Chương I Khảo sát, chọn tuyến đo đạc các yếu tố thuỷ văn Đ1-1 Phân cấp, phân loại trạm thuỷ văn Do yêu cầu phục vụ mà các trạm thuỷ văn có quy mô khác nhau, yếu tố đo đạc và thời gian
Trang 1Chương I
Khảo sát, chọn tuyến đo đạc
các yếu tố thuỷ văn
Đ1-1 Phân cấp, phân loại trạm thuỷ văn
Do yêu cầu phục vụ mà các trạm thuỷ văn có quy mô khác nhau, yếu tố đo đạc và thời gian hoạt động khác nhau Các trạm thuỷ văn được phân loại và phân cấp như sau :
I Phân loại trạm thuỷ văn
Căn cứ vào đối tượng phục vụ, trạm thuỷ văn có thể chia làm 3 loại :
1 Trạm thuỷ văn cơ bản : Là loại trạm nhằm mục đích thu thập số liệu phục vụ cho
công tác điều tra cơ bản về nguồn nước Trạm đặt ở vị trí phải có tính đại biểu tốt về quy luật thay đổi của một hay nhiều yếu tố thuỷ văn trong một khu vực nhất định Thời gian hoạt động tương đối dài và do một cơ quan quản lý thống nhất: Tổng cục khí tượng thuỷ văn
2 Trạm thuỷ văn dùng riêng : Là loại trạm nhằm thu nhập số liệu phục vụ cho thiết
kế, thi công, quản lý một công trình nào đó hoặc phục vụ cho nghiên cứu một đề tài mà tài liệu ở trạm thuỷ văn cơ bản chưa đáp ứng được những yêu cầu riêng Hiện nay số trạm dùng riêng này ngày một tăng lên do yêu cầu phục vụ của các ngành Chế độ đo, yếu tố đo và thời gian hoạt động của các trạm thuỷ văn dùng riêng được quy định bởi cơ quan trực tiếp quản
lý
3 Trạm thuỷ văn thực nghiệm : Là loại trạm chuyên nghiên cứu phương pháp đo
đạc, áp dụng các thiết bị đo đạc mới và kiểm nghiệm phương pháp tính toán thuỷ văn v.v Hiện tại loại trạm này đang tạm ngừng hoạt động
II Phân cấp trạm thuỷ văn
Dựa vào các yếu tố và chế độ đo đạc, người ta có thể chia các trạm thuỷ văn ra làm ba cấp:
1 Trạm thuỷ văn cấp I : Là trạm được quy định đo nhiều yếu tố thuỷ văn cơ bản như
mực nước, lưu lượng, bùn cát Chế độ đo đạc được quy định cụ thể tuỳ thuộc vào sự thay
đổi của các yếu tố thuỷ văn theo thời gian tại từng trạm
2 Trạm thuỷ văn cấp II : Chủ yếu là đo mực nước còn các yếu tố khác như lưu lượng,
bùn cát chỉ đo một số thời đoạn nhất định trong năm
3 Trạm thuỷ văn cấp III : yếu tố đo đạc chủ yếu là đo mực nước Ngoài các yếu tố
trên các trạm còn đo đạc các yếu tố khác như nhiệt độ nước, nhiệt độ không khí, mưa v v
Trang 2Đ1-2 Khảo sát chọn vị trí đặt trạm thuỷ văn
I Vị trí trạm đo lưu lượng nước, đo bùn cát
1 Tiêu chuẩn của đoạn sông đặt trạm
a Đoạn sông hẹp tương đối thẳng, có chiều dài của đoạn sông thẳng L sao cho khi xác
định các yếu tố liên quan tới chiều dài có sai số trong phạm vi cho phép, chẳng hạn trong trường hợp tính độ dốc mặt nước, tính lưu tốc phao, xác định hướng chảy v.v chiều dài L của đoạn sông thẳng phải đảm bảo tiêu chuẩn như sau:
L = (3,5)B (1-1)
Hình 1-1 Chiều dài đoạn sông đặt trạm
