Giáo trình đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn - Chương 4 pptx

Các thông số của máy lưu tốc : Qua thực nghiệm người ta đã xác lập được quan hệ giữa số vòng quay của cánh quạt hoặc cốc quay và lưu tốc có dạng : 2 2 o v bn an Trong đó : a,b - Các thô

Chương IV

Lưu lượng nước là lượng nước chảy qua mặt cắt ngang vuông góc với hướng chảy bình quân trong thời gian 1 giây, ký hiệu là Q (m3/s) Các phương pháp xác định lưu lượng nước bao gồm :

+ Phương pháp “lưu tốc - diện tích”

+ Phương pháp thể tích

+ Phương pháp dùng các công trình đập tràn

+ Phương pháp ứng dụng các công nghệ hiện đại như siêu âm , phóng xạ v.v

Trong đó phương pháp “lưu tốc - diện tích” được sử dụng rộng rãi ở các trạm thuỷ văn Dùng phương pháp “lưu tốc - diện tích”để xác định lưu lượng nước thực chất là xác định 2

yếu tố thành phần : Tốc độ dòng chảy và diện tích mặt cắt (∗) Còn các phương pháp xác

định lưu lượng khác hoặc là không thích hợp đối với việc đo đạc ngoài sông hoặc ở nước ta chưa có điều kiện để phổ cập dụng cụ đo đạc Do đó nội dung chủ yếu của chương này sẽ

trình bày kỹ việc xác định lưu lượng bằng phương pháp “lưu tốc - diện tích”

Đ 4-1 Công trình vμ máy móc đo lưu lượng nước

I- Máy đo lưu tốc ( máy lưu tốc )

1 Nguyên lý chung của máy lưu tốc :

Máy lưu tốc làm việc dựa vào nguyên lý chung sau đây:

Dưới tác dụng của dòng nước, bộ phận cảm ứng của máy quay, lưu tốc càng lớn thì máy quay càng nhanh Nhờ cơ cấu báo vòng quay và bộ phận tín hiệu ta biết được tổng vòng quay N của bộ phận cảm ứng trong thời gian đo T Từ đó tính được tốc độ vòng quay trung bình n của bộ phận phản ứng Từ quan hệ (n ~ v) của mỗi máy ta sẽ có lưu tốc v từ giá trị n

2 Cấu tạo của một số loại máy đo lưu tốc :

Máy đo lưu tốc có nhiều loại khác nhau có thể phân làm 2 loại chủ yếu : Loại trục đứng

và loại trục ngang

Loại trục đứng như máy cốc quay LS68

Loại trục ngang như máy cánh quạt : Ж-3, ΓP-21, ΓP-99, LS25-1A, LS25-3A Sau đây sẽ chỉ giới thiệu các bộ phận chính của 2 loại máy điển hình : Máy cánh quạt Ж-3, và máy cốc quay LS68

(∗) Trong thực tế việc xác định lưu lượng nước là “ Đo lưu tốc, đo diện tích mặt cắt ngang, tính lưu lượng nước” (1) Do đó thuật ngữ “Đo lưu lượng nước” (2) là chưa thật chính xác, ta có thể coi thuật ngữ (2) là thuật ngữ quy ước, gọi tắt cho thuật ngữ (1)

16 15

10 9 8

8

23 6

5 4 3 2 1

21 a)

b) 17

Hình 4-1 Máy đo lưu tốc Ж-3

a) Cấu tạo chung; b) bộ phận báo vòng quay

1 cánh quạt; 2 vỏ ổ trục; 3 khớp nối; 4 đầu dây không cách điện; 5 đầu dây cách điện với thân máy; 6 thân máy; 7 ổ chứa đầu cắm điện; 8 đầu cắm điện; 9 ốc hãm; 10 trục máy; 11,16 thanh kẹp đứng; 12,15 băng kẹp ngoài ổ bi; 13 ổ trục bên trong; 14 ổ trục ngoài; 17 ốc hãm bi; 18 bánh

xe răng; 19 chốt công tắc; 20 công tắc lò xo; 21 ốc giữ lò xo; 22 trục dẫn điện; 23 đuôi máy

a Bộ phận cảm ứng của máy Ж-3 là cánh quạt, của máy LS68 gồm một hệ thống

“phễu” ghép lại gọi là cốc quay

b Cơ cấu báo vòng quay còn gọi là cơ cấu tính toán số vòng quay bao gồm một bánh

xe răng thường có 20 răng Trên bánh xe có một số điểm tiếp điện, còn gọi là chốt công tắc (xem hình 4-1)

9

8 10

7

6 3

4

5

1 2

Hình 4-2 a) Máy cốc quay; b) Bộ phận báo vòng quay

1 Cốc quay, 2 Bộ phận báo vòng quay; 3 Đuôi máy; 4 ốc cân đuôi máy;

5 Cá sắt; 6 Trục máy; 7 Bánh xe răng; 8 Chốt công tắc; 9 Công tắc lò xo;

10 Chốt cách điện với thân máy Công tắc cùng với trục dẫn điện sẽ nối liền mạch điện khi tiếp điểm điện tiếp xúc với công tắc Khi làm việc trục máy quay theo bộ phận cảm ứng Bộ phận cảm ứng quay được một vòng thì bánh xe dịch chuyển 1 răng Số điểm tiếp điện của máy Ж-3 là một, của máy

LS68 là bốn do đó cánh quạt quay được 20 vòng hoặc cốc quay quay được 5 vòng thì có 1 lần mạch điện được đóng kín, tương ứng ta sẽ nhận được một tín hiệu (Hình 4-2)

3 Các thông số của máy lưu tốc :

Qua thực nghiệm người ta đã xác lập được quan

hệ giữa số vòng quay của cánh quạt (hoặc cốc quay)

và lưu tốc có dạng :

2 2

o

v bn an

Trong đó : a,b - Các thông số

vo - Lưu tốc ban đầu - độ nhạy của máy

n - Số vòng quay của cánh quạt trong một đơn vị thời gian

Trong thực tế quan hệ (4-1) được biểu diễn như hình (4-4)

Có thể chia quan hệ ( 4-4) ra làm 3 đoạn :

- Đoạn từ vo đến điểm K : quan hệ có dạng đường cong theo (4-1) Điểm K là điểm giới hạn dưới , ứng với điểm K có lưu tốc giới hạn dưới vK và số vòng quay giới hạn dưới nK

- Từ điểm K đến KB khi đó tốc độ ban đầu vo so với lưu tốc là nhỏ đo đó trong quan hệ (4-1) có thể bỏ qua vo

và viết :

Kn n b a bn an

v= + 2 =( + ) =

(4-2) Vậy quan hệ v ~ n là đường thẳng Điển KB gọi là

điểm giới hạn trên, ứng với K

Trong quan hệ v ~ n tốc độ ban đầu vo đặc trưng cho tính năng của từng máy, đó là tốc độ tối thiểu của dòng nước vừa đủ làm cho bộ phận cảm ứng bắt đầu quay Thông số vo được xác định qua thực nghiệm khi sản xuất máy

Tốc độ giới hạn dưới vK được tính theo công thức :

Hệ số K trong các công thức (4-2), (4-5), (4-6) gọi là bước thuỷ lực của bộ phận cảm

