Giáo trình đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn - Chương 5 pot

Lưu lượng bùn cát lơ lửng lưu lượng chất lơ lửng* là lượng bùn cát lơ lửng chuyển qua mặt cắt ngang sông trong một đơn vị thời gian, kí hiệu là R, đơn vị là kg/s hoặc T/s.. Ngoài các đặ

Chương V

đo bùn cát trong nước sông

I Khái niệm:

Bùn cát trong nước sông là những phần tử rắn bao gồm bùn, sét, mùn, cát, sỏi, đá vv

chuyển động trong lòng sông Dùng thuật ngữ “bùn cát” để chỉ “những phần tử rắn” trong

nước sông tuy chưa thật chính xác nhưng vì một số lý do như đã nêu ở lời giới thiệu, nên trong giáo trình này vẫn sử dụng các thuật ngữ cũ để nói về phần tử rắn và một số vấn đề khác nữa

II Nguồn gốc bùn cát trong sông

Bùn cát trong sông do ba nguồn cung cấp chủ yếu sau đây:

3 Từ biển đưa vào:

Đối với những đoạn sông gần biển do tác động của dòng chảy ven bờ, dòng triều, sóng, gió mà bùn cát đã được đưa từ biển vào sông, lượng bùn cát này chiếm khoảng 5% tổng lượng bùn cát trong sông Tuy tỷ lệ bùn cát từ biển vào là nhỏ song nó là nhân tố chủ yếu làm ảnh hưởng tới sự hoạt động kinh tế ở vùng cửa sông như bồi lấp cửa sông ảnh hưởng xấu đến thoát lũ, giao thông thuỷ, đánh cá vv Do đó trong việc đo đạc bùn cát không được xem nhẹ thành phần bùn cát này

III Phân loại bùn cát trong sông

Bùn cát trong sông có thể được phân làm hai loại tuỳ theo hình thức tồn tại và chuyển

động của nó

1 Bùn cát lơ lửng (chất lơ lửng)*:

Những hạt rắn có đường kính tương đối nhỏ chuyển động lơ lửng theo dòng nước được

gọi là bùn cát lơ lửng

2 Bùn cát đáy (chất di đẩy)*:

Những hạt rắn có đường kính lớn hơn, chuyển động sát đáy sông bằng các hình thức

lăn, trượt, nhảy gọi là bùn cát đáy

Tuỳ thuộc vào các điều kiện của dòng chảy như lưu tốc, độ dốc, độ sâu mà một hạt cát có thể lúc này thì chuyển động lơ lửng, khi khác lại chuyển động sát đáy, loại bùn cát

này gọi là bùn bán lơ lửng Để tiện cho công tác đo đạc, sử dụng tài liệu người ta gộp loại

b Lưu lượng bùn cát lơ lửng (lưu lượng chất lơ lửng)* là lượng bùn cát lơ lửng

chuyển qua mặt cắt ngang sông trong một đơn vị thời gian, kí hiệu là R, đơn vị là kg/s hoặc T/s

2 Đặc trưng cơ bản của bùn cát đáy

a Suất chuyển cát đáy là lượng bùn cát đáy chuyển qua một đơn vị chiều rộng mặt cắt

ngang trong một đơn vị thời gian, kí hiệu là gs, đơn vị là g/m.s hoặc kg/m.s

b Lưu lượng bùn cát đáy là lượng bùn cát đáy chuyển qua mặt cắt ngang trong một

đơn vị thời gian, kí hiệu là Gs, đơn vị là kg/s, T/s Ngoài các đặc trưng cơ bản trên còn có các đặc trưng khác được tính toán từ các đặc trưng trên như:

- Lượng ngậm cát thực đo bình quân mặt ngang (hàm lượng chất lơ lửng bình quân thực đo toàn mặt ngang)* được xác định từ tài liệu đo đạc bùn cát lơ lửng và lưu lượng nước trên toàn mặt ngang, kí hiệu ρmn, đơn vị là g/m3, g/l, kg/m3

- Lượng ngậm cát lớn nhất (hàm lượng chất lơ lửng lớn nhất)*, lượng ngậm cát nhỏ nhất trong thời đoạn nào đó

