Giáo trình đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn - Chương 9 doc

Yêu cầu về số liệu thực đo • Số liệu mực nước cần phải đo theo chế độ 24 lần trong ngày và liên tục trong năm • Số liệu lưu lượng cần có 40-100 lần đo trong năm và có thể đo theo phương

Chương IX

Chính lý số liệu lưu lượng nước vùng sông ảnh hưởng triều

Vùng sông ảnh hưởng triều kể từ cửa sông giáp biển tới ranh giới vùng sông ảnh hưởng

lũ thuần túy Ranh giới này luôn thay đổi tùy thuộc cường độ triều và cường độ lũ

Tên gọi vùng sông ảnh hưởng triều chưa thể hiện đúng thực chất của chế độ thủy văn vùng này Thật vậy, vùng sông không ảnh hưởng triều chỉ chịu tác động thuần túy mưa lũ, nhưng vùng sông ảnh hưởng triều luôn luôn chịu tác động đồng thời của hai nguồn nước là mưa lũ và thủy triều (kể cả trong mùa kiệt vẫn có lượng nước thượng lưu chảy ra biển)

Do đó chế độ thủy văn vùng triều thực chất là chế độ thủy văn phức hợp của mưa lũ và thủy triều

(Xem thêm tiết Đ4-4 mục I chương IV)

Đ9-1 Phân loại ảnh hưởng triều

Để dễ dàng cho công việc chỉnh lý số liệu lưu lượng có thể chia mức độ ảnh hưởng triều thành ba loại sau : ảnh hưởng triều yếu, ảnh hưởng triều trung bình và ảnh hưởng triều mạnh, mỗi mức độ ảnh hưởng có đặc điểm thủy văn thủy lực khác nhau và cách chỉnh lý khác nhau Loại ảnh hưởng triều trung bình xảy ra vào thời gian giao nhau giữa hai thời kỳ

ảnh hưởng triều mạnh và ảnh hưởng triều yếu, do đó việc phân thêm thời kỳ triều trung bình nhằm mục đích vận dụng phương pháp chỉnh lý lưu lượng phù hợp cho các thời kỳ trong năm

I ảnh hưởng triều yếu

1 Chế độ mực nước

• Mùa lũ dao động theo dạng lũ thuần túy (theo quy luật mưa lũ)

• Mùa kiệt mực nước dao động theo dạng triều (lên xuống theo chu kỳ ngày và chu kỳ nửa tháng theo tuần trăng nhưng biên độ nhỏ)

2 Chế độ lưu lượng

Hướng chảy mùa lũ và mùa kiệt theo một chiều từ nguồn ra phía cửa sông (chảy xuôi)

II ảnh hưởng triều trung bình

1 Chế độ mực nước

Cả mùa lũ và mùa kiệt đều dao động theo dạng triều

2 Chế độ lưu lượng

• Mùa lũ hướng chảy một chiều từ nguồn ra cửa sông (chảy xuôi)

• Mùa kiệt hướng chảy hai chiều (ngược và xuôi) xen kẽ trong từng chu kỳ triều

III ảnh hưởng triều mạnh

1 Chế độ mực nước

Cả mùa lũ và kiệt đều dao động theo dạng triều

2 Chế độ lưu lượng

Cả mùa lũ và kiệt đều có hướng chảy hai chiều xen kẽ trong từng chu kỳ triều

Đ9-2 Chỉnh lý lưu lượng nước khi ảnh hưởng triều yếu

I Yêu cầu về số liệu thực đo

• Số liệu mực nước cần phải đo theo chế độ 24 lần trong ngày và liên tục trong năm

• Số liệu lưu lượng cần có 40-100 lần đo trong năm và có thể đo theo phương thức đo chậm (sử dụng một máy lưu tốc và một thuyền đo lần lượt từng thủy trực) như vùng không

ảnh hưởng triều Số liệu này thống kê theo dạng bảng (8-1)

II Nội dung chỉnh lý số liệu lưu lượng

Căn cứ số liệu mực nước và lưu lượng thực đo (mục 1) tiến hành thực hiện các nội dung sau :

1 Tính lưu lượng giờ ứng với mực nước giờ

2 Tính lưu lượng bình quân ngày (365 hoặc 366 trị số)

3 Tính đặc trưng dòng chảy năm gồm Qnăm, Wnăm, Qmax và Qmin (không tính lớp dòng chảy - ynăm và mô đuyn dòng chảy năm Mnăm vì đối với vùng triều những đặc trưng này không có ý nghĩa thực dụng)