ứng Trị số K được xác định bằng thực nghiệm Nếu gọi vi là lưu tốc của tuyến kiểm định thứ i, ni là tốc độ vòng quay của bộ phận cảm ứng tương ứng ở tuyến kiểm định thứ i thì K

N i i

n v

Tốc độ ban

đầu V0(m/s)

Tốc độ lớn nhất

Vkβ(m/s)

Bộ phận cảm ứng Bộ phận

tín hiệu

Nước sản xuất

N-o

1 120 N-o 2 120

250

500

0,04 0,06

5,0 5,0

Cánh quạt

Chuông (đèn)

Liên Xô

cũ BЖM-3 N-

o 1 120 N-o 2 120

200

500

0,04 0,06

5,0 5,0

Cánh quạt

Chuông (đèn)

Liên Xô

cũ ΓP-21 N-o 1 120

N-o 2 120 200

0,04 0,06

8,0 5,0

Cánh quạt

Chuông (đèn)

Liên Xô

cũ ΓP- M21 N-o 1 120

N-o 2 120

200

500

0,04 0,06

8,0 5,0

Cánh quạt

Chuông (đèn)

Liên Xô

cũ ΓP- 55 N-o 1 120

N-o 2 120

110

200

0,05 0,06

5,0 5,0

Cánh quạt

Chuông (đèn)

Liên Xô

cũ ΓP-11 N-N-oo 1 120 2 120

110

200

0,06 0,10

5,0 5,0

Cánh quạt

Tổng vòng quay

Liên Xô

cũ ΓP-11M N-o 1 120

N-o 2 120

110

200

0,05 0,08

5,0 5,0

Cánh quạt

Tổng vòng quay

Trung Quốc

quạt Hiện số

Trung Quốc

quạt Hiện số

Liên Xô

cũ

Bảng 4-2 Quan hệ giữa vK , vo , β

vo(m/s) β vK(m/s) vo(m/s) β vK(m/s) vo(m/s) β vK(m/s)0,015 0,057 0,371 0,045 0,305 0,571 0,075 0,577 0,695 0,020 0,105 0,427 0,050 0,350 0,594 0,080 0,623 0,714 0,025 0,136 0,470 0,055 0,395 0,615 0,085 0,669 0,732 0,030 0,175 0,500 0,060 0,440 0,636 0,090 0,715 0,750 0,035 0,216 0,527 0,065 0,486 0,656 0,095 0,761 0,768 0,040 0,260 0,549 0,070 0,532 0,676 0,096 0,807 0,785

4 Kiểm định máy lưu tốc

Kiểm định máy lưu tốc nhằm xác định các thông số của máy Công tác kiểm định được tiến hành sau khi sản xuất máy xong hoặc sau thời gian sử dụng quy định, hoặc khi thay thế các chi tiết của máy

Việc kiểm định máy thường do cơ quan chuyên ngành có tư cách pháp nhân tiến hành với đầy đủ trang thiết bị, đảm bảo độ chính xác cần thiết Trong thực tế sản xuất, khi cần kiểm định máy thì có thể tiến hành kiểm định máy ở thực địa

Hình 4-5 Quan hệ v~n kiểm định ở thực địa

a Kiểm định máy lưu tốc bằng máng kiểm định

Máng kiểm định có nhiều loại: Máng dài, máng tròn, máng hộp, loại thứ nhất và thứ hai có thiết bị gắn máy lưu tốc cần kiểm định và di chuyển trong nước đứng yên theo các tuyến có tốc độ khác nhau được xác định Loại thứ 3 là một hộp kín có thiết bị bơm nước

chảy vòng tuần hoàn với lưu tốc thay đổi được xác định, trong khi đó máy lưu tốc được gắn

cố định trong dòng chảy Loại máng dài, máng tròn yêu cầu có mặt bằng xây dựng rộng, loại “hộp” nhỏ gọn thích hợp cho việc kiểm định trong phòng Ngoài ra máng kiểm định còn có bộ phận ghi nhận tín hiệu của máy lưu tốc và thời gian mỗi tuyến kiểm định

Nguyên tắc làm việc của máng kiểm định : Khi máng kiểm định làm việc ở mỗi tuyến hoặc mỗi cấp kiểm định ta thu được tốc độ chuyển động của thiết bị kéo máy hoặc tốc độ dòng chảy và xem đó là lưu tốc (vi) Đồng thời ta ghi được tổng số vòng quay Ni của bộ phận cảm ứng trong thời gian ti Từ đó tính được số vòng quay ni trong 1 giây Với nhiều tuyến kiểm định ta có v1 , v2 , vn ; n1, n2, nn, từ chuỗi số liệu đó ta sẽ xây dựng được quan

hệ v ~n cho máy lưu tốc Ngày nay nhờ sự hỗ trợ của các thiết bị kỹ thuật tiên tiến nên việc ghi nhận các kết quả đo đạc và xây dựng quan hệ v ~n có thể được tự động hoá và cho kết quả có độ chính xác cao hơn

Kết quả kiểm định cho mỗi máy lưu tốc được thể hiện trên hình vẽ (4-6)

Hình 4-6 Quan hệ v~n kiểm định ở máng

b Kiểm định máy lưu tốc ở thực địa:

Nơi kiểm định là một đoạn sông thẳng hay hồ có chiều dài từ 50ữ80m có chiều sâu h≥2m, lưu tốc v≈0 (sông chết), không có rong, rêu hay cỏ mọc Chiều dài L của đoạn sông

được xác định với sai số cho phép ≤ ±0,1 m

Khi kiểm định người ta gắn máy lưu tốc vào mạn thuyền (gần mũi), máy ngập trong nước từ 0,6 ữ1 m Cho thuyền chuyển động đều trên đoạn sông kiểm định theo các tuyến thẳng Tốc độ di chuyển của thuyền trên các tuyến thay đổi nằm trong phạm vi sử dụng của máy Sau mỗi tuyến di chuyển của thuyền người ta thu được các tài liệu sau:

- Thời gian máy lưu tốc (thuyền) chuyển động trên mỗi tuyến có chiều dài L (m)

- Thời gian đo của một số tín hiệu hoặc một số nhóm tín hiệu khi máy lưu tốc làm việc trên mỗi tuyến t2

- Tỷ số vòng quay của bộ phận cảm ứng trên mỗi tuyến N với các số liệu trên sẽ xác

định được lưu tốc bình quân v và tốc độ vòng quay tương ứng n trên mỗi tuyến:

1

t

L (m/s)

2

t

N (vòng/s)

Từ nhiều tuyến kiểm định ta sẽ thu được nhiều cặp vi ~ ni (số cặp trong mỗi lần kiểm

định từ 20-30), ta sẽ xác định được quan hệ v ~ n cụ thể cho từng máy Để nâng cao độ chính xác khi xác định đường quan hệ v ~ n cần chia số liệu ra từng nhóm Trong mỗi nhóm

cố gắng chọn các tuyến kiểm định có vi, ni xấp xỉ bằng nhau Quan hệ v ~n sẽ đi qua điểm trung bình của mỗi nhóm

Để tiện cho việc sử dụng người ta lập bảng tính sẵn quan hệ v ~ n xem bảng (4-5) Bảng 4-3 Quan hệ v ~n của máy Ж-3 số 1825 cánh quạt số 1 (kiểm định trong máng) V(m/s) n(v/s)

n (v/s)

