Giáo trình đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn - Chương 2 ppsx

Mực nước kí hiệu là H hoặc Z đơn vị dùng là cm hoặc m Đ2-1 Công trình đo mực nước vμ máy đo mực nước Công trình đo mực nước và máy móc đo mực nước bao gồm các loại công trình đo mực nư

Chương II

Đo mực nước vμ nhiệt độ nước

Mực nước là độ cao mặt thoáng của dòng nước so với một mặt chuẩn cao độ nào đó

Hệ cao độ đang được sử dụng rộng rãi ở ngành thuỷ văn là hệ cao độ Quốc gia Mực nước

kí hiệu là H (hoặc Z) đơn vị dùng là cm (hoặc m)

Đ2-1 Công trình đo mực nước vμ máy đo mực nước

Công trình đo mực nước và máy móc đo mực nước bao gồm các loại công trình đo mực nước không liên tục như cọc, thuỷ chí và máy tự ghi mực nước liên tục hoặc theo chế độ

tự chọn Sau đây sẽ giới thiệu một số loại công trình, máy móc đo mực nước đang được dùng rộng rãi ở nước ta

I Cọc đo mực nước: Cọc đo mực nước thường ký hiệu là C

Cọc được dùng ở các trạm có lòng sông thoải (sông đồng bằng) có nhiều thuyền bè qua lại hoặc dùng ở sông miền núi nơi có nhiều vật trôi trên sông khi có lũ, biên độ mực nước lớn và lưu tốc lớn

Cọc có thể làm bằng gỗ tốt, bê tông, sắt Tiết diện ngang có thể là hình vuông, (cạnh từ

10 -15 cm) hoặc hình tròn (đường kính

từ 10-15 cm), và cọc sắt chữ L, I (từ

6-8 cm) Chiều dài của cọc phải đảm bảo

đóng ngập vào lớp đất cứng ít nhất là

50 cm, phần cọc nhô ra khỏi mặt đất khoảng 10 cm Nếu là cọc gỗ hoặc cọc

bê tông thì trên đầu cọc phải có lõi sắt

φ = 10412 mm nhô khỏi mặt cọc 10

mm để làm chuẩn khi đo

Số lượng cọc trên mỗi tuyến đo tuỳ thuộc vào địa hình bờ sông và biên

độ dao động mực nước Sau đây là những điều kiện cần đảm bảo khi xây dựng hệ thống cọc

đo mực nước

Hình 2-1 Mực nước tại vị trí A

• Chênh lệch cao độ giữa hai đầu cọc kề nhau trong khoảng 30450 cm và không được vượt quá 60 cm, các cọc không nên cách nhau quá xa Đầu cọc trên cùng phải cao hơn mực nước lớn nhất từ 40450 cm, đầu cọc cuối cùng phải thấp hơn mực nước thấp nhất từ 40450

cm

• Thứ tự các cọc được ghi từ cọc cao nhất đến cọc thấp nhất Trường hợp phải xây dựng

thêm cọc giữa hai cọc đã có thì tên cọc mới mang số hiệu cọc trên và chữ a Ví dụ giữa cọc

3 và 4 thêm cọc 3a (Xem hình 2-2)

Hình 2-2 Hệ thống cọc đo mực nước

II Thuỷ chí được ký hiệu là P

Hình 2-3 Thuỷ trí đo mực nước

Thuỷ chí thường được dùng ở nơi lòng sông dốc, ít thuyền bè qua lại, ít vật nổi trên sông, biên độ mực nước nhỏ, nước không chảy xiết hoặc nơi có công trình với tường vách thẳng đứng (cống, mố cầu, cầu cảng)

Có thể làm thuỷ chí bằng gỗ tốt, sắt tráng men, sắt sơn hoặc bê tông Thuỷ chí bằng gỗ thường có kích thước như sau :

