp vµ kÝch th−íc c¸c h¹t t¨ng lªn qua va ch¹m. §iÒu nµy cã thÓ t¹o ra mét l−îng m−a ®¸ng kÓ, ®Æc biÖt trong nh÷ng ®¸m m©y tÝch Èm trong nh÷ng vïng nhiÖt ®íi Qu¸ tr×nh kÕt tinh b¨ng hót c¸c nguyªn tö kÕt tinh ng−ng tô bëi ¸p suÊt thÊp cña h¬i n−íc.KÝch th−íc b¨ng kÕt tinh t¨ng lªn qua sù tiÕp xóc vµ va ch¹m víi c¸c ph©n tö kh¸c lµ nguyªn nh©n nh÷ng b«ng tuyÕt ®−îc h×nh thµnh. Nh÷ng b«ng tuyÕt cã thÓ thay ®æi trong m−a khi ®i vµo n¬i nhiÖt ®é kh«ng khÝ cao h¬n nhiÖt ®é kÕt tinh. M−a tuyÕt vµ tuyÕt tan ®−îc biÓu hiÖn ë phÇn 2.8. C¸c nh©n ng−ng kÕt cã thÓ do nh©n t¹o t¸c ®éng ®Õn m©y vµ g©y ra m−a trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nµo ®ã, c¸c h¹t b¨ng kÕt tinh lín lªn qua viÖc tiÕp xóc gi÷a c¸c phÇn tö. Trong vÊn ®Ò lµm m−a nh©n t¹o ®Ó kiÓm so¸t thêi tiÕt cßn tån t¹i nhiÒu vÊn ®Ò vÒ kü thuËt vµ ph¸p lý. Nh− ®· nãi ë trªn, nguyªn nh©n cña hÇu hÕt qu¸ tr×nh ng−ng tô g©y m−a rµo lµ sù 32
  13. l¹nh ®éng lùc hoÆc sù l¹nh ®o¹n nhiÖt. Gi¸ng thuû cã thÓ ®−îc ph©n lo¹i theo ®iÒu kiÖn cña chuyÓn ®éng kh«ng khÝ theo chiÒu th¼ng ®øng : ®èi l−u, giã xo¸y vµ ®Þa h×nh nói m« t¶ d−íi d¹ng biÓu ®å. §Þa h×nh nói ¶nh h−ëng tr−íc tiªn liªn quan ®Õn d·y nói lµ nguyªn nh©n kh«ng khÝ bÞ n©ng lªn theo chiÒu th¼ng ®øng, vµ gi¸ng thuû hoÆc tuyÕt b¾t gÆp phæ biÕn trªn nh÷ng s−ên dèc phÝa t©y. Nh÷ng s−ên dèc phÝa ®«ng h−íng vÒ vïng kh« vµ nãng. HÇu hÕt nh÷ng c¬n m−a cã c−êng ®é lín liªn quan lôt léi ë n¬i m−a d«ng nguyªn nh©n bëi c¸c c¬n b·o ®èi l−u. C¸c c¬n m−a d«ng b¾t ®Çu b»ng sù th¨ng lªn cña c¸c ®¸m m©y vµ cã thÓ ®¹t tíi ®é cao 25000 – 40000 ft víi tèc ®é giã theo chiÒu th¼ng ®øng 35 – 70 m/ph trong dßng khÝ ®i lªn. Trong nh÷ng vïng l·nh thæ, b·o vµ giã xo¸y c−êng ®é m¹nh kÕt hîp víi ¸p suÊt thÊp cã thÓ t¹o ra l−îng m−a rÊt lín kÐo dµi mét thêi gian. VÝ dô vÒ m−a r¬i trong 24 h ë Alvil, Taxas, trong suèt th¸ng VII-1979 ghi chÐp trong lôc ®Þa Hoa Kú. §iÒu nµy thËm chÝ ®−îc kÕt hîp víi b·o Claudette trong vÞnh Mexico. Th«ng tin chi tiÕt h¬n vÒ chÕ ®é gi¸ng thuû cã thÓ t×n thÊy trong Eagleson (1970), Gray(1970), vµ Wallace, Hobbs(1977). H×nh 1.3. C¬ chÕ gi¸ng thuû §iÓm gi¸ng thuû Mét l−îng d÷ liÖu ®¸ng kÓ cã s½n trong Trung t©m thêi tiÕt quèc gia vµ Côc C«ng binh Mü. M¹ng l−íi tr¹m ®o m−a quèc gia cho thÊy sù biÕn thiªn l−îng m−a theo kh«ng gian vµ thêi gian, thÓ hiÖn trong h×nh 1.4. Nguån gèc chÝnh cña h¬i n−íc cho gi¸ng thuû lµ bèc h¬i tõ ®¹i d−¬ng, v× thÕ P cã xu h−íng lín h¬n gÇn ®−êng bê biÓn, víi sù biÕn d¹ng bëi ¶nh h−ëng cña ®Þa h×nh nói, t¸c ®éng cña sù thay ®æi theo ®é cao qua c¸c d¹ng nói. Th«ng th−êng sè l−îng vµ tÇn sè xuÊt hiÖn cña P lµ lín h¬n trªn c¸c s−ên nói ch¾n giã thæi tíi (bê phÝa T©y cña Hoa Kú) vµ Ýt h¬n phÝa s−ên khuÊt giã, thÓ hiÖn trong h×nh 1.4. Spreen (1947) nghiªn cøu vÒ ¶nh h−ëng cña ®Þa h×nh lªn gi¸ng thuû vµ t×m sù t−¬ng quan cña bèn th«ng sè trong miÒn t©y Colorado : ®é cao, ®é dèc, h−íng vµ sù lé quang miÒn t©y Colorado. Sù biÕn thiªn thêi gian cña gi¸ng thuû x¶y ra theo mïa hoÆc trong kho¶ng thêi gian mét c¬n m−a, vµ ph©n bè ®a d¹ng theo kiÓu m−a, c−êng ®é, thêi gian kÐo dµi vµ thêi gian cña n¨m. Giã thÞnh hµnh vµ nhiÖt ®é t−¬ng ®èi cña ®Êt vµ trªn ®¹i d−¬ng còng cã ¶nh h−ëng. L−îng m−a lín nhÊt ghi ®−îc trong s¸u thµnh phè chÝnh cña Mü thÓ hiÖn trong b¶ng 1.1. L−îng m−a trong thêi ®o¹n 24 h, vÝ dô kÐo dµi tõ thÊp 4.67 in. (119 mm) ë San Francisco tíi cao 43 in. (1092 mm) ë Houston. 33
  14. B¶ng 1.1 Sè liÖu m−a lín nhÊt trong s¸u thµnh phè chÝnh, ®¬n vÞ in. (mm) VÞ trÝ Phót Giê 5 15 30 1 6 24 NewYork, N.Y 1.02(26) 1.63(41) 2.34(59) 2.97(75) 4.44(113) 9.55(243) 7/5/1973 7/10/1905 8/12/1926 8/26/1947 10/1/1913 10/8/1903 St.Louis, Mo. 0.88(22) 1.39(35) 2.56(65) 3.47(88) 4.82(148) 8.78(223) 3/5/1897 8/8/1923 8/8/1923 7/23/1933 7/9/1942 8/15/1946 New Orleans,La 1.00(25) 1.90(35) 3.18(81) 4.71(120) 8.62(219) 14.01(356) 2/5/1955 4/25/1953 4/25/1953 4/25/1953 9/6/1926 4/15/1927 Denver,Colo. 0.91(23) 1.57(40) 1.99(51) 2.20(56) 2.91(74) 6.53(166) 7/14/1912 7/25/1965 7/25/1965 8/23/1921 8/23/1921 5/21/1876 San Francisco,Calif 0.33(8) 0.65(17) 0.83(21) 1.07(27) 2.34(59) 4.67(119 11/25/1926 11/4/1918 3/4/1912 3/4/1912 10/11/1962 1/29/1881 Huoston, Tex - - - 4.00(102) 15.67(397) 43.00(1092) - - - 7/25/1979 7/25/1979 7/25/1979 H×nh 1.4. Ph©n bè gi¸ng thuû trung b×nh 34
