Bài giảng môn học quản lý hệ thống thuỷ lợi

Mục đích và ý nghĩa của công tác đo nước trên HTTNĐo nước trong HTTN là đo đạc các đặc trưng của dòng chảytrên sông và trên kênh: h, v, Q, hàm lượng phù sa.... Với những yêu cầu đặc biệt

CHƯƠNG 4

ĐO NƯỚC TRONG

HỆ THỐNG THUỶ NÔNG

4.1 Khái niệm chung

4.2 Phương pháp đo mực nước

4.3 Các phương pháp đo lưu lượng thông qua tốc độ dòng chảy4.4 Dùng công trình để đo nước

4.5 Dùng phương pháp hoá học để đo nước

CHƯƠNG 4

ĐO NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THUỶ NÔNG

4.1 Khái niệm chung

4.2 Phương pháp đo mực nước

4.3 Các phương pháp đo lưu lượng thông qua tốc độ dòng chảy4.4 Dùng công trình để đo nước

4.5 Dùng phương pháp hoá học để đo nước

CHƯƠNG 4

ĐO NƯỚC TRONG HỆ THỐNG THUỶ NÔNG

4.1.1 Mục đích và ý nghĩa của công tác đo nước trên HTTN

Đo nước trong HTTN là đo đạc các đặc trưng của dòng chảytrên sông và trên kênh: h, v, Q, hàm lượng phù sa tại cácmặt cắt cần thiết trên hệ thống nhằm nắm vững tình hình diễnbiến của dòng chảy trên hệ thống

Mục đích:

1 Phục vụ cho công tác phân phối nước và dẫn nước một cách chính xác kịp thời

- Yêu cầu nước và điều kiện nguồn nước dự báo

- Đối chiếu với KH dùng nước, nhằm đánh giá việc thực hiện

kế hoạch điều phối nước thực tế đã đạt yêu cầu đặt ra chưa.4.1 Khái niệm chung

4.1.1 Mục đích và ý nghĩa của công tác đo nước trên HTTN

2 Làm căn cứ để thu thuỷ lợi phí và hạch toán kinh tế trong hệ thống thuỷ nông

- Yêu cầu nước trong hệ thống luôn luôn thay đổi

- Mức độ thoả mãn một cách đầy đủ của hệ thống cho các hộdùng nước cũng thay đổi qua từng thời kỳ và theo từng khuvực trong hệ thống

3 Đo nước để thu thập những tài liệu cơ bản

- Dùng để kiểm tra, đánh giá năng lực của hệ thống

- Nâng cấp hệ thống

- Nghiên cứu khoa học

4.1 Khái niệm chung

4.1.2 Khái quát về mạng lưới trạm đo nước và nội dung của công tác đo nước trên hệ thống

1 Các loại trạm đo nước

- Trạm đo nguồn nước,

- Trạm đo nước đầu kênh chính,

- Trạm đo nước ở các điểm chia nước,

- Trạm đo nước ở điểm phân phối nước (đầu các cấp kênh cấp nhỏ)

Với những yêu cầu đặc biệt khác:

- Trạm đo để tính cân bằng nước,

- Trạm đo phù sa,

- Trạm đo lưu lượng tiêu nước ngầm,

- Đo lượng tổn thất trên kênh để phục vụ cho công tác

nghiên cứu khoa học

2 Cách bố trí và nội dung đo đạc của các trạm đo nước

a) Trạm đo nguồn nước

Đánh giá khả năng của nguồn nước để tính toán khả

năng tưới, tiêu của công trình đầu mối

Vị Trí: Cách công trình đầu mối khoảng (20÷100)m phía

thượng lưu (công trình tưới), phía hạ lưu (công trình tiêu)Đối với hồ chứa nước, trạm đo nguồn nước được bố trí

ở đoạn sông thượng lưu hồ

b) Trạm đo nước đầu kênh chính

Đánh giá khả năng thực tế lượng nước có thể lấy vào

đầu HT (CT tưới) và khả năng tiêu nước (CT tiêu)

Vị trí: Cách cống (50 ÷ 200) m tuỳ thuộc vào khoảng cách tới

điểm phân nước và sự thuận lợi của việc bố trí trạm

6 6

6 6

4

5 5

2 Cách bố trí và nội dung đo đạc của các trạm đo nước

c) Trạm đo nước ở đầu kênh chia nước

- Đầu kênh nhánh

Vị trí: Cách cống chia nước về phía hạ lưu (20 ÷ 50)m

Cách cửa tiêu (20 ÷ 50)m về phía thượng lưu (CT tiêu)

d) Trạm đo nước ở đầu kênh phân phối nước

Kiểm tra lượng nước phân phối về các cánh đồng sovới yêu cầu nước của chúng

Vị trí: Đầu các mương cái và mương con (kênh cấp 3 và

kênh cấp 4) cách cống phân phối (10 ÷ 30)m về hạ lưu

e) Trạm đo nước chuyên môn

Phục vụ: tính toán cân bằng nước, tổn thất nước trên kênh,

hệ số SDN của hệ thống, bùn cát, khảo sát sựphân bố lưu tốc của dòng chảy, bồi lắng, sói lở

