http://www.ebook.edu.vn Chơng I Khảo sát, chọn tuyến đo đạc các yếu tố thuỷ văn Đ1-1 Phân cấp, phân loại trạm thuỷ văn Do yêu cầu phục vụ mà các trạm thuỷ văn có quy mô khác nhau, yếu tố đo đạc và thời gian hoạt động khác nhau Các trạm thuỷ văn đợc phân loại và phân cấp nh sau : I. Phân loại trạm thuỷ văn Căn cứ vào đối tợng phục vụ, trạm thuỷ văn có thể chia làm 3 loại : 1. Trạm thuỷ văn cơ bản : Là loại trạm nhằm mục đích thu thập số liệu phục vụ cho công tác điều tra cơ bản về nguồn nớc. Trạm đặt ở vị trí phải có tính đại biểu tốt về quy luật thay đổi của một hay nhiều yếu tố thuỷ văn trong một khu vực nhất định. Thời gian hoạt động tơng đối dài và do một cơ quan quản lý thống nhất: Tổng cục khí tợng thuỷ văn. 2. Trạm thuỷ văn dùng riêng : Là loại trạm nhằm thu nhập số liệu phục vụ cho thiết kế, thi công, quản lý một công trình nào đó hoặc phục vụ cho nghiên cứu một đề tài mà tài liệu ở trạm thuỷ văn cơ bản cha đáp ứng đợc những yêu cầu riêng. Hiện nay số trạm dùng riêng này ngày một tăng lên do yêu cầu phục vụ của các ngành. Chế độ đo, yếu tố đo và thời gian hoạt động của các trạm thuỷ văn dùng riêng đợc quy định bởi cơ quan trực tiếp quản lý. 3. Trạm thuỷ văn thực nghiệm : Là loại trạm chuyên nghiên cứu phơng pháp đo đạc, áp dụng các thiết bị đo đạc mới và kiểm nghiệm phơng pháp tính toán thuỷ văn v.v. Hiện tại loại trạm này đang tạm ngừng hoạt động . II. Phân cấp trạm thuỷ văn Dựa vào các yếu tố và chế độ đo đạc, ngời ta có thể chia các trạm thuỷ văn ra làm ba cấp: 1. Trạm thuỷ văn cấp I : Là trạm đợc quy định đo nhiều yếu tố thuỷ văn cơ bản nh mực nớc, lu lợng, bùn cát Chế độ đo đạc đợc quy định cụ thể tuỳ thuộc vào sự thay đổi của các yếu tố thuỷ văn theo thời gian tại từng trạm. 2. Trạm thuỷ văn cấp II : Chủ yếu là đo mực nớc còn các yếu tố khác nh lu lợng, bùn cát chỉ đo một số thời đoạn nhất định trong năm. 3. Trạm thuỷ văn cấp III : yếu tố đo đạc chủ yếu là đo mực nớc. Ngoài các yếu tố trên các trạm còn đo đạc các yếu tố khác nh nhiệt độ nớc, nhiệt độ không khí, ma v v. 8 http://www.ebook.edu.vn Đ1-2 Khảo sát chọn vị trí đặt trạm thuỷ văn I. Vị trí trạm đo lu lợng nớc, đo bùn cát 1. Tiêu chuẩn của đoạn sông đặt trạm a. Đoạn sông hẹp tơng đối thẳng, có chiều dài của đoạn sông thẳng L sao cho khi xác định các yếu tố liên quan tới chiều dài có sai số trong phạm vi cho phép, chẳng hạn trong trờng hợp tính độ dốc mặt nớc, tính lu tốc phao, xác định hớng chảy v.v. chiều dài L của đoạn sông thẳng phải đảm bảo tiêu chuẩn nh sau: L = (3,5)B (1-1) Hình 1-1. Chiều dài đoạn sông đặt trạm Công thức (1-1) có thể đợc chứng minh nh sau (xem hình1-1) Giả sử khoảng cách vuông góc với 2 mặt cắt là L; Trong trờng hợp dòng chảy chảy xiên nhất từ A đến B với chiều dài L và chúng hợp với nhau một góc thì sai số tuyệt đối về chiều dài lớn nhất d có thể tính bằng công thức : d = L - L = L - L cos = L ( 1 - cos) Sai số tơng đối : % = 100 'L d ì = 'L 100)cos1('L ì = (1 - cos)ì100 Mà cos 'L L = 22 BL L + = () 2 B L 1 B L + Vậy % = () 100 B L 1 B L 1 2 ì + (1-2) Với B là chiều rộng trung bình của đoạn sông đặt trạm (m) 9 http://www.ebook.edu.vn Căn cứ vào (1-2) ta có thể tính đợc sai số % cho các trờng hợp tỷ số B L khác nhau nh bảng 1-1. Bảng 1-1. Sai số tơng đối về chiều dài đoạn sông đặt trạm B L o cos 1- cos % Ghi chú 1 2 3 4 5 6 45,00 26,37 18,12 14,05 12,01 9,36 0,707 0,894 0,950 0,970 0,978 0,986 0,293 0,106 0,050 0,030 0,022 0,014 29,3 10,6 5,0 3,0 2,2 1,4 Trong sai số cho phép Từ bảng (1-1) khi L = (3-5)B thì sai số % = (2-5 )% nằm trong giới hạn sai số cho phép. Trờng hợp không chọn đợc đoạn sông theo công thức (1-1) thì có thể chọn đoạn sông ngắn hơn song chiều dài đoạn sông không nhỏ hơn 3 lần chiều rộng (L 3B) Đối với đoạn sông có chiều rộng B > 300m thì L phải bằng hoặc lớn hơn khoảng cách giữa hai tuyến đo độ dốc Riêng trạm đo ở vùng ảnh hởng triều, khi B > 300m thì chọn L1000m Trờng hợp trạm đo bằng tàu di động thì chiều rộng sông B 300 m, độ sâu h 2 m (với tất cả các mực nớc) b) Đoạn sông đặt trạm ở ngoài phạm vi ảnh hởng của nớc dâng, nớc vật do các công trình trên sông hoặc do giao thoa sóng lũ của các sông nhánh gây ra ( xem hình 1.2 ) Chiều dài khu vực nớc dâng đợc tính theo công thức sau : L d = a J Zh o + Trong đó : L d : Chiều dài nớc dâng ( m) h o : Chiều sâu bình quân của dòng chảy khi cha có nớc dâng (m) Z : Chiều cao nớc dâng lớn nhất tại công trình ngăn sông hoặc tại ngã ba sông (m). Hình 1-2. Sơ đồ tính chiều dài nớc dâng J : Độ dốc mặt nớc khi cha có nớc dâng a : Hệ số phụ thuộc vào tỷ số o h Z 10 http://www.ebook.edu.vn Khi tính toán có thể lấy J bằng độ dốc bình quân đáy sông đoạn từ nơi phát sinh nớc dâng đến nơi đặt trạm ( theo tài liệu khảo sát địa hình) và a đợc tính theo bảng sau : o h Z 5,0 2,0 1,0 0,5 0,3 0,2 0,1 0,05 a 0,96 0,91 0,81 0,76 0,67 0,58 0,41 0,24 c) Trạm đo không chịu ảnh hởng của thác ghềnh và ảnh hởng do sự hoạt động của con ngời làm thay đổi quy luật tự nhiên của dòng chảy. Không có vật kiến trúc lớn che khuất tầm nhìn. d) Hai bờ sông cao, khống chế đợc mực nớc cao nhất, có điều kiện địa chất tốt đảm bảo xây dựng đợc các công trình đo đạc, không có phân, nhập lu . e) Bờ sông, lòng sông ổn định, mặt cắt dạng đơn, cân đối không có bãi tràn; nếu không chọn đợc thì chọn nơi có bãi tràn nhỏ. f) Không có cỏ nớc mọc ở gần bờ và đáy sông, không có đá ngầm ngổn ngang trên lòng sông. g) Mực nớc phải thay đổi đều đặn phản ánh đúng quy luật thay đổi mực nớc trong sông. h) Tại tuyến đo mực nớc không có độ dốc ngang, không có hiện tợng chảy vòng. i) Trạm đo cần gần khu dân c, thuận tiện sinh hoạt, giao thông và thông tin liên lạc, nhng không nên đặt ở gần bến cảng, bến đò ngang có sự hoạt động nhộn nhịp, ảnh