3.4.2.1: Diện tớch mặt cắt ướt: Diện tớch mặt cắt ướt là diện tớch mặt cắt ngang lũng sụng vuụng gúc với hướng chảy bỡnh quõn, giới hạn bởi đường đỏy sụng và mực nước tớnh toỏn. Diện tớch mặt cắt thường được ký hiệu là W ( hoặc F, hoặc A ) đơn vị hay dựng là m2. Diện tớch mặt cắt ướt cú thể gồm cả bộ phận nước khụng chảy. Diện tớch phần nước chảy gọi là "diện tớch chảy "; diện tớch phần nước khụng chảy gọi là "diện tớch tự" diện tớch mặt cắt ướt cú thể dựng mỏy đo trực tiếp trờn hỡnh vẽ mặt cắt ngang hoặc tớnh bằng phương phỏp đo gần đỳng. Theo phương phỏp đo gần đỳng thỡ mặt cắt ngang được chia thành cỏc hỡnh tam giỏc hoặc hỡnh thang bởi thuỷ trực đo sõu và khi đú cụng thức tớnh mặt cắt sẽ là b0 b1 b2 bn h1 h2 hn Hỡnh 3.10 Sơđồ tớnh diện tớch mặt cắt ngang W = W0 + W1 + ... + W n W = 1/2 [ h1b0 + (h1 + h2)b1+ ... +( hn-1 + hn)b + hn-1 nbn] (3.10 ) Trong đú Wi - là diện tớch giữa cỏc thuỷ trực đo sõu thứi hi - độ sõu tại thuỷ trực i
bi - Khoảng cỏch giữa hai thuỷ trực kề nhau i-1, i
3.4.2.2 Độ rộng mặt nước: Là khoảng cỏch từ mộp bờ nước này tới mộp bờ nước kia theo mặt cắt ngang cú ký hiệu B(m)
3.4.2.3. Độ sõu bỡnh quõn: Là tỷ số giữa mặt cắt ướt và độ rộng mặt nước h = W/B . Ký hiệu là hbq
3.4.2.4 Chu vi ướt: Là chiều dài đỏy sụng thuộc mặt cắt ngang bởi 2 mộp nước ký hiệu χ (m) được tớnh theo cụng thức: χ= b h02+ + b + h h− + + b hn+ n 1 2 1 2 2 1 2 2 ( ) L 2 (3.11)
3.4.2.5 Bỏn kớnh thuỷ lực: Tỷ số giữa diện tớch ướt và chu vi ướt ký hiệu là
R(m)
R = W/χ ( 3.12 )
CHƯƠNG 4. ĐO LƯU TỐC 4.1. KHÁI NIỆM VỀ LƯU TỐC DềNG NƯỚC
4.1.1. Mục đớch nghiờn cứu
Trong đo đạc thuỷ văn lưu tốc được xỏc định như lưu tốc tức thời, lưu tốc bỡnh quõn theo thời gian, lưu tốc bỡnh quõn theo khụng gian, lưu tốc bỡnh quõn theo cả khụng gian và thời gian.
Khỏi niệm:
+ Lưu tốc tức thời dũng chảy là lưu tốc ở một thời điểm nào đú.
+ Lưu tốc bỡnh quõn theo thời gian là giỏ trị trung bỡnh của lưu tốc dũng chảy tại một điểm nào đú trong một thời gian nào đú.
+ Lưu tốc bỡnh quõn theo khụng gian là giỏ trị bỡnh quõn thuỷ trực và lưu tốc trờn mặt cắt ngang.
Mục đớch nghiờn cứu:
Lưu tốc là một đặc trưng thuỷ lực quan trọng rất cần thiết cho việc tớnh toỏn thuỷ văn, thuỷ lực. Để nghiờn cứu kết cấu nội bộ dũng chảy cần phải biết độ lớn và hướng của lưu tốc tại một điểm nào đú trong dũng chảy và sự thay đổi của nú theo thời gian. Muốn xỏc định lượng nước hoặc lượng bựn cỏt chuyển qua một mặt cắt hay một đoạn sụng nào đú trong một thời đoạn nào đú cần phải biết giỏ trị của lưu tốc. Tài liệu về lưu tốc đỏp ứng cho việc tớnh bồi, xúi lở trờn một đoạn sụng, việc thiết kế cỏc thuỷ cụng trỡnh v v..
