Giáo trình Đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn

Tr−ờng đại học thuỷ lợi kHOA THUỷ VĂN - MÔI TRƯờNG bộ MÔN CHỉNH TRị SÔNG và bờ BIểN phan đình lợi - nguyễn năng minh Giáo trình Đo đạc vμ chỉnh lý số liệu thuỷ văn Hμ nộI - 2001 Lời giới thiệu Đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn là công tác trọng tâm của nội dung điều tra cơ bản về nguồn n−ớc mặt trong các sông, suối, ao, hồ... ở n−ớc ta, do vậy cần đ−ợc trang bị những kiến thức cơ bản về đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn cho các kỹ s− chuyên ngành Thủy văn - Môi tr−ờng. Qua một thời gian dài hoạt động của ngành thuỷ văn, khí t−ợng nói chung và của công tác đo đạc, chỉnh lý số liệu thuỷ văn nói riêng đã có phần đóng góp đáng kể của các kỹ s− chuyên ngành thuỷ văn. Thời gian gần đây do sự phát triển của nền kinh tế n−ớc ta và việc xâm nhập mạnh mẽ những kiến thức khoa học kỹ thuật hiện đại từ các n−ớc tiên tiến vào n−ớc ta nên một số ph−ơng pháp đo đạc, máy móc đo đạc và ph−ơng pháp chỉnh lý số liệu thuỷ văn đã có sự thay đổi cho phù hợp. Tuy vậy những nét cơ bản trong công tác này vẫn kế thừa những kiến thức mà chúng ta đã sử dụng trong gần một thế kỷ qua. Do đó trong giáo trình này vẫn đề cập tới những kiến thức cơ bản đã và đang ứng dụng cùng với một số kiến thức và máy móc đo đạc hiện đại đang bắt đầu đ−ợc sử dụng ở n−ớc ta. Nội dung của giáo trình cũng đã chú ý biên soạn phù hợp những quy định của các quy phạm Tiêu chuẩn ngành của Tổng cục Khí t−ợng - Thuỷ văn để tạo điều kiện thuận lợi cho kỹ s− khi ra tr−ờng công tác. Một số yếu tố đã đo đạc tr−ớc đây mà hiện nay tạm ngừng đo đạc (bùn cát đáy) chúng tôi sẽ không trình bày chi tiết. Một số thuật ngữ cũ đã dùng tr−ớc đây mà nay Tổng cục Khí t−ợng Thuỷ văn đã sửa đổi nh−ng chúng tôi vẫn phải dùng lại và ghi thuật ngữ mới trong ngoặc ( )* vì các lý do sau: Các giáo trình, tài liệu đã xuất bản của tr−ờng Đại học Thuỷ lợi nh− Chỉnh trị sông,, Động lực học dòng sông, Tính toán thuỷ văn... có liên quan tới tài liệu thuỷ văn vẫn dùng các thuật ngữ cũ. Mặt khác nhằm giúp cho sinh viên và các kỹ s− khi ra tr−ờng có thể khai thác sử dụng đ−ợc các tài liệu cũ có liên quan. Ví dụ: "L−ợng ngậm cát" nay đổi thành "Hàm l−ợng chất lơ lửng"... Trong giáo trình này ghi là: L−ợng ngậm cát (hàm l−ợng chất lơ lửng)*... Nội dung của môn học còn bao gồm một đợt thực hành của sinh viên ở các trạm thủy văn. Đây là dịp để các kỹ s− t−ơng lai vận dụng các kiến thức đã học vào việc đo đạc, tính toán, chỉnh lý số liệu ở thực tế, nhất là học tập ph−ơng pháp tổ chức làm việc ở một trạm thủy văn. Đối t−ợng phục vụ chính của giáo trình là sinh viên ngành thuỷ văn - môi tr−ờng đồng thời có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành học khác có liên quan. Nội dung sách gồm 10 ch−ơng, việc biên soạn đ−ợc phân công nh− sau: Giảng viên Phan Đình Lợi biên soạn phần mở đầu và các ch−ơng I đến ch−ơng VI. Giảng viên Nguyễn Năng Minh biên soạn các ch−ơng VII đến ch−ơng X. 3 Trong quá trình biên soạn và hoàn chỉnh nội dung chúng tôi đã nhận đ−ợc nhiều ý kiến