hởng tới công tác đo đạc Đối với những loại trạm dùng riêng cần phải căn cứ vào yêu cầu phục vụ riêng để chọn vị trí đo đạc cho thích hợp. 2. Các bớc khảo sát Công tác khảo sát trạm đo nói chung có thể chia ra hai bớc : Khảo sát sơ bộ và khảo sát kỹ thuật . a. Khảo sát sơ bộ : Căn cứ vào yêu cầu phục vụ, tình hình lới trạm trong khu vực đặt trạm, sơ bộ chọn đoạn sông đặt trạm trên bản đồ, (dùng bản đồ có tỉ lệ càng lớn càng tốt). Sau đó tiến hành khảo sát thực địa. Đoạn sông khảo sát dài khoảng 5-10Km. Những tài liệu cần thu thập khi khảo sát sơ bộ bao gồm : Địa hình gần đoạn sông đặt trạm; địa chất bờ sông, lòng sông; những điều kiện có ảnh hởng tới dòng chảy nh thác, ghềnh, phân lu, nhập lu. Thu thập các số liệu thuỷ văn, khí tợng đặc trng tại khu vực đặt trạm, tình hình dân sinh, kinh tế, chính trị tại khu vực đặt trạm, các công trình trên sông và quy họach của các ngành kinh tế hiện tại và tơng lai trong khu vực. Tài liệu thu thập trong bớc khảo sát sơ bộ có thể bằng cách điều tra, thu thập qua các cơ quan quản lý ở địa phơng , điều tra lũ hoặc trực tiếp đo đạc một số yếu tố cần thiết. 11 http://www.ebook.edu.vn b. Khảo sát kỹ thuật bao gồm Xây dựng các mốc cao độ : Cao độ đợc dẫn từ mốc chuẩn có hệ tuyệt đối hoặc cao độ giả định. (Nếu cha có điều kiện dẫn cao độ tuyệt đối) Lập bình đồ đoạn sông đặt trạm : Đoạn sông đợc lập bình đồ phải dài hơn đoạn sông định chọn để đặt trạm. Việc đo đạc địa hình bao gồm : Đo đạc địa hình của lòng sông phần ngập nớc và phần không ngập nớc (tính từ mép nớc trong thời gian khảo sát tới đờng đồng mức cao hơn mực nớc lớn nhất khoảng 1m). Nội dung công tác này xem thêm hớng dẫn đo đạc phổ thông. Hình 1-3. Bình đồ đoạn sông đặt trạm Căn cứ vào tài liệu địa hình lập bình đồ đoạn sông (hình 1-3) và vẽ một số mặt cắt ngang, mặt cắt dọc sông, để phân tích chọn tuyến đo (hình 1-4 a,b). Tỉ lệ của bình đồ và các bản vẽ cần đủ lớn để dễ phân tích chọn tuyến đo. + Đo đạc, điều tra các yếu tố thuỷ văn nh mực nớc lớn nhất (H max ), nhỏ nhất (H min ), phân bố lu tốc trên các mặt cắt định đặt tuyến đo, xác định hớng chảy bình quân, điều tra sự diễn biến lòng sông v.v. Sau khi đã có đủ các loại tài liệu tiến hành phân tích các điều kiện cụ thể của đoạn sông, căn cứ vào các yêu cầu của đoạn sông đặt trạm và nhiệm vụ của trạm đo để chọn các tuyến đo đạc. + Khảo sát khu vực dự kiến xây dựng các công trình đo đạc nh : Xây dựng công trình đo mực nớc, xây dựng công trình cáp treo thuyền, nôi, xe, nhà trạm .v. v. 12 http://www.ebook.edu.vn 3. Chọn các tuyến đo Trạm thuỷ văn cấp I bao gồm các tuyến đo lu lợng, mực nớc, bùn cát, độ dốc mặt nớc, đo phao, đo độ mặn ( nếu trạm đo có ảnh hởng của thuỷ triều). a) b) Hình 1-4. a) Mặt cắt ngang tại tuyến chính (Tuyến cơ bản) b) Mặt cắt dọc đoạn sông đặt trạm (Mặt cắt này không cùng tài liệu ở bình đồ) 13 http://www.ebook.edu.vn