Philip B. Bedient
Wayne C. Huber
Hydrology
and
Floodplain
Analysis

Second Edition
Đại học Quốc gia Hà Nội
Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên

Philip B. Bedient
Wayne C. Huber Thuỷ văn học
và
Phân tích vùng ngập lụt


và thực tiễn nghiên cứu của các tác giả. Các mô hình sử dụng máy tính đã đợc cập
nhật và giáo trình mang màu sắc của thuỷ văn hiện đại. Với hơn 80 ví dụ và lời giải
cùng nhiều bài tập về nhà để rèn luyện với sự chuẩn bị công phu cơ sở dữ liệu, cuốn
sách có ích không chỉ đối với sinh viên mà còn là cẩm nang chỉ dẫn đối với các nhà
nghiên cứu, nhất là trong lĩnh vực mô hình toán thuỷ văn và thuỷ lực.
Khi dịch cuốn sách này, ngời dịch cố ý không chuyển đổi các đơn vị Anh, Mỹ dùng
trong cuốn sách bởi các số liệu tính toán trong các bảng biểu, ví dụ và hình vẽ đều
dùng đơn vị Anh và không thể làm lại. Hơn nữa, trong phần phụ lục các giả đã đa ra
đầy đủ các bảng biểu chuyển đổi đơn vị, các thuật giải, các mô tả chơng trình máy tính
và các ký hiệu đầy đủ có thể giúp ngời đọc chuyển đổi dễ dàng, nếu có nhu cầu.
Tuy rất cố gắng chuyển tải trung thành nội dung cuốn sách, do hạn chế về thuật
ngữ nên có thể vẫn còn có những khiếm khuyết nhất định. Rất mong sự góp ý của bạn
đọc để lần xuất bản sau đợc tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Văn
Tuần đã đọc kỹ bản dịch và hiệu đính để bản thảo đợc hoàn thiện với chất lợng cao
hơn. Xin cảm ơn các sinh viên Lê Thị Huệ, Trần Nam Bình, Cao Phong Nhã, Cấn Thu
Văn và Phạm Quang Huy lớp K45 TV đã đóng góp nhiều trong công việc dịch thuật, chế
bản để cuốn sách sớm hoàn thành.
Đây là một cuốn sách hay, rất hữu dụng cho sinh viên và học viên sau đại học cũng
nh các nhà nghiên cứu, thực hành.
Xin trân trọng giới thiệu cùng độc giả.

11

Mở đầu
Hiện tợng lũ lụt, khô hạn, vấn đề điều khiển hệ thống thoát lũ và cung cấp nớc,
vấn đề chất lợng nớc và môi trờng là các vấn đề có ý nghĩa quan trọng trong thuỷ
văn học hiện đại đang đợc sự quan tâm của các nhà thuỷ văn công trình, địa chất thuỷ
văn, các nhà khoa học trong lĩnh vực Khoa học Trái Đất. Cuốn sách này nhấn mạnh các
vấn đề về tính toán thuỷ văn, hớng tới đối tợng sinh viên các năm cuối nhằm cung
cấp các kiến thức và cách tiếp cận đến vấn đề ứng dụng quan trọng trong việc phân tích

