Giáo trình Tài nguyên nước - Nguyễn Thị Phương Loan

Giáo trình tài nguyên nước 
 Nguyễn Thị Phương Loan 
 NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2005, 111 Tr. 
Từ khoá: tài nguyên nước, nguồn nước tự nhiên, khái niệm tài nguyên nước, nguồn 
gốc nước tự nhiên, tính chất, ý nghĩa của nước, cân bằng nước, tuần hoàn nước, phân 
bố của nước, sông ngòi, tài nguyên nước sông, nghiên cứu về sông ngòi, tài nguyên 
nước hồ, hồ chưa, nghiên cứu về hồ, tài nguyên nước việt nam, hồ đầm việt nam, hồ 
đầm. 
Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục 
đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục 
vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. 
Mục lục 
CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÀI NGUYÊN NƯỚC ................................ 7 
1.1 Thế nào là tài nguyên nước? ................................................................................... 7 
1.2 Nguồn gốc nước tự nhiên ...................................................................................... 10 
1.3 Thể tồn tại của nước, tính chất và ý nghĩa ............................................................ 10 
1.4 Tuần hoàn nước tự nhiên....................................................................................... 11 
1.5 Cân bằng nước....................................................................................................... 12 
1.6 Quy luật phân bố nước theo không gian ............................................................... 14 
1.7 Quy luật biến động nước theo thời gian................................................................ 17 
1.7.1 Tính chu kỳ........................................................................................................ 17 
1.7.2 Tính ngẫu nhiên................................................................................................. 17 
1.8 Khả năng tự tái tạo của tài nguyên nước............................................................... 19 
1.8.1 Khả năng tái tạo lượng và năng lượng nước ..................................................... 19 
1.8.2 Khả năng tự tái tạo chất nước............................................................................ 19 
1.9 Tính địa đới của tài nguyên nước.......................................................................... 21 
1.10 Tính lưu vực của tài nguyên nước......................................................................... 21 
 1.11 Các yếu tố tự nhiên hình thành tài nguyên nước................................................... 22 
1.11.1 Khí hậu .......................................................................................................... 22 
1.11.2 Địa hình, địa chất, thổ nhưỡng ...................................................................... 24 
1.11.3 Lớp phủ thực vật ........................................................................................... 26 
1.12 Ảnh hưởng của biến động khí hậu tới tài nguyên nước ........................................ 27 
1.13 Tác động nhân sinh tới tài nguyên nước ............................................................... 29 
1.13.1 Tác động trực tiếp ......................................................................................... 29 
1.13.2 Tác động gián tiếp ......................................................................................... 30 
1.14 Tai biến môi trường liên quan tới tài nguyên nước............................................... 30 
1.14.1 Tổng quan...................................................................................................... 30 
1.14.2 Lũ lụt ............................................................................................................. 31 
1.14.3 Lũ quét........................................................................................................... 33 
1.14.4 Lũ bùn đá....................................................................................................... 33 
1.14.5 Hạn hán ......................................................................................................... 34 
1.14.6 Các dạng tai biến, rủi ro môi trường khác liên quan tới nước....................... 35 
CHƯƠNG 2 SÔNG NGÒI VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC SÔNG................................. 39 
2.1 Tổng quan.............................................................................................................. 39 
2.2 Chế độ nước sông.................................................................................................. 42 
2.3 Năng lượng dòng nước.......................................................................................... 44 
2.4 Quy luật chuyển động của nước............................................................................ 45 
2.4.1 Quá trình sinh dòng chảy từ mưa trên lưu vực.................................................. 45 
2.4.2 Quy luật chảy tập trung trên lưu vực................................................................. 46 
2.4.3 Quy luật chuyển động của nước trong sông...................................................... 48 
2.5 Hình dạng lòng sông và tương tác dòng nước lòng sông...................................... 50 
2.5.1 Hình dạng lòng sông trên mặt bằng .................................................................. 50 
2.5.2 Hình dạng đáy sông........................................................................................... 51 
2.5.3 Chỉ tiêu ổn định lòng sông ................................................................................ 52 
2.5.4 Dòng chảy phù sa .............................................................................................. 52 
CHƯƠNG 3 TÀI NGUYÊN NƯỚC HỒ VÀ HỒ CHỨA.......................................... 54 
3.1 Tài nguyên nước hồ............................................................................................... 54 
3.2 Tài nguyên nước hồ chứa ...................................................................................... 57 
3.2.1 Tổng quan. ... hảy vòng tập trung ở đáy là một trong những nguyên nhân 
gây ra sự hình thành vùng bồi nông ở khoảng giữa dòng, giữa hai vòng xoáy. Ngoài ra, các 
nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với những thay đổi về độ rộng, độ sâu lòng chảy và tốc độ 
nước còn tạo ra những dòng chảy có 4 vòng xoáy hoặc nhiều hơn nữa. 