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,5

0,132 0,154 0,178

0,1340,1560,180

0,1360,1580,182

0,1380,1610,185

0.1400,1630,188

0,1420,1660,190

0,144 0,168 0,192

0,146 0,170 0,194

0,1490,1730,197

5 Kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa thông thường máy lưu tốc :

Để nâng cao độ chính xác của tài liệu và tăng tuổi thọ của máy lưu tốc cần phải kiểm tra trước khi sử dụng và bảo dưỡng thường xuyên

Trước mỗi lần dùng máy đo lưu tốc nên tiến hành kiểm tra chung các bộ phận của máy như:

- Thử độ nhạy của bộ phận cảm ứng;

- Sự tiếp xúc giữa các điểm tiếp điện;

- Sự hoạt động của bộ phận tín hiệu hoặc bộ phận hiện số

Khi hoạt động của toàn bộ thiết bị bình thường thì mới được sử dụng Sau mỗi lần sử dụng máy xong, dùng vải sạch lau khô máy và đưa máy về nhà tiến hành tháo máy rửa bằng xăng rồi mới tra dầu vào các bộ phận cần thiết

Việc tháo lắp máy phải do người nắm được cấu tạo, đặc điểm của máy tiến hành theo bản “hướng dẫn sử dụng và bảo quản máy lưu tốc”

Chế độ bảo dưỡng máy tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc của máy: Khi đo vùng nước bẩn, nước mặn thì sau mỗi lần đo phải lau chùi ngay; khi đo ở vùng nước sạch thì có thể sau 2-3 lần đo mới lau kỹ 1 lần

Trường hợp máy lưu tốc đã làm việc hết thời hạn quy định thì phải kiểm định lại Nếu trong khi sử dụng máy có xảy ra hư hỏng hoặc có nghi vấn về chất lượng máy thì phải kiểm tra ngay Công tác kiểm tra tiến hành như sau:

Đưa máy cần kiểm tra và máy dự trữ (làm chuẩn) treo vào 1 cái giá nằm ngang, 2 máy cách nhau 30ữ40cm Đồng thời đo lưu tốc tại các điểm khác nhau trên một số thuỷ trực Số

điểm đo kiểm tra bằng 15-20 điểm So sánh tài liệu lưu tốc giữa 2 máy, nếu sai số quân phương tương đối của lưu tốc giữa 2 máy không vượt quá ± 3 % thì máy kiểm tra vẫn sử dụng được, nếu sai số trên lớn hơn ± 3 % thì phải ngừng sử dụng và đưa máy đi kiểm định lại

Sai số quân phương tương đối tính theo công thức :

1n

1vv100

%m

n

1 i

2

i i

Trong đó : m% - độ lệch quân phương tương đối

vi - lưu tốc đo bằng máy dự trữ

v’i - lưu tốc đo bằng máy đang dùng

n - số điểm đo kiểm tra

II Các loại phao đo lưu tốc

60cm

Hình 4-7 Một số loại phao nổi

1 Phao nổi

Phao nổi được làm bằng các loại vật liệu có tỉ

trọng nhỏ hơn nước như tre, gỗ, chất dẻo Hình dạng

phao có thể là hình trụ, hộp chữ nhật Kích thước vừa

đủ nhìn thấy phao khi đo trên sông, cố gắng làm càng

nhỏ càng tốt

Mặt ngoài của phao (phần chìm) không nên trơn

quá sẽ làm ảnh hưởng tới đường phao trôi và tốc độ

phao Tại một trạm ta nên dùng thống nhất một loại

phao về cả hình dạng lẫn kích thước Trường hợp đo đêm thì trên phao cần có bộ phận phát sáng

2 Phao chìm

ở những nơi có lưu tốc nhỏ dưới

phạm vi sử dụng của máy lưu tốc

(v<0,1m/s) và độ sâu thuỷ trực h>0,5m

thì có thể dùng phao chìm để đo lưu

tốc Nếu trên mặt cắt có khu vực có lưu

làm bằng các loại vật liệu nhẹ, ít thấm

nước như sáp, chất dẻo, nứa, gỗ trát sáp ở mặt ngoài

h h1

Hình 4-8 Một số loại phao chìm

Hiện nay phao chìm hay được sử dụng là loại phao có dạng hình viên cầu, đường kính 2ữ3 cm; được làm bằng gỗ cứng, sáp, chất dẻo

3 Hệ số hiệu chỉnh lưu tốc khi đo phao :

Khi phao trôi do nhiều nhân tố ảnh hưởng nên tốc độ của phao không phản ánh được lưu tốc bình quân của thuỷ trực mà phao trôi qua Do vậy sau khi tính lưu lượng nước cần

về lưu tốc bình quân mặt cắt ngang có liên quan tới hệ số Fr Từ đó người ta đã đưa ra công thức kinh nghiệm để tính hệ số phao P1; P2 như sau:

+ Khi phao trôi rải trên mặt ngang :

Fr1, Fr2 - Hệ số Frút được tính như sau :

gh

VFr

2 mc

1 = ;

gh

VFr

2 max

i max

n

1

Công thức dựa vào hệ số Cedi:

0,6C

Q

Q

P =

max p

m 2

Q

Q

Trong đó Qm - là lưu lượng tính từ tài liệu lưu tốc đo bằng máy

Qp - là lưu lượng tính từ tài liệu lưu tốc đo bằng phao

P1 - là hệ số khi phao trôi rải trên mặt ngang

P2 - là hệ số khi phao trôi giữa dòng

c Xác định hệ số phao bằng kinh nghiệm :

Qua thực tế đo đạc và tính lưu lượng nước người ta đã đưa ra bảng hệ số để hiệu chỉnh lưu lượng khi phao trôi rải trên mặt ngang bảng (4-4) và bảng (4-5)

Bảng 4-4 Hệ số phao toàn mặt ngang theo kinh nghiệm dựa vào điều kiện dòng chảy

Độ sâu (m) Tình hình dòng sông

Sông đồng bằng điều kiện chảy tốt

(sông vừa và lớn)

0.78-0.86 0.87-0.88 0.89-0.90

Sông vừa và lớn, điều kiện chảy

kém (có rong rêu, sông cong, chảy

xiết)

0.70-0.77 0.78-0.85 0.86-0.87

Sông miền núi chảy xiết, có bãi

tràn điều kiện chảy xấu

Bảng 4-5 Hệ số phao kinh nghiệm dựa vào chiều gió

Trường hợp gió thổi ngược dòng 0,90 - 0,95

Trường hợp gió thổi xuôi dòng 0,80 - 0,85

e Kiểm định phao chìm viên cầu

Khi đo lưu tốc bằng phao chìm ta dùng gậy đưa phao xuống độ sâu h sau đó thả phao

Dùng đồng hồ ghi lại thời gian t mà phao đã trôi được trên quãng đường L, lưu tốc bình

Nếu chỉ đo được độ sâu thuỷ trực h và quãng đường phao trôi L, mà không đo được thời

gian phao trôi thì cần kiểm định trước :

Công tác kiểm định như sau :

- Đo độ nổi của phao trong nước tĩnh, gọi t là thời gian phao nổi lên từ độ sâu h thì tốc

