Tài liệu Giáo trình đo đạc thủy văn đại học tài nguyên môi trường

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI -----š š › › ----- PGS.TS. HOÀNG NGỌC QUANG ThS. TRẦN VĂN TÌNH GIÁO TRÌNH ĐO ĐẠC THỦY VĂN HÀ NỘI - 2014 0 LỜI NÓI ĐẦU Trong chương trình đào tạo ngành thủy văn, Đo đạc thủy văn là môn học có nhiệm vụ trang bị cho sinh viên những kiến thức về các phương pháp đo đạc và thu thập các số liệu của các yếu tố thủy văn như là: mực nước, lưu lượng nước, nhiệt độ nước, chất lượng nước, bùn cát, độ mặn …tại các con sông. Đó là các tài liệu cơ bản và rất quan trọng trong việc nghiên cứu và dự báo khí tượng thủy văn, tính toán và thiết kế các công trình xây dựng trên sông, quy hoạch phát triển tài nguyên nước phục vụ cho nông nghiệp, giao thông, thủy lợi, thủy điện… cũng như việc phục vụ cho dân sinh và an ninh quốc phòng, nhất là khi có tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước như hiện nay. Do vậy, việc biên soạn một giáo trình đo đạc thủy văn nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy cho các sinh viên Thủy văn và Tài nguyên nước của trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội cũng như của các trường đại học khác có đào tạo lĩnh vực này là rất cần thiết. Giáo trình cũng sẽ là cẩm nang cho các cán bộ làm công tác đo đạc thủy văn hay quản lý lưới trạm khí tượng thủy văn thuộc ngành Khí tượng Thủy văn. Việc đo đạc các yếu tố thủy văn tại các trạm thủy văn ở nước ta cho đến nay vẫn thực hiện theo cách làm truyền thống. Nhưng do sự phát triển của khoa học công nghệ và do hội nhập, nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại trên thế giới và khu vực đã được ứng dụng nên công tác đo đạc thủy văn đã từng bước được hiện đại hóa và một số phương tiện, phương pháp mới cũng đã được bổ sung, thay thế. Từ thực tiễn đó, giáo trình được biên soạn trên cơ sở những phương pháp, cách làm đã và đang được thực hiện nhưng có bổ sung một số kiến thức về máy móc đo đạc hiện đại cũng như một số phương pháp đo mới. Mặt khác, do nội dung đo đạc thủy văn rất nhiều nhưng tập thể tác giả chỉ giới thiệu được những nội dung chính, nội dung cơ bản phù hợp với mục tiêu đào tạo đã đề ra. Nội dung của giáo trình được trình bày trong 9 chương, gồm: Chương 1: Khái quát chung về môn học Chương 2: Khảo sát xây dựng trạm thủy văn Chương 3: Đo mực nước, nhiệt độ nước, mưa Chương 4: Đo độ sâu dòng nước Chương 5: Đo đạc và tính lưu lượng nước 1 Chương 6: Đo lưu lượng chất lơ lửng trong nước sông Chương 7: Giản hóa trong đo đạc thủy văn Chương 8: Đo độ mặn vùng sông ảnh hưởng triều Chương 9: Mã luật và điện báo thủy văn Các nội dung trên được biên soạn bởi PGS.TS Hoàng Ngọc Quang và ThS. Trần Văn Tình, giảng viên Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội. Dù có cố gắng, nhưng không thể tránh được những thiếu sót. Tập thể tác giả rất mong nhận được những góp ý xây dựng của bạn đọc để giáo trình có thể được hoàn thiện hơn. Mọi đóng góp xin chuyển về Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội. Hà Nội, tháng 5 năm 2014 Các tác giả 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................1 MỤC LỤC..................................................................................................................................3 Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÔN HỌC.................................................................8 1.1. Giới thiệu môn học..........................................................................................................8 1.2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi tác nghiệp của các hoạt động đo đạc thủy văn.........8 1.3. Trạm thủy văn và phân loại trạm thuỷ văn....................................................................10 Chương 2: KHẢO SÁT XÂY DỰNG TRẠM THỦY VĂN.................................................14 2.1. KHẢO SÁT VÀ LỰA CHỌN VỊ TRÍ ĐẶT TRẠM THUỶ VĂN...............................14 2.1.1. Yêu cầu chọn đoạn sông đặt trạm thủy văn................................................................14 2.1.2. Nội dung các bước tiến hành khảo sát đoạn sông đặt trạm........................................18 2.2. XÂY DỰNG TRẠM THỦY VĂN................................................................................21 2.2.1. Hệ thống các tuyến quan trắc.....................................................................................21 2.2.2. Cách bố trí các tuyến quan trắc..................................................................................22 2.3. CHUYỂN TRẠM QUAN TRẮC.................................................................................25 2.4. QUY HOẠCH MẠNG LƯỚI TRẠM THUỶ VĂN.....................................................25 Chương 3: ĐO MỰC NƯỚC, ĐO NHIỆT ĐỘ NƯỚC VÀ ĐO MƯA..............................27 3.1. KHÁI NIỆM, MỤC ĐÍCH Ý NGHĨA CỦA VIỆC ĐO ĐẠC MỰC NƯỚC................27 3.1.1. Khái niệm về mực nước.............................................................................................27 3.1.2. Mục đích đo mực nước..............................................................................................27 3.2. CÔNG TRÌNH ĐO MỰC NƯỚC.................................................................................28 3.2.1. Mốc độ cao.................................................................................................................28 3.2.2. Công trình đo mực