Bài Giảng Thủy Văn Công Trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2017

TS. PHẠM VĂN TỈNH (Chủ biên)

ThS. PHẠM MINH VIỆT, ThS. LÊ THỊ HUỆ

KS. ĐẶNG THỊ HỒNG

THñY V¡N

C¤NG TR×NH

1

TS. PHẠM VĂN TỈNH (Chủ biên)

THS. PHẠM MINH VIỆT, THS. LÊ THỊ HUỆ, KS. ĐẶNG THỊ HỒNG

BÀI GIẢNG

THỦY VĂN CÔNG TRÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2017

2

3

LỜI NÓI ĐẦU

Thuỷ văn công trình là môn học cơ sở ngành quan trọng đối với sinh viên

các ngành học liên quan đến tài nguyên nước nói chung và đối với sinh viên

ngành Kỹ thuật công trình xây dựng - Trường Đại học Lâm nghiệp nói riêng.

Nhiệm vụ của môn học là cung cấp những kiến thức cơ bản về sự hình thành

dòng chảy sông ngòi, các phương pháp tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế

phục vụ công tác quy hoạch, thiết kế, thi công, quản lý và vận hành hệ thống

công trình thủy lợi - thủy điện, giao thông và các công trình xây dựng khác.

Bài giảng “Thuỷ văn công trình” được biên soạn dựa trên các tài liệu tham

khảo trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực thủy văn - tài nguyên nước và

tiếp cận những phương pháp tính toán hiện đại trên thế giới trong lĩnh vực tính

toán thuỷ văn. Nội dung bài giảng gồm hai phần chính:

(1) Thủy văn đại cương: gồm các chương từ Mở đầu đến chương 4. Phần

này chủ yếu trình bày những kiến thức cơ bản của thủy văn và các phương pháp

tính toán các yếu tố dòng chảy.

(2) Thủy văn công trình: từ chương 5 đến chương 7. Nội dung các chương

này nhằm ứng dụng các phương pháp tính toán thủy văn phục vụ công tác quy

hoạch, thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông, xây

dựng dân dụng và công nghiệp, cấp thoát nước...

Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật công trình, Hội

đồng khoa học khoa Cơ điện và Công trình - Trường Đại học Lâm nghiệp, các

nhà khoa học đã có ý kiến phản biện cho nội dung bài giảng.

Mặc dù nhóm tác giả đã cố gắng chọn lọc những nội dung cơ bản, các

phương pháp tính toán hiện đại, thực tế đang được áp dụng trong tính toán thủy

văn phục vụ xây dựng các công trình có liên quan đến nước nhưng chắc chắn

không tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết, rất mong nhận được sự góp ý

của các thầy, cô đồng nghiệp và các em sinh viên để cuốn bài giảng được hoàn

thiện hơn trong lần xuất bản sau. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Bộ môn Kỹ

thuật công trình - Khoa Cơ điện và Công trình - Trường Đại học Lâm nghiệp.

Nhóm tác giả

4

5

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1. Đối tượng nghiên cứu của môn học

1.1.1. Đối tượng nghiên cứu

Thủy văn là một nhánh của khoa học trái đất, nghiên cứu về các dạng tồn

tại, vòng tuần hoàn và phân bổ của tài nguyên nước trong tự nhiên. Thủy văn

công trình là một bộ phận trong khoa học thủy văn, nghiên cứu nguồn nước và

dòng chảy, điều tra, đo đạc, thu thập, phân tích xử lý số liệu và cung cấp các

phương pháp tính toán nguồn nước - dòng chảy để phục vụ công tác quy hoạch,

thiết kế, xây dựng, quản lý, khai thác vận hành các công trình giao thông, thủy

lợi, thủy điện, xây dựng, các công trình chính trị sông, gia cố và bảo vệ bờ và

các công trình có liên quan đến nước khác.

Nước trong tự nhiên là một loại tài nguyên thiên nhiên quý giá và có hạn.

