Giáo trình đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn - Chương 7 pps

Xét tổng thể với số liệu đo và tính các đặc trưng nêu trên có thể phản ánh được quá trình diễn biến của mực nước tại trạm đo trong năm và số liệu này có thể sử dụng cho các yêu cầu khai

Chương VII

Chỉnh lý số liệu mực nước vμ nhiệt độ nước

Đ7-1 Mục đích, nhiệm vụ của công tác chỉnh lý số liệu

thủy văn nói chung

I Tình trạng của tài liệu thủy văn thực đo :

• Trong các yếu tố thủy văn có yếu tố đo đạc, quan sát đơn giản có thể đo đạc được

liên tục (1) hoặc đo được tại từng thời điểm cách đều nhau (1) theo qui định như mực nước,

nhiệt độ nước v.v Còn có những yếu tố đo đạc phức tạp, tốn thời gian và công sức như lưu

lượng nước, lưu lượng bùn cát, mặt cắt ngang thì chỉ có thể đo được tại các thời điểm rời

rạc không qui luật (2) chỉ có tính đại biểu cho quá trình thay đổi của yếu tố đó

• Trong đo đạc và tính toán số liệu thực đo còn có sai số do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra như máy móc, thiết bị đo có sai số, do chủ quan của con người, do điều kiện thiên nhiên v.v

Vì vậy tài liệu thực đo chưa thể sử dụng được mà phải qua công tác “chỉnh lý tài liệu”

II Mục đích, nhiệm vụ của công tác chỉnh lý số liệu thủy văn :

• Thiết lập các quan hệ vật lý giữa các yếu tố (1) và các yếu tố (2), từ yếu tố (1) sẽ kéo dài, bổ sung để các yếu tố (2) trở thành liên tục hoặc đáp ứng được yêu cầu đề ra

• Trong quá trình chỉnh lý còn phát hiện ra các sai số của tài liệu thực đo và dùng các phương pháp khác nhau để hiệu chỉnh lại những số liệu sai đó

• Tính toán các tài liệu đặc trưng như trị số bình quân, lớn nhất, nhỏ nhất thời đoạn, thống kê chúng dưới dạng biểu, bảng, biểu đồ để tiện lưu trữ và sử dụng

• Công tác chỉnh lý tài liệu thủy văn phải dựa trên cơ sở tài liệu thực đo có độ tin cậy nhất định Các phương pháp chỉnh lý phải dựa trên các mối quan hệ giữa hai hoặc nhiều yếu

tố Các quan hệ đó phải có cơ sở vật lý và hợp lôgíc Tài liệu được bổ sung, kéo dài, sửa chữa và tính toán phải có độ chính xác cần thiết, mới sử dụng được

Đ7-2 Tóm tắt nội dung chỉnh lý số liệu mực nước

Chỉnh lý số liệu mực nước được thực hiện khi kết thúc một năm đo đạc Nếu đơn vị thời gian tính theo năm thủy văn (từ đầu mùa lũ năm trước tới cuối mùa kiệt năm kế tiếp) thì

sẽ rất thuận lợi cho việc phân tích, nhận xét kết quả đo đạc, tuy nhiên không thuận lợi cho công tác quản lý hành chính, do đó thường chọn thời gian tính toán theo năm dương lịch

Số liệu sau mỗi năm đo mực nước gồm có :

• Mực nước đo hàng giờ trong năm (từ 1-I đến 31-XII)

• Mực nước bình quân ngày (tính từ mực nước đo hàng giờ)

• Mực nước đặc trưng cao nhất (Hmax), thấp nhất (Hmin) trong từng tháng, trong năm và mực nước bình quân năm ( H năm)

Xét tổng thể với số liệu đo và tính các đặc trưng nêu trên có thể phản ánh được quá trình diễn biến của mực nước tại trạm đo trong năm và số liệu này có thể sử dụng cho các yêu cầu khai thác lợi dụng nguồn nước

Tuy nhiên với mục đích đã nêu ở tiết (7-1), số liệu mực nước thực đo vẫn phải thông qua chỉnh lý mới đáp ứng đầy đủ yêu cầu sử dụng

Chỉnh lý số liệu mực nước gồm các nội dung sau :

1) Tính bổ sung mực nước bình quân ngày ( H ngày) nếu vì lý do nào đó không đo

được Hgiờ để đủ tính toán

2) Tính bổ sung mực nước cao nhất (Hmax) thấp nhất (Hmin) trong năm nếu vì lý do nào đó không đo được hoặc đo được nhưng không phản ảnh đúng điều kiện tự nhiên (do xảy

ra vỡ đê, phân lũ, chặn dòng làm dâng nước v.v )