  15. Theo nh÷ng mïa kh¸c nhau ®−îc thÓ hiÖn trong h×nh 1.5, nh÷ng gi¸ trÞ thÓ hiÖn g©y lÇm lÉn trong ®ã nh÷ng c¬n m−a d«ng hoÆc b·o nhiÖt ®íi víi c−êng ®é cao cã thÓ g©y ra m−a rµo 15 – 30 in. trong kho¶ng nhiÒu ngµy, däc theo bê vÞnh vµ bê §¹i T©y D−¬ng. TÝnh th−êng xuyªn hoÆc thËm chÝ sù thay ®æi chi tiÕt cña m−a rµo th−êng lµ rÊt quan träng ®èi víi viÖc x©y dùng b¶n ®å nguån tµi nguyªn n−íc, ®Æc biÖt lµ hÖ thèng cÊp tho¸t n−íc ®« thÞ. Nh÷ng sè liÖu nh− thÕ chØ cã s½n tõ nh÷ng hÖ thèng thu m−a phøc t¹p, th−êng t×m thÊy ë nh÷ng ®« thÞ réng lín. HÖ thèng m¸y tÝnh ®o m−a ®−îc cung cÊp bëi trung t©m thêi tiÕt quèc gia vµ trung t©m ®Þa chÊt Mü. Dông cô ®o gi¸ng thuû cã thÓ tù ghi hoÆc kh«ng ph¶i d¹ng tù ghi, nh−ng dông cô ghi lµ thÕp giÊy theo thêi gian ph©n bè cña m−a nÕu ®−îc yªu cÇu, th−êng lµ tr−êng hîp cho tho¸t n−íc ®« thÞ hoÆc c«ng viÖc kiÓm tra lò lôt. Dông cô ghi ®iÒu kiÓn tõ mét ®Çu pÝt t«ng nhá ghi lªn gi¶n ®å tr¾ng, giÊy ghi, hoÆc d÷ liÖu 0.01 in. cña trËn m−a. D÷ liÖu ®−îc tr×nh bµy trong b¶ng 1.7 (b) nh− ®−êng cong khèi l−îng luü tÝch vµ cã thÓ s½n sµng gi¶i thÝch cho sù thay ®æi tæng dung l−îng vµ mËt ®é. C¸c quan s¸t viªn sö dông ghi chÐp hµng ngµy hoÆc 12h l−îng m−a r¬i (in. hoÆc cm) víi dông cô kh«ng tù ghi vµ v× thÕ lo¹i thiÕt bÞ nµy cung cÊp Ýt th«ng tin vÒ vÒ c−êng ®é. HÖ thèng 5 ®Õn 10 m¸y ®o trªn 100 mi2 lµ nhu cÇu trong vïng ®« thÞ ®Ó x¸c ®Þnh l−îng m−a thay ®æi. Chi phÝ ®Ó b¶o qu¶n hÖ thèng rÊt ®¾t nÕu kh«ng thiÕt bÞ sÏ phñ nhËn kÕt qu¶ cña hÖ thèng thËm chÝ dù b¸o c¸c c¬n m−a sai. Nh÷ng m¸y ®o m−a ®−îc ®Ò cËp ®Õn trong phÇn 1.6 th−êng ®Æt gÇn m¸y ®o vËn tèc dßng ch¶y, thêi gian vµ khu vùc ph©n bè thay ®æi trong c¬n m−a rÊt quan träng trong quyÕt ®Þnh toµn bé c©u tr¶ lêi vÒ thuû v¨n vµ ®−îc ®Ò cËp ®Õn chi tiÕt h¬n ë sau. H×nh 1.5. Ph©n bè chuÈn gi¸ng thuû th¸ng ë Mü §iÓm m−a r¬i cã thÓ biÓu thÞ nh− tæng l−îng m−a tÝch luü hoÆc c−êng ®é m−a tõ dông cô ®Æc biÖt. BiÓu thÞ ®Çu tiªn cã thÓ tham kh¶o nh− ®−êng cong tÝch luü khèi 35