a. Tuyến đo lu lợng : Phơng pháp xác định lu lợng nớc phổ biến ở các trạm thuỷ văn hiện nay là phơng pháp lu tốc - diện tích. Theo phơng pháp này cần phải đo đạc các yếu tố thành phần nh lu tốc, diện tích (đo sâu và đo khoảng cách giữa các thuỷ trực đo sâu). Các yếu tố này đợc xác định trên một mặt cắt ngang gọi là tuyến đo lu lợng. Để đảm bảo thu thập tài liệu đợc chính xác, mặt cắt đo lu lợng phải đảm bảo các yêu cầu sau : - Mặt cắt phải vuông góc với hớng chảy bình quân . - Hình dạng mặt cắt tốt nhất là dạng parabôn (lòng chảo) hoặc chữ V, không có bãi tràn, không có khu vực nớc tù, nớc vật . - Sự phân bố lu tốc trên mặt cắt tuân theo những quy luật chung, đảm bảo đo đạc thuận tiện trong các mùa . - Sự diễn biến lòng sông ít, nghĩa là mặt cắt không có hiện tợng bồi, xói nghiêm trọng. b. Tuyến đo độ dốc mặt nớc : Độ đốc mặt nớc là độ hạ thấp bình quân của mặt nớc trên một đơn vị chiều dài dòng chảy . Độ dốc mặt nớc đợc tính theo công thức sau : J 21 J 21 L H L HH J = = %00 Trong đó : J - độ dốc mặt nớc, thờng tính bằng phần vạn (%00) H 1 - mực nớc tại tuyến độ dốc trên H 2 - mực nớc tại tuyến đo độ dốc dới L J - chiều dài dòng chảy giữa hai tuyến độ dốc (cùng đơn vị với mực nớc). Tuyến đo độ dốc thực chất là hai tuyến đo mực nớc cố định đợc đặt về hai phía của tuyến đo lu lợng (xem hình 1-5 và 1-6) Để đảm bảo đợc sai số của tài liệu trong phạm vi cho phép, tuyến đo độ dốc mặt nớc cần phải đảm bảo các yêu cầu sau : Tuyến đo độ dốc trên (I 1 ) và tuyến đo độ dốc dới (I 2 ) tốt nhất là cách đều tuyến đo lu lợng. Tại tuyến đo, mực nớc thay đổi phản ánh đúng quy luật thay đổi của mực nớc sông, đảm bảo xây dựng đợc công trình đo mực nớc ổn định và đo đạc thuận tiện. 14 http://www.ebook.edu.vn Khoảng cách giữa hai tuyến đo độ dốc L J cần đủ dài để đảm bảo có chênh lệch mực nớc giữa chúng nh sau : + Đối với sông miền núi H 1-2 = 25 4 50cm + Đối với sông đồng bằng H 1-2 = 104 20cm Hình 1-5. Sơ đồ các tuyến đo ở đoạn sông đặt trạm Nếu trong thực tế không cho phép chọn đợc đoạn sông có độ dài đảm bảo tiêu chuẩn trên thì có thể chọn đoạn sông ngắn với chênh lệch mực nớc nhỏ hơn song phải cố gắng nâng cao độ chính xác đo mực nớc, để giảm sai số cho kết quả đo đạc . Hình 1-6. Tuyến đo độ dốc c. Tuyến đo phao : Trong những trờng hợp không cho phép đo lu tốc bằng máy hoặc yêu cầu tài liệu có độ chính xác không cao lắm thì có thể dùng phao để đo lu tốc. Để đo lu tốc bằng phao, trên đoạn sông đặt trạm ta chọn các tuyến đo phao và tuyến thả phao. Tuyến ở phía thợng lu tuyến đo lu lợng gọi là tuyến trên (P 1 ) một tuyến phía hạ lu gọi là tuyến dới (P 2 ). Tuyến thả phao cách tuyến trên về phía thợng lu khoảng 30450 m (hình1-5) Để tài liệu thu thập đợc đảm bảo sai số cho phép thì khoảng cách giữa hai tuyến đo phao L P sao cho thời gian chảy truyền với lu tốc trung bình mặt ngang