Giáo trình Tính toán Thủy văn - Nguyễn Thanh Sơn (ĐH KHTN - ĐHQG Hà Nội)

Tài liệu giảng dạy Tính toán thủy văn pdf (bản đầy đủ) hệ thống hóa kiến thức từ cơ bản đến nâng cao ngành phục vụ đào tạo và ngh

• Tác giả: Nguyễn Thanh Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Lương Tuấn Anh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Tính Toán Thủy Văn
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan Giáo trình Tính toán Thủy văn PDF toàn tập

Giáo trình Tính toán Thủy văn PDF là một tài liệu học thuật nền tảng, đóng vai trò cầu nối giữa lý thuyết thủy văn và các ứng dụng thực tiễn trong kinh tế quốc dân. Đây là một phần quan trọng của thủy văn học, tập trung vào việc giải quyết các vấn đề liên quan đến điều hòa và phân phối tài nguyên nước. Nội dung chính của giáo trình đi sâu vào việc phân tích các đặc trưng dòng chảy, nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khí tượng và mặt đệm, đồng thời đưa ra các nguyên lý khái quát địa lý về sự biến đổi của dòng chảy theo không gian và thời gian. Mục tiêu của sách tính toán thủy văn là cung cấp phương pháp luận và công cụ để định lượng các quá trình thủy văn, đảm bảo khả năng tính toán dòng chảy ngay cả ở những lưu vực sông chưa được nghiên cứu đầy đủ. Các kiến thức trong tài liệu này là cơ sở không thể thiếu cho các chuyên ngành như dự báo thủy văn, quy hoạch thủy lợi và động lực học dòng sông. Việc nắm vững các phương pháp trong giáo trình giúp các kỹ sư và nhà khoa học đưa ra quyết định chính xác khi thiết kế các công trình thủy điện, hồ chứa, hệ thống cấp nước và các công trình phòng chống thiên tai. Tài liệu này, dựa trên nền tảng của các tác phẩm kinh điển và kinh nghiệm giảng dạy thực tiễn, đã được cập nhật với những kiến thức mới về mô hình toán và thủy văn hiện đại, trở thành một ebook tính toán thủy văn không thể thiếu cho sinh viên và các chuyên gia trong ngành kỹ thuật tài nguyên nước.

1.1. Khám phá nội dung cốt lõi của môn thủy văn học

Nội dung nghiên cứu của môn tính toán thủy văn tập trung vào sự hình thành, quy luật phân bố và các phương pháp định lượng đặc trưng dòng chảy. Giáo trình đề cập chi tiết đến các khái niệm cơ bản như chế độ nước lục địa, các đơn vị đo dòng chảy (lưu lượng, môđun, lớp dòng chảy), và các đặc trưng hình thái của lưu vực sông. Một phần quan trọng là việc phân tích bản chất vật lý của dòng chảy, được chia thành ba giai đoạn chính: giai đoạn tạo dòng, giai đoạn dòng chảy sườn dốc và giai đoạn dòng chảy trong sông ngòi. Lý thuyết này giúp làm rõ quá trình nước di chuyển từ khi mưa rơi xuống bề mặt cho đến khi tập trung thành dòng chảy trong hệ thống sông. Các công thức tính toán thủy văn căn nguyên, dựa trên đường cong chảy truyền, cũng được giới thiệu như một công cụ cơ sở cho nhiều mô hình thủy văn sau này.

1.2. Vai trò của tài liệu tính toán thủy văn trong thực tiễn

Các tài liệu tính toán thủy văn cung cấp thông tin thiết yếu cho nhiều ngành kinh tế. Ví dụ, khi thiết kế trạm thủy điện, cần có thông tin về dòng chảy trung bình nhiều năm, phân bố dòng chảy theo mùa để xác định công suất và sản lượng điện. Đối với việc xây dựng đập và hồ chứa, việc tính toán dòng chảy lũ và tần suất của nó là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn công trình. Trong lĩnh vực cấp nước công nghiệp và sinh hoạt, các thông tin về dòng chảy cực tiểu trong những năm ít nước là cực kỳ quan trọng. Ngành giao thông vận tải cần số liệu mực nước lớn nhất để thiết kế cầu cống và mực nước thấp nhất để đảm bảo an toàn cho tàu thuyền. Do đó, việc download sách thủy văn và ứng dụng các phương pháp tính toán trong đó là nhiệm vụ cơ bản của mọi dự án liên quan đến kỹ thuật tài nguyên nước và thủy văn công trình pdf.