  16. l−îng (h×nh 1.6 a) cã thÓ ph©n tÝch sù thay ®æi cña c¬n b·o ®Ó quyÕt ®Þnh tÇn sè vµ ®Æc ®iÓm cña trËn m−a t¹i vÞ trÝ ®· cho. BiÓu ®å qu¸ tr×nh m−a biÓu thÞ c−êng ®é m−a (in. / giê) víi thêi gian vµ ®−îc miªu t¶ trong vÝ dô 1.3. BiÓu ®å qu¸ tr×nh m−a th−êng ®−îc sö dông nh− ®Çu vµo cña m« h×nh tÝnh to¸n thuû v¨n cho l−u vùc. H×nh 1.6. M−a ë Houston, Texas. a) M−a tÝch luü 24-26 th¸ng 7, 1979. VÝ dô 1.3 BiÓu ®å qu¸ tr×nh m−a vµ tÝch luü gi¸ng thuû §å thÞ ®−a ra trong h×nh E1.3 (a) ghi l¹i l−îng m−a tõ hai trung t©m ®Þa chÊt Mü cho c¬n m−a 30 - VIII tíi 3- IX-1981, thêi kú gi÷a 2:45 s¸ng vµ 2:00 chiÒu 31-8.Víi d÷ liÖu ®−a ra ph¸t triÓn b¶n ®å qu¸ tr×nh c¬n m−a vµ ®−êng cong khèi l−îng. T×m c−êng ®é m−a lín nhÊt cho mçi tr¹m in./giê 36
  17. H×nh 1.6. M−a ë Houston, Texas. b) §−êng tæng l−îng m−a 24-26 th¸ng 7, 1979 37
  18. Gi¶i Tõ b¶n ®å qu¸ tr×nh m−a, chóng ta lÊy sè liÖu thêi kú sau trõ ®i sè liÖu cña thêi k× tr−íc. VÝ dô 3.70 bÞ trõ tõ 3.73 ®−a ra 0.03 in. /15 phót. Chóng ta biÕn ®æi nã ra in. /giê. (3.73 − 3.70)in. = 0.12 in./giê 0.25 giê Bëi v× d÷ liÖu ®−îc ®−a ra theo kiÓu luü tÝch, d÷ liÖu cña ®−êng cong khèi l−îng ®−îc ®¬n gi¶n ho¸ nh− h×nh E1.3 b. C−êng ®é lín nhÊt cña tr¹m 4800 x¶y ra gi÷a 1000 vµ 1015 vµo 31-8 lµ (6.98 − 6.23)in. = 3.0 in/giê 0.25 giê cho tr¹m ®o 303 R (6.33 − 5.55)in. = 3.2 in./giê 0.25 giê lµ c−êng ®é lín nhÊt, x¶y ra gi÷a 0630 vµ 0645. Nh÷ng c−êng ®é lín nhÊt nµy xuÊt hiÖn nh− gê cao nhÊt trªn ®−êng qu¸ tr×nh m−a vµ nh− vïng cña ®é dèc lín nhÊt trªn ®−êng cong tÝch luü m−a. Nh÷ng ph¸c ho¹ nµy thùc tÕ ®−êng cong khèi l−îng lµ tÝch ph©n cña ®−êng qu¸ tr×nh m−a trong lÝ thuyÕt x¸c suÊt hµm luü tÝch ph©n bè lµ tÝch ph©n cña hµm mËt ®é x¸c suÊt. Tr¹m . sè. 08074800 B¶n ghi m−a vµ dßng ch¶y L−îng n−íc n¨m 1981 Tr¹m ®o Keegans §−êng c¹nh Houston, Tex Gi¸ng thuû Dßng ch¶y L−u l−îng luü tÝch luü tÝch trËn b·o tõ ngµy 30/8 ®Õn ngµy 3/9/1981 (in. ft3/s ) ( in. ) ( in.) Ngµy vµ giê Sè tr¹m 4800 303 R 31/9 0245 3.07 3.23 3.42 1290.0 0.6362 0300 3.73 3.25 3.44 1310.0 0.6804 0315 3.80 3.30 3.50 1300.0 0.7241 0330 3.99 3.63 3.77 1300.0 0.7679 0345 4.00 3.78 3.87 1310.0 0.8121 0400 4.04 3.83 3.91 1320.0 0.8565 0415 4.06 3.85 3.93 1300.0 0.9003 0430 4.08 3.85 3.94 1280.0 0.9434 0445 4.23 4.05 4.12 1270.0 0.9862 0500 4.28 4.11 4.18 1260.0 1.0287 38