3) Kiểm tra phát hiện sai số trong đo đạc và tính mực nước

4) Thuyết minh về chất lượng số liệu

Đ7-3 Tính bổ sung mực nước bình quân ngμy vμ cực trị

I Bổ sung mực nước bình quân ngày

Trong trường hợp ngày nào đó không đo được mực nước giờ hoặc có đo nhưng số lần

đo ít hoặc phân bố không hợp lý, không đủ cơ sở để tính mực nước bình quân ngày, có thể tính bổ sung theo những phương pháp sau :

1 Phương pháp nội suy

H ngày(trước) + H ngày(sau)

H ngày(thiếu) =

2 Trong đó : H ngày(thiếu) là mực nước bình quân ngày đo thiếu

H ngày(trước-sau) là mực nước bình quân của ngày trước và sau liền

kề với ngày đo thiếu

Không nên sử dụng phương pháp nội suy khi thiếu số liệu quá hai ngày liên tiếp

Phương pháp này thích hợp trong mùa kiệt, cũng có thể sử dụng cho mùa lũ nếu trong ngày đo thiếu mực nước chỉ thay đổi một chiều (tăng dần hoặc giảm dần) Vấn đề này có thể xem xét qua số liệu mực nước của trạm phía trên hoặc dưới trong cùng hệ thống sông

2 Phương pháp tương quan mực nước bình quân ngày

Sử dụng số liệu H ngày của trạm cần bổ sung lập tương quan với mực nước H ngày tương ứng của trạm phía trên (thượng lưu) hoặc phía dưới (hạ lưu) cùng trong hệ thống sông

H ngày (trạm bổ sung) ~ H ngày (trạm trên, dưới) Căn cứ sai số tương quan để xét chọn và sử dụng tương quan nào tốt hơn Từ số liệu

H ngày trên, dưới sẽ có H ngày thiếu

Phương pháp này có thể sử dụng cho cả mùa kiệt và mùa lũ với mực nước thay đổi đa dạng (ảnh hưởng triều)

II Tính bổ sung mực nước cực trị (H max , H min )

Trong trường hợp công trình đo, máy tự ghi có sự cố, hoặc do điều kiện thời tiết (bão,

lũ lớn) không thể đo được mực nước cực trị, hoặc đo được nhưng không chính xác, không phản ánh đúng điều kiện tự nhiên có thể sử dụng phương pháp tương quan để tính bổ sung, hiệu chỉnh

Căn cứ số liệu đo trong nhiều năm của các trạm đo trên cùng hệ thống sông bao gồm trạm cần bổ sung và trạm phía trên, phía dưới để lập tương quan

Hmax (trạm bổ sung) ~ Hmax (trạm trên, dưới)

Hmin (trạm bổ sung) ~ Hmin (trạm trên, dưới) Trong đó các trị số Hmax, Hmin là những mực nước cực trị tương ứng trạm trên, trạm dưới Có thể chọn cực trị tương ứng từng trận lũ, từng chu kỳ triều hoặc chọn cực trị tương ứng trong năm (cao nhất, thấp nhất trong năm)

12 14 16 18 20 22

Xuân Khánh

(m)

(m)

5

Hình 7-1 Biểu đồ tương quan mực nước lớn nhất giữa Bái Thượng và Xuân Khánh (1964-1995)

Trên hình (7-1) là tương quan mực nước cao nhất trong từng năm (Hmax-năm) của hai trạm Bái Thượng (phía trên) và Xuân Khánh (phía dưới) trên sông Chu - Thanh Hóa

Sử dụng tương quan này tính được mực nước cao nhất của trạm Xuân Khánh năm 1996

là 14,70m ứng với mực nước cao nhất Bái Thượng năm 1996 là 21,40m

Năm 1996 lũ lớn trên sông Chu xuất hiện vào ban đêm, trạm Xuân Khánh bị gẫy thước nước nên không đo được mực nước cao nhất trong năm

Đ7-4 Kiểm tra phát hiện sai số

Phương pháp kiểm tra thông dụng là so sánh, phân tích dạng đường quá trình mực nước của nhiều trạm đo trên cùng hệ sông, đối chiếu với các tính chất thay đổi mực nước để phát hiện sai số Do đó căn cứ số liệu mực nước đo hàng giờ vẽ đường quá trình mực nước (Hgiờ ~t) của nhiều trạm trên cùng biểu đồ làm cơ sở kiểm tra

