ĐO ĐẠC VÀ CHỈNH LÝ SỐ LIỆU THỦY VĂN Nguyễn Thanh Sơn phần 5 pptx

z1 + p1 γ + u12 p u2 = z2 + + 2g γ 2g (4.27) u12 h= 2g p1 γ p2 γ u1 A B Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý đo vận tốc ống đo thuỷ văn Trong đó: Z1 = Z2 - độ cao điểm xác định vận tốc cho hai điểm A B; u1 - vận tốc điểm A; u2 = vận tốc điêm B, - γ- trọng lượng riêng nước Từ (4.27 )ta có: p − p1 γ u12 = =h 2g (4.28) Từ đó, nhận cơng thức tính vận tốc: v = u1 = gh (4.29) Công thức (4.29) dùng trường hợp chất lỏng lý tưởng cịn trường hợp dịng chảy rối ( h) bé Để áp dụng người ta đưa vào hệ số điều chỉnh (ϕ) xác định cách kiểm định Khi (4.29) có dạng: u = ϕ gh (4.30) Ngày dã chế tạo ống đo có hệ số ϕ = 4.4.4 Xác định vận tốc xác định lực tác động dịng chảy lên vật trơi 4.4.4.1 Ngun tắc: dựa mối liên hệ vận tốc dòng chảy áp suất 64 dòng lên vật thể nằm Nó biểu diễn qua mối liên hệ: ρu ω R = Cx (4.31) R - Lực áp suất dòng chảy lên vật Cx - hệ số cản, phụ thuộc vào hình dạng vật hệ số Reinolds (Re) ρ - mật độ nước; u - vận tốc dịng chảy ω - diện tích hình chiếu vật lên bề mặt vng góc với vận tốc dòng chảy gọi Midel Từ (4.31) vận tốc có là: 2R Cx ρω v=u= (4.32) Vậy đo áp suất dịng chảy lên vật trơi đo vận tốc dịng chảy Trong cơng thức ω biết Hệ số Cx phụ thuộc vào hình dạng vật hệ số Reinolds Re = ud ν (4.33) u - vận tốc dòng, d - kích thước vật cản; ν - hệ số nhiệt động nhớt nước, phụ thuộc vào nhiệt độ vật thả , vật thả nên dùng có dạng hình cầu, hình đĩa hàm Cx = f ( Re) có trình bày sách tra cứu.Về lý thuyết, đo vận tốc cịn dựa phương pháp thể tích, phương pháp trao đổi nhiệt phương pháp hồi âm 65 CHƯƠNG LƯU LƯỢNG NƯỚC 5.1 KHÁI NIỆM Định nghĩa: Lưu lượng nước thể tích nước chảy qua thiết diện ngang dịng chảy đơn vị thời gian Đơn vị đo m3/s l/s; ký hiệu Q Lưu lượng nước đặc trưng quan trọng; thành phần chủ yếu dòng chảy Trên sở xác định lưu lượng cách có hệ thống người ta tính lưu lượng nước trung bình ngày, lưu lượng nước cực đại, cực tiểu thể tích dịng chảy qua khoảng thời gian Các phương pháp xác định lưu lượng nước tồn chia hai nhóm: đo trực tiếp đo gián tiếp Nhóm thứ gồm phương pháp thể tích dựa việc đo thể tích dụng cụ đo đặt dòng nước , đồng thời đo thời gian lúc đầy dụng cụ chứa Lưu lượng tỷ số thể tích thời gian đo Phương pháp thường áp dụng dòng chảy bé suối, kênh, rạch vv Phương pháp có độ xác cao Phương pháp đo gián tiếp gồm nhiều phương pháp mà đặc trưng chung khơng đo trực tiếp lưu lượng mà đo số yếu tố dòng chảy lưu lượng thu thơng qua tính tốn Nhóm phương pháp bao gồm: a Phương pháp xác định lưu lượng theo vận tốc dịng chảy diện tích mặt cắt ngang dòng gọi phương pháp "lưu tốc - diện tích" b Xác định lưu lượng nhờ cơng trình đo cố định kênh