Dài 243 m, rộng 10420 cm, dày 344 cm, trên bề mặt có khắc độ dài 1cm, 2cm hoặc 5cm một Khi độ chính xác của mực nước yêu cầu 1 cm thì vạch khắc 0,5 hay 1 cm, khi yêu cầu độ chính xác 2 cm hoặc 5 cm thì vạch khắc là 1 cm hoặc 2 cm Nếu làm bằng gỗ cần phải sử lý để chống mối mục Nếu làm bằng sắt tráng men

thì làm thành nhiều đoạn nối, mỗi đoạn dài 50 cm, rộng 10

cm dày 1- 2 mm Nếu khắc trên tường bê tông, đá thì phải

có chiều rộng từ 10-20 cm ở tuyến đo, thuỷ chí có thể được

gắn vào cọc gỗ, cọc bê tông, cọc sắt, hoặc vào tường cống,

mố cầu Điểm 0 ở mỗi thuỷ chí phải được xác định so với

mặt chuẩn cao độ tuyệt đối

Khi xây dựng hệ thống thuỷ chí cần chú ý mấy điểm

sau:

•

•

•

Đỉnh thuỷ chí trên cùng cao hơn Hmax ít nhất 50cm,

gốc thuỷ chí dưới cùng thấp hơn Hmin ít nhất 50cm

Cao trình điểm “ 0 “ của thuỷ chí trên phải thấp hơn

điểm trên cùng của thuỷ chí kế tiếp phía dưới ít nhất là

20 cm Khi lắp đặt cần hướng chiều dẹt của thuỷ chí

theo hướng chảy để giảm ảnh hưởng của nước dềnh

Có thể xây dựng cọc xen kẽ với thuỷ chí trên cùng một

tuyến đo

III Máy tự ghi mực nước

1 Phân loại máy tự ghi mực nước

a) Căn cứ vào phương đặt trục trống quấn giấy tự ghi, có thể phân thành hai loại chính:

130mm

86mm

Hình 2-4 Thuỷ chí

- Loại trục ngang : Khi máy hoạt động trục trống quấn giấy đặt nằm ngang

- Loại trục đứng : Khi máy hoạt động, trục trống quấn giấy đặt thẳng đứng

b) Căn cứ vào phương thức truyền dao động của mực nước tới máy, có thể chia máy tự ghi mực nước ra các loại sau :

Loại 1 : Truyền sự dao động của mực nước bằng phao nổi như máy “ Van Đai “ ( Liên Xô cũ sản xuất) máy steven A68-A71 ( Mỹ ); SW-40( Trung Quốc)

Loại 2 : Truyền dao động của mực nước bằng áp lực khí và điện áp

+ áp lực khí như máy LPN 8/2 (Pháp)

+ Điện áp như máy TĐN-324-M1 (Việt Nam)

Loại 3 : Dao động của mực nước được truyền bằng siêu âm như WLR7 , WLR8( Nhật)

2 Giới thiệu một số loại máy đo mực nước đang dùng ở nước ta

Máy tự ghi mực nước "Van đai” : Loại máy này do Liên Xô (cũ) sản xuất (sau đó

Trung Quốc sản xuất dạng tương tự) Máy Van đai có giá thành thấp, bền, dễ sử dụng nên

được dùng nhiều ở nước ta

a) Các bộ phận chính của máy Van đai

Hình 2-5 Sơ đồ cấu tạo máy tự ghi Van Đai

1 Trống quấn giấy tự ghi : Trục của trống quấn giấy gắn với các pu-ly, giấy tự ghi là loại giấy chuyên dùng, tỷ lệ biểu đồ tuỳ thuộc vào cấu tạo của từng loại máy

2 Kim tự ghi : Kim tự ghi cấu tạo tương tự như một ngòi bút, đầu kim có chỗ chứa mực, kim được trượt trên một trục song song với trục trống quấn giấy và liên hệ với sự chuyển động của đồng hồ

3 Phao : Phao có dạng hình trụ rỗng làm bằng tôn hoặc bằng đồng có tác dụng truyền

sự dao động của mực nước tới pu-ly

4 Pu-ly : Các pu-ly được gắn vào các trục, các trục này liên hệ với trục trống quấn giấy, nhờ các pu-ly này mà sự dao động của phao được truyền tới và làm quay trục quấn giấy Máy có thể có từ 1 đến 2 pu-ly với đường kính khác nhau để ghi biểu đồ mực nước với các tỷ lệ khác nhau