II. Thách thức khi tính toán thủy văn thiếu tài liệu chuẩn

Một trong những thách thức lớn nhất trong ngành thủy văn là thực hiện tính toán tại các lưu vực thiếu hoặc không có số liệu quan trắc. Việc thiếu chuỗi dữ liệu đủ dài và đáng tin cậy gây khó khăn cho việc xác định các đặc trưng quan trọng như chuẩn dòng chảy năm, dòng chảy lũ thiết kế, hay dòng chảy kiệt. Khi không có tài liệu, việc áp dụng các công thức tính toán thủy văn trở nên không chắc chắn, đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp gián tiếp. Các phương pháp này, dù hữu ích, vẫn tiềm ẩn sai số nếu không được hiệu chỉnh và kiểm chứng cẩn thận. Giáo trình Tính toán Thủy văn PDF giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp một hệ thống lý thuyết và phương pháp luận chặt chẽ, từ phương pháp tương tự thủy văn, nội suy địa lý đến việc sử dụng phương trình cân bằng nước. Việc hiểu sai hoặc áp dụng không chính xác các phương pháp này có thể dẫn đến những thiết kế công trình không kinh tế hoặc không an toàn, gây ra lãng phí tài nguyên hoặc rủi ro thảm họa. Do đó, việc nghiên cứu kỹ lưỡng các slide bài giảng tính toán thủy văn và tài liệu gốc là vô cùng cần thiết để vượt qua những thách thức này, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm cho các quy luật thủy văn trở nên phức tạp hơn.

2.1. Khó khăn trong việc xác định dòng chảy lưu vực sông

Việc xác định dòng chảy tại một lưu vực sông chưa được nghiên cứu đòi hỏi phải khái quát hóa các quy luật thủy văn từ những khu vực lân cận đã có số liệu. Khó khăn nằm ở việc lựa chọn lưu vực tương tự, vốn yêu cầu sự đồng nhất về điều kiện địa lý, khí hậu và mặt đệm. Ngoài ra, các yếu tố phi địa đới như địa chất karst có thể làm cho dòng chảy của hai lưu vực gần nhau trở nên khác biệt hoàn toàn. Các phương pháp như bản đồ đẳng trị hay nội suy địa lý tuy phổ biến nhưng độ chính xác phụ thuộc nhiều vào mật độ của mạng lưới trạm quan trắc. Nếu mạng lưới thưa thớt, kết quả nội suy có thể sai lệch đáng kể, ảnh hưởng trực tiếp đến các quyết định trong giáo trình quy hoạch thủy lợi.

2.2. Sự phức tạp của phương trình cân bằng nước thực tế

Phương trình cân bằng nước (Hiệu số Lượng nước đến - Lượng nước đi = Thay đổi trữ lượng) là một nguyên lý cơ bản. Tuy nhiên, việc định lượng từng thành phần trong thực tế rất phức tạp. Lượng mưa (X) thay đổi lớn theo không gian. Lượng bốc hơi (Z) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, thảm thực vật. Đặc biệt, sự thay đổi trữ lượng nước ngầm (ΔW) và trữ lượng nước mặt (ΔU) rất khó đo đạc chính xác. Tài liệu gốc phân biệt rõ phương trình cho lưu vực kín (đường phân nước mặt và ngầm trùng nhau) và lưu vực hở, cho thấy sự phức tạp khi có sự trao đổi nước ngầm giữa các lưu vực. Đây là một thách thức lớn khi áp dụng lý thuyết vào thực tiễn.

III. Hướng dẫn tính toán dòng chảy theo giáo trình thủy văn

Giáo trình Tính toán Thủy văn cung cấp một hệ thống các phương pháp luận toàn diện để xác định và phân tích dòng chảy. Cốt lõi của các phương pháp này là sự kết hợp giữa phân tích vật lý và thống kê toán học. Một trong những công cụ cơ bản nhất được trình bày là phương trình cân bằng nước. Phương trình này, dựa trên định luật bảo toàn vật chất, là nền tảng để đánh giá tổng thể tài nguyên nước của một lưu vực. Giáo trình hướng dẫn chi tiết cách thiết lập phương trình cho các điều kiện khác nhau, từ lưu vực kín đến lưu vực hở, và cho các chu kỳ thời gian khác nhau, từ một năm đến nhiều năm. Bên cạnh đó, công thức căn nguyên của dòng chảy cũng là một nội dung quan trọng, mô tả quy luật tập trung nước trên lưu vực thông qua khái niệm đường cong chảy truyền. Đây là cơ sở cho nhiều mô hình tính toán dòng chảy lũ tuyến tính. Các phương pháp nghiên cứu được đề cập bao gồm khảo sát trạm đo, phương pháp khái quát hóa địa lý (sử dụng bản đồ, nội suy), và đặc biệt là mô hình hoá toán học. Việc áp dụng các phương pháp này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy, từ khí hậu đến đặc điểm mặt đệm như địa hình, thổ nhưỡng và thảm thực vật.

