Thủy văn công trình - Chương 7 ppsx

http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 7 ĐO ĐẠC THỦY VĂN Người ta thực hiện các đo đạc thủy văn để thu thập các số liệu về các quá trình thủy văn. Những số liệu này giúp ta hiểu biết sâu hơn về các quá trình này, sử dụng như các số liệu đầu vào của các mô hình tính toán thủy văn dùng trong thiết kế, phân tích và viết sách. Các quá trình thủy văn biến đổi mạnh mẽ trong không gian và thời gian mang đặc tính ngẫu nhiên. Mưa có bản tính biến đổi ngẫu nhiên lớn, nên ảnh hưởng đến các quá trình khác nhiều như dòng chảy mặt, bốc hơi, dẫn đến sự dự đoán các quá trình này ít nhiều mang tính không chính xác. Để giảm mức độ không chính xác này, đòi hỏi ngành đo đạc thuỷ văn cần cung cấp số liệu tại ngay hoặc gần khu vực đáng quan tâm để có thể có những kết luận trực triếp từ thực tế. 7.1 CHUỖI ĐO ĐẠC THỦY VĂN Các đo đạc thủy văn được tiến hành theo một thời gian tại một vò trí cố đònh trong không gian. Ví dụ, trên lưu vực, mưa biến đổi một cách liên tục trong không gian nhưng một trạn đo mưa chỉ tiến hành đo tại một vài đòa điểm riêng biệt của lưu vực. Các số liệu thu được tạo thành một “chuỗi số liệu theo thời gian” tại một đòa điểm và được sử dụng trong phân tích thống kê. Nếu quy hoạch trên một tuyến hay diện tích rộng, tiến hành đo đạc nhiều vò trí khác nhau tạo một điểm thời gian thì ta có một chuỗi số liệu theo không gian. 7.2 ĐO ĐẠC NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN. http://www.ebook.edu.vn 1. Độ ẩm không khí: Đo độ ẩm trên cao được thực hiện bằng thiết bi thăm dò vô tuyến: là một quả bóng bơm đầy Hêli mang theo các dụng cụ đo và ghi nhiệt độ và độ ẩm, áp suất không khí. Quả bóng được thả ra và khi bay trên không trung, nó gởi số liệu về trạm đo qua các ra. Độ ẩm khôn khí và các tham số khí hậu ở gần mặt đất được thực hiện trong các trạm khí tượng. Trang thiết bò thông thườong của một trạn khí tượng gồm có một hộp che chắn trong đó có các nhiệt kế để đo nhiệt độ lớm và nhỏ nhất mỗi ngày, có một áp kế một bầu khô một bầu ướt hay gọi là ẩm kế để đo độ ẩm; các thiết bò đo mưa được đặt gần đáy. ở một số trạm còn có cả thùng đo độ bốc hơi và cột đo gió. 7.3 ĐO ĐẠC NƯỚC MẶT. 1. Đo mực nước: Là đo độ cao mặt thoáng của dòng nước so với mặt chuẩn quy ướt (H, m hay cm). Dụng cụ đo mực nước là các loại thước chuyên môn dùng trong đo đạc. 2. Đo mặt cắt Mặt cắt lòng sông gồm hai loại: Mặt cắt ngang và mặt cắt dọc. Như vậy để đo hoàn toàn một mặt cắt, cần đo độ sâu ở các thủy trực, đồng thời đo khoảng cách từ thủy trực đến mốc cố đòng nào đó. Dựa vào khoảng cách từ mốc khởi điểm và độ sâu, vẽ ra mặt cắt ngang hoặc dọc sông. • Đo độ sâu: Để đo độ sâu thường dùng quả dọi hoặc dây tời có móc các sắt, loại này phù hợp cho vùng nước nông, tốc độ nhỏ. Với những chiều sâu từ 5-6m trở lên và tốc độ tương đối lớn thì phải dùng dây cáp có quả chì rồi thả từ thuyền xuống. Trọng lượng quả chì phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy. Ở những nơi có độ sâu rất lớn (>10m) người ta còn dùng máy hồi âm. http://www.ebook.edu.vn • Đo khoảng cách từ mốc khởi điểm: Phương pháp đơn giản nhất là dùng dây cáp có đánh dấu giăng ngang sông. Với những sông có bề rộng lớn thì dùng máy kinh vó để xác đònh vò trí đo • Chỉnh lý kết quả đo đạc Căn cứ vào số liệu đo đạc, vẽ ra mặt cắt ngang sông. Có mặt cắt dùng máy đo diệnt tích để tính diện tích tổng hợp ngang sông từ mặt nước trở xuống để làm tài liệu tính lưu lượng. 