đóng góp của bộ môn "Chỉnh trị sông và bờ biển" tr−ờng Đại học Thuỷ Lợi, trong đó giảng viên Ngô Lê Long đã giúp đỡ thiết kế bản vẽ minh hoạ; sự góp ý và giúp đỡ của Cục mạng l−ới và Trang thiết bị kỹ thuật Khí t−ợng Thuỷ văn, Trung tâm t− liệu Khí t−ợng Thuỷ văn, Đài Khí t−ợng Thuỷ văn khu vực đồng bằng Bắc bộ, Tổng cục Khí t−ợng Thủy văn. Đặc biệt là sự góp ý và giúp đỡ của PGS. TS. Đỗ Cao Đàm nguyên giảng viên tr−ờng Đại học Thuỷ lợi, PGS. TS. Ngô Trọng Thuận Tổng cục Khí t−ợng Thuỷ văn. Công tác đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn bao gồm một nội dung khá lớn, song ch−ơng trình của môn học lại có hạn. Để phù hợp với yêu cầu giảng dạy chúng tôi đã chọn lọc những vấn đề cơ bản để biên soạn trong giáo trình này, do đó không tránh khỏi thiếu sót mong bạn đọc, góp ý, xây dựng để giáo trình đ−ợc hoàn chỉnh thêm. Các tác giả 4 Ch−ơng mở đầu _1. Dòng sông đối với các ngμnh kinh tế n−ớc ta I. Nguồn lợi và tác hại do dòng sông mang lại cho cuộc sống và sản xuất. Sông ngòi đã gắn bó với con ng−ời bao đời nay. Nó đ−a lại nguồn n−ớc cho sinh hoạt, cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải và nhiều ngành kinh tế khác... Vì vậy mà sự phát triển của các khu dân c−, các thành phố lớn trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá của một n−ớc hay một khu vực đã mọc lên hai bên sông... Dòng sông đồng thời cũng đã gây ra cho con ng−ời không ít khó khăn nh− lũ lụt, sự diễn biến của dòng sông có khi làm xói lở cả một vùng đất đai rộng lớn cùng với nhà cửa và các công trình xây dựng trên đó. Ng−ợc lại có chỗ lòng sông bồi lấp làm cho các công trình đã xây dựng bên bờ sông (công trình lấy n−ớc, cảng...) không hoạt động đ−ợc. Sau đây chỉ đơn cử một vài thời kỳ lũ điển hình để thấy tác hại do lũ lụt gây ra cho con ng−ời. - Từ năm 1848 - 1883 Đê Văn Giang vỡ 18 năm liền, biến một vùng đồng bằng rộng lớn ở H−ng Yên thành rừng lau sậy. - Từ năm 1900 - 1945 có 17 lần lũ làm vỡ đê sông Hồng và sông Thái Bình là một trong những nguyên nhân gây ra nạn đói năm 1945. - Lũ lịch sử tháng 8/1971 gây vỡ đê sông Đuống và sông Thái Bình làm thiệt hại lớn về ng−ời và của ở đồng bằng Bắc bộ. - Cuối năm 1999 lũ ở các tỉnh miền Trung đã gây cho nhân dân ta những thiệt hại to lớn cho tới nay vẫn ch−a hàn gắn đ−ợc. - Cuối năm 2000, 2001 lũ ở đồng bằng sông Cửu Long kéo dài hai, ba tháng đã gây không ít khó khăn cho nền kinh tế ở n−ớc ta... II. Tài liệu thuỷ văn đối với các ngành kinh tế. Các ngành kinh tế, kỹ thuật có liên quan tới dòng sông và các yếu tố thuỷ văn của nó ở n−ớc ta ngày càng phát triển, nhất là trong giai đoạn đổi mới nền kinh tế hiện nay. Nh−ng sự hiểu biết của chúng ta về thiên nhiên nói chung và về dòng sông nói riêng vẫn ch−a đủ. Để có cơ sở cho việc lập quy hoạch, đ−a ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp để khai thác tài nguyên n−ớc và hạn chế các tác hại do dòng sông gây ra tr−ớc hết phải biết các quy luật biến đổi của dòng n−ớc, bùn cát v.v.. trong dòng sông. Muốn vậy phải đo đạc, quan sát quá trình thay đổi của các yếu tố thuỷ văn tại các vị trí