GIÁO TRÌNH THỦY VĂN

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

147
lượt xem 36
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trên trái đất, nước là loại vật chất phong phú nhất, là thành phần cấu tạo chính của mọi vật thể sống, là lực lượng chủ lực không ngừng làm thay đổi hình thể bề mặt trái đất. Nước giữ vai trò then chốt trong việc điều hòa nhiệt độ quả đất, bảo đảm cho sự sinh tồn của nhân loại. Sông ngòi và nền kinh tế Quốc dân liên hệ với nhau rất chặt chẽ. Muốn sống và tồn tại, con người cần có nước. Người ta có thể nhịn đói được, nhưng không thể nhịn khát....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: GIÁO TRÌNH THỦY VĂN

MÔÛ ÑAÀU Chöông 1: 1.1 GIÔÙI THIEÄU CHUNG VEÀ SOÂNG NGOØI VAØ NEÀN KINH TEÁ QUOÁC DAÂN. Treân traùi ñaát, nöôùc laø loaïi vaät chaát phong phuù nhaát, laø thaønh phaàn caáu taïo chính cuûa moïi vaät theå soáng, laø löïc löôïng chuû löïc khoâng ngöøng laøm thay ñoåi hình theå beà maët traùi ñaát. Nöôùc giöõ vai troø then choát trong vieäc ñieàu hoøa nhieät ñoä quaû ñaát, baûo ñaûm cho söï sinh toàn cuûa nhaân loaïi. Soâng ngoøi vaø neàn kinh teá Quoác daân lieân heä vôùi nhau raát chaët cheõ. Muoán soáng vaø toàn taïi, con ngöôøi caàn coù nöôùc. Ngöôøi ta coù theå nhòn ñoùi ñöôïc, nhöng khoâng theå nhòn khaùt. Trong ñieàu kieän phaùt trieån kinh teá hieän nay, moïi hoaït ñoäng cuûa con ngöôøi ñeàu lieân quan ñeán vieäc khai thaùc vaø söû duïng nguoàn nöôùc. Nöôùc ñeå phuïc vuï ruoäng ñoàng, phuïc vuï sinh hoaït haøng ngaøy, nöôùc laøm laïnh noài hôi, maùy moùc, nöôùc phuïc vuï giao thoâng vaän taûi, quoác phoøng, naêng löôïng nöôùc laøm ra ñieän,.. Theo soá lieäu sô boä, nöôùc ta coù treân 1000 soâng, suoái vôùi tröõ naêng tieàm taøng khoaûng 260-280 tyû KW/h. Trong ñoù, soâng Ñaø, soâng Loâ, soâng Ñoàng Nai coù nguoàn naêng löôïng raát lôùn. Nhieàu nhaø maùy thuûy ñieän lôùn ôû nöôùc ta ñöôïc xaây döïng: Hoaø Bình, Trò An, Thaùc Baø, Ña Nhim, vaø nhieàu nhaø maùy khaùc ñang xaây döïng. Beân caïnh ñoù, taùc haïi maø soâng ngoøi ñem ñeán cho chuùng ta khoâng ít. Luõ luït ñaõ ñem laïi cho chuùng ta bao nhieâu cheát choùc ñau thöông. Doøng chaûy trong nhöõng ñoaïn soâng quanh co ñaõ loâi cuoán ñi haøng vaïn meùt ñaát, laøm suïp lôõ bôø, nhaø cuûa, con ngöôøi tieâu tan. Lôïi vaø haïi laø hai maët traùi phaûi cuûa doøng soâng. Chuùng ta caàn nghieân cöùu kyõ löôõng ñeå lôïi duïng vaø chinh phuïc noù, baét noù phaûi phuïc vuï cho cuoäc soáng cuûa con ngöôøi. http://www.ebook.edu.vn
1.2 NHIEÄM VUÏ VAØ NOÄI DUNG MOÂN HOÏC. Thuûy vaên laø ngaønh khoa hoïc nghieân cöùu moïi pha khaùc nhau cuûa nöôùc treân traùi ñaát, coù vò trí quan troïng ñoái vôùi con ngöôøi vaø moâi tröôøng. Caùc thaønh töïu cuûa thuyû vaên ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong nhieàu laõnh vöïc khaùc nhau nhö: thieát keá vaø vaän haønh caùc coâng trình thuûy, caáp nöôùc ñoâ thò, boá trí vaø xöû lyù caùc nguoàn nöôùc thaûi, töôùi tieâu, saûn xuaát naêng löôïng ñieän, phoøng choáng luõ luït, xoùi lôû bôø, boài laéng phuø sa, ngaên maën, giaûm nheï oâ nhieãm, .. Nhieäm vuï cuûa Thuûy vaên laø giuùp phaân tích caùc vaán ñeà tính toaùn nhö treân vaø cung caáp chæ daãn söû duïng vaø baûo veä nguoàn taøi nguyeân nöôùc. Ñoái töôïng nghieân cöùu cuûa Thuûy Vaên laø caùc loaïi nöôùc khaùc nhau treân traùi ñaát, söï phaân boá, vaän ñoäng , caùc ñaëc tinh vaät lyù, hoùa hoïc cuûa chuùng, caùc taùc ñoäng qua laïi ñoái vôùi moâi tröôøng chung quanh vaø con ngöôøi. Thuûy vaên coù theå ñöôïc xem laø ngaønh khoa hoïc chöùùa ñöïng toaøn boä caùc ngaønh khoa hoïc khaùc veà nöôùc hay noùi caùch khaùc, ñaây laø ngaønh khoa hoïc nghieân cöùu veà voøng tuaàn hoaøn Thuûy vaên, veà chu trình vaän ñoäng vónh cöûu cuûa nöôùc giöõa maët ñaát vaø baàu khí quyeån. Caùc kieán thöùc thuûy vaên ñöôïc aùp