5 Đồng hồ dùng để chỉ thời gian, nó có liên hệ với kim tự ghi Loại máy này có đồng

hồ được lên giây cót 24 giờ 1 lần

Ngoài các bộ phận chính đã nêu còn các bộ phận khác như trục (6,7) để lắp các pu-ly,

đối trọng của phao (8), đối trọng của đồng hồ (9), dây treo phao nối liền giữa phao và pu-ly, thân máy (10)

b) Nguyên lý hoạt động của máy Van đai

Do phao được thả nổi trên mặt nước, nên dao động mực nước sẽ được truyền tới các

pu-ly và truyền tới trống quấn giấy làm trống quấn giấy quay xung quanh trục của nó Mặt khác kim tự ghi dịch chuyển theo thời gian có phương song song với trục quấn giấy Như

vậy kim tự ghi và trống quần giấy dịch chuyển theo 2 phương vuông góc với nhau, kết quả

cho ta biểu đồ tự ghi của quá trình thay đổi mực nước trên trục vuông góc(H~t) Tỉ lệ của mực nước tuỳ thuộc vào biên độ dao động của mực nước mà sử dụng các tỷ lệ như sau: 1/1

và 1/2 khi gắn 2 pu-ly vào chốt 6; tỷ lệ 1/5 và 1/10 khi gắn 2 pu-ly vào chốt 7 (xem hình 2-5)

Máy tự ghi mực nước TĐN-324-M 1 :

Máy TĐN-324-M1 do Viện kỹ thuật quân sự (Việt Nam) sản suất

a) Các bộ phận chính : Máy có các bộ phận chính sau đây

Đầu đo, khối điều khiển xử lý số liệu, nguồn điện (xem sơ đồ 2-6 )

TĐN-324-M

Hình 2-6 Sơ đồ cấu tạo máy đo mực nước TĐN-324-M1

b) Nguyên lý hoạt động của máy

Đầu đo hoạt động theo các chế độ đo trực tiếp hoặc đo theo chế độ định trước (theo chu

kỳ được cài đặt sẵn)

Đầu đo gồm quả dọi có gắn đầu nhận nước treo trên một sợi dây (thước chuẩn) Khi cần đo đầu đo, nhận lệnh từ khối 02, quả dọi sẽ được thả xuống từ vị trí đặt đầu đo (có cao trình xác định) xuống mặt nước trong giếng Khi đầu nhận nước vừa chạm mặt nước thì đầu

đo sẽ truyền giá trị đọc trên thước chuẩn về khối 02, đồng thời kéo quả dọi và đầu nhận nước về vị trí ban đầu, kết thúc 1 lần đo Việc điều khiển khối 02 có thể được thực hiện trực tiếp từ người đo hoặc theo trình tự đã cài đặt từ khối 03 Khối 02 có chức năng xử lý số liệu

và hiện số lên màn hình đồng thời truyền số liệu đã xử lý sang khối 03 Khối 03 lưu trữ tài liệu và chuẩn bị trạng thái cho chu kỳ đo tiếp theo Toàn bộ hệ thống được cung cấp nguồn

điện từ khối 04

TĐN-324-M1.04 (Nguồn)

Như vậy máy tự ghi mực nước TĐN-324-M1, có thể tự động đo, lưu trữ số liệu hoặc có thể đo mực nước từ xa tại từng thời điểm

c) Công trình lắp đặt máy tự ghi mực nước

Máy TĐN-324-M1 có thể dùng loại công trình giới thiệu trên hình 2-8 để lắp đặt

Máy tự ghi mực nước LPN 8/2

a) Nguyên lý làm việc của máy :

Máy làm việc dựa vào sự biến đổi của áp lực khí Sự dao động của mực nước làm biến thiên áp lực khí của bộ phận khí, sự biến thiên này được truyền tới bộ phận nhận, xử lý thông tin và cho kết quả Sự biến thiên của áp lực khí nhờ hệ thống nén khí, ống dẫn khí tiếp xúc với nguồn nước cần đo

b) Các bộ phận chủ yếu của máy :