4 Kiểm tra tính hợp lý - tổng hợp số liệu, thuyết minh và gửi lưu trữ

III Phương pháp tính lưu lượng giờ

Đối với trạm ảnh hưởng triều yếu có thể tính lưu lượng giờ ứng với mực nước giờ theo chỉ dẫn sau :

1 Mùa kiệt

Hướng chảy xuôi nhưng do ảnh hưởng triều hình thành vùng nước dâng phía hạ lưu, do

đó sử dụng quan hệ mô đuyn lưu lượng ~ mực nước (H)

Các nội dung tiếp theo như tính lưu lượng bình quân ngày, tính đặc trưng dòng chảy năm thực hiện tương tự phần Q = f(H) ổn định (xem tiết Đ8-2-II và Đ8-2-III)

Đ9-3 Chỉnh lý lưu lượng nước khi ảnh hưởng triều mạnh

Do đặc điểm thủy văn, thủy lực vùng ảnh hưởng triều mạnh khác biệt với vùng thuần túy ảnh hưởng mưa lũ, mặt khác các biện pháp khai thác, lợi dụng nguồn nước vùng triều cũng có những đặc điểm riêng, do đó nội dung công tác chỉnh lý số liệu lưu lượng nước vùng triều không giống như vùng ảnh hưởng lũ thuần túy

I Sơ lược đặc điểm thủy văn vùng triều mạnh

1 Hướng chảy

Cả mùa lũ và mùa kiệt đều có hướng chảy hai chiều (ngược và xuôi) trong từng chu kỳ triều kể cả những ngày triều kém hoặc những ngày lũ cao

2 Quan hệ tương quan lưu lượng ~ mực nước

Lưu lượng nước và mực nước vùng triều mạnh có quan hệ rất phức tạp Quan hệ này

được biểu thị bằng hệ phương trình dòng không ổn định Tuy nhiên thông qua hệ phương trình này cũng khó chỉ ra một dạng nào có tính chất định lượng cụ thể (đồng biến, nghịch biến, nhanh dần, chậm dần v.v ) mà chỉ có thể nhận biết có tính chất định tính là lưu lượng nước thay đổi phụ thuộc sự dao động của độ dốc mặt nước (Htrên - Hdưới), mực nước đỉnh triều (Hđỉnh), mực nước chân triều (Hchân) và biên độ triều lên, xuống (Hđỉnh - Hchân)

II Yêu cầu về số liệu thực đo

Để có đủ số liệu đáp ứng cho công tác chỉnh lý lưu lượng nước, yêu cầu cần có số liệu thực đo mực nước và lưu lượng nước như các chế độ đã trình bày ở Đ2-2 và Đ4-7

1 Mực nước

Cần có số liệu đo theo chế độ 24 giờ/ ngày trong cả năm

H×nh 9-1a Qu¸ tr×nh mùc nưíc triÒu trong th¸ng

H×nh 9-1b Qu¸ tr×nh mùc nưíc vµ lưu lưîng triÒu tư¬ng øng

triều cường, triều trung bình, triều kém Trong một năm có 15 ngày đo thuộc mùa kiệt và 15 ngày đo trong mùa lũ

Ngoài yêu cầu về số lượng nêu trên, số liệu phải được đo theo phương thức tức thời, có nghĩa dùng nhiều máy lưu tốc đo đồng thời trên các thủy trực toàn mặt cắt ngang hoặc sử dụng phương tiện đo tức thời hiện đại khác (ADCP)

Mỗi lần đo sẽ có trị số lưu lượng tức thời và tính được các số liệu tương ứng khác gồm: Thời gian dòng triều, tổng lượng triều và lưu lượng bình quân dòng triều, lưu lượng lớn nhất Cách tính số liệu như sau:

a Xác đinh thời gian chuyển dòng triều

• Trường hợp có dòng triều lên (chảy ngược) và dòng triều xuống (chảy xuôi)

- Nếu đo được thời gian nước đứng (v = 0) thì lấy thời điểm đó làm thời gian chuyển dòng triều

- Nếu thời điểm đo lưu lượng không trùng vào thời điểm nước đứng thì có thể nội suy trên đường quá trình lưu lượng, hoặc xác định thời điểm nước đứng bằng công thức nội suy sau đây:

Chuyển dòng triều xuống: tCX = tN + Δt = tN + N

X N

N

QQ

tt+

ư

(9-1)

Chuyển dòng triều lên: tCN = tX + Δt = tX + x

N x

x

QQ

tt+

ư

Trong đó:

QN,QX - Lưu lượng triều lên (chảy ngược), xuống (chảy xuôi)

tCN, tCX - thời điểm chuyển dòng triều lên, xuống (giờ, phút)

Δt - khoảng thời gian từ lúc xuất hiện lưu lượng triều lên (QN) hoặc triều xuống (QX)

đến thời điểm nước đứng (phút)

tN - thời điểm xuất hiện lưu lượng triều lên kề trước (hoặc sau) nước đứng

tX - thời điểm xuất hiện lưu lượng triều xuống kề trước (hoặc sau) nước đứng

• Trường hợp chỉ có dòng triều chảy xuôi thì thời điểm chuyển dòng triều là thời điểm xuất hiện lưu lượng nhỏ nhất

Nếu thời gian xuất hiện lưu lượng nhỏ nhất kéo dài 2, 3, 4 giờ thì lấy thời điểm ở giữa quãng thời gian kéo dài đó làm thời điểm chuyển dòng triều

b Tính tổng lượng triều

Tổng lượng triều là lượng nước chuyển qua mặt cắt trong quãng thời gian giữa 2 lần chuyển dòng triều kề nhau

Nếu trong thời gian đó thuộc kỳ dòng triều lên thì gọi là tổng lượng triều lên Ký hiệu

là WN Nếu thời gian đó thuộc kỳ dòng triều xuống thì gọi là tổng lượng triều xuống Ký hiệu là WX

Lượng triều được tính theo công thức sau:

)tt(QQ

)tt(QQ)tt(QQW

n n n n

1 1

2 3 3 2 1 2 2 1

2

22

ư

++

ư

++

Nếu WX - WN < 0 thì đó là lượng tháo vào

c Tính lưu lượng nước bình quân dòng triều

- Lưu lượng bình quân dòng triều lên 1N

Trong đó: TN, TX là thời gian dòng triều lên và thời gian dòng triều xuống

Số liệu thực đo ghi theo dạng bảng dưới đây

Với Qgiờ - lưu lượng đo từng giờ Wtổng lượng triều tính theo Qgiờ (ngược-xuôi)

Q - lưu lượng bình quân trong thời đoạn chảy ngược - chảy xuôi

Trong bảng (9-1) là lưu lượng đo từng giờ trong một chu kỳ triều từ 12 giờ đến 24 giờ ngày 5-IV (bán nhật triều 12 giờ)

Biên độ triều lên : 55-16 = 39 (Đỉnh triều - chân trước)

Biên độ triều xuống : 55-4 = 51 (Đỉnh triều - chân sau), Wngược : Tổng lượng triều lên tính từ 12 giờ - 17 giờ ngày 5-IV

Wxuôi : Tổng lượng triều xuống từ 18 giờ - 24 giờ ngày 5-IV

8 , 32 3600 5

10 59 0 t

W Q

6

ợc

ư ng

ợc

ư ng ợc

ư

ì

=

= m3/s là lưu lượng bình quân dòng triều lên

6 , 39 3600 7

10 998 0 t

W Q

6

i

ô xu

i

ô xu i

ô

ì

=

= m3/s là lưu lượng bình quân dòng triều xuống

Bảng 9-1 Số liệu đo lưu lượng dòng triều - Sông Sa Lung

Qgiờ (m 3

/s) Biên độ triều

(cm)

W (10 6

m 3 ) Q (m 3

/s) Qmax (m

3 /s)

Tháng

Ngày

Giờ

H (cm) Ngược Xuôi Lên Xuống Ngược Xuôi Ngược Xuôi Ngược Xuôi IV 5 10 18 36,0

11 16 11,8

12 26 0 39 51 0,590 0,998 32,8 39,6 59,6 65,1 13 38 22,1

14 48 44,0

15 52 59,6

116 55 38,2

17 49 0 Thời điểm ngưng triều lên xuất hiện sau Hmax 1 giờ 18 40 31,0

19 25 56,4

20 22 65,1

21 18 54,0

22 10 42,7

23 4 28,5

24 15 0 Thời điểm ngưng triều xuống sau Hmin - 1 giờ IV 6 1 26 15,3

2 40 36,0 Wngược, Wxuôi tính theo công thức (9-3)

Qmaxngược : lưu lượng triều lên lớn nhất trong chu kỳ (59,6 m3/s)

Qmaxxuôi : lưu lượng triều xuống lớn nhất trong chu kỳ (65,1 m3/s)

Thời điểm 12 giờ (Q = 0) Ngưng triều xuống - xuôi chuyển sang ngược

Thời điểm 17 giờ (Q = 0) Ngưng triều lên - ngược chuyển sang xuôi

Thời điểm 24 giờ (Q = 0) Ngưng triều xuống - xuôi chuyển sang ngược

Từ 12-17 giờ thời gian dòng triều lên, (tn)