Để dễ phân tích, nhận xét, nên vẽ tỷ lệ mực nước không nhỏ dưới 1/20 và tỷ lệ thời gian không nhỏ hơn mức 1mm ≈ 2 giờ Trên thực tế thường chỉ vẽ đường quá trình mực nước trong mùa lũ (mùa kiệt mực nước dao động nhỏ, đo đạc thuận lợi, xác suất phạm sai số nhỏ)

Quan sát biểu đồ tổng hợp nhiều đường quá trình mực nước của nhiều trạm đo trong năm cho thấy diến biễn tổng quát của mực nước theo thời gian trong năm và theo không gian từ thượng lưu đến hạ lưu sông

Trên hình (7-2) thể hiện sự thay đổi mực nước trong trận lũ từ 14 ữ29 tháng VIII/1971 của ba trạm đo trên sông Lô lần lượt từ thượng lưu xuống hạ lưu là Tuyên Quang - Đoan Hùng - Phù Ninh

Phân tích, so sánh ba đường quá trình mực nước của ba trạm đo nêu trên có thể nhận biết tình hình diễn biến lũ từ Tuyên Quang về Phù Ninh và qua đó mà đánh giá chất lượng

đo mực nước của từng trạm

Tiêu chí để phân tích, nhận xét đánh giá số liệu mực nước là dựa theo các tính chất chung và tính chất đặc biệt của sự thay đổi mực nước trong sông mà các tính chất đó được thể hiện trên dạng đường quá trình mực nước

Đ7-5 Tính chất chung của sự thay đổi mực nước sông

Tính chất thay đổi mực nước sông tùy thuộc chủ yếu vào nguồn cấp nước (mưa lũ hoặc thủy triều) và điều kiện địa hình lưu vực, địa hình lòng sông

Ngoài ra còn chịu tác động bởi hoạt động của con người như vận hành nhà máy thủy

điện, mở cống xả lũ, v.v Có thể khái quát một số tính chất chung của thay đổi mực nước sông như sau :

I Tính chất đổi dần

Quá trình thay đổi mực nước trong một trận lũ, trong một chu kỳ triều theo trình tự sau: Nước đứng (dH/dt = 0 ứng với chân lũ, chân triều trước),

Nước lên (dH/dt > 0 ứng với nhánh lũ, nhánh triều lên),

Nước đứng (dH/dt = 0 ứng với đỉnh lũ, đỉnh triều),

Nước rút (dH/dt < 0 ứng với nhánh lũ xuống, triều xuống),

Nước đứng (dH/dt = 0 ứng với chân lũ, chân triều sau)

Hình 7-2 Biều đồ quá trình mực nước H=ƒ(t)

Thời gian từng giai đoạn dài, ngắn tùy thuộc đặc điểm lũ, đặc điểm triều từng vùng nhưng tính chất chung nhất là quá trình chuyển tiếp từ nước dâng sang nước rút hoặc ngược lại bao giờ cũng có giai đoạn nước đứng Vì vậy đường quá trình mực nước là đường cong liên tục đổi dần không có bước nhảy đột biến

II Tính chất điều tiết

Do tác động điều tiết của lưu vực và điều tiết của lòng sông (vừa trữ nước vừa thoát nước) nên sóng lũ, sóng triều bị biến dạng theo dọc sông Sự biến dạng đó thể hiện như sau: Xét trong từng trận lũ, từng chu kỳ triều cho thấy thời gian lũ lên luôn ngắn hơn thời gian lũ xuống và cũng tương tự với thời gian triều lên và xuống

Cùng một trận lũ nhưng biên độ lũ (chênh lệch đỉnh lũ - chân lũ) giảm dần và thời gian

lũ tăng dần theo hướng truyền sóng lũ từ nguồn sông về hạ lưu

Cùng một chu kì triều nhưng biên độ triều (chênh lệch đỉnh và chân triều) giảm dần theo hướng truyền sóng triều từ cửa sông về phía thượng lưu còn thời gian chu kỳ triều không đổi Tính chất điều tiết ổn định khi khu giữa hai trạm không có phân, nhập lưu lớn

