CHƯƠNG ĐO ĐẠC THỦY VĂN Người ta thực đo đạc thủy văn để thu thập số liệu trình thủy văn Những số liệu giúp ta hiểu biết sâu trình này, sử dụng số liệu đầu vào mô hình tính toán thủy văn dùng thiết kế, phân tích viết sách Các trình thủy văn biến đổi mạnh mẽ không gian thời gian mang đặc tính ngẫu nhiên Mưa có tính biến đổi ngẫu nhiên lớn, nên ảnh hưởng đến trình khác nhiều dòng chảy mặt, bốc hơi, dẫn đến dự đoán trình nhiều mang tính không xác Để giảm mức độ không xác này, đòi hỏi ngành đo đạc thuỷ văn cần cung cấp số liệu gần khu vực đáng quan tâm để có kết luận trực triếp từ thực tế 5.1 CHUỖI ĐO ĐẠC THỦY VĂN Các đo đạc thủy văn tiến hành theo thời gian vò trí cố đònh không gian Ví dụ, lưu vực, mưa biến đổi cách liên tục không gian trạn đo mưa tiến hành đo vài đòa điểm riêng biệt lưu vực Các số liệu thu tạo thành “chuỗi số liệu theo thời gian” đòa điểm sử dụng phân tích thống kê Nếu quy hoạch tuyến hay diện tích rộng, tiến hành đo đạc nhiều vò trí khác tạo điểm thời gian ta có chuỗi số liệu theo không gian 5.2 ĐO ĐẠC NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN 1 Độ ẩm không khí: Đo độ ẩm cao thực thiết bi thăm dò vô tuyến: bóng bơm đầy Hêli mang theo dụng cụ đo ghi nhiệt độ độ ẩm, áp suất không khí Quả bóng thả bay không trung, gởi số liệu trạm đo qua Độ ẩm không khí tham số khí hậu gần mặt đất thực trạm khí tượng Trang thiết bò thông thường trạm khí tượng gồm có hộp che chắn có nhiệt kế để đo nhiệt độ lớn nhỏ ngày, có áp kế bầu khô bầu ướt hay gọi ẩm kế để đo độ ẩm; thiết bò đo mưa đặt gần đáy số trạm có thùng đo độ bốc cột đo gió 7.3 ĐO ĐẠC NƯỚC MẶT Đo mực nước: Là đo độ cao mặt thoáng dòng nước so với mặt chuẩn quy ướt (H, m hay cm) Dụng cụ đo mực nước loại thước chuyên môn dùng đo đạc Đo mặt cắt Mặt cắt lòng sông gồm hai loại: Mặt cắt ngang mặt cắt dọc Như để đo hoàn toàn mặt cắt, cần đo độ sâu thủy trực, đồng thời đo khoảng cách từ thủy trực đến mốc cố đòng Dựa vào khoảng cách từ mốc khởi điểm độ sâu, vẽ mặt cắt ngang dọc sông • Đo độ sâu: Để đo độ sâu thường dùng dọi dây tời có móc sắt, loại phù hợp cho vùng nước nông, tốc độ nhỏ Với chiều sâu từ 5-6m trở lên tốc độ tương đối lớn phải dùng dây cáp có chì thả từ thuyền xuống Trọng lượng chì phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy Ở nơi có độ sâu lớn (>10m) người ta dùng máy hồi âm • Đo khoảng cách từ mốc khởi điểm: Phương pháp đơn giản dùng dây cáp có đánh dấu giăng ngang sông Với sông có bề rộng lớn dùng máy kinh vó để xác đònh vò trí đo • Chỉnh lý kết đo đạc Căn vào số liệu đo đạc, vẽ mặt cắt ngang sông Có mặt cắt dùng máy đo diện tích để tính diện tích tổng hợp ngang sông từ mặt nước trở xuống để làm tài liệu tính lưu lượng Đo lưu tốc tính toán lưu lượng : Lưu