Nghiên cứu ứng dụng máy đo lưu lượng rio grande ADCP xác định lưu lượng dòng chảy trong sụng

1.2 Những đặc trưng thủy văn chủ yếu Mực nước, lưu tốc, lưu lượng 1.2.1 Mực nước - Định nghĩa: mực nước H ở một thời điểm nào đó trên mặt cắt nào đó trong sông là cao trình của mặt nước

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt nam do điều kiện mưa nhiều đã tạo ra một số lượng sông suối rất lớn, tớikhoảng 2.360 con sông và kênh lớn nhỏ Dọc bờ biển, khoảng 23 km có một cửasông và theo thống kê có 112 cửa sông ra biển Các sông lớn ở nước ta thường bắtnguồn từ bên ngoài, phần trung du và hạ du chảy trên đất Việt Nam Hầu hết cácsông ở việt nam chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam và đổ ra Biển Đông Ngoại

lệ có sông Kỳ Cùng và Bằng Giang chảy theo hướng Đông Nam - Tây Bắc

Do các sông bắt nguồn từ các núi cao nên sông ở thượng lưu rất dốc Chính vìvậy vào mùa mưa sông chảy xiết, khi chảy về đồng bằng, sông uốn khúc quanh co.Hiện nay việc tính toán các công trình ven sông và dự báo thủy văn sông ngòi

là công tác đặc biệt quan trọng, nhất là việc nghiên cứu các giải pháp ứng phó vớibiến đổi khí hậu đang ngày một tác động sâu rộng đến nền kinh tế đất nước cũngnhư đời sống nhân dân Do vậy, công tác thu thập và cập nhật các số liệu thủy vănsông ngòi, đặc biệt là lưu lượng, vận tốc dòng chảy có ý nghĩa thực tiễn và cấpbách, góp phần vào công tác quy hoạch, thiết kế công trình cũng như dự báo biếndạng lòng sông phục vụ cho các dự án phát triển kinh tế đất nước, giảm thiểu tácđộng của thiên tai

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng máy đo lưu lượng Rio Grande ADCP xác định lưu lượng dòng chảy trong sông” là một trong những đề tài thiết thực, có ý

nghĩa thực tiễn cao, có thể căn cứ vào đó để làm cơ sở cho việc xác định thông sốthủy văn như lưu lượng, vận tốc dòng chảy trong sông, góp phần quan trọng trongtính toán các công trình đường thủy, công trình bảo vệ bờ, công trình cầu cũng nhưcác lĩnh vực liên quan

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng máy đo lưu lượng Rio Grande ADCP phù hợp với điềukiện Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu: máy đo lưu lượng dòng chảy Rio Grande ADCP vàphần mềm sử dụng

Phạm vi nghiên cứu: lý thuyết tính toán lưu lượng dòng chảy

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Kết hợp các lý thuyết sẵn có, bộ phần mềm và máy đo lưu lượng sẵn có, ứngdụng vào thực tiễn xác định lưu lượng dòng chảy trong sông

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài đã nghiên cứu tổng thể lý thuyết để tính toán lưu lượng dòng chảy, ápdụng thực tiễn sử dụng trên máy đo lưu lượng Rio Grande ADCP phù hợp với điềukiện Việt Nam.

Dòng nước tự nhiên chảy theo chỗ trũng của địa hình, có lòng dẫn ổn định và

có nguồn cung cấp nước mặt và nước ngầm gọi là sông

Sông chính là sông trực tiếp đổ ra biển hoặc hồ Sông trực tiếp chảy vào sôngchính gọi là sông nhánh cấp I, sông chảy vào sông nhánh cấp I gọi là sông nhánhcấp II, cứ như vậy mà suy ra các sông nhánh cấp tiếp theo

b Mạng lưới sông :

Tập hợp toàn bộ sông nhánh, sông chính có liên quan dòng chảy với nhau gọi

là hệ thống sông hay còn gọi là lưới sông

Tập hợp toàn bộ sông, hồ, đầm lầy trong một khu vực nhất định gọi là hệthống địa lý thủy văn của khu vực ấy Trong hệ thống sông, người ta lấy tên sôngchính gọi tên cho cả hệ thống sông ấy

1.1.2 Các dạng lưới sông chính

a Lưới sông hình nan quạt :

Các sông nhánh đổ vào sông chính ở những vị trí gần nhau, dòng sông chínhkhông dài vì vậy có khả năng sinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu khá lớn

Hình 1.1 Lưới sông hình nan quạt

b Lưới sông hình lông chim

Sông chính tương đối dài, các sông nhánh phân bố đều sang 2 bên vì vậy ítsinh ra lũ đồng thời và lũ ở hạ lưu không lớn

Hình 1.2 Lưới sông hình lông chim

c Lưới sông hình song song :

Sông chính và sông nhánh song song nhau Loại này cũng sinh ra lũ đồng thời

và lũ ở hạ lưu tương đối lớn

Hình 1.3 Lưới sông hình song song

1.1.3 Lưu vực sông và các đặc trưng của lưu vực

a Lưu vực sông và đường phân nước của lưu vực

Lưu vực sông là khu vực tập trung nước của một con sông, đoạn sông hay hệthống sông Nó là diện tích mặt đất được giới hạn bởi chu vi của đường phân nướccủa lưu vực, ký hiệu F (km2)

Đường phân nước của lưu vực: là đường ranh giới mà từ đó nước chảy về 2phía đối diện nhau của 2 lưu vực cạnh nhau