nước............................................................................................29 3.3. THIẾT BỊ, MÁY ĐO MỰC NƯỚC..............................................................................36 3.3.1. Thước nước cầm tay...................................................................................................36 3.3.2. Máy tự ghi mực nước................................................................................................36 3.4. CHẾ ĐỘ QUAN TRẮC................................................................................................43 3.4.1. Nguyên tắc chung......................................................................................................43 3.4.2. Các chế độ quan trắc..................................................................................................43 3.4.3. Chế độ quan trắc mực nước kiểm tra khi đo bằng máy tự ghi mực nước..................45 3.5. NỘI DUNG CÔNG TÁC QUAN TRẮC MỰC NƯỚC...............................................45 3.5.1. Công tác chuẩn bị.......................................................................................................45 3.5.2. Trình tự quan trắc.......................................................................................................46 3.5.3. Phương pháp quan trắc mực nước..............................................................................46 3.6. TÍNH TOÁN SỔ ĐO MỰC NƯỚC..............................................................................50 3.6.1. Tính toán mực nước giờ.............................................................................................50 3.6.2. Tính mực nước bình quân ngày..................................................................................50 3.6.3. Tính mực nước bìmh quân tháng, bình quân năm.....................................................51 3 3.6.4. Tính toán, thống kê các trị số đặc trưng của mực nước............................................52 3.7. QUAN TRẮC NHIỆT ĐỘ............................................................................................54 3.7.1. Dụng cụ đo nhiệt độ nước..........................................................................................54 3.7.2. Vị trí đo nhiệt độ nước...............................................................................................55 3.7.3. Nội dung đo nhiệt độ nước.........................................................................................55 3.7.4. Tính toán tài liệu nhiệt độ nước.................................................................................56 3.8. ĐO MƯA......................................................................................................................57 3.8.1. Khái quát về mưa và đơn vị đo..................................................................................57 3.8.2 Các thiết bị đo giáng thuỷ...........................................................................................58 Chương 4: ĐO ĐỘ SÂU.........................................................................................................68 4.1. KHÁI NIỆM, MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA ĐO SÂU.........................................................68 4.1.1. Khái niệm...................................................................................................................68 4.1.2. Mục đích, ý nghĩa đo sâu...........................................................................................68 4.2. DỤNG CỤ VÀ TRANG THIẾT BỊ ĐO SÂU..............................................................68 4.2.1. Thước đo sâu.............................................................................................................68 4.2.2. Sào đo sâu.................................................................................................................68 4.2.3. Quả dọi.......................................................................................................................69 4.2.4. Tời và cá sắt...............................................................................................................69 4.2.5. Máy hồi âm đo sâu.....................................................................................................70 4.3. CHẾ ĐỘ ĐO SÂU........................................................................................................73 4.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SÂU..................................................................................74 4.4.1. Đo sâu theo mặt ngang...............................................................................................74 4.4.2. Đo sâu mặt cắt ngang ở trạm thủy văn.......................................................................74 4.4.3. Xác định vị trí thuỷ trực đo sâu..................................................................................75 4.5. HIỆU CHỈNH ĐỘ SÂU, VẼ VÀ TÍNH DIỆN TÍCH MẶT CẮT NGANG SÔNG....78 4.5.1. Hiệu chỉnh mực nước khi đo sâu................................................................................78 4.5.2. Hiệu chỉnh độ sâu khi có góc chệch dây cáp.............................................................79 4.5.3. Vẽ và tính diện tích mặt cắt ngang sông....................................................................80 Chương 5: ĐO ĐẠC VÀ TÍNH LƯU LƯỢNG NƯỚC......................................................85 5.1. ĐỊNH