Giáo trình Đo đạc thủy văn

Phần sát mặt n−ớc: Vì phần này ở phía trên bộ chuyển đổi + Phần gần hai bờ sông : ở đây hoặc là do độ sâu dòng chảy nhỏ hơn độ sâu nhỏ nhất cho phép đo của máy hoặc do tàu không thể vào sát bờ đ−ợc. + Phần sát đáy sông: phần này không đo đ−ợc l−u l−ợng với lý do: năng l−ợng tia chính đ−ợc truyền thẳng từ bộ chuyển đổi, một số tia bên năng l−ợng thấp hơn đ−ợc truyền ở dạng hình nón xung quanh tia chính. Hình nón năng l−ợng này gọi là "búp bên" (Side lobes). Búp bên có góc lệch α so với tia chính (với máy có tần số 1200 KHZ thì α=30°). Phần năng l−ợng của tia chính phản xạ lại các phần tử lơ lửng còn phần năng l−ợng " búp bên" phản xạ lại đáy. Mặc dù năng l−ợng "búp bên' yếu hơn tia chính đáy vẫn là vật phản xạ mạnh hơn nhiều so với các phần tử lơ lửng trong n−ớc. Do vậy loại phản xạ đáy gây nhiễu sự phản xạ n−ớc của tia chính, kết quả l−u tốc thu đ−ợc sẽ không chính xác. Ngoài lý do đã nêu còn một số nguyên nhân khác nữa mà phần l−u l−ợng sát đáy không đ−ợc ADCP đ−a vào tính l−u l−ợng . Độ dày của tầng đáy không đo đ−ợc là 6% khi α = 20° và 15% khi α = 30° so với chiều sâu dòng chảy. 105 Để có đ−ợc l−u l−ợng của các bộ phận không đo đ−ợc cần phải sử dụng phép ngoại suy từ tài liệu biên. Phép ngoại suy có thể là đ−ờng thẳng hoặc đ−ờng cong luỹ thừa quy luật. Kết quả tính toán sẽ chính xác hơn khi dùng phép ngoại suy đ−ờng cong từ ít nhất tài liệu đáng tin cậy của hai tầng sâu sát biên. Giá trị l−u l−ợng ngoại suy sẽ đ−ợc tự động tính toán với các thông số đ−ợc cài đặt của ng−ời sử dụng . Để vận hành tốt máy đo ADCP ng−ời đo phải sử dụng đ−ợc những điểm cớ bản của các phần mềm (chủ yếu TRANSECT) đ−a đủ các thông số cần thiết tr−ớc khi cho máy bắt đầu phát xung năng l−ợng. 4. Những tài liệu cơ bản thu thập đ−ợc khi sử dụng ADCP a. L−u l−ợng n−ớc: Sau khi kết thúc một lần đo máy cho ta các giá trị l−u l−ợng sau: - L−u l−ợng toàn mặt cắt (cả phần ngoại suy) - L−u l−ợng n−ớc qua một bộ phận nào đó của mặt cắt. (Xem bảng bên phải của các hình 4-33; 4-36) - Nếu trên mặt cắt có các bộ phận n−ớc chảy ng−ợc chiều nhau thì trong kết quả sẽ là tổng l−u l−ợng chuyển qua mặt cắt theo một chiều nào đó. b. L−u tốc: - Sự phân bố l−u tôc theo h−ớng nào đó tại bất kỳ thuỷ trực nào (hình 4-33) - Phân bố l−u tốc trên mặt cắt theo một h−ớng nào đó (hình 4-34) c. Phân bố c−ờng độ của năng l−ợng âm phản xạ của một chùm tia nào đó trên mặt ngang (hình 4- 35) d. Đ−ờng đi của tàu theo toạ độ và véc tơ l−u tốc tại độ sâu nào đó (hình 4-36) e. Cho biết khoảng cách từ điểm bắt đầu đo tới điểm nào đó (khi cần xem lại tài liệu) Ngoài ra còn cho ta biết thời gian đo đạc, nhiệt độ n−ớc lúc đo và nhiều thông tin khác. 5. Những yếu tố nâng cao độ chính xác của tài liệu Theo tài