Hình 1.1 Đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm

Có 2 loại đường phân nước : đường phân nước mặt và đường phân nướcngầm

- Đường phân nước mặt là đường nối các điểm cao nhất liên tiếp trên lưu vực

mà từ các điểm đó nước mặt đổ về lưu vực này hay lưu vực khác ở bên cạnh

- Đường phân nước ngầm là đường nối các điểm cao nhất liên tiếp trên mựcnước ngầm, từ đó cấp nước về 2 lưu vực cạnh nhau

b Các đặc trưng hình học của lưu vực

Diện tích lưu vực (F - km2) là phần diện tích được giới hạn bởi đường phânnước, phản ánh diện tích hứng nước mưa của sông

Chiều dài của lưu vực (L - km) là khoảng cách theo đường gấp khúc từ nguồnđến cửa sông đi qua các điểm giữa của các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực và vuônggóc với hướng dòng chảy Thường trong tính toán L được lấy bằng chiều dài củasông chính

Chiều rộng bình quân của lưu vực (B - km) được đo bằng tỷ số giữa diện tíchcủa lưu vực với chiều dài của lưu vực

Độ cao trung bình của lưu vực (Htb)

Độ dốc trung bình của lưu vực (Jtb)

c Các đặc trưng địa lý tự nhiên của lưu vực

Vị trí địa lý: được xác định trên cơ sở các toạ độ địa lý (kinh độ, vĩ độ) và cácvùng tiếp giáp trên bản đồ địa lý sông ngòi Cần chỉ rõ xung quanh phân giới củalưu vực có những ngọn núi nào, đồng thời đề cập đến con sông đó cách xa biển baonhiêu km và xét xem hơi nước vận chuyển từ biển vào lưu vực như thế nào

Địa hình của lưu vực: những lưu vực nhiều đồi núi có hiện tượng mưa nhiều

Độ cao, hướng núi có ảnh hưởng đến tình hình khí hậu, khí tượng trên lưu vựcCấu tạo địa chất, thổ nhưỡng: có tác dụng điều tiết thủy văn, ảnh hưởng đếnkhả năng cung cấp nước ngầm trong lưu vực

Thảm phủ thực vật: bao gồm rừng, các loại cây trồng trên lưu vực có tác dụngquan trọng điều tiết dòng chảy trên lưu vực, ảnh hưởng đến yếu tố khí hậu, làmchậm tập trung dòng chảy mặt và tăng cường dòng chảy ngầm.

Ao hồ đầm lầy: có tác dụng điều tiết làm chậm quá trình tập trung dòng chảymặt Trong mùa lũ, một phần nước được trữ trong các ao hồ, đầm lầy Khi lũ rút,nước được tháo ở các ao hồ để điều tiết dòng chảy

1.1.4 Dòng sông và sự hình thành dòng chảy sông ngòi

a Phân đoạn dòng sông:

Một con sông phát triển đầy đủ thường chia làm 5 đoạn như sau :

Hình 1.1 Phân đoạn dòng sông

1 Nguồn sông : là nơi bắt đầu của dòng sông Nguồn sông thường bao gồmmột diện tích rất lớn, nhiều lúc khó xác định như ở vùng đá vôi có nhiều hang động,cũng có khi bắt nguồn từ một mạch nước ngầm hoặc một hồ chứa nước

2 Thượng lưu : là đoạn sông trực tiếp nối với nguồn sông Đặc điểm là có độdốc lớn, nước chảy xiết, xói lở mạnh theo chiều sâu, lòng sông hẹp thường có thácghềnh lớn

3 Trung lưu : đoạn nối tiếp với thượng lưu, độ dốc lòng sông đã giảm nhiều,không có những ghềnh thác lớn, nước chảy yếu hơn, xói lở phát triển sang 2 bên bờmạnh làm cho lòng sông đã mở rộng dần, bãi sông xuất hiện, trên mặt bãi sông đã

có dạng uốn khúc

4 Hạ lưu : đoạn cuối cùng của sông, đặc biệt ở đoạn này là độ dốc lòng sôngrất bé, nước chảy chậm, bồi nhiều hơn xói, tạo nhiều bãi sông nằm ngang ở giữalòng sông, hình dạng lòng sông quanh co uốn khúc rất nhiều, lòng sông mở rộng ranhiều so với đoạn trên

5 Cửa sông : là nơi sông tiếp giáp với biển hoặc hồ hoặc một con sông khác(có khi sông chưa chảy ra đến biển hoặc hồ đã cạn hết nước gọi là sông cụt) ở củasông lòng sông mở rộng, lưu tốc bé dần, phù sa lắng đọng tạo thành những tam giácchâu

b Sơ lược về sự phân bố của nước trên trái đất

- Sự phân bố của nước trên trái đất:

Nước trên trái đất theo quan điển thủy văn học, trong quá trình chuyển độngcủa nó vào mỗi thời điểm có một vị trí nhất định, những vị trí ấy quy thành 4 tầng:

1- Tầng khí chứa hơi nước;

2- Tầng nước trên mặt đất;

3- Nước trong tầng đất ẩm;

4- Nước trong đất bão hoà nước;

- Tuần hoàn của nước trong thiên nhiên:

Trong thực tế, sự tuần hoàn của nước là một quá trình phức tạp, nó được thựchiện qua quá trình vận động của nước như sau :

Nước rơi → nước ngầm → dòng chảy → bốc hơi

Người ta thấy rằng, hàng năm tổng lượng nước mưa rơi xuống lục địa là100.000 km3, trong đó hơi nước do biển bốc lên và mang vào lục địa là 30.000 km3,còn lại là lượng bốc hơi trên bề mặt lục địa