Công thức (1-1) có thể được chứng minh như sau (xem hình1-1)
Giả sử khoảng cách vuông góc với 2 mặt cắt là L; Trong trường hợp dòng chảy chảy xiên nhất từ A đến B với chiều dài L’ và chúng hợp với nhau một góc α thì sai số tuyệt đối
về chiều dài lớn nhất d có thể tính bằng công thức :
d = L’ - L = L’ - L’ cosα = L’ ( 1 - cosα)
Sai số tương đối : Δ% = 100
'
Ld ì =
' L
100 ) cos 1 ( '
= (1 - cosα)ì100
Mà cosα
' L
L
=
2
L
L
B L 1 B L +
Vậy Δ% =
( )LB 100 1
B
L 1
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
+
Với B là chiều rộng trung bình của đoạn sông đặt trạm (m)
Trang 3Căn cứ vào (1-2) ta có thể tính được sai số Δ% cho các trường hợp tỷ số
B
L
khác nhau như bảng 1-1
Bảng 1-1 Sai số tương đối về chiều dài đoạn sông đặt trạm
B
1
2
3
4
5
6
45,00
26,37
18,12
14,05
12,01
9,36
0,707 0,894 0,950 0,970 0,978 0,986
0,293 0,106 0,050 0,030 0,022 0,014
29,3 10,6 5,0 3,0 2,2
⎭
⎪
⎬
⎫
Trong sai số cho phép
Từ bảng (1-1) khi L = (3-5)B thì sai số Δ% = (2-5 )% nằm trong giới hạn sai số cho phép Trường hợp không chọn được đoạn sông theo công thức (1-1) thì có thể chọn đoạn sông ngắn hơn song chiều dài đoạn sông không nhỏ hơn 3 lần chiều rộng (L ≥ 3B)
Đối với đoạn sông có chiều rộng B > 300m thì L phải bằng hoặc lớn hơn khoảng cách giữa hai tuyến đo độ dốc
Riêng trạm đo ở vùng ảnh hưởng triều, khi B > 300m thì chọn L≤1000m
Trường hợp trạm đo bằng tàu di động thì chiều rộng sông B ≥ 300 m, độ sâu h ≥ 2 m (với tất cả các mực nước)
b) Đoạn sông đặt trạm ở ngoài phạm vi ảnh hưởng của nước dâng, nước vật do các công trình trên sông hoặc do giao thoa sóng lũ của các sông nhánh gây ra ( xem hình 1.2 )
Chiều dài khu vực nước dâng được tính theo công thức sau :
Ld = a
J
Z
ho +
Trong đó :
Ld : Chiều dài nước dâng ( m)
ho : Chiều sâu bình quân của dòng chảy khi chưa có nước dâng (m)
Z : Chiều cao nước dâng lớn nhất tại công trình ngăn sông hoặc tại ngã ba sông (m)
Hình 1-2 Sơ đồ tính chiều dài nước dâng
J : Độ dốc mặt nước khi chưa có nước dâng
a : Hệ số phụ thuộc vào tỷ số
o
h Z
Trang 4Khi tính toán có thể lấy J bằng độ dốc bình quân đáy sông đoạn từ nơi phát sinh nước dâng đến nơi đặt trạm ( theo tài liệu khảo sát địa hình) và a được tính theo bảng sau :
o
h
c) Trạm đo không chịu ảnh hưởng của thác ghềnh và ảnh hưởng do sự hoạt động của con người làm thay đổi quy luật tự nhiên của dòng chảy Không có vật kiến trúc lớn che khuất tầm nhìn
d) Hai bờ sông cao, khống chế được mực nước cao nhất, có điều kiện địa chất tốt đảm bảo xây dựng được các công trình đo đạc, không có phân, nhập lưu
e) Bờ sông, lòng sông ổn định, mặt cắt dạng đơn, cân đối không có bãi tràn; nếu không chọn được thì chọn nơi có bãi tràn nhỏ
f) Không có cỏ nước mọc ở gần bờ và đáy sông, không có đá ngầm ngổn ngang trên lòng sông