tốc quan trọng để tính lưu lượn gvà nhiếu đặc trưng thủy lực khác dòng chảy Mặt khác lưu tốc yếu tốc thủy lực quan trọng cần cho việc thiết kế cầu cống, đê đập, bến cảng Lư tốc sông bò ảnh hưởng 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 phân bố vận tốc sông thiên nhiên phức tạp Vận tốc mặt cắt khác khác mặt cắt, điểm khác có vậnt tốc khác Trên mặt cắt nhang sông, gần bờ vận tốc giảm, gần đáy vậnt ốc giảm • Đo lưu tốc lưu tốc kế Người ta đo lưu tốc lưu tốc kế, gồm đầu quay phận ghi chép số vòng quay Để xác đònh lưu lượng lưu tốc kế, cần đo lưu tốc mặt cắt ngang sông lúc Đo lưu tốc sông tiến hành thuyền Đưa thuyền đến vò trí thuỷ trực xác đònh vò trí điểm đo thuỷ trực, sau thủy trực thả máy đo lưu tốc xuống điểm cần để đo Ta có lưu tốc dòng chảy thủy trực Vấn đề quan trọng cần xác đònh hơp lý số thủy trực cho mặt cắt ngang sông số điểm thuỷ trực Đối với trạm bắt đầu đo, cần bố trí nhiều thuỷ trực điểm đo Sau thời gian có phân bố trường vận tốc, xác đònh lại vò trí thiết yếu, giảm số thuỷ trực số điểm đo Số điểm đo thuỷ trực 6,3,2,1 Theo quy phạm quan trắc , tiêu chuẩn ngành VN, Số điểm bố trí sau: • Đo điểm: vò trí mặt, 0,2h; 0,4h; 0,6h; 0,8h đáy • Đo điểm: vò trí mặt, 0,2h; 0,6h; 0,8h đáy • Đo điểm: vò 0,2h; 0,6h; 0,8h • Đo điểm: vò trí 0,2h; 0,8h • Đo điểm: 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 lần (hoặc lên xuống), hay hai lần ( vừa lên vừ xuống) sau lấy giá trò trung bình • Chỉnh lý số liệu đo đạc , phương pháp tính Tính diện tích mặt cắt ngang: Ai = h i + h i +1 bi A = n ∑ Ai Đối với phần diện tích sát bờ, tính diện tích tam giác Thông thường, thuỷ thrực bố trí độ sâu, nên để phục vụ cho việc tính toán lư lượng, cần tính diện tích hai thuỷ trực, gọi diện tích phận: A bf = m ∑ Ai với m số diện tích nhỏ i hai thuỷ trực đo vận tốc Tính vận tốc trung bình thuỷ trực: Đo điểm: Vtt = (V0.0 + 2V0.2 + 2V0.4 + 2V0.6 + 2V0.8 + V1.0 ) 10 Đo điểm: Vtt = (V0.0 + 3V0.2 + 3V0.6 + 2V0.8 + V1.0 ) 10 Đo điểm: Vtt = (V0.2 + 2V0.6 + V0.8 ) Đo điểm: Vtt = (V0.2 + V0.8 ) Đo điểm: Vtt = V0.6 Tính vận tốc trung bình cho phận: (Vtti + Vtti +1 ) Bộ phận hai thuỷ trực: Vbf = Bộ phận gần bờ: Vbfb = KVttb Trong K hệ số bờ, xác đònh qua đo đạc thực nghiệm, lấy theo kinh nghiệm phụ thuộc vào bình đồ lòng sông, phân bố lưu tốc theo chiều rộng sông, hướng dòng chảy, Cách chọn sau: a) Sông thẳng, đều, mặt cắt hình lòng chảo hay chữ nhật, luồng lách, bãi chìm, bải Lấy K=0,8-0,9 b) Sông thẳng, phận gần bờ có lạch tương đối sâu, lưu tốc lớn nơi xa bờ Lấy K=0,9-1,0 c) Sông cong, lưu tốc phận gần bờ tăng lên giảm rõ rệt Nếu tăng lớn lấy K=0,9-1,0 Nếu giảm nhỏ lấy K=0,6-0,8 d) Nếu sông có đoạn phận nước tù K=0,5 Trườøng hợp cần xác đònh ranh giới mực nước