CHƯƠNG CHỈNH LÝ SỐ LIỆU MỰC NƯỚC 8.1 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ Mực nước yếu tố thuỷ văn sử dụng phổ biến ngành có liên quan đến nguồn nước Cơng việc đo mực nước tương đối đơn giản đo nhiều lần cho ngày phải đảm bảo thể thay đổi liên tục mực nước theo thời gian Mục đích cơng tác chỉnh lý số liệu mực nước thực đo kiểm tra, phát sửa chữa sai số đo đạc tính toán, tổng hợp số liệu để sử dụng lưu trữ định chế độ đo hợp lý Có thể theo dõi sơ đồ sau: Mực nước thực đo Định chế độ đo hợp lý Nâng cao chất lượng Tổng hợp chế độ đo hợp lý Cung cấp cho ngành khác Đề xuất yêu cầu Hình 8.1 Sơ đồ chỉnh lý số liệu mực nước Nhiệm vụ cơng tác chỉnh biên: - Phân tích sửa chữa, bổ sung mực nước H - Tính mực nước đặc trưng : mực nước cực đại(Hmax), mực nước thấp (Hmin), chênh lệch mực nước(ΔH) mực nước bình quân ( H ) cường suất mực nước ΔH Δt 112 - Tổng hợp thuyết minh tài liệu 8.2 NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ THAY ĐỔI CỦA MỰC NƯỚC VÀ NHỮNG MỰC NƯỚC THƯỜNG DÙNG 8.2.1 Nhân tố ảnh hưởng Mực nước sông ngịi ln ln biến đổi, thay đổi mực nước nhiều nguyên nhân gây Các chu kỳ lạnh chu kỳ nóng vũ trụ thường kéo theo gia tăng hay giảm dòng chảy Sự thay đổi mực nước (H) năm phụ thuộc nguyên nhân cụ thể lượng mưa rơi bề mặt lưu vực xạ mặt trời năm chi phối Sự thay đổi mực nước ngày phụ thuộc chủ yếu thuỷ triều, gió hoạt động cơng trình bề mặt lưu vực gây nên Tài liệu mực nước đo có đặc điểm số liệu nhiều dễ bị sai đo đạc ghi chép 8.2.2 Mực nước thường dùng - Mực nước bình quân thời đoạn: Đặc điểm số liệu phụ thuộc vào yêu cầu tính tốn Hng , Hth , Hn Mực nước bình qn theo khơng gian: theo đoạn sơng, nhánh sông , hai bờ v.v - Mực nước cao nhất, thấp thời đoạn biểu thị dao động mực nước thời đoạn - Chênh lệch mực nước ΔH trận lũ , thời gian triều lên triều xuống 8.3 PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SAI SỐ CỦA MỰC NƯỚC THỰC ĐO Phương pháp thường dùng phương pháp so sánh, nhận xét đường trình H = f(t) nhiều trạm hệ thống sông Cách làm: 113 Vẽ H = f(t) nhiều trạm biểu đồ phải đảm bảo yêu cầu sau: - Vẽ đồng tỷ lệ thời gian - Tỷ lệ mực nước phụ thuộc vào dao động mực nước trạm mà chọn cho dễ so sánh - Với mức độ xác đến 0,5 mm tỷ lệ thời gian chọn nhỏ mm ≈ tỷ lệ mực nước H khơng nên nhỏ : 20 - Có biểu đồ H = f(t), vào tính chất chung tính chất đặc biệt thay đổi H sông với nhân tố ảnh hưởng tới thay đổi phạm vi sông quan trắc mà kiểm tra - Mực nước thực đo coi hợp lý dạng quan hệ H = f(t) thể tính chất chung tính chất đặc biệt đoạn sơng quan trắc 8.3.1 Tính chất chung thay đổi mực nước sơng a) Tính chất đổi dần Mực nước thay đổi ảnh hưởng