- Tổng lượng bùn cát lơ lửng (tổng lượng chất lơ lửng)* qua mặt ngang trong thời

đoạn nào đó, kí hiệu là Wr, đơn vị là 103T hoặc 106T

Việc đo đạc bùn cát đáy tại các trạm thuỷ văn ở nước ta đã qua một thời gian khá dài song tài liệu thu được không đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác Nguyên nhân chủ yếu

là sự chuyển động của bùn cát đáy rất phức tạp, trong khi đó sự hiểu biết về nó còn hạn chế, máy móc đo chưa phù hợp vv Do đó việc đo đạc bùn cát đáy đã tạm ngừng từ năm 1980 (Các trạm có tài liệu đến năm 1979 : Hoà Bình, Sơn Tây, Hà Nội, Thượng Cát) Tuy vậy, vẫn tồn tại sự liên quan giữa yếu tố bùn cát đáy với một số môn học khác; trong tương lai

việc đo đạc bùn cát đáy có thể sẽ được phục hồi để đáp ứng cho nhu cầu của sản xuất và nghiên cứu khoa học Vì những lý do trên mà trong giáo trình này vẫn đề cập tới những nội dung cơ bản của đo đạc và tính toán bùn cát đáy

I Máy lấy mẫu bùn cát lơ lửng

1 Máy kiểu chai:

Đó là một chai thuỷ tinh có dung tích từ 0.5-2dm3 Miệng chai có nắp đậy được đệm bằng cao su xuyên qua nắp chai có 2 vòi (vòi lấy nước và vòi thoát khí) Chỗ cửa ra của hai vòi chênh nhau một đầu nước tĩnh là ΔH Tuỳ theo lưu tốc khác nhau mà dùng loại vòi có

đường kính và ΔH khác nhau Máy kiểu chai có thể lấy mẫu theo phương pháp tích phân, tích điểm hoặc hỗn hợp

Hình 5-1 Cách treo chai khi lấy mẫu.

1 vòi thoát khí; 2 vòi lấy nước; 3 nắp

Khi dùng chai để lấy mẫu cần chú ý:

- Cố định chai trên gậy hay cáp, trục chai hợp với phương ngang một góc khoảng 25o(hình 5-1) Nếu độ sâu nhỏ muốn miệng chai đúng điểm đo thì có thể treo chai nằm ngang

- Vỏ bảo vệ chai Vỏ có thể làm bằng tre, tôn hoặc dùng loại cá sắt chuyên dùng

2 Máy kiểu ngang:

Máy gồm một ống kim loại hình trụ thể tích 0,5-5dm Hai đầu ống có 2 nắp, trong nắp

có đệm cao su Nắp được giữ chặt vào miệng ống nhờ các giây lò xo Việc đóng mở nắp có thể dùng dây kéo, dùng tải trọng thả từ trên xuống hoặc dùng động cơ điện

Trước khi dùng máy kiểu ngang cần thử độ nhạy của bộ phận đóng mở nắp và độ kín của nắp

Muốn lấy mẫu tại một điểm nào đó ta mở 2 nắp, thả máy xuống điểm đo, để vài ba giây, đóng nắp và kéo máy lên

Hình 5-2 Máy lấy mẫu kiểu ngang

1 ống kim loại; 2 nắp đậy; 3 lò xo giữ nắp; 4 bộ phận đóng nắp;

5 móc treo; 6,7 bộ phận giữ nắp lúc mở; 8 đế máy

3 Máy chân không

a Cấu tạo: Máy chân không (hình5-3) gồm các bộ phận: Bình chân không (1); Bơm

tay hút khí tạo chân không (6); Vòi lấy mẫu (9); Đồng hồ đo chân không (4); Các van điều chỉnh và bộ giá

- Bình chân không có 3 van: Một thông với vòi lấy mẫu, một thông với bơm hút khí, một thông với không khí Đáy bình có 1 van để rút nước mẫu ra, ở đỉnh bình có nút để rửa bình khi cần

- Vòi lấy mẫu có đường kính khác nhau tuỳ thuộc vào lưu tốc (bảng3-1) vòi được nối thông với bình chân không bằng ống cao su qua 1 trong 3 van ở nắp bình Tuỳ vị trí đặt máy tới độ sâu điểm đo mà chọn độ dài ống cao su cho thích hợp

- Bộ giá để gắn vòi lấy mẫu vào sào hoặc cá sắt khi đưa vòi xuống điểm đo

Bảng (3-1): Đường kính vòi lấy mẫu tương ứng với lưu tốc

- Lấy mẫu theo phương pháp tích sâu (tích phân):

Khi độ sâu từ 1-20m, lưu tốc < 0.5m/s

+

+

+

Khi độ sâu từ 1-10m, lưu tốc <1.0m/s

Khi độ sâu từ 1-5m, lưu tốc <2.5m/s

Hình 5-3 Máy kiểu chân không

c Nguyên lý hoạt động và phương pháp lấy mẫu của máy chân không

- Máy hút được nước mẫu do chênh lệch áp suất giữa bình chân không và vòi lấy mẫu khi được nối thông nhau

- Khi lấy mẫu tiến hành như sau:

+ Đóng kín tất cả các nút và van lấy mẫu, van thông khí, van rút mẫu

+ Mở van thông giữa bình chân không và bơm hút khí, vận hành bơm tạo chân không trong bình

+ Đưa vòi lấy mẫu xuống điểm đo (phương pháp tích điểm) hoặc chạm mặt nước (phương pháp tích sâu) thì mở van thông giữa vòi lấy mẫu và bình chân không

+ Khi kết thúc đo thì mở van thông với không khí để ngừng lấy nước mẫu

+ Đo dung tích nước mẫu ở bình và rút nước mẫu vào chai đựng mẫu

Khi đo cần ghi các thông số đầy đủ vào chai đựng mẫu như vị trí đo, thời điểm đo

4 Máy đo lượng ngậm cát và đường kính hạt LISST-25

Máy LISST-có nhiều loại, mỗi loại có tính năng khác nhau Riêng loại LISST-25 dùng

để đo lượng ngậm cát và đường kính hạt bùn cát lơ lửng

a Nguyên lý hoạt động của máy LISST-25 (hình 5-4)

Máy do hãng SEQUOIA SCIENTIFIC, INC (Mỹ) chế tạo dựa trên một trong những đặc tính quang học của tia laze (laser) Khi tia laze chiếu qua dòng chảy có mang các hạt bùn

cát lơ lửng nó sẽ bị khúc xạ với các góc khác nhau tùy thuộc vào các hạt to, nhỏ Các tia khúc xạ này sẽ gặp một “màn chắn”, tại đó máy sẽ nhận thông tin về góc khúc xạ, cường độ tia laze để xác định các kết quả

b Các bộ phận chính của máy : Hệ thống quang học, bộ phận điện tử, pin, vỏ bảo vệ

Năng lượng cung cấp : 6-12 VDC (Pin) - Đặt trong máy khi đo

Máy kèm theo phần mềm Windows ‘95/’98/NT và có thể kết nối với máy tính trên thuyền

Máy có dạng hình trụ dài 45 cm, đường kính 8cm, nặng 3,6 kg (trong nước 0,9kg)

d) Cách đo đạc

Máy có thể đo đạc bùn cát lơ lửng theo phương pháp tích phân Khi đo, máy được cố

định vào dây cáp sát trên cá sắt và di chuyển xuống, lên với tốc độ đều trên thủy trực Mỗi lần đo trên mỗi thủy trực máy có thể thực hiện nhiều phép đo tại tất cả các điểm và kèm theo thời gian Kết quả đo đạc sẽ được máy lưu giữ hoặc truyền ngay tới máy tính đặt ở trên thuyền

II Máy lấy mẫu bùn cát đáy

1 Máy ″Đôn″

Máy “Đôn” do Liên xô (cũ) sản xuất, gồm có các bộ phận cơ bản: Vỏ bảo vệ (1); Máng chứa cát (2); cửa vào (3); cửa ra (4); cơ cấu đóng, mở cửa máy (5); thân máy (6) - xem hình (5-5)