tù cấp mực nước Tính lưu lượng phận: q = A bf Vbf q b = A bfb Vbfb Lưu lượng toàn mặt cắt ngang sông Q= n 1 ∑ qi + ∑ qb Lưu tốc trung bình mặt cắt ngang sông V= Q A Đường vận tốc theo bề rộng Ví dụ tính toán: Thuỷ trực i 0.4 0.5 3.2 3.0 0.2 1.0 Các đường đồng mức vận tốc, m/s hi 0.0 0.4 2.0 2.5 Bề rộng B,m 10 20 30 40 50 60 70 Độ sâu, h, m 10 Diện tích Ai, m2 15 DT phận thủy trực vận tốc, m2 15 50 85 90 135 70 40 160 10 50 Vận tốc điểm thủy trực, 0,2h, m/s 0.4 3.2 0.5 Vận tốc điểm thủy trực, 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 phận, m/s, chọn Kt=0.8; Kp=0.9 0.24 1.575 1.65 0.405 Lưu lượng phận q, m3/s 3.6 212.625 264 20.25 Lưu lượng Q, m3/s = Σqi =500.475 m3/s; A=ΣAi=360m2 ; V=Q/A=1,39m/s 7.3 CHỈNH BIÊN TÀI LIỆU THỦY VĂN Tài liệu đo đạc từ trạm chưa thể sử dụng mà phải qua trình chỉnh biên chúng không phản ảnh trình thuỷ văn cách liên tục đầy đủ, chúng không phản ánh quy luật trình thuỷ văn Nhiệm vụ chỉnh biên đem tài liệu đo đạc rời rạc gián đoạn phân tích chỉnh lý thành tài liệu hoàn chỉnh, liên tục phục vụ cho tính toán thuỷ văn, dự báo thuỷ văn, ngành khác có liên quan Chỉnh biên tài liệu mực nước: Mục đích lập bảng mực nước bình quân hàng ngày, hàng tháng năm Ghi rõ mực nước cao nhất, thấp nhất, bình quân năm, vẽ đường trình mực nước năm Các bước tiến hành sau: • Thu thập số liệu đòa hình, đòa chất lòng sông, cao trình gốc thước nước tài liệu khác có ảnh hưởng đến mực nước nói chung • Thẩm tra phát số liệu vô lý • Vẽ đường trình mực nước tính mực nước bình quân hàng ngày Mực nước trung bình tính phụ thuộc vào biến thiên mực nước ngày nhanh hay chậm, khoảng thời gian có không Nếu mực nước biến đổi chậm ngày, mực nước trung bình Htb tính từ phương pháp trung bình số học ( khoảng thời gian không nhau) Nếu mực nước biến thiên đột ngột ngày Htb tính sau: H tb = H1 + H H n −1 + H n ⎤ ⎡ H + H1 a a a + + + n ⎥⎦ 24 ⎢⎣ 2 khoảng cách thời gian lần đo mực nước thứ i-1 thứ i ta có n ∑ = 24 Hi mực nước đo điểm thời gian thứ i Nếu ngày số liệu mực nước lúc 24 vào lần đo trước sau để nội suy sau tính Htb Căn vào mực nước trung bình hàng ngày để vẽ đường trình mực nước năm Căn vào tài liệu trạm đo dưới, tài liêu năm trước để tiến hành phân tích, kiểm tra lại kết chỉnh biên Chỉnh biên tài liệu lưu lượng Yêu cầu lập bảng lưu lượng bình quân ngày cho năm, Qmax; Qmin; Qtb năm Tính tổng lượng nước chảy qua mặt cắt năm lập bảng trích yếu tố thuỷ văn mùa lũ Vì công tác đo lưu lượng phức tạp nên đo liên tục mực nước Do cần vẽ đường quan hệ mực nước với lưu lượng để biến tài liệu gián đoạn thành liên tục thoả mãn yêu cầu chỉnh biên lưu lượng • Quan hệ mực nước lưu lượng Q=f(H) • Quan hệ mực nước diện tích mặt cắt A=f(H) • Quan hệ mực nước vận tốc