NGHĨA, MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA VIỆC ĐO LƯU LƯỢNG NƯỚC.......85 5.1.1. Định nghĩa..................................................................................................................85 5.1.2. Mục đích, ý nghĩa của công việc đo lưu lượng nước.................................................85 5.2. CÁC LOẠI CÔNG TRÌNH ĐO LƯU LƯỢNG NƯỚC...............................................85 5.2.1. Công trình cáp di chuyển thuyền qua hai bờ..............................................................86 5.2.2. Nôi treo xe đo.............................................................................................................88 5.2.3. Cầu treo......................................................................................................................89 5.3. CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯU LƯỢNG .............................................................................89 5.3.1. Máy đo lưu tốc (máy lưu tốc kế)................................................................................89 5.3.2. Các loại phao đo lưu tốc.............................................................................................97 4 5.3.3. Ống đo thủy văn.......................................................................................................100 5.4. ĐO LƯU LƯỢNG NƯỚC VÙNG SÔNG KHÔNG ẢNH HƯỞNG THỦY TRIỀU 100 5.4.1. Nguyên tắc bố trí thuỷ trực đo tốc độ.......................................................................100 5.4.2. Số lần đo tốc độ của một trạm..................................................................................102 5.4.3. Đo tốc độ dòng nước bằng lưu tốc kế......................................................................102 5.4.4. Đo tốc độ bằng phao................................................................................................106 5.5. TÍNH LƯU LƯỢNG NƯỚC KHI ĐO LƯU TỐC BẰNG LƯU TỐC KẾ VÙNG SÔNG KHÔNG ẢNH HƯỞNG THỦY TRIỀU................................................................108 5.5.1. Qui định chung.........................................................................................................108 5.5.2. Chọn tài liệu mặt ngang và cách dùng.....................................................................109 5.5.3 Tính mực nước tương ứng.........................................................................................110 5.5.4.Tính tốc độ điểm đo và tốc độ bình quân thủy trực..................................................110 5.5.5 Tính lưu lượng nước bằng phương pháp phân tích...................................................113 5.5.6. Tính lưu lượng nước bằng phương pháp đồ giải......................................................118 5.6.TÍNH LƯU LƯỢNG KHI ĐO TỐC ĐỘ BẰNG PHAO VÙNG SÔNG KHÔNG ẢNH HƯỞNG THỦY TRIỀU.....................................................................................................122 5.6.1. Phao nổi....................................................................................................................122 5.6.2. Tính lưu lượng khi đo bằng phao chìm....................................................................124 5.7. ĐO VÀ TÍNH LƯU LƯỢNG TẠI VÙNG SÔNG ẢNH HƯỞNG TRIỀU...............124 5.7.1. Mục đích nghiên cứu và một vài khái niệm về dòng triều.......................................124 5.7.2. Phương pháp đo lưu tốc trên thủy trực.....................................................................127 5.7.3. Phương pháp đo tốc độ toàn mặt ngang khi ảnh hưởng triều mạnh.........................130 5.7.4. Phương pháp đo tốc độ toàn mặt ngang khi ảnh hưởng triều yếu............................133 5.7.5. Tính lưu lượng nước, lượng triều và các đặc trưng triều.........................................133 5.8. ĐO LƯU LƯỢNG BẰNG TÀU DI ĐỘNG...............................................................136 5.8.1. Các thiết bị máy móc đo đạc chủ yếu......................................................................136 5.8.2. Phương pháp đo lưu lượng.......................................................................................136 5.9. ĐO LƯU LƯỢNG BẰNG MÁY ADCP....................................................................140 5.9.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy ADCP...........................................................140 5.9.2. Các bộ phận chính của ADCP..................................................................................142 5.9.3. Một số nét chính về đo lưu lượng của ADCP..........................................................143 5.9.4. Những tài liệu cơ bản thu thập được khi sử dụng máy ADCP.................................145 5.9.5. Những yếu tố nâng cao độ chính xác của tài liệu.....................................................146 Chương 6: ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG TRONG NƯỚC SÔNG...................151 6.1. KHÁI NIỆM CHUNG................................................................................................151 6.2. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BÙN CÁT.........................................................151 6.2.1. Đặc trưng cơ bản của bùn cát lơ lửng......................................................................151 6.2.2. Đặc trưng cơ bản của bùn cát đáy............................................................................152 6.3. MÁY MÓC VÀ THIẾT BỊ LẤY MẪU......................................................................153 5 6.3.1. Máy lấy mẫu bùn cát lơ lửng....................................................................................153 6.3.2. Máy lấy mẫu bùn cát đáy.........................................................................................157 6.4. ĐO LƯU LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG........................................................................159 6.4.1. Số lần đo lưu lượng chất lơ lửng trong năm............................................................159 6.4.2. Tổ chức lấy mẫu.......................................................................................................159 6.4.3. Các phương pháp lấy mẫu........................................................................................161 6.5. XỬ LÝ MẪU NƯỚC CHẤT LƠ LỬNG...................................................................164 6.5.1. Phương pháp lọc.......................................................................................................164 6.5.2. Phương pháp sấy khô...............................................................................................165 6.5.3. Xác định hàm lượng chất lơ lửng của mẫu nước.....................................................166 6.6. TÍNH LƯU LƯỢNG CHẤT LƠ LỬNG....................................................................166 6.6.1. Tính lưu lượng chất lơ lửng bằng phương pháp phân tích.......................................166 6.6.2. Tính lưu lượng chất lơ lửng bằng phương pháp đồ giải...........................................168 6.7. ĐO LƯU LƯỢNG BÙN CÁT ĐÁY..........................................................................171 6.7.1. Mục đích đo bùn cát đáy.........................................................................................171 6.7.2. Chuyển động của bùn cát đáy..................................................................................171 6.7.3. Thủy trực đo bùn cát đáy và phương pháp lấy mẫu.................................................172 6.7.4 Tính lưu lượng bùn cát đáy.......................................................................................173 Chương 7: GIẢN HÓA TRONG ĐO ĐẠC THỦY VĂN...................................................177 7.1.Ý NGHĨA VIỆC GIẢN HÓA TRONG ĐO ĐẠC THỦY VĂN..................................177 7.2. XÂY DỰNG CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢN HÓA ĐO ĐẠC.........................................178 7.2.1. Xây dựng phương án giản hóa.................................................................................178 7.2.2. Các bước xây dựng phương án giản hóa..................................................................179 7.2.3. Xây dựng phương án đo lũ cao................................................................................181 Chương 8: ĐO ĐỘ MẶN TRONG NƯỚC SÔNG VÙNG VEN BIỂN...........................186 8.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ MUỐI VÀ ĐỘ MẶN...............................................................186 8.1.1. Khái niệm về độ muối..............................................................................................186 8.1.2. Khái niệm về độ mặn...............................................................................................186 8.2. VỊ TRÍ VÀ PHƯƠNG PHÁP LẤY MẪU..................................................................187 8.2.1. Đường thủy trực lấy mẫu.........................................................................................187 8.2.2. Vị trí điểm lấy mẫu trên thủy trực............................................................................188 8.2.3. Dụng cụ, máy móc và phương pháp lấy mẫu...........................................................188 8.3. CHẾ ĐỘ ĐO MẶN.....................................................................................................188 8.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU NƯỚC VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ MẶN................188 8.4.1. Dụng cụ dùng để phân tích độ mặn..........................................................................188 8.4.2. Hóa chất dùng để phân tích mặn và cách pha chế....................................................190 8.4.3. Các bước phân tích và tính toán độ mặn..................................................................191 8.5. ĐO ĐỘ MẶN BẰNG MÁY.......................................................................................193 8.5.1. Nguyên lý hoạt động chung của máy đo mặn..........................................................193 6 8.5.2. Giới thiệu một số máy đo mặn.................................................................................194 8.4.3. Đo độ mặn bằng máy...............................................................................................194 Chương 9. Mà LUẬT ĐIỆN BÁO THỦY VĂN.................................................................196 9.1. YÊU CẦU CỦA THÔNG TIN ĐIỆN BÁO THUỶ VĂN..........................................196 9.2. Mà LUẬT BẢN TIN QUAN TRẮC THỦY VĂN – Ý NGHĨA VÀ QUY TẮC SỬ DỤNG................................................................................................................................196 9.2.1. Dạng mã...................................................................................................................196 9.2.2. Ý