Muốn đo bùn cát tại một điểm nào đó trên đáy sông ta cho máy xuống điểm đo Khi máy chạm đáy sông thì cửa vào và cửa ra đều mở Khi thời gian đo đã đủ thì kéo máy lên ghi lại thời gian đo và cho mẫu bùn cát vào dụng cụ đựng mẫu

Hình 5-5 Máy lấy mẫu kiểu “Đôn”

2 Máy HELLEY SMITH

a Cấu tạo

Máy Helley Smith do Mỹ sản xuất Máy gồm các bộ phận chính sau đây :

- Khung máy (1) : dài 1,24m; rộng 0,50m ; cao 0,35m

- Cửa hứng cát (2) có tiết diện vuông 0,0762 x 0,0762 (m)

- Túi hứng cát (3) có kích thước mắt lưới 250 micrômet

Khi đo túi hứng cát được đặt trong cửa hứng cát Túi cho nước đi qua dễ dàng và giữ lại các hạt bùn cát Đây là bộ phận chủ yếu của máy :

- Đuôi máy (4) có tác dụng lái cho cửa hứng cát luôn luôn hướng ngược chiều dòng chảy (khi đo)

Hình 5-6 : Máy lấy mẫu bùn cát đáy Helley Smith

b Cách đo đạc :

Dùng tời, cá sắt thả máy xuống điểm đo (hoặc xung quanh điểm đo) Gần tới đáy cần thả nhẹ nhàng tránh làm sục bùn vào máy Khi thời gian đo đã đủ dài thì kéo máy lên và lấy mẫu bùn cát ra từ túi hứng cát Thời gian đo mỗi điểm dài, ngắn tùy thuộc vào suất chuyển cát đáy của điểm đo Nói chung thời gian đo 1 điểm cần được thử dần từ 5, 10, 15, 20 phút, sao cho mỗi lần lấy mẫu bùn cát chưa đầy túi chứa cát Để bảo đảm độ tin cậy của kết quả, mỗi điểm cần đo nhiều lần (5-6 lần), kết quả sẽ là trị số trung bình số học của các lần lấy mẫu

c Ưu, nhược điểm của máy lấy mẫu Helley smith:

Máy vận hành đơn giản Túi đựng bùn cát là bộ phận cải tiến so với máy Đôn Túi được làm bằng Polieste, có mắt lưới khá nhỏ (250 micrômet) song nước vẫn thoát dễ dàng Bùn cát vào túi không bị trôi ra ngoài khi kéo lên Qua một số lần đo thử nghiệm cho kết quả

đáng tin cậy

Một số tồn tại của máy như : Việc lấy mẫu tại một điểm nhiều lần rất tốn công sức, thời gian; việc xác định hệ số đường kính hạt bùn cát khó khăn Máy Helley Smith đang được đo thử nghiệm và đo phục vụ cho các chuyên đề nghiên cứu, chưa được ứng dụng rộng rãi tại các trạm thủy văn

I Vị trí lấy mẫu

1 Thuỷ trực lấy mẫu trên mặt cắt ngang

Mặt cắt đo bùn cát được bố trí trùng với mặt cắt đo lưu lượng nước Khi bố trí thuỷ trực lấy mẫu bùn cát lơ lửng cần chú ý:

- Số đường thủy trực lấy mẫu bằng hoặc ít hơn số đường thuỷ trực cơ bản đo lưu tốc Nhưng không được ít hơn ở bảng (5-2)

- Vị trí đường thuỷ trực lấy mẫu phải trùng với đường thuỷ trực đo lưu tốc

Bảng 5-2 Số đường thuỷ trực lấy mẫu nước phụ thuộc độ rộng sông

Độ rộng mặt nước (m) <10 10ữ50 50ữ100 100ữ300 300ữ1000 >1000

2 Vị trí thuỷ trực đại biểu:

Trên mặt cắt ngang có thể chọn một hoặc hai đường thuỷ trực để lấy mẫu nước hằng

ngày Thuỷ trực này gọi là thuỷ trực đại biểu

Vị trí của thuỷ trực đại biểu phải đạt các yêu cầu sau:

- Trùng với một hoặc hai vị trí thuỷ trực đã lấy mẫu trên toàn mặt ngang

- Quan hệ ρmn~ρđb chặt chẽ (có sai số quân phương trong phạm vi cho phép)

- Thuận tiện cho việc lấy mẫu đại biểu hàng ngày

II Phương pháp lấy mẫu

1 Lấy mẫu toàn mặt ngang: Việc lấy mẫu được tiến hành đồng thời với đo lưu tốc

Lấy mẫu trên thuỷ trực có ba phương pháp: Phương pháp tích điểm, phương pháp tích phân

và phương pháp hỗn hợp

a Lấy mẫu theo phương pháp tích điểm:

Số điểm đo trên thuỷ trực phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Độ sâu thuỷ trực, phân bố bùn cát theo độ sâu, yêu cầu của số liệu và tình hình dòng chảy lúc đo đạc

Vị trí các điểm đo và độ sâu thích hợp khi dùng các loại phương tiện máy móc khác nhau được thể hiện như bảng (5-3)

Bảng 5-3 Độ sâu thích hợp cho phương pháp tích điểm

1 điểm 0.5 <0.75 <1.50

Vị trí điểm lấy mẫu phải trùng với vị trí điểm đo lưu tốc trừ trường hợp lấy mẫu 1 điểm tại 0,5h Nếu số điểm đo lưu tốc trên một thuỷ trực nhiều hơn số điểm lấy mẫu bùn cát thì các điểm lấy mẫu bùn cát cũng chỉ áp dụng theo bảng (5-3)

Máy lấy mẫu theo phương pháp này là kiểu ngang, kiểu chai (có nút) hoặc máy chân

không

b Lấy mẫu theo phương pháp tích phân (tích sâu)

Việc lấy mẫu theo phương pháp tích phân có thể lấy một lần từ đáy lên mặt hoặc cả hai lần xuống và lên Máy lấy mẫu theo phương pháp này là kiểu chai hoặc máy chân không Khi lấy mẫu theo phương pháp 1 lần lên thì hai vòi của máy kiểu chai cần có nút đóng mở khi cần thiết

Lấy mẫu theo phương pháp tích phân cần chú ý:

- Khi di chuyển máy lấy mẫu phải kéo với tốc độ đều và không vượt quá 1/3 lưu tốc bình quân thuỷ trực

- Mẫu nước không được lấy đầy chai, thường bằng từ 80-90% thể tích chai Nếu kéo chai lên mà nước đã vào đầy chai thì cần lấy lại mẫu khác

- Khi lấy mẫu bằng máy chân không thì cần căn cứ vào phạm vi sử dụng của máy

c Lấy mẫu theo phương pháp hỗn hợp trên thuỷ trực

Theo phương pháp này thì mẫu nước lấy tại các điểm khác nhau trên thuỷ trực có thể tích theo một tỷ lệ nhất định, hỗn hợp mẫu nước tại các điểm đo thành 1 mẫu nước cho mỗi thuỷ trực ở đây có thể lấy mẫu bằng máy kiểu chai, máy kiểu ngang hoặc máy chân không

Tỷ lệ mẫu nước tại các điểm có thể dựa theo độ sâu hoặc theo giá trị lưu tốc tại các

điểm

- Theo độ sâu thì thể tích mẫu nước được xác định theo tỷ lệ sau: 2/1/1 và 1/1, tỷ lệ 2/1/1 tức là thể tích nước mẫu tại điểm 02h là 2 phần thì thể tích mẫu tại mỗi điểm 0,6h và 0,8h là 1 phần Tỷ lệ 1/1 tức là thể tích nước mẫu tại điểm 0,2h và 0,6h bằng nhau

Vị trí các điểm đo của phương pháp hỗn hợp tỷ lệ theo độ sâu như bảng (5-4)

Bảng 5-4 Độ sâu điểm đo theo phương pháp lấy mẫu hỗn hợp

Độ sâu thích hợp (m) Phương pháp Vị trí điểm đo

- Theo giá trị lưu tốc của phương pháp đo 2 điểm hoặc 3 điểm thì thể tích nước mẫu tại các điểm tỷ lệ thuận với giá trị lưu tốc tại điểm đó

