Chỉ dẫn quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 11: Quan trắc thủy văn và thời tiết]
27/09/2025 09:51
Bài 11- Quan trắc thủy văn và thời tiết
Dữ liệu khí tượng thủy văn đáng tin cậy là rất quan trọng trong giai đoạn lập kế hoạch của bất kỳ dự án tài nguyên nước nào, vì nó là cơ sở để đánh giá khả năng cung cấp nước và lũ thiết kế. Đối với các đập cũ, dữ liệu khí tượng thủy văn là cần thiết cho các mục đích sau:
1. Cập nhật lũ thiết kế dựa trên hồ sơ lũ quan trắc;
2. Tối ưu hóa việc phân bổ, điều tiết nước dựa trên các phép đo dòng chảy vào và bay hơi;
Dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm được sử dụng để ước tính lượng bay hơi. Nó cũng tham gia vào mô hình hóa sự cố công trìnhnếu có xu hướng hình thành). Việc theo dõi sự di chuyển của bão và dự báo lượng mưa liên quan yêu cầu các phép đo được thực hiện ở các quốc gia khác nhau cùng một lúc. Để đồng bộ với lịch đo toàn cầu, thời điểm quy định cho các quan sát khí tượng ở Việt Nam là:
• Lấy số liệu mỗi ngày một lần: 8:30 sáng
• Lấy số liệu hai lần mỗi ngày: 7:00 sáng và 7:00 chiều
• Lấy số liệu ba lần hàng ngày: 8:30 sáng, 2:30 chiều và 5:30 chiều
Các dụng cụ khí tượng cần thiết cho một con đập bao gồm máy đo mưa, chảo bốc hơi, nhiệt kế nhiệt độ tối đa và tối thiểu, nhiệt kế bầu khô và bầu ướt, cánh gió và máy đo gió, khí áp kế, máy ghi nắng, trạm thời tiết tự động.
11.1 Đo lượng mưa
Dụng cụ được sử dụng là máy đo mưa. Đồng hồ đo mưa có thể là loại thông thường, không ghi hoặc loại tự ghi. Ngày nay, các loại gầu lật phổ biến nhất, một lựa chọn khác là loại gầu cân.
11.1.1 Thiết bị đo mưa đơn giản
Theo TCVN 8304:2009, thiết bị đơn giản nhất và được sử dụng phổ biến nhất là thùng đo mưa. Thùng đo mưa làm bằng tôn, gồm hai ngăn, được thông nhau bằng một cái phễu hình nón, có tác dụng làm giảm sự bốc hơi. Thùng có nắp để đậy khi thay thùng lúc quan trắc.
Hình 11‑1 Thùng đo mưa đơn giản
Thùng đo mưa phải đặt nơi bằng phẳng, cách xa vật cản như nhà cửa, cây cối từ 3 lần đến 4 lần chiều cao của vật cản. Đơn vị để tính lượng mưa là milimét và tính số lẻ đến 0,1 mm.
Khi đo lượng mưa, người ta không đo trực tiếp trong thùng đo mưa mà dùng cốc đo mưa để đo (có tác dụng là phóng đại lớp nước mưa nhằm làm giảm sai số đo).
Có 2 loại cốc đo mưa phổ biến là P200 và P500. Loại cốc đo mưa thường được sử dụng nhất là cốc đo mưa P200 (loại cốc đo dành cho thùng đo mưa có diện tích miệng thùng S = 200cm2).
Cốc đo mưa được làm bằng thủy tinh. Diện tích miệng cốc đo mưa P200 là 10cm2, chiều cao để đo của cốc là 20cm. Trên cốc đo mưa được khắc thành 100 vạch nhỏ, mỗi vạch nhỏ có thể tích nước là 2cm3, tương ứng với thể tích lớp nước có chiều dày 0.1mm của thùng đo mưa.
11.1.2 Thiết bị đo mưa tự động
Có ba loại ghi mưa đo tự động mưa bao gồm:
(1) Máy đo mưa loại nổi hoặc siphon tự nhiên
(2) Loại gầu cân
(3) Loại gầu xúc
11.1.2.1 Đo mưa loại nổi hoặc siphon tự nhiên
Cách làm việc của loại đo mưa này tương tự như cân đo mưa gầu. Một cái phễu nhận nước được đựng trong một bình hình chữ nhật. Dưới đáy thùng chứa có một phao nổi và phao này nâng lên khi mực nước trong thùng tăng lên. Chuyển động của nó được ghi lại bằng một cây bút di chuyển trên trống ghi do kim đồng hồ điều khiển.