nghĩa.....................................................................................................................196 9.2.3. Quy tắc sử dụng........................................................................................................197 9.3. CHẾ ĐỘ ĐIỆN BÁO..................................................................................................200 9.3.1. Chế độ điện báo mực nước thực đo..........................................................................200 9.3.3. Chế độ điện báo lượng mưa.....................................................................................203 9.3.4. Chế độ điện báo độ mặn...........................................................................................203 LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................................206 7 Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÔN HỌC 1.1. Giới thiệu môn học Môn học đo đạc thủy văn được trình bày trong giáo trình nhằm trang bị cho người học những kiến thức như sau: - Các cách thức lựa chọn đoạn sông xây dựng trạm thủy văn - Trạm thủy văn và nhiệm vụ của nó - Các thiết bị đo đạc thủy văn và cách sử dụng - Cách đo mực nước, lưu lượng, bùn cát, nhiệt độ nước…. - Tính toán các yếu tố đo đạc - Bảo trì bảo dưỡng máy móc thiết bị… Nhờ công tác đo đạc thủy văn mà việc nghiên cứu, tính toán các đặc trưng thủy văn, quy hoạch nguồn nước, xác định nhu cầu nước,… được thực hiện nhằm phục vụ cho việc phòng chống, giảm nhẹ thiên tai về nước và phát triển kinh tế xã hội. Do vậy, đo đạc thủy văn là một công tác quan trọng, không thể thiếu trong ngành khí tượng thủy văn và cần được tiến hành trước một bước. Các kết quả nghiên cứu dòng chảy trên sông phục vụ phát triển kinh tế xã hội an ninh quốc phòng phụ thuộc vào độ dài và tính liên tục của chuỗi số liệu đo đạc thủy văn cũng như độ chính xác của nó. Do vậy, giữa đo đạc thuỷ văn và tính toán, nghiên cứu dòng chảy có mối quan hệ chặt chẽ: có đầu vào (tập số liệu) đảm bảo yêu cầu tính toán sẽ tạo nên kết quả của bài toán được nghiên cứu với chất lượng cao, thể hiện sự phản ánh khách quan hay không khách quan về chế độ dòng chảy trên sông. Như vậy, trong công tác đo đạc, mức độ chính xác của chuỗi số liệu thủy văn phải được đặt lên hàng đầu. Chính vì yêu cầu đó, việc phát triển các phương pháp đo đạc cùng với việc phát triển công trình đo đã dần hình thành với những thiết bị đo mới ngày càng hoàn thiện hơn với độ tin cậy ngày càng cao hơn. 1.2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi tác nghiệp của các hoạt động đo đạc thủy văn a. Đối tượng nghiên cứu của thủy văn Đối tượng nghiên cứu của thủy văn là nước trong sông thiên nhiên còn đối tượng nghiên cứu của môn học đo đạc thủy văn là các yếu tố thủy văn với các yếu tố như : 1. Mực nước sông Mực nước sông là độ cao mực mặt nước sông tại thời điểm đo so với mặt thủy chuẩn, có ký hiệu là H, có thứ nguyên là cm hoặc m; 8 Ở Việt Nam, mặt thủy chuẩn quốc gia là mặt nước biển bình quân nhiều năm tại Hòn Dấu, Đồ Sơn, Hải Phòng. 2. Lưu lượng dòng chảy trên sông Lưu lượng dòng chảy trên sông là lượng nước chảy qua một mặt cắt ngang sông trong 1 giây, có ký hiệu là Q và thứ nguyên là m3/s; 3. Nhiệt độ nước sông Nhiệt độ nước sông được ký hiệu là T0 và có thứ nguyên là độ C (T0). 4. Hàm lượng chất lơ lửng Hàm lượng chất lơ lửng là khối lượng (gam) chất lơ lửng có trong 1 m 3 nước sông, được ký hiệu là  và có thứ nguyên là g/m3 5. Độ mặn nước sông Độ mặn nước sông là hàm lượng muối có trong nước sông, ký hiệu là S và có đơn vị là ‰ Cùng với một số yếu khác được trình bày trong bảng 1-1. Bảng 1-1. Các yếu tố thủy văn cơ bản TT Yếu tố đo đạc Ký hiệu Đơn vị tính Độ chính xác H cm 1.0 cm V hoặc U m/s Chính xác 0.01 1 Mực nước 2 Tốc độ dòng chảy 3 Lưu lượng nước Q m3/s (lít/s) Ba số có nghĩa 4 Lưu lượng đơn vị thủy trực Q m2/s Ba số có nghĩa 5 Hàm lượng chất lơ lửng  g/m3 Ba số có nghĩa 6 Lưu lượng chất lơ lửng R Kg/s Ba số có nghĩa 7 Lưu lượng chất lơ lửng đơn vị R g/m2.s Ba số có nghĩa H m 8 Độ sâu thủy trực  5.0 lấy 0.01 m >5.0 lấy 0.1 m 9 Độ rộng mặt ngang B m Ba số có nghĩa 10 Độ dốc mặt nước J ‰ 0.0001 11 Độ mặn S ‰ 0.0001 12 Độ chua pH Độ pH 1.0 0 Độ 0.10C 13 Nhiệt độ nước và không khí T C b. Phạm vi nghiên cứu 9 Các đối tượng được nghiên cứu khác nhau thì phạm vi nghiên cứu của môn học cũng khác nhau, chẳng hạn: 1) Đối với một con sông Đối với một con sông, phạm nghiên cứu là một mặt cắt ngang sông, nơi đặt trạm thủy văn. 2) Đối với lĩnh vực đo đạc thì: - Đối với lĩnh vực hải văn, phạm vi là vùng biển được nghiên cứu. - Đối với lĩnh vực đo đạc quan trắc thủy văn nước mặt hay thủy văn lục địa nói chung, phạm vi nghiên cứu là trên các sông ngòi, các hồ ao, các đầm lầy…., - Đối với lĩnh vực thuỷ văn nước ngầm: phạm vi quan trắc rất rộng. Tuỳ đối tượng nghiên cứu và mục đích khai thác các yếu tố thuỷ văn mà phạm vị hoạt động của đo đạc thủy văn nước ngầm cũng khác nhau. Trong một con sông, các yếu tố thuỷ văn có mối quan hệ với nhau nên các hoạt động đo đạc, quan trắc cần được tiến hành đồng thời và liên tục. Trên cơ sở đó mới có thể nghiên cứu một cách có hệ thống qui luật biến đổi nguồn nước và diễn biến dòng sông cũng như các mối quan hệ của các yếu tố đó. Cho nên, các quan trắc viên phải thuần thục tay nghề, nắm bắt các tình huống xảy ra trên sông để kịp thời đưa ra các phương án xử lý tốt nhất. Do vậy, trong đo đạc thủy văn, việc không ngừng cải tiến phương pháp đo đạc, cải tiến thiết bị, phương