Nước chi phối mọi hoạt động dân sinh kinh tế của con người, là yếu tố quyết

định đến sự tồn tại và phát triển môi trường sống. Các nền văn minh sớm nhất

của loài người được phát triển dọc theo các con sông có nguồn nước ổn định và

phong phú như: nền văn minh Ai Cập bên dòng sông Nile, nền văn minh Lưỡng

Hà gắn với hai dòng sông Euphrates và Tigris, nền văn minh Ấn Độ phát triển

dọc theo sông Ấn và sông Hằng, nền văn minh Trung Quốc được hình thành

trên lưu vực sông Trường Giang và Hoàng Hà... Ở Việt Nam, nền văn minh

sông Hồng là nền văn minh lúa nước lâu đời, có văn hóa đặc sắc hình thành và

phát triển trên lưu vực sông Hồng. Ngày nay, nước được sử dụng rộng rãi trong

sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, thủy điện, giao thông vận tải, chăn nuôi,

thuỷ sản... Ở những vùng sa mạc và bán sa mạc, nước còn có chức năng xã hội,

sự thiếu hụt nguồn nước là nhân tố hạn chế đến sự phát triển kinh tế và xã hội.

Bởi vậy, tài nguyên nước được coi là một loại hàng hoá đặc biệt.

Trên hành tinh chúng ta, nước tồn tại dưới ba dạng cơ bản như: dạng lỏng,

dạng rắn và hơi nước. Nước trên trái đất phân bố ở các đại dương, biển, sông,

suối, ao, hồ, đầm lầy, nước ngầm, trong không khí, băng tuyết và các dạng liên

kết khác. Theo số liệu ước tính của UNESCO (1978), tổng lượng nước trên trái

đất khoảng 1.385.984.610 km3

.Trong đó, nước mặn tồn tại trong các biển và đại

6

dương xấp xỉ 1.344.405.000 km3 (chiếm 97%). Nước ngọt trên trái đất chiếm tỷ lệ

rất nhỏ chỉ vào khoảng 3%. Nước ngọt tồn tại ở dạng: nước ngầm, nước mặt,

dạng băng tuyết và các dạng khác. Lượng nước ở dạng băng, tuyết chiếm tỷ lệ cao

nhất (xấp xỉ 68,7%), nước ngọt ở các tầng ngầm dưới đất chiếm tỷ lệ vào khoảng

30,1%, trong khi đó nước trong hệ thống sông suối chỉ chiếm khoảng 0,006%

tổng lượng nước ngọt trên trái đất, một tỷ lệ rất nhỏ (bảng 1.1 và hình 1.1).

Bảng 1.1. Ước lượng nước trên trái đất

Hạng mục Diện tích

(106 Km2

)

Thể tích

(Km3

)

Tổng

lượng

nước

(%)

Tổng

lượng

nước

ngọt

(%)

1. Đại dương 361,3 1.344.405.000 97,0

2. Nước ngầm

- Nuớc ngọt 134,8 10.530.000 0,76 30,1

- Nước nhiễm mặn 134,8 12.870.000 0,53

- Lượng ẩm trong đất 82,0 16.500 0,0012 0,05

3. Băng tuyết

- Băng ở các cực 16,0 24.023.500 1,7 68,6

- Các loại băng tuyết khác 0,3 340.600 0,025 1,0

4. Hồ, đầm

- Nước ngọt 1,2 91.000 0,007 0,26

- Nhiễm mặn 0,8 85.400 0,006

- Đầm lầy 2,7 11.470 0,0008 0,03

5. Sông ngòi 148,8 2.120 0,0002 0,006

6. Nước sinh học 510,0 1.120 0,0001 0,003

7. Nước trong khí quyển 510,0 12.900 0,001 0,04

Tổng cộng 510,0 1.385.984.610 100

Nước ngọt 148,8 41.579.000 3,0 100

7

Hình 1.1. Phân bố nguồn nước trên trái đất

Sự phân bố tài nguyên nước rất không đều theo không gian. Trên trái đất có

vùng có lượng mưa khá phong phú, nhưng lại có những vùng khô hạn. Các vùng

nhiều mưa (lượng mưa > 2000 mm trong năm) trên thế giới phân bố như sau: vùng

Nam Mỹ (trừ vùng giáp Thái Bình Dương); vùng núi Anpơ, Nauy ở châu Âu; vùng

Tây Phi; Philipin, Nhật Bản, Malayxia, Campuchia, Việt Nam ở châu Á.