liệu đo thử nghiệm ở n−ớc ta thì dùng máy ADCP cho ta l−u l−ợng n−ớc sai khác với l−u l−ợng của ph−ơng pháp đo chi tiết nhỏ hơn 5% (lấy l−u l−ợng đo chi tiết trong điều kiện tin cậy nhất làm chuẩn). Những yếu tố ảnh h−ởng tới độ chính xác của tài liệu đo bằng ADCP bao gồm: - Tốc độ di chuyển của tàu đo: Khi tàu đo di chuyển chậm sẽ có nhiều tập hợp số liệu thu đ−ợc, do đó sẽ giảm sai số trung bình của l−u l−ợng. - Kích th−ớc tầng sâu càng nhỏ thì sẽ thu đ−ợc nhiều tập hợp, các phần l−u l−ợng không đo đ−ợc cần phải ngoại suy sẽ giảm, do đó số liệu thu đ−ợc sẽ chính xác hơn. - Độ sâu trung bình càng lớn thì có nhiều tầng sâu đ−ợc đo, do đó tổng sai số sẽ giảm. - Bề rộng sông càng lớn thì có nhiều tập hợp đ−ợc đo (xét cùng tốc độ chuyển động của tàu) do đó sai số trung bình về l−u l−ợng sẽ giảm. - Khi l−u tốc lớn thì phép đo l−u tốc sẽ có độ biến thiên thấp hơn..... 106 Hình 4-33. Phân bố l−u tốc h−ớng Đông và Bắc theo độ sâu tại điểm đo Hình 4-34. Phân bố l−u tốc trên mặt cắt ngang 107 Hình 4-35. Phân bố c−ờng độ âm phản xạ trên mặt cắt ngang Hình 4-36. Đ−ờng đi của tàu ( Shiptrack) theo toạ độ và h−ớng l−u tốc ở tầng sâu 1.86m 108 Đ 4-7 khái quát về chế độ đo l−u l−ợng n−ớc. Tuỳ theo mục đích, yêu cầu đặt trạm, tuỳ theo thời gian thành lập tram, tuỳ theo chế độ dòng chảy, tình hình thay đổi của mặt cắt tại tuyến đo, tuỳ thuộc vào các ảnh h−ởng của điều kiện tự nhiên hoặc công trình gần trạm.. mà số lần đo l−u l−ợng n−ớc có thể nhiều hay ít. Về khái quát thì số lần đo l−u l−ợng phải đạt các yêu cầu sau: - Đủ để khống chế đ−ợc tính đại biểu của quan hệ Q = ƒ(H) từ thấp đến cao. - Đủ để xây dựng các quan hệ tính l−u l−ợng tức thời khi l−u l−ợng n−ớc ở trạm ảnh h−ởng của một yếu tố nào đó. - L−u l−ợng n−ớc của điểm đo có tính đại biểu cho các kỳ triều c−ờng, trung bình và kém. - Kỳ đo bao gồm cả thời kỳ ảnh h−ởng lũ chủ yếu hoặc ảnh h−ởng triều chủ yếu I. Chế độ đo l−u l−ợng n−ớc ở trạm không ảnh h−ởng triều 1. Số lần đo về mùa kiệt ít hơn về mùa lũ, (bằng khoảng 1/3) 2. Khi có lũ thì tuỳ thuộc vào quan hệ mực n−ớc ~ l−u l−ợng (H ~Q) của trạm chịu ảnh h−ởng loại gì (độ dốc, diện tích, công trình trên sông, tổng hợp) mà bố trí điểm đo sao cho phù hợp để đáp ứng đ−ợc yêu cầu của việc tính toán l−u l−ợng tức thời (chỉnh lý tài liệu l−u l−ợng n−ớc) 3. Đối với trạm mới xây dựng thì số lần đo l−u l−ợng nhiều hơn ở trạm đã hoạt động một thời gian II. Chế độ đo l−u l−ợng ở trạm ảnh h−ởng triều 1. Thời kỳ ảnh h−ởng triều mạnh: Đo trên đ−ờng thuỷ trực đại biểu. a. Đối với vùng nhật triều: - Chế độ 1: Mỗi giờ đo một lần vào các giờ 1, 2, ...24; ngoài ra tr−ớc và sau lúc xuất hiện l−u tốc lớn nhất, lúc chuyển dòng triều cách 30 phút đo một lần. - Chế độ 2: Mỗi giờ đo một lần (1, 