Hình 1.2 Tuần hoàn của nước trong tự nhiên

c Khái niệm cơ bản về sự hình thành dòng chảy sông ngòi

Quá trình hình thành dòng chảy ta nghiên cứu sự hình thành của 2 dòng: dòngchảy mặt và dòng chảy ngầm

- Quá trình hình thành dòng chảy mặt: Bao gồm 4 quá trình sau:

1- Quá trình mưa :

2- Quá trình tổn thất :

3 Quá trình chảy tràn trên sườn dốc :

4- Quá trình tập trung dòng chảy trong sông :

- Quá trình hình thành dòng chảy ngầm:

X

I II

III TÇng kh«ng thÊm

Hình 1.3 Quá trình hình thành dòng chảy ngầm

Tầng không thấm

Tầng không thấm

1.1.5 Các đặc trưng trên mặt bằng và mặt cắt ngang của dòng sông

a Mặt bằng dòng sông

- Hiện tượng uốn khúc của dòng sông:

Trên mặt bằng, các đoạn sông ở vùng đồng bằng có dạng uốn khúc theo dạnghình sin Có dạng này là vì quy luật vận động của dòng sông và lực Criolít gây ra

Hình 1.1 Hiện tượng quanh co uốn khúc của dòng sông

- Sự phân bố độ sâu trên lòng sông:

Sự phân bố độ sâu trên lòng sông có liên quan chặt chẽ đến hình dạng quanh

co trên mặt bằng của dòng sông Do tác dụng xói mòn của dòng nước tạo nên bờ lồibãi bồi và bờ lõm lạch sâu Đoạn nối liền giữa 2 lạch sâu gọi là đoạn quá độ, đườngnối liền những điểm sâu nhất trên lòng sông (theo mặt cắt ngang) gọi là lạch hàngvận Khi lạch hàng vận là đường cong trơn đủ sâu thì có lợi cho giao thông vận tảithuỷ Nếu nó là đường khúc khuỷu gồ ghề thì trở ngại cho giao thông vận tải

Hình 1.2 Phân bố độ sâu trên mặt bằng dòng sông

nước thấp dòng nước chỉ chảy qua vùng đất thấp nhất và phần đó gọi là lòng sông.Mùa lũ nước dâng lên phần lớn thung lũng 2 bên và gọi là bãi sông.

MNK MNL

1

Hình 1.3 Mặt cắt ngang lòng sông

- Các đặc trưng thủy lực trên mặt cắt ngang:

+ Diện tích mặt cắt ướt ω (m2): là diện tích của phần mặt cắt có nước chảyqua Mặt cắt ngang lòng sông khi khảo sát đo vẽ lên giấy kẻ li Hình dáng lòng sôngthường không bằng phẳng Để tính ω một cách chính xác ta chia nó ra thành cácmảnh nhỏ để tính

hn

wo w1

wn wn-1

Hình 1.4 Tính toán mặt cắt ướt

Trong đó ;

hi - độ sâu tính từ mực nước đến đáy sông và được gọi là các thủy trực

bi – khoảng cách theo chiều ngang giữa các thủy trực

+ Bề rộng mặt cắt có nước B (m): là khoảng cách giữa mép nước bờ phải đếnmép nước bờ trái B được xác định bằng cách đo căng dây cáp (sông nhỏ) hay dùngcác phương pháp trắc lượng để tìm ra

+ Chu vi ướt χ (m): là độ dài đáy sông trong phạm vi tiếp xúc với nước

2 2 2

1 2

2 1

2 1

1.1.6 Những đặc trưng khí hậu của lưu vực và dòng sông

Khí hậu là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình hình thành dòng chảytrong đó mưa và bốc hơi là 2 nhân tố quyết định trực tiếp Mưa là nguyên nhân sinh

ra dòng chảy, bốc hơi làm giảm lượng dòng chảy

- Mưa: vì một nguyên nhân nào đó không khí lạnh đi xuống dưới điểm sương,hơi nước trong không khí đạt trạng thái quá bão hoà, nhờ các hạt nhân ngưng kết (làcác hạt rắn nhỏ, háo nước như tinh thể nước đá, khói bụi công nghiệp, tro bụi cháyrừng…), phần hơi nước thừa trong không khí sẽ ngưng tụ lại thành giọt và rơixuống dưới tác dụng của trọng lực Nguyên nhân chủ yếu để nhiệt độ không khí hạthấp xuống dưới điểm sương là việc giảm động lực của các khối khí

- Bốc hơi: là một nhân tố quan trọng trong quá trình hình thành dòng chảy.Bốc hơi chia làm 3 loại : bốc hơi mặt nước, bốc hơi mặt đất và bốc hơi qua lá cây

1.2 Những đặc trưng thủy văn chủ yếu (Mực nước, lưu tốc, lưu lượng )

1.2.1 Mực nước

- Định nghĩa: mực nước H ở một thời điểm nào đó trên mặt cắt nào đó trong

sông là cao trình của mặt nước tại mặt cắt đó vào thời điểm quan trắc tính từ mặtgốc

- Ý nghĩa: biết được Hmax,, Hmin, HTB để làm căn cứ để tính cao trình đỉnh, caotrình đáy, tính được luồng tàu chạy

- Các danh từ về mực nước:

+ Mực nước cao nhất (Hmax) là những mực nước cao nhất trong thời kỳ quantrắc : có Hmax tháng, ngày, năm

+ Mực nước thấp nhất (Hmin) : là mực nước thấp nhất trong thời kỳ quan trắc

Hmin ngày, tháng, năm

+ Mực nước trung bình (HTB) : là mực nước trung bình trong thời kỳ quantrắc HTBngày, HTBtháng, HTBnăm

+ Mực nước trung bình cao nhất HTBmax: là trị số trung bình số học của các

MN cao nhất trong khoảng thời gian nào đó, thường là nhiều năm

+ Mực nước trung bình thấp nhất HTbmin: là trị số TB só học của các mựcnước thấp nhất trong một khoảng thời gian nào đó, thường là nhiều năm.