Hình 11‑2 Máy đo mưa loại nổi hoặc siphon tự nhiên
11.1.2.2 Thiết bị đo mưa tự động kiểu cân
Máy đo lượng mưa kiểu cân bao gồm một thùng chứa, thùng này được cân để ghi lại khối lượng. Một số kiểu máy nhất định đo lượng mưa bằng bút trên trống quay (Hình 11-3) hoặc bằng cách sử dụng dây gắn với bộ ghi dữ liệu. Ưu điểm của loại máy đo này là nó không đánh giá thấp mưa dữ dội (có nghĩa là thiết bị này có thể ghi nhận chính xác lượng mưa trong các cơn mưa có cường độ cao mà không làm giảm giá trị đo được. Điều này quan trọng vì một số loại máy đo mưa khác có thể không phản ánh đúng lượng mưa trong các cơn mưa dữ dội, dẫn đến việc đánh giá thấp lượng mưa thực tế. Máy đo kiểu cân giúp đảm bảo dữ liệu mưa chính xác, đặc biệt trong các tình huống mưa lớn), và nó có thể đo các dạng mưa khác, bao gồm mưa đá. Tuy nhiên, những bộ phận ghi đo này đắt hơn và yêu cầu bảo trì nhiều hơn loại thiết bị đo mưa kiểu gầu lật.
Các đồng hồ đo này rất chính xác trong việc đo cường độ mưa vì cơ chế cân ở dưới cùng của bộ thu mưa có thể được sử dụng để đo lượng nước và thời gian đồng thời.
Hình 11‑3 Thiết bị đo lượng mưa kiểu cân
11.1.2.1 Thiết bị cảm biến đo mưa tự động kiểu gầu lật
Loại máy đo mưa này tạo ra tín hiệu điện cho mỗi đơn vị lượng mưa thu thập được và cho phép quan sát tự động hoặc từ xa bằng máy ghi hoặc máy đếm. Yêu cầu duy nhất đối với thiết bị được kết nối với máy đo mưa là nó phải có khả năng đếm xung. Do đó, có thể có nhiều lựa chọn về cấu hình và ứng dụng cho hệ thống đo lường này.
Thiết bị đo mưa tự động kiểu gầu lật, Model: RMS-PRT của Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thủy lợi/Viện Khoa học Thủy lợi |
Hình 11‑4 Thiết bị đo lượng mưa hoạt động với cơ chế gầu lật
Thiết bị đo lượng mưa hoạt động với cơ chế gầu lật cơ học tạo xung, là một phương pháp ghi đo lượng mưa tin cậy và hiệu quả. Mỗi thiết bị đều được hiệu chuẩn riêng để có được sự chính xác tối ưu.
Cơ chế hoạt động của thiết bị cảm biến đo mưa tự động kiểu gầu chao lật như sau:
Bên trong mỗi thiết bị đo lượng mưa là một cơ chế gầu lật cân bằng với một nam châm và một công tắc. Nước mưa rơi vào miệng thiết bị sau đó đi qua một tấm lưới lọc để lọc tạp chất, mưa đá,… Ngay bên dưới là một cái phễu để dẫn nước mưa vào một trong hai gầu lật. Ngay khi gầu đầy nước, nó sẽ tự động đổ xuống và đẩy gầu còn lại lên để hứng tiếp nước mưa chảy vào, cứ như vậy cho đến khi tạnh mưa. Nước đổ ra từ gầu lật sẽ chảy xuống mặt đất thông qua lỗ thoát nước ở đáy thiết bị. Khi gầu rơi xuống sẽ kích hoạt công tắc nam châm tạo ra sự đóng mạch, tạo xung, bộ Datalogger sẽ ghi lại xung này, mỗi xung lật tương ứng với lượng mưa là 0.2, 0.254 hoặc 0.5 mm – tuỳ chọn.
Ưu điểm chính của loại thiết bị này là:
1. Độ chính xác cao: Thiết bị này cung cấp dữ liệu tin cậy về lượng mưa, với độ chính xác lên tới ±2% ở cường độ mưa 25mm/h và ±3% ở cường độ 50mm/h.