2,....24) - Chế độ 3: Hai giờ đo một lần vào các giờ lẻ (1, 3, ....21, 23) b. Đối với vùng bán nhật triều và triều hỗn hợp - Chế độ 1; Nửa giờ đo một lần, ngoài ra tr−ớc và sau khi xuất hiện l−u tốc lớn nhất lúc chuyển dòng triều cách 15 phút đo một lần. - Chế độ 2: Nửa giờ đo một lần (0h, 0h30'... ) - Chế độ 3: Trong thời gian dòng triều xuống mỗi giờ đo một lần,trong thời gian dòng triều lên nửa giờ đo một lần. 109 Chế độ 4: Mỗi giờ đo một lần (1,2...24) 2. Thời kỳ ảnh h−ởng triều yếu. Chế độ đo l−u l−ợng ở thời kỳ này có thể vận dụng chế độ đo l−u l−ợng ở trạm không ảnh h−ởng triều. Trong mùa lũ nh−ng có thời kỳ ảnh h−ởng lũ yếu, ảnh h−ởng triều mạnh thì tuỳ theo tình hình dòng chảy mà thay đổi chế độ đo cho phù hợp. 110 Ch−ơng V đo bùn cát trong n−ớc sông 5-1. Khái niệm, nguồn gốc vμ phân loại bùn cát I. Khái niệm: Bùn cát trong n−ớc 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 n−ớc sông tuy ch−a thật chính xác nh−ng vì một số lý do nh− 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: 1. Từ bề mặt l−u vực: Bề mặt l−u vực bị phong hoá, khi hạt m−a rơi xuống tạo ra động năng làm cho bùn cát tách khỏi mặt phong hoá. Dòng chảy mặt trên l−u vực lôi cuốn chúng trôi xuống khe, suối và cuối cùng vào sông. L−ợng bùn cát từ nguồn cung cấp này chiếm 80% tổng l−ợng bùn cát trong sông. 2. Từ bờ và lòng sông: Động năng của dòng chảy làm xói lở bờ sông và lòng sông đ−a bùn cát vào dòng chảy. L−ợng bùn cát này chiếm khoảng 15-20% tổng l−ợng bùn cát trong sông. 3. Từ biển đ−a vào: Đối với những đoạn sông gần biển do tác động của dòng chảy ven bờ, dòng triều, sóng, gió... mà bùn cát đã đ−ợc đ−a từ biển vào sông, l−ợng bùn cát này chiếm khoảng 5% tổng l−ợng bùn cát trong sông. Tuy tỷ lệ bùn cát từ biển vào là nhỏ song nó là nhân tố chủ yếu làm ảnh h−ởng tới sự hoạt động kinh tế ở vùng cửa sông nh− bồi lấp cửa sông ảnh h−ởng xấu đến thoát lũ, giao thông thuỷ, đánh cá vv...Do đó trong việc đo đạc bùn cát không đ−ợc xem nhẹ thành phần bùn cát này. III. Phân loại bùn cát trong sông. Bùn cát trong sông có thể đ−ợc phân làm hai loại tuỳ theo hình thức tồn tại và chuyển động của nó. 1. Bùn cát lơ lửng (chất lơ lửng)*: 111 Những hạt rắn có đ−ờng kính t−ơng đối nhỏ chuyển động lơ lửng theo dòng n−ớc đ−ợc gọi là bùn cát lơ lửng. 2. Bùn cát đáy (chất di đẩy)*: Những hạt rắn có đ−ờng kính lớn hơn, chuyển động sát đáy sông bằng các hình thức lăn, tr−ợt, nhảy... gọi là bùn cát đáy Tuỳ thuộc vào các điều kiện của dòng chảy nh− l−u 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 ng−ời ta gộp loại bùn cát bán lơ lửng vào bùn cát lơ lửng. IV. Các đặc tr−ng cơ bản của bùn cát. 1. Đặc tr−ng cơ bản của bùn cát lơ lửng. a. L−ợng ngậm cát (hàm l−ợng chất lơ lửng)* là l−ợng bùn cát lơ lửng có trong một đơn vị thể tích hỗn hợp gồm n−ớc và bùn cát, kí hiệu là ρ, đơn vị là g/m3, g/l hoặc kg/m3. b. L−u l−ợng bùn cát lơ lửng (l−u l−ợng chất lơ lửng)* là l−ợng 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 tr−ng cơ bản của bùn cát đáy. a. Suất chuyển cát đáy là l−ợng 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. L−u l−ợng bùn cát đáy là l−ợng 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 tr−ng cơ bản trên còn có các đặc tr−ng khác đ−ợc tính toán từ các đặc tr−ng trên nh−: - L−ợng ngậm cát thực đo bình quân mặt ngang (hàm l−ợng chất lơ lửng bình quân thực đo toàn mặt ngang)* đ−ợc xác định từ tài liệu đo đạc bùn cát lơ lửng và l−u l−ợng n−ớc trên toàn mặt ngang, kí hiệu ρmn, đơn vị là g/m3, g/l, kg/m3. - L−ợng ngậm cát lớn nhất (hàm l−ợng chất lơ lửng lớn nhất)*, l−ợng ngậm cát nhỏ nhất trong thời đoạn nào đó. - Tổng l−ợng bùn cát lơ lửng (tổng l−ợng chất lơ lửng)* qua mặt ngang trong thời đoạn nào đó, kí hiệu là Wr, đơn vị là 10 3T hoặc 106T. Việc đo đạc bùn cát đáy tại các trạm thuỷ văn ở n−ớc ta đã qua một thời gian khá dài song tài liệu thu đ−ợc không đáp ứng đ−ợc 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 ch−a 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, Th−ợng Cát). Tuy vậy, vẫn tồn tại sự liên quan giữa yếu tố bùn cát đáy với một số môn học khác; trong t−ơng lai 112 việc đo đạc bùn cát đáy có thể sẽ đ−ợc 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. 5-2. Máy móc vμ thiết bị lấy mẫu 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 đ−ợc đệm bằng cao su xuyên qua nắp chai có 2 vòi (vòi lấy n−ớc và vòi thoát khí). Chỗ cửa ra của hai vòi chênh nhau một đầu n−ớc tĩnh là ΔH. Tuỳ theo l−u tốc khác nhau mà dùng loại vòi có đ−ờng kính và ΔH khác nhau. Máy kiểu chai có thể lấy mẫu theo ph−ơng pháp tích phân, tích điểm hoặc hỗn hợp. 25 ΔΗ 4 3 1 2 Hình 5-1. Cách treo chai khi lấy mẫu. 1. vòi thoát khí; 2. vòi lấy n−ớc; 3. nắp Khi dùng chai để lấy mẫu cần chú ý: - Cố định chai trên gậy hay cáp, trục chai hợp với ph−ơng 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: 113 Máy gồm một ống kim loại hình trụ thể tích 0,5-5dm3. Hai đầu ống có 2 nắp, trong nắp có đệm cao su. Nắp đ−ợc 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. Tr−ớc 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 n−ớc mẫu ra, ở đỉnh bình có nút để rửa bình khi cần. - Vòi lấy mẫu có đ−ờng kính khác nhau tuỳ thuộc vào l−u tốc (bảng3-1) vòi đ−ợc 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 đ−a vòi xuống điểm đo. Bảng (3-1): Đ−ờng kính vòi lấy mẫu t−ơng ứng với l−u tốc. L−u tốc (m/s) V2.0 Đ−ờng kính vòi (mm) 6 4 3 b. Phạm vi sử dụng: - Lấy mẫu n−ớc theo ph−ơng pháp tích điểm: khi độ sâu từ 0.1-20m, l−u tốc ≤ 0.5m/s. 