7
đã cách mạng hóa hơn nữa tính thực hành của thủy văn học. Hàng trăm chơng trình
lớn, nhỏ đã đợc viết để làm đơn giản hoá công việc tính toán trên của các kỹ s và các
nhà thủy văn. Nhiều máy tính lớn sớm hơn đã tích hợp để có những phiên bản đợc
chuyển đổi chạy trên những máy tính cá nhân mạnh. Sự hữu dụng của những mô hình
tính toán trên máy tính đã đợc khai triển cho lớp học và cho thực tế thiết kế một cách
đáng kể.
Phát triển về lý luận
ý tởng đầu tiên cho quyển sách bắt nguồn từ những kinh nghiệm của tác giả
trong việc dạy về phân tích thủy văn học lu vực từ 1976 tại trờng đại học Rice. Phiên
bản đầu tiên của cuốn sách (1988) đợc viết trong thời gian năm năm và cung cấp các
phơng pháp tính gần đúng hiện đại bao gồm sự liệt kê chi tiết những phơng pháp số
và những mô hình tính toán trên máy tính thờng đợc sử dụng trong thủy văn học.
Phiên bản hai, sau bốn năm, đã bổ sung đáng kể các kiến thức mới, những ví dụ,
bảng biểu và một chơng mới về những vấn đề dự án trong thủy văn học.
Tác giả đã lựa chọn những mô hình tính đơn giản để sinh viên học nhiệt tình và
hiệu quả hơn khi họ tiệm cận những vấn đề thủy văn học hiện đại.
Với khả năng hiện thời của những máy tính cá nhân, những hoạt động nh vậy
đang trở thành là quy tắc cho sự rèn luyện của các kỹ s và các nhà thủy văn học. Văn
bản này cung cấp một số chơng trình và những bảng biểu FORTRAN đơn giản đợc sử
dụng trong thủy văn học và thủy lực học, sẵn sàng trên đĩa cho hệ máy PC hoặc máy
tính Macintosh.
Bốn chơng ( 5, 6, 7, và 9) cống hiến cho lý thuyết và ứng dụng chi tiết ba mô
hình đợc sử dụng rộng rãi nhất để làm mẫu: HEC - 1, HEC - 2 và SWMM. Với trờng
hợp chi tiết, chính là học về lu vực và lập kế hoạch thủy văn thực tại. Điều này là một
sự cải tiến đặc biệt khác trớc, cộng thêm chơng 9 trình bày về vấn đề dự án, phiên
bản hai là một sự tham khảo có ích cho cả những sinh viên lẫn những ngời chuyên
nghiệp trong thủy văn.
Tổ chức cuốn sách
Cuốn sách đợc chia ra hai phần chủ yếu: Phần đầu tiên, gồm có bốn chơng bao

Chơng 6, Thủy văn đô thị, tổng quan những phơng pháp chuẩn và những mô
hình máy tính cho các cống và kênh mở tại các hệ thống cống rãnh. Những sự phát
triển gần đây trong thiết kế hệ thống thoát hồ chứa, kể cả phần quản lý nớc
(SWMM), đợc trình bày với một sự nghiên cứu lu lợng đô thị toàn diện nhất. Nhấn
mạnh về khía cạnh phân tích thống kê dữ liệu và lý thuyết trên nền các đờng cong
IDF đợc sử dụng trong hệ thống thiết kế thoát nớc thành thị và những sự so sánh tạo
ra các phơng pháp hợp lý làm chuẩn thiết kế.
Chơng 7, Thủy lực học vùng ngập lụt cho những tổng quan đầu tiên, những khái
niệm từ dòng chảy trong kênh hở, các yêu cầu để vận hành theo trắc diện tính toán.
Tiếp theo, HEC - 2 của Trung tâm kỹ thuật thủy văn đợc mô tả chi tiết bởi vì tính phổ
biến của nó và yêu cầu sử dụng của những kỹ s thực hành. Đờng cong n
ớc mặt
ngoài và mặt nghiêng đợc yêu cầu trong đa số các vùng ngập lụt và kênh thiết kế của
các dự án, những thiết diện tại ngã t có cầu bắc qua đòi hỏi xác định vị trí và những
hệ số cơ bản. Một nghiên cứu trờng hợp chi tiết đợc giới thiệu minh hoạ cho mô hình.
Sự dự đoán nạn lụt gồm các đỉnh cho một trận ma lịch sử hoặc dự báo, sử dụng
phơng pháp hợp lý hoặc một mô hình tính đã kéo theo sự biến đổi các đỉnh điều chỉnh
trong vùng ngập lụt. Đây là một trong những bài toán khó nhất trong việc lập quy
hoạch thủy văn.
Chơng 9 hớng vào vài vấn đề thực tiễn liên quan đến trận ma thiết kế, lu
vc nhỏ thiết kế, hồ chứa thiết kế, và rộng hơn là lu vực ngập lụt thiết kế.
Các chơng 5, 6,7, và 9 cùng trình bày một tổ hợp đơn nhất các phơng pháp
thờng sử dụng bởi những kỹ s thực hành và những nhà thủy văn học nhng trớc đó
cha bao giờ đề tài này kết hợp trong một cuốn sách giáo khoa phổ thông.
Chơng 8 trình bày thủy văn học nớc dới đất nh một chơng độc lập, bao gồm
dòng trong môi trờng xốp, những thuộc tính tầng chứa nớc, giếng và các ứng dụng
máy tính. Đa ra những phơng trình của dòng và ứng dụng vào một số bài toán nớc
ngầm, bao gồm sự phân tích cả trạng thái dừng lẫn trạng thái động. Sự phân chia về
những phơng pháp số giới thiệu kỹ thuật thực nghiệm trong nớc ngầm và những ví
dụ sử dụng những chơng trình máy tính đơn giản để mô tả.