duïng trong vieäc ñieàu khieån vaø aùp duïng nguoàn taøi nguyeân nöôùc treân ñaát lieàn. Trong ñaïi döông, nöôùc thuoäc phaïm vi nghieân cöùu cuûa Haûi döông hoïc. 1.3 VOØNG TUAÀN HOAØN THUÛY VAÊN. Nöôùc treân traùi ñaát toàn taïi trong moät khoaûng khoâng gian goïi laø thuyû quyeån (töø ñoä cao 15 km treân baàu khí quyeãn ñeán saâu trong thaïch quyeån 1 km. Trong voøng thuyû quyeån, nöôùc vaän ñoäng voâ cuøng phöùc taïp, caáu taïo thaønh voøng tuaàn hoaøn thuûy vaên (hay coøn goïi laø chu trình thuûy vaên) nhö hình 1.1 Nöôùc boác hôi töø caùc ñaïi döông vaø luïc ñòa trôû thaønh moät boä phaän cuûa khí quyeån, hôi nöôùc boác leân cao, gaëp laïnh, hoäi ñuû ñieàu kieän, chuùng seõ ngöng tuï vaø rôi trôû laïi maët ñaát, maët bieån. Löôïng nöôùc rôi xuoáng maët ñaát coù theå bò ngaên giöõ laïi bôûi caùc röøng caây , roài chaûy treân caùc söôøn doác, thaám vaøo loøng ñaát thaønh doøng nöôùc ngaàm, chaûy vaøo caùc loøng soâng http://www.ebook.edu.vn
thaønh doøng chaûy maët. Phaàn lôùn löôïng nöôùc ñöôïc caùc lôùp thaûm thöïc vaät giöõ laïi, , vaø moät phaàn doøng chaûy maët seõ quay laïi baàu khí quyeån qua con ñöôøng boác hôi, phaàn coøn laïi ñoå ra bieån, vaø cuõng seõ boác hôi. Doøng chaûy ngaàm seõ ôû saâu trong loøng ñaát, ñeán taàng khoâng thaám, vaø seõ xuaát loä thieân ra caùc doøng suoái chaûy daàn vaøo soâng, cuoái cuøng cuõng boác hôi hoaëc ñoå ra bieån. Hôi aåm chuyeàn Möa rôi vaøo maët ñaát Möa treân maët ñaát xuoáng ñaïi döông Boác hôi töø maët ñaát Doøng chaûy maët Maët ñaát Boác hôi töø ñaïi Doøng chaûy maët döông Taàng thaám Doøng chaûy ngaàm Taàng khoâng thaám Bieån H. 1.1 Tuaàn hoaøn Thuûy vaên Theo thoáng keâ cuûa Ven Techow, neáu toång löôïng nöôùc treân traùi ñaát laø 100%, thì 96,5% laø nöôùc ñaïi döông, 1,7% laø baêng ôû hai cöïc, 1,7% laø nöôùc ngaàm, chæ coù 0,1% laø nöôùc maët vaø hôi nöôùc trong khoâng khí 1.4 PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU CAÙC HIEÄN TÖÔÏNG THUÛY VAÊN 1. Phöông phaùp “Phaân tích nguyeân nhaân hình thaønh” Hieän töôïng thuûy vaên laø keát quaû cuûa nhieàu nguyeân nhaân khaùc. Doøng chaûy sinh ra treân maët ñaát phuï thuoäc vaøo möa, ñieàu kieän ñòa chaát, lôùp phuû thöïc vaät, ñòa hình, löu vöïc…Vì theá, ñeå nghieân cöùu hieän töôïng thuyû http://www.ebook.edu.vn
vaên, ngöôøi ta duøng phöông phaùp “Phaân tích nguyeân nhaân hình thaønh” Theo phöông phaùp naøy, ngöôøi ta xaây döïng caùc moâ hình lyù cuûa doøng chaûy ñeå nghieân cöùu, boá trí vaø ño ñaïc caùc ñaëc tröng thuûy löïc treân soâng ñeå thu thaäp soá lieäu. Ngaøy nay, khi phöông phaùp soá ñaõ vaø ñang phaùt trieån, ngöôøi ta coøn söû duïng caùc moâ hình toaùn ñeå nghieân cöùu doøng chaûy vaø ñaùnh giaù aûnh höôûng cuûa chuùng ñeán moâi tröôøng. 2. Phöông phaùp “Toång hôïp ñòa lyù” Döïa theo phöông phaùp naøy, ngöôøi ta nghieân cöùu söï quan heä cuûa caùc ñaëc tröng thuûy vaên vôùi ñieàu kieän caûnh quan ñòa lyù cuûa löu vöïc. Treân cô sôû phöông phaùp naøy, ngöôøi ta xaây döïng caùc baûn ñoà ñaúng trò, hoaëc baûn ñoà phaân vuøng caùc ñaëc tröng doøng chaûy. 3. Phöông phaùp “Löu vöïc töông töï” Coù theå xem ñaây laø söï phaùt trieån cuûa phöông phaùp toång hôïp ñòa lyù. Phöông phaùp naøy duøng ñeå nghieân cöùu moät löu vöïc khoâng coù ñaày ñuû caùc soá lieäu thuyû vaên. Ngöôøi ta choïn moät löu vöïc naøo ñoù coù caùc ñieàu kieän ñòa hình töông töï vaø möôïn caùc ñaëc tröng cuûa löu vöïc naøy cho löu vöïc nghieân cöùu. Caùc ñaëc tröng naøy coù theå duøng tröïc tieáp, hoaëc hieäu chænh laïi baèng caùc heä soá. Phöông phaùp naøy hieän duøng khaù phoå bieân ñoái vôùi nöôùc ta, khi maø chuoãi soâ lieäu thuûy vaên coøn chöa ñuû. 4. Phöông phaùp “Thoáng keâ” Xuaát phaùt cuûa phöông phaùp naøy cho raèng hieän töôïng thuûy vaên laø keát quaû cuûa nhieàu nhaân toá phöùc taïp. Caùc nhaân toá naøy