3. Đo lưu tốc và tính toán lưu lượng : Lưu tốc rất quan trọng để tính ra lưu lượn gvà nhiếu đặc trưng thủy lực khác trong dòng chảy. Mặt khác lưu tốc là một yếu tốc thủy lực quan trọng cần cho việc thiết kế cầu cống, đê đập, bến cảng Lư tốc trong sông bò ảnh hưởng bởi các nah6n tố sau đây: Hình dạng sông, độ nhám lòng dẫn, độ sâu dòng chảy, độ dốc lòng sông, hình thái bờ sông. Do đ1o sự phân bố vận tốc trên sông thiên nhiên khá phức tạp. Vận tốc trên các mặt cắt khác nhau thì khác nhau. trên cùng một mặt cắt, các điểm khác nhau cũng có vậnt tốc khác nhau. Trên cùng một mặt cắt nhang sông, càng gần bờ vận tốc càng giảm, càng gần đáy vậnt ốc càng giảm. • Đo lưu tốc bằng lưu tốc kế Người ta đo lưu tốc bằng lưu tốc kế, gồm đầu quay và bộ phận ghi chép số vòng quay. Để xác đònh được lưu lượng bằng lưu tốc kế, cần đo lưu tốc và mặt cắt ngang sông cùng một lúc. Đo lưu tốc trên sông được tiến hành bằng thuyền. Đưa thuyền đến từng vò trì của thuỷ trực và xác đònh vò trí điểm đo trên mỗi thuỷ trực, sau đó tại thủy trực này thả máy đo lưu tốc xuốn g từng điểm cần để đo. Ta có lưu tốc dòng chảy tại từng thủy trực. Vấn đề quan trọng là cần xác đònh hơp lý số thủy trực cho một mặt cắt ngang sông và số điểm trên mỗi thuỷ trực. http://www.ebook.edu.vn Đối với những trạm mới bắt đầu đo, cần bố trí nhiều thuỷ trực và điểm đo. Sau một thời gian khi đã có phân bố trường vận tốc, xác đònh lại những vò trí thiết yếu, có thể giảm số thuỷ trực và số điểm đo. Số điểm đo trên một thuỷ trực có thể là 6,3,2,1. Theo quy phạm quan trắc , tiêu chuẩn ngành VN, Số điểm được bố trí như sau: • Đo 6 điểm: ở vò trí mặt, 0,2h; 0,4h; 0,6h; 0,8h và đáy. • Đo 3 điểm: ở vò 0,2h; 0,6h; 0,8h. • Đo 2 điểm: ở vò trí 0,2h; 0,8h. • Đo 1 điểm: ở vò trí 0,6h. Tuỳ theo vò trí đo lưu tốc có thay đổi nhiều theo thời gian hay không mà người ta bố trí đo một lần (hoặc lên hoặc xuống), hay hai lần ( vừa lên vừ xuống) rồi sau đó lấy giá trò trung bình • Chỉnh lý số liệu đo đạc đượcphương pháp tính 1. Tính diện tích mặt cắt ngang: ∑ = + = + n ii ii i AAb hh A 1 1 2 Đối với phần diện tích sát bờ, tính như diện tích tam giác. Thông thường, các thuỷ thrực được bố trí ít hơn các độ sâu, nên để phục vụ cho việc tính toán lư lượng, cần tính các diện tích giữa hai thuỷ trực, gọi là diện tích bộ phận: ∑ = m ibf AA 1 với m là số các diện tích nhỏ i giữa hai thuỷ trực đo vận tốc. 2. Tính vận tốc trung bình thuỷ trực: Đo 6 điểm: )VVVVVV(V tt 018060402000 10 1 +++++= Đo 3 điểm: )VVV(V tt 806020 4 1 ++= http://www.ebook.edu.vn Đo 2 điểm: )VV(V tt 8020 2 1 += Đo 1 điểm: 60.tt V V = 3. Tính vận tốc trung bình cho bộ phận: Bộ phận giữa hai thuỷ trực: )VV(V ttittibf 1 2 1 + += Bộ phận gần bờ: ttbbfb KVV = Trong đó K là hệ số bờ, được xác đònh qua đo đạc thực nghiệm, hoặc có thể lấy theo kinh nghiệm phụ thuộc vào bình đồ lòng sông, phân bố lư tốc theo chiều rộng sông, hướng dòng chảy, Cách chọn như sau: a) Sông thẳng, đều, mặt cắt hình lòng cảho hay chữ nhật, không có luồng lách, bãi chìm, bải nổi. Lấy K=0,8-0,9. b) Sông thẳng, bộ phận gần bờ có lạch tương đối sâu, lưu tốc