khống chế, đặc tr−ng cho một đoạn sông hoặc một hệ thống sông nào. Từ chuỗi tài liệu thực đo có thể tổng hợp thành các chuỗi số liệu đặc tr−ng, làm cơ sở cho việc xác lập các quy luật thay đổi của các yếu tố thuỷ văn ở đoạn sông nghiên cứu. Tài liệu thuỷ văn phục vụ nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật có liên quan tới n−ớc và dòng sông. Sau đây chỉ đơn cử một số chuyên ngành có liên quan trực tiếp tới thuỷ văn. 5 1. Tài liệu thuỷ văn thu thập đ−ợc, qua chỉnh lý và tổng hợp phục vụ cho công tác điều tra cơ bản về tài nguyên n−ớc của n−ớc ta. Đây là nhiệm vụ cơ bản mà Tổng cục Khí t−ợng - Thuỷ văn đã và đang tiến hành. Tài liêu này đ−ợc cung cấp cho các ngành có nhu cầu. 2. Ngành Thuỷ lợi luôn gắn liền với dòng sông do đó tài liệu thuỷ văn sẽ làm cơ sở để tính toán các thông số cơ bản của công trình thuỷ lợi nh− hồ chứa, đập, cửa lấy n−ớc, công trình trị sông, biển.v.v.. Trong đó chuyên ngành chỉnh trị sông, các tài liệu thuỷ văn đóng vai trò hết sức quan trọng cho việc phân tích nguyên nhân diễn biến lòng sông, chọn giải pháp công trình hợp lý... Công tác phòng chống lũ lụt là một trong những công tác hàng đầu của Nhà n−ớc và của Ngành Thuỷ lợi. Để giải quyết tốt việc phòng chống lũ lụt cần phải nắm đ−ợc quy luật biến đổi của các yếu tố thuỷ văn của từng l−u vực sông. Chẳng hạn muốn xây dựng một hồ chứa tại một điểm nào đó để chứa lũ, phát điện và lợi dụng tổng hợp thì phải biết các đặc tr−ng thuỷ văn tại vị trí đó nh− mực n−ớc (Hmax, H , Hmin)l−u l−ợng (Qmax, Q , Qmin), bùn cát, tổng l−ợng n−ớc (W) và sự phân phối của nó trong năm, trong nhiều năm; l−ợng bùn cát chuyển qua mặt cắt nào đó trong sông v.v... Các tài liệu này là sản phẩm của đo đạc thuỷ văn. 3. Dòng sông đối với giao thông vận tải nói chung, đặc biệt đối với giao thông thuỷ có một ý nghĩa to lớn. Vì vận tải thuỷ là loại ph−ơng tiện vận tải rẻ tiền và tiện lợi do đó đ−ợc nhân dân ta đã sử dụng lâu đời. Để phát triển loại hình vận tải này cần phải biết quy luật thay đổi của lòng sông cùng với sự thay đổi của các yếu tố thuỷ văn trên đó để xác định tuyến vận tải, cấp vận tải và làm các công trình giao thông trên sông. 4. Tài liệu thuỷ văn còn phục vụ cho các ngành dùng n−ớc khác nh− t−ới, sinh hoạt, cung cấp n−ớc cho công nghiệp, phục vụ cho nuôi trồng thuỷ sản; phục vụ cho quốc phòng, cho ngành du lịch... _2. Vμi nét về đo đạc Thuỷ văn ở n−ớc ta Do yêu cầu của cuộc sống và sự phát triển của nền sản xuất mà việc quan sát, ghi chép một số yếu tố thuỷ văn đơn giản nh− mực n−ớc đã đ−ợc loài ng−ời tiến hành từ hàng nghìn năm tr−ớc, nh− tại sông Nin (Ai cập), sông Hằng (ấn Độ). Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học mà khoa học thuỷ văn nói chung và đo đạc thuỷ văn nói riêng đã có nhiều tiến bộ, đặc biệt trong thế kỷ 20. Từ các loại máy đo thông th−ờng ngày nay đã có nhiều loại máy tự động đo đạc, l−u trữ và truyền số liệu... công tác chỉnh lý số liệu thuỷ văn cũng không ngừng phát triển cùng với sự phát triển của công nghệ tin học. Sự phát triển của thuỷ văn ở n−ớc ta trong gần một thế kỷ qua cũng đã có nhiều tiến bộ. Căn cứ vào quá trình thay đổi về mạng l−ới trạm thuỷ văn, yếu tố quan trắc có thể phân chia sự phát triển đó ra các giai đoạn nh− sau: 6 - Giai đoạn tr−ớc 1954: trạm thuỷ văn (có tài liệu) lâu đời nhất ở n−ớc ta đ−ợc thành lập từ năm 1902 ở miền Bắc có 11 trạm và năm 1912 ở miền Nam có 16 trạm, số trạm đo l−u l−ợng, bùn cát trong giai đoạn này có từ 2-4 trạm trong tổng số gần 30 trạm. - Từ năm 1954 - 1975 ở miền Bắc đã có sự thay đổi cơ bản về mạng l−ới trạm. Phần lớn các trạm đ−ợc xây dựng từ năm 1956 - 1960. Đến năm 1960 đã có gần 130 trạm, trong đó có trên 50 trạm đo l−u l−ợng và bùn cát. Số cán bộ công nhân viên có tới gần một nghìn ng−ời. Cơ quan quản lý là Cục Thuỷ văn, Bộ Thuỷ lợi. - Từ năm 1975 tới nay quy hoạch l−ới trạm toàn quốc đ−ợc hoàn thiện. Hiện tại có gần 240 trạm đo, trong đó có gần 80 trạm đo l−u l−ợng và 50 trạm đo bùn cát. Số trạm còn lại đo mực n−ớc, đo độ mặn... Về ph−ơng tiện máy móc đo đạc hiện đại cũng đang dần dần đ−ợc thay đổi. Số cán bộ kỹ thuật có trình độ tiến sĩ, thạc sĩ, kỹ s−... ngày càng tăng và đ−ợc đào tạo liên tục hằng năm. Cơ quan quản lý cao nhất của ngành là Tổng cục Khí t−ợng Thuỷ văn bao gồm một số Cục, Vụ, Viện. Một số tỉnh gần nhau và có liên quan tới mạng l−ới sông đ−ợc thành lập một Đài khu vực d−ới sự quản lý của Tổng cục. Đài khu vực sẽ quản lý trực tiếp các trạm thuỷ văn trong Đài. _3. Các yếu tố thủy văn cần đo đạc, thu thập I. Yếu tố cơ bản về dòng chảy, bùn cát và hoá n−ớc: - Mực n−ớc: ký hiệu H - đơn vị cm. - Tốc độ dòng chảy (l−u tốc): V (U) - m/s - L−u l−ợng n−ớc: Q (m3/s) - Bùn cát lơ lửng ρ (kg/m3); R (kg/s) - Bùn cát đáy gs (Kg/ms); Gs (kg/s) - Mặt cắt ngang sông và các yếu tố có liên quan tới địa hình lòng sông. - Độ dốc mặt n−ớc J (%00) - H−ớng chảy. - Độ mặn: S (%0) - Độ chua: pH - Nhiệt độ n−ớc và nhiệt độ không khí v.v... II. Các yếu tố khác có liên quan tới các yếu tố cơ bản nh−: - Trạng thái dòng chảy, hoạt động của các công trình gần trạm. - L−ợng m−a. - Sóng, gió v.v... Đối với mỗi yếu tố thuỷ văn cơ bản, nội dung sẽ đ−ợc đề cập tới bao gồm: Chọn vị trí đo, công trình, thiết bị, máy móc đo đạc; ph−ơng pháp đo đạc; chế độ đo; cách tính toán và chỉnh lý số liệu. 7 Mục lục Trang Ch−ơng Mở đầu ............................................................................................ 5 Đ1. Dòng sông đối với các ngành kinh tế n−ớc ta ........................................... 5 Đ2. Vài nét về đo đạc thuỷ văn n−ớc ta ........................................................... 6 Đ3. Các yếu tố thuỷ văn cần đo đạc, thu thập ................................................. 7 Ch−ơng I. Khảo sát, chọn tuyến đo đạc các yếu tố thuỷ văn............................................................... 8 Đ1-1. Phân cấp, phân loại trạm thuỷ văn......................................................... 8 Đ1-2. Khảo sát chọn vị trí đặt trạm thuỷ văn................................................... 9 Ch−ơng II. Đo mực n−ớc vμ nhiệt độ n−ớc .................................... 