laïi phuï thuoäc vaøo caùc ñieàu kieän phöùc taïp khaùc, maø trong thöïc teá khoâng theå xeùt heát ñöôïc. Vì theá caùc hieän töôïng treân ñöôïc gheùp vaøo caùc hieän töôïng ngaãu nhieân, phuïc tuøng quy luaät soá lôùn, coù theå nghieân cöùu ñöôïc baèng phöông phaùp xaùc suaát thoáng keâ. Phöông phaùp naøy phaùt trieån maïnh meõ trong nghieân cöùu thuûy vaên, nhaát laø trong tính toaùn thuûy vaên coâng trình, khi maø ngöôøi ta khoâng caàn bieát ñieàu kieän, hoaøn caûnh hoaëc trình töï xaûy ra moät hieän töôïng naøo ñoù, maø chæ caàn bieátkhaû naêng xaûy ra hieän töôïng ñoù trong moät khoaûng thôøi gian nhaát ñònh http://www.ebook.edu.vn
1.5 SÖÏ PHAÂN BOÁ NÖÔÙC TREÂN TRAÙI ÑAÁT Tröõ löôïng nöôùc treân traùi ñaát theo taøi lieäu cuûa M.I.Lôvovitra Caùc thaønh phaàn Theå tích Chieám tyû leä 1000km3 % Nöôùc trong ñaïi döông 1.70.23 94,20 Nöôùc ngaàm ñeán ñoä saâu 5km 64.000 4,39 Caùc lôùp baêng 24.000 1,65 Nöôùc ao hoà 230 0,016 Nöôùc trong ñaát 75 0,005 Hôi nöôùc trong khí quyeån 14 0,001 Nöôùc soâng ngoøi, suoái 1,2 0,0001 Toång tröõ löôïng 1.454.643 100 1.6 LÖU VÖÏC Ñònh nghóa löu vöïc: Löu vöïc cuûa moät con soâng laø phaàn maët ñaát maø töø ñoù nöôùc chaûy vaøo soâng. Ñaây laø khu vöïc taäp trung nöôùc cho con soâng. Ñöôøng cong kheùp kín bao quanh, phaân chia caùc löu vöïc, maø töø ñoù, nöôùc chaûy veà caùc caùc phía cuûa caùc löu vöïc khaùc nhau goïi laø ñöôøng phaân nöôùc. Nöôùc chaûy vaøo soâng töø doøng nöôùc maët vaø nöôùc ngaàm neân coù hai döôøng phaân nöôùc: ñöôøng phaân nöôùc maët vaø ñöôøng phaân nöôùc ngaàm. Trong thöïc teá raát khoù xaùc ñònh ñöôøng phaân nöôùc ngaàm neân thöôøng laát ñöôøng phaân nöôùc maët laøm ñöôøng phaân nöôùc cuûa löu vöïc, ñaây laø ñöôøng cong kheùp kín noái caùc ñieåm chung quanh löu vöïc http://www.ebook.edu.vn
1.7 CAÂN BAÈNG NÖÔÙC Ñoái vôùi baát kyø moät löu vöïc naøo ñoù, trong moät thôøi gian nhaát ñònh, quan heä thay ñoåi cuûa caùc yeáu toá thuûy vaên (möa, boác hôi, doøng chaûy) phaûi tuaân theo quy luaät sau: Cho moãi löu vöïc, löôïng nöôùc ñeán, sau khi tröø bôùt ñi löôïng nöôùc tröõ laïi trong löu vöïc (hoaëc coäng theâm löôïng nöôùc maát ñi trong löu vöïc), phaûi baèng löôïng nöôùc ñi khoûi löu vöïc. Ñaây laø nguyeân lyù caân baèng nöôùc. Ñaây laø cô sôû chuû yeáu ñeå phaân tích nguyeân nhaân hình thaønh doøng chaûy veà maët ñònh tính vaø ñònh löôïng. Döïa vaøo nguyeân lyù caân baèng naøy, ta coù theå xaây döïng caùc phöông phaùp tính toaùn thuûy vaên trong tröôøng hôïp thieá soá lieän doøng chaûy. Ta coù caùc ví duï sau ñaây veà caân baèng nöôùc: 1. Caân baèng nöôùc thoâng duïng: Cho moät löu vöïc baát kyø, trong moät thôøi gian nhaát ñònh, xeùt löôïng nöôùc ñeán vaø löôïng nöôùc ñi, ta laäp ñöôïc phöông trình caân baèng nöôùc nhö sau: Löôïng nöôùc ñeán goàm coù: X: Löôïng möa bình quaân treân löu vöïc Z1: Löôïng nöôùc ngöng tuï treân maët löu vöïc Y1: Löôïng doøng chaûy maët ñeán löu vöïc. W1: Löôïng doøng chaûy ngaàm ñeán löu vöïc U1: Löôïng nöôùc tröõ trong löu vöïc ôû ñieåm thôøi gian ñaàu. Löôïng nöôùc ñi goàm coù: Z2: Löôïng nöôùc boác hôiï treân maët löu vöïc Y2: Löôïng doøng chaûy maët ñi khoûi löu vöïc. W2: Löôïng doøng chaûy ngaàm ñi khoûi löu vöïc U2: Löôïng nöôùc tröõ trong löu vöïc ôû ñieåm thôøi gian cuoái. Ta coù phöông trình caân baèng nöôùc nhö sau: (1.1) X+Z1+Y1+W1+U1=Z2+Y2+W2+U2 http://www.ebook.edu.vn