• Hệ thống khí gồm bình nén khí, ống dẫn khí đuợc nối từ máy tới nguồn nước

• Bộ phận nhận và xử lý số liệu là bộ phận chính của máy, nó có tác dụng biến đổi

sự dao động của mực nước thông qua sự biến thiên của áp thành giá trị mực nước Kết quả này do máy tính toán, lưu trữ và hiển thị trên màn hình khi cần thiết Việc

điều khiển máy vận hành thông qua bàn phím và màn hình hiển thị Chế độ đo đạc, yếu tố cần đo đạc được cài đặt theo yêu cầu của người sử dụng và sau đó máy sẽ thực hiện hoàn toàn tự động trong một khoảng thời gian nhất định

- Nguồn năng lượng : Có thể dùng ắc quy 11 ữ14V DC hoặc nguồn điện lưới 220V AC 610 %

c) Tính năng và phạm vi ứng dụng của máy :

• Các yếu tố đo đạc :

- Đo mực nước: Tuỳ theo các loại máy thiết kế khác nhau mà biên độ mực nước có

thể đo được khác nhau như sau: 0-5, 0-10, 0-20 và 0-60m với độ chính xác 60,1%

Độ phân giải : Phạm vi đo < 10 m : 1mm Phạm vi đo /10 m : 1 cm

Ngoài mực nước ra máy còn xác định được các đặc trưng mực nước khác như: cường suất mực nước, mực nước cao nhất, thấp nhất cảnh báo (tuỳ chọn)

- Đo nhiệt độ:

+ Phạm vi ứng dụng : Từ -20oC 4 +60oC

+ Độ chính xác 60,3oC

+ Độ phân giải 0,1oC

• Chức năng vận hành của máy:

+ Thời gian, chế độ tự ghi, ngày, giờ hệ thống, thời gian lấy mẫu ( 1 lần đo ), chế độ tự

động kiểm tra sự hoạt động của máy, chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng, chế độ hoạt

động thường xuyên

+ Đo đạc, lưu trữ, truyền số liệu

Phân tích kết quả, lưu trữ số liệu với một khối lượng nhất định, hiển thị số liệu trên màn hình khi cần; có thể “đổ” số liệu đã đo đạc vào máy tính (PC), có thể huỷ số liệu khi không cần thiết lưu trữ; số liệu có thể truyền qua mạng điện thoại từ xa tới một nơi nào đó Một số chức năng tự động, bảo dưỡng máy theo định kỳ và thông báo một số yếu tố có liên quan đến quá trình hoạt động và hiện trạng của máy

Hình 2-7 Một hình thức lắp đặt máy tự ghi mực nước LPN 8/2

IV Công trình đặt máy tự ghi mực nước

ở đây giới thiệu 2 loại công trình được dùng phổ biến ở nước ta :

1 Giếng tự ghi kiểu đảo (Hình 2-8a) Loại giếng này đuợc xây trên lòng sông, ngay

tại tuyến đo đạc Giếng có dạng hình trụ, có thể làm bằng ống bê tông, gỗ v.v Trên giếng

là sàn đặt máy có mái che Cao trình sàn máy phải cao hơn mực nước lớn nhất Từ sàn máy

có cầu công tác nối với bờ Lỗ thông nước từ giếng với nước sông nằm ở vị trí thấp hơn mực nước thấp nhất Loại giếng này dễ thi công, vốn xây dựng không nhiều lắm song có nhược

điểm là chịu ảnh hưởng trực tiếp của sóng, gió do đó tài liệu thu được hạn chế về độ chính xác

2 Giếng kiểu bờ ( hình 2 -8b) : Công trình đặt máy tự ghi loại này được xây dựng trên

bờ sông, có các bộ phận chính: Giếng, ống dẫn nước hoặc xi phông và sàn máy

Loại giếng này có ưu điểm là khắc phục được các nhược điểm của loại giếng kiểu đảo, nhưng khó thi công nên giá thành công trình thường cao hơn Đối với các loại máy như LPN 8/2, WLR7 , WLR8 sẽ có loại công trình lắp đặt máy thích hợp cho mỗi loại cụ thể