17 Đ2-1. Công trình và máy đo mực n−ớc.......................................................... 17 Đ2-2. Chế độ đo mực n−ớc ............................................................................ 24 Đ2-3. Đo và tính toán mực n−ớc................................................................... 25 Đ2-4. Đo nhiệt độ n−ớc T°N và nhiệt độ không khí T°K ............................... 26 Đ2-5. Quan sát, đo đạc các yếu tố khác ....................................................... 27 Đ2-8. Tính toán, thống kê các đặc tr−ng mực n−ớc...................................... 28 Ch−ơng III. Đo độ sâu dòng n−ớc......................................................... 32 Đ3-1. Đo sâu dòng n−ớc và ứng dụng .......................................................... 32 Đ3-2. Dụng cụ và máy móc đo sâu............................................................... 32 Đ3-3. Chế độ đo sâu ..................................................................................... 37 Đ3-4. Các ph−ơng pháp đo sâu ..................................................................... 37 Đ3-5. Chỉnh lý và tính toán tài liệu đo sâu .................................................. 42 Ch−ơng IV. Đo l−u l−ợng n−ớc........................................................... 46 Đ4-1. Ch−ơng trình và máy móc đo l−u l−ợng n−ớc .................................... 46 Đ4-2. Đo l−u l−ợng tại vùng sông không ảnh h−ởng triều ............................ 58 Đ4-3. Tính l−u l−ợng bằng ph−ơng pháp "l−u tốc -diện tích" ....................... 68 Đ4-4. Đo l−u l−ợng n−ớc tại vùng sông ảnh h−ởng triều .............................. 84 Đ4-5. Xác định h−ớng chảy........................................................................... 91 Đ4-6. Đo l−u l−ợng n−ớc bằng tàu di động và máy ADCP ........................... 98 Đ4-7. Khái quát về chế độ đo l−u l−ợng n−ớc ............................................. 109 Ch−ơng V. Đo bùn cát trong n−ớc sông....................................... 111 Đ5-1. Khái niệm, nguồn gốc và phân loại bùn cát ...................................... 111 Đ5-2. Máy móc và thiết bị lấy mẫu ............................................................ 113 i Đ5-3. Đo l−u l−ợng bùn cát lơ lửng ............................................................. 118 Đ5-4. Đo l−u l−ợng bùn cát đáy .................................................................. 130 Đ5-5. Khái quát chế độ đo bùn cát .............................................................. 132 Ch−ơng VI. Đo độ mặn trong n−ớc sông vùng ven biển ..... 133 Đ6-1. Khái niệm về độ muối và độ mặn...................................................... 133 Đ6-2. Vị trí và ph−ơng pháp lấy mẫu .......................................................... 133 Đ6-3. Ph−ơng pháp phân tích mẫu n−ớc và xác định độ mặn .................... 134 Đ6-4. Đo độ mặn bằng máy......................................................................... 140 Đ6-5. Đo độ chua pH................................................................................... 141 Đ6-6. Khái quát chế độ đo độ mặn và độ chua............................................ 142 Ch−ơng VII. Chỉnh lý số liệu mực n−ớc vμ nhiệt độ n−ớc 143 Đ7-1. Mục đích, nhiệm vụ của công tác chỉnh lý số liệu thuỷ văn nói chung .................................................. 