lớn hơn nơi xa bờ. Lấy K=0,9-1,0. c) Sông cong, lưu tốc bộ phận gần bờ tăng lên hoặc giảm đi rõ rệt. Nếu tăng lớn thì lấy K=0,9-1,0. Nếu giảm nhỏ thì lấy K=0,6-0,8. d) Nếu sông có đoạn bộ phận nước tù thì K=0,5. Trừng hợp này cần xác đònh ranh giới mực nước tù ở các cấp mực nước. 4. Tính lưu lượng bộ phận: bfbf V Aq = bfbbfbb VAq = 5. Lưu lượng toàn mặt cắt ngang sông ∑∑ += 2 11 b n i qqQ 6. Lưu tốc trung bình mặt cắt ngang sông A Q V = http://www.ebook.edu.vn Ví dụ tính toán: Bề ro ä n g B , m 0 10 20 30 40 50 60 70 Đo ä sâu , h , m 0 3 7 10 8 6 2 0 Die ä n tích A i , m 2 15 50 85 90 70 40 10 DT g iữa bo ä p ha ä n các thủ y trư ï c va ä n tốc , m 2 15 135 160 50 Vận tốc điểm trên thủy trực, tại 0,2h, m/s 0.4 3.2 0.5 Vận tốc điểm trên thủy trực, tại 0,8h, m/s 0.2 2.5 0.4 Vận tốc trung bình thủy trực, Vtt, m/s 0.3 2.85 0.45 Vận tốc trung bình bộ phận, m/s, chọn K t =0.8; K p =0.9 0.24 1.575 1.65 0.405 Lưu lượng bộ phận q, m 3 /s 3.6 212.625 264 20.25 Lưu lượng Q, m 3 /s 500.475 h i Thuỷ trực i Đ ường vận tốc theo bề rộng 0.4 0.2 3.2 2.5 0.5 0.4 0.0 1.0 2.0 3.0 Các đường đồng mức vận tốc, m/s http://www.ebook.edu.vn 7.3 CHỈNH BIÊN TÀI LIỆU THỦY VĂN. Tài liệu đo đạc từ các trạm chưa thể sử dụng mà phải qua quá trình chỉnh biên vì chúng không phản ảnh được quá trình thuỷ văn một cách liên tục và đầy đủ, chúng không phản ánh được quy luật của các quá trình thuỷ văn. Nhiện vụ của chỉnh biên là đem các tài liệu đo đạc rời rạc và gián đoạn phân tích chỉnh lý thành những tài liệu hoàn chỉnh, liên tục phục vụ cho tính toán thuỷ văn, dự báo thuỷ văn, và các ngành khác có liên quan. 1. Chỉnh biên tài liệu mực nước: Mục đích là lập ra bảng mực nước bình quân hàng ngày, hàng tháng và cả năm. Ghi rõ mực nước cao nhất, thấp nhất, bình quân trong năm, vẽ đường quá trình mực nước trong cả năm. Các bước tiến hành sau: • Thu thập các số liệu về đòa hình, đòa chất lòng sông, cao trình gốc thước nước và các tài liệu khác có ảnh hưởng đến mực nước nói chung. • Thẩm tra và phát hiện ácc số liệu vô lý. • Vẽ đường quá trình mực nước và tính mực nước bình quân hàng ngày. Mực nước trung bình được tính phụ thuộc vào sự biến thiên mực nước trong ngày nhanh hay chậm, các khoảng thời gain có bằng nhau không. Nếu mực nước biến đổi chậm trong ngày, thì mực nước trung bình H tb được tính từ phương pháp trung bình số học ( có thể khoảng thời gian không bằng nhau). Nếu nực nước biến thiên đột ngột trong ngày thì H tb được tính như sau: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ++ + + + = − 22224 1 121 2 10 1 nn ntb HH a HH a HH aH trong đó a i là khoảng cách thời gian giữa lần đo mực nước thứ i-1 và thứ i. http://www.ebook.edu.vn ta có 24 1 = ∑ n i a H i là mực nước đo được tại điểm thời gian thứ i. Nếu trong ngày hkông có số liệu mực nước lúc 0 và 24 giờ thì căn cứ vào lần đo trước hoặc sau để nội suy rồi sau đó mới tính H tb . Căn cứ vào mực nước trung bình hàng ngày để vẽ đường quá trình mực nước cả năm. Căn cứ vào tài liệu của các trạm đo trên và dưới, các tài liêu năm trước để tiến hành phân tích, kiểm tra lại kết quả chỉnh biên. 2. Chỉnh biên tài liệu lưu lượng Yêu cầu cũng lập ra bảng lưu lượng bình quân ngày cho cả năm, Q max ; Q min ; Q tb trong năm. Tính tổng lượng nước chảy qua một mặt cắt trong cả