4.2. SỰ THAY ĐỔI LƯU TỐC THEO THỜI GIAN VÀ KHễNG GIAN
Lưu tốc trong thiờn nhiờn thay đổi rất phức tạp theo thời gian, khụng gian bởi cú quỏ nhiều nhõn tố ảnh hưởng đế lưu tốc như thuỷ lực, địa hỡnh (tốc độ đỏy sụng, hỡnh dạng mặt cắt...) điều kiện khớ tượng, cỏc yếu tố này lại khụng ngừng thay đổi theo
thời gian và khụng gian. Cú cỏc yếu tố biến đổi cú tớnh chất chu kỡ như thuỷ triều,... cú cỏc yếu tố biến đổi ngẫu nhiờn như lượng mưa, diễn biến dũng sụng v v... Do vậy tớnh chất thay đổi của lưu tốc cũng mang cả hai đặc tớnh chu kỡ và ngẫu nhiờn.
4.2.1 Phõn bố của lưu tốc theo khụng gian
4.2.1.1 Phõn bố lưu tốc theo chiều sõu:Trong thực tế phõn bố lưu tốc theo chiều sõu rất phức tạp. Dạng phõn bố chung nhất là lưu tốc giảm dần từ trờn mặt nước xuống đỏy sụng. trờn thuỷ trực thường cú cỏc dạng phõn bố vận tốc như sau:
1 2 3 4 ∇ ∇ ∇ ∇ Hỡnh 4.1. Phõn bố vận tốc trờn thuỷ trực 1) Đặc trưng cho sụng vựng nỳi, lưu tốc bề mặt lớn 2) Đặc trưng cho vựng đồng bằng 3) Phõn bố lưu tốc chịu ảnh hưởng ghồ ghề của đỏy sụng 4) Phõn bố lưu tốc ảnh hưởng của thuỷ triều.
Việc nghiờn cứu phõn bố của lưu tốc theo chiều sõu cú thể đạt được bằng phương phỏp lý luận song cho tới nay vẫn chưa được giải quyết triệt để. Trong thực tiễn vận tốc trung bỡnh được biểu diễn bằng cụng thức:
u
TTudt
= 1∫ (4.1)
Do đũi hỏi của thực tiễn sản xuất và nghiờn cứu người ta thường đưa một số cụng thức để tớnh toỏn sự phõn bố lưu tốc trờn thuỷ trực theo kinh nghiệm hoặc bỏn kinh nghiệm của cỏc tỏc giả xuất phỏt từ cỏc giả thiết và khỏi niệm khỏc nhau. Thụng thường, cỏc dạng phõn bố vận tốc theo chiều sõu vẫn gặp cỏc cụng thức dạng parabol, logarit, elớp.Vớ dụ: Cụng thức elớp của Carausev: u u P y h m = − ⎛ ⎝⎜ ⎞⎠⎟ 1 2 (4.2)
với um vận tốc trờn bề mặt; h- độ sõu tại thuỷ trực; y - khoảng cỏch từ mặt nước tới điểm đo cú vận tốc u. P là một tham số khụng thứ nguyờn phụ thuộc vào hệ số Chesi (C). Với 10 ≤C ≤ 60 thỡ P C =0 57, +3 3, (4.3) và với 60 ≤ C ≤ 90 thỡ 2 P = 0,022C - 0,000197C (4.4) Hệ sốC cú thể tra cứu từ cỏc bảng lập sẵn. 4.2.1.2 Phõn bố lưu tốc theo độ rộng sụng
Qua biểu thức trờn ta thấy lưu tốc là một hàm số của độ sõu và nếu ta coi trờn mỗi mặt cắt ngang một hệ số nhỏm là n và độ dốc mặt nước 1/j khụng thay đổi thỡ lưu tốc tỷ lệ thuận với độ sõu. Trường hợp dũng chảy một chiều thỡ đường vận tốc ngang cú dạng tỷ lệđường đỏy sụng nghĩa là độ sõu lớn nhất tương ứng với vận tốc lớn nhất và giảm dần đến hai bờn bờ.
Giả sử đỏy sụng phức tạp thỡ dạng phõn bố vận tốc cũng phức tạp, ở hai đoạn sụng cũng cú ảnh hưởng.
4.2.1.3 Phõn bố lưu tốc theo dũng chảy
Phõn bố lưu tốc theo dũng chảy rất phức tạp và phụ thuộc vào địa hỡnh đỏy sụng, hỡnh dạng mặt cắt,độ dốc đỏy sụng và cỏc điều kiện thuỷ văn và khớ tượng. Nhỡn
chung lưu tốc giảm dần theo chiều dũng chảy. Càng về hạ lưu dũng sụng càng rộng, vận tốc càng giảm xuống.