3.1. Áp dụng công thức căn nguyên và phương trình cân bằng nước

Phương trình cân bằng nước tổng quát có dạng: X + Y1 + W1 - (Z2 + Y2 + W2) = ΔU, trong đó các thành phần là mưa, dòng chảy đến, dòng chảy đi và thay đổi trữ lượng. Đối với một lưu vực kín, phương trình được đơn giản hóa thành X = Y + Z ± ΔU. Công thức này là công cụ mạnh để phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy. Song song đó, công thức căn nguyên dòng chảy, Qi = Σ(Pk * fi-k+1), mô tả lưu lượng tại cửa ra (Qi) là tổng hợp của các lượng nước mưa gia nhập (P) trên các vùng diện tích (f) theo thời gian. Đây là lý thuyết nền tảng cho việc xây dựng đường quá trình lũ đơn vị (unit hydrograph).

3.2. Phân tích các giai đoạn hình thành dòng chảy sườn dốc

Giáo trình phân tích quá trình hình thành dòng chảy qua ba giai đoạn. Giai đoạn tạo dòng bắt đầu khi cường độ mưa vượt quá cường độ thấm. Giai đoạn dòng chảy sườn dốc diễn ra sau đó, với bốn dạng cơ bản được phân biệt: dòng chảy treo, dòng chảy tràn, dòng chảy trong lớp cuội sỏi và dòng chảy trong lớp đất tơi xốp. Mỗi dạng dòng chảy tuân theo một phương trình liên tục riêng. Cuối cùng là giai đoạn dòng chảy trong sông ngòi, nơi nước từ các sườn dốc tập trung vào hệ thống sông. Việc hiểu rõ các giai đoạn này giúp mô hình hóa quá trình mưa - dòng chảy một cách chính xác hơn.

3.3. Các công thức tính toán thủy văn cơ bản và ứng dụng

Ngoài các phương trình lý thuyết, giáo trình thủy văn học còn cung cấp nhiều công thức thực nghiệm và bán thực nghiệm. Các công thức này dùng để tính toán dòng chảy lớn nhất (Qmax) như công thức cường độ giới hạn, công thức thể tích và công thức triết giảm. Việc lựa chọn công thức phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của lưu vực và dữ liệu sẵn có. Các bài tập tính toán thủy văn có lời giải thường tập trung vào việc áp dụng các công thức này cho các tình huống cụ thể, giúp người học củng cố kiến thức và phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề thực tế trong thủy văn công trình.

IV. Bí quyết xác định chuẩn dòng chảy năm chính xác nhất

Chuẩn dòng chảy năm là một đặc trưng thủy văn cốt lõi, đại diện cho giá trị trung bình nhiều năm của dòng chảy và là cơ sở để đánh giá tài nguyên nước một cách tổng quát. Giáo trình Tính toán Thủy văn PDF dành một chương riêng để trình bày các phương pháp xác định đại lượng quan trọng này. Độ chính xác của chuẩn dòng chảy phụ thuộc rất nhiều vào độ dài và chất lượng của chuỗi số liệu quan trắc. Khi có chuỗi số liệu đủ dài (thường từ 40-60 năm), việc tính toán khá đơn giản bằng cách lấy trung bình số học. Tuy nhiên, thách thức thực sự nảy sinh khi chuỗi số liệu ngắn hoặc không tồn tại. Trong trường hợp này, giáo trình giới thiệu các kỹ thuật kéo dài chuỗi số liệu bằng phương pháp tương tự thủy văn, dựa trên mối quan hệ tương quan với một lưu vực lân cận có chuỗi dữ liệu dài hơn. Khi hoàn toàn không có dữ liệu, các phương pháp gián tiếp như sử dụng bản đồ đẳng trị, nội suy địa lý, hoặc áp dụng phương trình cân bằng nước được ưu tiên. Một phần quan trọng khác là phân tích các yếu tố địa lý tự nhiên ảnh hưởng đến chuẩn dòng chảy năm, bao gồm khí hậu, diện tích lưu vực, địa hình, địa chất, thảm thực vật (đặc biệt là rừng) và các hoạt động kinh tế của con người.