Hình 1.1 Quan trắc mực nước bằng cọc đo nước

+ Dùng hệ thống thuỷ chí: trên mặt nghiêng sông, ta đặt hệ thống cọc thuỷ chí,thường các cọc bằng BT 10x10cm hay 15x15cm Các cọc đặt chênh nhau 0,6 –0,8m Tiến hành đo đạc đỉnh cọc theo mốc cơ bản của nhà nước

Hình 1.2 Đo nước bằng hệ thống thủy chí

+ Loại tự ghi: nguyên tắc tự ghi là một chiếc phao liên hệ với một hệ thốngròng rọc và ghi lại mực nước trên một trục quay liên tục theo thời gian

- Đường quá trình mực nước :

Là đường biểu diễn sự biến hoá của mực nước theo thời gian H = f(t)

H = f(t) H

t

Hình 1.3 Đồ thị biểu diễn đường quá trình mực nước

1.2.2 Lưu tốc

- Khái niệm về lưu tốc :

Lưu tốc tức thời tại một thời điểm trong sông là lưu tốc đo tại thời điểm ấy.Lưu tốc tức thời của một chất điểm nước luôn luôn biến đổi về trị số cũng nhưhướng

Lưu tốc trung bình: trong thủy văn ta thường dùng lưu tốc trung bình, đó làlưu tốc đo được trong khoảng thời gian từ 2 – 5 phút

- Dòng xoáy trong nước:

Thực tế trong sông, dòng nước không chảy thẳng góc với mặt cắt có nước màchảy theo những dòng xoắn Dòng xoắn thường gặp là dòng xoắn đơn, dòng xoắnkép

- Sự phân bố lưu tốc:

Trên mặt thẳng đứng cũng như trên mặt cắt ngang, sự phân bố lưu tốc khôngđều

+ Trên mặt thẳng đứng: lưu tốc trên mặt lớn hơn lưu tốc dưới sâu

Hình 1.1 Phân bố lưu tốc theo độ sâu

+ Trên mặt cắt ngang: trị số phân bố của lưu tốc cũng không đều, ở giữa lớn,hai bên bờ nhỏ

0.6 0.7 0.8 0.9

Hình 1.2 Phân bố lưu tốc trên mặt cắt ngang

VTB = 0,25.(V0,2H + 2.V0.6H + V0,8H) (1 0)

1.2.3 Lưu lượng

- Khái niệm lưu lượng (Q):

Lưu lượng là khối lượng nước chảy qua mặt cắt có nước trong một đơn vị thờigian

Đơn vị lưu lượng : m3/s; m3/h

Công thức tính toán :

Trong đó : ω - diện tích mặt cắt có nước (m2)

VTB – vận tốc trung bình trên mặt cắt ngang

- Tính lưu lượng dòng chảy:

Hình 1.1 Sơ đồ tính toán lưu lượng trên mặt cắt ngang

Trình tự tính toán:

+ Tìm trị số lưu tốc trung bình trên thuỷ trực;

+ Tìm diện tích mặt cắt ngang giữa các thuỷ trực và giữa thuỷ trực với bờ;+ Tính lưu lượng theo công thức:

n n n c

2

0 1 1

Trong đó :

v1, v2, ,vn – lưu tốc trung bình tại các thủy trực;

f0, f1, , fn – diện tích mặt cắt có nước giữa 2 thuỷ trực liền nhau;

k1, kn – hệ số bờ, phụ thuộc vào độ nhám bờ

1.3 Quan trắc lưu lượng dòng chảy trong sông (Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về quan trắc thủy văn QCVN 47:2012/BTNVMT )

1.3.1 Quan trắc lưu lượng nước vùng sông không ảnh hưởng thủy triều

a Chế độ quan trắc lưu lượng nước

- Quan trắc thường xuyên:

Quan trắc thường xuyên là quan trắc nhiều năm liên tục Tùy theo tính chấtthủy lực của từng loại trạm mà quan trắc theo cấp mực nước, theo thời gian (trạm

ổn định), theo vị trí đặc trưng của các con lũ (ảnh hưởng lũ), theo quá trình diễnbiến đặc biệt của chế độ thủy lực (ảnh hưởng vật, bồi xói, phai cọn…)

Bố trí đủ điểm ở các vị trí đặc trưng theo quá trình diễn biến của lưu lượngnước, nắm được chế độ thủy lực của các trạm, căn cứ vào đó xác định đường Q =f(H) được chính xác, tính được lưu lượng nước trung bình ngày và các đặc trưngdòng chảy tháng, năm

- Quan trắc không thường xuyên:

Quan trắc lưu lượng nước không thường xuyên là mỗi năm hoặc vài năm mới

đo một số lần theo một số cấp mực nước hoặc một số con lũ nhất định để kiểm tra

sự thay đổi của lưu lượng nước

- Số lần quan trắc lưu lượng nước của một trạm cơ bản:

- Số lần quan trắc lưu lượng nước tối thiểu hàng năm đối với trạm thành lậpdưới 3 năm:

