Đang tải... (xem toàn văn)
Về mặt ngữ nghĩa, Thuỷ đạc có nghĩa là phép đo đạc nước. Trong quá khứ, các kỹ sư thuỷ đạc đã tham gia từng phần vào việc đo dòng chảy. Ngày nay, công việc của họ bao gồm nhiều khía cạnh khác nữa của các phép đo nước. Thuỷ đạc được định nghĩa trong cuốn sách này như phép đo dòng chảy trong lòng dẫn hở, được hỗ trợ hoặc bổ sung bởi các phép đo mực nước, cao trình đáy, và vận chuyển bùn cát. Phép đo dòng chảy (đo lưu lượng) cấu thành phần chủ yếu của thuỷ đạc, như được thể hiện trong sơ đồ dưới đây.
ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘMÔN QUẢN LÝ TỔNG HỢP BIỂN VÀ ĐỚI BỜ THỦY ĐẠC Dị ch từbản tiếng Anh: IHE Delft lecture note series HYDROMETRY tác giả: W.Boiten, 2007 Nguyễ n Bá Tuyên (dị ch) Hà Nộ i, tháng 11 nă m 2009 Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2: ĐO MỰC NƯỚC 10 2.1 MỤC ĐÍCH 10 2.2 TRẠM ĐO MỰC NƯỚC 11 2.3 LỰA CHỌN VỊTRÍ ĐO ĐẠC 12 2.4 CÁC LOẠI THƯỚC ĐO KHÁC NHAU 14 2.4.1 Tổng quan vềcác thước đo nước 14 2.4.2 Cọc đo 15 2.4.3 Thiế t bịđo bằ ng phao 17 2.4.4 Thiế t bịbiế n áp suấ t 18 2.4.5 Thiế t bịđo bằ ng bọt 20 2.4.6 Senxơsiêu âm 21 2.4.7 Thiế t bịchỉthịmức đỉ nh 23 2.5 CÁC HỆTHỐNG TỰ GHI 24 2.5.1 Giới thiệu 24 2.5.2 Các thiế t bịghi dựa nguyên lý tương tựcơkhí 26 2.5.3 Các thiế t bịghi cơkhí sốhố 28 2.5.4 Các thiế t bịghi điệ n tử 30 2.5.5 Các thiế t bịmã hoá trục .31 2.6 CHỨC NĂNG VÀ THIẾT KẾCỦA MỘT GIẾNG TĨ NH CHO THIẾT BỊĐO DỰA TRÊN HOẠT ĐỘNG CỦA PHAO 33 2.7 ĐỘCHÍNH XÁC CỦA CÁC PHÉP ĐO MỰC NƯỚC 47 2.8 BIỂU DIỄN CÁC KẾT QUẢĐO ĐẠC MỰC NƯỚC 48 2.9 CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ 52 CHƯƠNG 3: 3.1 ĐO ĐỊ A HÌNH ĐÁY 53 GIỚI T HIỆU 53 -2- Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 3.2 ĐỊ NH VỊ(CỐĐỊ NH VỊTRÍ) 55 3.3 HỆTHỐNG ĐỊ NH VỊTOÀN CẦU (GPS) 57 3.4 CÁC THIẾT BỊĐỊ NH VỊTRUYỀN THỐNG 65 3.5 CÁC VÍ DỤ VỀ ĐỊ NH VỊTRUYỀN T HỐNG TRÊN MỘT ĐOẠN THẲNG 69 3.6 DO CÁC VÍ DỤ VỀĐỊ NH VỊTRUYỀN THỐNG TRONG MỘT HỆTỰ 71 3.7 ĐO SÂU VÀ CÁC THIẾT BỊĐO SÂU 73 3.8 XỬLÝ DỮ LIỆU 77 3.9 CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ 81 CHƯƠNG 4: 4.1 ĐO LƯU LƯỢNG 82 GIỚI T HIỆU 82 4.1.1 Mục đích 83 4.1.2 Mối quan hệlưu lượng - độnhám đáy 84 4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG .85 4.3 PHƯƠNG PHÁP LƯU TỐC-DIỆN TÍCH 90 4.3.1 Giớithiệ u 90 4.3.2 Phân bốvậ n tốc mặ t cắ t ngang 91 4.3.3 Lựa chọn vịtrí đo 96 4.3.4 Các thiếtbịđểđo vậ n tốc điể m dòng chả y 97 4.3.5 Đo vậ n tốc 107 4.3.6 Xác đị nh vậ n tốc trung bình mộtthủy trực .111 4.3.7 Xác đị nh tổng lưu lượng qua mặ t cắ t 114 4.3.8 Những sựbấ t đị nh phương pháp lưu tốc-diện tích .119 4.3.9 Sốthủy trực hạ n chế(phương pháp d 3/2) 125 4.3.10 Phương pháp dùng thuyề n di động 129 4.3.11 Đo bằ ng phao 133 4.3.12 Thiế t bịđo dòng chảy dựa hiệ u ứng âm Doppler (ADCP) 136 4.4 PHƯƠNG PHÁP DIỆN TÍCH – ĐỘDỐC .142 4.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG 151 -3- Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 4.6 PHƯƠNG PHÁP LƯU LƯỢNG T HỜI ĐOẠN .161 4.6.1 Giớithiệ u 161 4.6.2 Kiểm soát 163 4.6.3 Xác đị nh đường cong quan hệduy nhấ t 164 4.6.4 Ngoạ i suy đường cong tỷlệ 171 4.6.5 Các đường cong quan hệkhông nhấ t 173 4.6.6 Xửlý dữliệ u lưu lượng thời đoạ n 179 4.6.7 Ước lượng thống kê dữliệu lưu lượng .181 4.7 PHƯƠNG PHÁP LƯU LƯỢNG – MỰC NƯỚC – ĐỘDỐC 185 4.8 PHƯƠNG PHÁP ĐO BẰNG ÂM THANH 189 4.9 PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN TỪ 193 TRẠM BƠM 197 4.10 4.10.1 Giớithiệ u .197 4.10.2 Bơm xoắ n kiể u Ác si mét .197 4.10.3 Bơm ly tâm 201 4.11 CƠNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY 205 4.12 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG 205 4.13 CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ 208 CHƯƠNG 5: ĐO VẬN CHUYỂN BÙN CÁT 210 5.1 GIỚI T HIỆU 210 5.2 TẢI LƯỢNG BÙN CÁT 211 5.3 HÌNH THÁI ĐÁY .212 5.4 PHÂN LOẠI VẬN CHUYỂN BÙN CÁT 215 5.4.1 Giớithiệ u 215 5.4.2 Bùn cát đáy 216 5.4.3 Bùn cát lơlửng 217 5.4.4 Bùn cát rửa trôi 218 5.5 ĐO ĐẠC VẬN CHUYỂN BÙN CÁT 219 5.5.1 Giớithiệ u 219 5.5.2 Thiế t bịđo vậ n chuyển bùn cát đáy – Arnhem .220 5.5.3 Phương pháp quan trắ c đụn cát 226 -4- Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 5.5.4 Chai Delft 227 5.5.5 Các phương pháp lấy mẫ u ng quang âm học 229 5.5.6 Thiế t bịlấ y mẫu nước 230 5.6 GÀU NGOẠM ĐÁY VÀ VIỆC LẤY MẪU ĐÁY 233 5.7 KÍCH THƯỚC HẠT BÙN CÁT 235 5.8 CÁC CÔNG TRÌNH LẤY NƯỚC TRÊN MỘT ĐOẠN SƠNG CONG 239 5.9 CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ 242 CHƯƠNG 6: CÁC CƠNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY 243 6.1 GIỚI T HIỆU 243 6.2 CHỨC NĂNG CỦA CÁC CƠNG TRÌNH .244 6.3 CÁC CƠNG TRÌNH TRONG HỆTHỐNG TƯỚI 246 6.3.1 Giớithiệ u 246 6.3.2 Mô tảvắ n tắ t vềcác công trình 248 6.3.3 Các hệthố ng kiể m sốt dòng chảy 256 6.4 PHÂN LOẠI CÁC CÔNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY .257 6.4.1 Đậ p tràn đỉ nh rộng 257 6.4.2 Đậ p tràn thành mỏng 258 6.4.3 Đậ p tràn đỉ nh ngắ n .259 6.4.4 Phương pháp độsâu cuối 260 6.4.5 Máng 260 6.4.6 Cửa van .262 6.5 ỨNG DỤNG NGOÀI THỰC ĐỊ A 263 6.5.1 Các dựán tưới tiêu (nông nghiệp) 263 6.5.2 Kỹthuậ t vệsinh công nghiệp .264 6.5.3 Các nghiên cứu thủy vă n 265 6.5.4 Các đo đạ c phòng thí nghiệ m 266 6.6 ĐỊ NH NGHĨ A DÒNG CHẢY QUA ĐẬP TRÀN 267 6.7 CÁC PHƯƠNG TRÌNH QUAN HỆCỘT NƯỚC – LƯU LƯỢNG 268 6.8 LỰA CHỌN CƠNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY THÍCH HỢP NHẤT272 6.8.1 Các đặ c tính 272 -5- Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 6.8.2 Các điề u kiệ n trường 273 6.8.3 Yêu cầ u vềcon người .274 6.9 THIẾT KẾMỘT CƠNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY 276 6.9.1 Giớithiệ u 276 6.9.2 Lựa chọn ng thích hợp nhấ t 277 6.9.3 Mô tảđậ p tràn mũi tròn đậ p tràn đỉ nh rộng nằ m ngang .278 6.9.4 Thiế t kếthủy lực .282 6.9.5 Thiế t lậ p đường cong quan hệ 284 6.10 KIỂM ĐỊ NH CÔNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY BẰNG MƠ HÌNH TỶLỆ 286 6.11 ĐƯỜNG DI CHUYỂN CỦA CÁ 288 6.12 ĐỘCHÍNH XÁC CỦA CÁC ĐO ĐẠC LƯU LƯỢNG 290 6.13 TIÊU CHUẨN HÓA CÁC CƠNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY 291 CHƯƠNG 7: MẠNG LƯỚI THỦY VĂN .292 7.1 GIỚI T HIỆU 292 7.2 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MỘT T HỦY HỆ 294 7.3 MỤC ĐÍCH VÀ THIẾT LẬP BAN ĐẦU CỦA MỘT MẠNG LƯỚI THỦY VĂN 296 7.4 TỐI ƯU HÓA VÀ GIÁM SÁT MẠNG LƯỚI .300 CHƯƠNG 8: TỔCHỨC MỘT CHUYẾN KHẢO SÁT 305 PHỤLỤC I .311 TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ .311 TÀI LIỆU THAM KHẢO .313 -6- Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Vềmặ t ngữnghĩ a, Thuỷđạ c có nghĩ a phép đo đạ c nước Trong khứ, kỹ sưthuỷđạ c tham gia phầ n vào việ c đo dòng chả y Ngày nay, cơng việc củ a họbao gồm nhiề u khía cạ nh khác củ a phép đo nước Thuỷđạc đị nh nghĩ a cuố n sách nhưphép đo dòng chảy lòng dẫn hở, hỗtrợhoặc bổsung phép đo mực nước, cao trình đáy, vận chuyể n bùn cát Phép đo dòng chả y (đo lưu lượng) cấ u thành phầ n chủyế u thuỷđạ c, thểhiệ n sơđồdướiđây Các phép đo bổtrợ Phầ n đo đạ c Mực nước Đo dòng chả y (hay đ o lư u Cao trình đáy lượ ng) Các phép đ o bổsung Vậ n chuyể n bùn cát Trong sách này, đềmục sau sẽđược thả o luậ n: - mực nước (Chương 2) - cao trình đáy (Chương 3) - phép đo lưu lượng (Chương 4) Phương pháp diệ n tích vậ n tố c xác đị nh đường cong tỷlệđược đặ c biệ t ý - vậ n chuyể n bùn cát (Chương 5) - cấ u trúc phép đo dòng chả y (Chương 6) Phân loạ i cấ u trúc đề cậ p đế n lĩ nh vực ứng dụng - mạ ng lướithuỷvă n (Chương 7) - tổchức mộ t khả o sát (Chương 8) -7- Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Trong cuố n sách này, tấ t cảcác chương vềcác phép đo kết luậ n bằ ng phầ n đưa Tiêu chuẩ n Quốc tếcó liên quan - soạ n thả o ISO/TC 113 - Sự xác đị nh Thuỷđạ c Phụchương I cho ta miêu tảngắ n gọ n vềTổchức Quốc tếvềTiêu chuẩ n (ISO – International Organization for Standardization) Danh mục phương pháp khảo sát dụng cụ Các phương pháp dụng cụphổbiế n nhấ t sửdụ ng cho khả o sát sông mạ ng lưới thủy vă n sẽđược liệ t kê sau đây: mực nước cọc đo thiết bịđo dựa phao thiết bịbiến áp suấ t thiết bịđo bằ ng bọ t senxơsiêu âm thiết bịchỉthịmức đỉ nh thiế t bịghi khác biên dị ch cán đị nh vị Hệthống Đị nh vịToàn cầ u (GPS) thiết bịtìm phạ m vi sextant cao trình đáy dây cáp đo sâu thiết bịđo tiế ng vọng lưu lượng phương pháp diệ n tích vậ n tố c với: - thiết bịđo dòng điệ n - phao - senxơđiệ n từ nh lý đường ướt hệthống đường dây cáp phương pháp thuyền dị ch chuyể n Thiế t bịđo dòng chả y bằ ng Hiệ u ứng Âm Doppler (ADCP) -8- Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten phương pháp diệ n tích độdốc phương pháp lưu lượng – mực nước phương pháp âm phương pháp cuộn dây điện từ trạ m bơm vậ n chuyể n bùn cát thiế t bịlấ y mẫ u khác theo dõi đụ n cát bằ ng thiết bịđo tiế ng vọng -9- Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten CHƯƠNG 2: ĐO MỰC NƯỚC 2.1 MỤC ĐÍCH Có thểcoi mực nước thông sốcơbả n bấ t cứnghiên cứu vềsơng ngòi Hầ u hết phép đo - chẳ ng hạ n nhưđo lưu lượng – đề u có liên quan tới trạ ng thái sơng Tuy nhiên thực tế , lưu lượng sông thông sốcơbả n tố t mực nước, sẽđược ưu tiên ta có thểđo lưu lượng hàng ngày, hoặ c thậ m chí vài lầ n ngày tạ i nhiề u đị a điể m Mực nước thu từcác thước đo, cảbằ ng quan trắ c trực tiế p hoặ c ng bả n ghi Dữliệ u đo đạ c có thểphụ c vụcho nhiề u mục đích: - Bằ ng cách vẽcác sốđọc củ a thước theo thời gian nă m thủy vă n, ta thu biể u đồthủy văn cho trạ m đo cụthể Các biể u đồthủ y vă n cho chuỗi nă m liên tiếp dùng đểxác đị nh đường cong thời đoạn, chỉthịxác xuấ t xả y mực nước tạ i trạ m xét, hoặ c bằ ng cách áp dụng đường cong tỷlệ , chỉthịxác suấ t xả y mức lưu lượng - Kết hợp đọ c thước đo với giá trịlưu lượng có thểxác đị nh mộ t mối quan hệlưu lượng thời đoạ n, cho ta kế t quảlà đường cong tỷlệcho trạ m cụthểđang xét - Từcác sốđọc củ a sốthước đo quan sát điề u kiệ n dòng chả y đề u ởnhiều trạ ng thái chả y khác nhau, ta có thểxây dựng đường cong quan hệtrạng thái - Ngoài ứng dụng nghiên cứu thủy vă n phục vụcác mục đích thiết kế , dữliệu trực tiế p có giá trịcho mục đích khác, chẳ ng hạ n nhưvậ n tả i thủy, dựbáo lũ, n lý nước sựxảnước thả i - 10 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Các ví dụvềmộ t biể u đồthủy vă n, mộ t bả ng tỷlệ, đường cong quan hệ trạ ng thái trình bày mục 2.8 2.2 TRẠM ĐO MỰC NƯỚC Trạ ng thái dòng chả y hay hồnước chiề u cao củ a mặ t nước so với mặ t phẳ ng so sánh thiế t lậ p trước Cao trình củ a mặ t nước so với mốc đo gọi chiề u cao đo, hay trạ ng thái Trạ ng thái hay chiề u cao đo thường diễ n đạ t bằ ng mét centimét Hình 2.1.Đị nh nghĩ a mốc đo đạ c sốđo đọc (Water Survey of Canada, 1984) Có thểthu bả n ghi vềtrạ ng thái bằ ng quan sát hệthống với thước đo hay với mộ t thiết bịtựghi mực nước Những ưu điể m thước đo chi phí ban đầ u thấ p lắ p đặ t dễdàng Những nhược điể m cầ n phả i có người quan sát độchính xác thấ p Với mục đích sửdụ ng lâu dài ưu điể m củ a thiế t bịtựghi vượt trội nhiề u so với thước đo Vì thếchúng khuyế n cáo không nên sửdụng thiế t bịđo khơng tựghi nhưmột thiế t bịđo cơsở Đểcó thểthu dữliệ u xác đáng tin cậ y, trạ m đo dấ u chuẩ n đo phả i đưa vềmộ t mốc quy chiế u cốđị nh - 11 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Mốc quy chiếu có thểlà mặ t quy chiế u công nhậ n, chẳ ng hạ n mức trung bình mặ t biể n (MSL), hay mặ t quy chiếu ngẫ u nhiên lựa chọn cho thuậ n tiệ n Một mặ t quy chiế u ngẫ u nhiên lựa chọn sửdụng sốđọc nhỏcho chiều cao đo sẽthuậ n tiệ n hơn, hay đểloạ i bỏcác giá trị chiề u cao đo âm Khi sửdụ ng đậ p tràn hay máng, mố c quy chiế u thường lấ y tạ i cao trình khơng có dòng chả y (mức cao trình đỉ nh) Mỗi trạ m đo yêu cầ u nhấ t hai hệdấ u mốc chuẩ n hay dấ u mốc so sánh; có nghĩ a điể m vĩ nh cửu cao trình biế t, độ c lậ p với cấ u trúc thước đo Mức quy chiế u thước đo kiể m tra đị nh kỳít nhấ t nă m lầ n bằ ng cách thống nhấ t từhệdấ u mốc chuẩ n tới thước đo tạ i trạ m Không tồn tạ i mặ t quy chiế u toàn cầ u Hầ u hế t nước đề u có mặ t quy chiếu ngang củ a riêng họ Hệquảlà việc so sánh trực tiếp mức nước đo đạ c tạ i nước láng giề ng không phả i thực Mặ t quy chiếu quố c gia ởHà Lan có tên NAP (Normaal Amsterdam Peil – Mức Tiêu chuẩ n Amsterdam), vào khoả ng mực nước biể n trung bình Amsterdam nhiều nă m trước Mặ t quy chiế u ởBỉthấ p mức 2,34m Các mặ t quy chiế u củ a Đan Mạ ch Pháp lầ n lượt cao NAP 0,14m 0,13m, Mức Tiêu chuẩ n Đức (German Normall Null) cao NAP 0,02m Ởnhiề u nước, quy chiế u nghiêng sửdụng cho hệthống sơng chính; nói chung SLW (Mực nước biển thấ p) SHW (Mực nước biể n cao), với SLW = 95% mức vượt (=5% mức ngưỡng) 2.3 LỰA CHỌN VỊTRÍ ĐO ĐẠC Hệthố ng thước đo dọc theo sông cầ n bốtrí cho thơng tin vềmực nước tạ i bấ t cứđiể m dọc theo sơng có thểthu bằ ng cách nội suy từcác bả n ghi đo đạ c Các thước đo cầ n đặ t tạ i nơi xả y thay đổ i vềgradient mặ t nước, lưu lượng, hoặ c thay đổ i vềđặ c trưng sông trường hợp chung Đồng thời, chiều dài đoạ n sông hai thước đo liên - 12 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten tiếp khơng nên q dài Việ c lựa chọn vịtrí đặ t thước đo lắ p đặ t thước đo đòi hỏi kiế n thước toàn diệ n vềthủ y lực hiệ n tượng hình thái sơng Cơng việ c cũ ng đòi hỏi kiế n thức vềchuyể n động tàu thuyề n Đị a điể m đặ t thước đo công việ c lắ p đặ t cầ n phả i thỏ a mãn yêu cầ u sau: - cầ n chọ n đị a điểm đặ t thước đo cho người đọ c thước có thểtiế p cậ n được, dễdàng đọc thước, (trừkhi sửdụ ng thước đo tựđộng) có mặ t liên tụ c; - thước đo cầ n phả i tiếp xúc hởvới nước sông không bịkhô cảtrong điề u kiệ n mực nước thấ p cực tiể u; - không đểthước đo bịngậ p cảtrong thời gian mực nước cao cực đạ i; - cầ n bả o vệthước khỏi tác động phá hủy từtàu thuyề n, vậ t trôi sông, hay hiệ n tượng trượt lởbờsông; - đị a điểm đặ t thước đo không đểchị uả nh hưởng củ a sựthay đổ i điề u kiện thủy lực hạlưu (backwater), chẳ ng hạ n nhưchỗhợp dòng Ưu tiên chọn đị a điể m phía thượng lưu củ a mặ t cắ t kiểm tra đểtránh ả nh hưởng xói cụ c bộvà bồi lắ ng; - nên bốtrí hoặ c hai hệdấ u mốc chuẩ n được lấ y cao độởgầ n đểphục vụkiểm tra mốc quy chiế u đo Tầ n suấ t yêu cầ u việ c đọc thước đo phụthuộc vào sựlên xuống mực nước Khi dao động nhỏ , mộ t lầ n ngày có thểlà đủ , dao động lớn xả y ra, cầ n đọc ba lầ n ngày hoặ c nhiề u Tạ i đị a điể m có sựthay đổi rấ t nhanh củ a mực nước, cầ n tiế n hành việ c đọc thước đo hàng giờ, tố t hết đọc liên tụ c nhờthước đo tựđộng Các thước đo hồtựnhiên hồchứa nhân tạ o thường bốtrí gầ n cửa ra, vềphía thượng lưu khu vực nơi vậ n tốc dòng chả y tă ng gây tượng sụt giả m mực nước, trường hợp thường gặ p với đậ p tràn máng Các thước đo vùng nước lớn cầ n bốtrí cho tránh sai sốquá lớn gây ả nh hưởng gió mạ nh - 13 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Sựthay đổ i mực nước gây gió mạ nh cho phương trình sau: Z .v l.cos/ d (2.1) Z = sựsai khác mực nước hai điểm P1 P2 (m) = hệsố(s 2/m) v = vậ n tốc gió (m/s) l = khoả ng cách P1 P2 (m) = góc hướng gió đường P1P2 d = chiề u sâu nước (m) Hệsốphụthuộc vào điề u kiện chắ n gió: - với kênh rộ ng = 0,20.10-6 sec2/m - với hồ = 0,35.10-6 sec2/m, với m/s < v < 18 m/s Khoả ng cách dọ c theo sơng trạ m đo có thểtới hàng chục kilômét Dọc theo sông Ranh (Rhine – châu Âu) trịsốnày thay đổi khoả ng 10 30 km; sông Mississippi, trịsốnày khoả ng 50km; dọ c theo sơng Niger thay đổi khoả ng 50 100 km Tạ i nơi cầ n thiế t, thước đo thứ cấ p có thểđược lắ p đặ t trạ m đo đểtă ng độmị n dữliệu mực nước Các trạ m đo cầ n phả i thỏa mãn yêu cầ u mục có liên quan tiêu chuẩ n ISO 4373, tiêu chuẩ n bao gồ m khuyế n nghịcho việc thiế t kếcác thước đo tham chiế u, thiế t bịghi, giếng tĩ nh 2.4 CÁC LOẠI THƯỚC ĐO KHÁC NHAU 2.4.1 Tổng quan vềcác thước đo nước Hầ u hết trạ m đo mực nước trang bịmột senxơcả m ứng hoặ c thước đo mộ t thiế t bịghi Trong nhiề u trường hợp,mực nước đo mộ t giế ng tĩ nh, nhờđó loạ i trừđược dao độ ng mạ nh - 14 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Bả ng 2.1 tóm tắ t loạ i thước đo phổbiến nhấ t, đồng thời đị nh rõ sựcầ n thiế t giếng tĩ nh cách đọ c sốliệ u Bả ng 2.1 Tóm tắ t thiế t bịđo mực nước Dạ ng thiế t bịđ o Giế ng tĩ nh đềxuấ t (Phầ n 2.6) Cách đọ c Không liên tục, Liên tụ c, đ ược trang quan trắ c bằ ng bị thiế t bịghi (xem mắ t Phầ n 2.5) – có – Khơng thể thiế u – có Thiế t bị biế n áp suấ t Ưu tiên – có Thiế t bị đo bằ ng bọt – – có Senxơsiêu âm – – có Thiế t bị đo mức đỉ nh lũ – có – Cọc đ o Thiế t bị đo 2.4.2 Cọc đo Hình 2.2 Cọc đo thẳng đứng - 15 - Hình 2.3 Cọc đo kiể u-E Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Cọc đo loạ i đơn giả n phổbiế n nhấ t Nó thường bao gồm thước đo (dạ ng bả n) tiêu chuẩ n, chống ă n mòn: nhơm đúc hoặ c thép tráng men Thanh đo cốđị nh thẳ ng đứng vào cấ u trúc vững chãi, chẳ ng hạ n nhưmột cọ c, trụcầ u, hoặ c tường Đôi thước đo đặ t tạ i mộ t vịtrí nghiêm, chẳ ng hạ n nhưtrên mái dốc bờsơng Các cọc đo nghiêng khó bịhưhạ i tàu thuyề n vậ t trôi Chúng chếtạ o với sựđiều nh tính trước đế n độnghiêng m Tuy nhiên điề u kiệ n có sóng, rấ t khó đọc xác với thước đo nghiêng Mộ t nhược điể m khác sựđiều nh thước nghiêng thường không đơn giả n Cọc đo thiế t bịđo nhấ t có thểđọc trực tiếp, bấ t cứlúc không cầ n thao tác khác trước Hình 2.4 Các ví dụvềcách cốđị nh cọc đo Khi phạ m vi mực nước vượt khảnă ng thước đơn, thước bổ sung có thểđược lắ p đặ t đường mặ t cắ t ngang vng góc với - 16 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten phương dòng chả y Thang đo mộ t dãy thước bậ c thang vậ y cầ n có khoả ng trùng lắ p phù hợp Hình 2.2 thểhiện mộ t cọ c đo thẳ ng đứng cốđị nh vào mộ t cọ c dọ c theo sơng Hình 2.3 mơ tảloạ i cọc đo thẳ ng đứng có tên gọi kiể u-E Hình 2.4 cho ta ví dụvềcách cốđị nh cọc đo 2.4.3 Thiết bịđo phao Nguyên lý thiế t bịđo tựghi dựa hoạ t độ ng củ a phao nhưsau (hình 2.5) Một giế ng tĩ nh nối thông với sông bằ ng ống dẫ n, lòng giế ng có phao chuyể n động lên xuố ng theo sựthay đổ i mực nước giếng (Hầ u hết dao động gây sóng ngắ n bịtriệ t tiêu) Chuyể n động phao truyề n qua bánh xe quay tới cơcấ u ghi lạ i chuyể n động giấ y (một cách cơhọc), hoặ c ghi vào bộnhớ cốđị nh (một cách điệ n tử) Hình 2.5 Thiế t bịghi dựa hoạ t động phao Đặ c biệ t cầ n nhấ n mạ nh khuyến cáo sửdụ ng phao lòng giếng tĩ nh (Mụ c 2.6) Các yêu cầ u vềchức nă ng nhưsau: - 17 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten a) Thiế t bịđo dựa hoạ t động củ a phao phả i cho phép đo đạ c với mức nước từthấ p nhấ t tới cao nhấ t b) Kích thước phao đối trọng chấ t lượng bộphậ n củ a thiế t bịcơkhí đểchỉthịtừxa cầ n lựa chọn cẩ n thậ n đểcó độchính xác cao nhưmong muốn c) Phao cầ n chếtạ o từvậ t liệu bề n vững chống ă n mòn, chống tắ c nghẽn, chỉthịsai Nó cầ n chống dò rỉvà hoạ t độ ng theo phương thực sựthẳ ng đứng Mậ t độcủa khơng thay đổ i lớn d) Phao cầ n chắ c chắ n cuộn dây không bịvặ n xoắ n, thắ t nút Mục 2.6 sẽnêu khái quát vềchức nă ng thiế t kếcủa mộ t giế ng tĩ nh 2.4.4 Thiết bịbiến áp suất Hình 2.6: Thiế t bịbiế n áp suất Thiế t bịquy đổi áp suấ t biết đế n nhưsenxơáp suấ t, đầ u đo áp suấ t, thiết bịtruyề n áp suấ t Mực nước đo đạ c nhưmột áp suấ t thủ y tĩ nh biế n đổi thành tín hiệ u điệ n, hầ u hế t trường hợp với senxơđơn dẫ n (thiế t bịbiế n áp phả n áp) Giá trịđo đạ c tương ứng với mực nước thực tếbên senxơ Trong mộ t vài trường hợp có lỗi sinh sựthay đổ i trọ ng lượng cột nước (độmặ n, nhiệ t độ , hàm lượng bùn cát) sựdao động củ a áp suấ t khí - 18 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Thiế t bịbiến áp suấ t dùng đo đạ c mực nước vùng nước hở, cũ ng nhưđểđo liên tục mực nước ngầ m - vùng nước hở Các thiế t bịbiế n áp suấ t hầ u nhưđược lắ p đặ t giế ng tĩ nh Các giếng có thểgắ n với tường có trước, hoặ c đặ t ởtrên vùng đấ t đắ p cao nhưvới thiế t bịđo dựa hoạ t độ ng phao Giế ng tĩ nh khơng đóng hồn tồn kín khí, đểduy trì áp suấ t khí quyể n giế ng - nước ngầm Thiế t bịbiế n áp suấ t lắ p mộ t ống hoặ c mộ t khoang lỗvới đường kính nhỏvà sâu lòng đấ t (có thểtới 200m) Bằ ng cách có khảnă ng đo mực nước lòng dẫ n khơng thường xun, chẳ ng hạ n nhưcác suố i cạ n Thông thường thiế t bịbiến áp suấ t có thểbù trừcho thay đổi áp suấ t khí quyể n Tuy nhiên, cáp thơng khí (kế t hợp với cáp tín hiệu) có chi phí cao Trong trường hợp hệthố ng tựghi ngậ p khơng có cáp áp suấ t khơng khí cầ n đo riêng rẽ Mộtvài đặ c trưng thiế t bịbiế n áp suấ t: - có đường kính khoả ng 10 mm < D < 45 mm - khoả ng đo: từ0 1,25 m đế n 40 m - độchính xác 0,1% khoả ng đo tối đa Khuyế n cáo nên kiể m tra đầ u củ a thiế t bịchuyể n đổi bằ ng cách sửdụ ng mộ t đĩ a tham chiế u nối với giếng tĩ nh - nguồn nă ng lượng: Pin 12V hoặ c pin nhỏ - đầ u ra: Vôn, hoặ c mili-ampe (trong nhiề u trường hợp 20 mA) Hầ u hết thiế t bịbiến áp suấ t trang bịcùng với thiết bịghi dữliệ u, với chuẩ n lưu trữdữliệ u 10.000 giá trịđo đạ c Các thiế t bịchuyể n đổ i khác trang bịvới thiế t bịghi analog ng trố ng lă n giấ y hay với bộhiể n thịmực nước kỹthuậ t số - 19 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 2.7: Thiế t bịđo mực nước thẳng đứng (kiể u trống ghi) với thiế t bịbiế n áp suất(theo Seba) 2.4.5 Thiết bịđo bọt Thiế t bịđo bằ ng bọt – gọi Thiế t bịđo mực nước bằ ng khí – hệthống chủđộ ng áp suấ t, dựa việ c đo áp suấ t cầ n thiết đểtạ o bọt khí từmộ t vòi tạ o bọt nhỏứng với áp suấ t nước Thiế t bịđo chủyế u sửdụng tạ i hiệ n trường nơi mà việ c triển khai lắ p đặ t mộ t thiế t bịđo dựa phao nổihoặ c thiế t bịbiế n áp suấ t khó khă n hoặ c đắ t đỏ Từmột xi lanh khí nén hoặ c máy nén nhỏ , khí (nitơhoặ c khơng khí nén) chả y qua thiế t bịgiả m áp (ví dụnhưmộ t van tỷlệ) qua ống đo Tạ i cuối ố ng này, bọt khí đặ t qua lỗkhí nước Áp suấ t ống đo tương ứng với áp suấ t thuỷtĩ nh củ a cộ t nước bên lỗ Áp suấ t thuỷtĩ nh củ a cộtnước truyề n tới mộtáp kế Các biế n đổ i thời đoạ n ngắ n, nhưsóng gió, sẽkhơng ả nh hưởng tới thiế t bịđo Do đó, mộ t thiế t bịlàm tắ t dầ n sẽđược lắ p đặ t tạ i cuốiống đo - 20 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 2.8 Thiế t bịđo bọt mộtbờsông (Theo Ott: thiế t bịđo mực nước khí) [A: Mái che; B: Ống bảo vệvớiống đo ởtrong; C: Ống bảo vệđặt nằm vng góc (lỗbọt khí theo chiề u dòng chảy); D: Lỗbọt khí] Mộtvài đặ c trưng thiế t bịđo bằ ng bọt: - khoả ng đo: từ08,0m tới030,0m - độchính xác: lỗiđo đạ c nhỏhơn 1cm tổng khoả ng đo - nguồn nă ng lượng: pin 12V (đủcho nă m) hoặ c nốivớinguồn 220/110V - đầ u phụthuộc vào thiếtbịkế t hợp o sửdụ ng thiế t bịđo điệ n thế020 mA hoặ c vôn, hay thiế t bịmã hoá trục cho kế t nố i hệthống truyề n dữliệ u o nối với thiế t bịđo analog kiểu biể u đồdả i (vài tháng) hoặ c trống ghi (vài ngày) 2.4.6 Senxơsiêu âm Các senxơsiêu âm (hoặ c âm học) sửdụng cho đo đạ c liên tụ c mực nước không tiếp xúc kênh hở(xem hình 2.9) Các sx phát xung siêu âm ởmột tầ n sốnhấ t đị nh Các sóng âm khơng nghe thấ y phả n xạlạ i mặ t nước thu nhậ n sx Thời gian vòng (khứhồi) – nghĩ a thời - 21 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten gian trôi qua từkhi phát đế n thu lạ i tiế ng vọ ng – đo đạ c bằ ng điệ n tử thểhiện nhưmộ t tín hiệ u đầ u tỷlệvới mực nước Hình 2.9: Sx siêu âm (Endress & Hauser, Sóng âm dòng chảy) Hình 2.10: Sx siêu âm FMU 862 (Endress & Hauser, 1999) Trong hầ u hế t sx siêu âm, mộ t đầ u đo nhiệt độtích hợp sẵ n sẽtựđộng bù trừthời gian lỗ i khứhồ i - lỗi chủyế u sinh hệsốnhiệ t độcủa tốc độâm khơng khí - 22 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Tốc độlan truyền trung bình sóng âm khơng khí nước: Ckhơng khí = 330 340 m/s Cnước = 1450 1480 m/s Trong đo đạ c kênh hở, tín hiệ u mức tỷlệcó thểđược nh lý thiế t bịtuyế n tính hố