Philip B. Bedient Wayne C. Huber

10
Về cuốn sách
Thuỷ văn học và Phân tích vùng ngập lụt, phiên bản thứ hai cung cấp đầy đủ các
khái niệm cơ bản và các phơng pháp thiết kế trong thuỷ văn và phân tích vùng ngập
lụt. Bốn chơng đầu tiên bao trùm các chủ đề về dòng chảy mặt nh giáng thuỷ, bốc
thoát hơi, thấm và phân tích ma - dòng chảy, tần suất lũ và các phơng pháp diễn
toán lũ. Chơng 5, 6 và 7 đề cập tới lý thuyết và kỹ thuật máy tính hiện đại đối với một
số lĩnh vực thuỷ văn công trình gồm phân tích lu vực, thuỷ văn đô thị và thuỷ lực
vùng ngập lụt. Chơng 8 bàn luận một cách súc tích về chủ đề nớc ngầm bao gồm
nớc ngầm, dòng chảy ngầm, thuỷ lực giếng và các kỹ thuật mô hình hoá nớc dới đất.
Điểm mới trong phiên bản này ở chơng 9 với các phơng pháp thiết kế ma - dòng
chảy nhấn mạnh đến các lu vực nhỏ và lớn đang đô thị hoá. Các phơng pháp thiết kế
với qui mô các kênh và ống sử dụng phép xấp xỉ đờng quá trình đơn vị để mô tả các
chỉ tiêu thiết kế chuẩn cho vùng đô thị. Chơng 9 kết thúc với một chuyên đề phân tích
vùng ngập lụt và thiết kế sử dụng HEC-1 và HEC-2.
Thêm vào trong chơng 9, ở phiên bản thứ hai này, đáng chú ý là các ví dụ tính
dùng bảng số và mở rộng các phép đo thuỷ văn nh phơng pháp SCS, phân tích tốc độ
tổn thất mà HEC -1 và HEC -2 đã thảo luận. Trình bày thêm hơn 60 bài tập về nhà
mới để rèn luyện.
Phiên bản này thích hợp đối với các khoá thuỷ văn dân sự, kỹ thuật môi trờng,
địa chất học và các khoa học trái đất khác. Lần xuất bản này lợc duyệt tiếp tục các
vấn đề về thuật toán dùng trong thuỷ văn hiện đại đáp ứng đào tạo đại học và sau đại
học về các khía cạnh cân bằng và phân tích lu vực, diễn toán và kiểm soát lũ, thuỷ
văn đô thị, ma thiát kế và các mô hình máy tính.
Ngoài các vấn đề chính, trong cuốn sách còn gắn kèm theo hơn 80 ví dụ và lời giải;