4.1. Cách tính chuẩn dòng chảy khi có và không có số liệu

Khi có đủ tài liệu, chuẩn dòng chảy được tính bằng công thức trung bình số học. Khi không đủ số liệu, phương pháp tương tự thủy văn được áp dụng. Phương pháp này yêu cầu tìm một lưu vực sông tương tự có quan hệ tương quan chặt chẽ (hệ số r ≥ 0.8) để kéo dài chuỗi số liệu. Nếu hoàn toàn không có tài liệu, chuẩn dòng chảy được xác định qua bản đồ đẳng trị, nội suy tuyến tính, hoặc phương trình cân bằng nước Y = X - Z. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng và việc lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của vùng nghiên cứu. Đây là kiến thức nền tảng trong các chương trình đào tạo như tính toán thủy văn đại học thủy lợi.

4.2. Phân tích các yếu tố địa lý ảnh hưởng đến dòng chảy

Chuẩn dòng chảy năm là "sản phẩm của khí hậu", chịu ảnh hưởng lớn từ lượng mưa và bốc hơi. Tuy nhiên, các yếu tố mặt đệm cũng đóng vai trò điều tiết quan trọng. Địa hình ảnh hưởng đến quá trình tập trung nước. Thảm thực vật, đặc biệt là rừng, làm tăng khả năng thấm, giảm dòng chảy mặt và điều tiết dòng chảy ngầm. Địa chất thổ nhưỡng quyết định khả năng trữ nước và tương tác giữa nước mặt và nước ngầm. Các hoạt động kinh tế như xây dựng hồ chứa, tưới tiêu, phá rừng có thể làm thay đổi đáng kể chế độ dòng chảy tự nhiên. Việc phân tích các yếu tố này giúp giải thích sự biến đổi của dòng chảy và hiệu chỉnh kết quả tính toán.

4.3. Kỹ thuật xây dựng bản đồ đẳng trị chuẩn dòng chảy năm

Bản đồ đẳng trị chuẩn dòng chảy năm là công cụ trực quan và hiệu quả để khái quát hóa tài nguyên nước trên một vùng lãnh thổ rộng lớn. Quá trình xây dựng đòi hỏi phải thực hiện các bước chặt chẽ: phân tích và đánh giá tài liệu, lựa chọn thời kỳ tính toán, kiểm tra tính đồng nhất của chuỗi số liệu, và tính toán chuẩn cho từng trạm. Các giá trị chuẩn sau đó được đưa lên bản đồ tại trung tâm hình học của lưu vực tương ứng. Cuối cùng, các đường đẳng trị được vẽ bằng phương pháp nội suy, có tham khảo bản đồ mưa và bản đồ địa hình để đảm bảo tính hợp lý và khoa học.

V. Cách ứng dụng mô hình toán trong thủy văn công trình PDF

Thủy văn học hiện đại không thể tách rời các công cụ mô hình hóa toán học. Giáo trình Tính toán Thủy văn PDF giới thiệu một cách hệ thống các nguyên lý và ứng dụng của mô hình toán trong việc mô phỏng và dự báo các quá trình dòng chảy. Các mô hình này được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau, từ mô hình ngẫu nhiên, mô hình tất định đến các mô hình lai động lực - ngẫu nhiên. Trong đó, hai lớp mô hình được đề cập sâu là mô hình "hộp đen" và mô hình "quan niệm". Mô hình "hộp đen" (ví dụ: mô hình Kalinhin-Miuliakốp-Nash, đường lưu lượng đơn vị) tập trung vào mối quan hệ toán học giữa đầu vào (mưa) và đầu ra (dòng chảy) mà không cần đi sâu vào chi tiết các quá trình vật lý bên trong. Ngược lại, mô hình "quan niệm" (ví dụ: mô hình TANK, SSARR) cố gắng mô phỏng cấu trúc và các quá trình vật lý của lưu vực một cách đơn giản hóa. Các mô hình này là công cụ không thể thiếu trong thủy văn công trình, được sử dụng để tính toán dòng chảy lũ, diễn toán lũ trong hệ thống sông hồ, và thiết kế các công trình điều tiết. Việc hiểu và áp dụng thành thạo các mô hình này là một kỹ năng quan trọng đối với các chuyên gia về kỹ thuật tài nguyên nước.