lớn nhất tối thiểu từ 50 ữ 80 giây 15 http://www.ebook.edu.vn Nếu không chọn đợc đoạn sông đo phao có chiều dài đảm bảo điều kiện trên thì có thể chọn đoạn sông ngắn hơn, nhng L P phải đủ dài sao cho thời gian chảy truyền tơng ứng không nhỏ hơn 20 giây. ở các trạm thuỷ văn cấp I các tuyến đo mực nớc, đo bùn cát, đo mặn, (nếu có), đo hoá nớc, đo nhiệt độ nớc, tốt nhất là trùng với tuyến đo lu lợng. Tại những đoạn sông đặc biệt có thể phải chọn tuyến đo lu lợng về mùa lũ và mùa kiệt tại hai vị trí khác nhau nhng phải xác lập đợc mối quan hệ giữa các yếu tố thuỷ văn tại các vị trí đó. II. Vị trí trạm đo mực nớc (trạm cấp III) Đoạn sông đợc chọn để đo mực nớc không yêu cầu chặt chẽ nh đoạn sông đặt trạm đo lu lợng, nhng có những yêu cầu riêng thích hợp với việc thu thập tài liệu mực nớc : - Đoạn sông tơng đối thẳng có chiều dài L = (3-5)B - Trên đoạn sông không có nớc vật, nớc tù. - Cao trình hai bờ sông khống chế đợc mực nớc cao nhất, không mất nớc mặt và nớc ngầm. - Không chịu ảnh hởng của thác, ghềnh, cồn bãi và các hoạt động khác của các công trình làm thay đổi quy luật tự nhiên của dòng chảy. - Vị trí tuyến đo có điều kiện địa chất bảo đảm xây dựng đợc các công trình đo mực nớc nh : Cọc, thuỷ chí, giếng tự ghi mực nớc. Ngoài những điều kiện trên còn căn cứ vào yêu cầu phục vụ mà chọn đoạn sông đặt trạm cho thích hợp. Tuyến đo mực nớc đợc đặt thẳng góc với hớng chảy bình quân. Nếu trạm còn đo đạc thêm các yếu tố nh nhiệt độ nớc, độ mặn .thì vị trí đo đạc tốt nhất là trùng với tuyến đo mực nớc. Việc khảo sát vị trí đặt trạm đo mực nớc cũng tiến hành tơng tự nh khảo sát vị trí đặt trạm đo lu lợng, nhng các yếu tố thu thập, điều tra phải phù hợp với yêu cầu của đoạn sông đặt trạm đo mực nớc nh đã trình bày. III. Vị trí trạm đo mặn Tuỳ theo yêu cầu phục vụ mà trạm đo mặn cần đợc đặt ở vị trí thích hợp . Ví dụ cần nghiên cứu sự thay đổi độ mặn theo thời gian để lấy nớc tới ruộng thì trạm đo mặn cần đặt gần công trình lấy nớc; Cần nghiên cứu quy luật thay đổi của độ mặn dọc theo một con sông nào đó thì cần đặt các trạm đo dọc sông Trạm đo mặn thờng đặt kết hợp với trạm đo các yếu tố thuỷ văn khác. Khi cần thiết đặt riêng trạm đo mặn thì công tác khảo sát đợc tiến hành nh đối với trạm đo mực nớc. 16 . cứ vào ( 1- 2 ) ta có thể tính đợc sai số % cho các trờng hợp tỷ số B L khác nhau nh bảng 1- 1 . Bảng 1- 1 . Sai số tơng đối về chiều dài đo n sông đặt trạm B L o cos 1- cos % Ghi chú 1 2. chiều dài L của đo n sông thẳng phải đảm bảo tiêu chuẩn nh sau: L = (3,5)B ( 1- 1 ) Hình 1- 1 . Chiều dài đo n sông đặt trạm Công thức ( 1- 1 ) có thể đợc chứng minh nh sau (xem hình 1- 1 ) Giả sử khoảng. khoảng 1m). Nội dung công tác này xem thêm hớng dẫn đo đạc phổ thông. Hình 1- 3 . Bình đồ đo n sông đặt trạm Căn cứ vào tài liệu địa hình lập bình đồ đo n sông (hình 1- 3 ) và vẽ một số mặt