độ nổi bình quân của phao là:

v’ =

t

h

Khi kiểm định nên chọn h có giá trị khác nhau và mỗi giá trị h làm 2-3 lần, rồi lấy v’

bình quân cho các cấp độ sâu Trị số v’ tốt nhất là 0,1-0,2 m/s Trường hợp khi kiểm định

chưa phù hợp thì điều chỉnh trọng lượng và kích thước phao

Nếu gọi L là quãng đường phao trôi khi đo,vTTlà lưu tốc bình quân thuỷ trực, h là độ

sâu, khi đó :

v

ht thay t

L

hv

vh

=C là hệ số hiệu chỉnh của phao chìm

Trong thực tế khi đo đạc, lưu tốc được tính vTT =CL

Có thể xây dựng quan hệ C ~ h (với mỗi cấp h = 0,1-0,2 m) Công tác kiểm định cần

được làm thường xuyên vì tính chất của phao có sự thay đổi qua sử dụng

III Máy đo hướng chảy

Máy đo hướng chảy còn gọi là máy hải lưu,

như sơ đồ hình (4-9) Sau đây giới thiệu một số

bộ phận chính :

1 Bộ phận ghi vòng quay của cánh quạt

Bộ phận này bao gồm một số bánh răng

Bánh răng sơ cấp liên hệ với trục của cánh quạt

và một số bánh răng thứ cấp liên hệ với nhau

Trên bộ phận ghi vòng quay có các đĩa số ghi

0-100, 100-1.000, 1.000-10.000 (vòng)

2 Hộp la bàn

Hộp la bàn là bộ phận chủ yếu xác định hướng dòng chảy Thân hộp la bàn được gắn với thân máy Nhờ đuôi máy mà trục cánh quạt luôn luôn hướng theo chiều dòng chảy, còn kim la bàn là bộ phận di

động luôn chỉ hướng Bắc-Nam Trên kim la bàn có rãnh (ở nửa kim chỉ phương Bắc) để cho bi rơi khi

đo đạc Mặt hộp la bàn được chia làm 36 khoảng có số thứ tự từ 0-

35, mỗi khoảng ứng với một góc bằng 10o Rãnh có thứ tự 0 đặt ở

đuôi máy (xem hình 4-10) Máy hải lưu vừa xác định lưu tốc thông qua quan hệ v~n như

1

2

3 4

5 6

Hình 4-9 Sơ đồ máy hải lưu

1 Thân máy; 2.Vòng bảo vệ cánh quạt

và cánh quạt; 3.Bộ phận tự ghi vòng quay của cánh quạt; 4 Hộp la bàn; 5

Đuôi máy; 6.Tải trọng điều khiển máy

lúc đo

a c ủ l 1

ư

5

1 3

2 5 4

Hình 4-10 Sơ đồ hộp la bàn của máy hải lưu

1 Vành độ la bàn; 2 Kim la bàn; 3 bi (rơi khi đo); 4

Cánh quạt máy; 5 Đuôi máy

máy lưu tốc, vừa có thể xác định được hướng chảy nhờ bộ phận la bàn

Do cấu tạo mà khi cánh quạt quay được 33 - 34 vòng thì có 1 viên bi rơi vào rãnh nào

đó trên mặt la bàn Góc bi rơi là góc hợp bởi giữa phương bắc và phương của trục máy Đó

là góc lệch của hướng chảy hay còn gọi là góc phương vị của hướng chảy

Ngoài các loại máy đo lưu tốc, đo hướng chảy thông dụng đã giới thiệu còn có các thiết

bị khác để xác định lưu lượng hoặc gián tiếp như tàu di động hoặc đo trực tiếp lưu lượng bằng máy ADCP

Máy đo lưu lượng ADCP sử dụng khoa học công nghệ hiện đại nên việc đo đạc nhanh chóng, thu thập được nhiều yếu tố của dòng chảy nhưng giá máy cao nên chưa có điều kiện

để trang bị cho các trạm thuỷ văn ở nước ta

IV Công trình và thiết bị phục vụ đo đạc

1 Công trình định vị và cố định thuyền đo

Vấn đề xác định đúng vị trí đo đạc trên tuyến đo là một trong những yêu cầu cần thiết

để nâng cao độ chính xác của tài liệu Việc định vị thuyền đo trên mặt cắt có thể dùng các phương tiện đã nêu ở chương III Trong đó dùng cáp định vị và hệ thống tiêu là phổ biến hơn cả

Khi đo đạc tại mỗi thuỷ trực, thuyền đo cần được cố định trong thời gian đo Thuyền đo

được cố định bằng cáp treo thuyền cho ta độ chính xác cao nhất Những trạm chưa có công trình cáp treo thuyền thì có thể cố định thuyền bằng sức đẩy của động cơ tàu (ca nô) hoặc dùng neo Tại trạm đo có lưu tốc không lớn, độ sâu nhỏ (vùng sông ảnh hưởng triều) có thể

cố định thuyền bằng sào cắm xuống đáy sông

2 Thiết bị di chuyển và cố định máy đo

Để đưa các máy móc (máy đo lưu tốc, máy hải lưu, máy lấy mẫu bùn cát ) tới các

điểm đo và cố định chúng, ta dùng tời, cáp và cá sắt Đối với tuyến đo có độ rộng nhỏ và nông (suối, kênh) ta có thể lội đo trực tiếp với thiết bị treo máy là gậy Khi tuyến đo ở gần các công trình qua sông như cầu, cầu máng thì có thể lợi dụng chúng làm công trình đo

đạc

Đ 4-2 Đo lưu lượng tại vùng sông không ảnh hưởng triều

I Đo lưu tốc

1 Thuỷ trực đo lưu tốc

Số lượng thuỷ trực đo lưu tốc trên mặt cắt ngang phụ thuộc vào độ rộng sông, sự phân

bố lưu tốc trên mặt cắt ngang, yêu cầu của số liệu, trạm mới xây dựng hay đã qua hoạt động một thời gian mà bố trí

Đối với trạm mới xây dựng cần bố trí số đường thuỷ trực nhiều hơn Số đường thuỷ trực này gọi là đường thuỷ trực đầy đủ (bảng 4-6)

Bảng 4-6 Số đường thuỷ trực đo lưu tốc đầy đủ

Độ rộng B(m) <50 50-100 100-300 300-1000 >1000

Những trạm đã hoạt động một thời gian và từ kết quả nghiên cứu, có thể giảm bớt số

đường thuỷ trực Số đường thuỷ trực còn lại gọi là đường thuỷ trực cơ bản Vị trí của thuỷ trực cơ bản cần đảm bảo các yêu cầu sau:

ở chủ lưu bố trí thuỷ trực dày hơn bãi và hai bờ;

Nếu bờ sông dốc đứng thì cách bờ 30-50 cm cần có một đường thuỷ trực;

Chỗ địa hình thay đổi đột biến, chỗ ranh giới nước tù và nước chảy cần bố trí đường thuỷ trực

Trong thực tế ta cố gắng bố trí các đường thuỷ trực cách đều nhau để tiện cho việc đo

đạc và tính toán

Khi xét thấy không cần thiết thay đổi thì vị trí đường thuỷ trực cơ bản cần được bố trí

cố định trong suốt quá trình hoạt động của trạm (trừ thuỷ trực sát bờ và thuỷ trực ở ranh giới nước tù di động hoặc địa hình đáy sông có thay đổi lớn)

Số đường thuỷ trực cơ bản như bảng (4-7) dưới đây:

Bảng 4-7 Số đường thuỷ trực cơ bản đo lưu tốc

Độ rộng mặt nước (m) < 10 10 - 50 50 - 100 100-300 300-1000 >1000

Số đường TT đo lưu tốc 3 - 5 5 - 7 7 - 8 8 - 10 10 - 12 12 - 15

Trong một số trường hợp sau đây cần thay đổi vị trí đường thuỷ trực cơ bản : lòng sông thay đổi khi mực nước thay đổi làm cho khoảng cách của thuỷ trực sát bờ vượt quá giới hạn quy định

Khi đo lưu tốc trên toàn mặt cắt ngang, không được đo với số đường thuỷ trực ít hơn số

đường thuỷ trực cơ bản Nhưng trong một số trường hợp đặc biệt không đo đạc được trên các đường thuỷ trực cơ bản thì có thể đo trên 1 - 2 đường thuỷ trực cơ bản Số đường thuỷ trực đó gọi là đường thuỷ trực đại biểu

Việc chọn vị trí đường thuỷ trực đại biểu và xây dựng quan hệ giữa Vđb ~ Vmc được trình bày ở Đ 4-4

2 Số điểm đo trên thuỷ trực

Số điểm đo trên thuỷ trực phụ thuộc vào độ sâu, vào sự phân bố lưu tốc theo chiều sâu, vào yêu cầu của tài liệu Sau đây chỉ nêu những nét chung về số điểm đo để làm cơ sở vận dụng vào thực tế

- Khi độ sâu h < 1m thì có thể đo một điểm tại độ sâu tương đối là 0,2h hoặc 0,6h Nếu phân bố lưu tốc phức tạp thì đo 2 điểm hoặc 3 điểm

- Khi độ sâu h = 1 ữ 3m, có thể đo 2 hoặc 3 diểm tại các độ sâu tương ứng là 0,2h; 0,6h; 0,8h Khi phân bố lưu tốc phức tạp thì đo 5 diểm tại các độ sâu: mặt; 0,2h; 0,6h; 0,8h

và đáy

- Khi độ sâu h > 3m thì có thể đo 3 diểm hoặc 5 điểm

- Khi có yêu cầu đặc biệt thì có thể đo 11 điểm tại: mặt; 0,1h; 0,2h; 0,3h; 0,9h và

đáy

3 Thời gian đo lưu tốc tại một điểm

Thời gian đo lưu tốc tại một điểm (T) là thời gian ngắn nhất vừa đủ để đo được lưu tốc hướng dọc bình quân (Vx) bằng hoặc gần bằng giá trị Vx thực tế Thời gian đo phụ thuộc vào đặc tính của dòng chảy như cường suất lưu tốc (Δv/Δt); cường độ mạch động

a Lưu tốc mạch động: Để hiểu rõ hơn về cơ sở xác định thời gian đo lưu tốc tại một

điểm, trong phần này sẽ trình bày một đặc tính quan trọng của dòng chảy rối đó là: lưu tốc

mạch động

Xét một điểm bất kỳ trong dòng chảy rối ở sông thiên nhiên (hình 4-11) thì lưu tốc tại

điểm đó luôn thay đổi cả về hướng và giá trị

Hình 4-11: Lưu tốc theo các hướng tại điểm M

Nếu lấy M làm gốc và đặt một hệ toạ độ vuông góc Ox, Oy, Oz thì lưu tốc tốc tại điểm

M có thể được phân làm 3 hướng tương ứng là Vx, Vy, Vz, trong đó Vx là lưu tốc theo hướng dọc sông Dùng máy lưu tốc có thể đo được quá trình lưu tốc hướng dọc (Vx ~ t) như hình 4-12

Xét sự thay đổi của lưu tốc theo thời gian ta thấy giá trị của lưu tốc tức thời Vx giao

động quanh giá tri lưu tốc trung bình (Vx) và có thể viết:

V’ là lưu tốc mạch động

Lưu tốc mạch động có thể có giá trị dương, âm hoặc bằng 0 (Xét lưu tốccủa các hướng

Oy, Oz cũng cho kết quả tương tự)

Hình 4-12 Quá trình lưu tốc hướng dọc sông

b Thời gian đo lưu tốc tại một điểm: Từ đường quá trình lưu tốc tức thời (Hình 4-12)

nếu ta thấy đo lưu tốc trong thời gian T1 (giai đoạn này V’ < 0 chiếm ưu thế) thì lưu tốc bình quân đo được sẽ nhỏ hơn lưu tốc thực tế (Vxđo < Vthực) Nếu đo trong thời gian T2 thì có thể tình hình sẽ ngược lại, tức là Vxđo > Vthực Nếu thời gian đo đạc đủ dài thì sẽ cho kết quả tốt hơn, vì ΣV’≈0 do đó Vđo≈Vthực Vậy T là thời gian thích hợp để đo lưu tốc tại một

điểm trong dòng chảy Thời gian T phụ thuộc vào chế độ của dòng chảy ở tuyến đo.Vùng có chế độ dòng chảy không ổn định biến đổi nhanh (vùng ảnh hưởng triều) thì chu kỳ của lưu tốc mạch động V’ ngắn do đó thời gian đo ngắn; tại vùng có dòng chảy không ổn định biến

đổi chậm (vùng không ảnh hưởng triều) thì chu kỳ thay đổi của lưu tốc mạch động dài do

đó thời gian đo dài hơn Ngay tại một thuỷ trực thời gian đo ở các điểm khác nhau cũng khác nhau Nhưng để tiện cho đo đạc và sử dụng máy móc người ta đã nghiên cứu và đưa ra thời gian đo một điểm tại vùng sông không ảnh hưởng triều không được nhỏ hơn 100s; thời gian đo một điểm tại vùng sông ảnh hưởng triều T≤100s ( Xem Đ4-4)

- Khi lưu tốc tốc quá nhỏ, thời gian đo đã đủ 100s mà chưa thu được tín hiệu nào thì kéo dài thời gian đo cho tới khi thu được tín hiệu đầu tiên Khi thời gian đo đã tới 5 phút mà không thu được tín hiệu nào thì xem lưu tốc điểm đo đó bằng 0 Trường hợp khi đo nhìn thấy bộ phận cảm ứng quay thì trực tiếp đếm vòng quay trong thời gian từ 4-5 phút

c Kiểm tra tính hợp lý của số đọc thời gian:

Nếu gọi thời gian đọc đồng hồ nhóm giữa là tg, thời gian đọc đồng hồ nhóm cuối là tc thì thời gian đo đạc hợp lý sẽ là

4 Tính lưu tốc điểm đo và lưu tốc bình quân thuỷ trực

a Lưu tốc tại điểm đo: được tính từ công thức (4-1) hoặc (4-2) hoặc tra từ bảng (4-3)

b Tính lưu tốc bình quân thuỷ trực:

Lưu tốc trên thuỷ trực thay đổi theo độ sâu (hình 4-13) do đó lưu tốc bình quân thuỷ trực sẽ bằng tích phân của hàm phân bố lưu tốc v~h chia cho chiều sâu h Vậy cơ sở của phương pháp tính toán là công thức ( 4-16)a

∫

=

h

0 i

tt V dh h

1

Trong đó: V - Lưu tốc bình quân thuỷ trực (m/s) tt

h - độ sâu dòng chảy (m)

Vi - Lưu tốc tại điểm đo ( m/s)