năm và lập ra bảng trích các yếu tố thuỷ văn trong mùa lũ. Vì công tác đo lưu lượng phức tạp nên không thể đo liên tục như mực nước. Do đó cần vẽ đường quan hệ mực nước với lưu lượng để biến những tài liệu gián đoạn thành liên tục thoả mãn yêu cầu về chỉnh biên lưu lượng. • Quan hệ mực nước và lưu lượng Q=f(H) • Quan hệ mực nước và diện tích mặt cắt A=f(H) • Quan hệ mực nước và vận tốc trung bình mặt cắt V=f(H) Cùng một mực nước H, trò số tính được của lư lượng từ các đườàng quan hệ phải bằng Q=AV, sai số cho phép không quá 2% Khi lập các đường quan hệ này, thường phát hiện ra những điểm đặc biệt cần phân tích xử lý. Nếu số liệu hkông đúng cần loại bỏ. Ta có các trường hợp sau: • Q=f(H) ổn đònh: trường hợp này xảy ra trên sông thẳng, đều, độ nhám đồng nhất, không bò bồi xói, không có ghềnh thác. Q và H trong trường hợp này quan hệ với nhau rất chặt chẽ. Chỉ cần vẽ một đường cong trơn qua các giữa các điểm là được. http://www.ebook.edu.vn • Quan hệ Q=f(H) không ổn đònh: a) Không ổn đònh do bồi xói: kih lòng sông bò xói, cùng mọt mực nước, nhưng độ sâu tăng lên nên lưu lượng tăng lên, điểm quan hệ so với đường quan hệ có khuynh hướng lệch về bên phải. Còn khi lòng sông bò bồi thì ngược lại. b) Do tồn tại khu nước vật: Nước vật la 2hiện tượn gnước dâng lên ở hạ lưu do dòng chảy bò chắn lại ( do hạ lưu có một đập dâng nước, do sông nhánh chặn lại bởi bò ảnh hưởng bởi góc lệch giữa hai sông chổ cửa sông nhánh, ở hạ lư có htuỷ triều dâng lên, ở hạ lưu có cây cỏ thuyề bè cản trở. Nước vật là dốc đường mực nước thay đổi. Tương ứng với một mực nước có nhiều lưu lượng khác nhau. Nước vật càng lớn thì độ dốc đường mực nước càng bé, lưu lượng tương ứng cũng càng bé. Điều này chứng minh được qua công thức tính lưu lượng Chezy. Như vậy trong trường hợp này điểm quan hệ so với đường quan hệ sẽ lệch về bên trái. c) Do nước lũ ảnh hưởng: Một trận lũ có hai thời kỳ: lũ lên và lũ xuống. Q=f(H) A=f(H) V=f(H) H Q,A,V http://www.ebook.edu.vn Khi lũ lên thì trạm trên dâng nước trước, trạm dưới dâng sau, nên đường mặt nước của đoạn sông ở giữa lớn hơn bình thường. Lúc lũ xuống thì ngược lại. Như vậy, khi lũ lên, lưu lượng tăng cao hơn bình thường, khi lũ xuống lưu lượng giảm đi. Khi vẽ đường qua hệ ta có hình ảnh như một vòng dây. Tương ứng với một mực nước có hai lưu lượng lúc lũ lên và xuống. Do đó khi sử dụng số liệu cần tra theo chế độ riêng biệt. Sau khi vẽ các đường quan hệ, cần kéo dài thêm về hai phía để ngoại suy nhữûng giá trò không đo được (vè mua lũ hoặc kiệt). Thừng kéo dài theo xu hướng của đường quan hệ đã vẽ , hoặc dựa vào kết quả của đường A=f(H) để kéo dài. Q=f(H) A=f(H) V=f(H) H Q,A,V . http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 7 ĐO ĐẠC THỦY VĂN Người ta thực hiện các đo đạc thủy văn để thu thập các số liệu về các quá trình thủy văn. Những số liệu này giúp ta hiểu biết sâu hơn về các quá trình này,. sử dụng như các số liệu đầu vào của các mô hình tính toán thủy văn dùng trong thiết kế, phân tích và viết sách. Các quá trình thủy văn biến đổi mạnh mẽ trong không gian và thời gian mang đặc. khu vực đáng quan tâm để có thể có những kết luận trực triếp từ thực tế. 7. 1 CHUỖI ĐO ĐẠC THỦY VĂN Các đo đạc thủy văn được tiến hành theo một thời gian tại một vò trí cố đònh trong không