+ Mùa kiệt 12 - 15 lần

+ Mùa lũ 40 - 45 lần

* Mùa kiệt hai lần quan trắc lưu lượng nước liên tiếp không cách nhau quá 20ngày Thời gian mực nước biến đổi đột ngột (đóng, mở cống; đắp, phá phai) cần bốtrí quan trắc trong giai đoạn chuyển tiếp

* Bình thường phân bố quan trắc theo cấp mực nước

* Mùa lũ phân bố quan trắc theo quá trình con lũ (cả nhánh lên và nhánhxuống)

* Bất cứ mùa kiệt hay mùa lũ khi quan trắc cần theo dõi chế độ thủy lực, tínhtoán phân tích kịp thời nếu thấy có hiện tượng đột xuất cần tăng cường quan trắc

- Số lần quan trắc lưu lượng nước tối thiểu hàng năm đối với trạm thành lập từ

3 - 5 năm:

+ Đối với những trạm đã thành lập từ 3 - 5 năm sau khi đã phân tích, tìm hiểuđặc tính trạm, nắm chắc chế độ thủy lực của trạm, tài liệu thu thập đầy đủ bao gồmcác đặc trưng điển hình nhất thì trạm có thể tiến hành nghiên cứu giảm số lần quantrắc

+ Về việc chọn điểm và năm tài liệu để thành lập phương án nghiên cứu giảm

số lần quan trắc theo hướng dẫn ở phụ lục 3 và chỉ được áp dụng sau khi được cơquan có thẩm quyền duyệt

+ Số lần quan trắc lưu lượng nước của từng loại trạm theo năm nước trungbình quy định trong bảng 1

Bảng 1.1 Số lần quan trắc lưu lượng nước những trạm có tài liệu từ 3 - 5 năm

+ Việc giảm số lần quan trắc lưu lượng nước tới mức cần thiết, giám đốc cơquan chủ quản xây dựng phương án và chỉ khi được cơ quan thẩm quyền chấp nhậnmới được sử dụng.

+ Việc tăng cường số lần quan trắc lưu lượng nước khi mực nước biến đổi độtxuất hoặc khi có lũ lớn trưởng trạm thủy văn căn cứ vào tình hình thực tế ra quyếtđịnh cho kịp thời

+ Khi thành lập phương án giảm số lần quan trắc lưu lượng nước cần chọn sốđiểm có chất lượng cao

* Sai số tổng lượng nước sau khi giảm số lần quan trắc so với trước khi giảmnằm trong phạm vi ± 3%

* Lưu lượng nước trung bình, lớn, nhỏ nhất tháng, năm phải có 75% số điểmnằm trong phạm vi sai số ± 3% và 95% số điểm nằm trong phạm vi sai số ± 5%.+ Số lần quan trắc lưu lượng nước toàn năm tối thiểu của từng loại trạm saukhi giảm số lần quan trắc quy định như sau:

+ Sau khi giảm số lần quan trắc số điểm còn lại vẫn phải đảm bảo:

* Phản ánh đầy đủ đặc trưng của từng loại trạm

* Phản ánh đúng quá trình diễn biến dòng chảy lũ, dòng chảy kiệt qua từnggiai đoạn

- Trình tự quan trắc:

a) Quan trắc mực nước;

b) Đo khoảng cách đến mốc khởi điểm;

c) Đo độ sâu các đường thủy trực;

d) Đo tốc độ từng điểm trên mỗi đường thủy trực đo tốc độ;

 Đối với vùng nhật triều

- Chế độ 1: mỗi giờ quan trắc một lần vào giờ tròn (1, 2, 3 giờ); trước và saulúc xuất hiện lưu tốc lớn nhất của dòng triều xuống, dòng triều lên (nếu không códòng triều lên thì trước và sau lúc xuất hiện lưu tốc lớn nhất và nhỏ nhất của dòngtriều xuống), lúc chuyển dòng triều, cách nửa giờ quan trắc một lần

- Chế độ 2: mỗi giờ quan trắc một lần vào giờ tròn (1, 2, 3 giờ)

- Chế độ 3: hai giờ quan trắc một lần vào giờ lẻ (1, 3, 5 giờ)

 Đối với vùng bán nhật triều và triều hỗn hợp

- Chế độ 1: nửa giờ quan trắc một lần (ví dụ 0 giờ, 0 giờ 30 phút, 1 giờ v.v );trước và sau lúc xuất hiện lưu tốc lớn nhất của dòng triều xuống, dòng triều lên (nếukhông có dòng triều lên thì trước và sau lúc xuất hiện lưu tốc nhỏ nhất của dòngtriều xuống), lúc chuyển dòng triều, cách 15 phút quan trắc một lần

- Chế độ 2: nửa giờ quan trắc một lần (0 giờ, 0 giờ 30 phút, 1 giờ, v.v )

- Chế độ 3: trong thời gian dòng triều xuống mỗi giờ quan trắc một lần vào giờtròn; trong thời gian dòng triều lên nửa giờ quan trắc một lần

- Chế độ 4: mỗi giờ quan trắc một lần vào giờ tròn (1, 2, 3 giờ)

Khi thực hiện các chế độ quan trắc trên, cần quan trắc hoàn chỉnh cả kỳ triều.Đối với việc quan trắc lưu lượng ở các kỳ triều riêng lẻ, cần bố trí quan trắc trước,sau kỳ dòng triều riêng lẻ đó mỗi phía 1 - 2 giờ (nơi dòng triều biến đổi phức tạp lấytheo trị số lớn)