Vị trí: Tuỳ theo yêu cầu thực tế của công tác nghiên cứu

hoặc khảo sát

6 6

6 6

4

5 5

3 Yêu cầu về bố trí mạng lưới trạm đo nước

- Kết hợp chặt chẽ giữa nhiệm vụ, yêu cầu của công tác quản lýnước và QH kênh mương, công trình của hệ thống thuỷ nông

- Cần triệt để lợi dụng các công trình sẵn có trong hệ thống để đonước, làm cho mạng lưới công trình được khai thác một cáchtổng hợp

- Lòng sông (kênh), đáy sông (kênh), bờ sông (kênh) ở đoạn bốtrí trạm đo cần phải ổn định

-Vị trí trạm phải ở ngoài phạm vi ảnh hưởng của đường nướcdâng, sông phải thẳng, mặt cắt ngang đồng đều dọc theo đoạnsông; chiều rộng, độ sâu, độ dốc cần giống nhau

-Không có công trình: cầu, trạm bơm, bến tàu làm ảnh hưởngđến dòng chảy

4.1.3 Các phương pháp đo nước

Các đặc trưng cần đo: h, Q và W đã chảy qua kênh hoặc các CT

1 Các phương pháp đo mực nước

a) Thước móc câu

Dụng cụ đơn giản, có chân đế và thân thước có khắc số đo chiềudài dùng để đo mực nước có chiều sâu nhỏ

b) Thước đo mực nước (cột thuỷ chí)

Vị trí: Thượng, hạ lưu CT trên kênh hoặc kênh

Mục đích: đo độ sâu của dòng chảy hoặc cao trình mực nước

c) Máy đo mực nước tự ghi

Là thiết bị có thể tự động ghi quá trình mực nước trên sông hoặctrên kênh theo thời gian

2 Các phương pháp đo lưu lượng dòng chảy và tổng lượng nước chảy qua công trình

a) Phương pháp vận tốc và diện tích

Q = A.vTrong đó: Q: Lưu lượng dòng chảy (m3/s)

A: Diện tích mặt cắt ướt (m2)v: Lưu tốc bình quân qua tiết diện ướt (m/s)

b) Phương pháp dùng công trình để đo nước

Tận dụng thước đo, định hình công trình, áp dụng các côngthức tính toán

c) Phương pháp hoá học để đo nước

Dùng các chất chỉ thị có thể hòa tan, xác định nồng độ chấtchỉ thị và nồng độ chất trong kênh để xác định v

4.2 Phương pháp đo mực nước

4.2.1 Dùng thuỷ chí để đo mực nước

Lợi dụng: tràn, cống, cầu máng, xi phông,

Vị trí: Ở thượng lưu cách công trình khoảng 3 lần chiều sâu lớnnhất của nước trước cống

Cách cửa van khoảng 1/4 chiều rộng một cửa cống

Sau cửa van bố trí cách phía sau cửa van khoảng 1/4 chiềurộng một khoang cửa van nhưng không lớn hơn 40cm

Cao trình khởi điểm “0” của thước đo nước phải ngang bằngcao trình đáy công trình

Thước đo độ cao mở cống có thể trực tiếp vẽ trên trụ cống, gầnđường rãnh của van

Ưu điểm: dễ lắp đặt, dễ sử dụng và quản lý, bố trí được ở nhiều

vị trí và công trình khác nhau, đơn giản, giá thành rẻ

Nhược điểm: độ chính xác không cao, phụ thuộc vào chủ quan của người quan trắc Tài liệu đo đạc không thường xuyên, liên tục, phụ thuộc vào thời gian và số lần đọc của người quan trắc

4.2.2 Máy đo mực nước tự ghi

Ưu điểm: Cung cấp tài liệu về mực nước thường xuyên, chính xác, giảm chi phí cho việc quan trắc đo đạc từ các thuỷ chí

4.2.3 Dùng thiết bị tự ghi mực nước có kết hợp với máy tính

4.3 Các PP đo lưu lượng thông qua tốc độ dòng chảy

Là xác định được lưu tốc bình quân trên mặt cắt ngang củadòng chảy và diện tích của mặt cắt ướt Từ đó tính toán ralưu lượng của dòng chảy