Nghiên cứu dòng chảy vòng trong sông thiên nhiên rất phức tạp do việc đo đạc thực địa 
gặp khó khăn, còn các vấn đề lý thuyết chưa được giải quyết triệt để. 
Vận tốc dòng chảy 
Vận tốc trung bình của dòng chảy tính bằng công thức Sêzi 
V = C.(Ri)1/2 (2.3) 
trong đó: i- độ dốc; C - hệ số Sêzi, được xác định gần đúng bằng công thức Manning C = 
R1/6/n ; R- bán kính thuỷ lực; n- hệ số nhám, phụ thuộc loại lòng sông. 
Đường phân bố vận tốc theo chiều rộng sông có dạng tương tự hình dạng mặt cắt ngang 
lòng sông, với giá trị cực đại đạt được tại vùng nước sâu nhất, bằng không tại mép nước. Trên 
đoạn sông thẳng, vận tốc lớn nhất thường đạt được ở khoảng giữa dòng, còn trên đoạn sông 
cong vận tốc lớn nhất gặp ở vùng sát bờ lõm. Trong mỗi mặt cắt ngang ổn định, thường tìm 
thấy một thuỷ trực mà tại đó vận tốc trung bình thuỷ trực gần bằng vận tốc trung bình toàn 
mặt cắt (thuỷ trực đại biểu). 
Trong mặt cắt ngang lõm đều, khi không có cản trở dòng chảy trên mặt nước, phân bố 
vận tốc theo độ sâu có dạng hypecbôn với cực đại đạt được trên mặt nước và giá trị trung bình 
gần bằng vận tốc thực đo tại điểm 0,6 độ sâu. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với việc 
kiểm soát dòng chảy trong điều kiện cấp bách, khi không có thời gian và nhân lực đo vận tốc 
theo quy phạm đầy đủ. Vận tốc vùng đáy biến đổi nhanh và kém ổn định do tương tác đáy - 
nước, hoặc do xuất hiện dòng phân tầng ngược, còn vận tốc vùng mặt có thể không tuân theo 
quy luật hypecbôn trong những trường hợp phát sinh dòng ngược do gió, nước dâng... do vậy 
quy phạm đo vận tốc dòng chảy thường bố trí mật độ điểm đo tại các vùng này dày hơn. 
Lưu lượng dòng chảy 
Lưu lượng dòng chảy là lượng nước chuyển qua mặt cắt ngang hoạt động của dòng nước 
trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng dòng chảy được tính bằng công thức: 
Q = Vtb . ω = Vtb . B. htb (2.5) 
trong đó: ω - diện tích mặt cắt ngang hoạt động, Vtb- vận tốc trung bình dòng chảy; B- 
chiều rộng mặt cắt ngang; htb - độ sâu trung bình mặt cắt ngang 
Giữa lượng dòng chảy (DC) tuyến trên và tuyến dưới của sông tồn tại quan hệ khá chặt 
chẽ, gọi là quan hệ tương ứng. Độ chặt chẽ của tương quan giảm theo sự tăng khoảng cách hai 
tuyến và mức biến hình sóng lũ. Quan hệ có dạng: 
DCtuyến dưới = F (DCtuyến trên , đặc trưng đoạn sông) 
= F (DCtuyến trên , thời gian chảy truyền). (2.5) 
 50
Đây là cơ sở cho một trong những phương pháp cổ điển dự báo ngắn hạn dòng chảy trên 
sông mà ngày nay vẫn được áp dụng rộng rãi với độ chính xác cho phép và giảm theo sự tăng 
thời gian dự kiến của dự báo. 