2. Dễ dàng lắp đặt và bảo trì: Cấu trúc đơn giản giúp việc lắp đặt, sử dụng và vệ sinh thiết bị trở nên thuận tiện, giảm thiểu thời gian và chi phí bảo trì.
3. Khả năng đo mưa mạnh: Thiết bị có thể đo lượng mưa ở cường độ cao mà không bị đánh giá thấp, giúp theo dõi chính xác các hiện tượng mưa lớn.
4. Tích hợp với hệ thống giám sát từ xa: Dữ liệu đo được có thể được ghi chép tự động và truyền tới hệ thống giám sát từ xa, giúp theo dõi theo thời gian thực.
Nhờ những ưu điểm này, thiết bị đo lượng mưa kiểu gầu lật là lựa chọn phổ biến trong việc quan trắc khí tượng thủy văn, nông nghiệp và quản lý nước.
Những nhược điểm chính bao gồm:
1. Gầu chứa cần một khoảng thời gian nhỏ để lật và trong nửa đầu của chuyển động, mưa sẽ được đưa vào ngăn đã chứa lượng mưa tính toán. Độ chính xác giảm xảy ra khi lượng mưa lớn.
2. Với thiết kế gầu thông thường, mặt nước tiếp xúc tương đối lớn. Do đó, tổn thất do bốc hơi đáng kể có thể xảy ra ở các vùng nóng. Điều này sẽ là đáng kể trong những cơn mưa nhẹ.
3. Vì tính chất không liên tục của bản ghi, thiết bị không thích hợp để sử dụng trong điều kiện mưa phùn nhẹ hoặc mưa rất nhẹ. Không thể xác định chính xác thời điểm bắt đầu và kết thúc của lượng mưa.
11.1.2.4 Điều kiện khu vực bố trí thiết bị đo mưa
Máy đo mưa phải được đặt trên mặt đất bằng phẳng chứ không phải trên mặt dốc, hay sân thượng. Thiết bị không bao giờ được đặt trên mái dốc nơi mặt đất nghiêng hẳn về phía gió thổi mạnh. Khoảng cách giữa thiết bị đo mưa và vật cản gần nhất nằm trong khoảng 2 đến 4 lần chiều cao của vật thể cản. Tại vùng núi và bờ biển cần bố trí vành đai cây hay tường ở khoảng cách lớn hơn 4 lần chiều cao của tường hay cây ở phía hay có gió để bảo vệ máy đo khỏi gió. Ở vùng núi, máy đo phải được đặt trên khu vực rộng với độ dốc thoải, ổn định theo hướng tương ứng với độ dốc trung bình và hướng của môi trường xung quanh.
11.1.3 Lắp đặt
Máy đo mưa phải được cố định trên khối xây hoặc bê tông 600 mm x 600 mm x 600 mm chôn chìm trong đất. Đế của máy đo phải được gắn chặt vào khối này để miệng thùng phải cao hơn mặt đất 1.50 m. Tại các vùng thường xuyên ngập lụt, mực nước của thùng đo mưa luôn phải cao hơn mực nước lũ lớn nhất là 300 mm. Máy đo mưa phải được bảo vệ khỏi bị hư hỏng (đặc biệt là do gia súc đi lạc) bằng cách dựng hàng rào 5.5 m × 5.5 m xung quanh. Dụng cụ đo mưa phải được khóa và sơn định kỳ để bề mặt của nó không bị ăn mòn hoặc hư hỏng.
11.1.3.1 Sai số trong phép đo
a) Các sai số xảy ra khi đo mưa bằng máy đo mưa thủ công là:
· Giảm lượng nước thu do gió thổi;
· Nước mưa tràn vào từ ngoài thiết bị đo mưa;
· Lỗi thiết bị: tắc nghẽn phễu, tràn, rò rỉ;
· Đọc được thực hiện sai thời điểm (lượng mưa ngày trước, đọc ngày hôm sau);
· Đọc sai ống đong;
· Nhập dữ liệu không chính xác: sai giá trị hoặc sai ngày tháng;
· Làm tràn nước ra ngoài khi khi đổ vào cốc đo;
b) Các sai số gặp phải khi đo mưa bằng máy ghi đo tự động là:
· Kênh truyền tin bị chặn hoặc bị chặn một phần
· Phao được điều chỉnh ở máy kiểu siphon không hoàn hảo, tổng hợp ở lượng mưa không bằng 10 mm
· Dấu ghi ở thiết bị siphon không thể phân biệt được khi mưa lớn
· Lỗi đồng hồ: dừng/chậm hoặc nhanh
· Gậy phao của thiết bị siphon: ghi không chính xác
· Người ghi số liệu đọc thông tin không chính xác từ dấu vết bút.