Các phương pháp đo lưu tốc:

4.3.1 Phương pháp dùng máy lưu tốc

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cấu tạo: Gồm - Một số bánh xe có gắn những cánh quạt

hoặc một chong chóng có thể quay quanhtrục dưới tác dụng của nước chảy

- Một vật nặngNguyên lý làm việc: - Nước chẩy tác động làm chong chóng

quay Số vòng quay của chong chóng trongkhoảng thời gian tương ứng với vận tốc củadòng chẩy

Máy đo lưu tốc

2 Chọn mặt cắt và điểm đo đạc

Mặt cắt đo nước nên chọn ở đoạn kênh thẳng, ổn định, có độdốc đồng nhất, dòng chảy đều, nên lợi dụng các vị trí cầu giaothông hoặc cống để thuận lợi cho đo đạc Trên mặt cắt đo đạc

có thể bố trí những đường thuỷ trực để đo vận tốc dòng chảy tạicác điểm trên thuỷ trực

6 , 0

V

V =

- Nếu đo hai điểm: thì các điểm đo tại vị trí 0,2 và 0,8 chiều sâu đường thuỷ trực Lưu tốc bình quân sẽ là:

V

V 0,2 + 0,6 + 0,8

=

- Nếu đo 5 điểm: thì các điểm đo phải ở vị trí 0,2, 0,6, 0,8 và

1 điểm tại mặt nước, 1 điểm ở đáy kênh Lưu tốc bình quân

sẽ là: (V0 3 V0,2 3 V0,6 2 V0,8 V1,0)

4

1

Để bảo đảm độ chính xác thời gian đo không nên nhỏ hơn

120 giây tại mỗi điểm, số vòng đo phải > 20vòng (máy

kiểu gáo), 100 vòng (máy kiểu cánh quạt)

4 Tính lưu lượng dòng chảy

- V thay đổi theo đường thủy trực ⇒ Q thay đổi

- Để tính chính xác, cần chia mặt cắt làm các phần nhỏ để tính

DT được tính: f1 = 1/2 (h0 + h1).b1

f2 = 1/2 (h1 + h2).b2

fn = 1/2 (hn-1 + hn).bn

b2 b1

Lưu tốc bình quân giữa hai đường thuỷ trực được tính như sau:

+ Vận tốc bộ phận sát bờ:

1 n n

1 1

V 3

2 V

V 3

2 V

4.3.2 Phương pháp dùng phao

1 Chọn đoạn kênh quan trắc và mặt cắt quan trắc

- Đoạn sông hoặc kênh phải thẳng, lòng kênh ổn định, dòng chảyđều, không có cỏ rác làm ảnh hưởng tới dòng chảy Đoạn kênhthẳng để quan trắc phải dài từ 100 m trở lên

- Mặt cắt thả phao cách mặt cắt thượng lưu trên dưới 10m

- Mặt cắt giữa cần gia cố và đo đạc kích thước mặt cắt ngang để

vẽ quan hệ (F ~ H)

- Phải bố trí thước đo mực nước tại mặt cắt giữa

4.3.2 Phương pháp dùng phao

1 Chọn đoạn kênh quan trắc và mặt cắt quan trắc

Đoạn sông, kênh thẳng, lòng kênh ổn định, không biến dạng,dòng chảy đều, không có cỏ rác làm ảnh hưởng tới dòngchảy Đoạn kênh thẳng, dài từ 100 m trở lên

L - khoảng cách giữa m/c thượng và hạ lưu (m)

t - thời gian phao trôi từ m/c thượng lưu tới m/c hạ lưu (giây)

4.3.2 Phương pháp dùng phao

Phân bố vận tốc và chiều sâu nước

3 Tính lưu lượng dòng chảy

Lưu lượng bộ phận theo vận

tốc mặt cắt - gọi là lưu lượng

giả tưởng:

Q gti = F i V mi

Trong đó:

Fi: DT bộ phận mặt cắt

Vmi: lưu tốc dòng chảy tại mặt

nước của phao i nào đấy

- Lưu lượng giả tưởng toàn

bộ mặt cắt:

- Lưu lượng thực tế Q được tính: Q = K.Qgt

K: hệ số hiệu chỉnh, hệ số này thay đổi theo bán kính thuỷ lựccủa kênh, đk đáy kênh, Vgió, hướng gió và hình dạng m/c kênh

∑

=

1 i

gti

Q

4.3.3 Đồng hồ đo nước

Gồm: chân vịt, thiết bị truyền động và máy đếm khối lượng nước

- Chân vịt gồm nhiều cánh quạt thép, chất dẻo hoặc cao su có thểquay theo một mặt phẳng thẳng đứng khi có dòng nước chảyqua