lậ p trình với quan hệlưu lượng thượng lưu củ a cơng trình cụthể(đậ p tràn hay máng) Độchính xác củ a phép đo mực nước phụthuộ c vào điề u kiện đo đạ c (mực nước ổn đị nh) điề u kiệ n gắ n lắ p thiế t bị(hệsốE/F) Các điề u kiệ n gắ n lắ p thểhiệ n độchính xác thiế t bịđo, vốn mộ t hàm sốcủa hệsốE/F 2.4.7 Thiết bịchỉthịmức đỉ nh Sau lũmột đường dấ u vết dọc bờsông hồnhờcác mả nh vụn trôi nổi, nhờbùn cát tường nhà, cầ u, bế n ng vốn phụthuộc vào mực nước cao Bên cạ nh mộ t khả o sát vềlũsau mỗ i sựkiệ n nước cao cực đạ i, thiế t bị chỉthịmức đỉ nh đặ c biệ t tỏra hữu ích Thiế t bịđo đỉ nh lũthực dụng cụrấ t đơn giả n đểxác đị nh trạ ng thái đỉ nh lũtạ i đị a điể m xa hoặ c không tiế p cậ n tới dọc sông Chúng đọ c tiế n hành chuyế n kiể m tra sau lũ Sựđa ng thiế t bịđo tuỳ thuộc vào điề u kiệ n đị a phương khảnă ng sáng tạ o nhà thuỷvă n ví dụcó thểkểđế n là: Thiếtbịđo Griffin Thiế t bịđo Griffin cọ c gỗđược sơn bằ ng thứsơn có thểhoà tan cốđị nh thẳ ng đứng tạ i vịtrí, với đáy cọc nằ m mực nước, tố t nhấ t chai hoặ c ống nhựa Sau lũ, phầ n sơn bên mực nước cao nhấ t bị hồ tan, từđó ta có thểsuy trạ ng thái đỉ nh Thiếtbịđo mức cực đại Thiế t bịnày mộ t thước nhựa gia cường sợi thuỷtinh ống thuỷtinh plêxi Một cuộ n bă ng tựdính màu đỏđược gắ n với thước Khi nước dâng lên ống đo, tẩ y hết màu đỏcho tới độcao mực nước đạ t tới - 23 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten (cao trình tố i đa xả y ra) Việ c thay cuộ n bă ng màu đỏcó thểđược thực dễ dàng bằ ng cách nới lỏ ng mộtcon vít Thiếtbịđo chai (xem hình 2.11) Thiế t bịđo bằ ng chai bao gồ m mộ t dãy chai đặ t theo phương nằ m ngang cốđị nh vào cọ c thẳ ng đứng Sau trậ n lũ, mực nước lớn nhấ t cho biết vịtrí củ a chai cao nhấ t có chứa nước Thiết bịđo bằ ng chai cầ n bả o vệphả i bả o vệkhỏ i mưa Hình 2.11: Thiế t bịđo chai Đị nh nghĩ a mực nước đỉ nh ởsông Ranh phầ n đị a phậ n Hà Lan sau: - lưu lượng sơng ởLobith Q 2500 m3/s (mức lưu lượng có 25% thời gian vượt mộtnă m trung bình) - khoả ng thờigian trôi qua hai đỉ nh liên tiế p t > 15 ngày 2.5 CÁC HỆTHỐNG TỰ GHI 2.5.1 Giới thiệu Hầ u hế t loạ i thiế t bịđo có thểđược biến đổiđểghi tựđộ ng, trừloạ i cọ c đo loạ i thiế t bịđo đỉ nh lũ, thiế t bịvố n yêu cầ u quan sát trực tiế p - 24 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Các thiế t bịđo dựa hoạ t động củ a phao thiế t bịbiế n áp suấ t thường đặ t giế ng tĩ nh đểlàm tắ t dao động gây sóng nhiễ u động, đồng thời bả o vệsx Thông thường, cọ c đo lắ p đặ t gầ n với thiế t bịđo & ghi đểcho phép so sánh trạ ng thái đọc trực tiếp ghi lạ i Đểphục vụcho mục đích ghi/thu nhậ n, có thểsửdụng cảhệthống cơkhí điệ n tử Các thiế t bịghi cơkhí phân chia thành thiế t bịghi tương tựvà thiế t bịghi sốhoá, loạ i có thểhoạ t độ ng khơng cầ n bả o dưỡng từvài tuầ n vài tháng Các thiế t bịghi tuowng tựcơhọc (thiế t bịghi giấ y có trống lă n) cho thơng tin liên tục Các thiế t bịghi cơkhí sốhố (chẳ ng hạ n nhưthiết bịghi kiể u dậ p lỗ ) cho ta thông tin tạ i thời điể m cách mộ t khoả ng xác đị nh trước Các hệthố ng điệ n tửthì chia thành thiế t bịghi nhậ t ký dữliệ u hệthống đo từxa Các thiế t bịghi nhậ t ký dữliệ u lưu trữdữliệ u thu thậ p mộ t bộnhớđiên tửtạ i trạ m đo cho mộ t giai đoạ n nhấ t đị nh Còn hệthống đo kiể m sốt từxa dữliệ u thu thậ p được truyề n vềmột máy tính trung tâm, mỗ i ngày lầ n, hoặ c truyề n vềtức thời (theo thời gian thực), bằ ng đường truyề n riêng, bằ ng sóng rađiô hay vệtinh Bả ng 2.2 cho ta mộ t nhìn tổng qt vềcơng việ c thu nhậ n dữliệ u, truyề n biế n đổidữliệu thu thậ p tạ i trường Việ c lựa chọn loạ i thiế t bịđo/ hệthống ghi dựa phân tích vềkinh tế kỹthuậ t Rõ ràng rằ ng thiế t bịghi liên tục tựđộng tương đối đắ t sẽchỉ lựa chọn thông tin liên tụ c cầ n thiết, hoặ c cho trạ m vùng sâu vùng xa nơi việ c đọ c sốliệu hàng ngày khó khă n Cọc đo tương đối rẻvà dễdàng lắ p đặ t, thực tếlạ i yêu cầ u người quan sát đáng tin cậ y phả i trảlương cho họ, đồng thời có thểphát sinh lỗido người, yế u tốcầ n xem xét cân nhắ c Các thiế t bịghi liên tụ c tựđộ ng thường sẽđược chọ n cho hoạ t độ ng lâu dài Tuy nhiên, việ c lắ p đặ t triể n khai hệthố ng nhưvậ t chỉcó thểkhảthi - 25 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten có chuyên gia có tay nghềcó thểhuy động họcho việ c kiể m tra sửa chữa thiếtbịđo mộtthời gian ngắ n kểtừkhi thông báo Bả ng 2.2: Tổ ng quan vềthu nhậ n dữliệ u, truyền biế n đổ i dữliệ u Phươ ng pháp thu nhậ n dữliệ u Truyề n dữliệ u Biế n đổi dữliệ u Vậ t lý Sốhoá (các thiế t bị ghi liên tục tựđộng) Tương tựcơkhí giấ y (và cảđiệ n tử) Cơkhí sốhố cuộn bă ng Vậ t lý Đọc đị nh ng lạ i Thiế t bịghi điệ n tử ống dữliệ u Vậ t lý Đọc đị nh ng lạ i Đường truyề n Đị nh ng lạ i thiế t bịghi dữliệ u Hệthống đo từxa Điệ n thoạ i công cộng Rađiô hoặ c vệtinh 2.5.2 Các thiết bịghi dựa nguyên lý tương tựcơkhí Các thiế t bịghi analog hoặ c tựghi cung cấ p bả n ghi liên tục giấ y chuyên dùng vềcác trạ ng thái nước theo thời gian Nế u thiết bịghi nối với thiế t bịđo dựa hoạ t động phao, chuyể n động phao sẽđược chuyể n đổi thành chuyể n động củ a bút, sẽin dấ u lên cuộn giấ y cốđị nh vào trống quay dị ch chuyể n vềphía trước nhờmộ t hệthống hoạ t động đề u đặ n nhưđồng hồ , từđó tạ o đường liên tụ c giấ y Thông thường, yế u tố chiề u cao củ a thiế t bịđo điề u khiể n chuyển động củ a bút hoặ c bút chì, yế u tố thời gian điề u khiển chuyể n độ ng biể u đồ Theo hệmét, phạ m vi thước đo chiều cao thiế t bịđo thường từ1:1 tới 1:50 Các tỷlệghi phổbiế n 1:1, 1:2,5, 1:10, 1:20 Tỷlệthời gian thay đổituỳthuộc vào ng biể u đồ, không nên nhỏhơn 48mm cho 24 Một vài thiế t bịghi tương tựcơkhí có khảnă ng ghi trạ ng thái cách không giới hạ n bằ ng bằ ng thiế t bịđả o chiề u bút ghi hoặ c bằ ng khảnă ng quay không giới hạ n trống - 26 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hầ u hế t thiế t bị ghi biểu đồdạ ng cuộn dả i bă ng (hai trống) sẽhoạ t động vài tháng mà không cầ n bả o dưỡng Các thiế t bịghi trống đơn (kiể u ngang kiểu đứng) yêu cầ u sựquan tâm hàng tuầ n Hình 2.12 thểhiệ n thiế t bịghi tương tựcơkhí liên tục sửdụng phổbiế n Có thểlắ p thêm bộphậ n để ghi nhiệ t độnước hay lượng mưa mộtbiểu đồ Hình 2.12: Thiếtbịghi tương tựcơhọc (analog) Hình 2.13: Mộtphần biể u đồdảicủa thiế t bịghi analog - 27 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 2.13 mộ t phầ n củ a biểu đồdả i phổbiến với tỷlệthiế t bịđo 1:5 tỷlệthờigian 240 mm mộ t ngày Điề u quan trọng biể u đồphả i cắ t nhà sả n xuấ t theo kiểu mà chiề u mực nước ghi lạ i phả i phù hợp với chiề u chuyể n động giấ y, hay với vậ t liệ u làm biểu đồ Tuy nhiên trường hợp củ a thiết bịghi biể u đồ ng dả i, tỷlệthời gian theo chiề u chuyển động máy khơng thể khác Giẩ y cầ n sửdụ ng hế t chiề u dài chiề u rộng phả i đả m bả o hầ u nhưkhông thay đổido thay đổivềđộẩ m Thêm vào đó, đường chia biể u đồcầ n đánh dấ u rõ ràng Trên thang đo chiề u cao, đường cầ n đánh sốít nhấ t mét thang đo thời gian nhấ t mỗ i sáu tiếng Các bả n ghi từcác thiết bịghi giấ y không thểđược đọ c bằ ng máy vi tính Do vậ y biể u đồcầ n chuyể n ng bằ ng tay, sửdụng thiế t bịsốhoá điệ n tửnố i với mộtmáy tính 2.5.3 Các thiết bịghi cơkhí sốhố Các thí dụvềcác thiế t bịghi cơkhí sốhố thiế t bịghi kiể u đục lỗvà thiế t bịghi bă ng từ Cảhai loạ i ngày vẫ n sửdụ ng tạ i vài khu vực, nhiên chúng phổbiên shơn thiết bịghi giấ y hệthống điệ n tử Trong phầ n sẽnghiên cứu loạ i thiếtbịghi ng đục lỗ Hình 2.14: Thiế t bịghi cơhọc sốhố - 28 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Thiế t bịghi kiể u đục lỗhoạ t động bằ ng pin, tốc độchậ m, dậ p lỗtrên bă ng giấ y đểghi lạ i sốcó bốn chữsốtrên cuộn giấ y có 16 kênh tạ i thời đoạ n đị nh trước (xem hình 2.14) Hình 2.15: Mộtđoạn cuộn băng sốhoá (Khảo sát đường thuỷ , Canađ a 1983) - 29 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Trạ ng thái ghi lạ i thiế t bịnày có sốgia 0,001m, từ0 đế n 9,999m truyề n vào thiế t bịnhờtrục quay Sựquay trụ c thiế t bịquy đổi thành mã dậ p lỗtrên bă ng, đơn giả n tới mức có thểđọc trực tiế p cuộn bă ng Mã bao gồ m bốn nhóm, nhóm lỗdậ p Trong mỗ i nhóm, lỗdậ p thứ nhấ t thểhiệ n '1', lỗthứhai thểhiệ n '2', lỗthứba '4', lỗthứtưlà '8' Vì vậ y kết hợp ba lỗhoặ c ta sẽthểhiệ n chữsốtừ1 tới 9, đểtrố ng cho số0; bốn nhóm lỗdậ p sẽthểhiệ n tấ t cảcác sốtừ1 tới 9999 (xem hình 2.15) Các cuộ n bă ng dậ p cách cơhọc biện pháp thiết thực nhấ t cho khu vực có sựbiế n đổi lớn vềđiề u kiệ n nhiệ t độvà độẩ m Các thiế t bịchuyể n đổi điệ n tửđược dùng đểbiế n đỏ i bả n ghi 16 kênh dậ p lỗthành cuộn bă ng phù hợp cho đầ u vào mộtmáy vi tính 2.5.4 Các thiết bịghi điện tử Các thiế t bịghi nhậ t ký dữliệ u thếhệđiệ n tửhâu duệcủ a thiết bịghi giấ y lĩ nh vực đo đạ c thu thậ p thông số(thuỷvă n) Các giá trịđo đạ c - chẳ ng hạ n nhưáp suấ t hay vịtrí củ a phao - quy đổi thành tín hiệ u điện (tương tựhoặ c sốhố) Mộ t dả i chuẩ n cơng nghiệ p thường sử dụng 020 mA 420 mA Các sốliệ u đo đạ c lưu bộnhớthể rắ n có thểsửdụng lạ i Các mạ ch điện thiế t kếđểtiêu thụít nă ng lượng (cung cấ p nă ng lượng pin) Điề u làm cho thiết bịghi nhậ t ký dữliệ u trởnên lý tưởng cho khu vực vùng sâu vùng xa Các thiế t bịghi nhậ t ký dữliệ u hiệ n đạ i có đầ u vào đa ng, có khảnă ng lưu trữđầ u vào tạ i thời điể m đị nh trước Các thẻnhớhiệ n có khảnă ng lưu trữ khác biế n đổitừ10.000 đế n 50.000 sốđọc Việ c đọc dữliệ u lưu trữcó thểtiến hành nhưsau: - thay thẻnhớđầ y, đọc bằ ng mộtthiế t bịđọ c thẻ - truyề n dữliệu bằ ng modem đường điệ n thoạ i tới máy tính (đo từxa) Hầ u hết thiế t bịđo điệ n tửcó hình, hiể n thịsốđọ c giá trịthực tếcủa thơng số, ngày tháng - 30 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Các thiế t bịghi nhậ t ký có thểđược sửdụ ng cho lưu trữdữliệ u từnhiề u quan sát khác nhau, chẳ ng hạ n nhưcác đo đạ c khí tượng, đo đạ c mực nước, lưu lượng, đo đạ c chấ t lượng nước Các hệthống đo từxa - truyề n dữliệu bằ ng modem đường điệ n thoạ i, sóng rađiơ hay vệtinh - ngày rấ t phổ biến 2.5.5 Các thiết bịmã hoá trục Thiế t bịmã hoá trục dựa hoạ t động phao sử dụng cho kiể m soát liên tục lưu trữliên tục mực nước mực nước ngầ m (xem hình 2.16) Hình 2.16: Mộtthiế t bịbiế n mã cán (theo Ott) [(a) Phao; (b) ròng rọc đĩ a phao (quang học, từ,hoặc loại khác); (c) thiế t bịghi dữliệ u] Hình 2.17: Ví dụvềmực nước đo đạc được, lưu trữtrong mộtfile ASCII (theo Ott) - 31 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Ròng rọ c (puli) phao chuyển động nhờphao dây cáp nối với phao Thiế t bịmã hoá trục thiế t bịcơ-điệ n, quy đổi chuyể n độ ng quay trục puli thành tín hiệ u điệ n nhờmộtcái gọilà đĩ a mã hoá, vốn nốivớipuli Mộtđĩ a mã hoá quang học bao gồm phầ n sau: - mộtnguồn sáng - đĩ a suốtvà ống mực khơng (xem hình 2.19) - mộtpin nhạ y sáng - mạ ng lưới điệ n đểkhuếch đạ i tín hiệu điệ n tạ o pin nhạ y sáng cho lộsáng Đĩ a cấ u tạ o sốcác vòng lặ p đồng tâm khối suốt không suốt Tạ i đường tâm đĩ a có thểđọ c thấ y mã nhịphân, hầ u hế t trường hợp tuân theo Mã Xám (Gray code) – xem hình 2.18 Hình 2.18: Mã Xám (Gray code) (1024 số) (theo MCB) - 32 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 2.19: Mộtđĩ a mã hố quang học với10 vòng lặp (theo MCB) Sốliệ u mực nước điện truyề n tới thiế t bịghi nhậ t ký dữliệ u theo khoả ng thờigian đị nh trước Các đặ c trưng củ a thiế t bịmã hoá trụ c là: - thích hợp cho hoạ t động độc lậ p - có độphân giả i mm cho mộtdả i 20 mét (đĩ a vớicác dả i từtính) - bộcung cấ p nă ng lượng cho hệthống hoạ t động tới 15 tháng với khoả ng đo/lưu trữlà hàng - thay pin đơn giả n - giao diệ n RS 232 cho truyề n dữliệ u qua modem thành file ASCII 2.6 CHỨC NĂNG VÀ THIẾT KẾCỦA MỘT GIẾNG TĨ NH CHO THIẾT BỊ ĐO DỰA TRÊN HOẠT ĐỘNG CỦA PHAO Chức nă ng giế ng tĩ nh hỗtrợthiế t bịđo mực nước bả o vệbộ phao, cung cấ p xác giế ng mực nước trung bình đạ i diệ n sông làm tắ t dao động tựnhiên mặ t nước Chức nă ng đường vào cho phép nước vào khỏi giế ng tĩ nh, nhờvậ y mực nước giếng trì ởcùng mức so với nước ngồi sơng suối ởmọ i điề u kiện dòng chả y, - 33 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten cho phép vài ng kiể m sốt có thểgiới hạ n hiệ u ứng trễvà dao động giế ng Các giếng tĩ nh làm bằ n bê tông, BTCT, khối bê tông, ống bê tông, ố ng thép, bằ ng gỗ Chúng thường đặ t bờcác sông suối (xem hình 2.20) Đơi chúng đặ t trực tiế p dòng chả y gắ n với trụhoặ c mốcầ u Giế ng tĩ nh cầ n đủdài đểđáy thấ p nhấ t 0,3 m so với mực nước kiệ t nhấ t dựbáo đỉ nh củ a đủcao đểđo mực nước lũ50 nă m Hình 2.20: Phác họa nguyên lý giế ng tĩ nh Lòng giếng cầ n đủrộ ng đểcác thiết bịsẽđược lắ p đặ t vào sau (phao đối trọng) có thểhoạ t độ ng thoả i mái Khi đặ t giế ng ởbên bờsơng suối, đáy giếng cầ n gắ n kín đểnước ngầ m không thấ m vào nước sơng khơng dò ngồi Giế ng tĩ nh cầ n lắ p đặ t theo phương thực sựthẳ ng đứng Khoả ng tựdo quanh phao nên vào khoả ng 7,5 centimet (hoặ c thếđố i với ống dài mét) Nước từsông suố i chả y vào khỏ i giế ng tĩ nh qua đường vào, vậ y mực nước giế ng trì ởcùng mức so với nước ngồi dòng chả y Nếu giế ng tĩ nh đặ t ởbờsông suố i, đường vào bao gồm ống dài nốigiếng dòng chả y - 34 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Đường vào cầ n ởcao trình tố i thiểu 0,15 m mực nước kiệ t nhấ t, tối thiể u 0,15 m đáy giế ng đểđềphòng bùn cát tích tụlạ i nhậ n chìm cửa vào Ởvùng khí hậ u lạ nh, đường vào cầ n nằ m đường đơng Nế u giế ng đặ t dòng chả y, lỗkhoan ởtrong giế ng có thểhoạ t động nhưcủa vào, thay cho ống dẫ n vào Trong phầ n sẽđặ c biệ t ý tớicác mục sau: - đốitrọng - đường kính phao, kích thước giế ng tĩ nh - đường kính ống vào - thụtrửa ống vào - chống bă ng - nhà chứa thiế t bị - ví dụthiế t kế - lỗi Đốitrọng Cầ n lưu ý đểkhi phao nổ i lên, đối trọ ng khơng hạxuống phao, mà vẫ n ởphía phao xa hoặ c hạxuống phao Nế u yêu cầ u độchính xác cao, không nên cho phép đối trọng bịngậ p phầ n phạ m vi hoạ t động nó, điề u sẽlàm thay đổi mức độngậ p phao ả nh hưởng tới mực nước ghi Sai sốcó hệthố ng có thểtránh bằ ng cách: - kéo dài ống giế ng tĩ nh tới chiều cao mà đố i trọ ng vừa không chạ m phả i bánh xe phao tạ i thời điể m nước kiệ t nhấ t ừa không chạ m tới mực nước tạ i thời kỳnước dâng cao nhấ t dựkiế n, hoặ c: - bốtrí đốitrọng mộtống kín nước khơ độc lậ p khác Đường kính phao, kích thước giế ng tĩ nh (xem hình 2.21) Các thiế t bịghi mực nước dựa hoạ t động phao cầ n phả i thắ ng lực n ban đầ u nhấ t đị nh, lực n sinh ma sát thiế t bịghi trục Lực có thểđược diễ n đạ t bằ ng mộ t mô men n Tf trục bánh xe - 35 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten củ a phao Nế u đối trọng tác dụng mộ t lực că ng F lên ống phao, lực cẩ n phả i tă ng hay giả m mộtlượng F trước thiế t bịghi hoạ t động F > T f / r (2.2) F = thay đổ i vềlực că ng tác dụng lên dây phao phao bánh xe (N) r = bán kính bánh xe phao (m) Tf = mô men n sinh ma sát trụ c bánh xe phao (Nm) Hình 2.21: Các lực tác dụng lên băng phao (theo Kraijenhoff van de Leur, 1972) Khi mực nước dâng lên giế ng, cầ n độgiả m lực că ng F, chỉcó thểkhi lực đẩ y ngược tác dụng lên phầ n ngậ p phao tă ng thêm Do phao bịtrễhơn mực nước tă ng mộ t khoả ng h1, vậ y thểtích củ a phầ n phao ngậ p sẽtă ng thêm: - 36 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten V D h1 (2.3) D đường kính củ a phao Theo đị nh luậ t Ác si mét, lực đẩ y ngược tă ng tuyến tính vớitrọ ng lượng phầ n nước bịchoán chỗ , vậ y: F D h g (2.4) Thay phương trình (2.4) vào phương trình (2.2) thay lực n T f/r = F cho thấ y lực ma sát thiế t bịghi trụ c gây lỗ i ghi nhậ n sốliệ u mực nước, gọilà độtrễ h F g D (2.5) Độtrễcủa phao sinh sai sốmang tính chấ t hệthống h1; mực nước dâng lên ghi nhậ n thiên bé, mộ t mực nước rút sẽđược ghi nhậ n thiên lớn Sai sốhệthố ng có thểđược hạ n chếnhờviệc chếtạ o phao với đường kính D hay bán kính r bánh xe phao đủlớn Trong ví dụsau ta sẽtính đường kính phao Đường kính phao xác đị nh theo công thức: D F g h (2.6) Một đường kính D phao xác đị nh, kích thước giếng tĩ nh phả i phù hợp cho thiế t bịlắ p đặ t giế ng có thểhoạ t độ ng thoả i mái khơng bịcả n trở Khoả ng hởgiữa tường phao cầ n đạ t tố i thiể u 0,075 m Cho rằ ng đố i trọng sẽluôn hoạ t động bên phao tình huống, giế ng tĩ nh cầ n phả i có đường kính dw = D + 0,15 m Cao trình đỉ nh giế ng tĩ nh cầ n thoảmãn hai điề u kiệ n sau: thiế t bịđo: đặ t đỉ nh giếng tĩ nh tối thiểu cầ n phả i nằ m tầ m mắ t, có khuyế n nghị : đỉ nh giế ng tĩ nh nằ m ở1,5 m cao trình thực đị a - 37 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten trục bánh xe phao: đặ t ởvịtrí cách mộ t khoả ng e4 theo phương thẳ ng đứng bên đỉ nh giếng, cầ n đặ t ởvịtrí đủcao: - cho mực nước cao cực đạ i đốitrọ ng vẫ n khơng bịngậ p - cho mực nước cực tiể u đối trọ ng vẫ n chưa bịchạ m vào bánh xe phao Việ c thiế t kếmột giếng tĩ nh sẽbắ t đầ u với điề u kiệ n 1, kiểm tra lạ i với điề u kiện Đường kính ống vào Mục đích chủyế u giế ng tĩ nh loạ i trừhoặ c giả m nhẹcác ả nh hưởng củ a mực nước cồn hoạ t động sóng lòng dẫ n hởtựnhiên Vì vậ y diệ n tích mặ t cắ t ngang đường vào cầ n phả i nhỏ Tuy nhiên độsụ t giả m mực nước ống dẫ n vào (có đường kính dp ) thời kỳdựđốn có tốc độthay đổi mực nước lớn nhấ t cầ n giới hạ n khoả ng vài milimét Tổn thấ t cộ t nước gây lỗi mang tính hệthống khác h2 ; mực nước dâng lên ghi nhậ n thiên bé mực nước rút sẽthiên lớn Khơng có quy luậ t chắ c chắ n đặ t cho việ c xác đị nh đường kính tối ưu đường vào Quy luậ t tổng quát tổng diệ n tích mặ t cắ t ngang đường vào không nhỏhơn 1% diệ n tích mặ t cắ t ngang giế ng (dp 0.01dw) Độtrễcủa mộ t ống vào có thểđược ước tính với tố c độthay đổi mực nước cho trước dh/dt với giảthiế t tốc độthay đổi kênh bằ ng với giế ng tĩ nh Tổn thấ t ma sát ống cho phương trình Darcy – Weisbach: L vp h2 d p 2g (2.7) đó: h2 = tổ n thấ t ma sát/ độtrễ(m) - 38 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten = hệsốma sát, hàm sốcủ a độnhớt củ a chấ t lỏ ng độnhám củ a ống (-) L = chiề u dài đường vào (m) dp = đường kính ố ng vào (m) vp = vậ n tốc trung bình ống vào (m/s) g = gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s Khi giảthiế t tốc độthay đổi mực nước dh/dt ởcảhai phía ống vào nhưnhau thì: dw dh dh d p v v p p dt d dt d w p 2 (2.8) dh/dt = tố c độthay đổitrạ ng thái (mực nước) (m/s) = đường kính giế ng tĩ nh dw Lấ y = 0,02 thay phương trình (2.8) vào phương trình (2.7) ta thu được: 01 L d w dh h g d p dt (2.9) Đường kính ống vào xác đị nh theo cơng thức: d p dh 01 L d dt g h w (2.10) Trong thực tế , nên đặ t ống vào ngang bằ ng thẳ ng thích hợp (nền khơng lún) hoặ c đặ t ống với gradient không đổ i với điểm cao nhấ t giế ng tĩ nh Ống nên cắ t vào lòng suối theo phương vng góc với dòng chả y, giới hạ n ởmộttường bê tơng, cầ n đặ t ngang bằ ng với tường Trong trường hợp ống vào không bịhạ n chế , cầ n đặ t ngang bằ ng với sườn dố c vẫ n thò khoả ng chiều dài nhấ t đị nh vào kênh, - 39 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten mực nước đo đạ c sẽbịả nh hưởng độhạthấ p vốn hệquảcủa 'hiệ u ứng ố ng khói' (vậ n tốc cao phía ngồi đầ u ống) Độrút có thểđược diễ n đạ t sau: v h3 d 2g (2.11) h3 = độhạmực nước hiệu ứng ố ng khói d = hệsố, 1,0 < < 1,3 v = vậ n tốc dòng chả y tạ i đầ u ống vào Độhạcó thểđược hạ n chếbằ ng cách lắ p đầ u ống vào với ống tĩ nh (nguyên lý củ a ống Pitot) Thụtrửa ống vào Trong hầ u hế t giế ng tĩ nh, ố ng vào yêu cầ u làm sạ ch đị nh kỳ , đặ c biệt đặ t lòng dẫ n mang bùn cát Việ c lắ p đặ t vĩ nh cửu kèm theo bểdội rửa nhưtrong hình 2.22 Bểđược chứa đầ y nước nhờbơm thường hoặ c xô, mởvan đột ngộ t sẽtống đẩ y nước qua ống vào, nhờđó loạbỏđược bùn cát ống Với ống bịtắ c ởcác cơng trình tạ m hoặ c bán vĩ nh cửu, que thông cống hay 'con rắ n' thường sẽđả m bả o việ c làm sạ ch ố ng Hình 2.22: Ví dụvềmột ống dẫ n vào với bểthụtrửa (theo Bos, 1989) - 40 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Chống băng Ởnơi khí hậ u lạ nh, giế ng cầ n bả o vệkhỏi việ c hình thành bă ng - việc có thểcả n trởhoặ c ngă n n hoạ t động tựdo củ a hệthống dựa hoạ t động phao Phương tiệ n thường dùng đểngă n n sựhình thành bă ng giếng thờitiế t lạ nh là: sàn lót, lò sưởi, hoặ c dầ u Sàn lót sẽcó hiệ u quảnế u trạ m đo đặ t bởbê bờvà nằ m lùi sâu khoả ng đấ t rộng Nế u sàn lót xây dựng giế ng cao trình đường đơng lạ nh lòng đấ t, bă ng thường sẽkhơng hình thành giếng chừng mực nước sàn lót Sàn lót khoét lỗđểphao, cuộn bă ng, đối trọng có thểqua lạ i Sàn lót ngă n sựtuầ n hồn khơng khí giếng vậ y ngă n sựtổ n thấ t nhiệ t tương ứng Có thểsửdụng lò sưởi điệ n hoặ c bóng đèn sưởi với thiế t bịphả n chiế u đểtránh đóng bă ng Các nhân tốquyế t đị nh chi phí hoạ t động có dị ch vụ cung cấ p điệ n tạ i khu vực trạ m đo hay không Các cáp sưởi thường đặ t ố ng dẫ n vào đểngă n sựhình thành bă ng Khi sửdụng dầ u, bềmặ t dầ u sẽởcao mực nước sông suối Khi thêm dầ u, cầ n khởi động/thiế t lậ p lạ i thiế t bịđo (reset) Sẽcó vấ n đềnế u dầ u bịthấ t thoát dầ n Nhà chứa thiế t bị Một vài ng nhà chứa rấ t quan trọ ng cho việ c bả o vệcác thiế t bịđo ghi khỏi sức mạ nh thiên nhiên, sựquan tâm trái phép, hoặ c hành động cốý phá hoạ i, cung cấ p mái che cho nhân viên đo đạ c phụ c vụ- người vậ n hành trạ m đo Kích cỡvà chấ t lượng nhà chứa lựa chọn sẽphụthuộc vào điề u kiệ n tạ i khu vực loạ i nhưtầ m hoạ t động củ a thiết bịsẽđược lắ p đặ t bên Nhưng nhìn chung yêu cầ u tối thiể u thông khí tốt, chống chọi với thời tiết, có thểkhố chặ t, đặ t nề n móng vững chắ c, có kích thước cho phép thiế t bịghi hoạ t động bình thường Ví dụthiế t kế : thiế t kếmột giế ng tĩ nh cho thiế t bịghi mực nước dựa hoạt động phao - 41 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Mực nước kênh tưới đo đạ c thiết bịghi dựa hoạ t động củ a phao Giế ng tĩ nh đặ t ởbên bờ a) Các thông tin thực đị a - cao trình đáy kênh (lòng dẫ n) MSL + 4,50 m - cao trình thực đị a MSL + 8,50 m - mái dốc củ a kênh m = 1,5 - mực nước cực đạ i MSL + 7,80 m - mực nước cực tiể u MSL + 5,90 m - tố c độnước dâng hoặ c rút dh/dt = 0,001 m/s - thông tin vềnộima sát củ a thiế t bịghi mô men n tạ i trục củ a bánh xe phao Tf = 0,015 Nm đường kính bánh xe phao dfw = 0,116 m - kích thước phao đốitrọng: e1 = 0,05 m e2 = 0,15 m (Hình 2.23) - ố ng vào không xảnên e = 0,10 m - vịtrí bánh xe phao tạ i e4 = 0,15 m bên đỉ nh giế ng Hình 2.23: Cấu tạo chi tiế t thiế t bịghi dựa hoạtđộng phao - 42 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten b) Thiếtkếgiế ng tĩ nh qua bước cụthể - đường kính D củ a phao (độtrễtố i đa cho phép h1 = 0,0015 m) F g h D - đường kính giế ng tĩ nh dw - cao trình chiề u dài đường ống vào (bằ ng mực nước cực tiể u – 0,15 m) - cao trình đáy giếng tĩ nh (bằ ng mực nước cực tiểu – 0,30 m) - đường kính đường ố ng vào dp (độtrễtốiđa h2 = 0,0015 m) d p dh , 01 L d dt g h w - cao trình đỉ nh giế ng tĩ nh chiề u dài cáp lc Vẽphác hoạcấ u tạ o, đưa tấ t cảcác kích thước Hình 2.24: Thiế t kếthông tin hiệ n trường cho thiếtbịđo vận hành phao c) Tính tốn thiế t kế - tính tốn đường kính phao D từphương trình (2.6) nhưsau: lực n bánh xe phao F = Tf/0,5 dfw = 0,015/0,5 0,116 = 0,259 N - 43 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten D * 0,259 =0,150m 1000 * ,81 * * 0,0015 - đường kính giế ng tĩ nh dw = 0,150 + 0,075 + 0,075 = 0,3 m - cao trình ố ng vào MSL + 5,90 – 0,15 = MSL + 5,75 m - cao trình đáy giếng tĩ nh MSL + 5,90 – 0,30 = MSL + 5,60 m - chiề u dài củ a ố ng vào L = 0,10+1,5(8,50-5,75)+1,00-0,15 = 5,80m (Hình 2.25) - dùng phương trình 2.10 đểtìm đường kính ống vào 0,01 * 5,08 * 0,30* 0,001 dp = 0,031m 9,81 * 0,0015 - tính cao trình đỉ nh giế ng tĩ nh chiề u dài cáp lc nhưsau: Điề u kiện đầ u tiên: ghi ởtầ m mắ t đỉ nh giế ng tĩ nh cao mặ t đị a hình tạ i khu vực 1,50 m Vậ y cao trình đỉ nh giế ng tĩ nh sẽbằ ng MSL + 8,50 + 1,50 = MSL + 10,00 m Hệquảlà: cao trình bánh xe phao MSL + 10,00 + 0,15 = MSL + 10,15 m Điề u kiệ n thứhai: đối trọng có thểchuyể n động tựdo với tấ t cảcác mực nước, điề u kiệ n phụthuộc vào tổng chiề u dài hiệ u quảcủa cáp lc mực nước cực đạ i: đốitrọng không bịngậ p lc 10,15 7,80 0,05 .0,116 / 2 10,15 7,80 0,15 l c 5,80m mực nước cực tiểu: đố i trọ ng không chạ m tới bánh xe phao lc 10,15 5,90 0,05 .0,116 / 2 0,116 / 2 lc 4,54m Điề u kiệ n thứhai thoảmãn 4,54 < l c < 5,08 m Lấ y lc = (4,54 + 5,08)/2 = 4,81 m khoả ng chừa ởcảhai chiề u s = 0,27 m - 44 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten (Cao trình đỉ nh giếng tĩ nh vịtrí bánh xe phao cao khoả ng chừa s lớn Trong ví dụnày, cao trình tối tiểu đỉ nh giế ng tĩ nh MSL + 9,73 m) Hình 2.25: Thiế t kếhồn nh mộtthiế t bịđo dựa hoạt động phao Các lỗicủa thiế t bịđo dựa hoạtđộng phao Nguồn chủyế u lỗi, nhưcác thiế t bịdựa hoạ t động phao khác độtrễcủa phao, sựthay đổ i củ a dây, đối trọng bịngậ p Với quy ước vềdấ u lỗi sốhọc sẽđược thả o luậ n đây, dấ u dương (+) cho trường hợp thiết bịthểhiệ n trạ ng thái cao trạ ng thái thực, dấ u âm (-) cho trường hợp thiế t bịđã ghi nhậ n mộ t giá trịdướigiá trịthực Độtrễcủa phao (lỗih 1) Nế u thiế t bịghi dựa hoạ t độ ng phao nh vềgiá trịthực mực nước mực nước dâng lên, sẽthểhiện giá trịmực nước kểtừđó chừng đểý đến độtrễcủa phao, với tấ t cảcác mực nước dâng lên Nhưng với mực nước rút thiế t bịđo sẽthểhiện giá trịđo lớn giá trịmực nước thực (lỗi dương) lượng bằ ng độtrễcủa phao hay bằ ng độthay đổ i chiề u sâu ngậ p củ a phao Một hiệ u ứng ngược lạ i sẽxả y nế u thiế t bịđo ban đầ u thiế t lậ p mực nước rút Độtrễcủa phao thay đổi trực tiế p với lực cầ n thiế t (F) đểkhởi động cơcấ u thiế t bịghi nghị ch đả o với bình phương đường kính phao D Độtrễtối đa phao cho phương trình (2.5): - 45 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten h1 F g D Ví dụ: Lực n F = 0,1 N đường kính phao D = 0,08 m h1 = 0,002 m Nế u thiết bịđo thiết lậ p ởtrạ ng tái tĩ nh lỗ i sẽlà h = +0,002 m cho trạ ng thái nước rút, h1 = -0,002 m cho trạ ng thái nước dâng Lỗi sựthay đổicủa dây Với mỗ i thay đổ i mực nước, phầ n cuộn bă ng phao sẽchuyể n dị ch từbên puli phao sang bên kia, sựthay đổi trọng lượng sẽlàm thay đổi độngậ p sâu củ a phao Lỗi phụthuộc vào độthay đổ i mực nước l kểtừlầ n điề u nh cuối thiế t bịghi, khố i lượng đơn vịu củ a cuộn bă ng, đường kính phao (D) Lỗi sẽnhậ n giá trịdương (+) nế u mực nước dâng lên, âm (-) nế u nước rút Lỗ i có thểđược xác đị nh từphương trình: u.l h g D (2.12) Ví dụ: Khốilượng đơn vịcủa cuộ n bă ng u = 0,002 kg/m l = 5,00 m D = 0,08 m Lỗido sựthay đổicủ a dây xác đị nh từphương trình (2.12) h4 = 0,002 m Độngập sâu đốitrọng Khi đối trọng bấ t kỳphầ n dây phao bịngậ p mực nước dâng lên, lực kéo tác dụng lên phao bịgiả m độngậ p củ a phao tă ng lên Điề u ngược lạ i đố i trọng bịngậ p lạ i lên mực nước kỳ rút Có thểgiả m nhỏcác lỗi sinh độtrễcủa phao sựthay đổi dây nhờviệ c tă ng đường kính củ a phao Các lỗi sựngậ p đố i trọng cầ n - 46 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten hạ n chếbằ ng cách thiế t kếtrầ n giế ng tĩ nh đủcao, hoặ c bằ ng cách bốtrí đối trọng mộ t ống kín nước riêng 2.7 ĐỘCHÍNH XÁC CỦA CÁC PHÉP ĐO MỰC NƯỚC Việc xác đị nh mực nước khó tránh khỏi lỗi Tuỳthuộc vào đặ c trưng mình, lỗithành phầ n mực nước đo đạ c chia thành ba nhóm sau: Các lỗ i vềsốcác giá trịđo đạc, gây bởi: - hỏng hóc củ a cơcấ u đị nh thời gian Trong trường hợp củ a thiết bịghi cơkhí tương tự, bộphậ n đồng hồsẽlàm quay giấ y biể u đồ Trong trường hợp thiế t bịghi cơkhí kỹthuậ t số, sẽlậ p trình khoả ng thời gian mà cuộn giấ y dậ p lỗ Độchính xác đồng hồcầ n nằ m khoả ng 30 giây mộ t ngày - thiế t lậ p bút hoặ c bút chì khơng sựthay đổi nhiệ t độhoặ c độẩ m có thểlàm gián đoạ n q trình ghi Sốliệ u bịthiế u ởmột trạ m đo cụthểnào nhìn chung có thểkhơi phụ c lạ i được, sửdụng đường cong quan hệ(xem hình 2.30) Bảng 2.3: Các lỗi ngẫu nhiên thiếtbịđo mực nước khác Kiể u senxơ Phạ m vi lỗi ngẫ u nhiên Cọc đo 0,010 0,030 m Thiế t bịđo dựa hoạt độ ng phao 0,010 0,030 m Thiế t bịbiế n áp suấ t - loạ i rẻ 0,010 0,030 m - loạ i đắ t 0,010 0,030 m Thiế t bịđo bọt 0,010 0,030 m Senxơsiêu âm 0,010 0,030 m Thiế t bịchỉđị nh mức đỉ nh 0,010 0,030 m * phụthuộc vào tổng khoả ng đo - 47 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Các lỗ i vềđộlớn giá trịđo đạc Bả n chấ t củ a lỗ i có thểmang tính hệthố ng (ví dụđộtrễcủa phao độthay đổi củ a dây) có thểlà ngẫ u nhiên Các thiế t bịđo bằ ng cọc có thểđược đọc với độchính xác khoả ng 3 cm tuỳthuộ c vào đị a điể m điề u kiện gió Các thiết bịđo đỉ nh lũcó thểđạ t độchính xác đế n 10 cm Tuy nhiên, sx siêu âm có thểđạ t độchính xác 2 mm u cầ u vềđộchính xác tuỳthuộ c vào mục đích đo đạ c Chẳ ng hạ n nhưlỗ i 2 cm có thểchấ p nhậ n cho việ c xác đị nh biể u đồthuỷvă n, đường cong quan hệtrạ ng thái thời đoạ n phụ c vụcho việ c thiế t lậ p đường cong tỷlệ Liên quan tới trạ ng thái đỉ nh thông tin liên quan tới giao thông thuỷ , lỗi vào khoả ng 10 cm chấ p nhậ n Tuy nhiên số đọc sửdụng đểxác đị nh xác độdốc đị a phương mặ t nước yêu cầ u độchính xác 0,1 0,5 cm tuỳthuộc vào khoả ng cách thiế t bịđo Mực nước đo đạ c ởthượng lưu củ a cơng trình đo lưu lượng (nhưđậ p tràn) u cầ u có độchính xác 4 mm Các lỗi trình thu nhậ n thông tin gây sựbấ t cẩ n điề n ngày tháng quan trắ c thay cuộ n bă ng, giấ y 2.8 BIỂU DIỄN CÁC KẾT QUẢĐO ĐẠC MỰC NƯỚC Độchính xác yêu cầ u củ a sốliệu mực nước phụthuộc vào mục đich sửdụng sốliệ u đo đạ c: - Các bả n ghi trạ ng thái mực nước dọc theo sông sửdụng cho nghiên cứu thuỷvă n, thiế t kếcơng trình tưới, phòng lũ u cầ u độchính xác khoả ng 5 cm; - Các sốđọc thiết bịđo ởthượng lưu đậ p đo đạ c sửdụng cho tính tốn lưu lượng từcột nước đo dược yêu cầ u độchĩ nh xác 5 mm Quan hệcột nước lưu lượng đậ p tràn sẽđược thả o luậ n chương Các giá trịmực nước thu dọ c theo sông thường gửi vềmột vă n phòng trung tâm, nơi chũng sẽđược kiểm tra lỗi lưu trữcẩ n thậ n đểsử - 48 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten dụng sau Nhờsựphát triể n máy vi tính, phương pháp xửlý thay đổinhiề u Các biể u đồthuỷvă n, bả ng tỷlệvà đường cong quan hệtrạ ng thái ng biể u diễ n phổbiế n dữliệu mực nước Biể u đồthuỷvăn Khi vẽquan hệtrạ ng thái (mực nước) ghi nhậ n củ a mộ t trạ m đó, hay giá trịlưu lượng đo ởmộ t đị a điể m với thời gian, ta thu mộ t biể u đồthuỷvă n Biể u đồthuỷvă n thường bao trùm nă m thuỷvă n thường cảnă m lị ch Trên hình 2.26 ví dụvềbiể u đồthuỷvă n trạ ng thái mực nước sông Nigiê, bao trùm nă m thuỷvă n từtháng tới tháng nă m dương lị ch sau Hình 2.26: Biểu đồthuỷvăn trạng thái củ a sông Niger tạiLokoja 1955-1956 (theo Nedeco, 1959) Hình 2.27 biể u đồthuỷvă n trạ ng thái, bao trùm mộ t giai đoạ n dài tuầ n trậ n lũnă m 1995 sông Rhine Waal ởHà Lan Biể u đồthểhiệ n nhiề u biểu đồthuỷvă n khác Lưu lượng lớn nhấ t ởLobith Q = 12060 m /s (tầ n suấ t xuấ t hiệ n lầ n/80 nă m) - 49 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 2.27: Biể u đồthuỷvăn trạng thái sông Rhine Waal năm 1995 Bảng tỷlệ Tạ i nhiề u trạ m đo, lưu lượng đo đạ c suốt nă m thuỷvă n với tầ n sốcốđị nh chẳ ng hạ n mộthay hai lầ n mộttháng với việc đọc mực nước Các số liệu thu thậ p nhiề u nă m liên tiế p cho phép biên soạ n đường cong tỷ lệhay bả ng tỷlệcho khu vực cụthểdọc theo sơng Hình 2.28 ví dụvề đường cong tỷ lệ sông Ganges Kế t hợp với sốliệ u bả ng tỷlệvà biể u đồthuỷvă n trạ ng thái có thểxây dựng biểu đồthuỷvă n lưu lượng Hình 2.28: Bảng tỷlệcủa sơng Ganges (theo Jansen, 1979) - 50 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 2.29 cho ta biể u đồthuỷvă n lưu lượng củ a sông Niger cho hai nă m liên tiế p Hình 2.29: Biể u đò thuỷvăn sơng Niger (theo Jansen, 1979) Các đường cong quan hệtrạng thái Từcác biểu đồthuỷvă n hai hoặ c nhiề u trạ m đo dọc theo sơng tìm cơng thức liên hệgiữa trạ ng thái chả y ổn đị nh dòng chả y tạ i trạ m Đối với sơng có mực nước dao động cách tương đối chậ m biến đổi dầ n đường cong quan hệtrạng thái đặ c biệt ý Lấ y ví dụ, có thểtìm độdố c mặ t nước mỗ i trạ ng thái bằ ng cách sửdụng mối quan hệgiữa trạ ng thái thu từhai thiế t bịđo (hai thiế t bịcó mức liên quan với hoặ c quy từcùng mức so sánh) khoả ng cách thiết bịđó Đế n lượt mình, độdốc có thểdùng đểxác đị nh độnhám thuỷlực trung bình sơng khoả ng xem xét Trong điề u kiệ n dòng chả y khơng ổ n đị nh, mối quan hệgiữa trạ ng thái tạ i nhiều điể m đo khác sẽbịxáo trộn Đểcó thểthu mối quan hệchính xác có giá trịcho điề u kiệ nổ n đị nh, cầ n loạ i trừhiệu ứng bằ ng cách bỏđi thờiđoạ n tă ng hoặ c giả m đáng kểtrong biể u đồthuỷvă n Thời gian truyền sóng (đỉ nh) lũgầ n ởnhiề u trạ ng thái có thểđược thể đường cong quan hệtrạ ng thái - 51 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 2.30 mộ t ví dụvềđường cong quan hệtrạ ng thái cho nhiều trạ m đo dọc theo hệthống sông Rhine-Waal, cũ ng thểhiệ n thời gian truyề n sóng lũ Khoả ng cách Lobith-Nijmegen 22 km, khoả ng cách Lobith-Tiel 52 km Hình 2.30: Các đường cong quan hệtrạng thái dọc theo sông Waal (theo Jansen, 1979) 2.9 CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ Có tiêu chuẩ n ISO sau điề u nh công tác đo đạ c mực nước: ISO 1100 Phầ n Thiế t lậ p vậ n hành mộttrạ m đo; ISO 4373 Các thiế t bịđo mực nước; ISO 6419 Các hệthố ng truyề n dữliệ u thuỷvă n; ISO 11330 Xác đị nh dung tích nước mực nước hồvà hồchứa - 52 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten CHƯƠNG 3: ĐO ĐỊ A HÌNH ĐÁY 3.1 GIỚI THIỆU Đị a hình đáy mộ t lòng sơng có thểđược xác đị nh cách đo sâu từ mặ t nước, nghĩ a cách đo đạ c độsâu nước tạ i sốđiể m cầ n thiế t Khi công tác đo sâu phầ n khả o sát sông, vấ n đềthiết yếu xác đị nh đị a điể m X, Y xác lầ n đo sâu, cao trình đo sâu cầ n phải tương ứng với phầ n khác hay với cao độso sánh Z biế t trước Thơng thường việ c đo cao trình đáy sẽđược tiến hành đị nh kỳ , chẳ ng hạ n nhưmỗi nă m lầ n Trong trường hợp có nhu cầ u khả o sát đặ c biệ t, thời gian, tầ n suấ t khoả ng cách đo đạ c sẽđược điề u nh cho phù hợp với mục tiêu cụthể Quá trình đo sâu Một chu trình đo sâu hồn nh bao gồm: - Công tác chuẩ n bị : bao gồm việ c thiếtlậ p, kiểm tra trì mốc hình học đểcó thểxác đị nh chắ n vịtrí đo sâu - Bả n thân công tác đo sâu: bao gồm việc xác đị nh vịtrí điể m đo sâu, mực nước tạ i chỗtrong thờiđoạ n đo sâu, việ c đo sâu thực - Công tác xửlý dữliệu Bỏqua hay loạ i trừbấ t cứhạng mục công tác nêu sẽđe doạsự thành công trung tồn bộq trính Cũng cầ n quyế t đị nh vềmậ t độmạng lưới điể m sẽđo sâu trước tiế n hành trình Rõ ràng quy mô dữliệu cầ n thu thậ p sẽquyết đị nh độdày đặ c điể m đo Cơng tác đo sâu biế t đế n với tên gọ i phép đo độsâu (độsâu đo bằ ng máy đo độsâu) - 53 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Một khả o sát độsâu phầ n trọng tâm nghiên cứu thực đị a cho ta thơng tin liên quan đến hình ng đáy, mặ t cắ t ngang sông, cho ta hiể u biế t sâu vềq trình bồi lắ ng, xói mòn; vậ y cung cấ p thơng tin cơbả n vềkhu vực cầ n nghiên cứu cho kỹsư Cuộc khả o sát độsâu có thểphục vụcho mục đích sau: - giao thơng thuỷ: biể u đồđo sâu bộphận không thểthiế u thời kỳmùa kiệ t (lưu lượng thấ p) sông không chị uả nh hưởng triều, thời kỳtriề u thấ p sông chị uả nh hưởng triề u; - tính tốn lưu lượng: đo đạc vềhình ng mặ t cắ t ngang vậ n tốc cho ta thông tin vềlưu lượng; - nạ o vét: bằ ng cách đo sâu đáy trước sau nạ o vét, có thểkiểm tra hình ng mong muố n đáy so sánh thểtích nạ o vét; - giám sát diễ n biế n hình thái; - thiế t kếcác cơng trình thuỷ: việc thiế t kếcác cơng trình nhưđậ p tràn cầ u cầ n thơng tin vềcao trình đáy nhưmộ t hàm sốcủa thời gian Cuộc khả o sát độsâu bao gồm hợp phần sau: - đị nh vị(cốđị nh vịtrí) đị a điể m ởđâu? - đo sâu độsâu bao nhiêu? - mực nước cao trình mực nước thờiđoạn đo sâu bao nhiêu? Tuỳthuộc vào hồn nh cụthể, cơng tác đo sâu có thểđược tiế n hành dọc theo đường thẳ ng lưới xác đị nh kỹlưỡng từtrước gồm mặ t cắt ngang, hay theo mộthệthống đo sâu tựdo a) Đo sâu dọc theo đường thẳng mặt cắt ngang xác đị nh kỹlưỡng từtrước Ưu điểm: Các điểm đo sâu lòng sơng nằ m tạ i vịtrí gần nhưcốđị nh, cho phép có so sánh chi tiế t vềcác phép đo sâu tiến hành nhiều ngày khác nhau; việ c xác đị nh vịtrí điể m đo sâu đơn giả n Nhược điể m: Công tác liên quan tới mốc (cơsở) hình học vấ t vảvà cầ n quan tâm đặ c biệ t; công tác tiề mẩ n nhiều rủ i ro mốc bịmấ t xói mòn, cỏdạ i mọc che lấ p, hay bùn cát bồi lấ p lên Một mặt cắt ngang đo sâu phầ n thiế t yế u cho việc xác đị nh lưu lượng sông Ứng dụng: Trong sông, công tác khả o sát độsâu chủyế u bao gồm việc đo sâu mặ t cắ t ngang đo sâu dọc theo đường tim sông Có thểtiế n hành đo sâu kế t hợp với đo vận tốc nhằ m xác đị nh lưu lượng sông tổng lượng vậ n chuyể n bùn cát - 54 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten b) Hệthống đo sâu tựdo Ưu điể m: Cầ n mộ t sốlượng hạn chếcác điể m cơsởvà có thểbốtrí điể m tạ i vịtrí thích hợp, khơng nguy hiểm; có thểsửdụ ng điể m đặc trưng sẵ n có làm điểm cơsở Nhược điể m: Chỉcó thểxác đị nh cách nhanh chóng vịtrí điểm đo sâu có hệthống đị nh vịđiệ n tửđắ t tiền; đị a điể m đo sâu tính tốn từcác đo đạc sửdụng kính lục phân hoặ c tê-lê-mét, việc xác đị nh vịtrí trở nên tốn thời gian Việ c lựa chọn hai hệthống cầ n dựa mục đích việc đo sâu xem xét điề u kiệ n tạ i khu vực, chẳng hạ n nhưchiề u rộng sơng, khảnăng tiếp cậ n bờsơng, tính khảthi việ c thiết lậ p bả o trì mộ t mốc hình học, khả nă ng cung ứng kỹthuậ t viên lành nghềđểvậ n hành thiế t bịđiệ n tử Ứng dụng: Trong cửa sông dọc theo bờbiể n cầ n cốgắ ng tiến hành việc khả o sát độsâu dọc theo đường vng góc với đường đồng mức 3.2 ĐỊ NH VỊ(CỐĐỊ NH VỊTRÍ) a) Đo sâu dọc theo đường thẳng Khi tiến hành đo sâu theo mặ t cắ t ngang đị nh sẵ n, vịtrí điể m đo sâu đị nh rõ bằ ng đường thẳ ng mặ t cắ t ngang khoảng cách điể m với mốc so sánh Đường thẳ ng mặ t cắ t ngang đánh dấ u từmột hoặ c cảhai bờbằ ng mốc, có mốc đóng vai trò mốc so sánh Cầ n biếtđích xác vịtrí mốiliên hệvới mốc (cơsở) hình học Nhằ m mục đích giữcho thuyề n khảo sát nằ m đường thẳng, vềcơ bả n có thểứng dụng hai phương pháp sau: dọc theo dây, hoặ c phương pháp ngắ m - Dọc theo mộtdây (cáp) Đây mộ t phương pháp đơn giả n có thểứng dụng sơng có bềrộng khơng q 150 m, bằ ng cách că ng sợi dây thép ngang sông, sửdụng tời nế u cầ n thiết Trong thực tế, bềrộng tối đa sơng đểcó thểsửdụng cáp tuỳthuộc vào chiều cao hai bờsông vào phương tiệ n an ninh/an toàn Các nhãn hoặ c mốc bằ ng dả i băng gắ n sợi dây đểđánh dấ u - 55 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten vịtrí cầ n tiế n hành đo sâu Rõ ràng phương pháp chỉcó thểsửdụng sơng có sốtàu thuyề n tham gia giao thơng tốithiể u - Bằ ng cách ngắ m Nế u không thểứng dụng phương pháp "đo dọc theo dây", cầ n giữcho thuyền khả o sát nằ m mộ t đường thẳ ng phương pháp ngắ m Trong phương pháp này, trước tiên cầ n có hai điểm mốc bờsông đểxác đị nh mộ t đường thẳ ng, cho phép người khả o sát làm việc thuyền có thểngắ m thẳ ng hàng Trong trình đo đạc, có thểđánh dấ u điể m mốc mặ t nước bằ ng cách sửdụng đèn hiệ u hoặ c cờ Hình 3.1: Việ c xác đị nh trực tiế p gián tiế p vịtrí điểm A mặtcắt ngang Việ c đo khoả ng cách điểm đo sâu tới điểm mốc so sánh nên tiến hành trực tiếp từthuyề n với mộtcuộn dây, thiế t bịquang học, hay thiế t bị điệ n tử(phương pháp trực tiế p) Có thểứng dụng phương pháp gián tiế p không thểđo trực tiếp khoả ng cách từđiểm đo sâu tới mốc so sánh, chẳ ng hạ n nhưviệc đóng hai cọc xác đị nh đoạ n thẳ ng đủdài bờlà bấ t khảthi điề u kiện cụthểtạ i chỗ Mộ t ví dụvềviệc xác đị nh trực tiếp gián tiếp vịtrí thểhiệ n hình 3.1, góc được đo kính lục phân từđiể mA tớiđường cơsởBC xác đị nh hai mốc so sánh bờ b) Đo sâu mộthệđo sâu tựdo Khi ứng dụng hệtựdo, cầ n có mộtsốlượng nhấ t đị nh điể m cơsởvớivị trí biết trước xác có thểquan sát Có thểchọn điểm - 56 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten đặ c trưng phù hợp chẳ ng hạ n nhưcác tháp Vịtrí điể m xác đị nh bằ ng cách đo đồng thời hai góc (bởi hai người khả o sát) nhưthểhiện hình 3.2 Hình 3.2: Phương pháp mặt cắt lại Đểvẽđiể m X biể u đồđo sâu có thểsửdụng thiếtbịxác đị nh điể m trạ m Thiế t bịnày cấ u tạ o ba thước phát sóng theo phương từmộ t tâm Sau thiế t lậ p góc và hợp lý thước, thiế t bịnày có thểđược dị ch chuyển biể u đồcho tới ba điểm A, B, C trùng khớp với ba thước; vịtrí điể m X sẽđược đánh dấ u ởtrung tâm Đểđơn giả n hoá việc vẽnhiều điể m sau quan trắ c, có thểxây dựng mộtbiểu đồgồm đường cong, mỗiđường cong đạ i diện cho mộ t dả i điểm tạ o nên góc nhấ t đị nh với hai điểm vơsở(A B, hay B C) Giao điể m hai dả i cho ta vịtrí thuyề n (xem hình 3.3) 3.3 HỆTHỐNG ĐỊ NH VỊTOÀN CẦU (GPS) Phầ n tham khả o hai sách viế t Jeff Hurn vềGiao thông thuỷở Trimble, Bài giả ng GIS Loedeman (và cộng sự), báo cáo đồán môn học Loedeman (xem phầ n Tài liệ u tham khả o) Hệthống đị nh vịtoàn cầ u (Global Positioning System – GPS) phát triể n Cục phòng vệcủa Mỹ(DoD), nề n tả ng cho hoạ t động đị nh vịtoàn cầ u cảmục tiêu quốc phòng dân GPS dựa hệthống tham chiế u ba - 57 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten chiề u tồn cầ u bộ24 vệtinh quay quanh trái đấ t ởđộcao hai mươi ngàn kilômét Các vệtinh hoạ t động nhưcác điể m tham chiếu, từđó thiế t bị thu nhậ n mặ t đấ t có thểlậ p lưới tam giác đo đạ c vịtrí chúng Quỹđạ o vệtinh quay quanh trái đấ t điề u khiển rấ t xác trạ m mặt đấ t DoD, Mỹ Hình 3.3: Biểu đồcác đường cong dựa ba điểm cơsở(theo Jansen, 1979) Trong ngành đo đạ c thuỷvăn, GPS sửdụng cho nhiề u mục đích khác nhưđo đạ c lòng sơng (sựbốtrí sơng mặ t cắ t ngang) xác đị nh tạ o đọđiểm cho sốphương pháp đo lưu lượng (các phương pháp lưu tốc-mặt cắ t truyền thống phương pháp sửdụ ng thiế t bịĐo dòng chả y dựa nguyên lý âm Doppler – ADCP) Độchính xác vịtrí nằ m khoả ng từ100 mét, thiế t bịthu nhậ n đơn có giá rẻhơn 500 $, cm, với mộtbộhai thiế t bịthu nhậ n tinh vi hoạ t động ởhai chếđộkhác nhau, tốn 25.000 $ hoặ c Các nguyên lý cơbả n GPS mô tảbởHurn mộtsốbước: - 58 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Cơsởcủa hệthống bước lập lưới tam giác đo vịtrí từvịtrí vệtinh - vịtrí tính tốn hệtrục toạđộXYZ từkhoả ng cách đo đạc tới vệtinh - vềmặ t toán học, cần ba vệtinh đểxác đị nh vịtrí xác: phép đo đầ u tiên cho ta biế t ta ởđâu mặ t cầ u có tâm vệtinh bán kính biế t phép đo thứhai thu hẹp phạ m vi vịtrí ta lạ i giao tuyến hai mặ t cầ u, đường tròn Phép đo thứba đặ t ta vào giao hai đường tròn, hai điể m (xem hình 3.4) Một hai điểm sẽbịGPS loạ i khơng thực tế Điể m lạ i cho ta vịtrí Kếtluận: phép đo đủnếu ta loạ i bỏđáp án phi lý - Phép đo với vệtinh thứ4 cầ n thiết lý khác: đểloạ i bỏcác lỗi bộphậ n đị nh thời gian (đồng hồ ) thiếtbịnhậ n Hình 3.4: Phạm vi tới ba vệtinh (theo Hurn, 1993) Đo khoảng cách từmột vệtinh - Hệthống GPS làm việ c bằ ng cách đo khoả ng thời gian tín hiệu rađiơ phát từmột vệtính tới thiế t bịnhậ n, tính tốn khoả ng cách từvận tốc thời gian đo được: khoả ng cách = vậ n tốc ánh sáng * thời gian - 59 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Các sóng âm lan truyề n với vậ n tốc ánh sáng: khoả ng 300.000 km giây, vậ y sẽmấ t khoả ng 0,06 giây đểmột thông điệ p rađiô tới Hầ u hế t thiế t bịnhậ n tín hiệu có thểđo thời gian với sai số -9 khoả ng 1*10 giây - bằ ng cách đồng bộhoá vệtinh thiết bịnhậ n, chúng tạ o thông điệ p (mã) vào xác mộtlúc Chúng ta đo khoả ng thời gian cầ n thiế t đểtín hiệ u từvệtinh truyền tới ta bằ ng cách so sánh hai mã thời gian (đồ ng hồ) Xác đị nh thờigian hồn o - vệtinh có đồng hồvới độchính xác khơng thểtin vơ đắ t Các thiế t bịthu nhậ n có đồng hồchính xác vừa phả i Do hệquả q trình đồng bộhố sẽkhơng hồn o - phép đo bổsung (với vệtinh thứ4) sẽloạ i bỏbấ t kỳlỗ i nào, áp dụng tốn "bốn phương trình bốn ẩ n" (ba phạ m vi khoả ng offset đồng hồ) Biế t vịtrí mộtvệtinh vũtrụ - vệtinh GPS ởtrên rấ t cao, quỹđạ o chúng rấtdễtiên đoán, thậ m chí xác đị nh trước Các thiế t bịthu nhậ n mặ t đấ t trung bình trang bị với bộnhớmáy tính, bộphậ n sẽcho chúng biế t vệtinh sẽởvịtrí bầ u trờitạ i bấ t kỳthời điể m - biến đổi nhỏtrong quỹđạ o vệtinh đo đạc thường xuyên DoD Mỹvà dữliệu bả n thân vệtinh phát Độtrễdo tầng điệ n ly - tầng khí quyể n nguồn phát sinh lỗi khác - tín hiệ u GPS truyề n qua bầ u khí tầ ng điệ n ly trái đất (thay đổitheo điều kiện thời tiế t) chúng sẽbịtrễ, gây mộ t dả i lỗi - có thểloạ i bỏmộtsốlỗinày bằ ng tốn học mơ hình - 60 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - hầ u hế t lỗ i có thểloạ i trừđược nế u vậ n hành phối hợp hai thiết bịthu thay chỉmột thiế t bịhoạ t động độc lậ p Cách giả i quyế t gọ i GPS Vi sai GPS Vi sai liên quan tớisựphối hợp hai thiếtbịthu, mộ t thiếtbịhoạ t động quanh thiế t bịtĩ nh khác Nếu hai thiế t bịnhậ n đặ t gầ n nhau, tín hiệu truyền tới chúng sẽđi qua gần nhưcùng lát cắ t bầ u khí quyể n sẽcó hầ u nhưcùng độtrễ Vì vậ y hầ u hế t lỗ i sẽlà lỗi chung hai thiế t bịthu nhậ n, có mộ t thiết bịthu (thiế t bịtĩ nh hai cái) sẽđo đạ c lỗ i cung cấ p thông tin vềlỗi cho thiế t bịcòn lạ i (thiế t bịhoạt động quanh đó) Tấ t cảnhững phả i làm đặ t thiế t bịthu tham khả o tạ i điể m khả o sát rấ t xác (mộ t vịtrí biế t X, Y, Z) Lỗi phổbiế n sửdụng GPS Vi sai nhỏhơn nhiề u, hoặ c thậ m chí có thểbỏqua, so sánh với GPS Tiêu chuẩ n Hơn thếnữa, thiế t bịthu độ xác cao mớiđây nhấ t có thểhoạ t động với độchính xác tốthơn GPS vi sai sửdụng Lực lượng Canh gác Bờbiển, ngành hàng không, cho công tác n lý tài nguyên thiên nhiên, Các nhà khả o sát nhà thuỷvă n học sửdụng DGPS đểkhả o sát xác, xác đị nh vịtrí với độchính xác milimét Họcũng sửdụng nhiều thiế t bịnhậ n nhưDGPS, sẽthảo luậ n ởđây, với công nghệ GPS đặ c biệ t (xem tài liệ u tham khả o, Hurn 1989 1993) Trong công tác khả o sát thuỷvă n, việ c dựng mạ ng lưới đường ranh giới (đường phân thuỷ ) thiế t yếu Đo đạc với DGPS Động cầ n bắ t đầ u tạ i điể m với vịtrí biế t Sau chu trình khởi động, mộ t thiết bịthu đóng vai trò trạ m tham chiếu tĩ nh, thiết bịthu khác sẽdị ch chuyển từđiể m đo tới điể m đo khác Tạ i mỗ i vịtrí đo, cầ n giữă ng ten cốđị nh nhấ t phts Với thiế t bịthu thếhệmới nhấ t, thời gian cầ n giữcốđị nh giả m đáng kể Thiế t bịthu di động cầ n chốt thường trực vào nhấ t bốn vệtinh Số lượng vệtinh có thểnhậ n di chuyể n sẽthay đổ i tuỳthuộc vào đị a - 61 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten hình khu vực Ngay sốlượng vệtinh giả m xuống (chẳ ng hạ n khu vực xây dựng, hay rừng rậ m), sẽxả y tượng mấ t chốt, thiế t bịthu di động sẽcả nh báo tín hiệ u Trong trường hợp đó, khả o sát cầ n bắ t đầ u lạ i tạ i điể m quan trắ c ghi nhậ n trước (Loedeman, 1993) Quy đổicác vịtrí GPS vềmột hệtrục XYZ tham chiế u đị a phương Kết quảcuối công tác xác đị nh vịtrí khả o sát thuỷ vă n sẽđược đưa hệchuẩ n đị a phương (hầu hết quốc gia) Vì vậ y vịtrí GPS cầ n phả i quy đổi vềXY H (hay Z) Độcao thường diễn đạ t quy chiếu khối elip (ellipsoit), mộ t thểđị a cầ u, hay mặ t phẳ ng Hình 3.5 cho ta nhìn chung vềcác mặ t quy chiế u Hình 3.5: Các mặttham chiế t khác (theo Loedeman cộng sự, tháng 1998) - 62 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Từhình 3.5 có thểbiế t khía cạ nh sau: Mặ t tham chiế u thểđị a cầu mộ t cách xấ p xỉtố t Mực nước Biển Trung bình (MSL) tồn cầ u Tuy nhiên mặ t tạ o thành hình tương đối bấ t quy tắ c phạm vi thếgiới, hệquảlà rấ t khó mơ tảmặ t tham chiếu thểđị a cầ u mộ t mơ hình tốn Đối