g) Mực nước phải thay đổi đều đặn phản ánh đúng quy luật thay đổi mực nước trong sông
h) Tại tuyến đo mực nước không có độ dốc ngang, không có hiện tượng chảy vòng i) Trạm đo cần gần khu dân cư, thuận tiện sinh hoạt, giao thông và thông tin liên lạc, nhưng không nên đặt ở gần bến cảng, bến đò ngang có sự hoạt động nhộn nhịp, ảnh hưởng tới công tác đo đạc
Đối với những loại trạm dùng riêng cần phải căn cứ vào yêu cầu phục vụ riêng để chọn
vị trí đo đạc cho thích hợp
2 Các bước khảo sát
Công tác khảo sát trạm đo nói chung có thể chia ra hai bước : Khảo sát sơ bộ và khảo sát kỹ thuật
a Khảo sát sơ bộ : Căn cứ vào yêu cầu phục vụ, tình hình lưới trạm trong khu vực đặt
trạm, sơ bộ chọn đoạn sông đặt trạm trên bản đồ, (dùng bản đồ có tỉ lệ càng lớn càng tốt) Sau đó tiến hành khảo sát thực địa Đoạn sông khảo sát dài khoảng 5-10Km Những tài liệu cần thu thập khi khảo sát sơ bộ bao gồm :
Địa hình gần đoạn sông đặt trạm; địa chất bờ sông, lòng sông; những điều kiện có ảnh hưởng tới dòng chảy như thác, ghềnh, phân lưu, nhập lưu Thu thập các số liệu thuỷ văn, khí tượng đặc trưng tại khu vực đặt trạm, tình hình dân sinh, kinh tế, chính trị tại khu vực đặt trạm, các công trình trên sông và quy họach của các ngành kinh tế hiện tại và tương lai trong khu vực Tài liệu thu thập trong bước khảo sát sơ bộ có thể bằng cách điều tra, thu thập qua các cơ quan quản lý ở địa phương , điều tra lũ hoặc trực tiếp đo đạc một số yếu tố cần thiết
Trang 5b Khảo sát kỹ thuật bao gồm
•
•
Xây dựng các mốc cao độ : Cao độ được dẫn từ mốc chuẩn có hệ tuyệt đối hoặc cao độ giả định (Nếu chưa có điều kiện dẫn cao độ tuyệt đối)
Lập bình đồ đoạn sông đặt trạm : Đoạn sông được lập bình đồ phải dài hơn đoạn sông
định chọn để đặt trạm Việc đo đạc địa hình bao gồm : Đo đạc địa hình của lòng sông phần ngập nước và phần không ngập nước (tính từ mép nước trong thời gian khảo sát tới
đường đồng mức cao hơn mực nước lớn nhất khoảng 1m) Nội dung công tác này xem thêm hướng dẫn đo đạc phổ thông
Hình 1-3 Bình đồ đoạn sông đặt trạm
Căn cứ vào tài liệu địa hình lập bình đồ đoạn sông (hình 1-3) và vẽ một số mặt cắt ngang, mặt cắt dọc sông, để phân tích chọn tuyến đo (hình 1-4 a,b) Tỉ lệ của bình đồ và các bản vẽ cần đủ lớn để dễ phân tích chọn tuyến đo
+ Đo đạc, điều tra các yếu tố thuỷ văn như mực nước lớn nhất (Hmax), nhỏ nhất (Hmin), phân bố lưu tốc trên các mặt cắt định đặt tuyến đo, xác định hướng chảy bình quân, điều tra
sự diễn biến lòng sông v.v
Sau khi đã có đủ các loại tài liệu tiến hành phân tích các điều kiện cụ thể của đoạn sông, căn cứ vào các yêu cầu của đoạn sông đặt trạm và nhiệm vụ của trạm đo để chọn các tuyến đo đạc
+ Khảo sát khu vực dự kiến xây dựng các công trình đo đạc như : Xây dựng công trình