Các lỗi gặp phải khi đo lượng mưa bằng máy đo tự động được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng kết quả của máy đo mưa thủ công.
11.1.4 Xác nhận dữ liệu về lượng mưa
Việc xác nhận chính được thực hiện bằng các phép so sánh tại kết quả quan trắc với các giới hạn hoặc số liệu mưa thống kê cho khu vực đã thực trước đó. Xác thực thứ cấp là việc kiểm tra tính tương thích với dữ liệu từ các trạm xung quanh.
11.1.5 Số lượng trạm đo mưa cần thiết cho một lưu vực
Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO 168: 2008), số lượng thiết bị đo mưa tối thiểu cần thiết phải được lắp đặt để có được một phép đo đại diện về lượng mưa cho các vùng địa lý khác nhau được mô tả dưới đây. Đối với các vùng ven biển, cần có ít nhất một trạm đo mưa loại không ghi trên diện tích 900 km². Ít nhất một máy đo mưa thuộc loại ghi đo tự động phải hiện diện trong một khu vực 9,000 km². Đối với các khu vực miền núi, số lượng tối thiểu cần thiết của các trạm đo mưa không ghi và ghi đo tự động lần lượt là một trên 250 km² và một trên 2,500 km². Ở vùng đồng bằng nội địa và vùng đồi, phải có ít nhất một trạm đo mưa loại thủ công trên diện tích 575 km²; trên 5,750 km², ít nhất một máy đo mưa phải là loại ghi đo tự động. Đối với các đảo nhỏ có diện tích từ 500 km² trở xuống, nên có một máy đo mưa thủ công cho mỗi 25 km² diện tích. Mỗi 250 km² phải có ít nhất một máy đo mưa thuộc loại ghi đo tự động. Đối với khu vực thành thị, nên lắp đặt một máy đo mưa loại ghi tự động cho mỗi khu vực 10-20 km². Tuy nhiên, đối với các vùng cực và khô hạn, mật độ có thể giảm xuống còn một máy đo mưa thủ công cho mỗi 10,000 km², với một máy đo mưa ghi đo tự động cho mỗi 100,000 km².
Số lượng tối thiểu của các thiết bị đo mưa được quy định bởi Thông tư 30/2018/TT-BTNMT “Quy định kỹ thuật về quan trắc và cung cấp thông tin, dữ liệu khí tượng thuỷ văn đối với trạm khí tượng thủy văn chuyên dùng” được đề cập dưới đây. Mật độ trạm khí tượng thủy văn chuyên dùng trong một số trường hợp cụ thể như sau:
a) Khoảng cách giữa các trạm đo mưa từ 10km đến 15km đối với một trong các vùng sau: đồi núi; sườn đón gió; tổng lượng mưa năm trung bình nhiều năm từ 1.600 mm trở lên; khu vực đô thị loại III trở lên;
b) Khoảng cách giữa các trạm đo mưa từ 15km đến 20km đối với vùng trung du, đồng bằng;
c) Phục vụ tính toán lượng nước đến hồ chứa: ở lưu vực sông, suối cung cấp nước cho hồ chứa có dung tích toàn bộ từ 500.000m3 trở lên thì bố trí từ 10km đến 15km một trạm đo mưa; ở các nhánh sông, suối chảy đến hồ chứa có diện tích lưu vực từ 100km2 trở lên thì bố trí một trạm quan trắc lưu lượng nước;
d) Quan trắc ở vườn quốc gia: mỗi vườn quốc gia bố trí tối thiểu một trạm khí tượng; tùy theo quy mô diện tích của vườn quốc gia có thể bố trí thêm trạm khí tượng nhưng bảo đảm khoảng cách giữa các trạm từ 25km đến 30km.
11.2 Đo lượng bay hơi
Thiết bị được sử dụng để đo sự bay hơi được gọi là máy đo độ bốc hơi hoặc chảo bay hơi.