Hình 2-8 Công trình đặt máy tự ghi mực nước

a- kiểu đảo; b- kiểu bờ

Đ2-2 Chế độ đo mực nước

Chế độ đo mực nước phải đảm bảo thu thập được quá trình diễn biến của mực nước một cách hoàn chỉnh Do đó tuỳ theo chế độ dòng chảy tại trạm (ảnh hưởng lũ hay ảnh hưởng triều), tuỳ theo sự thay đổi mực nước các thời kỳ trong năm ( mùa lũ, mùa cạn) mà có chế

độ đo đạc cho phù hợp Nói chung chế dộ đo mực nước bằng công trình cọc , thuỷ chí quy

định như sau :

Đo 1 lần trong mỗi ngày đêm vào lúc 7h

•

•

•

•

•

•

Đo 2 lần trong mỗi ngày đêm vào các giờ 7h và 19h

Đo 4 lần trong mỗi ngày đêm vào các giờ 1, 7, 13, 19h

Đo 8 lần trong mỗi ngày đêm vào các giờ 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, 22h

Đo 12 lần trong mỗi ngày đêm vào các giờ lẻ: 1, 3, , 21, 23h

Đo 24 lần trong mỗi ngày đêm vào các giờ : 1, 2, 3, , 23, 24h

Đối với các trạm không chịu ảnh hưởng triều về mùa cạn thường áp dụng các chế độ đo

1 lần, 2 lần hoặc 4 lần trong 1 ngày Về mùa lũ tuỳ theo cường suất thay đổi của mực nước

mà thay đổi chế độ đo cho phù hợp

Đối với các trạm chịu ảnh hưởng của thuỷ triều thường áp dụng chế độ ngày đo 12 lần hoặc 24 lần

Ngoài các chế độ trên khi cần xác định được mực nước chân, đỉnh (lũ, triều) hoặc các trạm có mục đích phục vụ riêng tuỳ theo yêu cầu còn có thể bố trí đo thêm 5ph, 10ph, 20ph, 30ph đo 1 lần Nếu chế độ đo đạc này cần kéo dài và thường xuyên thì tốt nhất là sử dụng máy tự ghi mực nước

Qua kết quả nghiên cứu có thể tinh giảm chế đo bằng cách giảm lần đo trong ngày và giảm thời kỳ đo trong năm Chẳng hạn ở các trạm ảnh hưởng của triều, chỉ đo một số lần gần trị số đỉnh triều, chân triều hoặc trong mỗi năm chỉ đo một số kỳ triều đặc trưng như triều cường, triều mãn, triều trung bình trong các tháng kiệt nhất

Đối với các trạm đo bằng máy tự ghi cần có chế độ đo kiểm tra để hiệu chỉnh số liệu Các chế độ đo kiểm tra có thể ngày đo 1 lần, 2 lần hoặc 4 lần tuỳ theo chất lượng tài liệu thu

được của máy tự ghi

Đ2-3 Đo vμ tính toán mực nước

I Đo mực nước bằng cọc và thuỷ chí

Nguyên tắc chung của đo mực nuớc bằng các loại công trình cọc, thuỷ chí là xác định khoảng cách từ mực nước tới đầu cọc hoăc điểm “0” của thủy chí; khi đó mực nước được tính như sau:

Trong đó : H- Mực nước ( cm , m )

∇- Cao độ đầu cọc hoặc cao độ điểm “0” của thuỷ chí so với một mặt chuẩn a- Số đọc trên thước cầm tay hoặc số đọc trên thuỷ chí

Thước cầm tay được làm bằng gỗ rộng 5-8 cm, dày 1,5-3 cm dài 80-120 cm, hoặc làm bằng nhôm φ = 2,5-3 cm dài 80-120 cm, trên thước có khắc vạch nhỏ nhất tới 0,5 hoặc 1,0cm Nếu là thước gỗ thì đầu dưới có bọc kim loại để tránh bị mòn trong quá trình sử dụng