đo mực nước, xây dựng công trình cáp treo thuyền, nôi, xe, nhà trạm v v
Trang 63 Chọn các tuyến đo
Trạm thuỷ văn cấp I bao gồm các tuyến đo lưu lượng, mực nước, bùn cát, độ dốc mặt nước, đo phao, đo độ mặn ( nếu trạm đo có ảnh hưởng của thuỷ triều)
a)
b)
Hình 1-4 a) Mặt cắt ngang tại tuyến chính (Tuyến cơ bản)
b) Mặt cắt dọc đoạn sông đặt trạm (Mặt cắt này không cùng tài liệu ở bình đồ)
Trang 7a Tuyến đo lưu lượng :
Phương pháp xác định lưu lượng nước phổ biến ở các trạm thuỷ văn hiện nay là phương pháp “lưu tốc - diện tích” Theo phương pháp này cần phải đo đạc các yếu tố thành phần như lưu tốc, diện tích (đo sâu và đo khoảng cách giữa các thuỷ trực đo sâu) Các yếu tố này
được xác định trên một mặt cắt ngang gọi là tuyến đo lưu lượng
Để đảm bảo thu thập tài liệu được chính xác, mặt cắt đo lưu lượng phải đảm bảo các yêu cầu sau :
- Mặt cắt phải vuông góc với hướng chảy bình quân
- Hình dạng mặt cắt tốt nhất là dạng parabôn (lòng chảo) hoặc chữ V, không có bãi tràn, không có khu vực nước tù, nước vật
- Sự phân bố lưu tốc trên mặt cắt tuân theo những quy luật chung, đảm bảo đo đạc thuận tiện trong các mùa
- Sự diễn biến lòng sông ít, nghĩa là mặt cắt không có hiện tượng bồi, xói nghiêm trọng
b Tuyến đo độ dốc mặt nước :
Độ đốc mặt nước là độ hạ thấp bình quân của mặt nước trên một đơn vị chiều dài dòng chảy
Độ dốc mặt nước được tính theo công thức sau :
J
2 1 J
2 1
L
H L
H H
=
ư
Trong đó :
J - độ dốc mặt nước, thường tính bằng phần vạn (%00)
H1 - mực nước tại tuyến độ dốc trên
H2 - mực nước tại tuyến đo độ dốc dưới
LJ - chiều dài dòng chảy giữa hai tuyến độ dốc (cùng đơn vị với mực nước) Tuyến đo độ dốc thực chất là hai tuyến đo mực nước cố định được đặt về hai phía của tuyến đo lưu lượng (xem hình 1-5 và 1-6)
Để đảm bảo được sai số của tài liệu trong phạm vi cho phép, tuyến đo độ dốc mặt nước cần phải đảm bảo các yêu cầu sau :
•
•
Tuyến đo độ dốc trên (I1) và tuyến đo độ dốc dưới (I2) tốt nhất là cách đều tuyến đo lưu lượng
Tại tuyến đo, mực nước thay đổi phản ánh đúng quy luật thay đổi của mực nước sông,
đảm bảo xây dựng được công trình đo mực nước ổn định và đo đạc thuận tiện
Trang 8• Khoảng cách giữa hai tuyến đo độ dốc LJ cần đủ dài để đảm bảo có chênh lệch mực nước giữa chúng như sau :
+ Đối với sông miền núi ΔH1-2 = 25 4 50cm
+ Đối với sông đồng bằng ΔH1-2 = 104 20cm
Hình 1-5 Sơ đồ các tuyến đo ở đoạn sông đặt trạm
Nếu trong thực tế không cho phép chọn được đoạn sông có độ dài đảm bảo tiêu chuẩn trên thì có thể chọn đoạn sông ngắn với chênh lệch mực nước nhỏ hơn song phải cố gắng nâng cao độ chính xác đo mực nước, để giảm sai số cho kết quả đo đạc
Hình 1-6 Tuyến đo độ dốc
c Tuyến đo phao :
Trong những trường hợp không cho phép đo lưu tốc bằng máy hoặc yêu cầu tài liệu có độ chính xác không cao lắm thì có thể dùng phao để đo lưu tốc