- Hệ thống bánh răng được lắp vào trục của chân vịt để truyềnđộng tới máy đếm Số vòng quay của chân vịt được tính đổi ratổng lượng nước đã chảy qua đồng hồ và được ghi lại trên mặtbằng số

Tuỳ tốc độ dòng chảy chảy qua đồng hồ mà tốc độ quay của chânvịt quay nhanh chậm khác nhau Số vòng quay của chân vịt sẽtương ứng với khối lượng nước đã chảy qua đồng hồ

- Đồng hồ chỉ đo nước trong ống, nếu muốn đo Q kênh thì cầncho nước đi qua ống Có thể đo trên kênh nhỏ -tùy đk cụ thể

4.3.4 Bánh xe đo nước Dethridge

4.3.4 Bánh xe đo nước Dethridge

Rất phù hợp với việc đo nước ởđầu các cấp kênh nhỏ (kênh cấp 3)

và các đầu kênh ở hệ thống mặtruộng

4.3.5 Lợi dụng đường ống để đo lưu lượng

4.4 Dùng công trình để đo nước

Ưu điểm:

Có thể đo đạc được dòng chảy với lưu lượng tương đối lớn

Độ chính xác tương đối cao, ổn định và có thể SD được lâu dài

Có thể tận dụng được một số công trình sẵn có để đo nước

Kỹ thuật đo đơn giản, không đòi hỏi có trình độ kỹ thuật cao

4.4.1 Lợi dụng các CT thuỷ công để đo lưu lượng nước

1 Điều kiện sử dụng công trình thuỷ công đo nước

Hoàn chỉnh, không hư hỏng, không rò rỉ, không bị xâm thực,không bị biến dạng hoặc bị hư hỏng cục bộ nhất là bản đáy vàtường bên Các bộ phận đóng mở phải hoàn chỉnh, cửa vanhoặc cánh phai phải kín, không rò rỉ hoặc lệch nghiêng

Trước, sau, trong công trình, rãnh phai không có bùn cát, cỏrác, gỗ mục tích tụ làm cản trở dòng chảy

- Khi dòng chảy vào công trình từ mặt bên, lưu tốc dòng chínhkhông vượt quá 0,7 m/s Dòng chảy vào CT một cách ổn định.

- Khi dẫn nước chính diện, dòng chảy vào CT phải đối xứng

- Tổn thất cột nước qua công trình không được nhỏ hơn 5cm

- Khi trạng thái chảy qua công trình là chảy ngập thì hh/ht ≤ 0,9

- Công trình dùng để đo nước không chịu ả/h của các côngtrình lân cận, tránh hiện tượng mực nước thượng lưu và mựcnước hạ lưu không ổn định

2 Phương pháp lợi dụng các công trình thuỷ công có khả năng điều tiết lưu lượng để đo lưu lượng.

- Xác định loại công trình, trạng thái chảy qua công trình, sau

đó sử dụng công thức tính toán lưu lượng thích hợp

-Kiểm nghiệm hệ số lưu lượng của công trình thực tế, đốichiếu với hệ số lưu lượng lý thuyết đã cho trong công thứctính toán lưu lượng để xác định được trị số hệ số lưu lượngphù hợp với công thức cụ thể được sử dụng để đo nước

Vẽ đồ thị quan hệ Q ~ H của công trình

a)Phân loại công trình:

5 loại CT có khả năng khống chế lưu lượng:

Loại I: Chảy thoáng kiểu hở, cửa van phẳng thẳng đứng Theo

tính chất của mặt cắt loại này có thể phân làm ba tổ:

Tổ 1: cửa lấy nước kiểu hở, mặt cắt chữ nhật, chiều rộngcửa van bằng chiều rộng cửa vào, đáy bằng, sau cốngkhông có ngưỡng

Tổ 2: Cửa lấy nước kiểu hở, Bn>B, đáy bằng, sau cốngkhông có ngưỡng

Tổ 3: cửa lấy nước kiểu hở, m/c cống thay đổi, sát ngaysau cửa cống có ngưỡng, hngưỡng = (30 ÷ 40) cm

Loại II: Cửa lấy nước kiểu cống ngầm, chảy thoáng, cửa van

phẳng, thẳng đứng có mặt cắt hình chữ nhật

Loại III: Cửa lấy nước kiểu đường ống ngầm, m/c hình tròn, có

van phẳng Dựa theo tường cánh trước cửa vào và hìnhthức cửa van có thể chia làm hai tổ:

Phân loại công trình thuỷ công đo nước

Tổ 1: Tường cánh vặn vỏ đỗ hoặc phẳng vuông góc hoặc hìnhchữ bát, cửa van phẳng kiểu thẳng đứng.