trình và bài báo về kỹ thuật thống kê. Ông còn là nhà kỹ thuật và cố vấn cho các xởng
và các hãng phim.
Qua nhiều năm trên cơng vị Giáo s ở trờng Tổng hợp Florida tại Gainesville,
Dr. Huber nghiên cứu về thuỷ văn lu vực sông, hồ, thống kê ma, mô hình thuỷ lực và
chất lợng nớc. Ông góp phần vào xây dựng mô hình SWMM, về nghiên cứu tổng
lợng và chất lợng nớc trong các vùng đô thị 6
Mục lục
Chơng1. Các nguyên lý thuỷ văn học 21
1.1. Giới thiệu chung về thuỷ văn học 21
Lịch sử thuỷ văn cổ đại 22
Lịch sử hiện đại 23
Sự phát triển của máy tính 24
1.2. Vòng tuần hoàn nớc 26
1.3. Giáng thuỷ 29
Độ ẩm không khí 30
Giai đoạn biến đổi 31
Nguyên nhân và cơ chế thành tạo 32
Điểm giáng thuỷ 33
Vùng giáng thuỷ 41
1.4. Bốc hơi và bốc thoát hơi nớc 45
Xác định bốc hơi bằng phơng pháp cân bằng nớc 46
Phơng pháp trao đổi khối lợng 47
Phơng pháp cân bằng năng lợng 48
Thùng bốc hơi 49
Bốc thoát hơi nớc 52
1.5. Thấm 55
Phơng trình cờng độ thấm 55

Phơng pháp Sneyder 127
Phơng pháp SCS 129
Phơng pháp Espey 135
2.5. Các ứng dụng của đờng quá trình thuỷ văn đơn vị 138
2.6. Mô hình nhận thức 142
Các đờng cong đơn vị tức thời (IUH) 142
Các mô hình tuyến tính 143
2.7. Các phơng pháp sóng động học đối với dòng chảy tràn 145
2.8. Tuyết rơi và tuyết tan 147
Đặc trng vật lý của băng tuyết 148
Năng lợng dự trữ của băng tuyết 150
Các phơng trình chỉ số tuyết tan - độ - ngày hoặc nhiệt độ 151
Tính toán dòng chảy từ tuyết tan 152
Kết luận 154
Bài tập 155
13
Tài liệu tham khảo 160
Chơng 3. Phân tích tần suất 163
3.1. Lời giới thiệu 163
Phạm vi nghiên cứu 163
Các biến cố ngẫu nhiên 164
Biểu diễn số liệu 165
3.2. Các khái niệm xác suất 168
3.3. Các biến cố ngẫu nhiên và các luật phân bố xác suất 170
Các biến cố ngẫu nhiên và biến cố rời rạc 170
Các moment của một phân bố 172
Ước lợng moment từ các số liệu 174
Làm trơn phân bố chuỗi số liệu 178
3.4. Thời kỳ lặp lại và thời khoảng tái diễn 178
3.5. Các mô hình phân bố xác suất cơ bản 181

Các phơng pháp giải tích đối với bề mặt không thấm 260
Xấp xỉ sai phân hữu hạn 264
Giải các phơng trình sóng động học bằng phơng pháp sai phân phần tử hữu hạn 267
4.7. Diễn toán thuỷ lực sông ngòi 268
Các phơng pháp đặc trng 268
Phơng pháp hiện 269
Phơng pháp ẩn 270
Mô hình khuyếch tán 271
Phơng pháp Muskingum - Cunge 271
Mô hình sóng động lực (DWOPER) 275
Đờng cong tỷ lệ 276
Kết luận 278
Bài tập 278
Tài liệu tham khảo 287
Chơng 5. Các mô hình thuỷ văn mô phỏng 289
5.1. Giới thiệu về các mô hình mô phỏng 289
5.2. Tổ chức phân tích thuỷ văn lu vực 292
5.3. Mô tả các mô hình mô phỏng thuỷ văn chính 293
5.4. mô hình HEC-1 296
Phác thảo lu vực 297
Giáng thuỷ 298
Tuyết rơi và tuyết tan 298
Phân tích tỷ lệ tổn thất 298
Tính toán dòng chảy trên các lu vực con 300
Tính toán dòng cơ bản 303
Diễn toán lũ 304
15
Các khả năng khác của mô hình HEC-1 305
5.5. Số liệu đầu vào và đầu ra của HEC-1 306
Khái quát số liệu đầu vào 306