Trong khi tiến hành quan trắc, nếu thấy chế độ quan trắc được quy định chotrạm chưa đủ để phản ánh chế độ dòng chảy theo yêu cầu đặt ra, thì cần nghiên cứutăng số lần quan trắc Ngược lại, sau một thời gian quan trắc đã nắm được quy luậtbiến đổi của chế độ dòng chảy, có thể giảm số lần quan trắc Khi phân tích thay đổichế độ quan trắc, cần bảo đảm các yêu cầu đặt ra cho trạm, vừa bảo đảm thu thập sốliệu được đầy đủ với độ chính xác cần thiết, vừa bảo đảm quan trắc thuận lợi và íttốn kém Trạm cần làm văn bản kiến nghị cụ thể về việc thay đổi chế độ quan trắc

và chỉ sau khi được cấp có thẩm quyền phê duyệt mới được thay đổi chế độ quantrắc

2 Chế độ quan trắc thời kỳ ảnh hưởng thủy triều yếu

 Chế độ quan trắc khi đo chi tiết:

a) Phục vụ cho việc phân tích, xác định số đường thủy trực, số điểm đo lưu tốccho phương pháp đo bình thường và đo đơn giản:

- Năm đầu (mới xây dựng trạm), cần đo >30 lần ở các cấp mực nước và lưutốc khác nhau;

- Những năm sau tiến hành đo kiểm tra

b) Phục vụ cho yêu cầu nghiên cứu khoa học thì xác định theo mục đích, yêu cầu nghiên cứu.

 Chế độ quan trắc khi đo bình thường, đo đơn giản, đo bằng tàu di động

Chế độ quan trắc được xác định theo đặc điểm lũ, triều, tình hình đoạn sôngquan trắc và yêu cầu của phương pháp chỉnh biên Đối với tuyến quan trắc mới xâydựng, chế độ quan trắc được xác định sơ bộ qua kết quả khảo sát và các tài liệu cóliên quan, quy định riêng cho trạm Đối với trạm đã quan trắc từ một năm trở lên,chế độ quan trắc được quy định theo các điều dưới đây

a) Trong thời kỳ tuyến quan trắc chịu ảnh hưởng triều rất yếu, lũ rất mạnh,

thể hiện trên đường quá trình mực nước biến đổi gần như ở vùng sông không ảnhhưởng triều, tuy còn sự nhấp nhô của thủy triều, nhưng không có hiện tượng mựcnước triều hạ xuống trong lúc lũ đang lên hoặc không có hiện tượng mực nước triềudâng lên trong khi lũ đang xuống, đường quan hệ mực nước - lưu lượng nước diễnbiến theo vòng dây thì số lần đo và cách phân bố lần đo thực hiện như sau:

- Nếu lòng sông ổn định, mặt cắt khống chế, mỗi con lũ cần được quan trắc ≥

10 - 15 lần, trong đó có 4 - 7 lần ở sườn lũ lên, 6 - 8 lần ở sườn lũ xuống

Các lần đo này cần được bố trí ở các chỗ chân lũ lên, sườn lũ lên, đỉnh, máitriều, rải đều theo cấp mực nước và xen kẽ lẫn nhau Khi mực nước thay đổi trongphạm vi 30 cm bố trí 1 lần đo Ở nơi có lũ kéo dài, ít nhất 3 ngày bố trí 1 lần đo;

- Nếu lòng sông không ổn định, mỗi con lũ tùy theo mức độ bồi xói mà tăngthêm ít nhất là 1/3 số lần đo so với trường hợp ổn định Khi phân bố lần đo, ngoàiviệc thực hiện theo quy định tại tiết 1 Khoản này, còn phải dựa vào sự biến đổi của

độ cao đáy sông Khi độ cao đáy sông biến đổi làm cho diện tích so với diện tíchcùng mực nước của lần đo trước lớn hơn ± 5% phải tăng thêm lần đo

b) Trong thời kỳ tuyến quan trắc chịu ảnh hưởng triều yếu, lũ mạnh, thể hiện

trên đường quá trình mực nước biến đổi theo dạng chung như phía thượng lưukhông ảnh hưởng triều, đồng thời biến đổi nhấp nhô theo triều, qua nhiều năm quantrắc cho thấy băng điểm quan hệ mực nước - lưu lượng nước hẹp hoặc không rộnglắm, được chỉnh biên bằng đường cong đơn nhất (như đường H ~ Q trung bình, H ~β

- Nếu qua các năm đều xử lý theo đường cong đơn nhất nhưng trong 30 ngàyliên tục thường xử lý không quá 1 đường hoặc không sử dụng quá 1 hệ số hiệuchính, thì hai ngày bố trí 1 lần đo;

- Nếu qua các năm đều xử lý theo đường cong đơn nhất nhưng trong 30 ngàyliên tục thường xử lý không quá 2 đường hoặc không sử dụng quá 2 hệ số hiệuchính, thì mỗi ngày bố trí 1 lần đo;

- Nếu qua các năm đều xử lý theo đường cong đơn nhất, nhưng trong 30 ngàyliên tục thường xử lý trên 2 đường hoặc sử dụng quá 2 hệ số hiệu chính thì mỗingày bố trí 2 lần đo

Khi phân bố lần đo trong 3 trường hợp sau, cần xét đến đặc điểm của lũ vàtriều, cụ thể là:

+ Phân bố đều theo cấp mực nước, mực nước biến đổi trong phạm vi 25 - 30

cm tối thiểu phải đo 1 lần;

+ Mỗi một chân lũ lên, xuống, sườn lũ lên, xuống, đỉnh lũ đo 1 lần;