đào, đập chắn lưu lượng xác định theo yếu tố thuỷ lực c Phương pháp hỗn hợp (điện, nhiệt vv ) Trong phương pháp kể phương pháp " lưu tốc -diện tích"là phổ biến 5.2 PHƯƠNG PHÁP "LƯU TỐC - DIỆN TÍCH" MƠ HÌNH LƯU LƯỢNG 66 Bản chất phương pháp "lưu tốc - diện tích " xác định thể tích mơ hình lưu lượng - có nghĩa thể tích vật thể nước có số đo lưu lượng nước qua mặt cắt ngang dòng chảy Ta xét mặt cắt ngang dòng chảy với vận tốc dòng khác điểm khác Vận tốc lớn bề mặt dòng, gần bờ đáy chúng bé dần Tương ứng với thành phần lưu lượng đơn vị phần mặt cắt ngang Để xác định lưu lượng qua diện tích thành phần cần nhân diện tích với vận tốc dịng B h dx y x dy Hình 5.1 Mặt cắt ngang dòng chảy dQ = v cosαdω , (5.1) v - vận tốc giới hạn diện tích thành phần; α - góc lệch hướng vân tốc đường vng góc; dx - diện tích thiết diện thành phần Lưu lượng nước qua toàn diện mặt cắt ngang là: Q = ∫ v cos α d ω = ω x =B y=h ∫ ∫ v cos α dxdy (5.2) x =0 y=0 Nếu α giữ nguyên giá trị cho diện tích thành phần (5.2) viết sau: B h Q = cos α ∫ ∫ vdxdy (5.3) 0 Nếu véc tơ vận tốc có hướng trùng với đường vng góc có nghĩa α= cosα =1 67 B h Q = cosα ∫ ∫ vdxdy = ∫ vdω 0 (5.4) ω Cơng thức thu thể tích lưu lượng nước vật thể nước giới hạn mặt sau mặt cắt ngang dịng , phía mặt nước tự thể phân bố vận tốc dịng phía mặt cong xác định quan hệ v = f(x, y) Từ suy xác định lưu lượng xác định tích phân nêu Song thực tế khó áp dụng khơng rõ cách lấy v = f(x, y) nên thực tế người ta tính tốn cách đơn giản hơn: lưu lượng tính theo cơng thức xấp xỉ cách thay tích phân tổng theo phương pháp phân tích: OEB - mặt cắt; OMDNB - phân bố vận tốc mặt; CED - phân bố vận tốc thuỷ trực CE mặt cắt; MKN đường đẳng lưu Có thể xác định lưu lượng theo phương pháp sau: Đầu tiên biết lưu lượng nước thuỷ trực (lưu lượng đơn vị) lưu lượng xác định theo cơng thức: Hình 5.2 Mơ hình lưu lượng B Q = ∫ qdx (5.5) q - lưu lượng thành phần tích vận tốc trung bình thuỷ trực với độ sâu thuỷ trực tức q=vB.h với B - độ rộng sông Thứ hai , mặt cắt dịng chảy có đẳng lưu xác định diện tích nằm đường đẳng lưu đường mực nước thể tích mơ hình lưu lượng nước là: Q= vmax ∫ ω v dv (5.6) 68 ωv - Diện tích bị hạn chế đường đẳng lưu v đường mực nước 5.3 ĐO LƯU LƯỢNG BẰNG LƯU TỐC KẾ 5.3.1 Chọn đoạn sông Yêu cầu tối thiểu chọn đoạn sơng có tuyến đo mực nước, ngồi cịn u cầu bổ sung sau: - Có dịng nước chuyển động ổn định - Có chung hướng dòng chảy; - Vận tốc mùa kiệt 0,15 - 0,25 m/s để đo lưu tốc kế có độ xác cao; - Về mùa lũ có vận tốc khơng q - m/s Khơng có nước tù dòng chảy ngược 5.3.2 Xác định hướng tuyến đo Tuyến đo thuỷ văn gọi đường cắt ngang sơng mà tiến hành đo lưu lượng u cầu: Tuyến đo vng góc với dịng chảy; ước lượng mắt lấy tuyến