Sai số thể tích mẫu cho phép tại các điểm không quá 10% thể tích quy định

d Lấy mẫu nước theo phương pháp hỗn hợp trên mặt cắt ngang

Theo phương pháp này thì mẫu nước lấy tại các thuỷ trực trên mặt cắt ngang được đổ chung thành một mẫu Kết quả sau khi tính toán sẽ cho ta lượng ngậm cắt bình quân mặt ngang

Phương pháp này chỉ áp dụng với điều kiện lượng ngậm cát nhỏ hơn 20g/m3 (cân 1/1000g), khi lũ lên xuống nhanh việc lấy mẫu cùng lúc với đo lưu lượng gặp khó khăn hoặc khi đo lưu tốc từ các công trình đo đạc không thuận tiện cho việc lấy mẫu

2 Lấy mẫu nước đại biểu

Việc đo lưu lượng bùn cát trên toàn mặt ngang khá phức tạp và tốn kém Để giảm bớt

số lần lấy mẫu trên mặt cắt ngang ta có thể chỉ lấy mẫu trên thuỷ trực đại biểu Việc lấy mẫu nước đại biểu có thể dùng một trong các phương pháp và máy lấy mẫu đã trình bày Trường hợp lượng ngậm cát tại 1 điểm nào đó trên thuỷ trực đại biểu có quan hệ chặt với lượng ngậm cát bình quân mặt ngang thì chỉ cần lấy mẫu nước đại biểu tại điểm đó Máy lấy mẫu nước đại biểu phải thống nhất với máy lấy mẫu nước trên toàn mặt ngang khi xây dựng quan hệ (ρmn ∼ρđb)

Khi mẫu nước đại biểu lấy tại 2 thuỷ trực đại biểu thì có thể hỗn hợp thành 1 mẫu để xử

Phương pháp này thích hợp khi lượng ngậm cát tương đối lớn

Để xác định khối lượng bùn cát trước tiên ta xác định dung tích mẫu nước, cho mẫu nước vào thùng hoặc chai để lắng Thời gian để lắng phụ thuộc vào tốc độ lắng chìm của bùn cát

Các dụng cụ lọc mẫu: Chai đựng nước mẫu (sau khi đã gạn nước trong), giấy lọc và phễu Giấy lọc là một loại giấy chuyên dùng cần bảo đảm các tiêu chuẩn: Dày, dai, cát mịn không lọt qua, không có chất hoà tan vào nước, sau khi sấy khô ít hút ẩm, lọc nhanh vv

- Lọc xong đưa giấy lọc có chứa bùn cát vào sấy (sấy bằng điện, bằng hơi, bằng than ), khi sấy cần duy trì nhiệt độ 105oC, thời gian sấy khoảng 3-5giờ

- Sau khi sấy xong cần để mẫu bùn cát vào bình hút ẩm cho nguội rồi mới cân

- Việc xác định khối lượng bùn cát của mẫu phải dùng cân tiểu ly có độ chính xác 1/10000g hoặc 1/1000g, đọc kết quả tới 0,0001g hoặc 0,001g

2 Phương pháp sấy khô

Nội dung của phương pháp sấy khô mẫu bao gồm:

- Xác định dung tích mẫu nước

- Để lắng, hút bớt nước trong

- Cho mẫu vào cốc và sấy khô ở 1050C sau đó để nguội

- Cân để xác định khối lượng bùn cát trong mẫu

Theo phương pháp này có thể cần phải hiệu chỉnh chất hoà tan, nhất là đối với trường hợp lượng ngậm cát nhỏ Để xác định hàm lượng chất hoà tan có thể lấy nước trong hút từ mẫu nước ra cho vào cốc, sấy khô và cân

Hàm lượng chất hoà tan tính theo công thức:

VWΔ

=

Trong đó :

α : Hàm lượng chất hoà tan (g/cm3)

V : Dung tích nước trong đã dùng để xác định hàm lượng chất hoà tan (cm3)

W

Δ : Khối lượng chất hoà tan (g)

Khi có xét tới ảnh hưởng của chất hoà tan, khối lượng bùn cát của mẫu được tính theo