2. Caân baèng nöôùc cuûa löu vöïc kín trong thôøi ñoaïn baát kyø: Löu vöïc kín laø löu vöïc coù ñöôøng phaân nöôùc maët vaø ñöôøng phaân nöôùc ngaàm truøng nhau, do ñoù khoâng coù nöôùc maët vaø nöôùc ngaàm töø löu vöïc khaùc chaûy ñeán, Y1=0 vaø W1=0. Thoâng thöôøng ñaây laø löu vöïc cho nhöõng soâng lôùn, khi maø nöôùc cuûa noù cung caáp cho nhöõng soâng nhoû vaø vöøa X+Z1+U1=Z2+Y2+W2+U2 (1.2) 3. Caân baèng nöôùc cuûa löu vöïc kín trong nhieàu naêm: Trong nhieàu naêm, ta tính bình quaân, cheânh leäch löôïng nöôùc tröõ trong löu vöïc khoâng ñaùng keå, do ñoù ñoái vôùi löu vöïc kín, ta coù: X+Z1=Z2+Y2+W2 (1.3) 1.8 CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG THUÛY VAÊN vaø KHAÙI NIEÄM CAÀN THIEÁT: 1. Möïc nöôùc : z 2. Ñöôøng doøng, oáng doøng, doøng nguyeân toá 3. Dieän tích maët caét öôùt: A 4. Chu vi öôùt: χ 5. Baùn kính thuûy löïc: R 6. Löu löôïng nöôùc: Q 7. Vaän toác doøng chaûy:V T 8. Toång löôïng nöôùc: W = ∫ Qdt 0 9. Module doøng chaûy : M=103Q/F Trong ñoù F: dieän tích löu vöïc 10. Ñoä saâu doøng chaûy: (Y) Laø chieàu daøy lôùp nöôùc bình quaân ñöôïc sinh ra treân beà maët löu vöïc sau moät khoaûng thôøi gian naøo ñoù : W Y= 10 3 F http://www.ebook.edu.vn
11. Haøm löôïng buøn caùt : laø khoái löôïng buøn caùt trong moät ñôn vò theå tích maãu nöôùc. (g/m3) 12. Ñoä maën nguoàn nöôùc: S%: soá g muoái caùt trong moät ñôn vò theå tích maãu nöôùc. 13. Ñoä chua nöôùc soâng: haøm löôïng axít (hoaëc goác axít) coù chöùa trong nöôùc laøm nöôùc bò chua, bieåu thò baèng chæ soá pH: pH=-lg[H+] vôùi [H+]laø noàng ñoä ion goác axít 14. Ñoä nhieãm baån nguoàn nöôùc ( BOD, COD, DO ñôn vò mg/l). BOD: Biology Oxigen Demand: nhu caàu oxi hoaù bieåu thò möùc ñoä oâ nhieãm caùc chaát höõu cô. COD: Chemical Oxigen Demand: nhu caàu oxi hoaù bieåu thò möùc ñoä oâ nhieãm caùc chaát voâ cô vaø kim loaïi ñoäc haïi. DO: Dissolved Oxigen : löôïng oxy hoaø tan trong nöôùc. Trong ñieàu kieän bình thöôøng, DO ñaït baõo hoaø trong nöôùc ôû 7,8 mg/l Neáu DO>5mg/l thì nöôùc ñöôïc coi laø saïch. http://www.ebook.edu.vn
Chöông2: QUAÙ TRÌNH THUÛY VAÊN Caùc quaù trình thuûy vaên laøm bieán ñoåi phaân boá khoâng gian vaø thôøi gian cuûa nöôùc trong moïi khaâu cuûa voøng tuaàn hoaøn thuûy vaên. Söï vaän ñoäng cuûa nöôùc trong heä thoáng thuûy vaên chòu aûnh höôûng vaø chi phoái caùc tính chaát vaät lyù cuûa heä thoáng nhö hình daïng, kích thöôùc doøng chaûy vaø cuûa taùc ñoäng qua laïi giöõa nöôùc vôùi caùc ñoái töôïng trung gian khaùc trong ñoù coù khoâng khí vaø nhieät. Raát nhieàu ñònh luaät khaùc nhau ñieàu khieån hoaït ñoäng cuûa heä thoáng thuûy vaên. 2.1 KHAÙI NIEÄM VEÀ HEÄ THOÁNG THUÛY VAÊN: Heä thoáng laø moät taäp hoïp caùc thaønh phaàn coù quan heä lieân thoâng vôùi nhau taïo thaønh moät toång theå. Ví duï: tuaàn hoaøn thuûy vaên laø moät heä thoáng thuûy vaên vôùi caùc thaønh phaàn laø:nöôùc rôi, boác hôi, doøng chaûy vôùi caùc pha khaùc nhau cuûa chu trình. Caùc thaønh phaàn naøy coù theå taäp hoïp thaønh caùc heä thoáng con cuûa chu trình lôùn. Coù ba heä thoáng con trong tuaàn hoaøn thuûy vaên: Heä thoáng nöôùc khí quyeån, bao goàm caùc quaù trình nöôùc rôi, boác hôi, ngaên giöõ nöôùc bôûi caây coái, vaø boác thoaùt hôi töø sinh vaät. Heä thoáng nöôùc maët, bao goàm caùc quaù trình chaûy treân söôøn doác, chaûy maët, xuaát loä cuûa caùc doøng saùt maët, doøng ngaàm, quaù trình doøng chaûy ñoå vaøo soâng ngoøi, ñaïi döông. Heä thoáng nöôùc döôùi maët ñaát, bao goàm caùc quaù trình thaám, boå sung nöôùc cho kho nöôùc ngaàm, caùc doøng saùt maët ñaát vaø doøng ngaàm saâu trong loøng ñaát. Trong vieäc phaùt trieån caùc moâ hình thuûy vaên, ñònh lyù vaän taûi Reynolds (hay coøn goïi laø phöông trình theå tích kieåm tra ñaõ cho ta moät lyù thuyeát neàn taûng cô sôû. Ñònh lyù naøy ñöôïc söû duïng ñeå thieát laäp caùc phöông trình lieân tuïc, phöông trình ñoäng löôïng, phöông trình naêng löôïng… cuûa nhieàu quaù trình thuûy vaên. http://www.ebook.edu.vn