đo vng góc với hai bờ Phương pháp xác định hướng tuyến đo với máy GP - 42 Phương pháp xác tiến hành sau a Trên tuyến đo giả định chọn từ 10 -12 thuỷ trực b Đo vận tốc 0,6 h = vtb cho tất thuỷ trực c Tính lưu lượng thuỷ trực q = vtb h d Tính lưu lượng đơn vị qd = qb với q - lưu lượng thành phần e Vẽ qd đơn vị ( giá trịvà hướng) sơ đồ 69 f Chọn hướng tổng tổng véc tơ q thành phần lấy đường vng góc với làm tuyến đo Phương pháp xác định hướng đo phao nổi: Trên tuyến đo thả phao hỗ trợ Phao thả quan sát theo thứ tự sau: a Thả phao tuyến thả từ 10 - 15 phao theo chiều rộng sông b Quan sát chỗ phao cắt tuyến quan sát phao c Dùng đồng hồ bấm giây xác định thời gian phao trơi từ tính V = l/t, với l khoảng cách hai tuyến, t thời gian phao e Tương tự phương pháp để chọn tuyến đo thuỷ văn Trên sơng chảy nhanh sơng miền núi khó thả phao tồn sơng áp dùng phương pháp sau Trên bờ chọn đoạn AB hai tuyến vng góc với AD BE từ điểm H cố định sông tuyến AD thả 7-8 phao từ điểm A quan sát máy vị trí góc phao cắt BE, lần cho ta góc α trung bình cho ta góc cắt BE M Vậy HM đường chảy trung bình tuyến đo Nếu lấy AB = l suy AH = l.tgβ , BM = l.tgα; BK = AH - BM = ( tgα - tgβ ) AG vng góc với AK tuyến đo thuỷ văn 5.4 TRANG BỊ CỦA TUYẾN ĐO THUỶ VĂN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO Tuyến đo thuỷ văn bao gồm trang bị sau: - Trạm đo mực nước trạm xa tuyến đo - Các mốc kiểm tra - Tuyến đo sâu thuyền qua sông ( cầu cống ) - Các tuyến đo độ dốc mặt nước 70 Các phương pháp định vị thuỷ trực đo vận tốc tuyến đo bao gồm phương pháp sau: Chi tiết, rút gọn 5.4.1 Phương pháp chi tiết Đo vận tốc nhiều điểm nhiều thuỷ trực áp dụng để đo trường vận tốc tuyến đo vào - năm quan trắc Phương pháp bố trí thuỷ trực cách theo chiều rộng sông 5.4.2 Phương pháp Xem xét để đo lưu lượng với số lượng thuỷ trực (đo vận tốc khơng 5) điểm đo (2 - 3) với điều kiện kết đo không khác với lưu lượng đo theo phương pháp chi tiết 3% Số lượng thuỷ trực vận tốc phân bố chúng theo tuyến đo xác định sở phân tích 20 -30 lần đo lưu lượng phương pháp chi tiết vào mùa khác 5.4.3 Phương pháp rút gọn Phương pháp coi việc xác định lưu lựợng nước với điểm thuỷ trực với dòng chảy tự đo - điểm có cỏ lịng sơng Số lượng vị trí thuỷ trực vận tốc điểm đo xác định sở phân tích kỹ lưỡng tài liệu nhận việc đo lưu lượng phương pháp chi tiết Phương pháp áp dụng ca quan trắc cần xác định lưu lượng nhanh với dịng chảy khơng dừng 5.4.4 Đo nhanh Lưu lượng áp dụng trường hợp mà cần tiến hành đo nhanh tốt; Đó có dao động mực nước đột ngột (10cm/giờ ), bờ bị xói lở mạnh ( thường xảy lũ lụt ) yêu cầu đo điểm khoảng 30 giây thời gian hai tín hiệu mà thơi Đo nhanh điểm nên dùng phương pháp chi tiết, rút gọn 5.5 