143 Đ7-2. Tóm tắt nội dung chỉnh lý số liệu mực n−ớc ..................................... 143 Đ7-3. Tính bổ sung mực n−ớc bình quân ngày và cực trị............................ 144 Đ7-4. Kiểm tra phát hiện sai số ................................................................... 146 Đ7-5. Tính chất chung của sự thay đổi mực n−ớc sông............................... 146 Đ7-6. Tính chất đặc biệt của sự thay đổi mực n−ớc sông........................... 149 Đ7-7. Nhận dạng sai số và cách xử lý ......................................................... 151 Đ7-8. Tổng hợp số liệu và xác định trị số đặc tr−ng.................................... 151 Đ7-9. Chỉnh lý số liệu mực n−ớc vùng ảnh h−ởng triều .............................. 153 Đ7-10. Thuyết minh, nhận xét về chất l−ợng số liệu................................... 154 Đ7-11. Chỉnh lý số liệu nhiệt độ n−ớc sông ................................................ 155 Ch−ơng VIII. Chỉnh lý số liệu l−u l−ợng n−ớc vùng sông không ảnh h−ởng triều .................. 157 Đ8-1. Nội dung chỉnh lý số liệu l−u l−ợng n−ớc ......................................... 157 Đ8-2. Chỉnh lý l−u l−ợng n−ớc khi quan hệ Q=f(H) ổn định ...................... 158 Đ8-3. Một số kỹ năng vẽ biểu đồ và kéo dài Q=f(H) .................................. 166 Đ8-4. Chỉnh lý số liệu l−u l−ợng n−ớc khi quan hệ Q=f(H) thay đổi theo mặt cắt bị xói, bồi........................................................ 173 Đ8-5. Chỉnh lý số liệu l−u l−ợng n−ớc khi quan hệ Q=f(H) thay đổi theo độ dốc mặt n−ớc .......................................................... 177 Ch−ơng IX. Chỉnh lý số liệu l−u l−ợng n−ớc vùng sông ảnh h−ởng triều ...................................... 190 Đ9-1. Phân loại ảnh h−ởng triều .................................................................. 190 ii Đ9-2. Chỉnh lý l−u l−ợng n−ớc khi ảnh h−ởng triều yếu ............................. 191 Đ9-3. Chỉnh lý l−u l−ợng n−ớc khi ảnh h−ởng triều mạnh ......................... 192 Đ9-4. Chỉnh lý l−u l−ợng n−ớc ảnh h−ởng triều mức trung bình................. 201 Đ9-5. Nhận xét về các ph−ơng pháp chỉnh lý l−u l−ợng vùng triều ............ 205 Đ9-6. Khái quát về ch−ơng trình chỉnh lý tài liệu thuỷ văn trên máy vi tính ................................................................................. 205 Ch−ơng X. Chỉnh lý số liệu l−u l−ợng bùn cát lơ lửng.... 211 Đ10-1. Thu thập các tài liệu có liên quan.................................................... 211 Đ10-2. Nội dung và ph−ơng pháp chỉnh lý l−u l−ợng bùn cát lơ lửng ........ 212 Đ10-3. Một số biện pháp xử lý khi quan hệ dbmn ~ ρρ không ổn định....... 216 Tμi liệu tham khảo ........................................................................ 218 ảnh bìa : Trạm thuỷ văn Th−ợng Nhật, Tả trạch sông H−ơng tỉnh Thừa Thiên - Huế Photo: Giảng viên Trần Thanh Tùng iii