2.2 ÑÒNH LYÙ VAÄN TAÛI REYNOLDS. Trong ñònh lyù naøy, ngöôøi ta aùp duïng caùc ñònh luaät vaät lyù cho moät doøng chaát loûng chuyeån ñoäng lieân tuïc qua moät theå tích kieåm tra coá ñònh trong khoâng gian, coù theå tích laø W, ñöôïc bao quanh bôûi dieän tích A: W A1 A1 C B D Goïi X laø ñaïi löôïng naøo ñoù cuûa doøng löu chaát qua W, k laø giaù trò X trong moät ñôn vò khoái löôïng, ta coù X = ∫∫∫ kρdw w Baèng phöông phaùp theå tích kieåm soaùt, ta coù theå tìm ñaïo haøm toaøn phaàn cuûa X theo thôøi gian nhö sau: X t 2 − X t1 (X Ct 2 + X Dt 2 ) − (X Bt1 + X Ct1 ) dX lim lim = = dt Δt Δt Δt → 0 Δt → 0 (X Ct 2 + X Bt 2 ) − (X Bt1 + X Ct1 ) X Dt 2 − X Bt 2 lim + lim = Δt Δt Δt → 0 Δt → 0 ∂X ∂X + ∫∫ kρundA + ∫∫ kρu ndA = + ∫∫ kρundA = ∂t ∂t w w A1 A2 A (2.1) Neáu doøng löu chaát chuyeån ñoäng oån ñònh ( doøng oån ñònh laø doøng maø caùc ñaëc tröng thuûy löïc cuûa doøng (vaän toác, dieän tích maët caét öôùt, löu ∂X löôïng,..) khoâng thay ñoåi theo thôøi gian), thaønh phaàn = 0 ; ta suy ∂t w ra: dX ∫A∫ kρundA (2.2) = dt http://www.ebook.edu.vn
2.3 PHÖÔNG TRÌNH LIEÂN TUÏC. Trong tröôøng hôïp X laø khoái löôïng, ta coù k=1, vaø theo ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng, dX/dt=0, suy ra: ∫∫ ρundA = 0 ⇔ ∫∫ ρu n dA = 0 (2.3) A A dA2 Ñoái vôùi doøng nguyeân toá, löu chaát chæ vaøo u2ø moät ñaàu (dieän tích dA1), vaø ra ôû ñaàu kia dA1 (dA2), neân ta coù: u1 ρ1u1ndA1 ρ2u2ndA2 (2.4) = Phöông trình (2.4) laø phöông trình lieân tuïc cho doøng nguyeân toá. Ñoái vôùi toaøn doøng chaûy, ta phaûi laáy tích phaân phöông trình treân cho toaøn doøng, luùc aáy: ∫∫ ρ u dA 1 = ∫∫ ρ u dA 2 (2.5) 1n 2n 1 2 A1 A2 Neáu löu chaát laø khoâng neùn ñöôïc, ρ=conts, ta suy ra: Q1= Q2 hay Q=const doïc theo doøng chaûy (2.6) Ñoái vôùi moät heä thoáng thuûy vaên, neáu toång löôïng doøng vaøo baèng toång löôïng doøng ra thì heä thoáng ñöôïc goïi laø kín. Ví duï voøng tuaàn hoaøn thuûy vaên laø moät heä thoáng kín. Ngöôïc laïi, heä thoáng xem nhö laø hôû. Ví duï : quaù trình Möa raøo-doøng chaûy maët laø moät heä thoáng hôû vì khi möa xuoáng, khoâng taát caû ñeàu trôû thaønh doøng chaûy maø coøn moät phaàn ñaõ bay ngöôïclaïi khí quyeån baèng boác hôi. Caùc phöông trình lieân tuïc treân ñöôïc thieát laäp cho chaát loûng moät pha (hoaëc laø doøng khí, hoaëc laø doøng nöôùc. Ñoá vôùi doøng nhieàu pha (ví duï nhö khí vaø nöôùc), caàn vieát phöông trình lieân tuïc cho töøng pha rieâng bieät, vaø ñaïi löôïng dX/dt trong moãi pha seõ laø löôïng bieán ñoåi X trong moät ñôn vò thôøi gian cuûa doøng löu chaát theâm vaøo hoaëc laáy ra khoûi pha ñang xeùt. http://www.ebook.edu.vn
2.4 PHÖÔNG TRÌNH ÑOÄNG LÖÔÏNG. Khi X laø ñoäng löôïng, thì k=u, ta coù: X = ∫∫∫ uρdw . w Theo ñònh luaät 2 Newton, bieán thieân ñoäng löôïng trong moät ñôn vò thôøi gian baèng toång ngoaïi löïc taùc duïng leân khoái chaát loûng (coù theå tích w nhö treân). Ñoái vôùi doøng oån ñònh, töø phöông trình (2.2), ta coù: ρ ρ ∑ F = ∫∫ uρu dA = ∫∫ uρdQ (2.7) n A A Ñoái vôùi toaøn doøng chaûy töø maët caét 1-1 ñeán 2-2, phöông trình (2.7) trôû thaønh phöông trình ñoäng löôïng chieáu treân moät phöông s baát kyø: (∑ F) s = ρQ(α 01 V2s − α 02 V1s ) = ÑL ras − ÑL vaøos (2.8) vôùi α0 laø heä soá hieäu chænh ñoäng löôïng. 2.5 CAÂN BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG. Trong tröôøng hôïp X laø naêng löôïng cuûa doøng chaûy coù khoái löôïng m (kyù hieäu laø E, bao goàm noäi naêng, ñoäng naêng vaø theá naêng), ta coù: X = E = Eu+1/2mu2+mgZ (2.9) Vaäy k baèng: 12 k = eu + V + gZ (2.10) 2 trong ñoù eu laø noäi naêng treân moät ñôn vò khoái löôïng. Theo ñònh luaät I Nhieät ñoäng löïc hoïc, soá gia naêng löôïng (dE/dt) ñöôïc truyeàn vaøo chaát loûng trong moät ñôn vò thôøi gian, baèng suaát bieán ñoåi trong moät ñôn vò thôøi gian cuûa nhieät löôïng (dH/dt) truyeàn vaøo khoái chaát loûng ñang xeùt, tröø ñi suaát bieán ñoåi coâng (dW/dt) trong moät ñôn vò thôøi gian cuûa khoái chaát loûng ñoù thöïc hieân ñoái vôùi moâi tröôøng ngoaøi (ví duï trong quaù trình chuyeån ñoäng coâng maát ñi do ma saùt): http://www.ebook.edu.vn