5.1. Giới thiệu các mô hình hộp đen và mô hình quan niệm

Mô hình "hộp đen" (Black-box models) được xây dựng dựa trên nguyên lý của các hệ thống tuyến tính. Một ví dụ điển hình là mô hình đường đơn vị tức thời của Nash, coi lưu vực như một chuỗi các hồ chứa tuyến tính nối tiếp. Trong khi đó, mô hình "quan niệm" (Conceptual models) như mô hình TANK mô phỏng lưu vực bằng một hệ thống các bể chứa (tank) được sắp xếp theo chiều dọc, đại diện cho các tầng đất khác nhau với các quá trình thấm, trữ và thoát nước riêng. Việc lựa chọn mô hình phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu và dữ liệu sẵn có.

5.2. Diễn toán quá trình lũ và dòng chảy lớn nhất Qmax

Một ứng dụng quan trọng của mô hình toán là diễn toán lũ, tức là dự báo sự biến đổi của đường quá trình lũ khi nó di chuyển từ thượng lưu xuống hạ lưu. Các phương pháp như Muskingum được sử dụng rộng rãi để tính toán sự suy giảm đỉnh lũ và độ trễ thời gian. Việc xác định dòng chảy lớn nhất (Qmax) với một tần suất thiết kế nhất định là bài toán trung tâm trong thiết kế các công trình thủy lợi, đê điều, cầu cống. Các phương pháp thống kê xác suất, kết hợp với các mô hình mưa - dòng chảy, được sử dụng để giải quyết bài toán này, đảm bảo an toàn cho công trình và hạ du.

5.3. Vai trò của kỹ thuật tài nguyên nước trong quy hoạch

Tính toán thủy văn là nền tảng của kỹ thuật tài nguyên nước và giáo trình quy hoạch thủy lợi. Kết quả tính toán dòng chảy, trữ lượng nước, và các đặc trưng lũ lụt, hạn hán là dữ liệu đầu vào không thể thiếu cho việc quy hoạch sử dụng tổng hợp tài nguyên nước. Các mô hình thủy văn giúp đánh giá tác động của các phương án phát triển (xây dựng hồ chứa, chuyển nước) đến chế độ dòng chảy và môi trường, từ đó hỗ trợ các nhà quản lý đưa ra quyết định tối ưu, hướng tới sự phát triển bền vững.

VI. Download Ebook Tính toán Thủy văn Tài liệu liên quan

Việc tiếp cận các tài liệu học thuật chất lượng là yếu tố then chốt để nâng cao kiến thức và kỹ năng chuyên môn. Ebook Tính toán Thủy văn này là một nguồn tài nguyên quý giá, cung cấp kiến thức toàn diện từ cơ bản đến nâng cao. Để hỗ trợ quá trình học tập và nghiên cứu, việc tìm kiếm và download sách thủy văn cùng các tài liệu bổ trợ là rất cần thiết. Các tài liệu này không chỉ bao gồm giáo trình chính mà còn có các slide bài giảng tính toán thủy văn, giúp hệ thống hóa kiến thức một cách trực quan, và các bộ bài tập tính toán thủy văn có lời giải, giúp người học thực hành và kiểm tra sự hiểu biết của mình. Trong bối cảnh ngành thủy văn đang phát triển mạnh mẽ, kết hợp với các công nghệ mới như GIS và viễn thám, việc cập nhật kiến thức là liên tục. Các tài liệu này cũng đề cập đến những vấn đề hiện đại như quản lý chất lượng nước và bảo vệ môi trường, phân tích tác động của ô nhiễm đến hệ sinh thái thủy vực. Đây là những chủ đề mang tính thời sự, phản ánh xu hướng phát triển của ngành thủy văn trong tương lai, không chỉ tập trung vào số lượng mà còn cả chất lượng tài nguyên nước.

6.1. Tổng hợp slide bài giảng và bài tập có lời giải chi tiết

Bên cạnh giáo trình tính toán thủy văn PDF, các tài liệu đi kèm như slide bài giảng và bài tập có lời giải đóng vai trò quan trọng. Slide bài giảng giúp tóm tắt các nội dung cốt lõi, trình bày các công thức tính toán thủy văn và sơ đồ một cách rõ ràng, dễ hiểu. Trong khi đó, các bài tập tính toán thủy văn có lời giải là công cụ tốt nhất để rèn luyện kỹ năng áp dụng lý thuyết. Các bài tập thường bao gồm các dạng toán từ tính toán các đặc trưng thống kê, xác định chuẩn dòng chảy, đến việc vẽ đường quá trình lũ và áp dụng các mô hình đơn giản. Việc thực hành thường xuyên sẽ giúp củng cố kiến thức một cách vững chắc.