lũ triều thể tính chất đổi dần qua giai đoạn: nước dâng nước rút dH > 0, dt nước đứng dH = 0, dt dH < dt Đối với sông miền núi sông ảnh hưởng triều mạnh có giai đoạn nước đứng ngắn từ - 10 phút nên chế độ đo H cách với đo lần không biểu thị giai đoạn nước đứng b) Tính chất điều tiết Mực nước sông thay đổi mực nước lũ, thuỷ triều chịu tác dụng điều tiết sức cản lịng sơng gọi điều tiết tự nhiên lịng sơng Lịng sơng rộng sâu chịu tác động điều tiết rõ nét ngược lại Thông thường lịng sơng vừa nước vừa giữ nước điều tiết thoát nên tác dụng điều tiết lịng sơng thời gian nước rút dài thời gian nước dâng (xét trận lũ ) Tác dụng điều tiết sức cản lịng sơng làm cho biên độ lũ biên độ triều (ΔH chân lũ đỉnh lũ, chân triều đỉnh triều ) giảm dần theo hướng truyền sóng lũ 114 c) Tính chất tương ứng Sóng lũ, sóng triều truyền theo dọc sông tạo nên thay đổi mực nước mặt cắt hệ thống sông tương ứng lệch pha thời gian truyền lũ, truyền triều Tính chất thể rõ sơng khơng có tượng giao thoa sóng lũ, sóng triều khơng có lượng gia nhập khu Nếu H = f(t) thời gian nhiều mặt cắt đoạn sơng có dạng tương tự nhau, chứng tỏ mực nước mặt cắt có thời gian thay đổi tương ứng H d) Tính chất chênh lệch thuận Quan hệ H = f(t) thời gian nhiều mặt cắt hệ thống sông vẽ hệ trục toạ độ tỷ lệ đường khơng cắt với điều t(ngµy) kin mt ct chun Bi vỡ Hình 8.2 Đờng quan hệ H=f(t) trạm Phả Lại s nc chy c sụng Thái Bình l s chờnh lch mc nc theo chiều dọc sông nên mực nước mặt cắt theo chiều nước chảy thấp dần 8.3.2 Tính chất đặc biệt thay đổi mực nước sơng Nhữngtính chất tương phản tính chất chung là: a Tính chất thay đổi gấp Quan hệ H = f(t) hình thành với bước nhảy cường suất lớn Tính chất thể đoạn sơng có hoạt động cơng trình thuỷ lợi lớn cống ngăn triều, đập dâng, hồ chứa xảy tượng vỡ đê, đập, Trong trường hợp mực nước bình thường phía hạ lưu xảy vỡ đê, mực nước hạ thấp đột ngột tạo nên bước chảy nước rút 115 b Tính chất điều tiết Tại sơng lịng sơng bị thu hẹp dẫn đến khả thoát lũ kém, tạo tượng nước dâng làm cho biên độ lũ mặt cắt khu vực nước dâng lớn biên độ lũ mặt cắt khu vực thượng lưu Hiện tượng cịn thể đoạn sơng có nước bổ sung thêm dọc sông, biên độ lũ tăng theo hướng dọc sơng Với sơng hình loa, thuỷ triều truyền vào sông dễ dàng đoạn thu hẹp có tượng nước dồn làm cho biên độ triều đoạn lớn biên độ triều mặt cắt vùng cửa sơng Với đoạn sơng có nhiều nhánh nhập lưu xảy tượng giao thoa sóng lũ nhánh nên hình thành dạng lũ đặc biệt mà thời gian nước dângHdài thời gian nước rút H=f(t) dao động theo dạng lũ H=f(t) dao động kết hợp lũ triều Thời gian Hình 8.3 Đường quan hệ H=f(t) không tương ứng đoạn sông chuyển tiếp