11.2.1 Chảo bốc hơi
Một chảo bay hơi được sử dụng để chứa nước trong quá trình quan sát để xác định lượng bay hơi tại một vị trí nhất định. Những chiếc chảo như vậy có kích thước và hình dạng khác nhau, thường được sử dụng nhất là hình tròn hoặc hình vuông.
Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 46:2012/BTNMT, lượng bốc hơi được thực hiện bảng 3 phương pháp:
· Quan trắc bốc hơi bằng ống Piche
· Quan trắc bốc hơi bằng thùng bốc hơi GGI-3000
· Quan trắc bốc hơi bằng chảo bốc hơi CLASS-A
Chảo bốc hơi loại A tiêu chuẩn là một hình trụ kim loại có đường kính 122 cm và sâu 25 cm. Độ sâu mực nước được duy trì ở mức 18 đến 20 cm và được đo hàng ngày bằng thước đo qua giếng stilling.
Hình 11‑5 Chậu đo bốc hơi Class-A
Trên mặt chảo được bao phủ bởi một lưới thép hình lục giác bằng sắt mạ kẽm để bảo vệ nước khỏi chim và động vật. Nước được làm đầy đến đỉnh của một thước đo điểm bằng cách sử dụng một ống đong mỗi ngày. Đối với những ngày mưa, nước được loại bỏ khỏi chảo bằng cách sử dụng ống đong để đưa nước trở lại điểm đầu thước đo. Từ diện tích bề mặt nước đã biết của chảo và lượng nước đã biết thêm/bớt, lượng bốc hơi được ước tính bằng mm/ngày. Bởi vì các phép đo chảo thường không phản ánh sự bay hơi từ các khối nước lớn, chẳng hạn như các hồ chứa, một hệ số được áp dụng cho giá trị đo. Hệ số này thường dao động từ 0.5 đến 0.8. Hệ số chảo trung bình hàng năm từ 0.70 đến 0.75 thường được sử dụng cho các hồ chứa khi chúng chưa được rút ra bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, những hệ số này thay đổi theo mùa tùy thuộc vào nhiệt độ không khí xung quanh và nhiệt độ nước hồ chứa.
Quan trắc bốc hơi bằng ống Piche: Ống bốc hơi Piche là một ống thủy tinh dài từ 17 đến 30cm, đường kính 1 cm, có khắc độ, một đầu kín, một đầu hở được đậy bằng một mặt giấy xốp tròn mầu trắng có nẹp kim loại giữ. Khi sử dụng, rót nước vào ống, bịt đầu hở bằng giấy xốp rồi treo ngược ống trong lều khí tượng. Nước ngấm qua giấy thấm rồi bốc hơi. Diện tích bốc hơi là 13cm2, kể cả hai mặt giấy xốp. Mỗi độ khắc lớn trên ống ứng với 1mm nước bốc hơi, mỗi độ khắc nhỏ là 0,1mm.
11.2.2 Sai số trong phép đo
Các lỗi có thể mắc phải khi quan sát sự bay hơi bằng thiết bị đo bay hơi dạng chảo là:
· Người quan sát lỗi - đầy hoặc chưa đầy chảo
· Lỗi thiết bị (chảo bị rò rỉ, trong nước có rêu hoặc chất bẩn)
· Chim uống bớt nước (trong trường hợp lưới thép bị hỏng)
· Độ sâu khác nhau của lượng mưa trong chảo và máy đo mưa do văng nước ra ngoài hoặc do gió.
11.3 Đo nhiệt độ
Giá trị nhiết độ quan trắc bao gồm, nhiệt độ tối đa và tối thiểu, nhiệt độ trung bình trong ngày được ước tính là dựa trên cơ sở của hai giá trị này. Thiết bị được sử dụng phổ biến nhất cho mục đích này là nhiệt kế nhiệt độ tối đa và tối thiểu, mặc dù cũng có thể sử dụng các dụng cụ riêng biệt để ghi nhiệt độ tối thiểu hàng ngày và nhiệt độ tối đa hàng ngày.
11.3.1 Nhiệt kế đo nhiệt độ tối đa và tối thiểu
Nhiệt kế nhiệt độ tối đa và tối thiểu được làm bằng ống thủy tinh hình chữ "U", có hai nhánh - một bên chứa đầy thủy ngân và một bên là rượu. Nó ghi lại nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trong khí quyển trong một ngày.