114 - Lấy mẫu theo ph−ơng pháp tích sâu (tích phân): Khi độ sâu từ 1-20m, l−u tốc < 0.5m/s + + + Khi độ sâu từ 1-10m, l−u tốc <1.0m/s Khi độ sâu từ 1-5m, l−u tốc <2.5m/s Hình 5-3. Máy kiểu chân không c. Nguyên lý hoạt động và ph−ơng pháp lấy mẫu của máy chân không. - Máy hút đ−ợc n−ớc mẫu do chênh lệch áp suất giữa bình chân không và vòi lấy mẫu khi đ−ợc nối thông nhau. - Khi lấy mẫu tiến hành nh− 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. + Đ−a vòi lấy mẫu xuống điểm đo (ph−ơng pháp tích điểm) hoặc chạm mặt n−ớc (ph−ơng 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 n−ớc mẫu. + Đo dung tích n−ớc mẫu ở bình và rút n−ớc mẫu vào chai đựng mẫu Khi đo cần ghi các thông số đầy đủ vào chai đựng mẫu nh− vị trí đo, thời điểm đo... 4. Máy đo l−ợng ngậm cát và đ−ờng kính hạt LISST-25 Máy LISST-có nhiều loại, mỗi loại có tính năng khác nhau. Riêng loại LISST-25 dùng để đo l−ợng ngậm cát và đ−ờng 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 115 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, c−ờng 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 và dây kết nối. Hình 5-4. Máy đo l−ợng ngậm cát lơ lửng LISST-25 c. Các thông số kỹ thuật cơ bản và phạm vi ứng dụng Phạm vi đo đạc: • • • • • - L−ợng ngậm cát ρ = 1 - 5000 g/m3 - Đ−ờng kính hạt d = 1,25 - 500 micrômet (0,00125 - 0,5 mm) - Độ sâu đo đ−ợc hmax = 300m Độ chính xác: - L−ợng ngậm cát (đối với các cỡ hạt) : ± 20% - Đ−ờng kính bình quân : ±10% Năng l−ợng 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, đ−ờng kính 8cm, nặng 3,6 kg (trong n−ớc 0,9kg) 116 d) Cách đo đạc Máy có thể đo đạc bùn cát lơ lửng theo ph−ơng pháp tích phân. Khi đo, máy đ−ợc 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 đ−ợc máy l−u 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 th−ớc mắt l−ới 250 micrômet. Khi đo túi hứng cát đ−ợc đặt trong cửa hứng cát. Túi cho n−ớc đi qua dễ dàng và giữ lại các hạt bùn cát. Đây là bộ phận chủ yếu của máy : 117 - Đuôi máy (4) có tác dụng lái cho cửa hứng cát luôn luôn h−ớng ng−ợc 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 đ−ợc thử dần từ 5, 10, 15, 20 ... phút, sao cho mỗi lần lấy mẫu bùn cát ch−a 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, nh−ợc 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 đ−ợc làm bằng Polieste, có mắt l−ới khá nhỏ (250 micrômet) song n−ớc 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 nh− : Việc lấy mẫu tại một điểm nhiều lần rất tốn công sức, thời gian; việc xác định hệ số đ−ờng kính hạt bùn cát khó khăn. Máy Helley Smith đang đ−ợc đo thử nghiệm và đo phục vụ cho các chuyên đề nghiên cứu, ch−a đ−ợc ứng dụng rộng rãi tại các trạm thủy văn. 5-3. Đo l−u l−ợng bùn cát lơ lửng. I. Vị trí lấy mẫu. 118 1. Thuỷ trực lấy mẫu trên mặt cắt ngang. Mặt cắt đo bùn cát đ−ợc bố trí trùng với mặt cắt đo l−u l−ợng n−ớc. Khi bố trí thuỷ trực lấy mẫu bùn cát lơ lửng cần chú ý: - Số đ−ờng thủy trực lấy mẫu bằng hoặc ít hơn số đ−ờng thuỷ trực cơ bản đo l−u tốc. Nh−ng không đ−ợc ít hơn ở bảng (5-2). - Vị trí đ−ờng thuỷ trực lấy mẫu phải trùng với đ−ờng thuỷ trực đo l−u tốc. Bảng 5-2. Số đ−ờng thuỷ trực lấy mẫu n−ớc phụ thuộc độ rộng sông. Độ rộng mặt n−ớc (m) 1000 Số thuỷ trực lấy mẫu n−ớc 3ữ5 5ữ7 7ữ8 8ữ10 10ữ12 2ữ15 2. Vị trí thuỷ trực đại biểu: Trên mặt cắt ngang có thể chọn một hoặc hai đ−ờng thuỷ trực để lấy mẫu n−ớc 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 ph−ơng trong phạm vi cho phép). - Thuận tiện cho việc lấy mẫu đại biểu hàng ngày. II. Ph−ơng pháp lấy mẫu. 1. Lấy mẫu toàn mặt ngang: Việc lấy mẫu đ−ợc tiến hành đồng thời với đo l−u tốc. Lấy mẫu trên thuỷ trực có ba ph−ơng pháp: Ph−ơng pháp tích điểm, ph−ơng pháp tích phân và ph−ơng pháp hỗn hợp. a. Lấy mẫu theo ph−ơng 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 ph−ơng tiện máy móc khác nhau đ−ợc thể hiện nh− bảng (5-3). Bảng 5-3. Độ sâu thích hợp cho ph−ơng pháp tích điểm. Độ sâu thích hợp (m) Số điểm đo Vị trí điểm đo Dùng gậy Dùng cáp 5 điểm Mặt; 0.2; 0.6; 0.8h; đáy >1.50 >3.00 3 điểm 0.2; 0.6; 0.8h >0.75 >1.50 2 điểm 0.2; 0.8h >0.75 >1.50 119 1 điểm 0.5 <0.75 <1.50 1 điểm 0.6h <0.50 <1.00 Vị trí điểm lấy mẫu phải trùng với vị trí điểm đo l−u tốc trừ tr−ờng hợp lấy mẫu 1 điểm tại 0,5h. Nếu số điểm đo l−u 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 ph−ơng pháp này là kiểu ngang, kiểu chai (có nút) hoặc máy chân không. b. Lấy mẫu theo ph−ơng pháp tích phân (tích sâu). Việc lấy mẫu theo ph−ơng pháp tích phân có thể lấy một lần từ đáy lên mặt hoặc cả hai lần xuống và lên. Máy lấy mẫu theo ph−ơng pháp này là kiểu chai hoặc máy chân không. Khi lấy mẫu theo ph−ơng pháp 1 lần lên thì hai vòi của máy kiểu chai cần có nút đóng mở khi cần thiết. Lấy mẫu theo ph−ơng pháp tích phân cần chú ý: - Khi di chuyển máy lấy mẫu phải kéo với tốc độ đều và không v−ợt quá 1/3 l−u tốc bình quân thuỷ trực. - Mẫu n−ớc không đ−ợc lấy đầy chai, th−ờng bằng từ 80-90% thể tích chai. Nếu kéo chai lên mà n−ớc 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 ph−ơng pháp hỗn hợp trên thuỷ trực. Theo ph−ơng pháp này thì mẫu n−ớc lấy tại các điểm khác nhau trên thuỷ trực có thể tích theo một tỷ lệ nhất định, hỗn hợp mẫu n−ớc tại các điểm đo thành 1 mẫu n−ớc cho mỗi thuỷ trực. ở đây có thể lấy mẫu bằng máy kiểu chai, máy kiểu ngang hoặc máy chân không. Tỷ lệ mẫu n−ớc tại các điểm có thể dựa theo độ sâu hoặc theo giá trị l−u tốc tại các điểm. - Theo độ sâu thì thể tích mẫu n−ớc đ−ợc xác định theo tỷ lệ sau: 2/1/1 và 1/1, tỷ lệ 