lũ triều c.Tính chất khơng tương ứng Những đoạn có nhiều sơng nhánh, nhập lưu, thời gian cấp nước tỷ lệ lượng nước nhánh không đồng nhất, tạo nên H Đường cong mặt nước lõm Chảy xi Khơng chảy Chảy ngược L Hình 8.4 Dạng đường cong mặt nước lõm tượng chênh lệch ngược 116 tượng mực nước dao động không tương ứng mặt cắt hệ thống sơng Hiện tượng cịn xảy sơng chuyển tiếp, vùng ảnh hưởng lũ ảnh hưởng triều mặt cắt cách không xa xảy tượng mặt cắt mực nước dao động theo dạng lũ, mặt cắt mực nước chuyển động theo dạng kết hợp lũ lẫn triều d Tính chất chênh lệch ngược Hiện tượng xảy trường hợp có tác dụng nước nhảy, Đoạn sơng ảnh hưởng triều có chuyển tiếp hướng chảy xuôi (từ nguồn biển) hướng chảy ngược (từ biển vào sơng) có tượng chênh lệch ngược Bởi đường mặt nước cách tương đối xa 8.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬA CHỮA CÁC SAI SỐ CỦA MỰC NƯỚC (H) THỰC ĐO Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số mực nước H thực đo Nhưng sai số chia hai loại: + Sai số chủ quan: bao gồm sai số tính sai, đo sai ( kể sai số ảnh hưởng điều kiện thời tiết), dẫn cao độ sai ghi sai số liệu thước đo mực nước + Sai số khách quan: Bao gồm sai số máy tự ghi, biến động, hỏng hóc Căn dạng quan hệ H = f(t) nhận xét nguyên nhân sai số: Nếu quan hệ H = f(t) có bước nhảy tạo nên dao động không tương ứng ( so trạm trạm dưới) rõ nét tượng đo tính sai, chép sai, đo sai Bởi tượng đo sai, ghi sai, tính sai xảy thời điểm, khơng có tính quy luật Nếu quan hệ H = f(t) có bước nhảy gián đoạn giữ dạng dao động tương ứng với trạm sai số H thực đo dẫn sai độ cao, ghi sai số hiệu thước nước Loại sai số có tính chất hệ thống với nhiều mực nước liên tiếp Sửa chữa sai số tiến hành theo bước sau: - Nếu sai số tính tốn, chép, ghi sai loại bỏ H sai bổ sung H 117 - Nếu dẫn sai độ cao, ghi sai số hiệu thước đo mực nước cần hiệu chỉnh số liệu mực nước theo số liệu độ cao thước ghi Loại bỏ H sai bổ sung H theo cách sau: 8.4.1 Nội suy Hđ Hc thời đoạn Thường người ta nội suy theo xu thay đổi (đường thẳng) biểu thức nội suy: Ht = Hd = Hc − Hd (t − t d ) tc − td (8.1) B−íc nh¶y kÕ tiÕp H a) b) Bớc nhảygián đoạn t Thời gian Hình 8.5 Sai số tính sai, đo chép sai, đo sai (a) sai số dẫn cao độ sai sai số niƯu th−íc ®o (b) Trong đó: Ht - Mực nước thời điểm cần tính Hđ - Mực nước đầu thời đoạn Hc - Mực nước cuối thời đoạn tđ, tc - Thời điểm đầu cuối thời đoạn t - Thời điểm thời đoạn tính tốn nội suy 8.4.2 Tính theo quan hệ tương quan mực nước H hệ thống sông trạm Quan hệ xây dựng theo tương quan thời điểm tương quan lệch pha Cách dùng cho trường hợp (nước dâng, nước 118 rút, nước đứng dao động chập chờn) Thường