Từ 17-24 giờ thời gian dòng triều xuống, (tx)

(Thời gian dòng triều lên, xuống còn gọi chung là lịch thời)

III Trình tự chỉnh lý lưu lượng vùng triều mạnh

Trong công tác chỉnh lý vùng sông không ảnh hưởng triều tính theo thời đoạn “cơ sở” ngày, nhưng vùng ảnh hưởng triều tính theo thời đoạn từng chu kỳ triều, vì tính theo ngày sẽ chia cắt các thời đoạn chảy ngược, chảy xuôi đan xen không đúng với ý nghĩa vật lý

1 Tính lưu lượng bình quân dòng triều lên, dòng triều xuống ( Q ngược, Q xuôi)

Căn cứ số liệu thực đo dạng bảng (9-1) sẽ có ít nhất

15 trị số Q ngược tương ứng với 15 trị số biên độ triều lên : Al

tương tự 15 trị số Q xuôi tương ứng 15 trị số biên độ triều xuống : Ax

(Nếu đo được nhiều hơn 15 chu kỳ sẽ có nhiều số liệu)

Với số liệu nêu trên dựng quan hệ tương quan :

Hình 9-2b.

Sai số tương quan được xét như sau : Nếu có ít nhất 4/5 tổng số điểm tương quan phân

bố trong giới hạn sai số ± 15% so với đường trung bình có thể coi đạt yêu cầu

Sử dụng quan hệ tương quan lưu lượng bình quân ~ biên độ triều sẽ tính được,

Q ngược, Q xuôi cho những chu kỳ triều chỉ đo mực nước

Chú ý rằng có thể thay thế tương quan lưu lượng ~ biên độ triều bằng những tương quan khác như Q xuôi = f(Hđỉnh) ; Q xuôi = f(Hchân xuống) hoặc Q ngược = f(Hđỉnh) Vấn đề này tùy từng trạm đo mà xét chọn quan hệ nào cho sai số nhỏ nhất

2 Tính tổng lượng triều lên, tổng lượng triều xuống (Wngược, Wxuôi)

Wngược = Q ngược ì tn Wxuôi = Q xuôi ì tx

Trong đó :

Q ngược , Q xuôi - lưu lượng bình quân dòng triều lên, xuống (đã xác định ở mục 1)

tn, tx thời gian chảy ngược, chảy xuôi tương ứng trong mỗi chu kỳ triều

tn, tx xác định thông qua việc chọn thời điểm ngưng triều

Có thể chọn thời điểm ngưng triều theo quy luật số đông như sau :

Chẳng hạn xét trong 15 chu kỳ triều đã đo lưu lượng cho thấy 9 chu kỳ có thời điểm ngưng triều xuống xuất hiện sau chân triều (Hmin) 1 giờ, còn lại 6 chu kỳ có điểm ngưng triều xuống xuất hiện sau chân triều 2 giờ (ngưng triều xuống khi Qx = 0 và chuyển sang chảy ngược) Vì vậy theo quy luật số đông sẽ chọn thời điểm ngưng triều xuống cố định là 1 giờ sau mực nước chân triều

Tương tự với thời điểm ngưng triều lên (Qngược = 0 chuyển sang chảy xuôi) cho thấy

có 5 chu kỳ điểm ngưng triều lên xuất hiện sau đỉnh triều 2 giờ, còn lại 10 chu kỳ khác

điểm ngưng triều lên xuất hiện sau đỉnh triều 1 giờ

Do đó theo số đông chọn thời điểm ngưng triều lên cố định là sau đỉnh triều 1 giờ Theo kết quả đó lấy thời điểm xuất hiện chân triều (Hmin) đỉnh triều (Hmax) làm mốc

và xác định được thời điểm ngưng triều sau chân triều, đỉnh triều 1 giờ Khoảng thời gian từ ngưng triều xuống (sau Hmin) tới ngưng triều lên kế tiếp (sau Hmax) là tn Khoảng thời gian từ ngưng triều lên tới ngưng triều xuống kế tiếp là tx

Tất nhiên có thể chọn thời điểm ngưng triều theo quan điểm “trung bình” hoặc một cách khác

Theo quy luật nêu trên sẽ xác định được thời gian chảy ngược (tn) và chảy xuôi (tx) cho từng chu kỳ triều và tính được Wngược, Wxuôi tương ứng