ĐO LƯU LƯỢNG NƯỚC Công tác đo lưu lượng bao gồm: 71 a Mô tả đoạn sông, thời tiết yếu tố xác định điều kiện làm việc b Quan trắc mực nước c Đo độ sâu tuyến đo thuỷ văn ( TĐTV ) d Đo vận tốc điểm riêng biệt thiết diện ướt thuỷ trực vận tốc e Quan trắc trạm đo độ dốc mặt nước Kết ghi vào sổ g Dựa vào kết đo tốc độ đo sâu tiến hành tính diện tích mặt cắt ngang, tốc độ bình quân mặt cắt sau tính lưu lượng nước Khi đo vận tốc cần ý: Xác định mực nước trạm đo vào đầu cuối thời gian đo thuỷ trực Đo độ sâu thuỷ trực tính tốn độ sâu 0,2h, 0,4h, 0,6h, 0,8h để thả máy Đo vận tốc độ sâu cần thiết, Thường điểm đo thời gian 120s để đảm bảo lấy trung bình vận tốc xác, 1/2 thời gian đo trước sau lệch 10s cần kiểm tra lại máy Đối với khe suối nhỏ đo lưu lượng trực tiếp qua máng nước thùng đựng nước 5.6 PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN ĐO VẬN TỐC DÒNG CHẢY VÀ LƯU LƯỢNG NƯỚC Bản chất phương pháp sau: ta thả lưu tốc kế dịch chuyển chúng mặt phẳng thiết diện ướt theo phương đồng thời xác định tổng số vòng N cánh quạt thời gian t vận tốc trung bình đoạn đường đo lưu tốc kế xác định là: n= N , v = f (n ) t (5.7) 72 Với n vận tốc trung bình dịng chảy tính số vịng /s thu nhận nhờ bảng kiểm định máy lưu tốc kế Phương pháp thực hành theo thuỷ trực, theo tuyến nằm ngang theo toàn mặt cắt thu vận tốc tương ứng Trên thuỷ trực hạ lưu tốc kế xuống tận đáy kéo lên cho chuyển động giữ Sau tính vận tốc cách lấy tổng số vịng quay chia cho số thời gian máy làm việc Việc đổi thứ ngun vận tốc trung bình dịng chảy tra bảng kiểm định 5.7 TÍNH TỐN LƯU LƯỢNG NƯỚC Có phương pháp: - Phương pháp phân tích - Phương pháp đồ giải - Phương pháp theo đường đẳng lưu Trong phương pháp phân tích hay dùng tính giản đơn độ đảm bảo xác tương đối cao 6.7.1 Phương pháp phân tích Lưu lượng nước tính theo công thức xấp xỉ sau: Q = kv1ω + v1 + v2 v +v ω +L+ n−1 n ω n−1 + kvnω n−1 2 (5.8) Trong đó: v1, v2 vận tốc trung bình thuỷ trực ω0, ωn diện tích thuỷ trực vận tốc gần hai bờ bờ trái phải ω1, ω2 diện tích hai thuỷ trực k - hệ số thực nghiệm tuỳ thuộc vào điều kiện bờ Đối với: - sông lý tưởng ( k = 0,9 ); - sơng có bờ khúc khuỷu ( k = 0,8 ) 73 - mép nước có độ sâu = ( k = 0,7 ) - bờ có lau, sậy ( k = 0,5 ) Vận tốc công thức ( 5.8 ) tính sau a Lịng sơng hở, khơng có cỏ nước tù Đo điểm thuỷ trực: VB = 0,1 ( Vm + V0,2 + 3V0,6 + 2V0,8 + Vd) (5.9) Đo điểm thuỷ trực: VB = 0,25 ( V0,2 + 2V0,6 + V0,8) (5.10) Đo hai điểm thuỷ trực: VB = 0,5(V0,2+V0,8) B (5.11) Đo 1điểm thủy trực: VB=V0,6 (5.12) b Trong trường hợp tính lưu lượng với bờ có lau sậy; Đo điểm thuỷ trực: VB = 0,1 ( Vm + V0,2 + V0,4 + 2V0,6 + 2V0,8 + Vd)(5.13) Đo điểm thuỷ trực: VB = 1/3 ( V0,15 + V0,5 + V0,85) (5.14) Đo 1điểm