người ta dùng quan hệ tính bổ sung cho thời điểm nước cực trị (chân lũ, đỉnh lũ, chân triều, đỉnh triều) Ta có Htrên - Hdưới đo thời điểm, ta lại có Htrên - Hdưới sau thời gian chảy truyền Tuỳ đặc trưng đoạn sơng mà quan hệ có dạng đường thẳng hay đường cong Nếu sai số dẫn cao độ ghi sai số liệu thước nước sai số số, cần xác định sai số cộng trừ sai số cho ta số liệu H Tính vẽ đường luỹ tích mực nước bình qn ngày Đường luỹ tích nhằm phục vụ nhu cầu khai thức sử dụng nguồn nước giao thơng, xây dựng cơng trình thuỷ, phịng chng lt 900 H (Phả L ại) 800 700 600 500 400 400 500 600 700 H (C ¸t K hê) H ìn h T n g q u an m ù c n − í c ® Øn h triỊu cđ a h trạm P h ả L ại C át K sông Thái B ình Cỏc bc tin hnh: Biết số liệu H ngày năm X trạm Y - Phân cấp H bình quân ngày - Căn vào số liệu tính ΔH mực nước bình qn ngày cao với mực nước ngày thấp ΔH = Hmax − Hmin (8.2) 119 Và chia khoảng 20 - 30 cấp Bảng 9.1 Bảng thống kê cấp mực nước để xây dựng đường luỹ tích H Cấp mực nước Số ngày H xuất tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Số Số ngày cấp ngày luỹ tích - Tính số ngày H xuất cấp - Tính số ngày luỹ tích - Vẽ đường luỹ tích Tuỳ yêu cầu thực tế mà vẽ đường luỹ tích bình qn năm hay đường luỹ tích bình qn nhiều năm luỹ tích năm điển hình H, cm 800 600 400 200 100 200 300 (Ngày) Hình 8.7 Đường luỹ tích mực nước trạm Hà Nội năm 1961 120 CHƯƠNG CHỈNH LÝ SỐ LIỆU LƯU LƯỢNG NƯỚC Hiện điều kiện kinh tế, kỹ thuật hạn chế, việc đo lưu lượng nước gặp nhiều khó khăn, nên cịn nhiều sai phạm Việc tiến hành đo lưu lượng thường không liên tục mà đo giai đoạn Song tính tốn lưu lượng cần chuỗi đo lưu lượng liên tục phản ánh tình hình thay đổi nước sơng theo thời gian không gian Do hai hạn chế nêu mà sử dụng số liệu lưu lượng nước thiết cần thơng qua việc chỉnh lí số liệu 9.1 MỤC ĐÍCH NHIỆM VỤ CHỈNH LÍ TÀI LIỆU LƯU LƯỢNG NƯỚC 9.1.1 Mục đích - Sửa chữa sai sót, nâng cao chất lượng tài liệu - Biến tài liệu lưu lượng không liên tục thành liên tục - Tổng hợp để bảo quản lưu trữ tài liệu - Qua chỉnh lí số liệu lưu lượng chỉnh lí số lần đo cho hợp lí Thực đo Cung cấp Mục đích chỉnh lí Định chế độ đo Đề nghị Hình 9.1 Sơ đồ công tác chỉnh lý lưu lượng 9.1.2 Nhiệm vụ chỉnh lí tài liệu lưu lượng - Kiểm tra , sửa chữa tài liệu sai - Phân tích, phân loại dạng quan hệ Q=f(H) 121 - Tính lưu lượng Q tức thời theo mực nước H đặc trưng - Tổng hợp thuyết minh số liệu - Định chế độ đo đạc 9.1.3 Kiểm tra, sửa chữa tài liệu Yêu cầu kiểm tra đảm bảo đủ số lượng lần đo, phân phối lần đo (thời gian , không gian chất lượng đo) Chất lượng tài liệu xét mặt: - Trang thiết bị, nhân lực - Đo đủ yếu tố hay khơng? Ví