2.5 Hình dạng lòng sông và tương tác dòng nước lòng sông 
2.5.1 Hình dạng lòng sông trên mặt bằng 
Trong các thung lũng khó xói, hình dạng lòng sông trên mặt bằng hình thành do sự thích 
nghi của dòng nước với những chỗ uốn cong của địa hình - gọi là uốn khúc sơn văn, có tính 
tương đối ổn định, thường gặp ở vùng thượng lưu sông. Trong điều kiện đáy thung lũng dễ bị 
xâm thực, các khúc uốn hình thành do hệ quả tương tác dòng nước - lòng sông, gọi là uốn 
khúc thuỷ văn, thường gặp trong vùng đồng bằng. 
Nghiên cứu hình dạng lòng sông trong các thung lũng đồng bằng dễ xói cho thấy chính 
dạng lòng sông uốn khúc mới thuộc loại ổn định và mang tính đặc trưng. Tuy nhiên các khúc 
uốn cũng biến động tuân theo một số xu thế chính sau: 1- Chuyển dịch tự do xuôi dòng; 2- 
Chuyển dịch quanh những điểm uốn cố định trên mặt bằng; 3- Cắt dòng. 
Sự chuyển dịch tự do của các khúc uốn xuôi dòng chỉ có thể xảy ra trong điều kiện đất đá 
đồng nhất. Khi đó dòng nước chuyển động xói vào phần dưới của tất cả các đoạn lõm, làm 
cho các khúc uốn dịch chuyển dần về xuôi. Trong điều kiện đáy thung lũng cấu tạo không 
đồng nhất, với những vị trí khó xói, thì chuyển dịch các khúc uốn bị cản trở, các khúc uốn sẽ 
phát triển xoay quanh những điểm khó xói này. 
Độ uốn khúc càng lớn, độ dốc và do đó khả năng tiêu thoát nước càng giảm. Sự giảm này 
có thể đi tới giới hạn mà tại đó dòng nước không có khả năng xói mòn tiếp các bờ, làm cho 
các khúc uốn không phát triển thêm được, tạo ra những dạng mêanđrơ ổn định. 
Hạ lưu các sông có đồng bằng châu thổ lớn và đổ ra vùng biển có biên độ triều lớn cũng 
thường uốn khúc mạnh 
Trong quá trình phát triển tự do, sẽ xuất hiện những đoạn sông cong gấp khúc, bán kính 
cong rất nhỏ, điểm đầu và điểm cuối đoạn cong rất gần nhau trên mặt bằng. Khi lượng nước 
mùa lũ lớn, tiêu thoát qua khúc uốn gặp khó khăn, nếu eo đất nhỏ giữa hai đầu khúc uốn dễ 
xói, dòng nước lũ sẽ cắt qua đó, tạo thành một đường nước chảy mới ngắn hơn và có độ dốc 
lớn hơn, thoát lũ nhanh hơn. Đồng thời do lưu tốc lớn, sức tải cát của dòng nước trong đoạn 
sông mới tạo ra sẽ lớn, trong khi đó, cửa vào của đoạn sông mới nằm sát bờ lõm của đoạn 
cong cũ nên nước vào là nước trên mặt mang ít phù sa, dẫn đến quá trình xói lở trên đoạn 
sông mới diễn ra rất mạnh, mặt cắt mở rộng nhanh. Ngược lại, trên đoạn cong cũ, vì độ dốc 
nhỏ, lưu tốc nhỏ, sức tải cát nhỏ, trong khi đó dòng vào mang nhiều bùn cát nên bị bồi mạnh, 
chỉ sau 3 - 4 năm phần đầu của đoạn sông cong cũ sẽ bị lấp hoàn toàn, phần cuối thường sẽ 
hình thành hồ. 
Sự thay đổi cao độ mốc xâm thực cơ sở (nhân tạo hoặc tự nhiên) cũng là một nguyên 
nhân quan trọng dẫn tới thay đổi chế độ thuỷ lực trong sông, thay đổi tương tác dòng nước 
lòng sông, dẫn đến những biến động bất thường hình dạng lòng sông trên mặt bằng, nâng cao 
hoặc hạ thấp đáy sông, tạo ra các thềm sông mới. 