Lưu tốc bình quân của thuỷ trực tính bằng phương pháp đồ giải chỉ được dùng khi có yêu cầu của nghiên cứu hoặc khi tính lưu lượng nước bằng phương pháp đồ giải, còn phương pháp phân tích để tính lưu tốc bình quân thuỷ trực đang được áp dụng rộng rãi tại các trạm thuỷ văn ở nước ta

• Tính lưu tốc bình quân thuỷ trực bằng phương pháp đồ giải:

Hình 4-13 Phân bố lưu tốc theo độ sâu

(Sơ đồ tính lưu tốc bình quân thuỷ trực theo phương pháp đồ giải)

Để xác định diện tích F có thể dùng các phương pháp sau đây: Dùng máy đo diện tích, dùng máy vi tính hoặc tính gần đúng bằng cách chia nhỏ diện tích F thành các băng nhỏ song song với mặt nước

Đây là phương pháp cho kết quả có độ chính xác cao nhất, vì diện tích giới hạn bởi sự phân bố phức tạp của lưu tốc theo chiều sâu đã được thể hiện bằng phép tích phân (4-16)a Phương pháp này có thể làm cơ sở cho việc giảm bớt điểm đo lưu tốc trên thủy trực và phục

vụ cho công tác nghiên cứu Cũng từ sự phân bố lưu tốc trên thủy trực người ta đã nghiệm chứng thấy rằng lưu tốc tại điểm 0,6h xấp xỉ lưu tốc bình quân thủy trực

• Tính lưu tốc bình quân thủy trực bằng phương pháp phân tích:

Cơ sở của phương pháp này cũng dựa vào công thức (4-16)a hoặc (4-16)b, nhưng diện tích F được tính dưới dạng gần đúng Độ chính xác của kết quả càng cao khi số điểm đo trên thủy trực càng nhiều Chẳng hạn lấy phương pháp đo 5 điểm trên thủy trực để chứng minh điều

đó, đồng thời giải thích hệ số tỷ lệ gia quyền đối với lưu tốc các điểm trên thủy trực

Lưu tốc bình quân thủy trực được tính theo (4-16)b :

08 06

06 02

02 m

d 08 08

06 06

02 02

m tt

VV2V3V3V

10

1

V1,0V1,0V1,0V1,0V2,0V2,0V1,0V1,010

10

1

h02.2

VVh,0.2

VVh,0.2

VVh2,0.2

VVh

1V

++

++

=

++

++

++

++

+

=

Việc giảm điểm đo trên thủy trực và lưu tốc bình quân thủy trực tính bằng phương

pháp phân tích (1) phải dựa trên cơ sở của tài liệu đo nhiều điểm và lưu tốc bình quân thủy trực tính bằng phương pháp đồ giải (2) Nếu sai số kết quả của hai phương pháp nằm trong

sai số qui định thì có thể đo và tính toán theo phương pháp (1) Lưu tốc bình quân thuỷ trực tính bằng phương pháp phân tích như các công thức sau:

3

1tt

V = 0,2 + 0,6 + 0,8 (4-19)b + Phương pháp đo 2 điểm:

(V0 , 2 V0 , 82

1tt

V = + ) (4-20) + Phương pháp đo 1 điểm

Trong đó Vm, V0,1, V0,2 V0,9, Vđ là lưu tốc tại điểm mặt; 0,1h ; 0,2h; 0,9h và đáy

K1, K2 là hệ số hiệu chỉnh giữa phương pháp đo nhiều điểm và phương pháp đo một điểm Khi chưa có tài liệu thực đo thì có thể dùng K1 = 0,84 - 0,87; K2 = 0,78 - 0,84

5 Phương pháp đo lưu tốc

a Đo lưu tốc tại một điểm và trên thuỷ trực:

Trước tiên ta xác định độ sâu tại thuỷ trực Để xác định độ sâu ta có thể đo trực tiếp (như đã giới thiệu ở chương III) hoặc xác định bằng phương pháp gián tiếp theo công thức sau đây:

Trong đó : hQ - Độ sâu thuỷ trực khi đo lưu tốc để tính lưu lượng

hh - Độ sâu thuỷ trực của lần đo sâu gần nhất

Với HQ là mực nước tính toán lúc đo lưu lượng;

Hh là mực nước tính toán lúc đo sâu

Căn cứ vào độ sâu thuỷ trực hQ, điều kiện đo đạc và yêu cầu tài liệu, định số điểm đo trên thuỷ trực Đưa máy lưu tốc xuống điểm đo và cố định máy, khi máy làm việc ổn định (sau một vài tín hiệu) mới bắt đầu đo đạc

Việc ghi chép tín hiệu và thời gian (đọc theo đồng hồ bấm giây) phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

+ Tổng thời gian đo đạc tại mỗi điểm đủ thời gian quy định

+ Chia thời gian đo đạc nói trên ra thành một số nhóm chẵn (2,4,6,8,10) để tiện cho việc kiểm tra (theo 4 - 15)

+ Số tín hiệu trong mỗi nhóm nhiều hay ít là tuỳ thuộc vào lưu tốc lớn hay nhỏ Thông thường thời gian trong mỗi nhóm từ 15 - 20s đối với máy cánh quạt và từ 10 - 15s đối với máy cốc quay Số tín hiệu trong các nhóm của một điểm đo phải bằng nhau

Trường hợp sử dụng máy lưu tốc hiện số thì lưu tốc điểm đo được đọc trực tiếp Việc tính toán lưu tốc bình quân thuỷ trực cũng được áp dụng các công thức (4-17) đến (4-22)

b Phương pháp đo lưu tốc trên mặt cắt ngang

Khi đo lưu tốc trên mặt cắt ngang thực hiện tuần tự như sau:

- Đo sâu tại các đường thuỷ trực: Nếu lần đo lưu lượng đó cần đo sâu toàn mặt ngang thì đo độ sâu tại tất cả các thuỷ trực Riêng 2 thuỷ trực sát bờ cần xác định khoảng cách tới mép nước

- Lần lượt đo lưu tốc các điểm trên thuỷ trực đo lưu tốc

- Đọc mực nước khi bắt đầu đo và khi kết thúc Nếu mực nước lên xuống nhanh thì khi

đo tại điểm 0,6h ở mỗi thuỷ trực cần đọc mực nước tương ứng

-Đo mực nước ở tuyến độ dốc vào lúc bắt đầu và kết thúc đo

-Theo dõi, ghi chép các hiện tượng thời tiết và các hoạt động trên sông ảnh hưởng tới tài liệu

c Đo lưu tốc trên đường thuỷ trực đại biểu

Trong trường hợp phải đo lưu tốc trên đường thuỷ trực đại biểu thì tuần tự đo đạc cũng tiến hành như đo lưu tốc ở các thuỷ trực khác

II Đo lưu tốc bằng phao

Thiết bị phổ biến dùng để xác định lưu tốc là máy đo lưu tốc Nhưng trong một số trường hợp sau đây có thể dùng phao để đo lưu tốc: Lũ quá to không thể ra sông được, khi máy đo lưu tốc hoặc công trình đo đạc bị hỏng đột xuất, đo lưu tốc để xác địng hướng chảy, thu thập tài liệu khảo sát, điều tra thuỷ văn

Để đo lưu tốc bằng phao ta chọn các tuyến đo phao và tuyến thả phao như đã giới thiệu