dE dH dW (2.11) = − dt dt dt Töø phöông trình (2.1), ta coù: dH dW ∂ 12 12 ∫∫∫ e u + gZ)ρdw + ∫∫ (e u + gZ)ρu n dA − = + + u u dt dt ∂t 2 2 w A (2.12) (2.12) laø phöông trình caân baèng naêng löôïng cho doøng chaát loûng khoâng oån ñònh coù khoái löôïng rieâng ρ thay ñoåi. Ñoái vôùi doøng oån ñònh, khoâng coù söï trao ñoåi nhieät vôùi beân ngoaøi: dW 1 = ∫∫ (e u + u 2 + gZ)ρu n dA (2.14) − dt 2 A dW 1 hay: (2.15) ∫∫ e ρu dA + = − ∫∫ ( u 2 + gZ ) ρ un dA u n dt 2 A A dW ∫∫ e u dA + Nhaän xeùt thaáy laø phaàn bieán ñoåi naêng löôïng do u n dt A chuyeån ñoäng cuûa caùc phaàn töû beân trong khoái löu chaát vaø do ma saùt cuûa khoái löu chaát vôùi beân ngoaøi. Ñaïi löôïng naøy khoù xaùc ñònh ñöôïc baèng lyù thuyeát, thoâng thöôøng, noù ñöôïc tính töø thöïc nghieäm, tuyø tröôøng hôïp cuï theå. Ta ñaët: dW ∫∫ e u dA + = ρgh f Q (2.16) u n dt A vôùi hf laø maát naêng trung bình cuûa moät ñôn vò troïng löôïng löu chaát. Xeùt cho moät ñoaïn doøng chaûy töø maët caét 1-1 ñeán 2-2, maø maët caét bao quanh laø caùc ñöôøng doøng. Doøng löu chaát chæ coù theå vaøo maët caét 1-1 vaø ra ôû maët caét 2-2. Nhö vaäy töø (2.16) vaø (2.15) ta coù: 1 1 ρgh f Q = ∫∫ ( 2 u + gZ)ρu1n dA − ∫∫ ( u 2 + gZ)ρu 2 n dA (2.17) 2 A2 2 A1 Neáu löu chaát khoâng neùn ñöôïc, ta coù: http://www.ebook.edu.vn
1 1 (2.18) ρ gh f Q = ( ρα1V12 + g ρ Z1 )Q − ( ρα 2V2 2 + g ρ Z 2 )Q 2 2 αV αV 2 2 Z1 + 1 1 = Z1 + 1 1 + h f hay: (2.19) 2g 2g trong ñoù: Z laø theá naêng (bao goàm caû vò naêng laãn aùp naêng) cuûa moät ñôn vò troïng löôïng löu chaát, αV 2 laø ñoäng naêng cuûa moät ñôn vò troïng löôïng löu chaát, 2g α laø heä soá hieäu chænh ñoäng naêng. Phöông trình (2.19) laø phöông trình naêng löôïng vieát cho doøng löu chaát troïng löïc khoâng neùn ñöôïc chuyeån ñoäng oån ñònh (phöông trình Bernoulli) 2.6 QUAÙ TRÌNH VAÄN CHUYEÅN. Söï daãn taûi cuûa nhieät naêng ñöôïc dieãn ra theo ba caùch: daãn truyeàn, ñoái löu, vaø böùc xaï. Daãn truyeàn xaûy ra do caùc phaân töû löu chaát chuyeån ñoäng hoãn loaïn trong khoái, chuùng tieáp xuùc nhau vaø trao ñoåi nhieät vôùi nhau. Ñoái löu laø phöông thöùc vaän chuyeån nhieät khi löu chaát chuyeån ñoäng. Phöông thöùc naøy daãn taûi nhieät treân moät phaïm vi roäng lôùn hôn. Böùc xaï laø phöông thöùc truyeàn nhieät baèng caùc soùng ñieän töø vaø coù theå dieãn ra trong chaân khoâng. Trong khi vaän taûi nhieät baèng hai phöông thöùc ñaàu, thì cuõng ñoàng thôøi daãn taûi khoái löôïng, ñoäng löôïng hay naêng löôïng. http://www.ebook.edu.vn
Chöông 3: NÖÔÙC TRONG KHÍ QUYEÅN Möa vaø boác hôi laø hai quaù trình quan troïng nhaát trong soá caùc quaù trình khí töôïng lieân tuïc xaûy ra trong khoâng khí 3.1 LUAÂN CHUYEÅN CUÛA KHOÂNG KHÍ. Traùi ñaát lieân tuïc tieáp nhaän nhieät töø maët trôøi qua böùc xaï maët trôøi vaø phaùt nhieät trôû laïi khoâng gian qua böùc xaï phaûn hoài. Caùc quaù trình naøy ñöôïc caân baèng ôû suaát trung bình 210 W/m2. Tuy nhieân, ôû xích ñaïo, möùc thu nhaän trong baàu khoâng khí cao hôn (khoaûng 270 W/m2) do tia böùc xaï gaàn nhö thaúng goùc vôùi maët ñaát. Coøn ôû hai cöïc, möùc thu nhaän naøy thaáp hôn (90 W/m2 ) do goùc böùc xaï nhoû hôn. Do coù söï khoâng caân baèng nhö vaäy, ñaõ coù söï vaän chuyeån naêng löôïng (nhieät naêng) töø xích ñaïo ñeán caùc ñòa cöïc theo möùc trung bình khoaûng 4.109 MW. Neáu xem traùi ñaát laø quaû caàu coá ñònh. ÔÛ vuøng xích ñaïo, do noùng hôn neân luoàng khí boác leân cao hôn, di chuyeån trong taàng cao hôn cuûa khí quyeån veà caùc cöïc, taïi ñoù gaëp laïnh, luoàng khí haï xuoáng thaáp hôn vaø quay ngöôïc trôû veà xích ñaïo taïo thaønh moät hoaøn löu cuûa moät haønh tinh khoâng quay. Söï luaân chuyeån naøy goïi laø luaân chuyeån Hadley. Chuyeån ñoäng quay töø Taây sang Ñoâng cuûa traùi ñaát ñaõ taïo ra moät löïc phuï Coriolic (löïc naøy baèng hai laàn tích höõu höôùng cuûa hai veùc tor vaän toác doøng khí u vaø vector