6.2. Tương lai ngành thủy văn học và bảo vệ môi trường nước

Thủy văn học hiện đại không chỉ dừng lại ở việc tính toán dòng chảy. Chương cuối của giáo trình mở ra một hướng đi mới, đó là quản lý chất lượng và bảo vệ môi trường nước. Các vấn đề như nguồn gốc nước thải (sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp), các thông số đánh giá chất lượng nước (BOD, COD), và mô hình tính toán sự biến đổi ô nhiễm trong sông được đề cập. Điều này cho thấy vai trò của nhà thủy văn trong tương lai sẽ ngày càng gắn liền với các bài toán môi trường, đảm bảo sự phát triển bền vững của tài nguyên nước trước áp lực của phát triển kinh tế - xã hội và biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THỦY VĂN 1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tính toán thủy văn là một phần quan trọng của thủy văn học liên quan chặt chẽ với những nhu cầu thực tế của nền kinh tế quốc dân nhằm giải quyết các vấn đề điều hòa và phân phối tài nguyên nước. Tính toán thủy văn làm nhiệm vụ cầu nối giữa các nghiên cứu lý thuyết trong lĩnh vực thủy văn và các vấn đề thực tiễn sử dụng tài nguyên nước. Có thể nói tính toán thủy văn là phần chính trong thủy văn thực hành.

Chính nội dung trên đã xác định mục đích nghiên cứu và vị trí của Tính toán thủy văn đối với các chuyên đề nghiên cứu tiếp theo của thủy văn học như: Dự báo thủy văn, Tính toán thủy lợi và Động lực học dòng sông- những hướng nghiên cứu cơ bản nhất của thủy văn học. Trong giáo trình này xem xét các vấn đề về sự hình thành, các qui luật phân bố và phát triển của các đặc trưng dòng chảy và các phương pháp định lượng chúng. Nội dung chính của giáo trình tập trung chủ yếu vào việc phân tích các đặc trưng của dòng chảy, nghiên cứu các ảnh hưởng của các điều kiện khí tượng, mặt đệm tới các đặc trưng đó và các nguyên lý khái quát địa lý cũng như sự thay đổi theo thời gian, không gian của chính dòng chảy và các tham số thống kê của nó. Tóm lại nó đảm bảo cho khả năng tính toán dòng chảy ở các lưu vực đã hoặc thậm chí còn chưa được nghiên cứu.

Nước là một dạng tài nguyên quí báu không gì có thể thay thế được, là một thành phần không thể tách rời của môi trường sống, là lợi ích, là hiểm họa không lường đối với nhân loại. Chính vì vậy, Thủy văn học là một ngành khoa học xác định vai trò của nước trong thiên nhiên và trong sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Nước là tài nguyên có thể tự tái tạo nên mang ý nghĩa đặc biệt đối với sự phát triển của nhân loại. Để sử dụng các tính toán thủy văn cần làm rõ nhu cầu sử dụng thông tin về các đặc trưng và tham số dòng chảy của các ngành kinh tế quốc dân khác nhau.

Khi thiết kế các trạm thủy điện nhất thiết phải có các thông tin về dòng chảy trung bình nhiều năm, dòng chảy các năm nhiều nước và ít nước, phân bố dòng chảy theo mùa và theo tháng. Theo các thông tin đó có thể xác định công suất thiết kế của nhà máy thủy điện và khả năng sản xuất điện trong từng năm. Khi làm đập, hồ chứa cần có những thông tin về lưu lượng cực đại và tần suất lặp lại của nó. Để đảm bảo cung cấp nước cho công nghiệp và sinh hoạt thì trước hết phải nắm vững các thông tin về dòng chảy cực tiểu và các năm nước bé, nước trung bình.

Để xây dựng hồ chứa phục vụ cho công tác thủy nông cần các số liệu tin cậy về dòng chảy trung bình nhiều năm, giá trị tổng lượng và lưu lượng nước cực đại mùa lũ, đặc biệt là sự phân phối dòng chảy trong năm cũng như lượng dòng chảy mùa kiệt. Đối với giao thông vận tải khi thiết kế cầu, cống qua sông cần có mực nước lớn nhất. Để đảm bảo cho tàu thuyền đi lại cần biết rõ mực nước thấp nhất. Để qui hoạch kinh tế các lãnh thổ cần có số liệu về vùng ngập lụt và khả năng xói lở hai bờ sông.