Tổ 2: Tường cánh và tường ngực dốc theo chiều dốc máikênh, cửa van nằm nghiêng

Loại IV: Cống có nhiều cửa, cửa van phẳng thẳng đứng Dựa

theo sự khác nhau của trụ pin và đáy cống có thể phân thành

3 tổ:

Tổ 1: giữa các cửa có trụ pin ngắn, đáy cống bằng, không có ngưỡng

Tổ 2: giữa các cửa có trụ pin, sát sau cửa cống có ngưỡng

Tổ 3: giữa các cửa có trụ pin dài, đáy cống bằng, không có

ngưỡng

Loại V: Công trình có cửa van hình cung

Phân loại công trình thuỷ công đo nước

b) Xác định trạng thái chảy qua công trình

Tùy theo mực nước thượng hạ lưu và hình thức mở cửa van,

có thể phân thành 5 trạng thái chảy như sau:

a Chảy tự do, cửa van mở hết: Mặt nước không tiếp xúc vớiđường viền dưới cửa van Tỷ số giữa chiều sâu mực nướcthượng lưu nhỏ hơn 0,7 (hH/H < 0,7) Nếu sát sau cửa van cóngưỡng thì mực nước hạ lưu phải thấp hơn ngưỡng cống (hσ

< P2)

Chảy tự do, cửa van mở hết

b Chảy ngập, cửa van mở hết: Mặt nước không tiếp xúc vớiđường viền dưới cửa van Tỷ số giữa chiều sâu mực nướcthượng lưu lớn hơn 0,7 (hH/H > 0,7).

Sau cửa van có ngưỡng thì mực nước hạ lưu phải cao hơnngưỡng cống (hσ > P2)

c Chảy tự do cửa van mở không hết: Mặt nước tiếp xúc vớiđường viền dưới cửa van, mặt nước sau cửa van thấp hơn độ

mở cửa van (h1 < hµ)

Chảy ngập, cửa van mở hết

d Chảy ngập cửa van mở không

hết: Mặt nước tiếp xúc với đường

viền dưới cửa van, mặt nước sau

cửa van cao hơn độ mở cửa van

(h1 > hµ)

e Chảy ngập có áp: Mặt nước hạ

lưu cao hơn đỉnh ống ngầm

Trường hợp này độ mở cửa cống

có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn

đường kính cống ngầm (hH > a)

Chảy tự do cửa van mở không hết

Chảy ngập cửa van mở không hếtChảy ngập có áp

c) Công thức tính lưu lượng và hệ số lưu lượng

Lý thuyết thuỷ lực đã xác định được công thức tính lưu lượngchảy qua công trình và hệ số lưu lượng của một số loại côngtrình

Để lợi dụng một công trình thực tế đo nước, sau khi phân tích

đã thoả mãn các yêu cầu của một công trình đo nước, phảiphân loại công trình đó, xác định trạng thái chảy

Dựa vào các bảng 4-1, 4-2 (GT QLTN) đã thống kê công thứctính lưu lượng ứng với các loại công trình khác nhau và trạngthái chảy khác nhau

Sau khi đã xác định được công thức tính lưu lượng, hệ số lưulượng của công trình, tiến hành lập bảng hoặc vẽ đường quan

hệ giữa mực nước, lưu lượng và độ mở cửa van Khi đo nướcchỉ tiến hành đo mực nước trước và sau công trình, độ mở cửavan rồi tra ra lưu lượng, các biểu bảng hoặc đường quan hệ đãđược lập sẵn

3 Phương pháp lợi dụng các CT thuỷ công không có khả năng điều tiết lưu lượng để đo nước

Cầu máng, bậc nước, xi phông, … tuy không có khả năng thốngchế lưu lượng

Q phụ thuộc kích thước CT, h thượng hạ lưu

a) Lợi dụng cầu máng để đo lưu lượng

Đk SD: m/c tương đối ổn định và đều, không bị nứt nẻ và rò rỉ

Bố trí thước đo nước ở chính giữa cầu máng

Khởi điểm "0" của thước đo

Dựa vào trị số chiều sâu mực nước trong cầu máng H để tínhlưu lượng chảy qua cầu máng

i.

R C

.

Q ω = ω: Tiết diện ướt (m2), χ: Chu vi ướt (m)

C: hệ số Xê-di, tra bảng tra thủy lực i: độ dốc mặt nước, Lmáng ngắn ⇒ i là độ