vaän toác quay cuûa traùi ñaát ω: Fc = 2u^ ω , vaø höôùng cuûa Fc ñöôïc xaùc ñòng theo quy taéc baøn tay phaûi) laøm cho luaân chuyeån Hadley bò thay ñoåi. Taïi xích ñaïo, coù moät voøng ñai khí xung quanh noù di chuyeån veà phía cöïc, döôùi aûnh höôûng cuûa löïc Coriolic Fc , luoàng khoâng khí naøy ñaõ chuyeån ñoäng leäch veà beân phaûi (neáu ôû Baéc baùn caàu, hay beân traùi (neáu ôû Nam baùn caàu) so vôùi chieàu doïc theo vector u. Keát quaû cuûa aûnh höôûng naøy laø söï xuaát hieän luoàng gioù höôùng Taây (gioù höôùng Taây laø luoàng gioù töø höôùng Taây thoåi ñeán). ÔÛû vuøng gaàn xích ñaïo: http://www.ebook.edu.vn
Baéc baùn caàu coù gioù theo höôùng Taây Nam, ví duï nhö nöôùc ta coù gioù muøa Taây Nam (töø höôùng Taây Nam thoåi leân), coøn ôû Nam baùn caàu, gioù theo höôùng Taây Baéc. Ngöôïc laïi, khi khoái khí laïnh töø caùc cöïc di chuyeån veà xích ñaïo, döôùi aûnh höôûng cuûa löïc Coriorlic, khoái khí ñaõ di chuyeån leäch veà beân phaûi (ôû Baéc baùn caàu), hay beân traùi (ôû Nam baùn caàu). Ñieàu naøy laøm xuaát hieän caùc luoàng gioù Ñoâng ôû vuøng cöïc (coøn ôû vuøng gaàn xích ñaïo: Ñoâng Baéc ôû Baéc baùn caàu , Ñoâng Nam ôû Nam baùn caàu). ω u* u Fc Fc u* u ω u* u Fc Fc u u* 3.2 HÔI NÖÔÙC. Nöôùc trong khí quyeån phaàn lôùn toàn taïi döôùi daïng hôi hoaëc khí nhöng ôû töøng choã vaø thôøi gian toàn taïi ngaén, sau ñoù, tuøy ñieàu kieän nhieät ñoä vaø aùp suaát, noù coù theå thaønh haït nöôùc daïng möa raøo, haït nhoû li ti daïng maây, haït raén daïng tuyeát, möa ñaù. Löôïng nöôùc trong khí quyeån tuy raát nhoû (1/100000 toång löôïng nöôùc) nhöng giöõ vai troø raát quan troïng trong tuaàn hoaøn thuûy vaên. Ta duøng ñònh lyù vaän taûi Reynolds ñeå moâ taû söï vaän chuyeån hôi nöôùc qua moät khoâng gian coá ñònh W. Goïi X laø khoái löôïng cuûa hôi nöôùc qua W, k laø X trong moät ñôn vò khoái löôïng khoâng khí aåm; k chính laø ñoä aåm rieâng qv vaø ñöôïc tính baèng: http://www.ebook.edu.vn
ρv qv = (3.1) ρa vôùi ρv laø khoái löôïng rieâng cuûa hôi nöôùc, ρa laø khoái löôïng rieâng cuûa khoâng khí aåm. Töø ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng, ta coù dX/dt=mv laø löu löôïng khoái löôïng hôi nöôùc theâm vaøo (mang daáu coäng, boác hôi), hay bôùt ra (mang daáu tröø, ngöng tuï) khoaûng khoâng gian W. Ta coù: ∂ mv = ∫∫∫ q vρa dw + ∫∫ q vρa VdA (3.2) ∂t w A 3.2.1 AÙp suaát hôi nöôùc: ñònh luaät Dalton: AÙp suaát gaây ra bôûi caùc chaát khí rieâng phaàn thì ñoäc laäp vôùi caùc chaát khí khaùc. Goïi e laø aùp suaát hôi nöôùc, theo ñònh luaät chaát khí lyù töôûng, ta coù: e=ρvRvT (3.3) Trong ñoù Rv laø haèng soá chaát khí ñoái vôùi hôi nöôùc. 3.2.2 AÙp suaát hôi baõo hoaø es: Laø aùp suaát hôi nöôùc trong khoâng khí maø taïi ñoù toác ñoä boác hôi baèng toác ñoä ngöng tuï. 3.2.3 Ñoä aåm töông ñoái Rh: Laø tyû soá giöõa aùp suaát coù thöïc vaø aùp suaát hôi baõo hoaø e Rh = (3.4) es 3.2.4 Löôïng nöôùc coù theå taïo thaønh möa: Löôïng hôi aåm trong coät khoâng khí ñöôïc goïi laø löôïng nöôùc coù theå ñöôïc taïo thaønh möa. http://www.ebook.edu.vn
Z2 Trong coät khoâng khí coù maët caét ngang A. Xeùt moät vi phaân theå tích dW=A.dz, coù khoái löôïng laø :ρaAdz, vaø khoái löôïng hôi nöôùc chöùa trong ñoù laø: ρvAdz = qvρaAdz. dz Toång löôïng nöôùc coù theå taïo ra möa trong coät khoâng khí coù ñoä cao töø z1 ñeán z2 laø: z2 mp = ∫ q vρa Adz (3.5) Z1 z1 Δm p = q v ρ a AΔz Tính gaàn ñuùng: (3.6) trong ñoù q v ; ρ a laàn löôït laø caùc giaù trò trung bình cuûa ñoä aåm rieâng vaø khoái löôïng rieâng cuûa khoâng khí aåm trong khoaûng ñang xeùt. Toång caùc soá gia Δmp trong toaøn boä coät khoâng khí cho ta toång löôïng nöôùc möa. Ví duï: tính löôïng nöôùc coù theå taïo ra möa cuûa moät coät khoâng khí baõo hoaø hôi nöôùc coù chieàu cao 10km treân dieän tích 1m2. AÙp suaát khoâng khí treân maët ñaát