với chiề u cao trực đo (H) thểđị a cầ u đóng vai trò nhưmộ t mặ t quy chiế u Mặ t elip (một mặ t cầ u dẹ t) mộtphương án thay thếrấ t tốt cho thểđị a cầ u, tương đố i dễmô tả Xấ p xỉtố t nhấ t Mực nước biể n trung bình tồn cầu mộ t mặ t elip với độdẹ t 1/298 Chiều cao đo đạ c h chiề u cao so với mặ t so sánh mặ t elip Không tồ n tạ i sựtrùng hợp tổng quát mặ t elip với thểđị a cầ u Sựsai khác hai thểnày đị nh nghĩ a sựdao động thểđị a cầ u: N = h – H - mặ t elip phạ m vi toàn cầ u sẽđạ i diện cho giá trịlớn N (tối đa vào khoả ng 20 mét) Các toạđộGPS cho hệtoạđộso với mặ t elip WGS 84 (Hệđị a cầ u toàn cầu, đưa vào nă m 1984 DoD Mỹ ) - mặ t elip ởphạ m vi đị a phương cách xấ p xỉtốt nhấ t Mực nước biển trung bình đị a phương ỞHà Lan người ta sửdụng elip Bessel Các mặ t elip đị a phương khơng thểsửdụng ởngồi khu vực đặc trưng chúng Vì cầ n rấ t nhiề u mặ t elip đị a phương đểmơ tảhình ng trái đấ t Mặ t phẳ ng Các điể m mặt phẳ ng (có thếnă ng trọng trường bằ ng nhau) đề u thểhiện chiều cao độ ng học nhưnhau bấ t kểcao độ Tuy nhiên, hai mặ t phẳ ng ởhai cao độkhác nhiề u không thểhiện sai khác nhưnhau chiề u cao trực đo H sựkhông đồng nhấ t trường trọng lực trái đấ t Hình 3.6 cho ta sơđồchu trình quy đổ i toạđộGPS vềXY H đị a phương - 63 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 3.6: Sơđồchu trình quy đổitoạđộGPS hệtoạđộđị a phương Hà Lan (theo J Polman cộng sự, 1996) Các toạđộGPS đuợc cho "chiều dài" (), "chiề u rộng" () "chiều cao" (h) so với elip WGS 84 ỞHà Lan, hai hệquy chiếu đị a phương sửdụng là: Hệquy chiếu chiề u cao Hà Lan - NAP Chiều cao trực đo H cho so với Cao độchuẩ n Amsterdam – NAP (Mực nước biể n trung bình Hà - 64 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Lan) Mốc biể u đồlà 1429 m chiế c bu lông bằ ng đồng ởdưới vỉ a hè đập ởAmsterdam Mốc đị a phương Hà Lan cho đo vẽbả n đồ- RD HệRD sửdụng mặ t elip Bessel đểtính toán hệtrục toạđộXY Điể m mốc nằ m nhà thờcổởAmersfoort (O.L Vro wenkerk) Hình 3.7: Thiếtbịthu Leica mộttrạm tổng Hình 3.7 thểhiệ n phầ n hoạ t động khả o sát sông có sử dụng GPS tiế n hành vào nă m 1993 ởmiề n Nam Valencia, Tây Ban Nha 3.4 CÁC THIẾT BỊĐỊ NH VỊTRUYỀN THỐNG Khi tiến hành đị nh vị , có thểsửdụng dụng cụsau: - dụng cụquang học, nhưmáy đo khoả ng cách, máy kinh vĩ , kính lục phân Các dụ ng cụnày sẽđược thả o luậ n phầ n - 65 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - Các dụng cụđiệ n tửnhưDECCA, Trisponder, Loran sẽkhông thả o luậ n ởđây Các dụng cụđiệ n tửđược dùng cụthểkhi khoả ng cách cần đo lớn để có thểđo xác với dụng cụquang học Các dụng cụđiện tửkhơng chỉđắt tiền mà phức tạ p, đòi hỏi có kỹthuậ t viên lành nghềđểvậ n hành sửa chữa Tuy nhiên, dụng cụđiệ n tửcho phép tiến hành nhanh phép đo liên hồn có thểphốihợp đểcho sản phẩ m sốhố đểxửlý máy tính Thiếtbịđo khoảng cách: Thiế t bịđo khoả ng cách kiểu trùng hợp mộ t thiết bịquang học dùng để xác đị nh khoả ng cách hai điể m bằ ng cách ngắ m từchỉmộtđiểm Tấ t cảcác thiế t bịđo khoả ng cách trang bịhai gương hoặ c lăng kính: - chiế c cốđị nh (S1 ) ởphía tay trái, - chiế c quay (hay dị ch chuyể n) S2 ởphía tay phả i Hình 3.8 minh ho ạmộtthiế t bịđo khoả ng cách Topcon với mộtlă ng kính nghiêng dị ch chuyển S2 (hộ p lă ng kính dị ch chuyể n được) Hình 3.8: Thiế t bịđo khoả ng cách với gương dị ch chuyể n (theo Topcon) - 66 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Đối với hầ u hết thiết bịđo khoả ng cách bằ ng gương hoặ c lă ng kính dị ch chuyể n, hình ả nh trực tiế p điể m đo (truyền tới mắ t từlă ng kính cốđị nh) đặ t ởtrung tâm nửa đường tròn Hình ả nh gián tiế p (truyề n tới từlăng kính dị ch chuyể n) nằm dị ch vềbên cạnh tâm nửa vòng tròn Cảhai hình có thểđiề u nh cho trùng khớp bằ ng cách dị ch chuyển gương di độ ng Cách sửdụng thiếtbịđo khoả ng cách này: - giữhộp lă ng kính cốđị nh bằ ng tay trái lăng kính di động bằ ng tay phả i, giữcho đo nằm ngang - ước lượng khoả ng cách bằ ng mắ t nh núm thước khoả ng cách vềmức khoả ng cách xa gầ n - quay vòng đai thịkính nhìn rõ điể m mục tiêu (tuỳthuộc vào mắt người ngắ m) - quan sát cảhai ả nh vòng kính viễ n vọng dị ch chuyển gương/lăng kính sang trái hoặ c phả i hình phía trùng khít với hình phía dưới, xác rõ ràng - đọc khoảng cách thước tương ứng với thang khoả ng cách Hình 3.9: Hình ảnh kính viễ n vọng Lỗitố i đa đố i với thiếtbịđo khoả ng cách này: ởkhoảng cách ngắ n (8 100 mét) : 1% giá trịcủa khoả ng cách đo ởkhoảng cách xa (100 500 mét) : 3% giá trịkhoả ng cách đo Thiế t bịđo khoả ng cách thường dùng bằ ng cách giữthiế t bịbằ ng tay từ mộ t thuyề n đo di động Đối vớiđo đạ c tiế n hành từmộtbờ, sửdụng camera chân (cho ta kế t quảchính xác hơn) - 67 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Máy kinh vĩ Có thểsửdụng máy kinh vĩđểđo góc đứng ngang Dụng cụđời nhấ t (và đắ t nhấ t) máy kinh vĩđiện tửsốhố hồn tồn Đểđị nh vịtrong đo đạ c thuỷvă n, ta sửdụng máy kinh vĩđểđo góc ngang từmột vịtrí cốđị nh ởmộtbên bờ(phương pháp gián tiế p) Kính lục phân (hình 3.10) Hình 3.10: Ngun lý kính lục phân (theo Jansen, 1979) Kính lục phân ban đầ u thiế t kếđểđo góc đứng, chẳ ng hạn nhưđo độcao mặ t trời hay từboong tàu Tuy nhiên, thực tốt chức nă ng đo góc ngang, đặ c biệtlà từboong tàu, nơi không thểsửdụng máy kinh vĩ Phạ m vi đo đạc từ0 115 , góc chia thiế t bịlà 60 , 0 nguồn gốc củ a tên kính lục phân Nguyên lý: Hai mốc L R (hay dấ u hiệ u khác) giới hạ n góc phả i đo chúng điề u nh cho trùng khít kính viễn vọng Kính viễ n vọng nh đế n mốc bên tay trái L - mốc nhìn thấ y trực tiếp qua kính viễn vọng - 68 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Mốc bên phía tay phả i phả n xạhai lầ n gương xoay G gương cốđị nh K trước mặ t kính viễ n vọng Thang đo tròn liên kết với tâm vòng tròn Gương G quay xung quanh mộ t trục thẳ ng đứng qua tâm đường tròn Kính viễn vọng chỉcó vai trò phóng đạ i hình ả nh giúp ta nhìn rõ Đường tâm kính viễn vọng giao cắt với vành gương cốđị nh K, ta thu hình ả nh trực tiếp điể m mốc L ởnửa kính viễn vọng, sẽthấ y ảnh qua hai lầ n phả n xạcủa điể m mốc R ởnửa Khi ả nh trùng khít với nhau, góc lúc đọc thang đo với độchính xác tới nửa phút Độchính xác kính lục phân nhỏso với máy kih vĩ Khi đo đạc đị nh vịbên mạng lưới tam giác sẵ n có, thiết bịnày cho ta kế t quảđủ xác Ưu điể m kính lục phân thích hợp đểđặ t boong tàu 3.5 CÁC VÍ DỤVỀĐỊ NH VỊTRUYỀN THỐNG TRÊN MỘT ĐOẠN THẲNG Có rấ t nhiề u phương pháp đị nh vị , chúng phụthuộc vào: - hoàn nh cụthểtạ i khu vực (phía bờcó dễtiế p cậ n khơng, có nhân lực trình độcao tiện nghi cầ n thiế t không) - yêu cầ u cụthểcủa người khả o sát sựsáng tạ o - độchính xác cầ n thiế t Phầ n giới thiệt phương pháp đo góc phương pháp đo tuyế n tính ví dụcho việc đị nh vịtrên mộtđoạ n thẳ ng mộ t mặ t cắ t Phương pháp đo góc (Hình 3.11) Một máy kinh vĩđược đặ t ởmộtbên bờvà tiế n hành đo góc tới thuyề n () Cũng có thểđo góc từthuyền tới cờtrên mộ t đoạn thẳ ng mộtđiể m tham chiế u T (góc ) bằ ng kính lục phân Phương pháp phù hợp cho việc đị nh vị thuyề n tiế n hành đo sâu Vịtrí đo VC = CT*tg hay VC = CT*cotg - 69 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 3.11: Phương pháp đo góc (theo Hayes, 1978) Hình 3.12: Phương pháp đo tuyế n tính cho sơng nhỏ(theo Hayes, 1978) Hình 3.13: Phương pháp đo tuyế n tính cho sơng lớn (theo Hayes, 1978) - 70 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Phương pháp đo tuyến tính (Hình 3.12 3.13) Các cờA, B, C D cốđị nh đường thẳng CờE cố đị nh dọc theo mộtđường vng góc với với AD khoả ng cách E đến B biế t Người quan sát O di chuyển dọc theo đường vng góc với AD cờE, cờV thuyền, cờcủa người quan sát O nằ m đường thẳ ng Khi khoả ng cách CO xác đị nh tính VC: BC CO VC CO BE Trong trường hợp sông rấ t rộng khơng thểnhìn rõ cờtrên bờđối diện vịtrí thuyền có thểđược đị nh vịtheo phương pháp hình 3.13, cờE cốđị nh mộtbờvới người quan sát Khi đó: DE CD VC DE CO 3.6 CÁC VÍ DỤVỀĐỊ NH VỊTRUYỀN THỐNG TRONG MỘT HỆTỰDO Việc đị nh vịtrong hệtựdo có thểđược tiến hành hai mục đích: Đo sâu khu vực rấ t rộng, mà việc dựng đường thẳ ng trở nên khó khă n hoặ c chí khơng thể Mạ ng lưới tam giác, chẳ ng hạ n nhưđểxác đị nh hình học sơng (phương chiề u bềrộng) khơng có bả n đồđáng tin cậ y Có nhiề u hệthống khác sửdụng đểxác đị nh vịtrí người khả o sát hệsẵ n có điể m cơsở(mộ t, hai, hoặ c ba điểm với toạđộđã biế t) Hình 3.14 cho ta mộ t sốví dụvềlàm thếnào đểxác đị nh vịtrí người sửdụng dụng cụđơn giả n nhưthiế t bịđo khoảng cách, kính lục phân, la bàn (Một đường dẫ n đường thẳng qua hai điể m cơsởmà vịtrí người quan trắ c nằ m đường này) - 71 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 3.14: Các ví dụvềđị nh vịtrong hệtựdo (theo Nedeco, 1973) a kính lục phân, điểm cơsở b kính lục phân đường dẫ n, điể m cơsở c thiế t bịđo khoảng cách, đường dẫ n, điểm cơsở - 72 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten d kính lục phân, thiếtbịđo khoả ng cách, điể m cơsở e kính lục phân, la bàn, điể m cơsở f thiế t bịđo khoảng cách, la bàn, điểm cơsở Việ c lựa chọn phương pháp tuỳthuộc vào điề u kiện sau: - dụng cụsẵ n có - điểm cơsởsẵ n có - sựsáng tạ o người quan trắ c 3.7 ĐO SÂU VÀ CÁC THIẾT BỊĐO SÂU Các mặ t cắ t sông đo sâu bằ ng đường trung gian vng góc với đường tâm sơng, tạ i khoả ng cách nhấ t đị nh dọc theo sông Việ c đị nh vịđược tiến hành bằ ng phương pháp trực tiếp (thước dây thiế t bịđo khoả ng cách) hoặ c bằ ng phương pháp gián tiế p (đo tuyế n tính đo góc) Đồng thời việ c đị nh vịđược hiển thịtrên bả n ghi tiếng vọ ng Trong cửa sông hay dọc theo bờbiển, việc đo sâu tiến hành đường vng góc với đường đẳng sâu đáy nhằ m thu cách sắ p xếp đường xác nhấ t Khoả ng đường đo hầ u nhưphụ thuộc vào mục đích khả o sát tỷlệsẽvẽbiể u đồtừdữliệu đo đạ c Có rấtnhiều dụng cụđược sửdụng cho việc đo sâu Trước que đo dây đo công cụtruyền thống đểđo đạ c chiều sâu nước Tuy nhiên hai phương pháp có độchính xác hạ n chế, thếthiết bịđo sâu bằ ng tiế ng vọng ứng dụng rộng rãi khơng bịhạ n chếbởi vậ n tốc chiề u sâu dòng chả y Cũng thếnó trởnên phổbiến chấ p nhậ n phạ m vi tồn cầ u thay cho cơng cụtruyền thống trởnên lạc hậ u Nó cho phép tiến hành nhanh phép đo độsâu Que đo Que đo gỗđược chia vạch centimét hoặ c đề ximét Tạ i đầ u đáy que bả n đáy nhằm ngă n không cho que thâm nhậ p sâu xuống đáy - 73 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten sơng đóng vai trò trọng vậ t đểgiữcho que ởvịtrí thẳng so với đáy Nguồ n phát sinh lỗ i phương pháp đo bằ ng que độlệch que khỏi phương thẳ ng đứng đầ u nước ứtrệliên quan tới vậ n tốc dòng chả y, đặ c biệ t trường hợp có dòng chả y mạ nh.Vì , khảnă ng ứng dụng dụng cụnày dòng nước chả y hạ n chế Dây đo Dây đo sửdụng vận tốc dòng chả y chiề u sâu nước ngă n n việc sửdụng que đo Nó bao gồm sợi xích hoặ c dây có gắ n vậ t nặ ng ởmột đầ u Các nhãn buộc vào dây đểthểhiện mét đề ximét Trong trường hợp khác (khi có sửdụng cầ n trục neo tời) giá trịchiều sâu đọc ởtrên boong tàu Cần tiến hành hiệu nh đo đạ c độlệ ch khỏi phương thẳ ng đứng phầ n dây bên mặ t nước (hiệu nh cho phầ n dây khơng khí) bên mặ t nước (hiệ u nh phầ n dây ướt) Tiêu chuẩ n quốc tế ISO 3454 xây dựng đểphục vụmục đích Chiều sâu có thểđo đạ c dây đo sâu giớihạ n vào khoả ng 12 đế n 15 m Nguồn sai sốlà độthâm nhậ p trọng vậ t xuống đáy sông độ biến động so với điề u kiệ n lý tưởng (độcong dây ) Hơn nữa, khó đểbiếtchắ c trọng vậ t thực sựtiế p xúc với đáy sông hay chưa Thiếtbịđo sâu tiế ng vọng (hồiâm) Thiết bịđo sâu bằ ng tiế ng vọng hay siêu âm cơng cụthích hợp nhấ t để đo sâu, việc sửdụng khơng bịgiới hạ n chiề u sâu hay vậ n tốc dòng chả y Nó cho phép đo nhanh xác độsâu, dựa vậ n tốc lan truyền âm thah nước khoả ng thời gian truyề n sóng âm đo Vậ n tốc truyền sóng âm nước (Cnước) phụthuộc vào nhiệtđộvà độmặ n Khi hai giá trịnày tă ng sẽlàm Cnước tă ng theo Hình 3.15 cho ta gi trịlan truyề n sóng âm nước nhưmộ t hàm nhiệ t độnước dung trọng tương đối Nguyên lý thiế t bịnhưsau: mộ t xung điệ n ngắn mạ nh tạ o máy tạ o tín hiệu, sau khuếch đạ i đẩ y tới bộchuyển đổi thiế t bịsẽbiế n thành tín hiệu âm phát hướng xuống đáy sơng Tín - 74 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten hiệu sẽphả n xạlạ i từđáy, bộchuyể n đổi thu nhậ n chuyể n thành xung điện, sau xung khuếch đạ i Khoả ng thời gian trôi qua thời điể m phát nhận tín hiệ u đo đạc quy đổ i thành chiều sâu nước phía bộchuyể n đổi Chiề u sâu thểhiệ n thiế t bịchỉđị nh thích hợp, ghi lạ i mộ t cuộn giấ y hoặ c ng đầ u kỹthuậ t số Do tầ n sốtruyền âm cao nên giá trịriêng rẽcủa độsâu hiển thịtrên giấ y ghi gầ n nhưmột đường đị a hình đáy liền nét (xem hình 3.16) Hình 3.15: Vận tốc lan truyề n sóng âm nước nhưmộthàm sốcủa nhiệtđộ dung trọng tương đối(Theo Nedeco, 1965) Hình 3.16: Biể u đồđo sâu tiế ng vọng (hồiâm) – Cao trình đáy giấy ghi - 75 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Bộchuyể n đổi bốtrí tạ i khoả ng cách nhấ t đị nh (0,20 0,50 m) bên mực nước Và đo khoả ng cách đáy bộchuyển đổi bề mặ t phả n xạcủa đáy sông, cầ n cộng thêm khoả ng ngập nước chuyể n đổ i vào chiề u sâu ghi lạ i đểcho ta kế t quảđộsâu (xem hình 3.17) Bộchuyển đổ i có thểởtrên boong (thiế t kếgắ n vào đáy tàu) boong, gắ n với tàu cơngxon (rầ m chìa) Hầ u hế t thiết bịđo sâu tiếng vọng hoạ t động với pin 12 V Hình 3.17: Chỉ nh lý độsâu siêu âm Thiế t bịđo sâu bằ ng tiế ng vọng cầ n nh liên tục Bên cạ nh đó, mức thiế t bịnày cầ n kiểm tra vào đầ u cuối ngày đo thước đo Mức phụthuộc vào chiều sâu bộchuyển đổi mặ t nước – giá trịcó thểthay đổi tuỳtừng ngày Trong trường hợp bộchuyển đổi bên boong, mộ t đĩ a thép treo dây có đánh dấ u chia hạxuố ng nước giữởmộ t chiều sâu nhấ t đị nh bên bộchuyể n đổi Chiề u sâu đo đĩ a thửcầ n phù hợp với chiều sâu thực bên mặ t nước Phép kiểm chứng thực hiệ n tạ i nhiề u độsâu khác Nế u kết quảkhông nhưvậ y, cầ n điề u nh vậ n tốc âm đểđối phó với dung trọng nhiệ t độ nước, thiế t bịđo bằ ng tiế ng vọng cho giá trịđo phù hợp với chiều sâu thực đĩ a thử Cầ n hạ n chếcác bọt khí bên bộchuyể n đổi bằ ng cách hạ n chếtốc độ Vậ n tốc phổbiến 1,50 2,00 m/s Thiế t bịđo bằ ng tiếng vọng sửdụng đo sâu mặ t cắ t ngang sông, dọc sông, đo sâu hồn nh mộtkhu vực sơng, vị nh, hồ - 76 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Vậ n tốc cuộn giấ y có thểđiều nh cho phù hợp với loạ i đo sâu: - đo mặ t cắ t ngang sông: cầ n vậ n tốc giấy cao nhấ t - đo sâu mặ t cắ t dọc: cầ n vận tốc giấ y nhỏhơn Thiế t bịđo sâu bằ ng vận tốc sửdụng cho khả o sát sông hầ u hếtcó tầ n số30 kHz hoặ c/và 210 kHz Nế u dựđốn có lớp bùn mề m hoặ c khả o sát chuẩ n bịcho công tác nạ o vét, hay sau nạ o vét, cầ n sửdụng thiế t bịđo bằ ng tiế ng vọng có tầ n sốnhỏđể có thểphát lớp sựbồi lắ ng, hay độgiả m giá trị , xung âm thiế t bịđo có tầ n sốthấ p sẽxâm nhậ p sâu vào đáy Trong thiế t bịđo có tầ n sốcao sẽchỉghi lạ i độsâu phầ n đỉ nh lớp đáy, bấ t kể thành phầ n đáy nhưthếnào Bằ ng cách sửdụng lầ n lượt cảhai mức tầ n số, ta có thểphát nhiều lớp ởđáy sông Xác đị nh mực nước Đểquy đổ i độsâu đo đạ c thành cao trình ứng với mộ t mặ t so sánh, cầ n có sốđọc (sốđo) q trình đo sâu Thơng thường, mực nước khu vực đo sâu xác đị nh bằ ng cách nội suy tuyến tính hai giá trịđọc trạm đo sẵ n có Nế u trình nộisuy nhưvậ y dẫ n đế n sai sốvượt vài centimét, cầ n lắ p đặ t thiế t bịđo tạ m ởgầ n khu vực đo sâu Đểđả m bả o lỗi nội suy tuyế n tính khơng lớn vài centimét theo thời gian, tần sốlấ y mẫ u (đọ c sốđo) phụthuộc vào tố c độthay đổi mực nước Vì thếtrong thời kỳmực nước thay đổinhanh cầ n tiế n hành đo lạ i mực nước thường xuyên 3.8 XỬLÝ DỮLIỆU Mỗi hợp phầ n chu trình đo sâu - xác đị nh vịtrí điểm đo sâu, mực nước, độsâu đo đạ c so với mực nước - sẽcho ta sốdữliệ u Đểcó thểtrình bày kế t quảđo sâu cách hợp lý, dữliệu cần xửlý Khi tiế n hành đo sâu mặ t cắ t ngang, dữliệu đểxác đị nh vịtrí điểm đo sâu bao gồm sốcủa mặ t cắ t, vịtrí điể m so sánh mặ t cắ t ngang, - 77 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten khoả ng cách điể m đo sâu tới điểm so sánh Khi áp dụng hệđo sâu tựdo, dữliệu sẽgồm chẳ ng hạ n nhưcác toạđộcủa điể m cơsởta sửdụng hai góc đo đồng thời Vịtrí sau có thểxác đị nh bằ ng toán học đồthị Mực nước điể m đo sâu xác đị nh bằ ng cách sửdụ ng sốđọc từ hoặ c hai thiế t bịđo Từnhững sốliệu này, cũ ng nhưmốc thiết bịđo vịtrí chúng, ta thu mực nước tạ i vịtrí cầ n bằ ng cách nội suy tuyến tính theo khoả ng cách, nế u cầ n theo thời gian M ố i liên hệthời gian công tác đo sâu đo mực nước quan trọng Mực nước chiề u sâu đo thu từ biểu đồđo sâu bằ ng tiế ng vọng hoặ c danh sách sốđo sâu sẽđược sửdụng đểxác đị nh cao trình điể m đo đạ c đáy sông so với mặ t phẳ ng ngang quy chiế u (MNBTB) Tấ t cảcác hợp phầ n trình xửlý dữliệ u đơn giả n thực hiệ n dễdàng bằ ng tay Tuy nhiên nế u quy mơ cơng việc u cầ u phầ n tồn bộcơng việc có thểđược lậ p trình cho máy tính Các dữliệu khác nhưsốđọc thước đo thời gian hạ n chếvà có thểdễdàng sốhố Hình 3.18 mộ t ví dụvềmạ ng lướitam giác đểđo đạ c hình thếmộtđoạn sơng Hình 3.18: Ví dụvềmạng lướitam giác đểđo đạc hình thếcủa sơng (theo Nedeco, 1973) - 78 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten A, B, C, D mốc lướitam giác 1, 2, 3, mốc phụsửdụng cho việ c đị nh vịkhu vực G-F: đáy cơbản, A-B O-P: đáy thứcấp tam cấp L-R, K-Q, M-8 8-N đáy khác cần bốtrí cho ngắm Trong trườg hợp khác việ c ngắm có thểbịcản trởbởi bụi cây, nế u cần thiế t đường ngắm cần phát quang Kết quảđo sâu thường trình bày ng mặ t cắ t dọc hoặ c ngang khu vực đo sâu, hay ng biểu đồđo sâu thểhiện điể m đo chiều sâu chúng so với mặ t quy chiế u hoặ c so sánh Hình 3.19: Ví dụvềmộtmặt cắtngang sơng (theo Hayes, 1978) Đối với phép đo sâu tiế n hành mộ t sông theo mặ t cắt ngang, độsâu nước so với mặ t phẳ ng so sánh điể m mặ t cắ t ngang có thểđược chấ m lên giấ y li (mm) vẽthành mộ t mặ t cắ t ngang (xem hình 3.19) Nếu cầ n thiết, có thểxây dựng biểu đồcác đường đẳ ng sâu (đường đồng mức) sông từcác mặ t cắ t ngang Trên biể u đồđo sâu có thểvẽnên đường đẳ ng sâu thểhiện chiều sâu bằ ng Công việ c đòi hỏ i kinh nghiệm sựam hiể u vềkỹthuậ t vẽ, - 79 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten có thểcả i thiệ n bằ ng cách bổsung vài điể m đo chi tiế t mặ t cắ t đo sâu thông thường Hình 3.20 thểhiện biểu đồđo sâu với đường đồng mức Hình 3.20: Biểu đồđo sâu vớicác đường đồng mức (theo Jansen, 1979) Khoả ng cách đường đo sâu (các tuyế n đo sâu hay đường trung gian) đểxây dựng nên mộtbiểu đồđo sâu phụthuộc vào: - độsâu nước hình thái sơng, - hình ng đáy sơng, - mục đích khả o sát Trong hầ u hế t trường hợp, khoả ng cách 100 mét chấ p nhận biểu đồsơng, tuỳthuộc vào bềrộng sơng hình thếsông Hiện hướng sau nghiên cứu phát triể n: - rada đo sâu - đo bằ ng laze từtrên khơng - 80 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 3.9 CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ Các tiêu chuẩ n ISO sau có liên quan đế n lĩ nh vực này: ISO 3454 Đo độsâu trực tiếp bằ ng âm thiế t bịtreo (thanh kéo, dây cáp, vậ t nặng) ISO 4366 Thiế t bịdò tiế ng vọng cho thiế t bịđo độsâu nước ISO 6420 Các thiế t bịđị nh vịcho thuyề n thuỷđạc (miêu tảvà lựa chọ n thiế t bị ) - 81 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten CHƯƠNG 4: ĐO LƯU LƯỢNG 4.1 GIỚI THIỆU Phân loạidòng chảy Các dòng chả y có thểđược phân loạ i bằ ng hai tham số: thời gian khoảng cách loạ i thứnhấ t dựa việc xem xét theo thang thời gian, phân loạ i dòng chả y theo dòng chả y ổn đị nh khơng ổn đị nh, loạ i thứhai liên quan tới thang khoả ng cách, phân loạ i dòng chả y theo dòng chả y đề u khơng Đa sốcác dòng y kênh hởthuộc vào loạ i liệ t kê đây: Dòng chảy đề u ổn đị nh: Lưu lượng dòng chả y không đổ i theo thời gian, mặ t cắ t ngang mà dòng chả y chả y qua có diện tích khơng đổ i Một ví dụ điể n hình dòng chảy kênh tưới dài với mặ t cắ t không đổi khơng chị u tác động thơng sốdòng chả y ởhạlưu Dòng chảy ổn đị nh khơng đề u: Lưu lượng dòng chảy hằ ng sốtheo thời gian, diệ n tích mặ t cắ t ngang biế n đổi theo cựly Ví dụnhưtrường hợp dòng chả y sơng có lưu lượng khơng đổi (mặ t cắ t ngang sông thường biế n đổ i liên tục từvịtrí sang vịtrí khác) Dòng chảy đề u khơng ổn đị nh: Mặ t cắ t ngang khơng đổi, lưu lượng dòng chả y lạ i biến đổi theo thời gian Đây ng dòng chảy phức tạ p Ví dụnhư sựtă ng áp suấ t ống dẫn thẳ ng dài có đường kính khơng đổi Dòng chảy khơng ổn đị nh không đề u: Cảlưu lượng diện tích đề u biến đổi theo thời gian khoả ng cách Tiêu biể u sựtruyề n sóng lũtrong mộ t lòng dẫ n tựnhiên, ng dòng chả y phức tạ p nhấ t cho phân tích Có thểtiến hành phép đo lưu lượng cho tấ t cảbốn loạ i dòng chả y - 82 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Và cuối cùng, mỗ i bốn loạ i dòng chả y có thểlà chảy êm, chả y phân giới, hoặ c chả y xiế t, tuỳthuộc vào giá trịcủa sốFơrút (Froude): Fr v (4.1) A g BS đó: Fr v A BS = sốFơrút (-) = vậ n tốc trung bình dòng chả y mặ t cắ t ngang (m/s) = diện tích mặ t cắ t ngang (m ) = bềrộng tạ i mặ t nước Với sông rộng, A/BS d, với d chiều sâu trung bình dòng chả y Kếtquả Fr v / gd Trạ ng thái chảy chả y êm SốFơrút Fr < chả y phân giới chả y xiế t Fr = Fr > Đặc trưng đáy lòng dẫ n có độdốc nhỏ, vậ n tốc dòng chả y trung bình đáy dốc, vậ n tốc chả y lớn Khái niệ m cơbản vềlưu lượng: Trong lòng dẫ n hở(các kênh nhân tạ o sông suối tựnhiên), lưu lượng Q tạ i mộtmặ t cắ t bấ t kỳvà tạ i mộtthời điể m bấ t kỳđược cho bởi: Q v A (4.2) Do có thểxác đị nh lưu lượng biế t diệ n tích mặ t cắ t A (hoặ c đo đạ c) vậ n tốc trung bình dòng chảy, tính cơsởtiế n hành đo đạ c vậ n tốc mặ t cắ t Chương sẽtậ p trung vào việc xác đị nh lưu lượng Q lòng dẫ n hở 4.1.1 Mục đích Việ c đo đạ c dòng chả y lòng dẫ n hởphục vụcho nhiều mục đích khác nhau: - thu thậ p thơng tin cơbả n vềdòng chả y sơng phục vụcho việc thiế t kếcác đập hồchứa, thiế t lậ p thỏa thuậ n song phương nơi sơng đóng vai trò đường biên giới quốc gia; - 83 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - phân phối nước tưới - thu thậ p thơng tin cơbả n đểtính phí cho dựán công nghiệ p xửlý nước thả i sửdụng lòng dẫ n chung đểchuyển tả i chấ t thả i ô nhiễm hay nước tinh khiế t họ - thông tin cơbản cho đối tượng sửdụng nước khác, chẳ ng hạ n giao thông thủy - n lý nước ởcác khu vực đô thịvà nơng thơn: tích trữnước sạ ch loại bỏlượng nước mưa thừa - thống kê đáng tin cậ y dựa quan trắ c dài hạ n (biểu ngẫ u nhiên hệthống mưa-dòng chả y) Trong hầ u hế t trường hợp, đo đạ c ngẫ u nhiên khơng đủ, thay vào không thểthiế u đo đạc liên tục 4.1.2 Mối quan hệlưu lượng - độnhám đáy Có quan hệtồn tạ i lòng dẫ n hởgiữa trạ ng thái mực nước lưu lượng, mộ t cách tổng qt, quan hệđó mực nước cao tương ứng với sẽlà lưu lượng lớn Hình 4.1: Mặt cắtngang lưu lượng Diễ n đạ t lưu lượng sông ng Q v A thay phương trình Chézy ( v C R S ) vào ta thu cơng thức tính lưu lượng (xem hình 4.1) sau: Q C R S h y dB B (4.3) đó: Q C = lưu lượng (m3/s) = hệsốChézy cho độnhám đáy toàn thể(m1/2/s) - 84 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten S R hy B = građien nă ng lượng dọc theo sông; thực tế , thường lấ y xấ p xỉ bằ ng građien mặ t nước (-) = bán kính thủy lực, đị nh nghĩ a bằ ng tỷsốdiệ n tích ướt mặ t cắt chia cho chu vi ướt, R = A/P (m) = chiề u sâu sơng tạ i vịtrí y (m) = bềrộng sơng (m) Hầ u hết sơng có bềrộng rấ t lớn so với chiều sâu, bán kính thủy lực thường thay bằ ng chiề u sâu, phương trình (4.3) lúc trởthành: Q C S h 3y / dB B (4.4) Trong khả o sát thủy vă n, đề u biết rằ ng cầ n đo lưu lượng rấ t kỹcàng Tuy nhiên xem xét phương trình (4.4) có thểthấy rằ ng với đặ c trưng biế t mặ t cắ t ngang nhấ t đị nh (biế t quan hệgiữa