4.2.2. Sự thay đổi lưu tốc theo thời gian
- Lưu tốc mạch động: Lý thuyết về dũng rối trong tự nhiờn đó được nghiờn cứu khỏ nhiều. Đõy ta chỉ bàn một vài khớa cạnh trong lớ thuyết đú. Nếu dũng rối chảy đều chia vộc tơ vận tốc ra ba thành phần theo cỏc trục toạ độ 0x, 0y tương ứng cú cỏc thành phần luụn thay đổi theo thời gian t.
Trị số lưu tốc trung bỡnh là lưu tốc bỡnh quõn hướng dọc dũng chảy trong một thời gian T nào đú.
Lưu tốc bỡnh quõn và lưu tốc tức thời cú quan hệ như sau:
u = ±u u' (4.5)
Trong đú - u' là trị số thay đổi của lưu mạch động tại một thời điểm nào đú cú thể dương, õm hoặc bằng 0.
4.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU TỐC
Cỏc phương phỏp đểđo vận tốc dũng chảy dựa trờn cỏc nguyờn tắc sau: 1. Dựa vào số vũng quay của cỏnh quạt (lưu tốc kế)
2. Trờn cơ sở vận tốc của vật trụi (phao)
3. Xỏc định theo độ cao cột nước (ống thuỷ tĩnh) 4 . Theo lực tỏc động của dũng (phũng thớ nghiệm) 5 . Trờn cơ sở trao đổi nhiệt
6.Theo thể tớch khối nước
7. Theo vận tốc truyền súng õm trong nước
4.3.1 Đo lưu tốc bằng mỏy đo lưu tốc.
4.3.1.1. Bố trớ thuỷ trực đo lưu tốc trờn mặt cắt ngang.
Đo lưu tốc dựng để tớnh lưu lượng nước nờn độ chớnh xỏc của tài liệu này phụ thuộc chủ yếu vào số thuỷ trực trờn mặt cắt ngang, phụ thuộc vào độ rộng sụng, dũng
Cỏc trạm mới cần cú nhiều thuỷ trực vỡ chưa nắm bắt được quy luật phõn bố lưu tốc trờn mặt cắt ngang (thuỷ trực đầy đủ). Khi bố trớ cỏc thuỷ trực đảm bảo cỏc yờu cầu sau: Thuỷ trực trờn dũng chớnh dày hơn dũng phụ, nếu ở bói cú dũng chảy độc lập nờn bố trớ thuỷ trực ở đú. Những chỗở cỏc mặt cắt cú cỏc ranh giới địa hỡnh cũng cần cú thuỷ trực. Khi biết được phõn bố lưu tốc trờn mặt cắt thỡ cần số lượng thuỷ trực ớt hơn gọi là cỏc thuỷ trực cơ bản.
Một số yờu cầu cụ thể khi bố trớ thuỷ trực:
- Tại chủ lưu bố trớ thuỷ trực dày hơn bói và hai bờ. Nếu bờ dốc thỡ cỏch bờ20 - 50 cm cần cú một đường thuỷ trực. Nếu cú sự lờn xuống đột ngột và ở cỏc ranh giới cũng cần cú một đường thuỷ trực ( thực tế cỏc đường thuỷ trực cơ bản bố trớ sao cho tương đối đều nhau )
- Khi cần thay đổi là gặp cỏc trường hợp xúi, bồi làm địa hỡnh biến đổi lớn. Khoảng cỏch từ mộp đến đường bờ gần nhất vượt quỏ 10% độ rộng sõu, cần cú một đường thuỷ trực cơ bản ở 3/10 khoảng cỏch trờn kể từ bờ. Khi nước xuống thuỷ trực gần bờ khụng đo được cần bố trớ thờm một thuỷ trực cỏch mộp nước cỡ 5% dộ rụng sụng .
Thuỷ trực đại biểu phải đảm bảo cỏc yờu cầu sau:
- Sai số đo lưu lượng trờn thuỷ trực đại biểu và thuỷ trực cơ bản khụng vượt quỏ sai số cho phộp Vmc≈Vdb.
- Vị trớ thuỷ trực đại biểu bố trớ gần chủ lưu.