III Tính chất tương ứng lệch pha

Sóng lũ truyền theo dọc sông tạo nên sự thay đổi mực nước tương ứng từ nguồn sông về hạ lưu Vì vậy dạng đường quá trình mực nước của các trạm đo từ phía nguồn về hạ lưu có

xu thế thay đổi tương ứng nhưng lệch pha, có nghĩa thời điểm xuất hiện chân lũ, đỉnh lũ của trạm phía hạ lưu luôn xuất hiện tương ứng sau chân, sau đỉnh của trạm phía thương lưu Khoảng thời gian lệch chân, lệch đỉnh đó gọi là thời gian truyền lũ và trong thời gian đó mực nước phía thượng lưu và hạ lưu thay đổi lệch pha, có nghĩa mực nước phía thượng lưu

đã chuyển sang nhánh xuống nhưng mực nước phía hạ lưu vẫn đang ở nhánh nước lên hoặc ngược lại

Đối với sóng triều truyền theo hướng từ cửa sông về phía thượng lưu vì vậy mực nước thay đổi tương ứng và lệch pha ngược với sóng lũ, có nghĩa chân và đỉnh triều trạm phía thượng lưu luôn xuất hiện sau chân và đỉnh triều của trạm hạ lưu gần cửa sông Khoảng thời gian lệch đỉnh, lệch chân gọi là thời gian truyền triều và trong thời gian đó xu thế thay đổi mực nước phía thượng lưu và cửa sông lệch pha

IV Tính chất chênh lệch

Nước chảy trong lòng sông là do có chênh lệch mực nước theo chiều dọc sông Do đó mực nước của các trạm đo theo chiều nước chảy sẽ thấp dần, có nghĩa đường quá trình mực nước của các trạm trên cùng hệ sông không bao giờ cắt nhau nếu vẽ cùng một mặt chuẩn, cùng thời gian, cùng tỷ lệ

Tuy nhiên đối với vùng sông ảnh hưởng triều mạnh có hiện tượng đổi hướng từ chảy xuôi (nguồn về cửa sông) sang chảy ngược (cửa sông lên thượng lưu) và ngược lại Vì vậy chênh lệch mực nước cũng luôn đổi chiều, khi dòng triều lên (chảy ngược) mực nước trạm

đo phía cửa sông cao hơn mực nước phía thượng lưu (xét trong đoạn sông có hướng chảy ngược) khi dòng triều xuống sẽ có chênh lệch ngược lại Hiện tượng này cũng xảy ra tương

tự đối với nước vật

Trong trường hợp này đường quá trình mực nước của các trạm ảnh hưởng triều mạnh sẽ cắt nhau nếu vẽ cùng mặt chuẩn Tại thời điểm hai đường quá trình mực nước cắt nhau chính là thời điểm chuyển triều (Q = 0 vì không có chệnh lệch mực nước)

Đ7-6 Tính chất đặc biệt của sự thay đổi mực nước sông

Tính chất đặc biệt là chỉ những tính chất xuất hiện trong điều kiện địa hình sông, điều kiện thời tiết khác biệt so với dạng chung - dạng phổ biến

I Tính chất thay đổi gấp

Tính chất này thể hiện trên đường quá trình mực nước có những bước nhảy đột biến khi chuyển từ pha nước dâng sang pha nước rút hoặc ngược lại, có nghĩa chuyển tiếp bỏ qua giai

đoạn nước đứng (dH/dt = 0) Tính chất này chỉ xuất hiện trên đoạn sông mà mực nước chịu

ảnh hưởng của sự vận hành nhà máy thủy điện, vận hành cống ngăn triều, cống xả lũ hoặc hiện tượng vỡ đê

Hình 7-3 thể hiện các tính chất chung của sự thay đổi mực nước sông

II Tính chất điều tiết yếu

Thông thường lòng sông có dạng mở rộng dần từ nguồn sông tới cửa sông Tuy nhiên

do điều kiện địa chất, địa hình cục bộ hình thành lòng sông có dạng thu hẹp tại một vị trí

nào đó Với đoạn sông thu hẹp khả năng thoát lũ chậm, tạo nên hiện tượng nước dâng (dồn ứ) vì vậy biên độ lũ tại đoạn sông này lớn hơn biên độ lũ đoạn sông phía thượng lưu

Tương tự như vậy với đoạn sông thu hẹp ở gần cửa sông, khi sóng triều tới đoạn này cũng tạo nên vùng nước dâng làm cho biên độ triều tại đoạn sông thu hẹp lớn hơn biên độ triều phía cửa sông

Những tính chất thay đổi trên có chiều hướng ngược lại tính chất điều tiết nên gọi là