thủy trực VB = kV0,5 B (5.15) Với hệ số k = 0,9 Diện tích thành phần thiết diện ướt xác định qua độ sâu thuỷ trực đo sâu thuỷ trực đo vận tốc Diện tích phần mặt cắt bờ thủy trực 74 vận tốc thứ nhất: h + h2 h1b0 + b1 2 ω0 = (5.16) Diện tích mặt cắt thuỷ trực vận tốc thứ thứ hai là: ω1 = h2 + h3 h +h h +h b2 + b3 + b4 2 2 h1ω0 h2 (5.17) n hn ω1 h3 hn-1 h4 h5 Hình 5.3 Sơ đồ tính diện tích thành phần thiết diện ướt Mực nước tính tốn mực nước biến đổi nhanh thời gian đo cơng thức trung bình trọng lượng với Hi - mực nước thuỷ trực đo; qi - lưu lượng đơn vị thuỷ trực, bi - độ rộng sông thuỷ trực H tt = H q 1b1 + H q b2 +L+ H n q n bn , q 1b1 + q b2 +L+ q n bn (5.18) 5.7.2 Phương pháp phân tích xác Do Braslavski đưa thể tích phần mơ hình lưu lượng hai thuỷ trực kề biểu diễn cơng thức x=B ΔQ = ∫ hvdx (5.19) x =0 h - độ sâu; v - vận tốc trung bình thuỷ trực; b - khoảng cách thuỷ trực; x - toạ độ xét thuỷ trực 75 Các giá trị xét h, v coi hàm x Giả thiết thay đổi độ sâu hai thuỷ trực tuyến tính với h1 < h2 ta có: h = h1 + h2 − h1 x Biểu diễn b vận tốc theo công thức Chesi v = C hI nhận công thức Manhinga C = 16 h , với nn hệ số nhám, ta có: v= 2 I h = ah n (5.20) Lại giả sử n I số hai thuỷ trực a số, (5.20) viết x =b ΔQ = a ∫ x=0 h2 − h1 ⎛ ⎜ h1 + ⎝ b ⎞ x⎟ ⎠ dx (5.21) Kết lấy tích phân biến đổi phương trình cuối ta cơng thức tính toán đơn giản: ΔQ = ωkv m (5.22) ω- Diện tích ướt hai thuỷ trực vận tốc; vm - vận tốc lớn hai vận tốc thuỷ trực kề nhau; k - hệ số phụ thuộc vào tỷ số Vn/Vm Vn - vận tốc nhỏ hai vận tốc thuỷ trực kề Lưu lượng tổng cộng tổng lưu lượng thành phần: i= n Q = ∑ ω i k i v im (5.23) i =1 Cơng thức (5.23) cho tính tốn kết với sai số không vượt 4,4% với số lượng thuỷ trực tối thiểu, dùng công thức (5.8) với số lượng thuỷ trực sai số tới 22% 5.7.3 Phương pháp đồ giải Trong phương pháp phép thay tích phân việc đo diện tích phân 76 bố lưu lượng đơn vị máy đo ô vuông Lưu lượng đơn vị biểu diễn giải tích tích phân sau: h q = ∫ vdh (5.24) qua đồ thị lưu lượng đơn vị diện tích phân bố vận tốc thuỷ trực Vận tốc trung bình thuỷ trực phép chia diện tích cho độ sâu Việc tính tốn theo phương pháp tiến hành sau: 1) Trên giấy kẻ li vẽ mặt cắt ngang phân bố vận tốc tỷ lệ, tính vận tốc cho trước q 2) Lấy q/h cho ta nhận vận tốc trung bình thuỷ trực 3) Dựng phân bố vận tốc trung bình theo chiều rộng sơng; tính vận tốc cho thuỷ trực đo sâu ( q/h từ đồ thị phân bố lưu lượng thành phần ) 4) Tính lưu lượng đơn vị cho thuỷ trực ( kể thuỷ trực đo sâu lẫn vận tốc cách q=vtb h 5) Tính lưu lượng nước cách dựng phân bố Q q thu kết đếm hay dùng máy đo diện tích Diện tích đường phân bố Q cho ta lưu lượng toàn phần Phương pháp xác nhiều cơng sức 5.7.4 Phương