4.3.2 Xỏc định số điểm đo trờn một thuỷ trực
Sốđiểm đo trờn một thuỷ trực phụ thuộc vào độ sõu và sự phõn bố lưu tốc theo chiều sõu, sự biến đổi cỏc yếu tố thuỷ lực trong thời gian đo cũng như yờu cầu tài liệu đo.
4.3.2.1 Đối với vựng sụng khụng ảnh hưởng triều
Cú cỏc loại chếđộđo 5, 3, 2, 1điểm.
Đo 5 điểm với độ sõu h>3 m cú phõn bố vận tốc phức tạp người ta đo 5 điểm ở mặt và cỏc độ sõu 0,2h,0,6h, 0,8 h cỏch mặt nước và điểm đỏy.
Đo 3 điểm hoặc 2 điểm khi h<3 m, cú quy luật phõn bố vận tốc rừ ràng h = f (v) với sai số lưu tốc đo 5 điểm và 2 điểm phải nhỏ hơn 3 %, thỡ với đo 2 điểm là cỏc điểm 0,2 h, 0,8 h cũn đo 3 điểm: 0,2 h, 0,6 h , 0,8 h .
Đo 1 điểm khi h < 1 m cú vị trớ điểm đo là 0,6 h.
4.3.2.2 Đối với vựng sụng cú ảnh hưởng triều
Vựng này cú trạng thỏi chảy ổn định, biến đổi nhanh, cú cỏc yếu tố thuỷ lực thay đổi khỏ lớn trong thời gian đo lưu tốc tại một thuỷ trực. Nếu dựng nhiều mỏy đo lưu tốc thỡ tốn kộm nờn người ta dựng cỏc phương phỏp sau:
- Phương phỏp đo 6 điểm (hai lượt lờn và xuống) gồm cỏc điểm: mặt, 0,8 h, 0,4 h, 0,6, 0,8, đỏy, 0,8 h, 0,6h, 0,4h, mặt.
Đo xuống, lờn 3 điểm: 0,6 h, 0,8 h, 0,6 h, 0,2 h.
Đo xuống, lờn 2 điểm: 0,2 h, 0,8 h, 0,2 h
Thời điểm lần đo là thời điểm đo tại điểm cú độ sõu lớn nhất. Đo một lần tiến hành lỳc triều xuống.
4.3.2.3. Thời gian đo liờn tục tại một điểm.
- Đối với vựng sụng khụng ảnh hưởng triều thời gian đo phải lớn hơn hoặc bằng 120 s. Nếu lưu tốc quỏ nhỏ, thời gian đo đó đủ 120 s mà chưa thu được một tớn hiệu nào thỡ cú thể kộo dài thời gian đo cho đến khi thu đủ tớn hiệu. Khi thời gian đo đó tới 5 phỳt khụng thu được tớn hiệu nào thỡ coi lưu tốc tại điểm đo bằng 0.
- Tại vựng sụng cú ảnh hưởng triều, thời gian đo tại cỏc điểm khỏc nhau trờn thuỷ trực là khỏc nhau (tại điểm gần đỏy dài hơn), nhưng để tiện cho đo đạc cú thể qui định thời gian đo tại một điểm lớn hơn hoặc bằng 60 giõy. Nếu thời gian đo vượt quỏ
120 s mà chưa thu được tớn hiệu thỡ coi lưu tốc tại điểm đú bằng 0. 4.3.2.4. Tớnh lưu tốc bỡnh quõn thuỷ trực.
Để tớnh lưu tốc bỡnh quõn thuỷ trực cú thể tớnh bằng phương phỏp đồ giải hoặc phương phỏp phõn tớch
- Phương phỏp đồ giải : Cơ sở tớnh toỏn dựa vào cụng thức: vt t v h = ∫ 0 d h (4.6) v F h tt = hay núi cỏch khỏc:
Trong đú: F - diện tớch biểu đồ phõn bố lưu tốc theo độ sõu. h - độ sõu thuỷ trực
Để vẽ biểu đồ phõn bố lưu tốc theo độ sõu ta dựng lưu tốc bỡnh quõn tại cỏc điểm đo trờn thuỷ trực ứng với độ sõu của điểm đú. ở vựng ảnh hưởng triều nếu tại điểm đo lưu tốc được đo hai lần thỡ lưu tốc của điểm đú là giỏ trị bỡnh quõn cỏc lần đo. Diện tớch F cú thể xỏc định bằng mỏy đo diện tớch hoặc tớnh gần đỳng theo phương phỏp kẻ ụ và qui về tớnh cỏc diện tớch bộ phận là diện tớch của hỡnh chữ nhật, hỡnh thang hoặc tam giỏc.