Sự cần thiết đảm bảo yêu cầu khác nhau trong lĩnh vực xây dựng bởi các đặc trưng muôn hình muôn vẻ của dòng chảy chính là nội dung cơ bản của Tính toán thủy văn. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TÍNH TOÁN THỦY VĂN 1. Các công trình nghiên cứu Cũng như bất kỳ một môn khoa học nào, khoa học thủy văn đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển: từ đơn sơ đến hoàn chỉnh trong các công trình nghiên cứu lý thuyết, từ đơn giản đến phức tạp trong kỹ thuật đo đạc, thu thập thông tin, phương tiện tính toán. Việc xem xét một cách có hệ thống những giai đoạn phát triển của khoa học thủy văn có một ý nghĩa nhất định trong việc đưa ra những nghiên cứu mới, phù hợp với quy luật phát triển khách quan, giúp ta xác định chiến lược phát triển của ngành và trước mắt là chọn các đề tài nghiên cứu trong thế kỷ XXI.

Lịch sử phát triển thủy văn đã được thể hiện qua nhiều công trình nghiên cứu của các tác giả. Các công trình đó đề cập đến những vấn đề sau: Khoảng từ năm 3500 đến 3000 (trước Công nguyên) sự uy hiếp thường xuyên của sông Nin đã khiến cho các Pharaông (các vua Ai Cập thời cổ đại) phải ra lệnh thường xuyên theo dõi mực nước sông Nin qua các thiết bị đo đạc được gọi là các nilomet. Khoảng từ năm 450 đến 350 (trước Công nguyên) Plato và Aristotle nêu lên những nguyên lý cơ bản về tuần hoàn thủy văn. Những quan sát đầu tiên của Hy Lạp ra đời.

Khoảng từ năm 64 đến 150 (sau Công nguyên) hoàng đế La Mã Nêrô nêu ra nguyên lý tính toán lưu lượng nước bằng tích số của diện tích mặt cắt ngang và tốc độ chảy (Q = F. Việc đo đạc mưa được tiến hành ở Palestin. Từ năm 1452 đến 1519, Leonard de Vinci tiến hành đo đạc dòng chảy bằng phao nổi. Từ năm 1510 đến 1590 Palisay củng cố lý thuyết của Plato và Aristotle về tuần hoàn thủy văn bằng khái niệm mới.

Từ 1610 - 1687 phải kể đến các công trình: 1610: Santoriô đề xuất dụng cụ đo tốc độ nước. 1614: bảng Logarit của Napror ra đời. 1642: Pascal đặt cơ sở đầu tiên cho việc tính toán bằng máy. 1663: Wren xây dựng trạm tự ghi mực nước đầu tiên.

1738: Bernoulli phát triển mối quan hệ giữa tốc độ và áp suất trong dòng chảy. 1769: Herberden phát hiện sự biến đổi của mùa mưa theo độ cao. 1775: Chezy nêu ra công thức dòng chảy trong kênh hở. 1797: Venturi nêu ra công thức tính dòng chảy trong ống khi có hình dạng co hẹp lại.

Thế kỷ XIX: 1802: Dalton phát hiện mối quan hệ giữa bốc hơi và áp suất hơi. 1851: Muvaney nêu ra khái niệm thời gian tập trung dòng chảy và dẫn ra công thức tỷ lệ nổi tiếng Q = CIF. 1856: Darey với lý thuyết về dòng chảy ngầm. 1885: Maning với công thức dòng chảy Chezy - Manning.

Lêliasky đưa ra lý thuyết về sự chuyển động của nước trong dòng sông và sự hình thành sông ngòi (1893); V.Lochin đưa ra lý thuyết " Cơ cấu dòng sông "(`1897). Vopakep phân tích dao động của dòng chảy trong nhiều năm, phát hiện tính đồng bộ của dòng chảy và mưa đã khẳng định sự đúng đắn ý kiến của Vaiaykôp: "Sông ngòi là sản phẩm của khí hậu". 9 Vào cuối thế kỷ XIX công trình nghiên cứu của Pencơ về chế độ mưa dòng sông Đanyp. Trong đó Pencơ lần đầu tiên đã dùng phương trình cân bằng nước để khảo sát bốc hơi từ mặt lưu vực.