h y bề rộng), với giá trịước lượng độnhám đáy (C), chỉcầ n đo đạc građien mặ t nước đủđểxác đị nh tổng lưu lượng mặ t cắ t Quy trình có thểáp dụng tốt cho lòng dẫ n với tường cứng vớithơng sốnhám biếttrước Trong lòng dẫ n phù sa với ng đáy thay đổi liên tục, tương đố i khó ước lượng hệsốnhám đáy C Mộ t thay đổ i mực nước sẽdẫ n đế n thay đổi cao trình đáy, trạ ng thái sau thường khác trạ ng thái trước mộ t cách đáng kể (đặ c biệ t sau giai đoạ n lũ) Hệquảlà chỉbằ ng việc đo tổng lưu lượng mặ t cắ t ngang đo građien mặ t nước tạ i chỗsẽcó thểtính hệsốnhám đáy Vì phả i dùng hệsốnày cơng thức tính vậ n chuyể n bùn cát, sựcầ n thiế t phả i tiế n hành đo kỹlưỡng lưu lượng lòng dẫ n phù sa rõ ràng 4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG Có nhiề u phương pháp có thểáp dụng đểxác đị nh lưu lượng lòng dẫ n hở- sơng kênh đào nhân tạ o Phầ n đông phương pháp – không phả i tấ t cả- dựa nguyên lý đơn giả n: Q v A Chúng ta có thểphân biệ t cách tương đố i chín phương pháp, phương pháp đo đơn lẻ, phương pháp đo liên tục Các phép đo đơn lẻđược tiến hành không thường xuyên mộ t thời đoạ n ngắ n, thường đểkiểm đị nh phương pháp đo liên tục - 85 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Các phuơng pháp sau có thểcoi phương pháp đo đơn lẻ : Phương pháp lưu tốc – diệ n tích: Diệ n tích mặ t cắ t ngang xác đị nh nhờcơng đoạ n đo sâu, vậ n tốc dòng chảy đo đạc sửdụng thiế t bịđo dòng, senxơđiệ n từ, phao Phương pháp lưu tốc diệ n tích biế t đế n với tên gọi phương pháp đo dòng Có thểrút giá trịvậ n tốc trung bình dòng chảy từcác giá trịvậ n tốc đo đạ c tạ i điểm phân bốmột cách hệthống mặ t cắ t ngang Sau tính lưu lượng từcơng thức Q v A Vềnguyên tắc, phép đo cầ n tiến hành điều kiệ n ổn đị nh Yêu cầ u có thểsẽhạ n chếkhảnă ng ứng dụng phương pháp lưu tốc diện tích truyề n thống, chẳ ng hạn nhưtạ i sông rộng, nơi cầ n sốlượng lớn phép đo, tương ứng với mộtquãng thời gian có thểlà dài đểhoàn thiệ n bộcác phép đo Phương pháp lưu tốc diện tích truyền thống sẽđược thả o luậ n Phầ n 4.3 Khi không thểứng dụng phương pháp (khi sơng rộng, điề u kiện dóng chả y khơng ổn đị nh), có thểứng dụng phương pháp lưu tốc diệ nt ích khác sửphương pháp thuyề n dị ch chuyển sử dụng thiế t bịđo dòng truyền thống, phương pháp cho phép tiế n hành đo nhanh sẽđược thả o luậ n Phần 4.3.10 Thêm vào phương pháp đo bằ ng ADCP sẽđược thả o luậ n Phầ n 4.3.12 Phương pháp độdốc diệ n tích: Từcác phép đo độdốc mặ t nước S, diện tích mặ t cắ t ngang A, bán kính thủy lực R, bằ ng cách ước lượng hệsốnhám cho biên lòng dẫ n, có thểtính lưu lượng sửdụ ng phương trình Manning hoặ c Chézy Phương trình Manning có ng: 1 Q R S2 A n (4.5) n hệsốManning Phương pháp độdốc diệ n tích xác nhiề u có thểsử dụng đểxác đị nh lưu lượng đỉ nh sau trậ n lũrút Nếu khơng có đủcác số - 86 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten liệu đo đểtính tốn S, có thểsửdụng dấ u vế t đểlạ i trận lũsau qua đểxác đị nh độdốc S Phương pháp thả o luậ n Phầ n 4.4 Phương pháp pha loãng: Trên đoạ n đo đạ c lòng suố i, ta sử dụng chai Mariotte đểđưa vào thượng lưu dòng chả y mộ t loạ i chấ t chỉthịđã lựa chọn cho phù hợp Tạ i mặt cắ t lấ y mẫ u ởhạlưu, tiế n hành lấ y mẫ u sau khoả ng thời gian nhấ t đị nh Sau có thểtính lưu lượng dòng chả y từgiá trịnồng độchấ t chỉthị đưa vào tạ i mặ t cắ t thượng lưu giá trịđo nồng độchấ t chỉthịtạ i cuối đoạ n đo – nơi mà chấ t chỉthịhầ u nhưđược phân bốđề u toàn mặ t cắtngang Một cách tổng quát, điều kiện hạ n chếkhảnă ng ứng dụng phương pháp pha loãng, khiế n phương pháp thường chỉđược áp dụng cho sơng suối dòng chả y xiết ởmiền núi, nơi có mức độchả y rố i cao Tuy nhiên trường hợp nhưvậ y chỉcó thểthu kế t quảtương đối xác Với mộ t chai Mariotte có thểtích V = 25 lít ta có thểđo lưu lượng tố i đa 3 khoả ng 0,5 m /s Lưu lượng > 0,5 m /s có thểđo bằ ng chai lớn hơn, bơm thểtích, hoặ c bểchứa mực nước khơng đổi Phương pháp sẽđược giải thích kỹlưỡng Phầ n 4.5 Các phuơng pháp sau có thểcoi phương pháp đo liên tục: Phương pháp lưu lượng thời đoạn: Một xây dựng mố i quan hệduy nhấ t mực nước lưu lượng bằ ng mộttrong phương pháp đo đơn lẻthì lưu lượng có thểđược suy từcác giá trịmực nước đo đạ c cách liên tục Xem phầ n 4.6 Phương pháp lưu lượng trạng thái độdốc: Trước tiên cần thiế t lậ p mối quan hệgiữa mực nước, độdốc mặ t nước lưu lượng dựa vào phương trình Manning Chézy, kiể m đị nh lạ i bă ng phương pháp đo đơn lẻ Sau đó, có thểtính lưu lượng từhai giá trị mực nước đo đạ c cách liên tục Xem phầ n 4.7 - 87 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Phương pháp đo hồi âm: Lưu lượng tính tốn từcác giá trịđo đạ c cảvậ n tốc dòng chả y mực nước Vậ n tốc dòng chả y tính từkhoả ng thời gian truyề n sai khác sóng âm truyề n theo đường chéo ngang lòng dẫ n theo hướng thượng lưu hướng hạlưu Xem phầ n 4.8 Phương pháp đo điệ n-từtrường: Vậ n tốc dòng chả y xác đị nh bằ ng cách đo điệ n thếcả m ứng sinh dây dẫ n chuyể n động (dòng chả y) mộttừtrường Xem phầ n 4.9 Trạm bơm: Với bấ t cứtrạ m bơm nào, có thểthiế t lậ p mộ t quan hệgiữa lưu lượng tổ ng tổn thấ t cột nước, hỗtrợbởi việc kiểm đị nh bằ ng phương pháp đo đơn lẻ.Bằng cách tính giờbơm, có thểtính tổng lượng nước Xem phầ n 4.10 Các cơng trình đo dòng chảy: Lưu lượng tính từcác đo đạc liên tục mực nước thượng lưu tạ i khoả ng cách nhấ t đị nh vềphía thượng lưu cơng trình (đậ p tràn, cửa cố ng, máng) Ứng dụng cơng trình đo dòng chả y thả o luậ n Phầ n 4.11 Chương Bảng 4.1: Tổng hợp phương pháp đ o lưu lượng Phương pháp Phương pháp lưu tốc diệ n tích Phương pháp độdốc diệ n tích Phương pháp pha lỗng Phương pháp lưu lượng thờiđoạn Phương pháp lưu lượng thờiđoạ n độdốc Phương pháp đo hồiâm Phương pháp điệ n từ Trạm bơm Các cơng trình đo dòng chảy (4.3) (4.4) (4.5) (4.6) (4.7) (4.8) (4.9) (4.10) (6) - 88 - Tần s uất đo đạ c Ngẫ u nhiên Liên tục x x x Đôi x x Đôi x x x Đơi x Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Các phương pháp kểtrên có ứng dụng chuyên biệ t chúng Cầ n lưu ý điể m sau cân nhắc lựa chọn việc ứng dụng sốcác phương pháp này: - cầ n phép đo đơn lẻhay liên tục? - điề u kiệ n thủy lực (độổn đị nh lòng dẫ n, ng dòng chả y, hàm lượng bùn cát ) - độchính xác yêu cầ u nhưthếnào? - có nhà khả o sát trình độkhơng? - có cột nước đủlớn khơng (trạ m bơm cơng trình đo dòng chả y) - chi phí lắ p đặ t vậ n hành nhưthếnào? Khi cân nhắ c khảnă ng ứng dụng dụng cụ, cầ n quan tâm đế n khía cạ nh sau: - khảnăng cung cấ p nă ng lượng cầ n thiếtcho thiếtbịvậ n hành - khảnăng cung cấ p bộphậ n dựphòng - khảnăng sửa chữa nhỏbởi người khơng có chun mơn, có xưởng sửa chữa hoặ c người bn bán quanh đểsửa chữa trường hợp phức tạ p không - mức độcầ n thiế t việc kiể m đị nh phương pháp kiểm đị nh (các thiế t bị đo dòng) - kích thước trọng lượng thiế t bịso với khảnă ng vậ n chuyển, sử dụng thuyề n khả o sát, tời Tiêu chuẩ n quốc tếISO 8363: “ Hướng dẫ n tổng quát cho việ c lựa chọn phương pháp” cung cấ p cho ta điều kiện hạ n chếkhi lựa chọn phương pháp thích hợp nhấ t (Phầ n 4.12) - 89 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 4.3 PHƯƠNG PHÁP LƯU TỐC-DIỆN TÍCH 4.3.1 Giới thiệu Phương pháp lưu tốc diện tích dựa trực tiế p vào khái niệm Q v A , đó: Q = lưu lượng (m /s) v = vậ n tốc trung bình dòng chả y tạ i mặ t cắ t ngang (m/s) A = diện tích mặ t cắ t ngang (m ) Mặ t cắ t ngang cần lựa chọn cho phương chiều dòng chả y vng góc với mặ t cắ t tố t Diệ n tích mặ t cắ t ngang tính từgiá trịđo chiề u rộng mặt cắ t, chiề u sâu nước tạ i sốthủy trực Bềrộng đo bằ ng thước dây hoawcj bằ ng cách áp dụng phương pháp đị nh vị(đã bàn đến Phầ n 3.3 3.4) Các giá trịchiều sâu đo tạ i sốthủy trực cách hai bờ.Sốthủy trực (m) cầ n lựa chọn cho đủđểmơ tảhình ng mặt cắ t ngang cách xác, thường biến đổi từm = cho mặ t cắ t nhỏvà thông thường, tớim = 15 cho mặ t cắ t rộng bấ t thường Trong lĩ nh vực thủy vă n, thông thường người ta đo tấ t cảcác thống số,bắt đầ u từbờtrái Hình 4.2 thểhiệ n mặ t cắ t ngang Điể m tham chiế u RP nằ m ởbờtrái Độsâu nước đo tạ i m =7 thủy trực Phân bốlưu tốc mặ t cắ t chỉcó thểđược xác đị nh bằ ng cách đo vận tốc tạ i thủy trực đị nh trước Không thểđo trực tiế p vậ n tốc trung bình dòng chả y v mộ t cách trực tiế p Hình 4.2: Ví dụvềmộtmặt cắtngang - 90 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 4.3.2 Phân bốvận tốc mặt cắt ngang Phân bốlưu tốc mộtthủy trực: Dòng chả y ổn đị nh đị nh nghĩ a dòng chảy có dQ/dt = (và dv/dt = 0) Tạ i tấ t cảcác điể m mặ t cắ t ngang, vậ n tốc không thay đổi theo thời gian (dòng chả y ổn đị nh) hoặ c thay đổ i rấ t từtừ(dv/dt 0) (dòng chả y bán ổn đị nh) Do ma sát đáy, thường lưu tốc dòng chảy gần đáy lòng dẫ n hởsẽnhỏ lưu tốc mặ t Gầ n bờ,đê, độnhám mái bên sẽcó ảnh hưởng tới phân bốvậ n tốc lòng dẫ n Trên mộ t thủy trực, sựphân bốvậ n tốc phụthuộc vào việc dòng chảy thuộc chếđộchả y tầ ng hay chả y rố i, phân biệttùy thuộc vào sốReynolds: V d Re (4.6) đó: Re SốReynolds (-) d chiề u sâu nước (m) hệsốnhớt động (m /s) dòng chảy tầ ng Re < 400 dòng chảy phân giới 400 < Re < 800 dòng chảy rố i Re > 800 - gặ p dòng chả y tựnhiên - thường gặ p dòng chả y tựnhiên Ví dụ: V ≥0,01 m/s V d 10 2 Re 6 10 chảy rố i 10 D ≥1,0 m 1.10 m /s -6 Phân bốvậ n tốc mộtthủy trực trường hợp dòng chả y rối giả thiế t có ng parabolic, nhưtrên hình 4.3 Dạ ng phân bốparabolic vận tốc mơ tảbởi phương trình 4.7: V y y n Va a (4.7) - 91 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten đó: y a : khoả ng cách chọn ngẫ u nhiên tính từđáy Vy V a : vậ n tốc dòng chả y tạ i y a n : hệsốmũ Hình 4.3: Phân bốvận tốc dạng parabolic thủy trực Với sông tựnhiên, n nằm khoả ng 7, có thểbiến đổi khoả ng rộng tùy thuộc vào sức cản thủy lực: giá trịthấ p n áp dụng cho đáy nhám, giá trịcao n áp dụng cho đáy trơn thuậ n Giá trịđúng n có thểtính từphương trình 4.8: n 1,77 f C (4.8) -0.5 f : hệsốquy đổi C : hệsốnhám đáy Chézy (m- 0.5.s-1) f = 0,098 (m s) Vậ n tốc trung bình mộ t thủy trực nằm tạ i khoả ng cách xấ p xỉy v 0,4d tính từđáy (d tổng chiều sâu nước) Trên thực tế , độsâu biến đổ i mộ t chút tùy thuộc vào giá trịcủa n, hay nói cách khác tùy thuộc vào độnhám đáy Có thểrút độsâu y v nhưmộ t hàm n từphương trình 4.9: n n y v n 1 (4.9) Bả ng 4.2 cho ta mộtvài giá trịcủa y v Bảng 4.2: Độsâu y v nhưmột hàm n - 92 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten n yv Vơ nhám bình thường 10 vô trơn 0,442d 0,402d 0,397d 0,393d 0,386d Sửdụng phương trình (4.7) (4.9) có thểtính vận tốc trung bình dòng chảy v từcác giá trịđo V y tạ i độsâu y (so với đáy) nhưtrong bả ng 4.3 Bảng 4.3: Quan hệcủa vận tốc trung bình v thủy trực với V y, y n Chiề u sâu y (tính từđáy) 0,2d 0,4d 0,6d 0,8d d Vậ n tốc tương đối v / v y vớicác giá trịcủa n khác 1,28 1,02 0,94 0,81 0,75 1,15 1,00 0,96 0,87 0,83 1,12 1,00 0,96 0,87 0,83 1,10 1,00 0,97 0,90 0,88 10 1,07 1,00 0,97 0,93 0,91 Chiều sâu tính từmặtnước (ISO) 0,8d 0,6d 0,4d 0,2d Kếtluận: vậ n tốc trung bình v thủy trực có thểtìm thấ y ởđộsâu 0,4 d tính từđáy (hay 0,6 d tính từmặ t nước), với điề u kiệ n n 5 Sựbiến đổi vậ n tốc vy mộtthủy trực mạ nh với đáy nhám, nhỏvới đáy trơn Tạ i mỗiđiểm thủy trực, “ vậ n tốc”thực cũ ng chỉlà giá trịtrung bình, đặ c trưng rối dòng chả y nên tạ i bấ t kỳđiểm dòng chả y dao động quanh giá trịtrung bình nó, nhưtrong hình 4.4 Do đó, đo đạ c vậ n tốc điể m v y với thiế t bịđo dòng chả y, kiế n nghịđo khoả ng thời gian 30 tới 60 giây đểcó thểthu mộtgiá trịtrung bình đáng tin cậ y - vậ n tốc lớn: t = 30 đế n 50 giây - vậ n tốc nhỏ: t = 60 đế n 100 giây Phân bốvận tốc mặtcắt ngang: - 93 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Phân bốvậ n tốc mặ t cắ t ngang phụthuộc nhiề u vào hình ng mặt cắ t Hình ng đoạ n sơng thượng lưu (các khúc cong) đóng vai trò quan trọng Các ví dụđược thểhiện hình 4.5 Có thểthấ y rằ ng đểthu vậ n tốc trung bình dòng chả y mặ t cắ t, cần xét đế n cảphân bốvậ n tốc phương ngang phương đứng Điề u đồng nghĩ a với việ c cầ n có đủcác điể m đo cảphương ngang phương đứng đểcó đủ“ mẫ u”đo Hình 4.4: Biến đổivận tốc theo thời gian dòng chảy rối v = vận tốc thực v = vận tố c trung bình theo thờigian e = thành phần dao động ngẫu nhiên vận tốc Kênh có mặt cắttựnhiên Kênh hình thang Hình 4.5 Các ví dụvềphân bốvận tốc mộtmặt cắtngang Câu hỏi đặt là: Cầ n thủy trực, điể m đo thủy trực? Câu trảlời phụthuộc vào: Độchính xác cầ n thiế t (dùng nhiề u điể m v xác) Cân nhắ c vềkinh tế(đo nhiều điể m tốn thời gian) Những hồn nh cụthể , ví dụnhưđiề u kiện dòng chả y khơng ổn đị nh, khơng có đủthời gian cầ n thiế t cho đo đạ c chi tiế t (xem thêm tiêu chuẩ n ISO có liên quan) - 94 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Đểxem xét đế n độchính xác có thểthu được, nghiên cứu tiế n hành Ủy ban Kỹthuật Tổchức Quốc tếvềTiêu chuẩ n hóa (ISO) Các kết phân tích từmộ t sốlượng lớn đo-đạ c-Q tiế n hành sông ởMỹ , Anh, Hà Lan Ấn Độcho ta mộtsốkếtluậ n, tổng hợp Ấn phẩ m số106 Việ n Thủy Lực Delft, Hà Lan nhưsau: “Đểthu vậ n tốc trung bình mỗithủy trực, cần tiến hành đo mộ t số điể m thủy trực Chừng phân bốvậ n tốc “bình thường”(có ng gầ n nhưphân bốParabol) sốđiể m mộ t thủy trực (n) sẽkhông quan trọng sốthủy trực (m) hai bờ” Hình 4.6 4.7 thểhiện kết quảcủa điề u tra ISO (dựa đo đạ c ởnhiều sơng khác nhau): Hình 4.6 thểhiện độlệ ch chuẩn v nhưmộ t hàm sốđiể m đo (n) thủy trực Hình 4.6: Sốđiể m lấy mẫu n mộtthủy trực (theo ISO) Có thểkế t luậ n rằ ng chọn n > hầ u nhưkhơng làm tă ng độchính xác Trong phầ n 4.3.8, độlệch chuẩ n đềcậ p đến nhưf+s (lỗ i loạ i I II) Hình 4.7 cho ta độlệ ch chuẩ n v nhưmột hàm sốthủy trực m hai bờ Trong phầ n 4.3.8, độlệch chuẩ n đềcậ p đến nhưd+h (lỗi loại III) Cũng giống nhưsốcác điể m thủy trực, sốthủy trực thểhiện ảnh hưởng lớn tớilỗi cuối Điề u khơng có đáng ngạ c nhiên hầ u hế t sơng đề u có tỷsốđộ rộng/độsâu tương đố i lớn Trong thực tế,không phả i kỹsưcũng nhậ n - 95 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten điề u này, có thểhiểu ta có thói quen vẽmặ t cắ t sông với tỷlệbiến ng rấ t lớn (giữa ngang đứng) Hình 4.7: Sốthủy trực lấy mẫu mộtmặtcắtngang (theo ISO) Hình 4.8 ví dụvềmặt cắ t ngang sơng chưa bịbóp méo: tỷlệngang tỷlệđứng bằ ng Hình 4.8: Mặt cắtngang mộtcon sông (tỷlệngang đứng nhau) Kếtquảcuộc khảo sát ISO thểhiệ n rõ ràng mộtthiế t kếthích đáng cho phương pháp lưu tốc-diệ n tích có thểlàm tă ng độchính xác Đây đềxuấ t cho phương pháp thuyề n di chuyể n, phân bốvận tốc theo phương ngang đo cách xác 4.3.3 Lựa chọn vịtrí đo Vịtrí mặ t cắ t, dù ởvùng sông chị u ả nh hưởng triề u hay không chị u ảnh hưởng triều, cầ n tuân theo điề u kiện sau: - Mặ t cắ t cầ n ưu tiên nằ m mộtđoạn thẳ ng với mặ t cắ t đề u (khơng đổi– xem hình 4.9) - chiề u sâu nước đoạ n lựa chọn phải đủđểcho phép thiế t bịđo vậ n tốc dòng chảy hay phao ngập hiệ u , tùy theo loạ i sửdụng; - đoạ n phả i có hướng cho chiều dòng chả y cầ n vng góc đế n mức với hướng gió thị nh hành; - cầ n tránh vịtrí có xốy, nước vậ t, hay trước ngưỡng; - 96 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Đềxuấ t nên chọn vịtrí đo phía thượng lưu cơng trình kiể m sốt dòng chả y (xem phầ n 4.6.2) - tấ t cảcác lưu lượng cầ n chứa đoạ n kênh xác đị nh với biên (bờsông) ổn đị nh, có kích thước hình học rõ ràng; - mặ t cắ t chọn cầ n đánh dấ u mốc ởhai bên bờ; - cầ n bốtrí mộtcọc đo nước hoặ c thiế t bịđo mực nước tạ i vịtrí mặ t cắ t; - vịtrí đo đạ c cần phả i dễtiế p cậ n, đểngười khả o sát có thểkiểm tra thường xuyên - tọa lạ c đoạ n sông ổn đị nh (Nế u đoạ n sông hạlưu đoạ n khơng ổn đị nh, sựthay đổi điề u kiện sẽdẫ n đế n quan hệQ-h thay đổi); - cầ n tránh bốtrí mặ t cắ t đo đạ c gần khu vực hợp lưu đểtránh hiệu ứng nước ngược Hình 4.9: Vịtrí kiến nghịcho đo đ ạc đoạn sơng cong Hình 4.10 minh họa mộ t đoạ n hợp lưu Tạ i mặ t cắ t Q sông B, đường cong quan hệQ-h có thểbịả nh hưởng điề u kiện thủy lực sơng A Hình 4.10: Lựa chọn vịtrí mặt cắt khu vực hợp lưu sông 4.3.4 Các thiết bịđểđo vận tốc điểm dòng chảy Nhiều thiế t bịđã phát triển đểđo vanạtốc dòng chả y kênh hở: - thiế t bịđo dòng chả y kiể u chân vị t (cánh quạ t) trục ngang - 97 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - thiế t bịđo dòng chả y kiể u cốc trục đứng - senxơđo vậ n tốc dòng chả y kiể u điệ n từ - phao - thiế t bịđo kiểu quảlắc - đầ u cọc đo vậ n tốc - ố ng Pitot - senxơđo vậ n tốc ứng dụng hiệu ứng siêu âm Doppler, đo vậ n tốc điểm hoặ c vậ n tốc toàn mặ t cắ t (thiế t bịADCP) phương pháp đầ u tiên thường sửdụ ng rộng rãi, vẫ n thiế t bị phổbiến; phương pháp lạ i dùng rộ ng rãi Việ c ứng dụ ng mộ t lạ i thiế t bịđo cụthểnào phụthuộc vào hoàn cảnh đị a phương, nhưmức độphổbiến, độchính xác cầ n thiế t, hay ngân sách Tấ t cảcác thiế t bịđề u đo vận tốc điểm: vậ n tốc tạ i mộtvịtrí cụthểtrên mặ t cắ t, ngoạ i trừADCP (Phầ n 4.3.12) Thiế t bịđo dòng chảy kiể u chân vị t (cánh quạt) Thiế t bịđo dựa nguyên lý chân vị t trục ngang với quãng (cường độpitch) cụthểđược dòng nước (phầ n tửnước) chả y qua làm quay Mỗ i vòng tua chân vị t sẽtương ứng với quãng đường di chuyể n nhấ t đị nh dòng nước (phầ n tửnước) tương ứng với quãng chân vị t Sốvòng tua đo mộ t quãng thời gian nhấ t đị nh sẽcho ta giá trịvậ n tốc, tủy theo công thức kiể m đị nh chân vị t Phương trình kiểm đị nh phổbiến có ng: v= K.n+∆ (4.10) v = vậ n tốc dòng chả y (m/s) -1 n = sốvòng tua chân vị t (s ) K = quãng thủy lực (hydraulic pitch) chân vị t (m) (xác đị nh từcác lầ n chạy thử) - 98 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten = hằ ng sốđo đặc trưng (m/s) (xác đị nh từcác lầ n chạy thử) Sốvòng tua – xung chân vị t – đo bằ ng mộ t thiế t bịđếm Trong hầ u hết trường hợp, xung có thểđế m khoả ng thời gian đị nh trước 30, 40, 50, 60 hay 100 giây Reset về0 bằ ng mộtnút bấ m Có hai loạ i thiế t bịđo dòng chả y kiểu chân vị t chủyế u thường sử dụng: thiế t bịđo dòng chả y mini sửdụng phòng thí nghiệ m thủy lực, kênh nhỏ.Thiế t bịđo cốđị nh trực tiếp vào mộtque Các kích thước chủyếu: đường kính chân vị t: 30 đế n 50 mm quãng chân vị t: 50, 100, 250 hay 500 mm chiề u dài que: 1, hay mét thiế t bịđo dòng chả y tồn cầ u sửdụng sông kênh sâu Thiế t bị đo ửdụng mộ t que rạ ch hay sơng nơng có dòng chả y chậ m, hoặ c với cáp, treo sông lớn trường hợp sau, trình đo tiến hành với trống tời đơn mộ t cầ u hay thuyền, bằ ng mộthệthống đường cáp treo (Phầ n 4.3.5) Các kích thước chủyếu: đường kính chân vị t: 80 125 mm quãng chân vị t: 125, 250, 500 1000 mm chiề u dài que: 3, 4, hay mét Khi vậ n tốc dòng chả y bé, chân vị t với quãng nhỏsẽđược sửdụng, vậ n tốc dòng chả y lớn, cầ n lựa chọn chân vị t vớiqng lớn Hình 4.11 thểhiện thiế t bịđo dòng chảy toàn cầ u gắn mộ t que - 99 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Thiế t bịđo dòng chảy cần đặ t theo chiề u dòng chảy (hướng vềphía thượng lưu) Hình 4.11: Thiế t bịđo dòng chảy toàn cầu gắn que (theo Thủy lực Seba) Hình 4.12: Thiế t bịđo dòng chảy tồn cầu treo cáp (theo Thủy lực Seba) Sửdụng thiế t bịđo gắ n que, kiến nghịnên bốtrí cho que đĩ a đáy, để ngă n không cho que cắ m sâu vào đáy sơng Thêm vào đó, kiế n nghịgắ n thiết bịchỉđị nh đỉ nh que, song song với thân thiế t bịđo, đểcó thểđả m bả o thiế t bị đo dòng chả y nằ m chiều Khi sửdụng thiế t bịđo với cáp treo, thân thiết bịđo có trọng vậ t đểgiữcho cáp treo ởvi trí gầ n nhưthẳ ng đứng Trọ ng vậ t có thểnặ ng 5, 10, - 100 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 25, hay 100 kg tùy theo trường hợp (dòng chảy cành mạ nh cầ n trọng vật nặ ng) Tuy nhiên, độxiên cáp treo với phương thẳ ng đứng lớn 15 sai sốđộsâu cầ n phả i nh theo tiêu chuẩ n quốc tếISO/TR 9209: Xác đị nh độhiệu nh đường ướt (wet-line correction) Các thiế t bịđo sửdụng cáp treo cung cấ p với cánh đuôi đểđị nh hướng thiế t bịđo theo chiề u dòng chảy Hình 4.12 thểhiện thiế t bịđo dòng chả y sửdụng cáp treo với mộttrống tờiđơn Vậ t liệ u chếtạ o chân vị t nhôm tĩ nh điện, đồng thau, hoặ c chấ t dẻo chị u va đập Vậ n tốc tố i thiểu đểcó thểđo đạc bằ ng thiế t bịđo kiểu chân vị t v = 0,03 0,06 m/s, tùy thuộc vào đường kính quãng chân vị t Sai sốkhi đo đạ c vậ n tốc dòng chảy phụthuộc nhiều vào độlớn nó: vậ n tốc dòng chả y lớn sẽđược đo đạ c vớisai sốnhỏ,trong vậ n tốc dòng chả y nhỏsẽcó sai sốtương đốilớn Lỗi trường hợp sau có thểgiả m bằ ng cách đo quãng thời gian dài hơn, t > 60 s Thiế t bịđo dòng chả y kiể u chân vị t cơng cụtuyệt vời đểđo nhanh xác, với điề u kiện bả o dưỡng cẩn thậ n ý đặ c biệ t sử dụng thiếtbị : cầ n kiểm đị nh chân vị t thường xuyên Thiế t bịđo dòng chảy kiể u cốc: Thiế t bịđo dòng chả y kiểu cốc bao gồm rơto, chếtạ o từmột sốcác cốc hình nón cốđị nh tạ i góc đề u mộ t khung bốtrí theo trục dọc (có thể so sánh vớithiế t bịđo vậ n tốc gió) Thiế t bịđo có thểsửdụ ng với cảque cáp treo Senxơđo vận tốc dòng chảy kiểu điệ n-từ (EMS – Electro magnetic flow velocity sensors) Nguyên lý hoạ t động senxơdựa Đị nh luậ t Faraday, lầ n đầ u tiên phát hiệ n vào nă m 1832: “Một dây dẫ n điệ n chuyển động từtrường sả n sinh điệ n ” Tương tựnhưvậy, nước (thểdẫ n điệ n) chuyển động từtrường, - 101 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten điệ n thếsẽđược sinh tỷlệtuyế n tính với vậ n tốc dòng nước Ứng dụng thực tế khái niệ m thểhiệ n thiết bịđo vậ n tốc dòng đường ố ng thiếtbịđo vậ n tốc tàu thủy từnhiều năm trước Hiện nguyên lý điệ n dẫ n-từtrường ứng dụng đo đạc vậ n tốc điể m cho dòng chả y kênh hở, tạ o mộ t lựa chọn khác vềthiế t bị bên cạ nh thiế t bịđo vậ n tốc dòng chả y kiểu quay truyền thống (kiể u chân vị t kiể u cốc) Hình 4.13 thểhiện mộtsenxơgắ n que Hình 4.13: Senxơkiể u điệ n-từ(theo Ott, senxơđo dòng chảy) Đị nh luậ t Faraday: E=B.b.v (4.11) E = điệ n thếđo (sức điệ n độ ng, đo bằ ng vôn) B = cường độcủa thơng lượng (dòng) từtrường b = chiều dài vậ t dẫ n điện (khoả ng cách hai điệ n cực) v = vậ n tốc dòng chả y - 102 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hiệu điện thếthu từsenxơsẽđược lấ y trực tiế p từhai điệ n cực, khuếch đạ i lên thểhiện trực tiế p theo đơn vịvậ t lý (m/s) Senxơđo vậ n tốc kiểu điệ n-từlà thiế t bịthích hợđểđo dòng chả y điều kiện nước nông (dùng que) Độdẫ n điện tố i thiểu cầ n thiế t cho vậ t liệ u (thể ) đo S (trong độdẫ n điệ n nước sạ ch vào khoả ng 50 S) Hình 4.14: Lược đồphác thảo đị nh luật Faraday (theo Ott, senxơđo dòng chảy) Điệ n nă ng cung cấ p 10 viên pin 1,5V sẽđủđểhoạ t động khoả ng 30 Khố i lượng senxơkhoả ng 0,5 kg Thiế t bịchỉthịvậ n tốc có bàn phím cho phép lựa chọn khoả ng lấ y trung bình theo bước khoả ng đế n 60 giây Sốđọc trực tiế p đầ u theo m//s chỉthịtrên hình Phao Phao cơng cụđơn giả n nhấ t đểđo vậ n tốc dòng chảy Thời gian đểphao trôi khoảng cách nhấ t đị nh hai đường ngang cốđị nh trước là - 103 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten thước đo vậ n tốc dòng chả y Đo đạ c lưu lượng dòng chả y theo phương pháp sử dụng phao sẽđược thả o luậ n phầ n 4.3.11 Thiế t bịđo dòng chảy kiể u quảlắc Thiế t bịđo dòng chả y kiểu quảlắ c sửdụng đểđo vận tốc dòng chảy kênh sơng nơng, dựa nguyên lý vậ t kim loạ i hoặ c chấ t dẻo treo mộtsợi dây mả nh từthiế t bịđo sẽđược dòng chả y làm chuyển dị ch lệch so với phương thẳ ng đứng qua điể m treo Với đường cong kiểm đị nh từtrước, sốđọc vềgóc thiế t bịđo sẽđược quy đổi vận tốc Cầ n có phép điề u nh cho độcong dây Một bộthiết bịđo dòng có nhiều vật treo với hình ng khối lượng khác nhau, sửdụng khoả ng vậ n tốc nhấ t đị nh Hình 4.15 thểhiện thiế t bịđo kiểu quảlắ c KLM, có thểdễdàng cầ m bằ ng tay, đo vậ n tốc khoả ng 2 m/s Thiế t bịđo dòng chả y kiểu quảlắ c có thểdễdàng sửa chữa bả o dưỡng trường, có thểchỉbịthấ t lạ c phầ n rẻtiền (vậ t treo) Thiết