Lựa chọn lợng ma thiết kế 361
Thiết kế tổng hợp các trận lũ 361
16
Lựa chọn trận lũ thiết kế tổng hợp 363
6.4.Các phơng pháp phân tích lợng nớc 365
Dòng chảy cực đại, tổng lợng lũ hoặc đờng quá trình lũ? 365
Phân tích dòng chảy cực đại bằng phơng pháp thích hợp 365
Hệ số và các phơng pháp khử đuổi 370
Các phơng pháp tần suất - khử đuổi lũ 371
Các đờng quá trình thuỷ văn đơn vị 373
Các phơng pháp thời gian - diện tích 373
Phơng pháp sóng động học 373
Các bể chứa tuyến tính và phi tuyến 374
6.5. Hệ thống cống ngầm thuỷ lực 377
Diễn toán dòng chảy 377
Hệ phơng trình Saint -Venant 378
Sự quá tải 379
Diễn toán các cấu trúc thuỷ lực bên trong 380
6.6. Các điểm kiểm soát 381
Sự giam giữ/duy trì 381
Sự gia tăng lợng thấm 386
Các phơng pháp khác 387
6.7 Các mô hình thao tác trên máy tính 388
Khái niệm 388
Bảo vệ đất 389
Mô hình ILUDAS 389
Mô hình dòng chảy đô thị bang PENN 390
Mô hình HSPF 390
Mô hình STORM 390
Mô hình tổng hợp SWMM 392

7.12. Các khả năng tuỳ chọn của HEC-2 452
7.13. Nhập và xuất các đặc trng 453
Cấu trúc dữ liệu và tài liệu 453
Các tuyến thay đổi và điều khiển công việc 453
Các tuyến mặt cắt ngang 455
Các tuyến phân dòng chảy 455
7.14. Về phơng pháp liên kết chuẩn đặc biệt 455
Biện pháp liên kết chuẩn 455
Phơng pháp liên kết đặc biệt 456
Lựa chọn phơng pháp liên kết trong HEC-2 457
Cách bố trí mặt cắt ngang đối với kiểu liên kết 457
Lựa chọn diện tích hiệu quả 459
7.15. Ví dụ của chơng trình tính HEC-2 460
Tóm tắt 475
Bài tập 476
18
Tài liệu tham khảo 480
Chơng 8. Thuỷ văn nớc ngầm 481
8.1. Mở đầu 481
8.2. Những tài nguyên nớc ngầm 483
Sự phân bố theo chiều thẳng đứng của nớc ngầm 483
Tầng chứa nớc 485
8.3. Sự chuyển động của nớc ngầm 488
Định luật Darcy 488
Hệ số thấm thuỷ lực 489
Xác định hệ số thấm thuỷ lực 490
Các tầng chứa nớc dị hớng 491
Mạng lới dòng chảy 492
8.4. Các phơng trình dòng chảy tổng quát 495
Trạng thái ổn định của dòng chảy trong đới bão hoà 495

Các đờng cong ìD 546
Tần suất ma thiết kế cho lu vực lớn 547
9.3. Thiết kế trên lu vực nhỏ 550
Thiết kế lý tởng 550
Dòng chảy cực đại trong khu vực không phát triển 551
Phơng pháp thích hợp thiết kế đối với một phân khu 553
9.4. Thiết kế các biểu đồ thuỷ văn cho dòng chảy trong cống tròn, dòng
chảy tràn và dòng chảy trong các lòng dẫn hở
555
Thiết kế các cửa sông lu vực nhỏ 555
Phân khu thiết kế sử dụng mô hình HEC-1 557
Các phơng pháp kiểm soát lũ lụt 562
9.5. Thiết kế ao khống chế trong việc kiểm soát lũ lụt 562
9.6. Thiết kế và phân tích đồng bằng ngập lụt tại các vùng rừng. trờng
hợp nghiên cứu điển hình
568
Giới thiệu 568
Hệ thống thuỷ văn các vùng rừng 568
Những ứng dụng của mô hình HEC-1 và HEC-2 571
Các mối quan hệ lu lợng - trữ lợng 572
ảnh hởng của trữ lợng nớc hồ chứa vào các mục đích sử dụng đất khác nhau 574
Các phân tích thuỷ văn trong việc thay đổi kế hoạch phát triển 574
Tóm tắt trờng hợp nghiên cứu 575
Tổng kết 576
Bài tập 576
Tài liệu tham khảo 580
Phụ lục 581

20