  19. Tr¹m . sè. 08074800 B¶n ghi m−a vµ dßng ch¶y L−îng n−íc n¨m 1981 Tr¹m ®o Keegans §−êng c¹nh Houston, Tex Gi¸ng thuû Dßng ch¶y L−u l−îng luü tÝch luü tÝch trËn b·o tõ ngµy 30/8 ®Õn ngµy 3/9/1981 (in. ft3/s ) ( in. ) ( in.) Ngµy vµ giê Sè tr¹m 4800 303 R 0515 4.53 4.15 4.30 1280.0 1.0718 0530 4.63 4.29 4.43 1300.0 1.1156 0545 4.76 4.33 4.50 1310.0 1.1597 0600 4.90 4.70 4.78 1330.0 1.2045 0615 4.98 5.10 5.05 1410.0 1.2520 0630 5.08 5.55 5.36 1500.0 1.3025 0645 5.20 6.33 5.88 1600.0 1.3564 0700 5.26 6.63 6.08 1710.0 1.4140 0715 5.28 6.71 6.14 1740.0 1.4727 0730 5.30 6.77 6.18 1780.0 1.5326 0745 5.38 6.85 6.26 1770.0 1.5922 0800 5.40 6.91 6.31 1770.0 1.6519 0815 5.44 6.95 6.35 1740.0 1.7105 0830 5.53 7.01 6.42 1710.0 1.7681 0845 5.58 7.07 6.47 1690.0 1.8250 0900 5.60 7.13 6.52 1680.0 1.8816 0915 5.64 7.18 6.56 1640.0 1.9369 0930 5.70 7.33 6.68 1610.0 1.9911 0945 6.08 7.53 6.95 1650.0 2.0467 1000 6.23 8.16 7.39 1690.0 2.1036 1015 6.98 8.63 7.97 1890.0 2.1673 1030 7.00 8.84 8.10 2100.0 2.2380 1045 7.28 9.00 8.31 2130.0 2.3098 1100 7.40 9.40 8.60 2170.0 2.3829 1115 7.43 9.45 8.64 2190.0 2.4566 1130 7.68 9.50 8.77 2220.0 2.5314 1145 7.86 9.52 8.86 2240.0 2.6069 1200 7.90 9.53 8.88 2270.0 2.6833 1215 7.93 9.54 8.90 2220.0 2.7581 39
  20. Tr¹m . sè. 08074800 B¶n ghi m−a vµ dßng ch¶y L−îng n−íc n¨m 1981 Tr¹m ®o Keegans §−êng c¹nh Houston, Tex Gi¸ng thuû Dßng ch¶y L−u l−îng luü tÝch luü tÝch trËn b·o tõ ngµy 30/8 ®Õn ngµy 3/9/1981 (in. ft3/s ) ( in. ) ( in.) Ngµy vµ giê Sè tr¹m 4800 303 R 1230 7.96 9.55 8.91 2170.0 2.8312 1245 7.96 9.56 8.92 2120.0 2.9026 1300 7.96 9.57 8.93 2070.0 2.9724 1315 7.96 9.58 8.93 2010.0 3.0401 1330 7.96 9.59 8.94 1950.0 3.1058 1345 7.96 9.60 8.94 1860.0 3.1684 1400 7.96 9.61 8.95 1780.0 3.3783 H×nh E1.3 (a) H×nh 1.7. Tr¹m tù ghi 40
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học