1. Khi nhiệt độ tăng: Chất lỏng trong nhánh chứa rượu (thường có màu đỏ) nở ra do sự giãn nở vì nhiệt, đẩy thủy ngân trong nhánh đối diện di chuyển lên mức cao nhất trên thang đo.
2. Khi nhiệt độ giảm: Chất lỏng trong nhánh chứa rượu co lại, cho phép thủy ngân di chuyển trở lại mức thấp nhất trên thang đo.
3. Ghi nhận nhiệt độ tối đa và tối thiểu: Thủy ngân trong nhánh chứa thủy ngân sẽ dừng lại ở mức cao nhất và thấp nhất mà nó đạt được trong suốt quá trình thay đổi nhiệt độ, cho phép người quan sát đọc được nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trong ngày.
Một nhánh của nhiệt kế đọc nhiệt độ tối đa trong khi chi còn lại được sử dụng để đọc nhiệt độ tối thiểu (Hình 11-7). Phạm vi của nhiệt kế phải từ -35 ° C đến + 55 ° C với vạch chia nhỏ nhất có thể đọc được là 0,5 ° C. Nhiệt độ hiện tại luôn có thể được đọc ở đầu cột thủy ngân như trong trường hợp nhiệt kế ống đơn.
Hình 11‑6 Thiết bị đo nhỏ nhiệt độ nhỏ nhất và lớn nhất
Việc đặt lại các điểm đánh dấu hàng ngày:
• Đặt lại điểm đánh dấu: Để bắt đầu một ngày mới, người sử dụng cần đặt lại các điểm đánh dấu thủy ngân về mức ban đầu. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một nam châm nhỏ để kéo thủy ngân trong ống thủy tinh về vị trí ban đầu, thường là mức thấp nhất trên thang đo.
• Quá trình đặt lại: Nam châm được di chuyển dọc theo ống thủy tinh, kéo theo thủy ngân di chuyển về vị trí mong muốn. Quá trình này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo thủy ngân không bị rơi ra ngoài và thiết bị hoạt động chính xác.
11.3.2 Máy đo nhiệt
Máy đo nhiệt kiểu lưỡng kim là một trong những thiết bị được sử dụng phổ biến nhất để ghi lại nhiệt độ khí quyển liên tục. Một chuỗi xoắn hai kim loại mỏng (thường được làm bằng invar - là hợp kim của sắt và niken - và đồng thau, hoặc invar và thép hàn với nhau) được cố định ở một đầu và một đầu để tự do. Độ cong của nó thay đổi tỷ lệ thuận với sự thay đổi của nhiệt độ khí quyển, vì đồng thau nở ra nhiều hơn so với sự gia tăng nhiệt độ cụ thể. Độ cong được phóng đại theo nguyên lý cơ học và chuyển động được sử dụng để điều khiển hoạt động của bút ghi trên băng giấy chuyên dụng. Bút theo dõi sự biến thiên của nhiệt độ qua 24 giờ trên một biểu đồ chia độ được gắn trên một cơ cấu đồng hồ (Hình 11-7). Cơ chế ghi đảm bảo rằng chuyển động của bút trên biểu đồ là tuyến tính trong phạm vi từ -20 ° C đến + 60 ° C. Số đếm ít nhất là 0,2 ° C và độ chính xác là ± 1 ° C.
Hình 11‑7 Biểu đồ và bút ghi của máy đo nhiệt kiểu lưỡng kim
11.3.3 Sai số trong phép đo
Các lỗi có thể xảy ra khi đọc nhiệt độ tối đa và tối thiểu bằng nhiệt kế nhiệt độ tối đa và tối thiểu là:
· Lỗi khi đọc mặt khum: Người quan sát phải đọc kết quả bằng ước lượng mặt khum trong các ống đo ở nhiệt kế tối đa và tối thiểu, thay cho chỉ số.
· Lỗi khi viết thông tin dữ liệu
· Gián đoạn sợi thủy ngân của nhiệt kế nhiệt độ khô, ướt hoặc nhiệt độ tối đa
· Gián đoạn vào cột rượu của nhiệt kế nhiệt độ tối thiểu hoặc có bọt khí trong bầu
11.4 Đo độ ẩm tương đối
Nói chung, phép đo độ ẩm tương đối được thực hiện với sự trợ giúp của nhiệt kế bầu khô và bầu ướt. Để có được một kết quả đo liên tục, ẩm kế tóc được sử dụng (năm 1783, nhà vật lý và địa chất người Thụy Sĩ Horace Bénédict de Saussure đã phát minh ra ẩm kế đầu tiên sử dụng tóc người để đo độ ẩm). Để có được các giá trị độ ẩm tức thời, psychrometers được sử dụng.
11.4.1 Nhiệt kế khô và bầu ướt
Nhiệt kế bầu khô và ướt là thiết bị được sử dụng phổ biến nhất cho mục đích này. Máy đo cầm tay được sử dụng cho các giá trị tức thời, để ghi lại sự thay đổi độ ẩm liên tục trong ngày.
Nhiệt kế khô và bầu ướt cấu tạo gồm hai nhiệt kế: nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt. Bầu của một nhiệt kế ướt được quấn quanh bằng một sợi dây vải bị thấm ướt - đầu dưới của dây nhúng trong một hộp nhựa đựng nước phía sau ẩm kế. Nhiệt kế khô chỉ nhiệt độ không khí và nhiệt kế ướt chỉ nhiệt độ bay hơi của nước ở trạng thái bão hoà. Nếu không khí càng khô thì độ ẩm tỉ đối càng nhỏ. Khi đó nước bay hơi từ sơi dây vải ướt càng nhanh và bầu nhiệt kế ướt bị lạnh càng nhiều (Hình 11-8).
Hình 11‑8 Nhiệt kế khô và bầu ướt
Khi áp suất không khí đã biết (thu được trạm ghi), độ ẩm tương đối được ước tính bằng nhiệt độ bầu khô (nhiệt độ không khí xung quanh, quy định độ ẩm bão hòa của không khí) và nhiệt độ bầu hơi ướt (chênh lệch giữa nhiệt độ được ghi lại bởi bầu khô và bầu ướt, cho biết mức độ bão hòa của không khí xung quanh).
11.4.2 Ẩm kế tóc
Máy đo độ ẩm tóc cung cấp một ghi chép liên tục về độ ẩm tương đối của không khí. Nó sử dụng phản ứng của tóc người với độ ẩm, vì chiều dài của tóc tăng khi độ ẩm tương đối tăng. Sự gia tăng chiều dài của sợi tóc ở trang thái căng được phóng đại kéo theo sự thay đổi vị trí đo trên đồng hồ thể hiện hay ghi trên băng giấy chuyên dụng (Hình 11-9). Biểu đồ ghi lại sự thay đổi của độ ẩm tương đối trong 24 giờ và được thay đổi vào buổi sáng hàng ngày. Thang chia nhỏ nhất của độ ẩm là 1%; Độ chính xác của thiết bị dự kiến vào khoảng ± 5%.
11.4.3 Sai số trong phép đo
Các lỗi bao gồm tất cả các lỗi được đề cập trong phần ghi nhiệt độ bằng nhiệt kế. Ngoài ra có thể mắc các lỗi sau
· Vải xô bọc bầu ướt không được bão hòa đầy đủ
· Vải xô bọc bầu ướt bẩn hoặc bị bao phủ bởi chất nhờn
11.4.4 Xác nhận dữ liệu về nhiệt độ
Xác nhận chính cho dữ liệu nhiệt độ được thực hiện bằng cách kiểm tra các lỗi sau:
· Nhiệt độ bầu khô phải lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ bầu ướt
· Nhiệt độ tối đa phải lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ tối thiểu.
· Nhiệt độ tối đa được ghi ở nhiệt kế nhiệt độ lớn nhất phải lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ bầu khô tại thời điểm ghi.
· Nhiệt độ tối thiểu ghi ở nhiệt kế nhiệt độ tối thiểu phải nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ bầu khô tại thời điểm ghi.
· Nhiệt độ tối đa nói chung có thể được dự kiến không vượt quá 50 °C vào mùa hè; 33 °C vào mùa đông
11.5 Vỏ cho nhiệt kế khô và bầu ướt
Các thiết bị nhiệt kế bầu khô và ướt, nhiệt kế nhiệt kế tối đa-tối thiểu và máy đo độ ẩm thường được đặt trong một hộp đượi gọi là màn che Stevenson. Nó được làm bằng gỗ, có kích thước 60 cm × 75 cm × 82.5 cm với khoảng trống ở giữa các cánh cửa gió bằng gỗ để không khí lưu thông thích hợp, phù hợp với tiêu chuẩn. Mục đích của nó là cung cấp một môi trường tiêu chuẩn để đo nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương và áp suất khí quyển. Hộp được sơn màu trắng và được đặt ở độ cao 1.2 m so với mặt đất (Hình 11-10). Cửa mở nên xoay về phía Bắc, để tránh ánh nắng trực tiếp vào các thiết bị. Màn che Stevenson được thiết kế để cung cấp một vỏ bọc có nhiệt độ đồng nhất với nhiệt độ của không khí bên ngoài. Các vách bên và cửa là loại chớp thoáng. Mái nhà được làm hai lớp với khả năng thông gió giữa hai lớp.