Để nâng cao độ chính xác mực nước khi đo bằng cọc và thuỷ chí cần chú ý mấy điểm sau đây:

Khi đo cần đặt chiều dẹt của nước theo dòng chảy; để mắt gần mặt nước khi đọc Trường hợp có sóng to hoặc nước dềnh cần tranh thủ đo khi mặt nước tương đối ổn

định và cần đo 2 lần rồi lầy số trung bình cộng của 2 lần đọc làm số đo chính thức

•

• Thời gian trung bình của các lần đo phải trùng với thời điểm quy định đo đạc

• Khi đo cần chọn cọc sao cho số đọc không nhỏ hơn 5 cm mà cũng không lớn quá 60-70 cm, vì như vậy sẽ gây khó khăn cho đo đạc và hạn chế độ chính xác của kết quả

II Đo mực nước bằng máy tự ghi

Đối với trạm có máy tự ghi mực nước thì ngoài việc thay giấy tự ghi, lên giây cót cho

đồng hồ, kiểm tra nguồn điện v.v cần đo mực nước kiểm tra ở cọc hoặc thuỷ chí theo chế

độ quy định

Sau khi đo kiểm tra ngoài việc ghi số liệu vào sổ, cần đánh dấu toạ độ điểm kiểm tra trên biểu đồ tự ghi, hiệu chỉnh lại vị trí kim tự ghi nếu máy có sai số Nếu dùng máy hiện số thì cần ghi cả số liệu đo kiểm tra và số liệu đọc trên máy vào thời điểm kiểm tra

Số đọc và số hiệu cọc (thuỷ chí) được ghi ngay vào sổ sau khi đo xong Một trong các loại sổ ghi mực nước có dạng như sau :

Tháng Ngày Giờ

Số hiệu cọc hay thuỷ chí

Cao độ

đầu cọc hay số

“0” thuỷ chí (cm)

Số

đọc a (cm)

Mực nước trên mặt quy chiếu (cm)

Mực nước bình quân ngày (cm)

Quan sát, ghi chép các yếu tố phụ : sóng, gió, mưa và các hiện tượng đặc biệt

khác

Đ2-4 Đo nhiệt độ nước T o

n vμ nhiệt độ không khí T o

k

I Nhiệt kế đo nhiệt độ nước và nhiệt độ không khí

1 Nhiệt kế đo nhiệt độ nước: thường là nhiệt kế thủy ngân được bọc trong vỏ kim loại

không rỉ Phía dưới nhiệt kế có bầu chứa nước nhằm giữ nguyên nhiệt độ nước khi đưa nhiệt

kế ra khỏi mặt nước để đọc nhiệt độ Thang độ của nhiệt kế được khắc vạch nhỏ nhất không quá 0,2oC Nếu ở trạm dùng máy đo mực nước có tính năng đo được nhiệt độ nước thì sử dụng loại máy này thay cho nhiệt kế

Độ chính xác của nhiệt kế hoặc máy đo cần được kiểm định trước Nếu có sai số cần phải hiệu chỉnh cho kết quả

2 Nhiệt kế đo nhiệt độ không khí: thường là nhiệt kế thủy ngân chuyên dùng Vị trí

đo được đặt trong lều khí tượng hoặc treo trong nhà trạm cách mặt đất khoảng 1,5m

Nếu việc qui định đo nhiệt độ không khí cùng với đo nhiệt độ nước thì chế độ đo nhiệt

độ không khí như chế độ đo nhiệt độ nước Nếu việc đo nhiệt độ không khí yêu cầu như ở một trạm khí tượng thì cần theo qui định của “Tài liệu hướng dẫn đo các yếu tố khí tượng”

II Vị trí đo nhiệt độ nước

Vị trí đo nhiệt độ nước nằm trên tuyến đo mực nước, có thể ở giữa dòng hoặc gần bờ nhưng phải có độ sâu dòng chảy từ 0,5m trở lên, phải ở nơi nước chảy, không đo ở nơi có cỏ