bịnày cho số đọc thực vềvậ n tốc dòng nước, người quan sát sẽđược cảnh báo có vấ n đềgì đó, chẳ ng hạ n thuyền đo bịchuyển động gió (hay vậ t treo rơi mấ t) - 104 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.15: Mộtthiế t bịđo dòng chảy kiểu quảlắc phổbiến (theo Nedeco, 1973) [1 Thang đo cho góc hợp vớiphương đứng; Phao kim loạibề n; ống bọt; Thiế t bịchỉđị nh độsâu] Một vài thiế t bịđo – nhưthiế t bịtrên hình 4.15 chẳng hạ n – chỉcó thểđo vận tốc dòng chả y, thiết bịđo loạ i khác có thểđo ln cảgóc hợp với phương ngang, thểhiệ n chiề u dòng chảy (trong vùng chị uả nh hưởng thủy triề u) Đầu cọc đo vận tốc Một cọc đo với hai cạ nh khác theo phương dòng chả y: cạ nh nhọn cạ nh tù ởphía đốidiệ n, đặ t vào dòng chả y Cọc hạthấ p dầ n xuống đế n đáy sông, với cạ nh nhọn hướng vềphía thượng lưu Chiều sâu h đọc cạnh nhọn Đểđo vậ n tốc dòng chả y, cọc quay góc 180 độsao cho cạ nh tù hướng vềphía thượng lưu Sóng nước dồn lên cạ nh tù sẽcao mực nước đo lúc trước thểhiệ n giá trịtrung bình vậ n tốc dòng chả y dọc theo thủy trực có chứa cọc Sốđọ c cạ nh tù thểhiện cột lượng (cột nước + cộtđộ ng nă ng) Vậ n tốc dòng chả y tính nhưsau: v 2g H h (4.12) H – h = cộtđộng (cộtnước lưu tốc) Thiế t bịnày thích hợp đểđo vậ n tốc dòng chảy lớn (v > m/s) chỉnên sửdụng đểđo gần Hình 4.16 minh họa đầ u cọc đo vậ n tốc Hình 4.16: Mộtđầu cọc đo vận tốc chia độ(1” = inch = 2,54 cm) Ống Pitot Đây mộtthiế t bịnổitiếng phòng thí nghiệm thủy lực Nó thích hợp để đo vậ n tốc cao, bằ ng cách đo cột nước áp suấ t h cột nước nă ng lượng H vịtrí nhấ t đị nh - 105 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Sau vậ n tốc tính từ: v 2g H h Dụng cụnày thích hợp đểđo đạ c dòng chảy với vậ n tốc lớn (v > m/s) Tuy nhiên, ố ng Pitot sửdụng kế t hợp với mộtthiế t bịbiến đổ i áp suấ t khác độ chênh áp suấ t (H – h) sẽđược đo cách xác, cho ta kế t quảchính xác thậ m chí với dòng chảy vậ n tốc nhỏ Senxơđo vận tốc ứng dụng hiệ u ứng siêu âm Doppler Senxơđo vậ n tốc bằ ng hiệ u ứng siêu âm Doppler đo vậ n tốc bằ ng cách phát sóng âm liên tục với tầ n sốđị nh trước vào dòng chả y Khi âm bịdội trởlạ i bời mộ t hạ t chuyển động (các hạ t lơlửng) dòng nước, tiếng vọng quay lạ i senxơsẽcó tầ n sốkhác Hiệu ứng dị ch chuyể n tầ n sốcủa Doppler có mốiliên hệtrực tiế p với vậ n tốc hạ t chuyể n động qua dả i âm Thiế t bịđo vậ n tốc tồn dòng chả y bằ ng hiệ u ứng âm Doppler (ADCP – Acoustic Doppler Current Profiler) mô tảtrong phầ n 4.3.12 Các thiếtbịđo vậ n tốc dòng chảy thểhiệ n bả ng 4.4 Bảng 4.4: Tổng hợp thiế t bị Ứng dụng Thiế t bị Thiế t bịđo vậ n tốc kiểu chân vị t Ứng dụng rộng rãi toàn cầu Thiế t bịđo vậ n tốc kiểu cốc Ứng dụng rộng rãi Senxơkiể u điệ n từ Nước nông, gắ n cọc Phao bềmặ t Cho dòng chả y cực nhanh hoặ c cực chậm, độchính xác thấ p Thiế t bịđo dòng chả y kiể u quảlắc Ít dùng, cổđiể n Đầu cọc đo vậ n tốc Dùng đểước lượng vận tốc, khơng xác cho dòng chả y có vận tốc nhỏ Ống Pitot Ứng dụng phòng thí nghiệ m Trên mộtque hay cáp treo n 4.3.12 ADCP, thiế t bịhiệ n đại Senxơđo vậ n tốc ứng dụ ng nguyên Xem phầ lý Doppler - 106 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 4.3.5 Đo vận tốc Vịtrí mặt cắt Việ c bốtrí thủy trực mộ t mặ t cắ t phụthuộc nhiều vào liệu ta sửdụng thuyề n hay không, thiếtbịneo, chiề u rộng hình ng mặ t cắ t Mộtvài ví dụ: Sơng lội qua Trong dòng chả y nhỏ , nông, đo đạ c tiế n hành bằ ng cách lộ i qua Thiế t bị đo dòng chả y gắn mộtque đo có chia độ , có gắ n đĩ a đáy Trong hầu hết trường hợp, việ c đị nh vịđược tiến hành mặ t cắ t bằ ng cách sửdụng thước dây, buộc chặ t vào cảhai bờbằ ng cọc (chốt) Vịtrí hoạ t động khơng ả nh hưởng đế n điều kiệ n dòng chả y quanh thiế t bịđo dòng chả y: vịtrí tố i ưu chéo phía hạlưu thiết bịđo cách khoả ng cánh tay Que cầ n giữthẳ ng đứng vớithiế t bịđo nằ m theo chiề u dòng chả y Đo đạc từtrên cầu (Hình 4.17) Hình 4.17: Đo đạc từtrên cầu Ưu điể m: - dễđị nh vị - không cần thuyề n Nhược điể m: - sựcả n trởcủa trụhoặ c mốcầ u sẽả nh hưởng đế n điề u kiện dòng chả y Các trụvà mốcầ u cầ n phả i sạ ch rác trôi nổi(không bịnghẽ n) - 107 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Thuyề n đo dọc theo mộtdây cáp căng ngang sơng (Hình 4.18) Ưu điể m: - xác đị nh vịnhanh chóng; khơng gặ p phả i vấ n đềneo buộc Nhược điể m: - n trởgiao thông thủy sơng - chỉáp dụng cho dòng chả y khơng rộng - cầ n có thiế t bịneo cốđị nh cáp bờ Hình 4.18: Đo đạc dọc theo mộtdây cáp Thuyề n tựneo Ưu điể m: - có thểsửdụng thuyề n lớn hơn, cho ta nhiề u tiện nghi - không bịhạ n chếbởi bềrộng sơng Nhược điể m: - cầ n có thiế t bịneo - dòng chảy cần đủsâu - n gió - tố n thời gian rấ t nhiều đểdi chuyể n thuyền vịtrí đo mặt cắ t đo Đường cáp treo Hệthống đường cáp treo xây dựng đểthu thậ p đo đạc vềdòng chả y hoặ c vậ n chuyển bùn cát mặ t cắ t ngang Việc sửdụng đường cáp treo giả m thiểu rủi ro với người vậ n hành làm việc cầ u hoặ c thuyền - 108 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Có thểthu vịtrí thiết bịđo tạ i mỗ i thủy trực tạ i bấ t kỳđộsâu thiếtbịđế m khoả ng cách độsâu Khi sửdụ ng mộtđường cáp treo tựđộng (khơng người lái) Hình 4.19 thểhiện đường cáp treo tựđộng với xe cáp Hình 4.19: Mộtđường cáp treo điể n hình (theo Khảo sát đường thủy Canada, 1984) Các đường cáp treo sửdụng chủyếu cho sông dốc Nhị p cáp thường dao động khoả ng 40 tới 400 mét Độvõng chủyế u cáp tùy thuộc vào bề rộng nhị p, đường kính bó cáp (19 29 mm) tả i trọng Vịtrí sốlượng thủy trực mộtmặt cắtngang Hình 4.20: Vịtrí thủy trực mộtmặt cắtngang bất quy tắc Sốlượng: xem phầ n 4.3.2 tiêu chuẩ n ISO có liên quan - 109 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Vịtrí: - thơng thường, thủy trực cầ n bốtrí cách - vài trường hợp (với mặ t cắ t rấ t bấ t quy tắ c), khoả ng cách điề u nh tùy theo tình hình, nhưthểhiệ n hình 4.20 Khi cân nhắ c sốcác thủy trực cụthể(m), ta áp dụng tiêu chí sau (theo tiêu chuẩn ISO): Bảng 4.5: Sốlượng thủy trực nhưmột hàm bềrộng dòng chảy Bềrộng dòng chảy (m) Sốlượng thủy trực m b < 0,5 0,5 < b < 1,0 4÷5 1,0 < b < 3,0 5÷8 3,0 < b < 6,0 ÷ 12 b>6 12 Sốlượng vịtrí điể m đo thủy trực Sốlượng: xem phầ n 4.3.2 Vịtrí: có thểcó nhiề u cách tiếp cậ n cân nhắ c đánh giá: - thông thường, ta sẽáp dụng phương pháp ba điể m theo đềxuấ t tiêu chuẩ n ISO, với điề u kiện phân bốvận tốc có dạng parabol - vài trường hợp, phân bốvận tốc không phả i ng parabol, hoặ c ng phân bố, đềxuấ t dùng phương pháp chia khoả ng Nế u sửdụ ng n điể m, chẳ ng hạ n điể m gầ n mặ t nước đế n mức , điểm gầ n đáy đế n mức , điểm khác phân bốcách đề u khoả ng điểm Lưu ý: đo đạc vậ n tốc ởđiểm có thểsẽrấ t khơng xác, hay người vậ n hành khơng nhậ n ra, chí sai sựhiệ n diện chướng ngạ i vậ t, ví dụnhưcác đụn cát cao đáy sơng, nhưthểhiệ n hình 4.21 - 110 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.21: Đo đạc vận tốc mộtkênh phù sa có đụn cát Trong cân nhắ c sốđiể m đo cụthể(n) thủy trực, có thểáp dụng tiêu chí sau 4.3.6 Xác đị nh vận tốc trung bình thủy trực Vì sựbiến đổiđiều kiệ n dòng chả y tương đố i chậm sông không chị u ảnh hưởng thủy triều, việc đo đạ c vậ n tốc có thểđược tiế n hành bằ ng cách đo vậ n tốc thủy trực (cái nọtiếp theo sau kia) Đểcó thểđo đạ c toàn bộbiểu đồvậ n tốc thời gian tương đối ngắ n, biể u đồvậ n tốc có thểđược lấ y mẫ u tạ i sốhữu hạ n điể m quan trắ c, với điề u kiệ n phân bốvậ n tốc có ng parabol Bảng 4.6 Sốđiể m đo đạc n mộtthủy trực nhưmộthàm đ ộsâu dòng chảy Độsâu dòng chảy Sốđiể mn d < 0,25m 0,25 < d < 0,5 d > 0,5 Vậ n tốc trung bình dòng chả y thủy trực có thểđược xác đị nh bấ t kỳphương pháp sau đây, tùy thuộc vào thời gian cho phép xét đến độ xác, bềrộng chiều sâu dòng chả y, điề u kiệ n đáy - 111 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Phương pháp mộtđiểm v v ,6 (4.13) v0,6 vậ n tốc đo tạ i 0,6 d tính từmặ t nước Hình 4.22: Phương pháp điể m Phương pháp hai điể m Hình 4.23: Phương pháp hai điểm v 0,5 v ,2 v0 ,8 (4.14) v0,2 v0,8 đo tại0,2d 0,8d tính từmặ t nước Phương pháp ba điể m v 0,25v0 , 0,5v ,6 0,25v ,8 (4.15) sựkế t hợp phương pháp mộ t điể m phương pháp hai điể m Phương pháp điể m v 0,1( v s 0,3v 0, 2v0 ,6 3v0 ,8 v b (4.16) vs = vậ n tốc tạ i bềmặ t vb = vậ n tốc tạ i đáy - 112 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Phương pháp đồthị(Hình 4.24) Phương pháp sửdụng phân bốvậ n tốc chưa biết hoặ c có dạng không phả i parabol Thông qua điểm vẽlên đồthịcủa kế t quảđo (các giá trịvậ n tốc đo v1 , v2, ) ta thu biểu đồphân bốvậ n tốc theo phương đứng Bên điể m cao nhấ t bên điểm thấ p nhấ t, biểu đồđược ngoạ i suy lầ n lượt chạ m đường mặ t nước chạ m đáy Sửdụng đo diện tích, có thểxác đị nh diệ n tích gạ ch chéo Từđó, vậ n tốc trung bình xác đị nh theo cơng thức: v [diệ n tích gạ ch chéo (tính theo cm ) x tỷlệngang x tỷlệđứng] / tổng chiề u sâu nước thực (m) IHình 4.24: Phương pháp đồthị Ví dụ: diện tích gạ ch chéo 4,98 cm chiề u sâu nước 3,00 m tỷlệngang cm 0,5 m/s tỷlệđứng cm 1,00 m vậ n tốc trung bình thủy trực sẽlà: v , 98 x , 50 x 1,00 = 0,83m/s ,00 - 113 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Phương pháp tích phân Phương pháp sửdụng có nghi ngờvềphân bốvậ n tốc Thiết bịđo dòng chả y hạxuống nâng lên mộtthủy trực với tốc độkhông đổ i rấ t thấ p (nhỏhơn 5% giá trịtrung bình lưu tốc dòng chả y nhỏhơn 0,04 m/s) Kiến nghịđo chu trình: hạxuống, kéo thiế t bịđo lên Phương pháp thích hợp cho thiế t bịđo dòng chảy dạng chân vị t senxơđo vận tốc dòng chả y kiểu điệ n từ(khơng dùng cho thiế t bịkiểu cốc) Vậ n tốc trung bình dòng chả y tạ i thủy trực – với phương pháp sử dụng thiết bịđo dòng chả y kiểu chân vị t – thu từđường cong kiểm đị nh chân viẹ t sốvòng tua trung bình chân vị t (tổng sốvòng tua chia cho tổng thời gian mộ t chu trình) 4.3.7 Xác đị nh tổng lưu lượng qua mặt cắt phương pháp sau đểtính tổng lưu lượng, mỗ i phương pháp dựa đo đạc vềđộsâu dòng chả y vậ n tốc trung bình theo độsâu sốthủy trực Phương pháp đồthị(hay phương pháp tích phân vận tốc theo chiề u sâu) Hình 4.25: Biể u đồvận tốc theo chiề u sâu (theo Hayes, 1978) - 114 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Lưu lượng mộ t đơn vịchiề u rộng q, tích giá trịvậ n tốc trung bình thủy trực v với chiề u sâu tương ứng ( v d), vẽlên tồn đường mặ t nước Có thểvẽmộtđường cong nối điểm v d nhưhình 4.25 Diệ n tích bao đường cong lưu lượng đơn vị , q = v d, tính bằ ng đo diệ n tích, với lưu ý đế n tỷlệcủa đồthị Phương pháp mặtcắttrung bình Mặ t cắ t xem nhưtạ o sốcác mả ng, hay mặ t cắ t con, mảng bao hai thủy trực liề n kề Nế u v1 v vậ n tốc trung bình lầ n lượt tạ i thủy trực I II, d1 d2 chiều sâu đo tạ i thủy trực I II tương ứng, “b” chiều rộng (khoả ng cách) hai thủy trực vừa nêu, lưu lượng mả ng (mặ t cắ t con) xét sẽđược tính theo công thức: v v2 d1 d Qp * *b 2 (4.17) Qp tổng lưu lượng thành phầ n qua mả ng xét Quá trình lặ p lạ i cho mả ng (mặ t cắ t con), tổng lưu lưộng tổng lưu lượng thành phầ n mặ t cắ t Với mả ng sát gầ n bờ, phương trình có thểsửdụng dạng như(4.17), có điề u vậ n tốc tạ i bờlấ y Cầ n biế t rằ ng vậ n tốc trung bình theo phương ngang tiế n vềphía gần bờ sẽcó ng phân bốparabol, có thểước lượng Qp cho mả ng gần bờmột cách tốt bằ ng công thức: Q p v1 * d0 d *b (4.18) b = chiều rộng từbờtới thủy trực I v1 = vậ n tốc trung bình thủy trực I Tổng lưu lượng tổ ng lưu lượng thành phầ n Qp - 115 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.26: Phương pháp Mặtcắt trung bình (theo Hayes, 1978) Phương pháp mặtcắtgiữa Hình 4.27: Phương pháp Mặtcắt (theo Hayes, 1978) Giảthiế t v d biế n đổ i theo quy luậ t đường thẳ ng, lưu lượng mỗ i phầ n sẽđược tính tốn bằ ng cách nhân v d với bềrộng tương ứng đo dọc theo đường mặ t nước Bềrộng cầ n lấ y bằ ng tổ ng hai nửa: nửa bềrộng thủy trực xét thủy trực liền kềbên trái, nửa bềrộng thủy trực xét với thủy trực liền kềbên phả i Khi lưu lượng thành phầ n qua thủy trực II sẽlà: - 116 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Qb v * d * b2 b3 (4.19) b2 = khoả ng cách theo phương ngang thủy trực I II b3 = khoả ng cách theo phương ngang thủy trực II III Giá trịcủa v d hai nửa bềrộng liề n kềvới hai bờcầ n lấ y = Tổng lưu lượng giờđược tính bằ ng tổng lưu lượng thành phầ n Qp Việ c sửdụng biểu mẫ u đo đạ c thích hợp vô quan trọng Bả ng 4.7 biểu mẫ u đo lưu lượng cho phương pháp sửdụ ng thiế t bịđo dòng chả y, ởđây sửdụng thiế t bịđo dòng chả y kiể u chân vị t ứng dụng phương pháp ba điể m - thông tin tổng quan: vịtrí thời gian, mực nước đo được, sốlượng chân vị t kiểm đị nh, quãng thời gian đo đạc t - đo đạ c hiệ n trường: vịtrí thủy trực, chiề u sâu nước đo số vòng tua chân vị t tạ i ba độsâu khác tính từmặ t nước - tính tốn tổng lưu lượng Bảng 4.7a: Mộtbiểu mẫu đo lưu lượng điề n hoàn nh Mực nước đ o được: Sông : Hạlưu sông Ranh KM 895 MSL + 10,74 m KM 910 MSL + 8,94 m Vị trí Ngày : KM 897 : 23-04-2996 Thời gian: 09.00 – 12.00 Chân vị t n 0,5 m /s Chai Mariotte Một lượng không đổ i q hỗ n hợp chấ t chỉthịđược bơm vào dòng nước, sử dụng chai Mariotte Đây dụng cụchứa có van ởđáy Khoả ng hởphía đỉ nh chai có thểbị t lạ i bằ ng nút cao su Nút cao su ống nhựa - 153 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten hởhai đầ u xuyên qua Chiề u dài ống cho đáy ống ln nằm phía van vài centimét Chai Mariotte hoạ t động nhưsau: - đổđầ y chai với hỗn hợp chấ t chỉthị(20 đế n 25 lít) đặ t tạ i vịtrí mong muố n ởvịtrí pha vào dòng chả y; - mởvan Mực chấ t lỏng ống nhựa sẽsụt xuống lậ p tức tới cao trình đáy nó, lúc tạ o áp suấ t thấ p áp suấ t khí quyể n tạ i phầ n phía chai (nút cầ n đậy chặ t); - từthời điể m này, áp suấ t tạ i đáy ống nhựa bằ ng áp suấ t quyể n Lưu lượng q qua van ln hằ ng sốvì cột (chấ t lỏng) phía van giữkhông đổi (cột chấ t lỏng bằ ng khoả ng cách nhỏtheo phương đứng đáy ống nhựa đường tâm van) mực chấ t lỏng chai hạxuống đế n ngang đáy ống nhựa Trong hỗn hợp chấ t thịchảy qua van, khơng khí hút vào chai thông qua ống nhựa; - vài giây sau dòng chấ t lỏng bắ t đầ u chả y ra, lưu lượng có thểđo bằ ng cốc đo thểtích (cốc lường) đồng hồbấ m giây Kiến nghịlặ p lạ i phép đo đạc sắ p kế t thúc trình đo Hình 4.38: Hoạt động chai Mariotte - 154 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Tổng thời gian pha chấ t chỉthịvào dòng chả y t tùy thuộc vào thểtích chai V kích thước van Lưu lượng cho phép q van quyế t đị nh cột nước h1 phía van độmởcủa Thời gian pha tố i đa t = V/q Lưu lượng cho phép có thểthay đổi bằ ng cách thay đổi độmởcủa van hay bằ ng cách thay đổicao độcủa đáy ống nhựa Với hầ u hế t chai Mariotte, dòng chả y có thểđiề u nh phạ m vi 15 < q < 50 (10-6 m3/s) Thểtích V chai Mariotte bình chứa mức khơng đổ i phụthuộc vào lưu lượng pha lỗng cầ n thiết q (tính từtỷlệpha lỗng cầ n thiế t 1000 < N < 30000) thời gian pha mong muốn < t < 30 phút Chấtchỉthị Có hai nhóm phân biệ t nhưsau: Các chấ t màu, nhưuranin (mộ t chấ t muối kiềm phát quang, sửdụng chấ t nhuộm màu, vậ t liệ u sinh học), hay rhodamine (chấ t đểnhuộm len, lụa) Nồ ng độcủa chúng đo bằ ng máy đo huỳ nh quang; Muối, nhưmuối tựnhiên NaCl Nồng độcủa có thểđo bằ ng cách đo độdẫ n điệ n hay nhiệ t độ,và bằ ng sựchuẩn độ(dung dị ch); Độdẫn điệ n, thường biể u diễ n bằ ng S/cm phụthuộc nhiều vào nhiệ t độnước Thiế t bịđo độdẫn điệ n cầ n phả i rấ t nhạ y bù đắ p cho ả nh hưởng Các yêu cầ u cơbả n với chấ t chỉthịlà: - dễhòa tan; - chấ t chỉthịkhông bịhấ p thụbởi bùn cát đáy thực vậ t mặ t cắt sông; - không ô nhiễm mơi trường (dễphân hủy); - chi phí thấ p Chấ t chỉthịrẻnhấ t muố i natri (NaCl), hay muối t thơng thường Thường khối lượng cầ n thiế t khơng lớn Khảnăng hòa tan 350 kg/m3 nhiệ t độnước 15 C - 155 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Khoảng cách hòa trộn Khoả ng cách (chiều dài) hòa trộn xác đị nh khoả ng cách điể m pha vào dòng chả y điể m lấy mẫ u, cho hỗn hợp hòa trộn hồn toàn khắ p mặ t cắ t Chiều dài phụthuộc vào khảnă ng hòa trộn, vốn hàm độrố i loạ n dòng chảy Có thểthu ngắ n chiề u dài hòa trộn nế u chấ t chỉthịđược phân bốđề u khắ p bềrộng mặ t cắ t từvịtrí pha vào dòng chả y Khi bơm vào dòng chả y từmột điể m (với sơng suối nhỏ ) chiều dài hòa trộn cần thiế t đểchấ t chỉthịđược hòa trộn hồn tồn cho công thức Rimmar: X Min ,13 B S2 C , C 2 g (4.41) g d Bs = bềrộng trung bình mặ t nước đoạ n đo (m) d = chiều sâu trung bình đoạn (m) 1/2 C = hệsốChézy đoạ n, 15 < C < 50 (m /s) g = gia tốc trọng trường (m/s 2) Ví dụ: Bảng 4.15: Chiề u dài hòa trộn (theo Rimmar) khoảng lưu lượng 1/2 Bềrộng Bs (m) C (m /s) Chiều sâu d (m) Xmin (m) Khoả ng gần lưu lượng Q (m3 /s) 0,50 20 0,15 0,02-0,10 2,00 25 0,35 90 0,5-1,5 10,00 30 1,00 1080 15-50 - 156 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Một vài tác giả , nhưDay (1977) cho thấy chiề u dài hòa trộ n ởcác sơng miền núi có thểước lượng nhanh bằ ng mộ t tham sốhình học đơn, bềrộng trung bình dòng chả y, từmộtphương trình đơn giả n: Xmin = 25 B (4.42) Phương pháp pha lưu lượng khơng đổiđơn giản hóa Trong phương pháp đơn giả n hóa này, q trình pha lỗng sơng mô phỏ ng xô: - sơng, lưu lượng Q sẽpha lỗng lưu lượng hỗn hợp chỉthịq từchai Mariotte, vốn có nồng độmuốiC1 độdẫ n điện EC1 Sau hòa trộn hồn tồn, độdẫ n tối đa tạ i mặ t cắ t lấ y mẫu trởthành EC2 - xô, lượng rấ t nhỏdung dị ch muối Vs (trong khoảng 10 ml) bơm vào bằ ng ống hút (dùng thí nghiệ m hóa) Sau lượng nước sông V thêm vào dung dị ch đểcho hỗn hợp đạ t đến độ dẫ n điện EC TỷsốN = V/Vs tỷsốpha loãng Lưu lượng sơng tính theo cơng thức V Q V S q (4.43) Bộdụng cụ: Bộdụ ng cụđầ y đủđểtiế n hành thí nghiệm pha lưu lượng khơng đổi đơn giả n hóa nhưsau: - chai Mariotte (với khung đểlắ p chai phía mặ t nước) - phễ u (đểđổđầ y chai với nước muối) - bình chứa nhựa (xơ 10 12 lít) - que (đểkhuấ y hỗn hợp nước muố i) - xilanh đo (500 ml) - ống hút (dùng thí nghiệ m hóa) ml ml - đồng hồbấ m giây - 157 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - thiế t bịđo độdẫ n điện (khoả ng từ0 đế n 5000 S/cm) - chấ t chỉthịUranin (đểcó thểthu hỗn hợp hòa trộn hồn tồn khắ p mặ t cắ t, cầ n xác đị nh chiều dài hòa trộn) - muố i (khoả ng đế n kg cho mỗilầ n đo đạ c, với bình 25 lít) Quy trình: Lựa chọn vịtrí dựa theo tiêu chí sau: - dòng chảy rố i - khơng có sơng suối nhánh - vậ t chấtchỉthịkhông bịhấ p thụbởi bùn cát thực vậ t - ưu tiên khu vực có dòng chảy thường từbên bờnày qua bờkia Bơm Uranin vào tạ i điể m pha vào dòng chả y, đểtìm vịtrí mặ t cắ t lấ y mẫ u Làm sạ ch chai Mariotte, phễu, xô nhựa, que, xi lanh đo, ố ng hút Chuẩ n bịdung dị ch muối xô bằ ng cách hòa trộn hồn tồn đế n kg muối với 25 lít nước sơng, cho vào chai Mariotte Lưu ý cho khơng đểsót lạ i muối chưa tan chai Đổnước sông vào xô thứhai đo độdẫ n điệ n EC (thông thường khoả ng 100 đế n 500 S/cm) Lắ p chai Mariotte vào vịtrí nơi dung dị ch muối sẽđược bơm vào dòng chảy (tạ i điể m pha vào dòng chả y) Mởvan đo sau dòng dung dị ch bắ t đầ u chảy vài giây, sửdụng xi lanh đo đồ ng hồ Lặ p lạ i đo đạ c lấ y giá trịtrung bình dòng chảy khỏi chai q Đểriêng xi lanh có dung dị ch muối (xem bước 10) Van lúc mởliên tục (bắ t đầu hoạ t động) Bước đế n mặt cắ t lấ y mẫ u với đồ ng hồbấ m giây thiết bịđo độdẫ n, tiế n hành đo độdẫ n 15 giây mộtlầ n Lưu lạ i kế t quảđo vào bả ng theo mẫ u Dừng đo (và bơm hỗn hợp) độdẫ n điệ n tạ i khu vực mặ t cắ t lấy mẫ u hằ ng số Giá trịnày sẽlà độdẫ n tố i đa EC 10 Lấy mộ t thểtích dung dị ch muối xác Vs với ố ng hút (1 < Vs < cc) mà trước ta đểriêng ởbước 7, cho vào xơ sạ ch 11 Đổnước sông sạ ch vào xô – sửdụng mộ t xi lanh đo đểhòa trộn với lượng Vs dung dị ch muối cho đế n độdẫ n điện hỗn hợp bằ ng với - 158 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten độdẫ n điệ n tối đa EC nước sông, đo ởbước Tổng lượng nước sông sạ ch V (sửdụng bả ng theo mẫ u) 12 Tính lưu lượng sơng theo cơng thức (Q = q V/Vs ) Ví dụvềđo đạc pha loãng Bả ng 4.16 thểhiện mộ t mẫ u đo đểđo lưu lượng sông với phương pháp pha lưu lượng khơng đổi đơn giả n hóa T rong ví dụnày, tỷlệpha lỗng V/Vs = 3025/5 = 605 Bả ng 4.16: Các mẫu đo đạ c cho phương pháp pha lưu lượng không đổ i đơn giả n hóa Mẫu: PHƯƠNG PHÁP PHA MUỐI Sơng : Silver Creek Dụng cụ : Tbịđo độdẫ n Ngày : tháng 4, 1998 Ghi : Thời gian : 11h 00 Loạ i : (Những) người quan trắ c : ABC EC0 Của sông trước pha muốivào q Lưu lượng chả y từchai Mariotte -1 441 µS.cm 45,5 cc/sec -1 EC2 EC tố i đa nước sông sau pha muối 824 µS.cm Vs Lượng dung dị ch muốicủa ống hút V Lượng nước thêm vào dung dị ch muố i ống hút 3,025 litres Q Lưu lượng Q V V q S cc 3, 025 x 45,5 27,5l / sec Kiểm tra lạ i xem giá trịsau có ổn đị nh khơng q = 460 cc/10sec 460 cc/10sec Dòng chảy khỏichai Mariotte - 159 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten BẢNG thời gian (s) 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 thời gian (s) 300 315 330 345 360 375 390 405 420 435 450 465 480 EC (S/cm) 441 445 463 488 515 540 564 592 621 653 687 711 736 756 777 780 783 791 800 806 EC2 = 824µS BẢNG V (lít) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 2,6 3,025 EC (S/cm) 812 816 819 823 825 824 824 824 824 819 805 791 775 EC (S/cm) 2630 1567 1203 1016 906 889 824 V = 3,025 l thểtích V bả ng lượng tích lũy nước sơng (tính theo lít) tính bước 11 - 160 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Phương pháp vận tốc đám Đây p nhanh khơng xác đểxác đị nh vậ n tốc trung bình bằ ng cách đo thời gian đểmộtđám chấ t lỏng bơm vào dòng chảy di chuyển hai trạ m đo Khi sửdụng phương pháp đám-muối, thời gian di chuyển đo hai cặ p đầ u đo độdẫ n điệ n; sửdụng đám-chấ t-nhuộm, ta dùng khí cụ đểxác đị nh hàm lượng huỳ nh quang hoặ c quan sát bằ ng mắ t 4.6 PHƯƠNG PHÁP LƯU LƯỢNG THỜI ĐOẠN 4.6.1 Giới thiệu Một bả n ghi lưu lượng liên tục ởmột trạ m đo có thểtính tốn từcác sốliệu ghi liên tục mực nước nhờquan hệmực nước – lưu lượng, gọi đường cong quan hệ Hình 4.49 thểhiện quan hệmực nước – lưu lượng cho trạ m dọc theo sơng Hình 4.49: đường cong quan hệmực nước – lưu lượng đặc trưng - 161 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Quan hệmực nước – lưu lượng xác đị nh bằ ng cách vẽlên giấ y đồthịlưu lượng đo nhưhoành độvà mực nước tương ứng nhưtung độ Hình dạng đường cong thu mộ t hàm đặ c trưng hình học đoạ n sơng hạlưu trạ m đo Các kết quảđo đạ c vẽnên sửdụng sốliệthu thậ p từmột phương pháp đo đơn lẻ ; hầ u hế t trường hợp phương pháp lưu tốc – diện tích Kiến nghịrằng phép đo cầ n tiến hành cho toàn bộkhoả ng, hình 4.49 Khi vẽđồthịsửdụng tỷlệtuyến tính cho cảhai trục, đường cong quan hệ có ng cong lõm quay xuống, thểhiện ng mộ t parabol Khi vẽtrên giấ y loglog sẽthểhiệ n hay vài đường thẳ ng Tạ i nhiề u trạ m, lưu lượng hàm nhấ t mực nước: đường cong quan hệduy nhấ t, không bịảnh hưởng nhiễ u động phía hạlưu Tạ i trạ m khác, quan hệcó thểbịbiế n ng có thểkhơng ổn đị nh, đặ c biệ t tạ i mực nước lũvà mực nước dòng chảy kiệ t: đường cong quan hệkhông nhấ t Nhiều đo đạ c cầ n cho mộ t trạ m xây dựng đểxác đị nh quan hệmực nước – lưu lượng Một đường cong quan hệmực nước – lưu lượng thiế t lập, kiế n nghịcầ n theo dõi thay đổi có thểbằng đo đạ c đị nh kỳ, nhấ t mười lầ n mỗină m Giảthiế t rằ ng phép đo đạ c lưu lượng tiế n hành chuẩ n xác chúng áp dụng cho quan hệmực nước – lưu lượng ổn đị nh, việ c thiế t lậ p phương trình tốn học Q = f(h w) sẽtỏra hữu ích: Trong phầ n này, nộ i dung sau sẽđược thảo luậ n: - kiểm soát - xác đị nh đường cong quan hệduy nhấ t - ngoạ i suy đường cong quan hệ - đường cong quan hệkhông nhấ t - 162 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 4.6.2 Kiểm soát Quan hệgiữa mực nước lưu lượng thường thiế t lậ p cho mộ t mặ t cắ t chọn trước sông hoặ c kênh nhân tạ o Điề u đặc