 51
HÌNH 2.2. 
SƠ Đồ CHUYểN DịCH Vị TRÍ LÒNG SÔNG THEO THờI GIAN 
2.5.2 Hình dạng đáy sông 
Hình dạng đáy sông thường không đều đặn và bằng phẳng mà bao gồm các lạch sâu và 
bãi cạn xen kẽ nhau kiểu bàn cờ. Trên đoạn sông cong hình đạng này thể hiện rõ nét nhất với 
một lạch sâu ăn sát vào bờ lõm ở phần đầu của đoạn sông cong và một bãi cạn bên bờ lồi ở 
phần cuối của đoạn sông cong, ngoài ra trên đoạn sông cong còn hình thành một bãi nông 
hình yên ngựa vắt ngang sông cắt qua đường sâu nhất. 
Định luật Facgơ về mối tương quan giữa độ cong của đoạn sông và hình dạng đáy sông 
phát biểu như sau: 
Đường có độ sâu lớn nhất dọc sông nép sát vào bờ lõm và đối diện với chúng là những 
bãi bồi nông. 
Phần sâu nhất của lạch sâu và phần nông nhất của bãi vắt dịch xuống theo dòng so với 
những điểm có độ cong lớn nhất và nhỏ nhất gần bằng 1/4 chiều dài của lạch sâu cộng bãi vắt. 
Sự thay đổi độ sâu nhịp nhàng hình thành khi độ cong thay đổi nhịp nhàng, mọi sự thay 
đổi độ cong đột ngột sẽ khiến độ sâu thay đổi đột ngột. 
Độ cong càng lớn, độ sâu của lạch càng lớn. 
Đối với một độ cong cho sẵn, khi độ dài của đoạn sông tăng, độ sâu lúc đầu tăng rồi sau 
đó giảm và đối với mỗi đoạn sông tồn tại một giá trị độ dài đường cong trung bình nào đó 
thích hợp nhất với các độ sâu. 
Độ uốn khúc tăng dẫn đến giảm độ dốc, giảm thời gian chảy truyền, giảm mức ác liệt của 
lũ và ngược lại. Trong điều kiện thung lũng đồng bằng, độ uốn khúc thuỷ văn tự nhiên thể 
hiện trạng thái cân bằng tương đối ổn định của tương tác dòng nước - lòng sông. 
Những cố gắng nhân tạo hướng tới thay đổi độ uốn khúc trên một đoạn sông, thay đổi 
hình dạng bờ đáy có thể dẫn tới thay đổi tương tác bờ đáy tại chỗ và tạo ra phản ứng dây 
chuyền tới toàn bộ quá trình trên phần hạ lưu công trình, phá vỡ quy luật tự nhiên toàn tuyến, 
tạo ra bất thường dòng chảy lũ và biến hình sóng lũ ngoài khả năng dự đoán và phòng tránh, 
gây hệ quả nghiêm trọng. Đây là cơ sở khoa học cho công tác thiết kế chỉnh trị dòng sông 
phục vụ giao thông vận tải cũng như chống xói lở bờ. 
 52
Trên nhiều đoạn sông thẳng và rộng, nếu lòng sông dễ xói hơn bờ thì quá trình xói bồi 
đáy sông có thể dẫn tới hình thành các bãi bên nằm so le nhau ở hai bên bờ, đối diện mỗi bãi 
là lạch sâu, giữa hai lạch sâu cũng có một ghềnh cạn, đường chủ lưu là một đường uốn khúc. 
Về mùa kiệt, các bãi nổi lên, lòng sông trở nên quanh co uốn khúc, chảy quanh các bãi bên. 
Theo Rôsinski, trong sông thẳng, bãi ở vị trí so le là không thể tránh khỏi; Do tác dụng qua lại 
giữa dòng nước và lòng sông, khiến cho lòng sông sinh ra biến hình hoặc có những bãi bên so 
le nhau để thích ứng với kết cấu của dòng nước. Những bãi bên này cũng di chuyển dần về hạ 
lưu trong khi bảo tồn về hình dạng và cấu trúc so le, gây bất lợi cho các hoạt động kinh tế cần 
độ sâu ổn định ở vùng bờ. 