tiện đo đạc... là một yêu cầu được đặt ra nhằm nâng cao độ chính xác và đảm bảo tính liên tục của số liệu đo đạc. 1.3. Trạm thủy văn và phân loại trạm thuỷ văn. 1. Các định nghĩa a. Trạm thủy văn Trạm thuỷ văn là một đơn vị công tác thuộc các đài khí tượng thủy văn được thành lập để tổ chức và tiến hành nhiệm vụ đo đạc, quan trắc các yếu tố thuỷ văn như: Mực nước H(cm); Lưu lượng nước Q(m3/s); Lưu lượng chất lơ lửng R (Kg/s); nhiệt độ nước (ToC) và các yếu tố môi trường khác… b. Mạng lưới trạm thủy văn - Tập hợp các trạm thủy văn trên một hệ thống sông nào đó gọi là mạng lưới trạm thủy văn của hệ thống sông đó. Chẳng hạn, mạng lưới trạm thủy văn trên lưu vực sông Hồng có 54 trạm, trong đó các trạm Hà Nội, Thượng Cát, Sơn Tây …(trên sông Hồng); Việt Trì, Yên Bái, Lào Cai,…(trên sông Thao), Hòa Bình, Sơn la, Tạ Bú, Lai Châu…(sông Đà). 10 Mạng lưới trạm thủy văn trên sông Mã có các trạm: Mường Lát, Hồi Xuân, Cửa Đạt, Xuân Khánh, Kim Tân, Lèn, Hoàng Tân… - Các trạm thủy văn ở mỗi quốc gia được gọi là mạng lưới trạm thủy văn quốc gia. Nước ta có 2372 con sông có chiều dài hơn 10km (L>10km), được chia ra 9 hệ thống sông lớn chính: Hệ thống sông Cửu Long; hệ thống sông Hồng; hệ thống sông Đồng Nai; hệ thống sông Cả; hệ thống sông Mã; hệ thống sông Ba; hệ thống sông Thái Bình; hệ thống sông Kỳ Cùng - Bằng Giang và hệ thống sông Thu Bồn với 232 trạm thủy văn các cấp Mạng lưới trạm thủy văn ở nước ta do nhà nước thành lập để làm nhiệm vụ đo đạc thu thập số liệu của các yếu tố thủy văn trong cả nước nhằm phục vụ đời sống dân sinh và xây dựng phát triển kinh tế xã hội. Hiện nay, mạng lưới trạm thủy văn Việt Nam do Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường quản lý. Hệ thống quản lý lưới trạm thủy văn cụ thể ở Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia do Trung tâm Mạng lưới Khí tượng Thủy văn là cơ quan điều hành quản lý theo chiều dọc (từ trên xuống), các Đài khí tượng thủy văn khu vực quản lý các trạm thủy văn thuộc Đài. 2. Phân loại các trạm thủy văn Có nhiều cách phân loại trạm thủy văn tùy theo đối tượng phục vụ hay nghiên cứu, hoặc các hạng mục đo đạc của các trạm mà phân loại như: a. Phân theo hạng mục hay yếu tố quan trắc Tùy theo yếu tố quan trắc mà phân thành các trạm mực nước hay trạm lưu lượng. - Trạm lưu lượng là trạm đo đầy đủ các yếu tố thủy văn: lưu lượng, mực nước, nhiệt độ nước, phù sa, chất lượng nước, lượng mưa… Chẳng hạn: Trạm Thủy văn: Hòa Bình, Trạm Thủy văn Sơn Tây, Trạm Thủy Văn Yên Bái, Trạm Thủy văn Hà Nội… - Trạm mực nước có nhiệm vụ quan trắc mực nước nhưng cũng có thể được giao thêm nhiệm vụ quan trắc một số yếu tố khác như nhiệt độ nước, chất lượng nước, lượng mưa.. Chẳng hạn như Trạm Thủy văn Hoằng Tân, Trạm Thủy văn Hồi Xuân… trên sông Mã, - Trạm thủy hóa, trạm phù sa hay trạm môi trường... là những trạm dùng để đo các yếu tố cùng tên ví dụ Trạm Môi trường Hòa Bình. b. Phân theo nhiệm vụ Theo nhiệm vụ, mục đích sử dụng, các trạm thủy văn được phân làm 3 loại: 1) Trạm thủy văn cơ bản 11 Trạm thủy văn cơ bản được thành lập nhằm thực hiện nhiệm vụ thu thập số liệu phục vụ cho công tác điều tra cơ bản về nguồn nước. Trạm đặt ở vị trí phải có tính đại biểu cao về quy luật thay đổi của một hay nhiều yếu tố thủy văn trong một khu vực nhất định. Thời gian hoạt động tương đối dài. Ví dụ: Trạm Thủy văn Hoà Bình (sông Đà), Trạm Thủy văn Sơn Tây (sông Hồng), Trạm Thủy văn Cửa Đạt (sông Chu), Trạm Thủy văn Sơn Diệm (Ngàn Phố)… 2) Trạm thủy văn chuyên dùng Trạm thủy văn chuyên dùng là loại trạm thu thập số liệu phục vụ cho thiết kế, thi công, quản lý một công trình nào đó hoặc phục vụ cho nghiên cứu một đề tài mà tài liệu ở trạm thủy văn cơ bản chưa đáp ứng được. Ví dụ như: các trạm mực nước thuộc ngành thủy lợi phục vụ dự báo lũ, các trạm mực nước ở hồ thủy điện, hồ chứa phục vụ tưới như: Trạm Môi trường Hòa Bình, Trạm Thủy văn hồ Suối Hai, trạm Thủy văn hồ Dầu Tiếng… 3) Trạm thủy văn thực nghiệm Trạm thủy văn thực nghiệm là loại trạm chuyên nghiên cứu phương pháp đo đạc, nghiên cứu thử nghiệm các thiết bị đo đạc mới, kiểm nghiệm phương pháp tính toán thủy văn v.v. như Trạm thực nghiệm Thác Bà, Trạm thủy văn thực nghiệm Sơn Động (đã hoàn thành nhiệm vụ) …. c. Phân theo cấp trạm Căn cứ vào số lượng các yếu tố đo đạc và chế độ đo đạc, có thể chia các trạm thuỷ văn ra làm ba cấp trạm: 1. Trạm thủy văn cấp I Trạm thủy văn cấp I là trạm đo đạc đầy đủ các yếu tố thuỷ văn cơ bản như: Mực nước, lưu lượng nước, lưu lượng chất lơ lửng… Chế độ đo đạc được quy định cụ thể tùy thuộc vào sự thay đổi của các yếu tố thủy văn theo thời gian ở từng trạm. Trạm được xây dựng ở nơi quan trọng, mang tính đại biểu của khu vực. Ví dụ Trạm Thủy văn Lai Châu đại diện cho vùng thượng lưu sông Đà, Trạm Thủy văn Lào Cai đại diện cho vùng thượng lưu sông Thao (phần từ Trung Quốc chảy về), Trạm Thủy văn Hà Nội, đại diện cho nhánh sông Hồng chảy về hạ lưu, Trạm Thủy văn Cửa Đạt, đại diện cho lưu vực sông Chu, một nhánh chính của sông Mã… 2. Trạm thủy văn cấp II Trạm thủy văn cấp II là trạm chủ yếu đo mực nước và ngoài ra và đo thêm lưu lượng trong mùa lũ. Tài liệu thu thập được ở trạm này có thể bổ sung hỗ trợ cho trạm thủy văn cấp I. Ví dụ Trạm thủy văn Lâm (sông Bùi)… 3. Trạm thủy văn cấp III 12 Trạm thủy văn cấp III là trạm chỉ có nhiệm vụ đo mực nước và ngoài ra có thể còn phải đo nhiệt độ nước, nhiệt độ không khí, lượng mưa… như Trạm Thủy văn Việt Trì (sông Lô), Trạm Thủy văn Hoàng Tân (sông Mã), Trạm Thủy văn Bến Bình (sông Thái Bình)… Hiện nay, ở nước ta có 232 trạm thủy văn, trong đó có 80 trạm thủy văn cấp I, còn lại lài các trạm thủy văn cấp II và trạm thủy văn cấp III. Câu hỏi chương 1 1. Giới thiệu về môn học đo đạc thủy văn 2. Các yếu tố đo đạc thủy văn 3. Phạm vi nghiên cứu của đo đạc thủy văn 4. Định nghĩa trạm thủy văn và mạng lưới trạm thủy văn 5. Cách phân loại trạm thủy văn và loại trạm thủy văn 13 Chương 2: KHẢO SÁT XÂY DỰNG TRẠM THỦY VĂN 2.1. KHẢO SÁT VÀ LỰA CHỌN VỊ TRÍ ĐẶT TRẠM THUỶ VĂN 2.1.1. Yêu cầu chọn đoạn sông đặt trạm thủy văn Chọn một đoạn sông đặt trạm thuỷ văn là một công việc hết sức quan trọng, có ảnh hưởng mang tính quyết định tới độ chính xác của tài liệu đo đạc. Nếu chọn một đoạn sông không đạt tiêu chuẩn, bố trí tuyến đo không đúng nguyên tắc thì cho dù công việc đo đạc có tốt bao nhiêu nhưng tài liệu đo đạc được vẫn kém chính xác, không đạt yêu cầu và việc đo đạc sẽ gặp nhiều khó khăn. Việc chọn vị trí đặt trạm phải được khảo sát tỉ mỉ, cẩn thận để có đoạn sông đo đạc được lâu dài, tránh di chuyển nay chỗ này mai chỗ khác gây trở ngại cho công tác nghiên cứu thuỷ văn. Do đó khi chọn đoạn sông đặt trạm phải đạt một số yêu cầu sau: a. Cao trình bờ sông Cao trình hai bờ sông phải vượt cao trên mực nước lũ lịch sử. Có nghĩa là, khi có lũ vẫn không xảy ra hiện tượng mất nước do chảy tràn bờ. Hay số liệu lưu lượng nước đã phản ánh đầy đủ tổng lượng nước chảy qua trạm đo, đúng với khả năng sản sinh dòng chảy của lưu vực tính đến trạm đo mà không sai lệch do mất nước. Hay nói cách khác, lưu lượng nước qua trạm thủy văn được khống chế. b. Cao trình đáy sông Cao trình đáy sông được chọn phải thấp dần theo chiều dòng chảy và hình thành độ dốc xuôi thuận. Hay, hướng chảy trong đoạn sông được chọn đồng nhất theo chiều sâu, hạn chế hiện tượng rối động, giúp cho việc đo lưu tốc dễ dàng và chính xác. Ngược lại, nếu cao trình đáy sông hình thành độ dốc ngược, hướng dòng chảy giữa tầng mặt và tầng đáy không đồng nhất (hướng dòng chảy chéo nhau) dễ tạo nên hiện tượng rối động, gây nên sai số khi đo lưu tốc. 1 B 2 V B L’ α 1 A 2 L Hình 2-1. Chiều dài đoạn sông đặt trạm 14 c. Hình dạng sông Đoạn sông được chọn là đoạn hẹp và tương đối thẳng với chiều dài phải bảo đảm tiêu chuẩn: L = (3  5) . Btb (2-1) Trong đó: L - độ dài đoạn sông Btb - độ rộng mặt nước ứng với mực nước trung bình Công thức (2-1) có thể được chứng minh như sau: Giả sử đoạn sông ta chọn xây dựng trạm như hình vẽ có chiều dài L chiều rộng B. phía trên và dưới là đoạn sông cong như hình 2-1. Như vậy dòng nước ở đoạn sông phía thượng lưu chảy từ bên trái sang bên phải (điểm A) rồi qua đoạn sông sang trái (điểm B) sau đó dòng chảy lại đổi chiều sang phải. Hướng chảy AB tạo với bờ sông một góc , do vậy sai số tuyệt đối về chiều dài lớn nhất có thể tính theo công thức sau: L = L’ - L mà L = L’ cos L = L’ - L’ cos = L’ (1 - cos) Tính sai số tương đối so với L’ : %  L L' (1  cos  )  .100  (1  cos  )  100 L' L' cos   L L' cos   L/B  L' / B cos  L/B (2-2) Chia tử và mẫu cho B ta có: L2  B 2 B2 L/B (L/2 = L2+ B2) L'2 / B 2  L/B L 1 ( )2 B  L/B %  1   1  ( L / B) 2   x100  (2-3) Căn cứ vào công thức (2-2) sai số tương đối phụ thuộc vào góc () thông qua mối quan hệ  với tỷ số L/B, từ công thức (2-3) cho thấy sai số tương đối % do tỷ số L/B quyết định. Ta lần lượt lấy tỷ số L/B = 1, 2, 3, 4, 5, 6 tức là chiều dài đoạn sông (L) gấp 1, 2, 3, 4, 5, 6 chiều rộng trung bình của đoạn sông (B tb) và lập bảng tính như bảng 1.2. 15 Từ bảng 2-2 khi L = (3 5)B thì sai số % = (2 5)% nằm trong giới hạn sai số cho phép. Bảng 2-2. Sai số tương đối về chiều dài đoạn sông đặt trạm L/B  độ Cos 1 = cos % 1 45.00 0.707 0.293 29.3 2 26.37 0.894 0.106 10.6 3 18.12 0.950 0.050 5.0 4 14.05 0.970 0.030 3.0 5 12.01 0.978 0.022 2.2 6 9.36 0.986 0.014 1.4 Ghi chú Trong sai số cho phép Đối với đoạn sông có chiều rộng lớn hơn 300m thì lấy độ dài đoạn sông L phải bằng hoặc lớn hơn khoảng cách giữa hai tuyến đo độ dốc. Riêng trạm đo ở vùng ảnh hưởng triều, khi B >300m thì chọn L  1000m. Với hình dạng sông như trên sẽ tạo nên hướng dòng chảy đồng nhất trên toàn mặt cắt và có phương gần song song với đường mép nước. Từ đó, dễ dàng xác định được mặt cắt tuyến đo vuông góc với dòng chảy ở đoạn dòng. Mặt khác, hướng chảy song song với mép nước hạn chế được hiện tượng xói lở giữ ổn định cho công trình đo và quan hệ tương quan lưu lượng ~ mực nước. Ngược lại, nếu hình dạng sông cong hoặc thu hẹp hay mở rộng sẽ phát sinh hướng chảy vòng, chảy xiên sẽ gây nên xói lở và bồi lắng hai bờ, tạo ra những vùng chảy xoáy xâm hại đến công trình đo đồng thời làm cho quan hệ lưu lượng và mực nước không ổn định. Lưu ý rằng, yêu cầu hình dạng đoạn sông tương đối thẳng với chiều dài tối đa không quá năm lần chiều rộng trung bình là xuất phát từ điều kiện thực tế: rất khó có thể tìm được đoạn sông thẳng với độ dài vượt quá năm lần độ rộng. Chẳng hạn với đoạn sông đồng bằng có chiều rộng 1 km thì chiều dài đoạn sông thẳng cần thiết là 5km, điều này rất khó khăn trong thực tế. Xét với trường hợp bất lợi nhất đoạn sông thẳng nối tiếp giữa hai đoạn sông cong và có thể phát sinh hướng chảy xiên, tuy nhiên với chiều dài gấp từ ba đến năm lần chiều rộng vì góc lệch xiên không lớn và sai số do hướng chảy xiên gây ra có thể chấp nhận được. d. Hình dạng mặt cắt ngang Mặt cắt ngang được chọn phải có dạng mở rộng dần, không mở rộng đột ngột (có bãi tràn), lòng sông thoai thoải