trung bình mặt cắt V=f(H) Cùng mực nước H, trò số tính lưu lượng từ đường quan hệ phải Q=AV, sai số cho phép không 2% Khi lập đường quan hệ này, thường phát điểm đặc biệt cần phân tích xử lý Nếu số liệu không cần loại bỏ Ta có trường hợp sau: • Q=f(H) ổn đònh: trường hợp xảy sông thẳng, đều, độ nhám đồng nhất, không bò bồi xói, ghềnh thác Q H trường hợp quan hệ với chặt chẽ Chỉ cần vẽ đường cong trơn qua điểm H Q=f(H) A=f(H) H1 V=f(H) Q1=V1A1 Q1 Q A1 V1 A V • Quan hệ Q=f(H) không ổn đònh: a) Không ổn đònh bồi xói: lòng sông bò xói, mực nước, độ sâu tăng lên nên lưu lượng tăng lên, điểm quan hệ so với đường quan hệ có khuynh hướng lệch bên phải Còn lòng sông bò bồi ngược lại b) Do tồn khu nước vật: Nước vật tượng nước dâng lên hạ lưu dòng chảy bò chắn lại (do hạ lưu có đập dâng nước, sông nhánh chặn lại bò ảnh hưởng góc lệch hai sông chổ cửa sông nhánh, hạ lưu có thuỷ triều dâng lên, hạ lưu có cỏ thuyền bè cản trở Nước vật làm độ dốc đường mực nước thay đổi Tương ứng với mực nước, có nhiều lưu lượng khác Nước vật lớn độ dốc đường mực nước bé, lưu lượng tương ứng bé Điều chứng minh qua công thức tính lưu lượng Chezy ( Q = AC RJ ) Như trường hợp điểm quan hệ so với đường quan hệ lệch bên trái c) Do nước lũ ảnh hưởng: Một trận lũ có hai thời kỳ: lũ lên lũ xuống Khi lũ lên trạm dâng nước trước, trạm dâng sau, nên độ dốc đường mặt nước đoạn sông lớn bình thường Lúc lũ xuống ngược lại Như vậy, lũ lên, lưu lượng tăng cao bình thường, lũ xuống lưu lượng giảm Khi vẽ đường quan hệ ta có hình ảnh vòng dây Tương ứng với mực nước có hai lưu lượng lúc lũ lên xuống Do sử dụng số liệu cần tra theo chế độ riêng biệt H 10m Q=f(H) A=f(H) V=f(H) Q,A,V Q1 Q2 Từ H=10m, theo đường cong Q=f(H), ta có hai giá trò Q: Q1 Q2 Vậy phải xem điểm thời gian xảy H=10m vào mùa (cụ thể mùa lũ lên (tháng 5…;hay lũ xuống (tháng 9…)để có cách chọn Q cách hợp lý: Nếu vào mùa lũ lên chọn Q2; Ngược lại chọn Q1 Ngoại suy: Sau vẽ đường quan hệ, cần kéo dài thêm hai phía để ngoại suy nhữûng giá trò không đo (về mùa lũ kiệt) Thường kéo dài theo xu hướng đường quan hệ vẽ , dựa vào kết đường A=f(H) để kéo dài ... lượng • Quan hệ mực nước lưu lượng Q=f(H) • Quan hệ mực nước diện tích mặt cắt A=f(H) • Quan hệ mực nước vận tốc trung bình mặt cắt V=f(H) Cùng mực nước H, trò số tính lưu lượng từ đường quan hệ... bải Lấy K=0, 8-0 ,9 b) Sông thẳng, phận gần bờ có lạch tương đối sâu, lưu tốc lớn nơi xa bờ Lấy K=0, 9-1 ,0 c) Sông cong, lưu tốc phận gần bờ tăng lên giảm rõ rệt Nếu tăng lớn lấy K=0, 9-1 ,0 Nếu giảm... không bò bồi xói, ghềnh thác Q H trường hợp quan hệ với chặt chẽ Chỉ cần vẽ đường cong trơn qua điểm H Q=f(H) A=f(H) H1 V=f(H) Q1=V1A1 Q1 Q A1 V1 A V • Quan hệ Q=f(H) không ổn đònh: a) Không ổn