- Phương phỏp phõn tớch: Cú cỏc cụng thức tớnh khỏc nhau phụ thuộc vào số điểm đo trờn thuỷ trực.
+ Đo 6 điểm trờn thuỷ trực (đối với vựng sụng cú ảnh hưởng triều)
vtt = 1 vm+ v + v + v + v + d 10( 2 0 2, 2 0 4, 2 0 6, 2 0 8, v )
+ Phương phỏp đo 5 điểm (vựng sụng khụng ảnh hưởng triều):
vtt = 1 vm + v + v + v + d 10( 3 0 2, 3 0 6, 2 0 8, v ) (4.7) + Phương phỏp đo 3 điểm vtt = 1 v + v +v 4( 0 2, 2 0 6, 0 8, ) (4.8) + Phương phỏp đo 2 điểm
vtt = 1 v +v 2( 0 2, 0 8, ) (4.9) + Và đo tại 1 điểm vtt =v0 6, (4.10) Trong đú vm, v0,2, v0,4, v0,6, v0,8, vd là lưu tốc tại điểm mặt và 0,2h, 0,4h, 0,6h, 0,8h và đỏy 4.3.3. Phương phỏp đo lưu tốc
- Đo lưu tốc tại một điểm và trờn thuỷ trực: Trước tiờn phải xỏc định độ sõu tại thuỷ trực cần đo, sau đú tớnh sẵn cỏc độ sõu điểm đo cần thiết 0,2h, 0,4h, 0,6h, 0,8h.
Tại mỗi điểm đo cụng việc tiến hành như sau: Thả mỏy xuống điểm đo cần thiết.
Ghi chộp tớn hiệu và thời gian. Khi vượt quỏ 120 s thỡ kết thỳc việc đo tại điểm đú và di chuyển mỏy tới điểm đo tiếp theo.
Số nhúm tớn hiệu và thời gian đo tại mỗi điểm hoàn toàn tuõn theo qui phạm. Đo lưu tốc trờn mặt cắt ngang: gồm cỏc cụng việc sau:
- Đo sõu tại cỏc đường thuỷ trực và lần lượt đo vận tốc tại từng điểm trờn thuỷ trực.
- Đọc mực nước lỳc bắt đầu và kết thỳc đo. Nếu mực nước biến đổi nhanh thỡ khi đo tại điểm 0,6h của mỗi thuỷ trực phải đọc sốđo mực nước.
- Đo mực nước tại tuyến độ dốc, theo dừi và ghi chộp cỏc hiện tượng thời tiết lỳc đo như sức giú và hướng giú...
Phương phỏp đo lưu tốc trờn mặt cắt ngang được tiến hành tại tất cả cỏc thuỷ trực đầy đủ hoặc cơ bản. Trường hợp cần đo nhanh cho phộp giảm số lượng cỏc đường thuỷ trực dựa trờn kết quả nghiờn cứu trước sao cho sai số cú thể xảy ra là nhỏ hơn sai số cho phộp. Nếu vỡ lớ do nào đú mà tuyến chớnh khụng đo được thỡ cú thể đo tuyến phụ nhưng phải khảo sỏt trước.
4.4. CÁC DỤNG CỤĐO VẬN TỐC
4.4.1. Lưu tốc kế
4.4.1.1 Vài nột về lịch sử lưu tốc kế: Tư tưởng để sỏng chế dụng cụ là đo vận tốc dựa vào mối liờn hệ của vũng quay cỏnh quạt trờn nguyờn tắc biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng lần đầu tiờn được Lờụna dờ Vanhxi sử dụng trong cỏc cụng trỡnh của mỡnh song ụng ứng dụng nguyờn tắc này để đo vận tốc giú.
Phần lớn cỏc tài liệu đều cho rằng Vontman - nhà kỹ thuật thuỷ (người Ham bua) là người sỏng chế ra lưu tốc kế, đưa vào cụng trỡnh của ụng xuất bản vào năm 1970 " lý thuyết và sử dụng lưu tốc kế".
Song trước Vontmam người ta cũng sử dụng cỏc dụng cụ để đo vận tốc dũng chảy cũng dựa trờn nguyờn tắc đú như là lưu tốc kế. N.D Chapkin cho rằng người sỏng chếđầu tiờn ra lưu tốc chưa biết rừ, cũn Vontman là người đó chuyển cỏc lưu tốc kế cổ