Đồng thời tài nguyên nước phân bố cũng rất không đều theo thời gian.

Trong thời gian một năm, có thời kỳ nhiều nước (mùa mưa) và có thời kỳ ít

nước (mùa khô). Sự phân bố nguồn nước theo thời gian phụ thuộc chủ yếu vào

yếu tố địa lý.

1.1.2. Chu trình thủy văn

Các dạng tài nguyên nước (nước mặt, nước ngầm, nước trên đại dương,

nước trong khí quyển) thay đổi theo không gian và thời gian và nằm trong chu

trình tuần hoàn nước toàn cầu (hình 1.2). Khoảng không gian của chu trình đó

gọi là thuỷ quyển.

Nước bốc hơi từ các đại dương và lục địa trở thành một bộ phận của khí

quyển. Hơi nước được vận chuyển vào bầu không khí, bốc lên cao cho đến khi

chúng ngưng kết và rơi trở lại mặt đất hoặc mặt biển. Lượng nước rơi xuống mặt

đất một phần bị giữ lại bởi cây cối, chảy tràn trên mặt đất thành dòng chảy trên

sườn dốc, thấm xuống đất, chảy trong đất thành dòng chảy sát mặt đất và chảy

vào các dòng sông thành dòng chảy mặt. Phần lớn lượng nước bị giữ lại bởi

thảm phủ thực vật và dòng chảy mặt sẽ quay trở lại bầu khí quyển qua con

đường bốc hơi và thoát hơi thực vật. Lượng nước ngấm trong đất có thể thấm

8

sâu hơn xuống những lớp đất bên dưới để cấp nước cho các tầng nước ngầm và

sau đó xuất lộ thành các dòng suối hoặc chảy dần vào sông ngòi thành dòng

chảy mặt và cuối cùng đổ ra biển hoặc bốc hơi vào khí quyển.

Hình 1.2. Vòng tuần hoàn nước và cân bằng nước toàn cầu

với 100 đơn vị mưa trên lục địa

(Tương ứng với 100 đơn vị mưa trên lục địa có 38 đơn vị chảy dòng chảy mặt ra

biển; 1 đơn vị chảy ngầm ra biển; 61 đơn vị bốc hơi từ lục địa; tương ứng có 424

đơn vị bốc hơi từ đại dương và 385 đơn vị mưa xuống đại dương).

1.1.3. Các thuộc tính và đặc trưng biểu thị nguồn nước

Nước có hai thuộc tính cơ bản là có lợi và gây hại. Nước là động lực cho

các hoạt động phát triển kinh tế xã hội của con người, song nó cũng gây ra

những hiểm họa ghê gớm cho con người. Những trận lũ lớn, lũ quét, bão có thể

gây ra thiệt hại cực kỳ nghiêm trọng về người và tài sản, có thể tàn phá các vùng

dân cư, phá hủy cân bằng sinh thái ở những vùng mà nó đi qua.

Một trong những đặc thù quan trọng nữa của nguồn nước đó là có trữ lượng

hàng năm không phải là vô tận, sự biến đổi của nó không vượt qua một giới hạn

nào đó và không phụ thuộc vào mong muốn của con người.

Tài nguyên nước được đánh giá bởi ba đặc trưng quan trọng: lượng, chất

lượng và động thái của nó:

 Lượng nước: Tổng lượng nước sinh ra trong một khoảng thời gian một

9

năm hoặc một thời kỳ nào đó trong năm. Nó biểu thị mức độ phong phú của tài

nguyên nước trên một vùng lãnh thổ.

 Chất lượng nước: Bao gồm các đặc trưng về hàm lượng của các chất

hoà tan và không hoà tan trong nước (có lợi hoặc có hại theo tiêu chuẩn sử dụng

của đối tượng sử dụng nước).

 Động thái của nước được đánh giá bởi sự thay đổi của các đặc trưng

dòng chảy theo thời gian, sự trao đổi nước giữa các khu vực chứa nước, sự vận

chuyển và quy luật chuyển động của nước trong sông, sự chuyển động của nước

ngầm, các quá trình trao đổi chất hoà tan, truyền mặn.