+ Số lần đo triều lên, triều xuống, trong bất cứ thời kỳ nào (lũ lên hay xuống)cũng không được ít hơn 1/3 tổng số lần đo; tỷ số giữa số lần đo triều lên (hoặcxuống) với tổng số lần đo bằng (hoặc xấp xỉ) tỷ số giữa thời gian triều lên (hoặcxuống) với thời gian của một kỳ triều trong thời kỳ tương ứng; đồng thời phải cókhoảng 1/3 tổng số lần đo được bố trí vào thời điểm xuất hiện Qmax, Qmin của kỳtriều;

+ Phân bố đều theo thời gian và khi lòng sông bồi xói nhiều phải tăng số lầnđo

c) Trong thời kỳ tuyến quan trắc chịu ảnh hưởng lũ yếu, triều tương đối mạnh,

thể hiện trên đường quá trình mực nước biến đổi rõ rệt theo dạng triều, qua tài liệunhiều năm cho thấy băng điểm H ~ Q rộng phải chỉnh biên bằng phương pháp nướcvật biến động hoặc phương pháp khác thì tùy theo yêu cầu của từng phương phápchỉnh biên mà xác định số lần đo và phân bố lần đo

- Nếu qua tài liệu chỉnh biên của hai năm (hoặc hơn) cho thấy phương phápchỉnh biên tương đối thích hợp là phương pháp đường cong đơn nhất (như H ~ β

F Q

v.v…)

- Nếu qua tài liệu chỉnh biên của hai năm (hoặc hơn) cho thấy phương phápchỉnh biên tương đối thích hợp là phương pháp đẳng trị (như phương pháp chênhlệch bằng nhau) thì mỗi ngày bố trí 2 lần đo trở lên Cần bố trí 1/2 tổng số lần đovào các thời điểm xuất hiện chân, đỉnh, Qmax, Qmin của kỳ triều, số còn lại bố trí đều

ở các chỗ khác Các lần đo phải được bố trí xen kẽ nhau và phân bố đều theo cấpmực nước Nếu lòng sông bồi xói nhiều, cần theo dõi sự diễn biến của độ cao đáysông mà tăng số lần đo

- Nếu qua tài liệu hai năm (hoặc hơn) cho thấy: tìm lưu lượng nước phải quađường quan hệ Vmc ~ Vđb, thì thực hiện theo phương pháp đường đại biểu, số lần đolưu lượng nước cần đủ để xác định đường quan hệ Vmc ~ Vđb, còn ở đường thủy trực

đại biểu có thể bố trí đo liên tục 2 giờ 1 lần vào các giờ lẻ Tùy theo sự ổn định củađường quan hệ Vmc ~ Vđb mà xác định số lần đo và phân bố lần đo như sau:

+ Nếu qua các năm cho thấy chỉ cần dùng một đường quan hệ Vmc ~ Vđb thìmỗi năm bố trí từ 15 lần đo trở lên để kiểm tra Các lần đo này cần được bố trí vàothời điểm xuất hiện các đặc trưng lũ, triều, phân bố đều theo cấp mực nước và thờigian;

+ Nếu mỗi năm chỉ sử dụng 1 đường quan hệ Vmc ~ Vđb thì cần bố trí đo từ 40lần trở lên;

+ Nếu mỗi năm phải sử dụng 2 đường quan hệ Vmc ~ Vđb trở lên thì mỗi đườngquan hệ cần có trên 30 lần đo

Cách phân bố lần đo trong 2 trường hợp như sau:

- Phân bố đều lần đo theo các cấp lưu tốc và theo thời gian, riêng ở cấp lưu tốclớn nhất cần bố trí nhiều lần đo hơn;

- Cần có các lần đo ở sườn lũ, vào thời điểm xuất hiện các đặc trưng như chân,đỉnh lũ và chân, đỉnh triều, Qmax, Qmin của kỳ triều Những đặc trưng này cần phảiđược bố trí đo xen kẽ lẫn nhau;

- Ở các chỗ uốn khúc hoặc gấp khúc của đường quan hệ hoặc chỗ tiếp giáp vớiđường quan hệ khác cần phân tích nguyên nhân để tăng thêm số lần đo cho thíchhợp;

- Thời gian bồi xói nhiều, phải bố trí nhiều lần đo hơn

d) Trong thời kỳ tuyến quan trắc chịu ảnh hưởng lũ, triều và vật của sông khác thì số lần đo và cách phân bố lần đo được xác định riêng trong bản chế độ

quan trắc lưu lượng nước hàng năm của trạm

e) Tăng, giảm lần đo

- Tăng thêm lần đo trong trường hợp chế độ thủy lực của tuyến quan trắc có sựthay đổi lớn như chế độ nước có sự thay đổi đột ngột, lòng sông thay đổi đáng kểhoặc khi số lần đo và cách phân bố lần đo đã quy định không đạt yêu cầu đặt ra thìtrạm kịp thời bố trí thêm lần đo

- Giảm lần đo trong trường hợp đã qua phân tích nghiên cứu tài liệu quan trắcnhiều năm (ít nhất 2 năm trở lên), trong đó đã đo được các loại tổ hợp giữa lũ, triều,bồi xói, phương pháp chỉnh biên tài liệu lưu lượng nước qua các năm ổn định, đãnắm được quy luật biến đổi của dòng chảy và đạt được các yêu cầu sau:

+ Đường xử lý chỉnh biên mới lệch so với đường cũ ở phần mực nước thấpkhông vượt quá ± 2 %, ở phần nước cao không vượt quá ± 1%;

+ Phân bố lần đo phù hợp

+ Đo được con lũ lớn nhất trong năm

c Trình tự quan trắc

1 Trình tự quan trắc tốc độ cùng lúc trên mặt ngang

- Quan trắc mực nước lúc bắt đầu đo ở đường thủy trực đo lưu tốc đầu tiên;