Để đo lưu tốc bằng phao, trên đoạn sông đặt trạm ta chọn các tuyến đo phao và tuyến thả phao Tuyến ở phía thượng lưu tuyến đo lưu lượng gọi là tuyến trên (P1) một tuyến phía hạ lưu gọi là tuyến dưới (P2) Tuyến thả phao cách tuyến trên về phía thượng lưu khoảng
30450 m (hình1-5)
Để tài liệu thu thập được đảm bảo sai số cho phép thì khoảng cách giữa hai tuyến đo phao LP sao cho thời gian chảy truyền với lưu tốc trung bình mặt ngang lớn nhất tối thiểu từ
Trang 9Nếu không chọn được đoạn sông đo phao có chiều dài đảm bảo điều kiện trên thì có thể chọn đoạn sông ngắn hơn, nhưng LP phải đủ dài sao cho thời gian chảy truyền tương ứng không nhỏ hơn 20 giây
ở các trạm thuỷ văn cấp I các tuyến đo mực nước, đo bùn cát, đo mặn, (nếu có), đo hoá nước, đo nhiệt độ nước, tốt nhất là trùng với tuyến đo lưu lượng
Tại những đoạn sông đặc biệt có thể phải chọn tuyến đo lưu lượng về mùa lũ và mùa kiệt tại hai vị trí khác nhau nhưng phải xác lập được mối quan hệ giữa các yếu tố thuỷ văn tại các vị trí đó
II Vị trí trạm đo mực nước (trạm cấp III)
Đoạn sông được chọn để đo mực nước không yêu cầu chặt chẽ như đoạn sông đặt trạm
đo lưu lượng, nhưng có những yêu cầu riêng thích hợp với việc thu thập tài liệu mực nước :
- Đoạn sông tương đối thẳng có chiều dài L = (3-5)B
- Trên đoạn sông không có nước vật, nước tù
- Cao trình hai bờ sông khống chế được mực nước cao nhất, không mất nước mặt và nước ngầm
- Không chịu ảnh hưởng của thác, ghềnh, cồn bãi và các hoạt động khác của các công trình làm thay đổi quy luật tự nhiên của dòng chảy
- Vị trí tuyến đo có điều kiện địa chất bảo đảm xây dựng được các công trình đo mực nước như : Cọc, thuỷ chí, giếng tự ghi mực nước
Ngoài những điều kiện trên còn căn cứ vào yêu cầu phục vụ mà chọn đoạn sông đặt trạm cho thích hợp
Tuyến đo mực nước được đặt thẳng góc với hướng chảy bình quân Nếu trạm còn đo
đạc thêm các yếu tố như nhiệt độ nước, độ mặn .thì vị trí đo đạc tốt nhất là trùng với tuyến
đo mực nước
Việc khảo sát vị trí đặt trạm đo mực nước cũng tiến hành tương tự như khảo sát vị trí
đặt trạm đo lưu lượng, nhưng các yếu tố thu thập, điều tra phải phù hợp với yêu cầu của
đoạn sông đặt trạm đo mực nước như đã trình bày
III Vị trí trạm đo mặn
Tuỳ theo yêu cầu phục vụ mà trạm đo mặn cần được đặt ở vị trí thích hợp Ví dụ cần nghiên cứu sự thay đổi độ mặn theo thời gian để lấy nước tưới ruộng thì trạm đo mặn cần
đặt gần công trình lấy nước; Cần nghiên cứu quy luật thay đổi của độ mặn dọc theo một con sông nào đó thì cần đặt các trạm đo dọc sông
Trạm đo mặn thường đặt kết hợp với trạm đo các yếu tố thuỷ văn khác Khi cần thiết
đặt riêng trạm đo mặn thì công tác khảo sát được tiến hành như đối với trạm đo mực nước