Nguồn nước trên trái đất là rất lớn nhưng chỉ nước ngọt mới là yêu cầu cơ

bản cho hoạt động dân sinh kinh tế của con người. Khi sự phát triển dân sinh

kinh tế còn ở mức thấp, nước chỉ mới được coi là môi trường cần thiết cho sự

sống của con người. Trong quá trình phát triển, càng ngày càng có sự mất cân

đối giữa nhu cầu dùng nước và nguồn nước. Các hoạt động kinh tế - xã hội của

con người càng phát triển, nguồn nước ngày càng có nguy cơ bị cạn kiêt, suy

thoái. Khi đó nước được coi là một loại tài nguyên quý cần được bảo vệ và quản

lý. Các luật về nước ra đời và cùng với nó ở mỗi quốc gia đều có một tổ chức để

quản lý nghiêm ngặt loại tài nguyên này.

Trong quy hoạch sử dụng khai thác nguồn nước, tài nguyên nước được

kiểm kê đánh giá theo các đặc trưng trên.

1.2. Nội dung và nhiệm vụ của môn học thủy văn công trình

Khoa học thủy văn được chia ra nhiều chuyên ngành chuyên sâu theo phạm

vi nghiên cứu và ứng dụng như: Khí tượng học, Thủy văn đất liền, Thủy văn

biển và đại dương, Địa chất thủy văn, Thủy văn nông nghiệp, Thủy văn công

trình...

Để thuận tiện cho việc hệ thống kiến thức và ứng dụng vào phạm vi nghiên

cứu, nội dung môn học Thủy văn công trình được chia thành hai phần chính:

 Thủy văn đại cương: Cung cấp những kiến thức cơ bản về tổng quan tài

nguyên nước, đặc điểm các yếu tố khí tượng thủy văn, quá trình mưa và sự hình

thành dòng chảy trên lưu vực và tính quy luật của dòng chảy sông ngòi, các

phương pháp đo đạc, tính toán và thu thập tài liệu khí tượng thủy văn.

 Thủy văn công trình: Cung cấp các phương pháp ứng dụng những kiến

thức của thủy văn đại cương và các phương pháp tính toán hiện đại để tính toán

các đặc trưng thủy văn phục vụ công tác quy hoạch, thiết kế và thi công các

10

công trình có liên quan đến nước như: công trình giao thông, thủy lợi, thủy điện,

xây dựng dân dụng và công nghiệp... Các đặc trưng thủy văn cần phải xác định

làm cơ sở quy hoạch và thiết kế công trình gọi là các đặc trưng thủy văn thiết kế.

Nhiệm vụ và yêu cầu tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế tùy thuộc nhiệm

vụ quy hoạch và thiết kế công trình.

1.3. Đặc điểm của hiện tượng thủy văn và phương pháp nghiên cứu

1.3.1. Đặc điểm của hiện tượng thủy văn

Các hiện tượng thủy văn là kết quả sự tác động của nhiều nhân tố tự nhiên.

Dòng chảy sinh ra trên mặt đất phụ thuộc vào mưa, điều kiện địa hình địa chất,

thảm phủ thực vật, thổ nhưỡng, độ nhám bề mặt lưu vực... Đó là một quá trình

tự nhiên với đầy đủ tính chất vật lý của nó, biểu hiện phạm trù nguyên nhân và

hậu quả. Nếu biểu diễn một cách hình thức quan hệ của dòng chảy sông ngòi với

nhân tố tự nhiên tác động lên nó dưới dạng:

Y  f ( X ,Z ) (1.1)

Trong đó:

X là tập hợp các yếu tố khí tượng, khí hậu tham gia vào sự hình thành dòng

chảy sông ngòi, được biểu thị dưới dạng vectơ như sau:

X = (x1, x2, ..., xi, ..., xn) (1.2)

với x1, x2, ..., xi, ..., xn là các đặc trưng khí tượng, khí hậu như: mưa, bốc

hơi, gió, nhiệt độ, áp suất không khí...

Z là tập hợp các đặc trưng mặt đệm tác động lên sự hình thành dòng chảy

sông ngòi, được biểu thị dưới dạng vectơ như sau:

Z = (z1, z2, ..., zi, ..., zm) (1.3)

với z1, z2, ..., zi, ..., zm là các đặc trưng mặt đệm như: diện tích lưu vực, độ

dốc lưu vực, điều kiện địa hình, địa chất, lớp phủ thực vật...

Nhóm các yếu tố khí tượng, khí hậu X biến động lớn theo thời gian, thường

gọi là nhóm biến đổi nhanh. Sự biến đổi của các yếu tố trong này vừa mang tính

chu kỳ, vừa mang tính ngẫu nhiên. Tính chu kỳ phản ảnh quy luật thay đổi của xu

thế bình quân theo thời gian, tính ngẫu nhiên thể hiện ở sự xuất hiện một giá trị cụ

thể tại thời điểm nào đó của chu kỳ và sự lệch của nó so với giá trị bình quân.

Nhóm các nhân tố mặt đệm Z biến đổi chậm theo thời gian, thường gọi là

nhóm biến đổi chậm. Tổ hợp của hai nhóm nhân tố tham gia vào các quá trình

dòng chảy theo quan hệ (1.1) quyết định tính chất của hiện tượng thủy văn, do

đó hiện tượng thủy văn vừa mang tính tất định, vừa mang tính ngẫu nhiên.

11

 Tính chất tất định của hiện tượng thủy văn thể hiện ở các mặt sau:

- Sự thay đổi có chu kỳ của các xu thế bình quân theo thời gian: chu kỳ một

năm (mùa lũ, mùa kiệt); chu kỳ nhiều năm (nhóm năm ít nước, nhóm năm nhiều

nước, nhóm năm có lượng nước trung bình).

- Tính quy luật biểu thị mối quan hệ vật lý của các nhân tố ảnh hưởng (X,

Z) đến các đặc trưng dòng chảy Y. Mối quan hệ giữa các đặc trưng dòng chảy và

các nhân tố ảnh hưởng trong nhiều trường hợp có thể biểu diễn bằng mô hình

toán học dưới dạng các biểu thức toán học hoặc đồ thị.

- Sự biến đổi có quy luật theo không gian do bị chi phối bởi tính địa đới

của các hiện tượng khí hậu, khí tượng tổ hợp với những hình thế mặt đệm tương

đối ổn định của từng khu vực trên lãnh thổ. Nhờ đó, có thể tiến hành xây dựng

các bản đồ phân vùng hoặc các bản đồ đẳng trị các yếu tố khí tượng, thủy văn.

 Tính ngẫu nhiên:

Tính ngẫu nhiên của hiện tượng thủy văn phụ thuộc chủ yếu vào sự biến

đổi ngẫu nhiên của nhóm nhân tố khí hậu, khí tượng do đó các hiện tượng thủy

văn không lặp lại y nguyên về độ lớn cũng như về thời gian.

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu

Sự phát triển của các phương pháp tính toán thủy văn có quan hệ với những

tiến bộ khoa học khác như toán học ứng dụng, phương pháp tính và công cụ tính

toán, đặc biệt là sự phát triển của máy tính điện tử. Cùng với đó, hiện nay, quan

điểm hệ thống với sự ứng dụng lý thuyết phân tích hệ thống đã được áp dụng

rộng rãi trong tính toán thủy văn. Bởi vì sự hình thành và phát triển của hiện

tượng thủy văn nằm trong mối quan hệ tương tác giữa nó với những tác động

của con người ngày càng sâu vào trạng thái tự nhiên của nguồn nước.

Các phương pháp nghiên cứu và tính toán thủy văn có thể chia làm các

phương pháp sau:

1.3.2.1. Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành

Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành là phương pháp được xây

dựng dựa vào tính tất định của hiện tượng thủy văn. Phương pháp phân tích

nguyên nhân hình thành có thể chia thành các loại như sau:

(1) Phương pháp phân tích căn nguyên

Trên cơ sở phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến sự hình thành các quá trình

dòng chảy theo biểu thức (1.1), người ta thiết lập các mối quan hệ toán học giữa

các đặc trưng thủy văn với các đặc trưng biểu thị nhân tố ảnh hưởng; hoặc bằng

12

các biểu thức toán học, hoặc bằng các đồ thị, cao hơn nữa là các mô hình toán và

mô hình mô phỏng hệ thống. Các mô hình mô phỏng hệ thống hiện nay được sử

dụng rộng rãi trong tính toán thủy văn công trình.