Ở Mỹ, Niuenlơn lần đầu tiên xây dựng bản đồ đẳng trị dòng chảy năm. Thế kỷ XX (cho tới khi mô hình SSARR ra đời) thủy văn học phát triển rất mạnh mẽ. 1914: Hazen đưa ra khái niệm đầu tiên về thủy văn ngẫu nhiên đặt nền móng tổng quát cho Tính toán thủy văn. 1919: Viện Thủy văn Quốc gia Liên Xô được thành lập đã điều hành thống nhất toàn bộ công tác nghiên cứu thủy văn sông ngòi ở Liên Xô cũ.

1924: Poster sử dụng đường tần suất trong tính toán thiết kế. 1929: Polter thực hiện những cố gắng đầu tiên để mô tả quá trình dòng chảy theo hướng nhất định. 1930: Bush xây dựng máy tính tương tự đầu tiên dùng trong thủy văn. 1932: Sherman đề xuất khái niệm đường đơn vị.Menken đề ra phương pháp thống kê đầu tiên dùng trong tính toán dòng chảy sông và D.Xôkolopski đề nghị dùng phương pháp thống kê xác suất vào việc nghiên cứu biến động dòng chảy năm.

Svannitze tiếp tục phát triển thủy văn ngẫu nhiên ở Liên Xô cũ. 1933: Horton đưa ra lý thuyết thấm. 1935: Mocarthy đưa ra phương pháp diễn toán Muskingum. 1942: Geumbel đề ra lý thuyết giá trị cực trị dùng trong thủy văn.

1943: Máy tính thế hệ I ra đời được dùng trong tính toán thủy văn.Menken đề ra phương pháp K.M dùng trong tính toán điều tiết hồ chứa thứ hai. 1948: Linsley sử dụng phương pháp tương tự điện trong tính toán lũ. 1949: Máy tính thế hệ II ra đời được dùng trong thủy văn. 1950: Sugawara đề xuất mô hình đầu tiên về pha mặt đất của tuần hoàn thủy văn.

1951: Kohler, Lunsley sử dụng kỹ thuật tương quan hợp trục. 1955: Lighthile và Whihfam đưa ra lý thuyết về sóng động lực. 1956: Suganawa đưa ra mô hình Tank - là mô hình được dùng nhiều trên thế giới. 1956: Sử dụng phương pháp phân tích hệ thống tài nguyên nước qua chương trình tài nguyên nước Stanford.

Máy tính thế hệ III ra đời được dùng trong thủy văn. 1957: Nash đề xuất khái niệm đường đơn vị tức thời. 1958: Mô hình SSARR ra đời. Trong những năm tiếp theo phương hướng toán thủy văn phát triển mạnh mẽ, chỉ riêng trong lĩnh vực mô hình tất định có thể kể ra hàng loạt mô hình nổi tiếng: 1959- 1960: Mô hình Stanford.

!968: Mô hình Kutchment và mô hình Hyrenn. 1970: Box và Jenkins đưa ra mô hình Arima. Từ 1971 -1990 hướng thủy văn tính toán đã phát triển rất mạnh mẽ và đa dạng. Từ 1990 -nay thủy văn học hiện đại đòi hỏi sự kết hợp của nhiều lĩnh vực các khoa học Trái Đất, đặc biệt là hệ thống thông tin địa lý.

Tổng hợp, phân chia các giai đoạn phát triển thủy văn Điểm lại những sự kiện lịch sử trong quá trình phát triển thủy văn, kết hợp với sự phân tích điều kiện phát triển kinh tế - xã hội trong từng giai đoạn có thể cho phép ta tạm thời phân định ra 3 thời kỳ phát triển của khoa học thủy văn. Mỗi thời kỳ có những đối tượng nghiên cứu riêng, mang sắc thái riêng trong nội dung nghiên cứu cũng như trong phương pháp luận. Những thời kỳ đó là: 1. Thời kỳ thủy văn địa lý: Đối tượng nghiên cứu của thời kỳ này là mô tả thủy vực địa lý riêng rẽ.

Thủy văn mang sắc thái khoa học tự nhiên đơn thuần với nội dung nghiên cứu chủ yếu là giải quyết hiện tượng thủy văn, tính toán thành phần của cán cân nước cũng như tuần hoàn thủy văn, phân vùng, phân khu xây dựng các bản đồ đẳng trị thủy văn. Về phương pháp phân tích vi mô thường áp dụng các phương pháp thực nghiệm.