biệt quan trọng cho phương pháp mực nước – lưu lượng phương pháp mực nước – độdốc – lưu lượng Mặ t cắ t chọ n trước cũ ng xem mặ t cắ t kiểm tra Nó quyế t đị nh yế u tốhình học mặ t cắ t thường đặ c trưng vậ t lý đoạ n sông hạlưu mặ t cắ t Đặ c trưng mặ t cắ t kiểm tra quy đị nh biể u quan hệmực nước – lưu lượng (hình ng, tính nhấ t hay khơng nhấ t, ) Hình 4.50: Mộtmặt cắtkiể m tra kiể u chảy xiế t (theo Sổtay Hiệ n trường cho Các nhà thủy văn, 1988) Hình 4.51: Một mặtcắt kiể m tra kiểu thu hẹ p (theo Sổtay Hiệ n trường cho Các nhà thủy văn, 1988) - 163 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Việ c kiểm soát phân loạ i nhưsau: Kiể m sốt mặtcắt: vịtrí co hẹ p tựnhiên hay nhân tạ o mặ t cắ t (thác nước, ghềnh đá, sỏ i) tạ o khu vực gia tốc dương Các nhiễ u động hạ lưu sẽkhơng có khảnă ng truyề n qua mặ t cắ t kiểm tra đểlên thượng lưu Kiể m soát lòng dẫn: mặ t cắ t khơng có tượng gia tốc dòng chả y, nơi gia tốc không đủđểngă n n nhiễu độ ng hạlưu truyền lên phía thượng lưu Đường cong quan hệphụthuộc vào đặc trưng hình học độnhám đoạ n sơng hạlưu khu vực kiể m sốt Chiề u dài đoạ n sông hạlưu - ả nh hưởng đế n đường cong quan hệ- phụthuộc vào lưu lượng độ dốc đường nă ng L :: Q/S Kiể m sốt cơng trình: khu vực co hẹ p nhân tạ o mặ t cắ t đậ p tràn máng, nơi có điề u kiệ n dòng chả y tựdo Hình 4.50 4.51 ví dụvềkiể m sốt bằ ng mặ t cắ t Trong nhiều trường hợp, mặ t cắ t ng kiể m soát phức hợp: thời kỳ lưu lượng thấ p, mặ t cắ t mộ t ng kiểm soát mặ t cắ t hoặ c kiểm sốt cơng trình, thời kỳnước đỉ nh, mặ t cắ t trởthành mộtdạ ng kiể m sốt lòng dẫ n Một ng kiểm sốt sửdụng cho việ c đo đạ c mực nước lưu lượng, gọi trạ m đo dòng chả y Thơng thường, nhấ t với sông phắ ng (vùng đồng bằ ng?), trạm đo mộ t ng kiể m sốt lòng dẫ n Tuy nhiên, , nên lựa chọ n mộtmặ t cắ t kiểm tra với chỗthu hẹp vĩ nh cửu 4.6.3 Xác đị nh đường cong quan hệduy Khi có mộtsốcác đo đạ c lưu lượng tạ i mộ t mặ t cắ t, có thểxácc đị nh quan hệgiữa lưu lượng mặ t cắ t mực nước tương ứng: đường cong mực nước – lưu lượng Đường cong xác nhấ t có thểthu đo đạ c phân bốđề u khoả ng hoàn nh mà mực nước có thểxuấ t T uy nhiên, thơng thường lưu lượng quan trắ c sẽkhơng phân bó mộtđường cong Các ý sau đưa cơsởhình ng đường quan hệmực nước – lưu lượng Khi kế t quảđo đạc vẽtrên giấ y loga, quan hệmực nước – lưu - 164 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten lượng cho sơng với biểu đồtheo phương dọc dòng chảy gầ n nhưđề u có ng mộ t đường thẳng với mực nước kiệ t nhấ t Tạ i mực nước cao hơn, đường quan hệsẽthường trơn thuậ n việc ngậ p khu vực chứa rộng: đồng bằ ng lũ,các hồchứa, Các kế t quảđo lưu lượng mực nước tương ứng thường biể u diễn điể m biểu đồQ – hw, giá trịlưu lượng hồnh độvà mực nước tung độ Do điề u kiệ n tựnhiên ln biế n đổi q trình tiến hành đo đạ c, dễthấ y điể m chấ m lên đồthịkhông nằ m mộ t đường cong trơn Do đó, cầ n vẽmột đường cong truy hồ i qua tấ t cảcác điể m cho khít tốt Có nhiề u phương pháp sửdụng đểxác đị nh đường cong truy hồi hợp lý nhấ t Mặ c dù yêu cầ u chung đường cong trơn thuậ n, ta cần nhậ n thức sai khác biến đổi đột ngột tạ i sốmực nước nhấ t đị nh, xả y khu vực chứa bịngậ p Bước đầ u tiên vẽmột đường cong hoặ c mộ t phầ n bằ ng ước lượng mắ t, sau tính tốn xong đường cong quan hệ Tính tốn quan hệmực nước – lưu lượng Giảthiế t dòng chả y ổn đị nh, có hai ng phương trình chủyế u sửdụng: phương trình mũ , sửdụng rộng rãi cho việ c xác đị nh đường cong phù hợp với dữliệ u mực nước – lưu lượng Q = a(hW – h0)b (4.44) phương trình bình phương, thích hợp nhấ t cho mục đích ngoạ i suy Q = a(hW – h0) + c(hW – h0) +d Q = lưu lượng (m3/s) hw = mực nước đo (m) h0 = mực nước Q = - 165 - (4.45) Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten a, b, c, d = tham sốtạ i trạ m Hình 4.52: Đường cong quan hệvẽtrên giấy tuyế n tính Trong hầ u hế t trường hợp, phương trình mũđược áp dụng đểxác đị nh đường cong quan hệhoặ c phầ n Phương pháp bao gồm hai bước: xác đị nh h0 xác đị nh a b bằ ng phép biế n đổilog (lấ y loga hai vế ) Phương pháp mô tảdưới minh họa bằ ng mộ t ví dụ Trong hình 4.52, mộ t sốđo đạ c mực nước – lưu lượng chấ m lên vẽqua mộtđường cong trơn mắ t Đểxác đị nh h0 , ba giá trịcủa lưu lượng Q1 , Q2 , Q3 chọn từđường cong cho Q 22 Q1 Q Nế u giá trịtương ứng mực nước h1, h2, h3 kiểm chứng lạ i dựa phương trình 4.44: h1 h3 h22 h0 h1 h3 2h2 (4.46) - 166 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.53: Đường cong quan hệvẽtrên giấy tỷlệloga - loga Sau xác đị nh h0 , giá trịcủa Q (hw – h0) vẽlên giấ y log-log sẽnằ m gầ n nhưtrên đường thẳ ng (xem hình 4.53) Do vịtrí gián đoạ n có thểsẽđược xác đị nh phầ n tương ứng đường cong sẽđược xửlý riêng, trởnên rõ ràng (Trong ví dụcủa chúng ta, đường cong biể u diễ n phầ n đơn lẻ ) Các biến đổi loga phương trình 4.44 dẫ n tới logQ = loga + blog(hW – h 0) hoặ c thay Y = logQ, a0 = loga , (4.47) X = log(hW – h0) Y = a0 + bX Do Y a N b.X XY a X b.X 0 (4.48) phương pháp bình phương nhỏnhấ t (4.49), 2 (4.50) N sốdữliệu - 167 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Tham sốa0 (và a) b tính theo phương pháp bình phương nhỏ nhấ t Thay giá trịtìm h0, a, b vào phương trình 4.44 dẫ n tới mơ hình tốn đường cong quan hệtrên phần xét Các phầ n khác nối với nhau, từđó ta thu đường cong quan hệ Lưu ý rằ ng với lòng dẫ n rộ ng hình chữnhậ t, a B S /n b 5/3 1/2 B = bềrộng lòng dẫ n S = độdốc lòng dẫ n n = hệsốManning Trong trường hợp mặ t cắ t biế n đổi mạ nh, chẳ ng hạ n với mặ t cắ t phức hợp, cầ n có phương trình khác cho khoả ng khác mực nước Khoảng phương trình có thểquan sát từbiể u đồloga-loga mực nước – lưu lượng chỗgãy đường quan hệ Đểtìm pt, ta nên sửdụng khoả ng chồng lắ p khoả ng đểcó giao điể m phương trình nằ m gầ n nhưtạ i cao độcầ n thiế t Ví dụ: - giá trịđo đạ c hiệ n trường hw lưu lượng Q thểhiệ n biểu đồ 4.52 Bảng 4.17: Tính tốn đường cong quan hệsửdụng phương pháp bình phương nhỏnhất Qmeas 22,0 26,4 42,1 49,1 56,7 59,9 74,5 75,7 hw 1,68 0,73 0,87 1,15 1,32 1,41 1,52 1,72 1,80 y=logQ 1,342 1,422 1,624 1,691 1,754 1,777 1,872 1,879 x=log(hw 1,68) -0,1367 -0,0605 +0,0607 +0,1206 +0,1492 +0,1818 +0,2355 +0,2553 xy -0,1834 -0,0860 0,0986 0,2039 0,2617 0,3231 0,4409 0,4797 - 168 - x 0,0187 0,0037 0,0037 0,0145 0,0223 0,0331 0,0555 0,0652 Qcale 21,4 27,5 41,1 50,0 55,0 61,2 73,1 78,0 XQ(%) -2,7 +4,2 -2,5 +1,9 -3,0 +2,2 -1,9 +3,1 Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 90,9 95,6 117,5 119,6 136,0 137,4 158,7 1,97 2,12 2,33 2,47 2,62 2,73 2,91 1,959 1,980 2,070 2,028 2,134 2,138 2,201 27,921 +0,2945 +0,3263 +0,3674 +0,3927 +0,4183 +0,4362 +0,4639 35,052 0,5769 0,6461 0,7605 0,8160 0,8927 0,9326 1,0210 71,843 0,0867 0,1065 0,1350 0,1542 0,1750 0,1902 0,2152 12,795 88,8 98,6 112,9 122,8 133,6 141,7 155,3 -2,3 +3,2 -3,9 +2,6 -1,8 +3,1 -2,2 b 1,433 ,1843 3,5052 a 1, 2795 a0 1,527 a1 33,6 27,921 15a 3,5052 b Q 33,6 (hW 1,68) 1,433 X Q 100 Qcale Qmeas (%) Qmeas Hình 4.54: Mặt cắtngang sơng có đồng lũ - chọn giá trịQ từđường cong trơn vẽtay, có hw nhưsau: Q1 = 30 m3 /s h1= 2,60 m Q3 = 145 m /s h3= 4,46 m Q2 30 *145 = 66 m3/s h2= 3,28 m h h h2 h0 = 1,68m h1 h3 2h2 - vẽcác sốliệ u (hw – 1,68) Q lên giấ y loga-loga Hình 4.53 thểhiện mộtđường thẳ ng đơn Từhình 4.53 có thểthấ y độdốc đường cong quan hệđược biể u diễn - 169 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten log Q b log hW h Vớikênh lăng trụ: 1,3 < b < 1,8 - tính tốn a b sửdụng phương pháp bình phương nhỏnhấ t Bả ng 4.17 thểhiệ n kếtquảtính tốn 3 Với phạ m vi đo đạ c 20 m /s < Q < 160 m /s, đường cong quan hệtrong điề u kiện dòng chảy ổn đị nh biểu diễ n dướidạ ng: 1,433 Q = 33,6(hW -1,68) Đồng lũ(Là khu vực ven sông bịngập mực nước sơng cao) Nế u đồng lũđóng vai trò chuyể n tả i dòng chả y mực nước cao hết mặt cắ t, thi lưu lượng cấ u thành bởihai phầ n: qsông = hB1 C1 h.S (4.51) Qđồng lũ= h h1 B B1 C2 h h1 S (4.52) Hình 4.55: Đường cong quan hệcho sơng có đồng lũ Trong ví dụnày, giảthiế t rằ ng đồng bằ ng lũcũng có độdố c đáy nhưđáy sơng, tổng lưu lượng trởthành: Q h.B1 C1 h.S h h1 B B1 C h h1 S - 170 - (4.53) Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten phương trình minh họa ởhình 4.55 Đường cong quan hệthay đổiđáng kểkhi đồ ng lũbắ t đầ u bịngậ p nế u tỉsốchiều rộng toàn bộphầ n ngậ p B chia cho chiề u rộng đáy sông B lớn 4.6.4 Ngoại suy đường cong tỷlệ Các giá trịlưu lượng khó đo đạ c nhấ t giá trịrấ t thấ p rấ t cao Đặ c biệ t thiếu đo đạ c thời kỳdòng chảy đạ t đỉ nh, mộtvấn đề Có nhiề u phương pháp xây dựng đểngoạ i suy đường cong quan hệ.Khảnăng ứng dụng chúng phụthuộc vào hình ng mặ t cắ t Nếu mặt cắ t khơng thay đổ i ngồi phạ m vi đo đạc được, đường thẳ ng biểu đồ loga-loga có thểngoạisuy Ngồi việc ngoạ i suy dựa diệ n tích vậ n tốc sửdụng Ngoại suy đường quan hệtrong biểu đồloga-loga Đường cong quan hệđược thiếtlậ p từcác đo đạ c có xác đị nh phương trình 4.52: Q = a(hW - h0) b Sau tính h0 với phương trình 4.46, quan hệQ (hw – h0) vẽlên giấ y tỷ lệloga-loga Lúc có thểnhìn thấ y chỗgián đoạ n, phầ n biểu đồcầ n xửlý riêng trởnên rõ ràng TỷlệQ = a(hW - h 0)b biểu diễ n phầ n giá trịđược ngoạ i suy từcác đo đạc tạ i cao nhấ t Ngoại suy diệ n tích vận tốc (xem hình 4.56) Dựa đo đạc hiệ n có vềhw Q = v A , vậ n tốc trung bình v diện tích mặ t cắ t ngang A vẽlên quan hệvới hw Đường cong hw ~ A vẽvà ngoạ i suy bằ ng tay, có lưu ý đến bấ t quy tắc có thểnảy sinh chẳng hạ n nhưtạ i cao trình dòng chả y tràn lòng bắ t đầ u tràn lên mặ t đồng bằ ng lũ - 171 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.56: Ngoại suy diệ n tích vận tốc với chiề u sâu nước Đường cong hw ~ v vẽvà ngoạ i suy sửdụng phương trình Manning v R S n (Lấ y n S hằ ng sốcho đo đạc hiệ n có) Lưu lượng tương ứng với mực nước ngoạ i suy he Qe = v e Ae Ngoại suy mức độvận chuyể n độdốc Khi mặ t cắ t thay đổi (từsơng lên đồng bằ ng lũ ) vậ n tốc khác có thểxuất hiệ n mặ t cắ t, phương trình Manning Chézy cầ n áp dụng riêng cho phầ n Hình 4.57: Ngoại suy dòng chảy lũsửdụng phương pháp độdốc vận chuyể n - 172 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.58: Sóng lũtruyề n đixuôi theo sông (phác họa) (theo Nedeco, 1973) Trong phương pháp mức độvậ n chuyển – độdốc (xem hình 4.57), mức độ vậ n chuyển độdốc đường nă ng ngoạ i suy riêng rẽ Phương trình Manning: Q R n Q K S S A (4.54) (4.55) mức độvậ n chuyể n K = A R n (4.56) CảK S hàm cao trình mực nước đo hw Mức độvận chuyển K có thểđược ngoạ i suy dựa giá trịđo đạc mặ t cắ t A R Độdốc đường nă ng S ngoạ i suy bằ ng cách kéo dài khoả ng đo đạc lưu ý rằ ng S có xu hướng tiế n tới hằ ng sốtạ i mực nước cao hơn: tiệm cậ n tới độdốc đáy sông 4.6.5 Các đường cong quan hệkhông Một quan hệQ~h khơng nhấ t có thểđược tạ o mộ t nguyên nhân sau: - 173 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - mực nước tă ng lên hoặ c hạxuống (sóng lũ ) - thay đổi diện tích mặ t cắ t ngang (thay đổihình thái) - thực vậ t thay đổi - hiệu ứng nước ngược (ảnh hưởng hạlưu) Mực nước tăng lên hạxuống (sóng lũ) B Từphương trình Chézy Q C S h dB ta có: mộ t thay đổ i vềđộdốc mặ t nước cũ ng sẽlàm thay đổilưu lượng Một cách tổng quát, độdốc đường mặ t nước trởnên dốc lưu lượng tă ng lên, lưu lượng lớn (lâu dài) tương đương với độsâu nước lớn Điề u nược lại xả y lưu lượng giảm Do sóng lũtruyền qua, sinh tượng dâng sụt mực nước, lưu lượng cao thời kỳ nước dâng lên, nhỏhơn thời kỳnước sụ t xuống Hình 4.59: Phác họa đường cong quan hệmực nước – độdốc cho sơng (theo Nedeco, 1973) (a) Sơng thượng lưu; (b) Sơng hạlưu Khi vẽquan hệgiữa độdốc mặ t nước mực nước sông, ta thu đường cong độdốc – mực nước, bạ n sẽthấ y rõ đường cong nhưvậ y khép kín Khi độdốc mặ t nước tính từđộsai khác mực nước chia cho khoả ng cách hai trạ m đo, đường khép kín biểu đồmực nước – độdốc trở nên rõ rệ t thời gian di chuyể n sóng lũcũng tính đến Đường khép kín trởnên rõ rệ t dung tích chứa nước tạ i hai trạ m đo thậ m chí bịlấp đầy rút sóng lũ.Từgóc độnày, rõ ràng dọc theo - 174 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten sơng lòng dẫ n đó, độdốc mặ t nước cần phả i đo đạ c tạ i sát mặ t cắ t đo lưu lượng Hình 4.59 hểhiện đường cong quan hệmực nước – độdốc cho sông đoạ n thượng lưu sơng hạlưu Đường khép kín biể u đồmực nước – độdốc có nghĩ a đường khép kín quan hệgiữa mực nước sơng lưu lượng: đường cong gọi đường cong quan hệhay đường cong mực nước – lưu lượng Từgóc độ rằ ng độdốc mặ t nước ( /x) giả m mực nước sơng dâng lên (hình 4.58), có thểthấy lưu lượng lớn nhấ t sẽxả y trước mực nước sông đạ t tới giá trịlớn nhấ t (hình 4.60) Hình 4.60: Đường cong quan hệkhép kín Q đo đạc thờikỳnước lên x Q đo đạc thờikỳnước rút Các giai đoạ n nước dâng nước hạđầu tiên tạ o sóng lũ(a) sau có thểbịả nh hưởng (b) thay đổi vềcác gợn sóng ởđáy sơng (đụn cát với sơng phù sa) (c) ả nh hưởng việ c trữnước phía hạlưu mặ t cắt đo đạ c - 175 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten a) Hầu hế t mặ t trước sóng lũdốc mặ t sau sóng Do độdốc lớn đường nă ng, mực nước tạ i mặ t cắ t với mộ t lưu lượng sẽcó giá trịthấ p ởthời kỳnước dâng so với lưu lượng ởthời kỳ nước hạ b) Trong thời kỳnước dâng mạ nh, gợn sóng ởđáy sơng có xu hướng phát triể n, thường sựhình thành gợn sóng lớn bịtrễhơn theo thời gian Điều có nghĩ a thời kỳnước dâng, ả nh hưởng độnhám dẫ n tới đáy mị n (so với trạ ng thái cân bằ ng), tương tựnhưcho mực nước tương đốiquá thấ p c) Ảnh hưởng việc trữnước Nếu phía hạlưu mặ t cắ t đo đạ c xả y hiệ n tượng trữnước (nước tràn bờ), với giá trịQ nhấ t đị nh hiệ u ứng nước ngược sẽgây mực nước tương đốithấ p thời kỳnước dâng Các ả nh hưởng của: - mặ t trước tương đố i dốc sóng lũ - độtrễđểcác gợn nhám thay đổi theo - tượng trữnước ởhạlưu tác độ ng theo hướng, dẫ n tới mộ t đường cong quan hệQ ~ hw nhưmơ tả hình 4.60 Dòng chả y khơng ổn đị nh Qm đường khép kín thời kỳnước dâng hạcó thểđược ước lượng nhưsau: Qm dh Q dt S c v W (4.56) Qm Q = dòng chả y khơng ổn đị nh (m /s) = dòng chả y ổn đị nh theo đường cong quan hệ(m /s) dh/dt = tốc độthay đổ i mực nước Sc (m/s) = độdốc đáy độdốc đường nă ng với dòng chả y ổn đị nh (-) - 176 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten = tốc độcủa sóng lũ(m/s) vw vw = 1,5 v = vậ n tốc trung bình dòng chả y tạ i mặ t cắ t (m/s) v Ví dụ: Sc = 1,5*10 -4 v = 1,10 m/s vw = 1,65 m/s dh/dt = 0,3 m giờ dh/dt = 8,33.10-5 m/s Qm/Q nằ m khoả ng từ0,81 đế n 1,16 Đểáp dụng phương trình 4.56 cầ n phả i biế t Sc vw, hay cầ n có dữliệ u đểước lượng hệsốđiều nh 1/Scv w nhưmộ t hàm chiều sâu nước Thay đổidiệ n tích mặt cắt ngang Hiện tượng bồ i lắ ng hay xói mòn tren mộ t chiề u dài lớn sơng – thay đổi hình thái – dẫ n đế n đoạ n đáy sông nâng cao hay xói thấ p tạ m thời, làm cho mực nước tạ m thời dâng lên hay hạxuố ng Một độhạthấ p mực nước tương tựcũng xảy sau nạ o vét làm kênh tướivà tiêu Thực vậtthay đổi Các thực vậ t thay đổi theo mùa, thường làm giả m diện tích mặ t cắ t ngang sông làm cho độnhám đáy sông bờcao Hiệu ứng tổng hợp thường biểu diễn sựthay đổihệsốManning n Hiệ u ứng nước ngược (ảnh hưởng hạlưu) - chuyể n độ ng thủy triều đoạ n hạlưu sông - ả nh hưởng phân bốdòng chả y chỗhợp lưu - 177 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.61: Các ảnh hưởng hốxói hiệ n tượng nước ngược đốivới đường cong quan hệduy - 178 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Kế t luận: - Đường cong quan hệduy nhấ t Q~hw chỉcó thểđược sửdụng cách xác chừng khơng có yếu tốnào khơng-duy-nhấ t (non-unique phenomena) xảy ra: sóng lũ, thay đổi hình thái, thực vậ t thay đổ i, hay ảnh hưởng hiệ u ứng nước ngược Hình 4.61 thểhiện ả nh hưởng hố xói tượng nước ngược - Pơmực nước – lưu lượng mộ t phương pháp đáng tin cậ y với điề u kiện đo đạc kiể m tra thực hiệ n đặ n (ít nhấ t 10 lầ n mộ t nă m) Bảng 4.18: Sựbiến đổi hệsốđộnhám n Sạ ch, thẳ ng, đầ y lòng dẫ n, khơng có rãnh nứt vụ ng sâu 0,025 0,030 0,033 Nhưtrên, có nhiề u đ cỏdạ i hơ n 0,030 0,035 0,040 Sạ ch, cong, có mộ t vài vụ ng bãi nông Nhưtrên, có mộ t chút đá cỏ 0,033 0,035 0,040 0,045 0,045 0,050 Nhưtrên, mực nước thấ p hơn, đ ộdố c mặ t cắ t hiệ u quảhơn 0,040 0,048 0,055 Như4, ng có nhiề u đá hơ n 0,045 0,050 0,060 Đoạ n nướ c chả y chậ m, nhiề u cỏdạ i, vụ ng sâu 0,050 0,070 0,080 - biế n đổ i - i Ven Te Chow đưa giá trịtrong bả ng 4.18 cho sơng tựnhiên có B < 30 m 4.6.6 Xửlý dữliệu lưu lượng thời đoạn Từkhoả ng nă m 1980, nhiều gói phầ n mềm xây dựng đểlưu trữ, n lý, xửlý dữliệ u mực nước – lưu lượng Việ c xửlý dữliệ u thực theo bước sau: - Sửa soạ n đo đạc lưu lượng Ví dụ : đố i với phương pháp lưu tốc – diện tích dữliệu cơbả n chiều sâu vận tốc dòng chả y cần sửa - 179 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten soạ n, sửdụng phương pháp mặ t cắ t trung bình hay phương pháp mặ t cắt - Cơsởdữliệ u mực nước – lưu lượng Các dữliệu thông sốsau đo đạ c lưu lượng cầ n lưu trữ cơsởdữliệ u mực nước – lưu lượng: + sốlượng đo đạ c + ngày giờđo đạ c + mực nước + lưu lượng + tốc độthay đổ i mực nước + bềrộng sơng tạ i cao trình mực nước + diện tích mặ t cắ t ngang, + chu vi ướt Mỗi đo đạ c sẽbao gồm bả n ghi cơsởdữliệ u với thông sốtrên cho mặ t cắ t cụthể Cơsởdữliệu sửdụng cho phân tích khác đo đạc - Tính tốn đường cong quan hệ dòng chảy ổn đị nh: hầ u hếtcác trường hợp, việ c tính tốn đường cong b quan hệduy nhấ t sửdụng phương trình Q = a.(hW – h0 ) (Phầ n 4.6.3) dòng chảy không ổ n đị nh: xem phầ n 4.6.5 - Kiểm đị nh đường cong quan hệ Đểkhả o sát mức độgiá trịcủa đường cong quan hệkhi có đo đạ c mới, có thểkiể m tra độchệch (bias) độkhít, chẳ ng hạ n nhưchạ y chuỗi kiểm tra vềđộlệch âm độlệch dương khỏ i đường cong quan hệ Các giá trịdòng chả y hàng ngày cầ n dựa quãng 15 phút Khi áp dụng phương pháp mực nước – lưu lượng, giá trịmực nước 15’được quy đổithành - 180 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten giá trịlưu lượng 15’ , từđó giá trịtheo giờ, ngày, tháng, năm tính Các giá trị15’được lưu cơsởdữliệu đểphục vụcác đánh giá thống kê Hình 4.62 thểhiệ n lưu lượng ngày cho trạm đo ởsông Roer (Hà Lan) Hình 4.62: Biểu đồthủy văn lưu lượng sông Roer năm 1987 (Trạm thủy văn “De Drie Bogen”) 4.6.7 Ước lượng thống kê dữliệu lưu lượng Có thểthu nhiều đường cong khác từđường cong quan hệmực nước – lưu lượng Mộtvài ví dụnhư: Các đường cong quan hệ Khi vẽđược đường cong mực nước – lưu lượng cho chuỗi trạm đo liên tiếp dọc theo sơng, có thểthiết lập đường cong quan hệ mực nước tạ i trạ m Tuy nhiên, cầ n đặ t giảthiế t lưu lượng hai trạ m khơng đổi, ví dụnhưbởi sơng nhánh hay khu vực lưu trữ - 181 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Một ví dụphác họa cho ởhình 4.63 Hình 4.63: Đường cong quan hệlưu lượng (theo Nedeco, 1973) Tuy nhiên, đường cong quan hệmực nước – lưu lượng không phả i quan hệduy nhấ t tính chấ t tả n mạ n đo đạc lưu lượng quanh giá trịtrung bình Đểngă n ngừa sựtả n mạn này, cầ n giảthiế t giá trịmang tính lâu dài lưu lượng Giảthiết đặ t (khơng có sựthay đổ i lưu lượng hai trạ m) nhìn chung sẽkhơng bao giờđúng ởtrong thực tế T uy nhiên vẫ n thiế t lậ p đường quan hệmực nước Mực nước thực tếquan trắ c cầ n làm mị n tránh nhiễ u động gây tính ngắn hạn (khơng lâu dài) lưu lượng Đường cong thời đoạn Việ c xếp dữliệ u quan trắ c theo thứtựtă ng dầ n hay giả m dầ n độlớn sẽcho phép xác đị nh phầ n tră m thời gian (hay sốngày mộ t nă m) mà giá trịlưu lượng nhấ t đị nh sẽbịvượt ( lớn hoặ c bằ ng) Việc vẽcác giá trịđộlớn phầ n trăm tương ứng (hoặ c sốngày tương ứng) lên cho ta biểu đồkinh nghiệ m đường cong thời đoạn Đạ o hàm mộ t đường cong vậ y theo độlớn cho ta đường mậ t độxác suấ t Các hình 4.64 4.65 ví dụvềcác đường cong thờiđoạn - 182 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.64: Đường cong thờiđoạn dòng chảy sông Roer năm 1987 1988 (Trạm thủy văn De Drie Bogen) Hình 4.64 thểhiện đường cong thời đoạ n cho nă m 1987 1988 tạ i trạ m thủy vă n De Drie Bogen, sông Roer Đường cong cho ta sốngày mà lưu lượng cụ thểđã thấ p so với giá trịđưa bởiđường cong Đường cong thời đoạ n thu từcác quan trắ c thời kỳnhiề u nă m– tổ ng sốnă m theo góc độbiế n đổi mùa (khí hậ u) – cho phép ước lượng hợp lý vềxác suấ t mộ t giá trịlưu lượng cụthể(hay mực nước) sẽbịbằ ng hoặ c vượtquá; nói cách khác, trung bình phầ n nă m mà điều xả y Hình 4.65 thểhiện đường cong thời đoạ n giá trịtrung bình thời đoạ n dài sông Ranh (Rhine), Hà lan Các bả n ghi sửdụng đểvẽnên đường cong có thểđược coi mẫ u lấ y từmộ t lị ch sửbiến đổi dòng chảy lâu dài Sốlượng mẫ u lớn (đồng nghĩ a với thời đoạ n quan trắ c dài) đặ c trưng quan hệxấ p xỉcàng xác Do - 183 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten đó, đường cong thời đoạ n kinh nghiệm năm thường chệch đáng kểkhỏi đường trung bình (xem hình 4.65) Hình 4.65: Dường cong thờiđoạn (năm) cho sông Ranh (theo Jansen, 1979) (Lưu lượng sông Ranh tạiLobith (m /s) cho nhiề u năm) Các thời kỳướt khô Đối với mục đích kỹthuậ t, ta thường muốn biế t xác suấ t xả y mộ t kiện Đểthực dụng, đường cong cho x% nă m, hay tháng, ướt khơ có thểrút từdữliệu với mộ t khoả ng thời gian quan trắ c đủdài (VD 50 nă m) Rõ ràng đường cong 50% biể u diễ n trung vị Từbộcác đường cong nhưvậ y, có thểđánh giá chếđộcủa nă m hay mộttháng nhấ t đị nh Trong hình 4.66, đường cong thời đoạn tháng nă m 1964 thểhiện, cho phép đánh giá mức độkhô hạ n tháng (đường chấ m chấ m 1964 hình) Đểcó hiể u biế t đầ y đủvềlý thuyế t ứng dụng phương pháp thống kê, bạ n nên tham khả o Ven Te Chow (1964), WMO (1970) sổtay khác - 184 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.66: x% tháng ướtvà khô (theo Jansen, 1979) 4.7 PHƯƠNG PHÁP LƯU LƯỢNG – MỰC NƯỚC – ĐỘDỐC Trong mộ t vài trường hợp không thểlựa chọn trạ m đo lưu lượng đoạ n sơng mà ởđó khơng chị u ảnh hưởng tượng nước ngược: - đoạ n sông điều tiế t - đoạ n hợp lưu - biến đổi hồchứa hạlưu - thu hẹ p ởhạlưu với khảnă ng thay đổ i (cỏdạ i, băng, ) - 185 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - sơng có dòng chả y tràn bờ(lên đồng bằ ng lũ) Sựcó mặ t hiệ n tượng nước ngược biến đổ i không cho phép ta sửdụng kỹ thuậ t đơn giả n với đường cong quan hệduy nhấ t Lúc lưu lượng hàm cảmực nước độdốc Nhiều khu vực đo đạ c nhưthếnày có thểhoạ t động dựa vào phương pháp lưu lượng – mực nước – độdốc, gọi phương pháp lưu lượng – dốc – mực nước (ISO) Mực nước đo đạ c liên tục sửdụng thiế t bịđo cơsở Một thiế t bị đo phụtrợbốtrí cách đoạ n vềphía hạlưu, quy vềcùng mộ t mực quy chiế u, đo đạ c liên tục Giảthiế t có sựđồ ng bộthời gian xác hai thiế t bị đo, có thểtính độdốc mực nước, từđó thu bộsốliệ u vềđộdốc đường nă ng Chiều dài đoạ n hai thiế t bịđo mực nước cầ n đả m bả o cho độsụt giả m độcao F đạ t tối thiểu 0,15 m Vềcơbả n, lưu lượng tính bằ ng cách sử dụng phương trình Manning Q R n S A R A thơng sốcủa mặ t cắ t trung bình Trong thực tế,các lưu lượng tính tốn sửdụng phương pháp sau: - ước lượng hệsốManning n, tính lưu lượng với giá trịđo đạ c R, S, A - tốc độsụt giả m cao độkhông đổ i (kiến nghịkhi chị uả nh hưởng tượng nước ngược) - mức độsụ t giả m thay đổi(điề u kiện nước ngược gián đoạ n không liên tục) - 186 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hai trường hợp sau mô tảtrong báo cáo kỹthuậ t ISO, TR 9123 Một ứng dụng đặ c biệ t tốc độsụt giả m cao độkhông đổi – tốc độsụt giả m cao độđơn vị- sẽđược mô tảdướiđây Phương pháp tốc độsụ t giả m cao độđơn vịđược sửdụng với giảthiế t rằ ng quan hệgiữua tỷsốlưu lượng Q/Qn tỷsốđộsụ t giả m cao độF/Fn quan hệbậc 2, cho phương trình sau: Q Qn F Fn (4.57) Q = lưu lượng đo bằ ng phương pháp dụng cụđo dòng chả y (m3 /s) F = độsụt giảm cao độđo (m) Qn = lưu lượng từđường cong quan