pháp tính lưu lượng theo đường đẳng lưu Phương pháp dựa công thức (5.6) cách thay tích phân tổng số yếu tố hữu hạn mơ hình lưu lượng Thể tích mơ hình lưu lượng lưu lượng nước bằng: Q= ω +ω1 a+ ω1 +ω2 a + + ω n −1 + ω n a + Qk , (5.25) ω0 - diện tích mặt cắt ngang ω1, ω2 - diện tích giới hạn đường đẳng lưu thứ 1,2 a- khoảng vận tốc đường đẳng lưu 77 Qk thể tích phần cuối bằng: Qk = ω n (v max − v n ) (5.26) ωn - diện tích đường đẳng lưu cuối vmax - vận tốc lớn - vận tốc tương ứng với đường đẳng lưu cuối Nếu đường đẳng lưu cách đều, công thức (6.17) có dạng đơn giản hơn: ⎛ω +ω n ⎞ Q = a⎜ + ω + ω +L+ω n −1 ⎟ + Qk ⎝ ⎠ (5.27) Thứ tự cơng việc tính tốn lưu lượng sau: 1) Trên giấy kẻ li vẽ mặt cắt ngang lịng sơng 2) vẽ phân bố tốc độ thuỷ trực tỷ lệ 3) vẽ đường đẳng lưu (từ - 10 đường đẳng lưu) 4) Đo diện tích đường đẳng lưu máyđo diện tích hay đếm vng giấy kẻ ly 5) Tính lưu lượng nước sử dụng cơng thức ( 5.27 ) 5.8 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƯU LƯỢNG BẰNG LƯU TỐC KẾ Khi đo lưu lượng nước lưu tốc kế, đo đạc khác không tránh khỏi sai số Lưu lượng xác định phương pháp "lưu tốc - diện tích" với việc xác định vận tốc lưu tốc kế mắc phải sai số ΔQ đó, biểu diễn qua: Qd = Qt ± ΔQ (5.28) với Qd Lưu lượng thực đo Qt - Lưu lượng xác, ΔQ - Sai số đo đạc (tuyệt đối) 78 Sai số đo lưu lượng biễu diễn % sau ΔQ = Qd − Qt 100 Qt (5.29) Các nguyên nhân dẫn đến sai số thuộc nhóm: sai số ngẫu nhiên sai số hệ thống chịu ảnh hưởng: - Tính chất chất lượng dụng cụ đo - Phương pháp điều kiện đo đạc - Sự biến đổi đại lượng đo theo thời gian - Phương pháp tính tốn 5.8.1 Nhóm sai số ngẫu nhiên a Đo diện tích mặt cắt ngang: Khi đo mặt cắt ngang có sai số sau: - xấp xỉ độ sâu khoảng cách - sai lệch vị trí thuỷ trực - Tổng sai số mục đạt tới gần 3% b Đo vận tốc - Xấp xỉ việc xác định thời gian đo - Thời gian đo ngắn nên không đủ triệt mạch động - Xấp xỉ tính tốn vận tốc trung bình - Tổng sai số cỡ - % tính lưu lượng 5.8.2 Nhóm sai số hệ thống a Đo diện tích - Vị trí khơng thẳng đứng cọc dây cáp - Đo nước chảy cọc thước 79 ... (5. 14) Đo 1điểm thủy trực VB = kV0 ,5 B (5. 15) Với hệ số k = 0,9 Diện tích thành phần thiết diện ướt xác định qua độ sâu thuỷ trực đo sâu thuỷ trực đo vận tốc Diện tích phần mặt cắt bờ thủy trực... tù Đo điểm thuỷ trực: VB = 0,1 ( Vm + V0,2 + 3V0,6 + 2V0,8 + Vd) (5. 9) Đo điểm thuỷ trực: VB = 0, 25 ( V0,2 + 2V0,6 + V0,8) (5. 10) Đo hai điểm thuỷ trực: VB = 0 ,5( V0,2+V0,8) B (5. 11) Đo 1điểm thủy. .. tuyến đo Nếu lấy AB = l suy AH = l.tgβ , BM = l.tgα; BK = AH - BM = ( tgα - tgβ ) AG vng góc với AK tuyến đo thuỷ văn 5. 4 TRANG BỊ CỦA TUYẾN ĐO THUỶ VĂN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO Tuyến đo thuỷ văn bao