(2) Phương pháp tổng hợp địa lý

Hiện tượng thủy văn mang tính địa đới, tính khu vực và biến đổi nhịp

nhàng theo không gian. Bởi vậy, có thể xây dựng các bản đồ phân vùng, bản đồ

đẳng trị các đặc trưng hoặc các tham số thủy văn. Bằng các bản đồ này có thể

nội suy, ngoại suy các đặc trưng cần xác định trong tính toán các yếu tố thủy

văn.

(3) Phương pháp lưu vực tương tự

Phương pháp lưu vực tương tự được sử dụng rộng rãi trong tính toán thủy

văn trong trường hợp tại khu vực cần nghiên cứu, tính toán không có tài liệu đo

đạc thủy văn.

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là: Các tham số và đặc trưng thủy

văn của lưu vực không có tài liệu quan trắc được suy ra từ lưu vực khác, có tài

liệu đo đạc thủy văn và có điều kiện hình thành dòng chảy tương tự như lưu vực

cần phải tính toán. Lưu vực có đủ tài liệu thủy văn, có thể sử dụng cho lưu vực

cần nghiên cứu, tính toán gọi là lưu vực tương tự. Hai lưu vực được gọi là tương

tự nếu như các điều kiện về mặt đệm, khí tượng, khí hậu tương tự nhau và tác

động của các nhân tố đó đến tham số hoặc đặc trưng thủy văn đang xem xét là

cũng tương tự nhau.

Gọi YA là tham số hoặc đặc trưng thủy văn cần tính toán đối với lưu vực A,

YB là tham số hoặc đặc trưng thủy văn cùng loại đối với lưu vực B.

YA = f1(X1, Z1)

YB = f2(X2, Z2)

Hai lưu vực được coi là tương tự nếu như mỗi phần tử tương ứng của X1 có

giá trị xấp xỉ với X2 và cũng như vậy đối với Z1 và Z2.

Trong trường hợp như vậy, YA có thể suy ra từ YB theo biểu thức (1.4) như

sau:

YA = YB hoặc YA = K.YB (1.4)

Trong đó K là hằng số, được sử dụng như một hệ số hiệu chỉnh.

1.3.2.2. Phương pháp thống kê xác suất

Hiện tượng thủy văn mang tính ngẫu nhiên, do đó có thể coi các đại lượng

đặc trưng là các đại lượng ngẫu nhiên và có thể áp dụng lý thuyết thống kê xác

13

suất để từ đó xác định các đặc trưng thủy văn thiết kế theo một tần suất thiết kế

đã được quy định theo quy phạm tùy theo cấp công trình.

1.3.2.3. Phương pháp viễn thám (Remote Sensing)

Trong thời gian gần đây phương pháp viễn thám được sử dụng nhiều

trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật trong đó có khoa học về trái đất. Viễn

thám là kỹ thuật và phương pháp thu nhận và phân tích thông tin từ một khoảng

cách nhất định mà không tiếp xúc trực tiếp với đối tượng nghiên cứu. Các thông

tin thu nhận là kết quả của việc giải mã hoặc đo đạc những biến đổi mà đối

tượng tác động đến môi trường xung quanh như trường điện từ, trường âm thanh

hoặc hấp dẫn. Tuy vậy kỹ thuật viễn thám thường được hiểu từ góc độ của kỹ

thuật điện tử, bao trùm mọi giải phổ của sóng điện từ; từ sóng radio tần số thấp

đến sóng siêu cao tần, sóng hồng ngoại, sóng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia

Gama. Một số ứng dụng kỹ thuật viễn thám trong lĩnh vực thuỷ văn như sau:

- Nghiên cứu tổng hợp lượng dòng chảy;

- Nghiên cứu đặc trưng hình thái lưu vực sông;

- Nghiên cứu cân bằng nước lưu vực;

- Tính toán dòng chảy bùn cát.