- Đo lưu tốc ở các thủy trực;

- Quan trắc mực nước lúc kết thúc đo ở đường thủy trực đo lưu tốc cuối cùng;

- Quan sát và ghi các hiện tượng xảy ra trong quá trình đo

2 Trình tự quan trắc tốc độ trên một đường thủy trực

- Xác định độ sâu thủy trực;

- Xác định độ sâu điểm đo trên thủy trực;

- Đo tốc độ điểm đo;

- Quan trắc mực nước;

- Quan sát và ghi vào sổ đo các hiện tượng xảy ra trong quá trình đo (hướnggió, tốc độ gió, tình hình mặt nước,… những hiện tượng ảnh hưởng đến thao tác đođạc, chất lượng số liệu)

Chương 2

GIỚI THIỆU MÁY ĐO RIO GRANDE ADCP

VÀ ỨNG DỤNG ĐO LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY

2.1 Giới thiệu về máy đo lưu lượng Rio Grande ADCP

2.1.1 Cấu tạo

Thiết bị quan trắc lưu lượng nước ADCP (ADCP, hoặc máy ADCP) do Hoa

Kỳ sản xuất, thiết bị có các phần chính sau:

Hình 1.1 Cấu tạo máy đo lưu lượng

1 Mắt đo dữ liệu: phát và thu tín hiệu bằng sóng siêu âm;

2 Đầu đo: chứa 04 mắt đo lưu lượng và các mắt đo khác (áp suất…);

3 Hộp áp suất (thân máy): vỏ nhựa chịu áp suất chứa đựng thân máy đo;

4 Nắp máy: định vị thân máy qua buloong và chứa cổng kết nối thiết bị;

5 Cổng kết nối: kết nối cáp tín hiệu, cáp nguồn điện cho máy;

6 Mạch điện tử: bộ vi mạch và thẻ nhớ phân tích xử lý số liệu đo

Hình 1.2 Sơ đồ kết nối máy đo lưu lượng

Sơ đồ kết nối bao gồm:

1 Máy đo Rio Grande ADCP

2 Cáp nối: chia thành hai nhánh: cáp tín hiệu và cáp nguồn điện

3 Máy tính: với phần mềm xử lý số liệu

4 Nguồn điện: acquy 12V

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

ADCP là thiết bị sử dụng năng lượng siêu âm để đo lưu lượng dòng chảy Mộtsung của năng lượng phát ra gọi là 'Ping' được truyền vào trong nước, năng lượngnày được phát tán lơ lửng trong nước, một phần của nó sẽ quay lại thiết bị ADCP.ADCP đo sự thay đổi của cường độ âm phản hồi (vọng lại) tại các cells (tế bào), từ

đó xác định được tốc độ dòng chảy trung bình của cell đó, nhân với diện tích củacell được lưu lượng nước của cell Tổng lưu lượng nước của tất cả các cells, cộngvới lưu lượng nước của các bộ phận mặt cắt ngang ADCP không xác định đượcphải ngoại suy, thành lưu lượng nước toàn mặt cắt ngang

Bộ phận định vị luôn xác định được vị trí của tàu, của đầu dò theo hệ toạ độ đềcác không gian ba chiều :

- Một trục nằm ngang luôn lấy chiều dương là hướng đông (nhờ la bàn );

- Một trục nằm ngang khác luôn lấy chiều dương là hướng bắc(nhờ la bàn)

- Một trục thẳng đứng (vertical) luôn lấy chiều dương là hướng lên trên;

Bộ phận xác định thời gian là đồng hồ điện tử có độ chính xác cao (1% giây),xác định chính xác thời gian phát và nhận tia phản hồi;

Bộ phận chuyển đổi các loại tín hiệu có chức năng chuyển đổi các loại tín hiệuthu nhận được thành tín hiệu số, chuyển đến máy tính qua cáp tín hiệu (cáp I/O);

Bộ phận điều khiển, xử lý tín hiệu, và tính ra kết quả quan trắc lưu lượng nước

và các yếu tố khác là phần mềm WinRiver II được cài trong máy tính

ADCP xử lý các tín hiệu phản hồi và xác định lưu lượng nước như sau:

Mặt cắt ngang, được ADCP chia thành một số các lớp nước có độ dầy bằngnhau theo phương nằm ngang, trừ lớp đầu tiên và lớp cuối cùng (mỗi lớp dầy baonhiêu do người đo khai báo), những lớp nước này gọi là lớp độ sâu hay đơn vị sâu(depth cells) Độ dầy nhỏ nhất của một lớp độ sâu phụ thuộc vào chế độ phát sóngsiêu âm (mod) của ADCP; ví dụ: đối với chế độ phát sóng thứ nhất (mod 1) thì độdầy nhỏ nhất của một lớp độ sâu là 0,50 mét, đối với chế độ phát sóng thứ ba (mod8) thì độ dầy nhỏ nhất của một lớp độ sâu là 0,03 mét

Phần diện tích giới hạn bởi hai lớp độ sâu liền nhau với khoảng cách giữa hailần phát “ping” liền nhau gọi là cell ADCP xác định tốc độ trung bình, diện tích củamỗi cell, trên cơ sở đó tính ra lưu lượng của mỗi cell và tạo thành lược đồ phân bốlưu lượng nước theo chiều sâu từ sát mặt đến sát đáy

Lưu lượng nước toàn mặt cắt ngang bằng tổng của 5 thành phần lưu lượngnước sau: