Lời giới thiệu Đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn là công tác trọng tâm của nội dung điều tra cơ bản về nguồn nước mặt trong các sông, suối, ao, hồ.... Qua một thời gian dài hoạt động c
Trang 1Trường đại học thuỷ lợi kHOA THUỷ VĂN - MÔI TRƯờNG
bộ MÔN CHỉNH TRị SÔNG và bờ BIểN
phan đình lợi - nguyễn năng minh
Giáo trình
Đo đạc vμ chỉnh lý
số liệu thuỷ văn
Hμ nộI - 2001
Trang 2Lời giới thiệu
Đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn là công tác trọng tâm của nội dung điều tra cơ bản
về nguồn nước mặt trong các sông, suối, ao, hồ ở nước ta, do vậy cần được trang bị những kiến thức cơ bản về đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn cho các kỹ sư chuyên ngành Thủy văn - Môi trường Qua một thời gian dài hoạt động của ngành thuỷ văn, khí tượng nói chung
và của công tác đo đạc, chỉnh lý số liệu thuỷ văn nói riêng đã có phần đóng góp đáng kể của các kỹ sư chuyên ngành thuỷ văn Thời gian gần đây do sự phát triển của nền kinh tế nước
ta và việc xâm nhập mạnh mẽ những kiến thức khoa học kỹ thuật hiện đại từ các nước tiên tiến vào nước ta nên một số phương pháp đo đạc, máy móc đo đạc và phương pháp chỉnh lý
số liệu thuỷ văn đã có sự thay đổi cho phù hợp Tuy vậy những nét cơ bản trong công tác này vẫn kế thừa những kiến thức mà chúng ta đã sử dụng trong gần một thế kỷ qua Do đó trong giáo trình này vẫn đề cập tới những kiến thức cơ bản đã và đang ứng dụng cùng với một số kiến thức và máy móc đo đạc hiện đại đang bắt đầu được sử dụng ở nước ta
Nội dung của giáo trình cũng đã chú ý biên soạn phù hợp những quy định của các quy phạm Tiêu chuẩn ngành của Tổng cục Khí tượng - Thuỷ văn để tạo điều kiện thuận lợi cho
kỹ sư khi ra trường công tác
Một số yếu tố đã đo đạc trước đây mà hiện nay tạm ngừng đo đạc (bùn cát đáy) chúng tôi sẽ không trình bày chi tiết
Một số thuật ngữ cũ đã dùng trước đây mà nay Tổng cục Khí tượng Thuỷ văn đã sửa
đổi nhưng chúng tôi vẫn phải dùng lại và ghi thuật ngữ mới trong ngoặc ( )* vì các lý do sau:
Các giáo trình, tài liệu đã xuất bản của trường Đại học Thuỷ lợi như Chỉnh trị sông,,
Động lực học dòng sông, Tính toán thuỷ văn có liên quan tới tài liệu thuỷ văn vẫn dùng các thuật ngữ cũ Mặt khác nhằm giúp cho sinh viên và các kỹ sư khi ra trường có thể khai thác sử dụng được các tài liệu cũ có liên quan
Ví dụ: "Lượng ngậm cát" nay đổi thành "Hàm lượng chất lơ lửng"
Trong giáo trình này ghi là: Lượng ngậm cát (hàm lượng chất lơ lửng)*
Nội dung của môn học còn bao gồm một đợt thực hành của sinh viên ở các trạm thủy văn Đây là dịp để các kỹ sư tương lai vận dụng các kiến thức đã học vào việc đo đạc, tính toán, chỉnh lý số liệu ở thực tế, nhất là học tập phương pháp tổ chức làm việc ở một trạm thủy văn
Đối tượng phục vụ chính của giáo trình là sinh viên ngành thuỷ văn - môi trường đồng thời có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành học khác có liên quan Nội dung sách gồm 10 chương, việc biên soạn được phân công như sau:
Giảng viên Phan Đình Lợi biên soạn phần mở đầu và các chương I đến chương VI Giảng viên Nguyễn Năng Minh biên soạn các chương VII đến chương X
Trang 3Trong quá trình biên soạn và hoàn chỉnh nội dung chúng tôi đã nhận được nhiều ý kiến
đóng góp của bộ môn "Chỉnh trị sông và bờ biển" trường Đại học Thuỷ Lợi, trong đó giảng viên Ngô Lê Long đã giúp đỡ thiết kế bản vẽ minh hoạ; sự góp ý và giúp đỡ của Cục mạng lưới và Trang thiết bị kỹ thuật Khí tượng Thuỷ văn, Trung tâm tư liệu Khí tượng Thuỷ văn,
Đài Khí tượng Thuỷ văn khu vực đồng bằng Bắc bộ, Tổng cục Khí tượng Thủy văn Đặc biệt là sự góp ý và giúp đỡ của PGS TS Đỗ Cao Đàm nguyên giảng viên trường Đại học Thuỷ lợi, PGS TS Ngô Trọng Thuận Tổng cục Khí tượng Thuỷ văn
Công tác đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn bao gồm một nội dung khá lớn, song chương trình của môn học lại có hạn Để phù hợp với yêu cầu giảng dạy chúng tôi đã chọn lọc những vấn đề cơ bản để biên soạn trong giáo trình này, do đó không tránh khỏi thiếu sót mong bạn đọc, góp ý, xây dựng để giáo trình được hoàn chỉnh thêm
Các tác giả
Trang 4Chương mở đầu _1 Dòng sông đối với các ngμnh kinh tế nước ta
I Nguồn lợi và tác hại do dòng sông mang lại cho cuộc sống và sản xuất
Sông ngòi đã gắn bó với con người bao đời nay Nó đưa lại nguồn nước cho sinh hoạt, cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải và nhiều ngành kinh tế khác Vì vậy mà sự phát triển của các khu dân cư, các thành phố lớn trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá của một nước hay một khu vực đã mọc lên hai bên sông
Dòng sông đồng thời cũng đã gây ra cho con người không ít khó khăn như lũ lụt, sự diễn biến của dòng sông có khi làm xói lở cả một vùng đất đai rộng lớn cùng với nhà cửa và các công trình xây dựng trên đó Ngược lại có chỗ lòng sông bồi lấp làm cho các công trình
đã xây dựng bên bờ sông (công trình lấy nước, cảng ) không hoạt động được Sau đây chỉ
đơn cử một vài thời kỳ lũ điển hình để thấy tác hại do lũ lụt gây ra cho con người
- Từ năm 1848 - 1883 Đê Văn Giang vỡ 18 năm liền, biến một vùng đồng bằng rộng lớn ở Hưng Yên thành rừng lau sậy
- Từ năm 1900 - 1945 có 17 lần lũ làm vỡ đê sông Hồng và sông Thái Bình là một trong những nguyên nhân gây ra nạn đói năm 1945
- Lũ lịch sử tháng 8/1971 gây vỡ đê sông Đuống và sông Thái Bình làm thiệt hại lớn về người và của ở đồng bằng Bắc bộ
- Cuối năm 1999 lũ ở các tỉnh miền Trung đã gây cho nhân dân ta những thiệt hại to lớn cho tới nay vẫn chưa hàn gắn được
- Cuối năm 2000, 2001 lũ ở đồng bằng sông Cửu Long kéo dài hai, ba tháng đã gây không ít khó khăn cho nền kinh tế ở nước ta
II Tài liệu thuỷ văn đối với các ngành kinh tế
Các ngành kinh tế, kỹ thuật có liên quan tới dòng sông và các yếu tố thuỷ văn của nó ở nước ta ngày càng phát triển, nhất là trong giai đoạn đổi mới nền kinh tế hiện nay Nhưng sự hiểu biết của chúng ta về thiên nhiên nói chung và về dòng sông nói riêng vẫn chưa đủ Để
có cơ sở cho việc lập quy hoạch, đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp để khai thác tài nguyên nước và hạn chế các tác hại do dòng sông gây ra trước hết phải biết các quy luật biến đổi của dòng nước, bùn cát v.v trong dòng sông Muốn vậy phải đo đạc, quan sát quá trình thay đổi của các yếu tố thuỷ văn tại các vị trí khống chế, đặc trưng cho một đoạn sông hoặc một hệ thống sông nào Từ chuỗi tài liệu thực đo có thể tổng hợp thành các chuỗi số liệu đặc trưng, làm cơ sở cho việc xác lập các quy luật thay đổi của các yếu tố thuỷ văn ở
đoạn sông nghiên cứu Tài liệu thuỷ văn phục vụ nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật có liên quan tới nước và dòng sông Sau đây chỉ đơn cử một số chuyên ngành có liên quan trực tiếp tới thuỷ văn
Trang 51 Tài liệu thuỷ văn thu thập được, qua chỉnh lý và tổng hợp phục vụ cho công tác điều
tra cơ bản về tài nguyên nước của nước ta Đây là nhiệm vụ cơ bản mà Tổng cục Khí tượng - Thuỷ văn đã và đang tiến hành Tài liêu này được cung cấp cho các ngành có nhu cầu
2 Ngành Thuỷ lợi luôn gắn liền với dòng sông do đó tài liệu thuỷ văn sẽ làm cơ sở để
tính toán các thông số cơ bản của công trình thuỷ lợi như hồ chứa, đập, cửa lấy nước, công trình trị sông, biển.v.v
Trong đó chuyên ngành chỉnh trị sông, các tài liệu thuỷ văn đóng vai trò hết sức quan trọng cho việc phân tích nguyên nhân diễn biến lòng sông, chọn giải pháp công trình hợp lý
Công tác phòng chống lũ lụt là một trong những công tác hàng đầu của Nhà nước và của Ngành Thuỷ lợi Để giải quyết tốt việc phòng chống lũ lụt cần phải nắm được quy luật biến đổi của các yếu tố thuỷ văn của từng lưu vực sông Chẳng hạn muốn xây dựng một hồ chứa tại một điểm nào đó để chứa lũ, phát điện và lợi dụng tổng hợp thì phải biết các đặc trưng thuỷ văn tại vị trí đó như mực nước (Hmax,H, Hmin)lưu lượng (Qmax,Q, Qmin), bùn cát, tổng lượng nước (W) và sự phân phối của nó trong năm, trong nhiều năm; lượng bùn cát chuyển qua mặt cắt nào đó trong sông v.v Các tài liệu này là sản phẩm của đo đạc thuỷ văn
3 Dòng sông đối với giao thông vận tải nói chung, đặc biệt đối với giao thông thuỷ có
một ý nghĩa to lớn Vì vận tải thuỷ là loại phương tiện vận tải rẻ tiền và tiện lợi do đó được nhân dân ta đã sử dụng lâu đời Để phát triển loại hình vận tải này cần phải biết quy luật thay đổi của lòng sông cùng với sự thay đổi của các yếu tố thuỷ văn trên đó để xác định tuyến vận tải, cấp vận tải và làm các công trình giao thông trên sông
4 Tài liệu thuỷ văn còn phục vụ cho các ngành dùng nước khác như tưới, sinh hoạt,
cung cấp nước cho công nghiệp, phục vụ cho nuôi trồng thuỷ sản; phục vụ cho quốc phòng, cho ngành du lịch
_2 Vμi nét về đo đạc Thuỷ văn ở nước ta
Do yêu cầu của cuộc sống và sự phát triển của nền sản xuất mà việc quan sát, ghi chép một số yếu tố thuỷ văn đơn giản như mực nước đã được loài người tiến hành từ hàng nghìn năm trước, như tại sông Nin (Ai cập), sông Hằng (ấn Độ) Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học mà khoa học thuỷ văn nói chung và đo đạc thuỷ văn nói riêng đã có nhiều tiến bộ, đặc biệt trong thế kỷ 20 Từ các loại máy đo thông thường ngày nay đã có nhiều loại máy tự động đo đạc, lưu trữ và truyền số liệu công tác chỉnh lý số liệu thuỷ văn cũng không ngừng phát triển cùng với sự phát triển của công nghệ tin học