1.3.2.4. Công nghệ hệ thông tin địa lý (Geographic Infomation System - GIS)

Hệ thông tin địa lý (GIS) có thể được định nghĩa như là “một hệ thống các

phần cứng, phần mềm, các quá trình để lưu trữ, quản lý, thao tác, phân tích, mô

hình hoá, thể hiện và hiển thị các dữ liệu địa lý nhằm mục đích giải quyết các

vấn đề phức tạp liên quan đến quy hoạch và quản lý tài nguyên”.

GIS có chức năng quản lý dữ liệu thông tin thuộc dạng bản đồ, được chia

thành các lớp, cho phép chồng chập lên nhau để có một bức tranh mới về vùng

nghiên cứu, tính toán trên các thông tin có tính địa lý như: chiều dài, chu vi, diện

tích, mật độ sông suối… Việc truy xuất thông tin theo không gian hay thời gian

thực hiện trên GIS rất dễ dàng, tiện lợi. Phép chồng chập các lớp thông tin cho

phép mở rộng khả năng phân vùng theo điều kiện và kiểm tra tính đúng đắn giữa

các bản đồ.

Trong thực tế có thể phải sử dụng kết hợp các phương pháp trên đây. Mục

đích cuối cùng của tính toán thủy văn là xác định các đặc trưng thiết kế tương

ứng với tần suất đã quy định. Các đặc trưng đó có thể xác định trực tiếp bằng

14

phương pháp thống kê xác suất, hoặc xác định gián tiếp theo phương pháp phân

tích nguyên nhân hình thành kết hợp với phương pháp viễn thám hoặc GIS.

1.4. Sơ lược về lịch sử phát triển của thủy văn học

1.4.1. Lịch sử phát triển của thủy văn học trên thế giới

Thủy văn học có nguồn gốc lịch sử từ thời cổ xa xưa và có thể phân quá

trình phát triển thành một số giai đoạn.

1.4.1.1. Thời kỳ cổ đại

Từ khoảng 4000 năm trước người Ai Cập đã tiến hành quan trắc mực nước

sông Nile để phòng chống lũ. Các vùng thị trấn Lưỡng Hà (vùng nằm giữa hai

con sông Tigris và Euphrates, bao gồm lãnh thổ Iraq, Kuwait, Đông Syria, Đông

Nam Thổ Nhĩ Kỳ, và Tây Nam Iran) đã được bảo vệ khỏi lũ lụt bằng các tường

đất cao. Các ống dẫn nước được Hy Lạp và La Mã xây dựng ở thời kỳ này.

Người Sri Lanka cổ đã sử dụng thủy văn học để xây dựng các công trình tưới

tiêu của Sri Lanka cổ đại. Ở châu Á, người Trung quốc đã biết ghi chép quan

trắc về mưa, mưa tuyết, tuyết và gió trên các quẻ âm dương ngay từ năm 1200

trước công nguyên và xây dựng các công trình dẫn nước, kiểm soát lũ lụt.

1.4.1.2. Giai đoạn trước thế kỷ 18

Ngay trước thế kỷ thứ nhất trước Công nguyên, Marcus Vitruvius, một kỹ

sư, kiến trúc sư người Ý đã mô tả lý thuyết về chu trình thủy văn, trong đó mưa

rơi xuống vùng núi sẽ thấm xuống bề mặt trái đất và tạo ra các dòng chảy tới các

vùng đất thấp.

Trong giai đoạn này, việc quan trắc chủ yếu là tài liệu mực nước và việc

phân tích số liệu chủ yếu mang tính chất định tính, chưa có tính hệ thống. Đến

thời kỳ Phục hưng, Leonardo da Vinci và Bernard Palissy đã đưa ra khái niệm

chu trình nước và chế tạo được máy đo lưu tốc và xác định lưu lượng dòng chảy

trong các sông suối vào thế kỷ 15.

1.4.1.3. Giai đoạn từ thế kỷ 18 đến 1960

Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ và quan trọng nhất của ngành thủy văn

nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển của hệ thống công trình giao thông và thủy lợi.

- Đi tiên phong trong khoa học thủy văn hiện đại phải kể đến Pierre

Perrault (Pháp) đã có công trình nghiên cứu về các quan hệ mưa rào - dòng chảy