2/1/1 tức là thể tích n−ớc 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 n−ớc mẫu tại điểm 0,2h và 0,6h bằng nhau. Vị trí các điểm đo của ph−ơng pháp hỗn hợp tỷ lệ theo độ sâu nh− bảng (5-4). Bảng 5-4. Độ sâu điểm đo theo ph−ơng pháp lấy mẫu hỗn hợp. Độ sâu thích hợp (m) Ph−ơng pháp Vị trí điểm đo Dùng gậy Dùng cáp 2/1/1 0.2h;0.6h;0.8h >0.75 >1.5 1/1 0.2h;0.8h >0.75 >1.5 120 - Theo giá trị l−u tốc của ph−ơng pháp đo 2 điểm hoặc 3 điểm thì thể tích n−ớc mẫu tại các điểm tỷ lệ thuận với giá trị l−u tốc tại điểm đó. Ví dụ: Ph−ơng pháp 3 điểm. L−u tốc tại các điểm 0.2h; 0.6h; 0.8h t−ơng ứng là 2m/s, 1.8m/s, 1.5m/s thì thể tích n−ớc mẫu tại các điểm t−ơng ứng là 1lít, 0.9lít và 0.75lít. Chú ý: Khi lấy mẫu theo ph−ơng pháp hỗn hợp, nếu xảy ra tr−ờng hợp thể tích mẫu n−ớc lấy tại các điểm ch−a phù hợp với tỷ lệ đã quy định thì có thể bớt các mẫu n−ớc có thể tích v−ợt quá thể tích quy định. Sai số thể tích mẫu cho phép tại các điểm không quá 10% thể tích quy định. d. Lấy mẫu n−ớc theo ph−ơng pháp hỗn hợp trên mặt cắt ngang. Theo ph−ơng pháp này thì mẫu n−ớc lấy tại các thuỷ trực trên mặt cắt ngang đ−ợc đổ chung thành một mẫu. Kết quả sau khi tính toán sẽ cho ta l−ợng ngậm cắt bình quân mặt ngang. Ph−ơng pháp này chỉ áp dụng với điều kiện l−ợng ngậm cát nhỏ hơn 20g/m3 (cân 1/1000g), khi lũ lên xuống nhanh việc lấy mẫu cùng lúc với đo l−u l−ợng gặp khó khăn hoặc khi đo l−u tốc từ các công trình đo đạc không thuận tiện cho việc lấy mẫu. 2. Lấy mẫu n−ớc đại biểu. Việc đo l−u l−ợng 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 n−ớc đại biểu có thể dùng một trong các ph−ơng pháp và máy lấy mẫu đã trình bày. Tr−ờng hợp l−ợng ngậm cát tại 1 điểm nào đó trên thuỷ trực đại biểu có quan hệ chặt với l−ợng ngậm cát bình quân mặt ngang thì chỉ cần lấy mẫu n−ớc đại biểu tại điểm đó. Máy lấy mẫu n−ớc đại biểu phải thống nhất với máy lấy mẫu n−ớc trên toàn mặt ngang khi xây dựng quan hệ (ρmn ∼ρđb). Khi mẫu n−ớc đại biểu lấy tại 2 thuỷ trực đại biểu thì có thể hỗn hợp thành 1 mẫu để xử lý. III. Xử lý mẫu n−ớc bùn cát lơ lửng. Xử lý mẫu n−ớc là xác định khối l−ợng bùn cát khô có trong mẫu n−ớc. Hiện nay có 2 ph−ơng pháp thông dụng để xử lý mẫu n−ớc: Ph−ơng pháp lọc và ph−ơng pháp sấy khô. 1. Ph−ơng pháp lọc: Ph−ơng pháp này thích hợp khi l−ợng ngậm cát t−ơng đối lớn. Để xác định khối l−ợng bùn cát tr−ớc tiên ta xác định dung tích mẫu n−ớc, cho mẫu n−ớc vào thùng hoặc chai để lắng. Thời gian để lắng phụ thuộc vào tốc độ lắng chìm của bùn cát. 121 Các dụng cụ lọc mẫu: Chai đựng n−ớc mẫu (sau khi đã gạn n−ớc 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 n−ớc, sau khi sấy khô ít hút ẩm, lọc nhanh vv... - Lọc xong đ−a 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. - Vi