3 Tính tổng lượng nước tháo ra (ΔW) trong từng chu kỳ triều

ΔW = Wxuôi - Wngược

Trong đó : ΔW tổng lượng nước tháo ra trong mỗi chu kỳ

Wngược, Wxuôi tổng lượng nước chảy ngược, chảy xuôi trong cùng một chu kỳ triều (đã xác định ở mục 2)

Trường hợp có chu kỳ triều mà Wngược > Wxuôi sẽ không tính lượng tháo ra (vì lượng chảy ngược lớn, chảy xuôi nhỏ - nước được trữ lại tạm thời trong lòng sông)

4 Tính tổng lượng nước tháo ra trong từng mùa (kiệt - lũ)

1

lũ ora

á th ora

á th

kiệt ora

á th

kiệt ora

á th m

ă

Tổng lượng nước tháo ra cả năm bằng tổng lượng tháo ra của mùa kiệt và mùa lũ

Đây là một trong những đặc trưng dòng chảy năm của trạm đo vùng sông ảnh hưởng triều

6 Tính lưu lượng ngược lớn nhất và lưu lượng hướng xuôi lớn nhất

Căn cứ số liệu thực đo dạng bảng (9-1) có từng cặp lưu lượng bình quân ( Q ) và lưu lượng lớn nhất (Qmax) tương ứng của mỗi chu kỳ triều Sử dụng số liệu này lập quan hệ tương quan

( ) x( xu ô i)

i

ô xu max ợc

ư ng n ợc

ư ng

Đồ thị tương quan qua gốc tọa độ ( Q = 0 ; Qmax = 0) và có dạng tuyến tính

Sử dụng tương quan này sẽ xác định được lưu lượng lớn nhất hướng ngược, lớn nhất hướng xuôi cho từng chu kỳ triều và qua đó chọn được Qmax (ngược, xuôi) lớn nhất trong mùa (Số liệu Q ngược, xuôi đã tính ở mục 1)

Những nội dung tính toán từ mục (1) đến (6) được thực hiện riêng cho từng mùa (kiệt

và lũ) theo số liệu đo tương ứng trong mỗi mùa Có thể tham khảo dạng bảng thống kê tính toán (9-2)

Trong bảng (9-2) gồm có :

Biên độ triều lên = Hđỉnh - Hchân trước (Al)

Biên độ triều xuống = Hđỉnh - Hchân sau (Ax)

Lịch thời (ngược) - thời gian chảy ngược kể từ điểm ngưng triều xuống tới ngưng triều lên kế tiếp (tn)

Lịch thời (xuôi) - thời gian chảy xuôi kể từ điểm ngưng triều lên tới ngưng triều xuống

kế tiếp (tx)

Bảng 9-2 Bảng tính đặt trưng dòng triều - Sông Sa Lung (Năm 2000) Biên độ (cm) Lịch thời (10 2

giây) Q

(m 3 /s)

W (10 6

m 3 )

ΔW (10 6

m 3 ) Qmax (m 3

/s)

Lưu lượng bình quân dòng triều (ngược - xuôi)

Qngược tính theo quan hệ tương quan Q ngược = fn(Al)

Qxuôi tính theo quan hệ tương quan Qxuôi = fx(Ax) Tổng lượng nước (ngược - xuôi)

Q tính theo quan hệ Qngmaxược = fn (Qngược)

i

ô xu max

Q tính theo quan hệ Qxumaxôi = fx (Qxuôi)

7 Tổng hợp số liệu đặc trưng và thuyết minh

Qua trình tự sáu nội dung tính toán nêu trên đã cho số liệu như sau:

a Lưu lượng bình quân (ngược, xuôi) từng chu kỳ triều

b Tổng lượng nước (ngược, xuôi) từng chu kỳ

c Lượng tháo ra (xuôi > ngược) từng chu kỳ và từng mùa

d Lưu lượng lớn nhất (ngược, xuôi) từng chu kỳ

Trên cơ sở đó xác định số liệu đặc trưng mùa và năm

Bảng 9-3 Đặc trưng dòng triều trong năm Thời gian

Đặc điểm chung của trạm đo chịu ảnh hưởng triều trung bình như sau :

Mùa kiệt - mực nước và lưu lượng dao động theo chu kỳ và hướng chảy hai chiều xen

kẽ trong từng chu kỳ

Mùa lũ - mực nước và lưu lượng cũng dao động theo chu kỳ nhưng hướng chảy một chiều (chảy xuôi)

Do đó yêu cầu về số liệu thực đo và cách chỉnh lý của mỗi mùa cũng khác nhau

I Yêu cầu số liệu thực đo