Sự phát triển của thuỷ văn ở nước ta trong gần một thế kỷ qua cũng đã có nhiều tiến bộ Căn cứ vào quá trình thay đổi về mạng lưới trạm thuỷ văn, yếu tố quan trắc có thể phân chia
sự phát triển đó ra các giai đoạn như sau:
Trang 6- Giai đoạn trước 1954: trạm thuỷ văn (có tài liệu) lâu đời nhất ở nước ta được thành lập
từ năm 1902 ở miền Bắc có 11 trạm và năm 1912 ở miền Nam có 16 trạm, số trạm đo lưu lượng, bùn cát trong giai đoạn này có từ 2-4 trạm trong tổng số gần 30 trạm
- Từ năm 1954 - 1975 ở miền Bắc đã có sự thay đổi cơ bản về mạng lưới trạm Phần lớn các trạm được xây dựng từ năm 1956 - 1960 Đến năm 1960 đã có gần 130 trạm, trong đó
có trên 50 trạm đo lưu lượng và bùn cát Số cán bộ công nhân viên có tới gần một nghìn người Cơ quan quản lý là Cục Thuỷ văn, Bộ Thuỷ lợi
- Từ năm 1975 tới nay quy hoạch lưới trạm toàn quốc được hoàn thiện Hiện tại có gần
240 trạm đo, trong đó có gần 80 trạm đo lưu lượng và 50 trạm đo bùn cát Số trạm còn lại
đo mực nước, đo độ mặn
Về phương tiện máy móc đo đạc hiện đại cũng đang dần dần được thay đổi Số cán bộ
kỹ thuật có trình độ tiến sĩ, thạc sĩ, kỹ sư ngày càng tăng và được đào tạo liên tục hằng năm
Cơ quan quản lý cao nhất của ngành là Tổng cục Khí tượng Thuỷ văn bao gồm một số Cục, Vụ, Viện Một số tỉnh gần nhau và có liên quan tới mạng lưới sông được thành lập một
Đài khu vực dưới sự quản lý của Tổng cục Đài khu vực sẽ quản lý trực tiếp các trạm thuỷ văn trong Đài
_3 Các yếu tố thủy văn cần đo đạc, thu thập
I Yếu tố cơ bản về dòng chảy, bùn cát và hoá nước:
- Mực nước: ký hiệu H - đơn vị cm
- Tốc độ dòng chảy (lưu tốc): V (U) - m/s
- Lưu lượng nước: Q (m3/s)
- Bùn cát lơ lửng ρ (kg/m3); R (kg/s)
- Bùn cát đáy gs (Kg/ms); Gs (kg/s)
- Mặt cắt ngang sông và các yếu tố có liên quan tới địa hình lòng sông
- Độ dốc mặt nước J (%00)
- Hướng chảy
- Độ mặn: S (%0)
- Độ chua: pH
- Nhiệt độ nước và nhiệt độ không khí v.v
II Các yếu tố khác có liên quan tới các yếu tố cơ bản như:
- Trạng thái dòng chảy, hoạt động của các công trình gần trạm
- Lượng mưa
- Sóng, gió v.v
Đối với mỗi yếu tố thuỷ văn cơ bản, nội dung sẽ được đề cập tới bao gồm: Chọn vị trí
đo, công trình, thiết bị, máy móc đo đạc; phương pháp đo đạc; chế độ đo; cách tính toán và
Trang 7Mục lục
Trang
Chương Mở đầu 5
Đ1 Dòng sông đối với các ngành kinh tế nước ta 5
Đ2 Vài nét về đo đạc thuỷ văn nước ta 6
Đ3 Các yếu tố thuỷ văn cần đo đạc, thu thập 7
Chương I Khảo sát, chọn tuyến đo đạc các yếu tố thuỷ văn 8
Đ1-1 Phân cấp, phân loại trạm thuỷ văn 8
Đ1-2 Khảo sát chọn vị trí đặt trạm thuỷ văn 9
Chương II Đo mực nước vμ nhiệt độ nước 17
Đ2-1 Công trình và máy đo mực nước 17
Đ2-2 Chế độ đo mực nước 24
Đ2-3 Đo và tính toán mực nước 25
Đ2-4 Đo nhiệt độ nước T°N và nhiệt độ không khí T°K 26
Đ2-5 Quan sát, đo đạc các yếu tố khác 27
Đ2-8 Tính toán, thống kê các đặc trưng mực nước 28
Chương III Đo độ sâu dòng nước 32
Đ3-1 Đo sâu dòng nước và ứng dụng 32
Đ3-2 Dụng cụ và máy móc đo sâu 32
Đ3-3 Chế độ đo sâu 37
Đ3-4 Các phương pháp đo sâu 37
Đ3-5 Chỉnh lý và tính toán tài liệu đo sâu 42
Chương IV Đo lưu lượng nước 46
Đ4-1 Chương trình và máy móc đo lưu lượng nước 46
Đ4-2 Đo lưu lượng tại vùng sông không ảnh hưởng triều 58
Đ4-3 Tính lưu lượng bằng phương pháp "lưu tốc -diện tích" 68
Đ4-4 Đo lưu lượng nước tại vùng sông ảnh hưởng triều 84
Đ4-5 Xác định hướng chảy 91
Đ4-6 Đo lưu lượng nước bằng tàu di động và máy ADCP 98
Đ4-7 Khái quát về chế độ đo lưu lượng nước 109
Chương V Đo bùn cát trong nước sông 111
Đ5-1 Khái niệm, nguồn gốc và phân loại bùn cát 111
Đ5-2 Máy móc và thiết bị lấy mẫu 113
Trang 8Đ5-3 Đo lưu lượng bùn cát lơ lửng 118
Đ5-4 Đo lưu lượng bùn cát đáy 130
Đ5-5 Khái quát chế độ đo bùn cát 132
Chương VI Đo độ mặn trong nước sông vùng ven biển 133
Đ6-1 Khái niệm về độ muối và độ mặn 133
Đ6-2 Vị trí và phương pháp lấy mẫu 133
Đ6-3 Phương pháp phân tích mẫu nước và xác định độ mặn 134
Đ6-4 Đo độ mặn bằng máy 140
Đ6-5 Đo độ chua pH 141
Đ6-6 Khái quát chế độ đo độ mặn và độ chua 142
Chương VII Chỉnh lý số liệu mực nước vμ nhiệt độ nước 143 Đ7-1 Mục đích, nhiệm vụ của công tác chỉnh lý số liệu thuỷ văn nói chung 143
Đ7-2 Tóm tắt nội dung chỉnh lý số liệu mực nước 143
Đ7-3 Tính bổ sung mực nước bình quân ngày và cực trị 144
Đ7-4 Kiểm tra phát hiện sai số 146
Đ7-5 Tính chất chung của sự thay đổi mực nước sông 146
Đ7-6 Tính chất đặc biệt của sự thay đổi mực nước sông 149
Đ7-7 Nhận dạng sai số và cách xử lý 151
Đ7-8 Tổng hợp số liệu và xác định trị số đặc trưng 151
Đ7-9 Chỉnh lý số liệu mực nước vùng ảnh hưởng triều 153
Đ7-10 Thuyết minh, nhận xét về chất lượng số liệu 154
Đ7-11 Chỉnh lý số liệu nhiệt độ nước sông 155
Chương VIII Chỉnh lý số liệu lưu lượng nước vùng sông không ảnh hưởng triều 157
Đ8-1 Nội dung chỉnh lý số liệu lưu lượng nước 157
Đ8-2 Chỉnh lý lưu lượng nước khi quan hệ Q=f(H) ổn định 158
Đ8-3 Một số kỹ năng vẽ biểu đồ và kéo dài Q=f(H) 166
Đ8-4 Chỉnh lý số liệu lưu lượng nước khi quan hệ Q=f(H) thay đổi theo mặt cắt bị xói, bồi 173
Đ8-5 Chỉnh lý số liệu lưu lượng nước khi quan hệ Q=f(H) thay đổi theo độ dốc mặt nước 177
Chương IX Chỉnh lý số liệu lưu lượng nước vùng sông ảnh hưởng triều 190
Đ9-1 Phân loại ảnh hưởng triều 190
Trang 9Đ9-2 Chỉnh lý lưu lượng nước khi ảnh hưởng triều yếu 191
Đ9-3 Chỉnh lý lưu lượng nước khi ảnh hưởng triều mạnh 192
Đ9-4 Chỉnh lý lưu lượng nước ảnh hưởng triều mức trung bình 201
Đ9-5 Nhận xét về các phương pháp chỉnh lý lưu lượng vùng triều 205
Đ9-6 Khái quát về chương trình chỉnh lý tài liệu thuỷ văn trên máy vi tính 205
Chương X Chỉnh lý số liệu lưu lượng bùn cát lơ lửng 211
Đ10-1 Thu thập các tài liệu có liên quan 211
Đ10-2 Nội dung và phương pháp chỉnh lý lưu lượng bùn cát lơ lửng 212
Đ10-3 Một số biện pháp xử lý khi quan hệ ρmn ~ ρdb không ổn định 216
Tμi liệu tham khảo 218
ảnh bìa : Trạm thuỷ văn Thượng Nhật, Tả trạch sông Hương tỉnh Thừa Thiên - Huế
Photo: Giảng viên Trần Thanh Tùng