ở phần đầu chương I Việc thả phao tại tuyến thả phao có thể dùng thiết bị thả phao, thả phao bằng thuyền hoặc ném phao từ bờ (nếu sông hẹp) Khi đo đạc cần ghi thời gian phao trôi giữa hai tuyến của mỗi phao Lưu tốc trung bình của từng phao được tính:

TTb

bpb b

VTTb - lưu tốc bình quân của thuỷ trực sát bờ

2 Xác định K b bằng thực nghiệm

Trên diện tích bộ phận sát bờ (từ thuỷ trực đo lưu tốc gần bờ tới mép nước) bố trí thêm một số đường thuỷ trực đo lưu tốc (hình 4 - 14) Số lượng đường thuỷ trực phụ thuộc vào địa hình đáy sông, độ rộng của bộ phận sát bờ, sự phân bố của lưu tốc theo chiều rộng và yêu cầu độ chính xác của tài liệu Tiến hành đo lưu tốc trên các thuỷ trực đó (kể cả thuỷ trực cơ bản sát bờ)

Hình 4-14 Bố trí thuỷ trực đo lưu tốc để xác định hệ số Kb

Tính lưu lượng bộ phận sát bờ theo phương pháp phân tích bằng công thức:

1 n TTb n

2 2 1 1 1 b bp

2

vv

2

vvVK

Trong đó:Kb - hệ số được chọn sơ bộ theo mục 3 sau đây

ωi - diện tích bộ phận thứ i bao gồm giữa hai thuỷ trực (bố trí thêm) kề nhau

Vi - lưu tốc bình quân của thuỷ trực thứ i thuộc bộ phận sát bờ i=1,2 n

VTTb- Lưu tốc bình quân của thuỷ trực cơ bản sát bờ

Lưu tốc bình quân của bộ phận sát bờ sẽ là:

bp

bp bpb

QV

ω

=Trong đó : ωbp - diện tích bộ phận sát bờ :

ωbp = ω1 + ω2 + + ωn+1

Hệ số Kb được tính theo công thức (4 - 26)

Trong thực tế người ta xác định hệ số Kb ở một tuyến đo nào đó cho các cấp mực nước khác nhau để sử dụng khi tính lưu lượng

d) Nếu bộ phận sát bờ có nước tù thì bộ phận nước chảy sát bờ lấy Kb= 0,5

e) Có thể căn cứ vào hình dạng đáy sông và phân bố lưu tốc theo chiều rộng để xác

Đ4 - 3 Tính lưu lượng bằng phương pháp ″lưu tốc - diện tích″

I Cơ sở của phương pháp

Lưu lượng nước (Q) là tổng lượng nước qua một mặt cắt nào đó vuông góc với hướng chảy bình quân trong một đơn vị thời gian Nếu trên mặt cắt xét một vi phân diện tích dω (hình 4 -16) thì vi phân lưu lượng dQ qua diện tích đó sẽ là :

dydz.cosVd.cosV

Trong đó: V - lưu tốc thực đo trung bình trên diện tích dω

α - góc hợp bởi phương pháp tuyến của mặt cắt và phương dòng chảy

= α

=

b h

d cos V dydz cos V Q

0 0

(4-27) Trong thực tế lưu lượng nước tính từ (4-27) được viết dưới dạng sai phân như sau:

∑

=

αω

= n

i

i i

iv cosQ

1

(4-28)

Trong đó : ωi - diện tích bộ phận thứ i

Vi - lưu tốc bình quân của bộ phận thứ i

Nếu hướng chảy vuông góc với mặt cắt thì cosα = 1,0

II Tính lưu lượng nước trong trường hợp đo lưu tốc bằng máy lưu tốc

1 Phương pháp phân tích

a Công thức tính toán:

Công thức (4 - 28) khi α = 0, có thể viết:

n n 2 1 n n 1 n 1

2 1 0 1

2

vv

2

vvVK

Trong đó :

Kb1, Kb2 là hệ số K bờ ở hai bộ phận sát bờ

V1, V2, Vn là lưu tốc bình quân tại thuỷ trực đo lưu tốc thứ 1, 2, n

ω1, ω2, ωn-1, là diện tích bộ phận giữa hai đường thuỷ trực IữII,IIữIII, , n-1ữn

ωo, ωn là diện tích bộ phận giữa thuỷ trực sát bờ tới mép nước gần thuỷ trực đó

n là số đường thuỷ trực đo lưu tốc trên mặt cắt ngang

H H

Trường hợp mực nước thay đổi nhiều trong thời gian đo đạc (Hđ - Hc > 10 cm) thì:

n n

n n n 1

TT

V b

V b V b

H V b

H V b H V b H

+ +

+ + +

=

2 2 1 1

2 2 2 1

Trong đó:

Vi lưu tốc bình quân tại thuỷ trực thứ i

Hi mực nước tương ứng khi đo lưu tốc tại điểm 0,6h tại thuỷ trực thứ i

bi khoảng cách giữa hai thuỷ trực đo lưu tốc kề nhau Riêng b1 và bn là khoảng cách giữa hai thuỷ trực gần bờ tới mép nước

c Xác định độ sâu tính toán và diện tích bộ phận

Trường hợp khi đo lưu tốc không đồng thời đo sâu thì độ sâu tính toán có thể suy ra từ

độ sâu của lần đo sâu gần nhất theo công thức (4-23) Trường hợp trong lần đo lưu tốc đó có

đo độ sâu thuỷ trực thì dùng độ sâu đó để tính toán

Hình 4-17 Sơ đồ xác định diện tích bộ phận Diện tích bộ phận là diện tích giới hạn giữa hai đường thuỷ trực đo lưu tốc kề nhau, và giới hạn bởi hai thuỷ trực đo lưu tốc gần bờ tới mép nước, được tính bằng công thức (4-32)

=ω

++

=ω

ư

2

1b

2

hh

,b2

hhb2

hh

,b2

hhhb

m m 1

m m 1 m n

3 4 3 2 3 2 1

1 2 1 1 0 2

1 0

(4-32)

Trong đó:

h1, h2, hm-1, hm là độ sâu tại thuỷ trực đo sâu 1, 2, m

b1, b2, bm-1 là khoảng cách giữa các đường thuỷ trực đo sâu kề nhau

bo, bm là khoảng cách từ đường thuỷ trực đo sâu gần bờ nhất tới mép nước gần nó

ω1, ω2, ωn-1là diện tích bộ phận giữa hai đường thuỷ trực

ωo, ωn là diện tích bộ phận giữa đường thuỷ trực đo lưu tốc sát bờ tới mép nước

n là số đường thuỷ trực đo lưu tốc

m là số đường thuỷ trực đo sâu (m >n)

Qmc

• Các đặc trưng khác của mặt cắt như độ rộng B, độ sâu bình quân h , độ sâu lớn nhất

hmax được xác định tương tự như đã giới thiệu trong chương III

2 Phương pháp đồ giải

Cơ sở của phương pháp là dựa vào công thức sau đây:

dB q Q

- Tính lưu tốc bình quân thuỷ trực theo phương pháp đồ giải

- Dùng tài liệu độ sâu đã hiệu chỉnh để vẽ mặt cắt ngang (Xem ví dụ 4-1)

- Căn cứ vào lưu tốc bình quân thuỷ trực, vẽ đường phân bố lưu tốc theo chiều rộng sông: V~B

- Dựa vào quan hệ V~B xác định lưu tốc bình quân các thuỷ trực (kể cả thuỷ trực đo sâu)