điều tiết yếu

Hình 7-4 Dạng đường quá trình mực nước không tương ứng

III Tính chất không tương ứng

Trên hệ thống sông gồm nhiều sông nhánh lớn nhập lưu, khi lũ của các nhánh lệch pha

có thể phá vỡ tính chất tương ứng mực nước và hình thành dạng lũ tổ hợp có thời gian nước lên dài hơn thời gian nước xuống

Tại đoạn sông tiếp giáp giữa hai vùng ảnh hưởng triều và không ảnh hưởng triều cũng xảy ra hiện tượng không tương ứng của mực nước Với đoạn sông không dài mà phía thượng lưu mực nước dao động theo dạng lũ thuần túy còn phía hạ lưu lại dao động theo cả dạng lũ

và dạng triều

Đ7-7 Nhận dạng sai số vμ cách xử lý

Sai số của mực nước thực đo hàng giờ (Hgiờ) có thể chia ra hai loại sau :

Sai số chủ quan gồm : đo sai (đọc trên thước nước), tính sai (cộng, trừ số đọc với cao trình thước nước), sao chép sai, dẫn cao độ sai, ghi sai số hiệu cọc, thuỷ chí

Sai số khách quan gồm có : Công trình đo, thước nước có sự cố (lún, nghiêng v.v ), máy tự ghi vận hành không tốt, thời tiết không thuận lợi (bão, lũ lớn )

Phân tích dạng đường quá trình mực nước giờ và đối chiếu với tính chất thay đổi mực nước có thể nhận dạng những sai số thường gặp dưới đây:

Nếu trên đường quá trình mực nước xuất hiện hai bước nhảy liên tiếp (lên - xuống hoặc ngược lại) mà đoạn sông đo không có công trình thủy lợi lớn vận hành, có thể kết luận mực nước giờ tại thời điểm giữa hai bước nhảy đó sai do nguyên nhân đo, tính hoặc sao chép Sở

dĩ có thể kết luận như trên vì hiện tượng đo, tính hoặc sao chép sai thường xảy ra tại những thời điểm ngẫu nhiên không liên tục Trường hợp này loại bỏ mực nước giờ sai và tính lại mực nước bình quân ngày theo chế độ đo không đều giờ (vì loại bỏ giờ sai) Nếu mực nước giờ đo sai trùng với thời điểm xuất hiện mực nước cực trị (cao nhất - thấp nhất) phải tính bổ sung và sau đó tính lại H ngày (phương pháp bổ sung xem tiết 7-3)

Nếu dạng đường quá trình mực nước xuất hiện hai bước nhảy gián đoạn mà trong thời

đoạn giữa hai bước nhảy đó tính chất tương ứng trạm trên, dưới không bị phá vỡ, chứng tỏ mực nước giờ giữa hai bước nhảy có sai số do dẫn cao độ hoặc ghi sai số hiệu thước nước Khi dẫn sai cao độ hoặc ghi sai số hiệu cọc (thuỷ chí) sẽ tạo sai số cố định và xuất hiện liên tiếp trong nhiều giờ nên đường quá trình mực nước có dạng như nêu trên Trường hợp này chỉ cần hiệu chỉnh trị số mực nước giờ sai sẽ có trị số đúng (Hđúng = Hsai ± sai số cố định)

và tính lại H ngày

Đ7-8 Tổng hợp số liệu vμ xác định trị số đặc trưng

Số liệu mực nước trung bình ngày được thống kê theo dạng bảng (7-1) để tiện lưu trữ

và sử dụng Các trị số đặc trưng cao nhất, thấp nhất được chọn từ số liệu thực đo tức thời (không phải bình quân lớn nhất nhỏ nhất)

Ngoài ra có thể tổng hợp số liệu mực nước trung bình ngày theo dạng biểu đồ quá trình mực nước bình quân ngày (hình 7-5) hoặc đường luỹ tích mực nước

Bảng 7-1 Mực nước bình quân ngày Sông Năm Trạm

Đơn vị cm Độ cao mốc chính tuyệt đối Giả định

Tháng

Ngày

1

2

3

4

5

27

28

29

30

31

Bình quân

Lớn nhất

Ngày

Nhỏ nhất

Ngày

Đặc trưng Mực nước cao nhất ngày tháng Thấp nhất ngày tháng Năm Mực nước trung bình Chênh lệch mực nước

Ký hiệu + Trị số hiệu chỉnh = Trị số khả nghi Trị số bổ sung