Đoạn sông thẳng có lòng sông đơn nhất phần nhiều nằm trong thung lũng sông thẳng, 
hẹp, hoặc trong thung lũng sông rộng nhưng bờ khó xói lở, thổ nhưỡng ven bờ phần lớn là đất 
thịt pha sét hoặc đất sét chịu được xói. 
2.5.3 Chỉ tiêu ổn định lòng sông 
Chỉ tiêu ổn định lòng sông theo chiều dọc của Makavêep 
ϕh = d/(hI) (2.6) 
trong đó: d- đường kính hạt lơ lửng (mm); h- độ sâu (m); I - độ dốc mặt nước (mm/m). 
Khi hệ số ổn định lớn, độ ổn định lớn. Khi hệ số ổn định nhỏ (< 0,2), độ ổn định lòng 
sông sẽ kém. 
 Hệ số ổn định lòng sông theo chiều rộng của Antunin: 
ϕB = B.I1/5. Q-1/2 (2.7) 
trong đó: I - độ dốc mặt nước; B - độ rộng sông ứng với lưu lượng tạo lòng (m); Q- lưu 
lượng tạo lòng (m3/s) 
Hệ số ϕB thay đổi trong khoảng từ 0,5 - 1,7. Hệ số càng nhỏ thì độ ổn định của bờ sông 
càng lớn. 
Lưu lượng tạo lòng là lưu lượng có tác dụng rất lớn đến quá trình tạo lòng sông cũng như 
diễn biến lòng sông. Theo Makavêep, diễn biến lòng sông có quan hệ chặt chẽ với chuyển 
động của bùn cát. Mức chuyển cát càng lớn thì diễn biến lòng sông càng mạnh. Lưu lượng 
tương ứng với mức chuyển cát lớn nhất là lưu lượng tạo lòng. Theo Makavêep, lưu lượng 
ứng với giá trị (Qm.P.I) lớn nhất sẽ là lưu lượng tạo lòng, trong đó: Q - lưu lượng nước, P 
- tần số xuất hiện của lưu lượng Q trong năm điển hình (năm có lượng ngậm cát bình quân 
năm bằng trung bình nhiều năm), I - độ dốc mặt nước ứng với mức lưu lượng Q. 
Đa số các sông chưa chỉnh trị ở châu Âu có hai trị số cực đại của tích (Qm.P.I): Trị số đầu 
ứng với mực nước lớn có tần suất 5 – 10% và tạo thành lưu lượng tạo lòng mùa lũ, trị số cực 
đại thứ 2 tương ứng mực nước có tần suất 25 – 50% tạo thành lưu lượng tạo lòng mùa kiệt. 
Tính toán thử nghiệm cho sông Hồng, đoạn Sơn Tây - cửa sông Đuống cho thấy Q tạo lòng 
thứ nhất bằng 11.200m3/s, Q tạo lòng thứ hai bằng 8.000m3/s. 
2.5.4 Dòng chảy phù sa 
Dòng chảy phù sa là dòng vật chất dạng hạt chuyển động trong sông cùng với dòng nước. 
Nguồn cung cấp phù sa cho sông là: 1- Xói mòn bề mặt và cuốn theo do dòng nước, gió; 2- 
Xói mòn bờ đáy. 
 53
Phù sa trong sông được phân thành hai loại theo đặc điểm chuyển động là phù sa lơ 
lửng và phù sa đáy (di đẩy). Sự phân loại này chỉ có tính tương đối do trạng thái lơ lửng 
của hạt vật chất phụ thuộc: 1- Đặc tính bản thân hạt (độ thô thuỷ lực); 2- Đặc điểm thuỷ lực 
khối nước. Độ thô thuỷ lực của hạt là tốc độ rơi đều của nó trong nước tĩnh, phụ thuộc vào kích 
thước, hình dạng, trọng lượng riêng của hạt, mật độ hạt cũng như độ nhớt và mật độ nước. Độ thô 
thuỷ lực (w) được tính bằng công thức: 
w = [d.(ρ - 1). β-1]1/n (2.9) 
trong đó: d- đường kính hạt; ρ- mật độ hạt; n, 
 β - tham số thực nghiệm: 
Khi d <0,2 cm n=1,2 β = 0,007 
Khi d >0,2 cm n = 2 β = 0,006 
Khi thành phần thẳng đứng của vận tốc nước lớn hơn hoặc bằng độ thô thuỷ lực của hạt 
thì nó sẽ ở trạng thái lơ lửng. 