- Tính lưu lượng đơn vị theo công thức (4-35)

- Vẽ đường phân bố lưu lượng đơn vị theo chiều rộng sông (q ~ B)

- Xác định diện tích biểu đồ giới hạn bởi đường q ~ B và đường mặt nước Số đo diện tích đó là giá trị lưu lượng cần tìm

Để xác định diện tích trên có thể dùng máy đo diện tích, dùng máy vi tính, hoặc có thể dùng công thức gần đúng sau:

n n 2 1 n n 1 n 1

2 1 o 1

2

q q

b 2

q q b q

a Khi phao trôi rải đều trên mặt ngang:

Lưu lượng nước được tính theo các bước sau đây:

Vẽ đường phân bố thời gian trung bình của phao trôi, trên mặt ngang (t ~ B) - Xem hình (4-19)

Căn cứ vào quan hệ giữa (t ~ B) trung bình, loại bỏ những phao có thời gian phao trôi sai khác với thời gian phao trôi trung bình quá 10% tức là:

% 10 100 x t

t t

i

i

Trong đó: ti - thời gian phao trôi của phao thứ i

ti- thời gian phao trôi tra trên đường (B~t) trung bình tại vị trí phao thứ i

- Tính lưu tốc trung bình của từng phao

L

Vnhóm = pTrong đó : t- thời gian phao trôi trung bình của nhóm:

∑

=

1 i i

tn

1

Với n số phao trong nhóm

- Khoảng cách khởi điểm trung bình của nhóm :

∑

=

1 i ibn

1

Với bi - khoảng cách khởi điểm của phao thứ i trong nhóm

- Tính diện tích bộ phận: Diện tích bộ phận là diện tích chảy giới hạn bởi hai đường thuỷ trực trùng hoặc gần trùng với vị trí trung bình giữa hai nhóm phao kề nhau (xem sơ đồ hình 4-20)

- Lưu lượng nước giả được tính theo công thức sau:

Qp = v1ω1 + v2ω2 + + vnωn (4-38) Trong đó : v1, v2, vn - lưu tốc bình quân của nhóm phao thứ 1, 2, n

ω1, ω2, ωn - Diện tích chảy bộ phận thứ 1, 2, n

Qp - lưu lượng nước khi đo lưu tốc bằng phao chưa hiệu chỉnh

- Lưu lượng nước Qthực sẽ bằng:

Q = Qp P1 (4-39)

P1 - hệ sô hiệu chỉnh lưu lượng khi phao trôi rải trên mặt ngang

b Khi phao trôi tập trung vào giữa dòng

Trường hợp này lưu lượng được tính theo công thức sau:

Trong đó : ωc - diện tích mặt cắt chảy khi đo phao

vmax - lưu tốc lớn nhất bình quân

∑

=

1 i

i max max vn

Với P2 - hệ số hiệu chỉnh lưu lượng khi phao trôi giữa dòng

2 Tính lưu lượng nước bằng phương pháp đồ giải

Phương pháp này chỉ áp dụng tính trong trường hợp phao trôi rải trên mặt ngang Trình tự tính toán như sau:

- Vẽ quan hệ thời gian phao trôi và độ rộng sông (t~B) - loại bỏ những phao bất hợp lý

- Tính lưu tốc của các phao

- Vẽ mặt cắt ngang (với tài liệu độ sâu để tính lưu lượng) hình (4-21)

- Căn cứ vào giá trị lưu tốc từng phao và vị trí phao trôi qua tuyến chính để phân nhóm Tính lưu tốc bình quân nhóm và khoảng cách khởi điểm bình quân của nhóm (như phương pháp phân tích)

- Vẽ quan hệ giữa lưu tốc phao với chiều rộng sông (v ~ B) Qua các diểm trung bình xác định quan hệ Vp ~ B trung bình

- Các bước còn lại sẽ tiến hành giống như trường hợp tính lưu lượng nước bằng phương pháp đồ giải khi đo lưu tốc bằng máy lưu tốc

Lưu lượng thực qua mặt cắt sẽ là :

Q = Qp P1

Ví dụ 4 - 1: Tính lưu lượng nước trong trường hợp đo lưu tốc bằng máy

Tài liệu thực đo của một lần đo lưu lượng tại một trạm thuỷ văn cho như bảng (4-8) và (4 - 9) Hãy tính lưu lượng nước theo phương pháp phân tích và phương pháp đồ giải

Khi tính dùng hệ số Kb = 0,75; hệ số C = 1/2

Mực nước tính toán Htt = 120 cm

1- Tính lưu lượng nước theo phương pháp phân tích

- Tính lưu tốc bình quân thuỷ trực:

Các thuỷ trực đều đo lưu tốc 5 điểm nên lưu tốc bình quân thuỷ trực được áp dụng công thức :

)V2V3V

3V (V10

1

Hình 4-18 Tính lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát lơ lửng theo phương pháp đồ giải

Tương tự tính lưu tốc tốc bình quân cho các thuỷ trực II, III, IV, V Kết quả ghi vào cột

=

- Độ sâu bình quân :

m , B

2- Tính lưu lượng nước theo phương pháp đồ giải

Trước tiên căn cứ vào lưu tốc điểm đo của các thuỷ trực đã cho ở bảng (4-9) vẽ phân

bố lưu tốc theo độ sâu (hình 4-18) Xác định diện tích biểu đồ h~v, tính lưu tốc bình quân

của thuỷ trực theo phương pháp đồ giải

- Kết quả tính toán và vẽ biểu đồ v~B được thể hiện trên hình (4-18)

- Để xác định lưu lượng ta dùng công thức (4-31) và tính như bảng (4-11)

Ví dụ 4-2 Tính lưu lượng nước trong trường hợp đo lưu tốc bằng phao:

Tài liệu đo sâu ở bảng (4-12); tài liệu đo phao ở bảng (4-13); tài liệu lưu lượng nước đo

bằng máy và bằng phao của một số lần trước đó như bảng (4-14) Yêu cầu tính lưu lượng

nước bằng phương pháp phân tích và phương pháp đồ giải

1- Tính lưu lượng theo phương pháp phân tích

Căn cứ vào tài liệu thực đo ở cột (2) và cột (4) bảng (4-13) Vẽ quan hệ t~B (hình 4-19) Trên quan hệ cho thấy phao số 5, 11 có thời gian phao trôi sai khác so với thời

gian trung bình quá 10% nên loại bỏ

Dựa vào đường t~B phân thành 7 nhóm, số phao trong các nhóm như cột (6) bảng (4-13)

Lập bảng tính lưu tốc trung bình và khoảng cách khởi điểm trung bình của nhóm như ví

dụ tính cho nhóm V ở bảng (4-15) sau đây:

H×nh 4-19 Ph©n bè cña thêi gian phao tr«i trªn mÆt c¾t ngang s«ng

B¶ng 4-8 Tµi liÖu ®o s©u cña mét lÇn ®o lưu lưîng

§é s©u (h) 0,00 1,98 3,20 4,10 4,16 4,65 4,68 5,10 5,40 5,20 5,2 5,20 5,40 5,60 3,80 3,10 0,00

B¶ng 4-9 Tµi liÖu lưu tèc cña mét lÇn ®o lưu lưîng

DT giữa hai

đường thuỷ trực (m2)

Lưu tốc bình quân (m/s)

Đo độ sâu Đo l