hệtưonưg ứng với mực nước thiế t bịđo mực nước cơsở(m /s) Fn = độsụt giảm cao độkhông đổi(hằ ng số) (m) Trong phương pháp tốc độsụt giả m cao độđơn vị , Fn = 1,00 (m) Phương trình 4.57 trởthành: Q Q (4.58) F Đường cong quan hệđược xây dựng bằ ng cách chấ m điể m đo đạ c Q/ F với mực nước đo tương ứng h từthiết bịđo mực nước cơsở Sau đó, đường cong quan hệđược vẽsao cho phù hợp nhấtvới điể m chấ m Bả ng 4.19 thểhiện ví dụvềtốc độsụt giảm cao độđơn vịcho vịtrí đo đạ c có mức độhiệu ứng nước ngược mạnh từmộtđập nước, nơi tượng nước ngược xảy với mức nước tạ i mọithời điể m: đo đạ c mực nước lưu 1,137 lượng, ch ota đường cong quan hệQn = Q/ F = 109,4 h 4.67) - 187 - (xem thêm hình Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Từđường cong này, lưu lượng tính cho bấ t kỳmực nước thu h từthiế t bịđo mực nước cơsởnào bằ ng cách lấ y Qn từđường cong nhân với că n bậ c hai độsụtgiả m cao độtương ứng đo F Q = Qn F (4.59) Ví dụ: mực nước h = 2,5 m Qn = 109,4*2,50 1,137 độsụt cao trình = 310,1 m /s F = 0,44 m Q = 310,1* 0, 44 = 206m3 /s Đểcó thêm thông tin vềsụ t giả m cao độkhông đổi sụt giả m cao độbiến đổi, xin xem ISO/TR 9123 Hình 4.67: Đường cong quan hệsụtgiảm cao độđơn vịcho Fn = 1,00 m (theo ISO) - 188 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Bảng 4.19: Sụtgiảm cao độđơn vị(theo ISO) Số TT Đo đạc Tính tốn độsai khác XQ Cao trình tạ i Cao trình Độ sụt Lưu Qn = Qn = XQ (%) 1,137 thiết bịđo tạ i thiết cao độ lượng Q Q/ F 109,4h sởh (m) bịđo phụ F=h-h a (m /s) (m3 /s) h a (m) (m) 2,012 1,951 0,061 66, 267 242 -9,4 2,036 1,978 0,058 39,9 166 246 48,2 2,286 2,359 1,996 2,155 0,290 0,204 145 156 269 345 280 290 4,1 -15,9 2,755 2,963 2,054 2,347 0,701 0,616 317 289 379 368 346 376 -8,7 2,2 3,139 3,206 2,331 2,269 0,808 0,927 399 411 444 427 402 411 -9,5 -3,5 10 5,026 5,907 3,429 3,990 1,597 1,917 889 1160 703 838 686 826 -2,4 -1,4 11 12 7,013 7,105 4,788 4,923 2,225 2,182 190 1520 999 1029 1002 1017 0,3 -1,2 13 14 15 8,108 8,638 11,558 6,188 5,986 8,678 1,920 2,652 2,880 1640 1990 2830 1184 1222 1668 1182 1270 1768 -0,2 3,9 6,0 4.8 PHƯƠNG PHÁP ĐO BẰNG ÂM THANH Nguyên lý phương pháp đo âm (siêu âm) thực hiệ n phép đo vậ n tốc dòng chả y tạ i mộ t độsâu nhấ t đị nh lòng dẫ n bằ ng cách phát xung âm siêu âm truyền qua dòng nước từcác thiế t bịthu phát đặ tở hai bên bờsông Các thiế t bịthu phát lắ p đặ t ởcảhai bên bờdòng nước bên mặ t nước tạ i độsâu nhấ t đị nh bốtrí cho chúng tạ o mộtđường đo âm chéo Các xung âm truyề n từA đế n B ngược lạ i qua dòng nước thiế t bịthu phát (xem hình 4.68) - 189 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.68: Nguyên lý phương pháp âm Khi dòng nước khơng chuyển động thời gian âm di chuyển từA đế nB (t1 ) bằ ng với thời gian di chuyể n từB đế n A (t2 ) t1 = t2 = L/C (4.60) L = chiề u dài đường truyền âm (m) C = vậ n tốc âm nước, 1450 1480 m/s Nế u có dòng chảy nhưtrong hình 4.68, sóng âm truyề n từA đế n B tăng tốc sóng âm từB đế n A sẽbịgiả m tốc, tuân theo: t1 = L C vW cos thời gian di chuyển theo chiề u xi dòng (4.61) t2 = L C vW cos thời gian di chuyển theo chiề u ngược dòng (4.62) vw = véctơvận tốc trung bình dòng chả y tạ i độsâu thiết bịthu phát = góc véctơnày đường truyền âm Từđộsai khác vềthời gian truyền, có thểrút vậ n tốc dòng chảy: - 190 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten vw = L 1 cos t t (4.63) Trong thực tế , có thểđo vậ n tốc dòng chả y chỉsửdụng đường chéo âm đơn, tạ o nên hai thiế t bịthu phát lắ p đặ t ởhai bên bờdòng nước Tuy nhiên, áp dụng, ả nh hưởng gió, khúc cong lân cậ n, nhântốc khác làm cho thành phầ n dòng chả y ngang khơng thểbỏqua Bằ ng cách bốtrí thêm đường chéo đo đạ c cắ t qua đường thứnhấ t, ta tạ o chữthậ p đo đạc (hay hai đường cắ t chéo nhau): biệ n pháp loạ i trừhoàn toàn ả nh hưởng dòng chảy ngang hiệu nh vậ n tốc dòng chả y v w Trong vài trường hợp, nước sâu có sựsai khác lớn mực nước lớn nhỏnhấ t, cầ n bốtrí hai chữthậ p đo đạc tạ i độsâu khác Trong hầu hế t trường hợp, chỉmộ t chữthậ p đo đạ c đủ Hình 4.69: Hệthống đo đạc dòng chảy âm vớimột chữthập đo (theo Instromet) Đểcó mộ t tính tốn đắ n vềvận tốc dòng chảy trung bình thực sựv tạ i mặt cắ t, vậ n tốc đo vw cần phả i hiệu nh mộthệsốK, hệsốnày phụ thuộc vào: - chiề u sâu bốtrí chữthậ p đo - độnhám đáy lòng dẫ n - 191 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - hình ng chữthậ p đo HệsốK phụthuộc vào giảthiế t phân bốvậ n tốc có ng parabol thủy trực Thông thường K biế n đổi khoảng 0,9 < K < 1,1 Đơi kiến nghịtìm K từ đo đạc đơn mặ t cắ t v = K vW (4.64) Do diện tích mặ t cắ t A liên hệvới mực nước đo được, lưu lượng tính sau: Q = K vW A (4.65) Sửdụ ng phương pháp âm thanh, có thểđo cảcác lưu lượng âm lưu lượng dương Ứng dụng phương pháp đo dòng chả y bằ ng âm bịgiới hạ n theo kiểu sau: - nhiễ u động đường truyề n âm građien (sựbiến đổi) nhiệt độ,độmặ n, sựthay đổinồ ng độbùn cát, bọt khí Trong hầu hết hệthống, cảhai xung âm phát tạ i thời điể m, di chuyể n qua dòng nước, vậ n tốc âm nhưnhau với hai xung âm Do đó, vậ n tốc dòng chả y đo đạ c khơng bịảnh hưởng sựthay đổivậ n tốc âm - giới hạ n tạ o sựphả n xạcác xung âm từđáy từmặt nước Khoảng cách tối thiể u (a) chữthậ p đo đạc tới đáy mặ t nước hàm chiều dài L tần sốâm thiế t bịphát (200 kHz hay 400 kHz) Vớithiế t bịphát 200 kHz (áp dụng cho chiề u dài L < 250 m) L2 a 8 (4.66) - 192 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten a = khoả ng cách tố i thiể u đến đáy mặ t nước (m) L = chiề u dài đường truyền (m) Ví dụ: sông rộng B = 80 m chiề u dài đường truyề n L = 80 = 113 m a 113 /8,8 = 1,21 m 1/2 chiề u sâu nước d 2,42 m Có thểgiả m khoả ng cách a bằ ng cách sửdụng thiế t bịphát 400 kHz Độbấ t tin cậ y trình xác đị nh vận tốc dòng chảy cho bởi: xQ = X 2A X L2 X 2 X K (4.67) XA = lỗitrong việ c xác đị nh diện tích mặ t cắ t (%) XL = lỗi chiều dài đường truyền (%) X = lỗi góc (%) XK = lỗi hệsốhiệu nh K (%) Lỗi XK sẽtă ng vận tốc dòng chả y nhỏ, v < 0,05 hay 0,10 m/s, mà biểu đồvậ n tốc có thểphát triển thành ng bấ t thường, khơng ng biểu đồparabol truyề n thống 4.9 PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN TỪ Phương pháp điệ n từsửdụng mộ t cuộn dây rộng bềrộ ng kênh, phương pháp đạ i đểđo lưu lượng cho kênh hở Phương pháp phát triể n đưa vào ứng dụng lầ n đầ u tiên ởAnh, tỏra rấ t thích hợp cho sơng có vấn đềcốhữu với cỏdạ i - 193 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Nguyên lý: Nguyên lý vậ n hành nhưsau Chuyển động nước chảy kênh (lòng dẫ n) hởcắ t qua trường từtrường thẳ ng đứng tạ o cuộn dây lớn chơn đáy sơng có dòng điện chạy qua Một lực điệ n độ ng (e.m.f – electromotive force) tác động lên dòng nước đo đầu đo (cực) tín hiệu tạ i bờcủa kênh Điện thếrất nhỏnày tỷlệtrực tiếp với vậ n tốc trung bình dòng chả y mặ t cắ t Hình 4.70 cho ta lược đồcủa hệthống Hình 4.70: Lược đồmộttrạm đo điệ n từ(theo Herschy, 1978) Đị nh luậ t Faraday (1832) vềcả m ứng điện từliên hệchiề u dài vậ t dẫ n điện chuyể n động trường từtrường với lực điệ n động sửdụng quan hệcơbả n sau: E=v.b.B (4.68) E = lực điệ n động tính theo vơn (V) v b = vậ n tốc trung bình vậ t dẫn (nước) theo m/s = chiề u dài vậ t dẫ n, bằ ng với bềrộng kênh, tính theo mét B = cường độtừtrường theo Tesla (t) - 194 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Tuy nhiên thực tế , tín hiệu lý thuyế t từcác đầ u đo sẽbịgiả m tùy thuộc vào độdẫ n điện đáy nước Do phương trình 4.68 biế n đổ i thành: E R W Q = K I R C b n (4.69) Q K = lưu lượng (m /s) = hằ ng sốđơn vị Rw = suấ t điệ n trởcủa nuwocs (/m) Rb = điệ n trởcủa đáy () I = cường độdòng điệ n cuộn dây (A) C = hằ ng sốtheo trạ m (V/mA) n = sốmũ Các giá trịcủa K, C n giá trịkinh nghiệm, thu từviệ c kiể m đị nh hệ thống Có thểgiả m hiệu ứng thu ngắ n đáy bằ ng cách lót đáy kênh với màng không thấ m cách điện đểgiả m sựrò rỉđiệ n tới mức chấ p nhậ n Các ứng dụng: Phương pháp điệ n từđặc biệ t thích hợp trường hợp sau: - đo đạ c dòng chả y cho sơng nhánh dân dụng chưa xửlý, qua xử lý, hay nước uống cơng trình xửlý, nước làm lạ nh ởcác nhà máy nă ng lượng Trong tấ t cảcác trường hợp kênh sẽđược làm bằ ng bê tơng có mặ t cắ t chữnhậ t - đo đạ c dòng chả y sơng có nhiều cỏdạ i, nồng độbùn cát cao, điều kiện đáy không ổ n đinh, có hiệu ứng nước ngược, dòng chả y đổi chiề u Lựa chọn vịtrí đo: - cầ n tránh khu vực bịả nh hưởng nhiều điệ n (gần đường dây tải điệ n, đường sắ t điệ n khí hóa) - 195 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - với kênh khơng cách điện, tỷlệchiề u sâu/rộng không nên vượt 10 Các kênh cách điệ n cho phép tỷlệnày lên đến 200, theo tiêu chuẩ n ISO 9213 - cầ n tránh sựbiế n đổ i suấ t dẫ n điện nước theo không gian (nhiều vùng cửa sông) Thiếtkếvà thi cơng (Xem hình 4.70) Trạ m đo dựa nguyên lý điện từđược cấ u tạ o bộphậ n sau: - cuộn dây chơn lòng kênh sâu 0,5 m, bắc ngang qua kênh - màng cách điệ n, thường cầ n thiế t - hai đầ u đo (điệ n cực) tín hiệ u đo điệ n thếđầ u - hai đầ u đo đo suấ t dẫ n điện đấ t - bốn điệ n cực khửnhiễ u bốtrí bên ngồi trường điệ n từ, đo nhiễu điện xung quanh, đểtrừđi tín hiệ u cực đo điệ n - bềrộng tố i đa phụthuộc vào chi phí thiết bịvà việ c lắ p đặ t Trong hầ u hếtcác trường hợp, bềrộng kênh không vượt 50 đế n 100 mét Kiể m đị nh Trạ m đo dựa nguyên lý điệ n từcầ n kiể m đị nh kinh nghiệ m tạ i trường, sửdụng phương pháp có khảnă ng (hầ u hế t phương pháp dùng thiết bịđo dòng) Đường cong quan hệdựa cấ u tạ o cuộn dây khoả ng đo mực nước Đường cong có thểcó ng nhưphương trình 4.69: E R W Q = f I R b Sựbấtđị nh - kênh cách điện, tổng độbấ t đị nh khoảng 5% (mức độtin cậ y khoảng 95%) - kênh không cách điệ n, độbấ t đị nh sẽvào khoả ng 10% Sửdụ ng phương pháp điệ n từ,vậ n tốc tố i thiểu đo 0,002 m/s - 196 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 4.10 TRẠM BƠM 4.10.1 Giới thiệu Việ c xác đị nh lưu lượng nước chả y qua mộttrạ m bơm có thểthực cách đă ng ksy sốgiờhoạ t động, cách đo cảmực nước: mực nước cấ p mực nước tạ i cửa ra, sửdụng đường cong quan hệcủa máy bơm Đạ i khái có thểphân biệthai họtrạm bơm nhưsau: - bơm xoắ n kiểu Ác si mét, nước đưa lên bằ ng mộ t kênh hở (phầ n 4.10.2) - bơm ly tâm (và loạ i bơm khác), nước vậ n chuyển qua ố ng kín (phầ n 4.10.3) 4.10.2 Bơm xoắn kiểu Ác si mét Hình 4.71: Bơm xoắn ngun nhưmộthình xoắn ốc kín Xuấtxứ Đểhiểu rõ xuất xứcủa bơm xoắ n kiể u Ác si mét, vốn ng bă ng chuyền mộ t bơm thực sự, ta cầ n quay ngược lạ i thời Ác si mét Ông coi nhà phát minh hệthống nâng nước sửdụng đường xoắn ốc quay Tuy - 197 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten nhiên hình cũlạ i khơng mơ tảbơm xoắ n theo hình ng đạ i mà chúng thường sửdụng ngày nay, mà ng đường xoắ n ốc khép kín (hình 4.71) Ởdạ ng vẫ n sửdụng ởmộ t vài nước phương đông Chếtạo Bơm xoắn kiể u Ác si mét có hoặ c nhiều lưỡi dao cong dạng xoắ n ốc gắ n với trục (ống) tạ o thành hay nhiề u đường rãnh xoắ n ốc có thểsửdụng đểgiữ nước nế u rãnh xoắ n ốc đặ t vào mộ t máng vừa khít Được đặt nghiêng góc nhấ t đị nh, sẽnâng nước quay So sánh vớicác bơm thực So với bơm ly tâm chẳ ng hạ n, bơm xoắ n kiểu Ác si mét có ưu điể m sau Nó hoạ t động ởtốc độchậ m, sựmài mòn khơng đáng kể Các rãnh xoắ n ốc mở, q trình có thểnghiên cứu Các rãnh xoắ n ốc lớn so với phầ n lối bơm, điều rấ t qua trọng nâng nước thả i thô Tấ t nhiên bơm có nhiề u nhược điểm Tốc độnhỏcó nghĩ a vậ n tốc nhỏvà kích thước lớn Đầ u nước bịhạ n chếbởi chiều dài rãnh xoắ n Không thểáp dụng ống dẫ n áp suấ t Đầu nước khảnăng (lưu lượng) củ a bơm Đầ u nước 10 mét cho cấ p nằ m khoả ng máy bơm xoắn ốc đạ i Đối với đầ u nước cao hơn, có giả i pháp nhưdùng vòng bi trung gian cấ u tạ o hai cấ p Khảnă ng bơm có thểđạ t tới m3 /s Khảnă ng bơm tỷlệvới khối lượng nước hai dao, nhân với sốvòng quay n, bơm có nhiề u mộtlưỡi dao xoắ n cầ n nhân thêm vớisốlưỡi dao Hình 4.72 cho ta phác họa vềcác bơm xoắ n đạ i Vớibơm xoắn kiể u Ác si mét đạ i, ký hiệ u đị nh nghĩ a nhưsau: d = đường kính cầ n (m) D = đường kính đường xoắ n (m) = độdốc, hầ u hếtcác trường hợp, độdốc = 30 , 35 hay 38 - 198 - 0 Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten a = sốrãnh xoắ n, hầu hế t trường hợp (-) s = bước mộ t rãnh xoắn riêng rẽ(m) L = tổng chiều dài rãnh xoắ n dọc theo cầ n (m) rãnh: kênh ng nửa hình trụmà lưỡi xoắ n quay Rãnh có thểđược chếtạ o từthép hoặ c bê tơng Hình 4.72: Bốtrí mộtbơm xoắn Ác si mét hiệ n đại (theo Jansen Venneboer) Giao điể m mực nước đường xoắ n lưỡi dao cho ta hai điểm A B mà rãnh cần phả i bao kín đường xoắ n (hình 4.73) Các điể m không nằ m cao đường kính xun tâm đểcó thểlắ p đặ t đường xoắ n Ở bên phía chuyể n độ ng xuống, mộ t góc lớn sẽngă n n vậ t rắ n chui vào bước xoắ n rãnh Ở phía lại, góc nhỏngă n ngừa rò rỉtrong trường hợp mực nước đường xoắ n cao mực nước lý thuyếtmột chút điể m cấ p nước: mực nước cung cấ p đểcó hiệu quảtốiđa điể m nước ngược: cao trình cho ta hiệ u quảtối đa (đầ u nước cao nhấ t) Điểm nằm ở0,15 đế n 0,33 D bên đỉ nh rãnh (tùy thuộc vào thông số, d/D, S/D a) - 199 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.73: Mặtcắt ngang qua rãnh Lưu lượng tốiđa xả y với điều kiệ n sau: - mực nước cấ p điểm cấp nước - cao trình điể m nước ngược Hiệu suấ t tốiđa đạ t khi: - mực nước cấ p = điểm cấ p nước - mực nước = điể m nước ngược Nế u cao trình cao nước sẽchả y ngược lạ i đường xoắ n Hình 4.74 thểhiện quan hệgiữa khảnă ng tối, hiệ u quảvà mực nước cấp Hình 4.74: Khảnăng hiệ u quảphụthuộc vào mực nước cấp (theo Spaans) - 200 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Lưu lượng qua bơm xoắn Ác si mét – điều kiệ n lưu lượng tốiđa – cho phương trình 4.70: Q = f q n D3 (4.70) Q = lưu lượng (m /phút) q = hệsốđường xoắ n (-), q = f(β, d/D, S/D) giá trịcủa q cho tài liệu tham khả o tài liệu nhà sả n xuấ t Ví dụ, với = 30 , d/D = 0,5 S/D = 1,0 q = 0,250 f n = hệsốhiệu quả(-), thường 1,10 < f < 1,20 f = 1,10 lắ p đặ t kiể u cũ f = 1,15 giá trịtrung bình f = 1,20 lắ p đặ t, cẩ n thậ n có trình độ = tốc độ(sốvòng tua/phút), thường 20 < n < 100 cho mục đích thiế t kế , n = 50/D2/3 (D tính theo mét) D (4.71) = đường kính đường xoắ n (m) Sựbấtđị nh Lỗi ngẫ u nhiên tổng cộ ng ước lượng lưu lượng cho nằ m khoảng XQ = 6% Các lỗihệthống sẽxuấ t hiệ n mực nước cấ p mực nước không thỏa mãn điề u kiệ n nêu cho lưu lượng tố i đa 4.10.3 Bơm ly tâm Bơm ly tâm (dòng chả y phương tỏa) ng bơm phổbiế n sửdụng hệthống tưới Hình 4.75 thểhiện bơm ly tâm - 201 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.75: Một bơm ly tâm (theo Kay, 1992) Các bơm ly tâm cấ u thành phầ n hệthống ống kín Việ c cấ p nước thực qua mộtống hút, cửa ố ng xả(ống chuyể n phát đi) Việ c xác đị nh lưu lượng qua bơm ly tâm sẽphức tạ p Với bơm ly tâm, ký hiệ u đị nh nghĩ a nhưsau: Hman = đầ u nước đo áp, độchênh áp suấ t tạ i mộ t khoả ng ngắ n trước sau bơm, đo áp kế Hpump = độchênh đầ u nước nă ng lượng tạ i khoả ng ngắ n trước sau bơm H pump H man v12 v 22 z 2g g z = chênh cao hai áp kế v1 = vậ n tốc dòng chả y ống hút v2 = vậ n tốc dòng chả y ống xả Hstat = độchênh mực nước hởởtrong hồhay kênh tạ i hai phía trạm bơm Hw = tổ ng tổn thấ t nă ng lượng, Hw1 phía trước bơm Hw2 phía sau bơm; Hw = Hw1 + Hw2 Tổng tổn thấ t nă ng lượng bao gồm tổn thấ t ma sát tổn thấ t tạ i cửa vào, chỗcong, van, lưới chắ n rác, cửa ra, - 202 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.76 mơ tảđường nă ng cho hệthống ống-bơm-ống Hình 4.76: Đường mộthệthống ống-bơm-ống Trong nhà máy Hpump đo nhưmộthàm lưu lượng Q Nế u ta giảthiế t: z = (cảhai áp kếđược đặ t tạ i cao trình) v1 = v2 (đường kính ố ng hút ống xảbằng nhau) Hpump = Hman Hman = Hstat + Hw Cầ n phân biệ t hai loạ i đường cong lưu lượng: Đường cong bơm: Q ~ Hman Quan hệnày thiết lậ p sẵ n nhà máy Hình 4.77 thểhiệ n kiểm đị nh nhà máy: lưu lượng hiệ u suất Đường cong trạm: Q ~ Hstat Quan hệnày thiế t lậ p sử dụng đường cong bơm, bằ ng tính tốn cột nước tổn thấ t Hw, hoặ c kiểm đị nh trường (phương pháp sửdụng thiếtbịđo dòng chả y) - 203 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.77: Kiể m đị nh nhà máy theo ISO 2548 (theo ISO) Có thểxác đị nh lưu lượng Q truyề n qua trạ m bơm bằ ng mộttrong cách sau: a) sửdụ ng đường cong quan hệcủa bơm Q ~ Hman đo Hman tạ i điể m nhưvới kiể m đị nh tiến hành nhà máy b) Sửdụng đường cong quan hệcủa bơm Q ~ Hman đo Hstat (bỏqua Hw) Phương pháp thường áp dụng mộ t sốtrường hợp, dẫ n tới việc đánh giá mức mộ t cách hệthống vềlưu lượng thực sự, tùy thuộc vào tỷsốHw/H man Xem hình 4.78 c) sửdụng đường cong quan hệcủa trạ m Q ~ Hstat, sau kiểm đị nh trạ m bơm, đo mực nước tạ i cảhai phía trạm d) đo lưu lượng ống xảsửdụng thiế t bịđo dòng nhờnguyên lý điện từ, senxơsiêu âm, hay thiế t bịđo dòng nhờnguyên lý Doppler Phương pháp tỏra hấ p dẫ n mộtvài máy bơm xảra mộ t vài ố ng xả e) đo lưu lượng ởmột kênh hở, ống hút hoặ c ống xả , sửdụng phương pháp âm sửdụng cơng trình đo dòng chả y (đậ p tràn hoặ c máng) - 204 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Hình 4.78: Ví dụvềsửdụng sai đường cong bơm 4.11 CƠNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY Việ c sửdụng cơng trình đo dòng chả y – đậ p tràn, máng, cửa – nhiều phương pháp đo dòng chả y cách liên tục kênh Chương sẽđềcậ p đến cơng trình đo dòng chả y, chức nă ng chúng, phân loạ i, phạ m vi ứng dụ ng, cách lựa chọn loạ i thích hợp nhấ t 4.12 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG Các nhân tốsau có thểả nh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp đo lưu lượng: - độchính xác cầ n thiế t - khảnăng cung cấ p thiế t bị(xe cộvà thiế t bị ) - nhân lực trình độ,kinh nghiệm đị a phương - khảnăng tiế p cậ n đị a điể m đo sông suối - chi phí - bềrộng chiều sâu sơng - 205 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten - khoả ng vậ n tốc - tầ n suấ t đo đạ c Các điề u kiện hạ n chếcủa phương pháp mô tảtrong chương cho bả ng 4.20 phương pháp đầ u tiên phương pháp đo đơn điể m, phương pháp lạ i phương pháp đo liên tục Bảng 4.20: Các điề u kiệ n hạn chếcủa phương pháp đo lưu lượng Phư ng pháp Mô tả Độbấ tđ ị nh Tiêu chí Các tiêu chuẩ n quố c tếcó liên quan Diệ n tích – lư u tố c, bằ ng cách lộ i qua ISO 748 Diệ n tích – lư u tố c, đ o từtrên cầ u ISO 748 Diệ n tích – lư u tố c, đ o bằ ng đ ườ ng cáp treo ISO 748 Diệ n tích – lư u tố c, thuyề n tĩ nh ISO 748 Diệ n tích – lư u tố c, thuyề n di đ ộ ng ISO 4369 Diệ n tích – lư u tố c, phao ISO 748 Lư ợ ng bùn cát Điề u kiệ n tiế p cậ n Nhân tố thời gian Phầ n trăm tối thiể u Chiề u sâu Vậ n tố c S,M,L S S,M b,c,d J,K 3-6 M,L M,L M,L b,c,d K 3-6 M,L M,L M,L b,c,d K 3-6 M,L M,L M,L b,c,d K 3-6 A,B, C A,B, C,E L M,L b,c,d K 5-10 A,B, E M,L M,L M,L S,M, L b,c,d K 4-8 F Q Bề rộng Diệ n tích – đ ộdố c Pha lỗng, lư u lư ợ ng khơng đổ i ISO 1070 M,L M,L M,L b,c,d K,N 10-50 ISO 555/1 S,M S,M S,M c,g,k K,N 4-8 Lưu lư ợng – mự c nư c ISO1100/2 S,M,L M,L M,L b,c,d G 5-10 TR 9123 S,M M,L c,d G 7-15 Âm ISO 6416 M M,L M,L S,M, L b,c,d G 4-8 Cuộ nđ iệ n từ TR 9123 S,M S,M S,M b,d G 4-8 G 7-15 G 3-6 Trạ m bơm Cơng trình đ o dòng chả y nhiề u loạ i S,M b,c,d Các ký hiệ u giả i thích bả ng 4.21 - 206 - Nhậ n xét A,B A,B, C,D T Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten Bảng 4.21: Giải thích ký hiệ u bảng 4.20 Đị nh nghĩ a Ký hiệ u b Dòng chả y cầ n phả i khơng có dòng ngang c Lòng dẫ n cầ n phả i tư ơng đối sạ ch cỏcây d Lòng dẫ n cầ n phả i thẳ ng mặ t cắ t tương đ ối đề u g Dòng chả y kênh cầ n phả i chả y rối (thậ m chí có cảnư ớc nhả y) đ ểđ ả m bả o sựhòa trộn k Lòng dẫ n cầ n phả i khơng có chỗxói (lõm) ởhai bờvà khơng có bồi tụởđáy A Với phương pháp lưu tố c – diệ n tích, với vậ n tốc quan trắ c tạ i 0,6 chiề u sâu, hay với phương pháp hai đ iể m, độbấ t đị nh tố i thiể u có thểlên tớ i 5% B Với phương pháp lưu tố c – diệ n tích, vơ i vậ n tố c quan trắ c tạ i bềmặ t, độbấ t đị nh tối thiể u có thểlên tới 10% C Có thểcầ n hiệ u nh khoả ng cách hay ả nh hưở ng củ ađ ường khơng khí đ ường ướt D Các lỗi có thểsinh ả nh hư ởng trụcầ u E Các lỗi có thểsinh trơi t, sựcả n trởthuyề n, chuyể nđ ộng nhấ p nhô F Đềxuấ t sửdụng phương pháp chỉkhi ả nh hư ởng gió nhỏ Các điề u kiệ n nhưvậ y thườ ng rấ t biế n độ ng đ ế n mức khơng thểtrích dẫ n độchính xác tiêu biể u, thườ ng đ ộchính xác phư ơng pháp thấ p hơ n phương pháp truyề n thống sử dụ ng thiế t bịđo dòng chả y G Phương pháp thích hợp cho đo đạ c lưu lượng thường xuyên J Phương pháp nhanh (ít hơ n tiế ng) K Phương pháp chậ m (1 đế n tiế ng) L Bềrộ ng lớn (hơ n 50 m) hay vậ n tố c cao (hơn m/s) hay chiề u sâu lớn (sâu m) M Bềrộng trung bình (giữ a 50 m) hay vậ n tốc trung bình (giữa m/s) hay chiề u sâu trung bình (giữa m) N Phương pháp rấ t chậ m (hơn tiế ng) Q Phương pháp gầ n đúng, sửdụng phương pháp lưu tố c – diệ n tích khơng khảthi xác đị nh đ ộdốc đủchính xác R Nồng đ ộvậ t chấ t lơlửng cầ n tiế p tục đư ợc giữthấ p đểtránh tổn thấ t lớn cho tín hiệ u âm thanh; lý đó, dògn chả y khơng đ ược có bọ t S Bềrộng sơng hẹ p (nhỏhơn m) hay chiề u sâu nông (nhỏhơn m) hay vậ n tốc nhỏ(nhỏhơ n m/s) T Có thểsửdụ ng sơng có cỏdạ i vậ t liệ u đáy di đ ộng Lưu ý: Phầ n 4.12 sửdụng Tiêu chuẩ n Quốc tếISO 8363: Hướng dẫ n lựa chọn phương pháp - 207 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten 4.13 CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ Các tiêu chuẩ n ISO sau có liên quan đế n lĩ nh vực đo lưu lượng: Tiêu chuẩ n Ban hành Mô tả ISO 9555/1 1994 Phương pháp pha lỗng đểđo dòng chả y ổn đị nh ISO 748 1997 Phương pháp lưu tốc – diệ n tích ISO 772 1996 Danh sách thuậ t ngữ ISO 1070 1992 Phương pháp độdốc – diện tích ISO 1088 1985 Các phương pháp lưu tốc-diện tích – Thuthậ p xử lý dữliệ u đểxác đị nh lỗ i đo đạ c ISO 1100/2 1982 Xác đị nh quan hệmực nước – lưu lượng ISO 2425 1982 Đo dòng chả y vùng sơng ảnh hưởng thủy triề u ISO 2537 1988 Các thiết bịđo dòng chả y có bộphậ n quay ISO 3455 1976 Kiểm đị nh thiế t bịđo dòng chả y có bộphậ n quay bểchứa thẳ ng hở ISO 4375 1979 Hệthố ng đường cáp treo cho đo đạ c sông suối ISO 4369 1969 Phương pháp thuyền di động ISO 5168 1978 Ước lượng độbấ t đị nh đo đạ c lưu lượng dòng chả y ISO 6416 1992 Đo lưu lượng bằ ng phương pháp siêu âm (âm thanh) ISO 6418 1985 Các thiết bịđo vậ n tốc bằ ng siêu âm (âm thanh) ISO 7066/1 1989 Bấ t đị nh quan hệkiể m đị nh tuyến tính ISO 7066/2 1988 Bấ t đị nh kiể m đị nh phi tuyến TR 7178 1983 Phương pháp lưu tốc-diệ n tích – Nghiên cứu lỗi tổng cộ ng ISO 8363 1997 Hướng dẫn tổng quát cho việ c lựa chọn pp TR 9123 1986 Các quan hệmực nước – độsụt cao trình – lưu lượng - 208 - Giáo trình Thuỷđạc – W.Boiten ISO 9196 1992 Đo đạc dòng chảy lỏng điề u kiệ n bă ng TR 9209 1989 Xác đị nh hiệu nh đường ướt TR 9210 1992 Đo đạc tạ i lòng dẫ n quanh co tạ i cầ u ISO 9213 1992 Phương pháp điệ n từsửdụng cuộn dây trả i dài hế t chiề u rộng kênh TR 9823 1990 Ước lượng lưu lượng sửdụng mộ t sốhạn chếcác thủy trực TR 9824/1 1990 Các phương pháp đo dòng chả y có mặt thống tựdo ống dẫ n kín TR 9824/2 1990 Các thiế t bịđểxác đị nh dòng chả y có mặ t thống tự - 209 - ... nghiên cứu thủy vă n phục vụcác mục đích thiết kế , dữliệu trực tiế p có giá trịcho mục đích khác, chẳ ng hạ n nhưvậ n tả i thủy, dựbáo lũ, n lý nước sựxảnước thả i - 10 - Giáo trình Thu đạc – W.Boiten... BIỂU DIỄN CÁC KẾT QUẢĐO ĐẠC MỰC NƯỚC 48 2.9 CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ 52 CHƯƠNG 3: 3.1 ĐO ĐỊ A HÌNH ĐÁY 53 GIỚI T HIỆU 53 -2- Giáo trình Thu đạc – W.Boiten 3.2 ĐỊ NH... đặ c tính 272 -5- Giáo trình Thu đạc – W.Boiten 6.8.2 Các điề u kiệ n trường 273 6.8.3 Yêu cầ u vềcon người .274 6.9 THIẾT KẾMỘT CƠNG TRÌNH ĐO DỊNG CHẢY 276 6.9.1