Phù sa lơ lửng lại phân thành hai loại là: 1- Chất tạo lòng, chiếm đa số; 2- Chất không tạo 
lòng, kích thước nhỏ (<0,005 mm), luôn luôn ở trạng thái lơ lửng mà không phụ thuộc đặc 
tính thuỷ lực của nước. Theo độ sâu các hạt nhỏ phân bố tương đối đồng đều trong khi phân 
bố hạt lớn tăng dần khi đi xuống sâu. Vận tốc dòng chảy càng lớn thì phân bố phù sa lơ lửng 
theo độ sâu càng đều. Xuôi dọc sông lưu lượng phù sa tăng nhưng độ thô thuỷ lực và độ đục 
giảm do giảm vận tốc và hạt bị mài mòn trong quá trình chuyển động. 
Phù sa đáy chuyển dịch theo ba cách trượt, lăn và nhảy cóc tuỳ theo đặc điểm bề mặt đáy, 
hình dạng, kích thước và trọng lực hạt, tốc độ nước vùng sát đáy, tuân theo quy luật Eri: trọng 
lượng hạt lăn tỷ lệ với luỹ thừa bậc sáu của tốc độ. Giả sử tỷ lệ tốc độ dòng chảy sông giữa 
vùng hạ lưu và thượng lưu là 1:4 thì tỷ lệ trọng lượng các hạt chuyển dịch tại hai đoạn sông 
này là 1: 4096, do đó phù sa sông đồng bằng thường là cát nhỏ, trong khi phù sa sông miền 
núi có cả cuội, sỏi, đá tảng. 
Sức tải cát của dòng là lượng phù sa mà dòng nước có thể mang được ứng với mỗi trạng 
thái động lực (vận tốc) cụ thể. Vận tốc thay đổi khả năng tải cát của dòng cũng thay đổi. Khi 
lượng phù sa thực tế lớn hơn sức tải cát thì sẽ xảy ra bồi lắng phần vượt trội. Còn khi sức tải 
cát lớn hơn lượng phù sa thực tế trong sông thì năng lượng dư sẽ bị hướng vào công phá bờ 
đáy gây xói mòn và bổ sung phù sa để tạo cân bằng. Có rất nhiều công thức lý thuyết, bán 
kinh nghiệm và kinh nghiệm để tính sức tải cát của dòng nước. Tuy nhiên các công thức cho 
những kết quả tính toán không giống nhau và chưa sát với giá trị thực đo. 
Chế độ phù sa trong năm phụ thuộc đặc điểm nguồn cung cấp phù sa, chế độ mưa và chế 
độ nước sông. Mùa kiệt độ đục và lưu lượng bùn cát đều nhỏ và ít biến động. Ở Việt Nam độ 
đục các sông nhỏ 10 - 50g/m3, sông lớn 50 - 200g/ m3. Đầu mùa lũ độ đục và lưu lượng phù 
sa đều tăng mạnh, đường quá trình phù sa có dạng răng cưa nhiều đỉnh, phù hợp với đường 
quá trình nước. Trên các sông nhỏ miền núi, đỉnh đường quá trình phù sa thường xuất hiện 
cùng hoặc sau đỉnh lũ; Trên các sông lớn đồng bằng - xuất hiện trước. 
Phù sa sông ngòi là lượng vật chất có giá trị dinh dưỡng cao và nguồn cung cấp cho các 
quá trình bồi lắng hình thành một số dạng địa hình. Kích thước phù sa lơ lửng thích hợp nhất ˜ 
0,15mm, lớn hơn sẽ gây bồi lắng kênh, nhỏ hơn gây màng bít lỗ rỗng của đất.