và không có thực vật thủy sinh cản trở đo đạc. 16 Điều kiện này tạo cho phân bố lưu tốc theo chiều rộng sông biến đổi đều, phù hợp với phương pháp trung bình cộng để tính lưu tốc bình quân bộ phận giữa hai thủy trực. Tuy nhiên, đối với sông đồng bằng rất khó đáp ứng yêu cầu này vì sông đồng bằng thường có bãi tràn hoặc bãi ngầm giữa dòng làm cho sự phân bố lưu tốc theo chiều rộng biến đổi phức tạp. e. Điều kiện về địa chất Chọn đoạn sông có kết cấu địa chất tốt kể cả lòng sông và bờ sông nhằm hạn chế xói lở đồng thời đảm bảo sự bền vững cho công trình đo như cáp treo, hệ thống thước nước, máy tự ghi… f. Điều kiện và các nhân tố ảnh hưởng khác Các nhân tố ảnh hưởng khác gồm có: Hiện tượng nước dâng (nước dồn ứ, nước vật) do tổ hợp lũ giữa các nhánh sông (khu vực ngã ba sông); nước dâng do vận hành đập điều tiết nước. Tác động của hiện tượng nước dâng làm cho mực nước dâng cao giảm độ dốc thực tế dẫn đến lưu lượng làm giảm nhỏ, thậm chí ngừng chảy hoặc chảy ngược cục bộ trong một đoạn sông ngắn. Điều này sẽ gây khó khăn cho đo đạc (vì lưu tốc quá nhỏ do không chính xác) đồng thời hình thành quan hệ mực nước và lưu lượng trái quy luật thông thường (nghịch biến) rất khó khăn cho công tác chỉnh lí số liệu vì hiện tượng nước dâng biến đổi không có quy luật. Đối với sông miền núi còn có tác động của thác nước gây nên hiện tượng nước chảy, sóng và các xáo động mạnh trong dòng chảy. Với dòng sông vùng đồng bằng có tác động của giao thông thủy, các bến cảng xếp dỡ hàng hóa, có nhiều phương tiện giao thông thủy neo đậu, những hoạt động này làm rối động dòng chảy cản trở đo đạc. Vì vậy, không chọn đoạn sông đặt tuyến đo trong phạm vi ảnh hưởng của các bến cảng, của thác nước. Ngoài những điều kiện có tính chất kỹ thuật nêu trên cũng cần lưu ý tới điều kiện sinh hoạt của nhân viên, đặc biệt đối với trạm đo trên sông suối vùng núi hẻo lánh. Kinh nghiệm thực tế cho thấy nếu không quan tâm đúng mức tới yếu tố con người thì chất lượng của số liệu đo đạc khó đạt yêu cầu. Vì vậy, có những trường hợp phải châm chước đối với điều kiện kĩ thuật mà chọn đoạn sông gần bản làng, gần đường giao thông, bưu điện… để hạn chế những khó khăn trong đời sống của nhân viên trạm đo. - Đoạn sông đặt trạm phải ở ngoài phạm vi ảnh hưởng của nước dâng, nước vật do các công trình trên sông hoặc do giao thoa sóng lũ của các sông nhánh gây ra, hay nói cách khác phía trên và dưới đoạn sông đặt trạm không có sông nhánh chảy vào và chảy ra. 17 - Trạm đo không chịu ảnh hưởng của thác ghềnh và ảnh hưởng của các công trình trên sông làm thay đổi quy luật tự nhiên của dòng chảy, không có vật kiến trúc lớn che khuất tầm nhìn. Đối với loại trạm thủy văn dùng riêng cần căn cứ vào yêu cầu phục vụ cụ thể để chọn vị trí đo đạc cho thích hợp. 2.1.2. Nội dung các bước tiến hành khảo sát đoạn sông đặt trạm a. Khảo sát sơ bộ Căn cứ vào các yêu cầu và tiêu chuẩn trạm đo, chọn vị trí đặt trạm trên bản đồ (dùng bản đồ có tỷ lệ càng lớn càng tốt). Sau đó tiến hành khảo sát thực địa, những tài liệu của khảo sát sơ bộ bao gồm: - Tài liệu khí tượng thủy văn tại khu vực đặt trạm; - Tài liệu về địa hình, địa chất khu vực đặt trạm; - Tình hình dân sinh, kinh tế, chính trị tại khu vực đặt trạm; - Các công trình trên sông, quy hoạch của các ngành kinh tế hiện tại và tương lai trong khu vực. - Xác định hướng nước chảy chủ yếu. Tài liệu khảo sát sơ bộ có thể thu được bằng cách điều tra khảo sát, thu thập thông qua các cơ quan quản lý ở địa phương, điều tra lũ hoặc trực tiếp đo đạc một số yếu tố cần thiết. Căn cứ vào những đoạn sông đã sơ bộ lựa chọn trên bản đồ, tiến hành khảo sát thực địa để chọn đoạn sông thỏa mãn những yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật đã quy định. Cần đối chiếu với bản đồ và xem xét có gì khác biệt để chỉnh lý, bổ sung cho đầy đủ. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ khảo sát sơ bộ phải tiến hành lập hồ sơ báo cáo kết quả lên cấp trên, khi được cấp trên chuẩn y tiến hành dự trù máy móc, dụng cụ và kinh phí cho bước khảo sát kỹ thuật. b. Khảo sát kỹ thuật  Trang thiết bị cho đoàn khảo sát gồm: - Một máy thăng bằng (máy thuỷ chuẩn) và 2 mia ; - Một la bàn để xác định độ phương vị ; Một thước cuộn dài (30-50)m; - Máy lưu tốc kế và đồng hồ bấm giây; Một thuyền hoặc ca nô; - Một cuộn dây song hoặc dây cáp có độ dài tuỳ thuộc vào độ rộng của sông; - Giấy vẽ, dụng cụ vẽ và các dụng cụ cần thiết khác (dao, búa, đục, cưa…).  Nội dung khảo sát. 18 Đây là một bước quan trọng để quyết định xây dựng các tuyến đo lưu lượng, tuyến đo mực nước, tuyến đo phao, tuyến đo độ dốc… - Xây dựng các mốc cao độ: Cao độ được dẫn từ mốc chuẩn (có độ cao tuyệt đối) hoặc cao độ giả định (nếu chưa dẫn được cao độ tuyệt đối) - Đo sâu các trắc đồ ngang (mặt cắt ngang) : Cứ (10  20)m bố trí một mặt cắt ngang. Trên các trắc đồ ngang cứ (10  20)m bố trí một điểm đo sâu. Sau đó vẽ các trắc đồ ngang. Hmax = 1225cm Hmin = 837 Số hiệu điểm đo N0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Khoảng cách KĐ (m) 23 34 43 61 75 85 95 110 130 Cao độ đáy sông (m) 14.5 12.0 8.3 6.7 8.6 9.2 11.3 12.7 15.1 Địa chất Sét pha cát Hình 2-3. Mặt cắt ngang tại tuyến chính (tuyến cơ bản) 1 2 3 1 2 3 4 4 5 5 6 6 Hình 2-4. Bình đồ đoạn sông - Khảo sát và vẽ bình đồ đoạn sông (hình 1-4), căn cứ vào các điểm đo sâu của các trắc đồ ngang và đánh thăng bằng tới mực nước cao nhất (H max), đánh dấu hướng, phương vị và độ cao các điểm (tuyệt đối hay giả định). 19