dụ đo lưu lượng Q gồm H, B, V, I - Phương pháp đo đạc: đo bản, đo giản hoá, đo chi tiết - Kiểm tra khâu tính tốn từ việc tính vận tốc điểm đến lưu lượng Q yếu tố khác 9.1.4 Phân tích quan hệ Q=f(H) Nội dung: Dạng quan hệ Q=f(H) thuộc dạng nào? Nhân tố ảnh hưởng chủ yếu? Có thể cách định tính (nhận dạng) định lượng (tính độ phân tán theo %) Dựa vào tính xói, bồi mặt cắt mà phân thành loại quan hệ Q =f(H) là: - Tương đối ổn định - Thay đổi theo mặt cắt - Thay đổi theo độ dốc - Thay đổi khơng có quy luật 122 a Quan hệ Q=f(H) tương đối ổn định Khơng có dạng phân bố theo thời gian đánh giá sai lệch % ΔH ≤ 4% kết luận quan hệ tương đối ổn định Nguyên nhân đo đạc tượng ngẫu nhiên Quan hệ thường gặp sông miền đồng không ảnh hưởng triều H,cm 4 3 2 1 Q ω v hmax Hình 9.2 Quan hệ Q=f(H), ω=f(H), v = f ( H ), , hmax = f ( H ) b Quan hệ Q=f(H) thay đổi theo diện tích mặt cắt W Cơng cụ phân tích dựa vào ba quan hệ W=f(H), Q=f(H), I=f(H) Bằng định tính khoảng lệch ΔQ khoảng lệch ΔW phân bố thành nhóm theo thời gian (hoặc phân bố theo cấp mực nước H Với ΔQ ≤ 5% ΔW > 5% Các nguyên nhân sai số đo đạc; bồi xói Vì không cân lượng chuyển cát theo chiều c Quan hệ Q=f(H) thay đổi theo độ dốc mặt nước Định tính: Trên cấp nước khoảng lệch ΔQ khoảng lệch ΔI tương ứng với phân bố theo nhóm thời gian, phân bố theo cấp mực nước 123 Về định lượng, ΔQ ≥ 5% không xét ΔW, ΔI Hiện tượng xảy độ lệch pha , biến hình, giao thoa sóng lũ - Lệch pha: Đỉnh lũ trạm không xuất với đỉnh lũ trạm - Biến hình: Càng truyền phía đưới đỉnh lũ thấp lũ bẹt dần - Giao thoa: Là tượng phức tạp xảy đoạn sơng có nhánh đổ vào - Lệch pha, biến hình, giao thoa sóng triều + Lệch pha ngược với trường hợp lũ + Biến hình + Giao thoa sóng triều phức tạp giao thoa sóng lũ Hiện tượng xảy trạm đồng gần biển làm cho độ dốc q trình lên, xuống có tăng hay giảm mực nước H thay đổi vừa chịu ảnh hưởng lũ triều H,cm x x x x x x x x x x ΔQ x xx x x Q,m3/s Q Hình 9.3 Quan hệ Q=f(H) tương đối ổn định d Quan hệ Q=f(H) thay đổi khơng có quy luật Định tính: Khơng có tương ứng mực nước với lưu lượng, diện tích mặt cắt độ dốc theo thời gian theo không gian 124 Định lượng: ΔQ ≥ ± 5%Q ΔW ≥ ± 5%W ΔI không xét Hiện tượng thường xảy trạm vừa thay đổi theo độ dốc mực nước, vừa thay đổi theo mực nước H,c m H,c m H,c m x2 x2 x4 x3 x1 x4 x1 x3 x1 x2 x4 Qm3/s x3 ω,m2 I Hình 9.4 Quan hệ Q=f(H), ω=f(H), I=f(H) 9.1.5 Phương pháp tính tốn + Quan hệ Q=f(H) tương đối ổn định sử dụng phương pháp đường trung bình + Quan hệ Q=f(H) thay đổi theo diện tích nên sử dụng phương pháp tỷ số diện tích phương pháp trung bình thời đoạn + Quan hệ Q=f(H) thay đổi theo độ dốc Có thể