laø 101,3Kpa, vôùi nhieät ñoä laø 300C. Bieát raèng cöù leân cao 1km thì nhieät ñoä giaûm ñi 6,50C. Giaûi: Ñeå tính ñöôïc löôïng nöôùc möa cho toaøn boä coät khí 10km, ta chia nhoû coät khoâng hkí naøy ra laøm 5 ñoaïn theo z, moãi ñoaïn cao 2km=2000m, ta tính rieâng löôïng nöôùc möa cho töøng ñoaïn ñoä cao:Δmpi, sau ñoù coäng doàn laïi: M=Σ(Δmpi). Trongcoâng thöùc (3.6) Δm p = q v ρ a AΔz , ta caàn tính q v vaø ρa . Nhö vaäy, ta caàn tính giaù trò qv vaø ρv cho moãi lôùp chieàu cao töông öùng (cho 0km, 2km, 4km, 6km, 8km, 10km) vaø sau ñoù laáy giaù trò trung bình: q v = (q i −1 + q i ) / 2 töông töï tính cho giaù trò trung bình ρ a Giaù trò ρa ñöôïc tính töø phöông trình traïng thaùi khí: p=ρaRaT. Suy ra: ρa=p/(RaT) Vôùi Ra=287 J/(kg.K), laø haèng soá khí aåm. http://www.ebook.edu.vn
Giaù trò qv ñöôïc tính nhö sau: qv=0,622(e/p) ⎛ 17,27T ⎞ Trong ñoù es laø aùp suaát hôi baõo hoaø: es = 611 exp⎜ ⎟ ⎝ 273,3 + T ⎠ Trong ñoù T tính baèng 0 C T laø nhieät ñoä taïi moãi lôùp ñoä cao tính toaùn p laø aùp suaátä taïi moãi lôùp ñoä cao tính toaùn, tính baèng N/m2. AÙp suaát taïi moãi ñoä cao töông öùng z phuï thuoäc vaøo töøng ñoä cao, ñöôïc xaùc ñònh nhôø vaøo phöông trình traïng thaùi khí vaø phöông trình vi phaân cuûa löu chaát tónh, goïi laø phöông trình khí tónh: g ⎛T ⎞ αR a = p i ⎜ i +1 ⎟ p i +1 ⎜T ⎟ ⎝ i⎠ trong ñoù: pi+1: laø aùp suaát ôû lôùp ñoä cao i+1, Pa pi: laø aùp suaát ôû lôùp ñoä cao i, Pa Ti+1: laø nhieät ñoä ôû lôùp ñoä cao i+1, 0K Ti: laø nhieät ñoä ôû lôùp ñoä cao i, 0K α: laø haèng soá =0,0065 T laø nhieät ñoä taïi moãi lôùp ñoä cao tính toaùn, tính baèng ñoä K Ti+1=Ti- α(Zi+1-Zi) Zi+1- laø cao ñoä lôùp i+1 Zi – laø cao ñoä lôùp i Caùc tính toaùn ñöôïc laäp thaønh baûn sau: 3.3 HIEÄN TÖÔÏNG NÖÔÙC RÔI - MÖA. Hieän töôïng nöôùc rôi bao goàm möa, tuyeát, vaø caùc quaù trình nöôùc rôi khaùc xuoáng maët ñaát nhö möa ñaù, möa tuyeát. Khi khoái khoâng khí aåm boác leân cao trong baàu khí quyeån thì nhieät ñoä giaûm ñi, moät phaàn hôi aåm ngöng keát laïi. Coù nhieàu cô cheá taïo ra söï chuyeån ñoäng leân cuûa khoái khoâng khí: Boác leân vì khoâng khí ñöôïc hun http://www.ebook.edu.vn
noùng boác leân, vì khoái khí di chuyeån qua ñoài nuùi, vì do chuyeån ñoäng ñoái löu. Quaù trình ngöng keát ñoøi hoûi phaûi coù haït nhaân ngöng keát ñeå caùc phaân töû nöôùc baùm chaët chung quanh (ví duï nhö caùc haït buïi lô löûng). Ñaëc bieät caùc haït nhaân coù chöùa caùc ion (ví duï caùc haït buïi muoái bieån boác hôi) caøng khieán cho caùc phaân töû nöôùc caøng deã baùm chaët chung quanh hôn. Caùc haït nöôùc nhoû li ti lôùn daàn leân do ngöng keát, khi ñuû naëng, caùc haït aáy seõ rôi xuoáng thaønh möa (trong quaù trình rôi xuoáng, coù khaû naêng boác hôi moät phaàn). Gieo haït nhaân ngöng keát nhaân taïo vaøo caùc ñaùm maây seõ laøm cho hôi nöôùc deã ngöng keát hôn (ví duï Iodur baïc, töø taïo ra möa nhaân taïo. Hoaëc ta coù theå taïo ra naéng ngay trong muøa möa ñeå ñöôïc baàu trôøi khoâ raùo trong caùc dòp leã hoäi baèng caùch giep caùc haït nhaân ion naëng, seõ laøm cho haït naëng hôn vôùi kích thöùôc nhoû, vaø trong quaù trình rôi xuùoâng ñaõ boác hôi ngöôïc leân, neân döôùi ñaát vaãn khoâ raùo. 3.4 LÖÔÏNG MÖA LÖU VÖÏC Ñeå xaùc ñònh löôïng möa trung bình treân moät khu vöïc coù dieän tích laø A, ta duøng phöông phaùp trung bình coäng: 1n P = ∑ Pi (3.7) n i =1 trong ñoù Pi laø löôïng möa cuûa moãi traïm ño (mm). n 1 ∑ A i Pi Ngoaøi ra ngöôøi ta coøn duøng phöông phaùp Thiessen: P = A i =1 Trong ñoù Ai laø dieän tích moãi ña giaùc gaùn cho moãi traïm ño, vôùi n ∑ Ai A= i =1 3.5 BOÁC HÔI. Bao goàm boác hôi töø maët thoaùng nöôùc, töø maët ñaát, töø thöïc vaät Tính toaùn boác hôi baèng nhieàu phöông phaùp: Caân baèng naêng löôïng, khí ñoäng löïc hoïc, keát hôïp giöõa hai phöông phaùp treân, .. http://www.ebook.edu.vn