dùng phương pháp mô đun lưu lượng , phương pháp tỷ số độ dốc, phương pháp đường cong theo thời gian + Quan hệ Q=f(H) khơng có quy luật Dùng phương pháp đường cong theo thời gian 9.1.6 Tính lưu lượng tức thời Chọn phương pháp tính Tính lưu lượng tức thời theo mực nước kết để dùng tính tốn đặc trưng Có phương pháp tính tốn sau: 125 - Phương pháp đồ giải - Phương pháp bán đồ giải u cầu lập biểu tính tốn phải dễ đọc dễ nội suy; đảm bảo sai số cho phép; mang tính khoa học tính mỹ thuật cao Nguồn số liệu ban đầu số liệu mực nước tức thời mặt cắt sử dụng phương pháp trung bình thời đoạn dễ dàng tính lưu lượng tức thời với ngun tắc tính tốn sau: Xây dựng biểu đồ tính tốn mặt cắt tính tốn lưu lượng Q phải dùng số liệu mực nước mặt cắt Xây dựng biểu đồ quan hệ Q = f(H) Đo thời đoạn dùng để tính lưu lượng tức thời cho thời đoạn Nếu quan hệ Q=f(H) khơng thay đổi lớn sử dụng biểu đồ quan hệ Q = f(H) đo thời đoạn tính cho thời đoạn khác Tính lưu lượng Q trung bình thời đoạn đặc trưng khác: a Vùng không ảnh hưởng triều: thường tính Qngày, Qtháng, Qnăm Có cách tính Qngày : Tính gần , nhanh sử dụng phép trung bình cộng Q n g = ∑ Q ∑ ti ti (m3/s) (9.1) ti Qti - Lưu lượng nước bình quân thời đoạn ti ngày ti - số đo thời gian đoạn thứ i (s) Môđun lưu lượng năm(l/s km2) M nam = Qnam F (9.2) F - Diện tích lưu vực trạm khống chế (km2) Wnăm - Thể tích nước qua mặt cắt năm: 126 W ¦nam = ∑ Wi (m3) (9.3) - Độ sâu dòng chảy năm : Ynam = Wnam F (mm) (9.4) b Vùng ảnh hưởng triều mạnh: Trong ngày hướng dịng chảy khơng đồng chảy ngược lẫn chảy xi tính đặc trưng triều phải tính Qngược Qxi cho chu kỳ triều riêng biệt (H.9.5) - Qngược ngược Q xi + Qxi 9.1.7 Kiểm tra kết tính t Hình 9.5 Kiểm tra kết tính nhằm phát sai số tính tốn, xét tính chất hợp lý kết tính tốn có phù hợp quy luật thay đổi mực nước hay khơng ? xảy trường hợp sau : - Kết tính xác phù hợp với quy luật - Kết tính xác , khơng phù hợp với quy luật - Kết tính khơng xác phù hợp với quy luật - Kết tính khơng xác khơng phù hợp với quy luật Phương pháp kiểm tra: 127 ... lưu vực gây nên Tài liệu mực nước đo có đặc điểm số liệu nhiều dễ bị sai đo đạc ghi chép 8. 2.2 Mực nước thường dùng - Mực nước bình quân thời đo? ??n: Đặc điểm số liệu phụ thuộc vào u cầu tính tốn... Tuỳ đặc trưng đo? ??n sông mà quan hệ có dạng đường thẳng hay đường cong Nếu sai số dẫn cao độ ghi sai số liệu thước nước sai số số, cần xác định sai số cộng trừ sai số cho ta số liệu H Tính vẽ... Biến tài liệu lưu lượng không liên tục thành liên tục - Tổng hợp để bảo quản lưu trữ tài liệu - Qua chỉnh lí số liệu lưu lượng chỉnh lí số lần đo cho hợp lí Thực đo Cung cấp Mục đích chỉnh lí