11.6 Đo hướng gió
Hướng gió được đo bằng một mũi tên gắn trên các ổ trục trên trục thẳng đứng để cho phép quay tự do với sự thay đổi hướng của gió (Hình 11-11). Hướng gió được ghi nhận dựa trên hướng la bàn được bố trí trên một mặt phẳng dưới cánh quay. Hướng của gió được xác định tương ứng với hướng bắc thực tại nơi quan sát và thường được biểu thị bằng hướng độ so với hướng bắc thực (theo chiều kim đồng hồ) hoặc như một điểm la bàn sử dụng 8, 16 hoặc 32 điểm theo độ chính xác cần thiết.
Hình 11‑11 Chong chóng đo hướng gió
Thiết bị đảm bảo chắc chắn để chịu được tác động với các khí hậu thay đổi rộng rãi cả ở các trạm nội địa và ven biển. Cần nằm ngang chỉ hướng gió và phần đo cố định được cân bằng với trục quay của nó. Cần đo hướng gió được thường ở cách mặt đất 3 m. Khoảng cách giữa thiết bị đo và bất kỳ vật cản nào ít nhất phải bằng 10 lần chiều cao của vật cản.
11.7 Đo tốc độ gió
Thiết bị đo kiểu cốc đón gió thường được dùng để đo tốc độ gió. Các thông số kỹ thuật được cung cấp trong Thiết bị đo tổng lượng gió đi qua tại điểm quan sát thông qua bộ đếm cơ học trong phạm vi từ 0 đến 9999,9 km (là tổng quãng đường mà gió đi qua). Bộ đếm được đặt trong hộp kim loại có cửa sổ để quan sát các chữ số. Một trục chính bằng thép mang cụm cốc để nhận gió tạo lực xoay trục nằm xung quan trục (Hình 11-12). Dựa vào kích thước của cốc đón gió, cánh tay quay và độ nhậy của vòng quay để xác định tốc độ gió theo đơn vị km/giờ. Sự khác biệt giữa số đọc bộ đếm trong khoảng thời gian 3 phút tại thời điểm quan sát được ghi nhận để ước tính tốc độ gió tức thời trong khi sự khác biệt về số đọc bộ đếm sau khoảng thời gian 24 giờ được ghi lại để ước tính tốc độ gió trung bình hàng ngày. Phần xoay có cốc đón gió thường ở cao độ cách mặt đất khoảng 3m.
Hình 7‑12 Thiết bị đo kiểu cốc đón gió
11.7.1 Sai số trong phép đo
Các lỗi có thể xảy ra trong một phép đo là:
· Người quan sát lỗi trong bộ đếm đọc
· Lỗi số học trong tính toán tốc độ gió
· Công tác bảo trì kém hoặc thiết bị hư hỏng dẫn đến giảm số vòng quay
11.7.2 Xác thực dữ liệu cho gió
Việc xác nhận chính về dữ liệu gió có thể được thực hiện bằng cách kiểm tra các lỗi sau:
· Tốc độ gió phải bằng 0 khi hướng gió là “0” (lặng gió)
· Tốc độ gió không quá 5km/giờ khi hướng gió có thể thay đổi
· Tốc độ gió vượt quá 200km/giờ nên được coi là đáng ngờ
11.8 Đo giờ nắng
Nó thường được thực hiện bằng Máy ghi ánh nắng Campbell-Stokes. Thời gian nắng được đo bằng thấu kính thủy tinh hình cầu. Các tia nắng mặt trời tập trung vào một chiếc bút chì mỏng khi đi qua nó và đốt cháy một biểu đồ được làm đặc biệt với các dấu giờ trong ngày (Hình 11-13). Các biểu đồ khác nhau được sử dụng để ghi lại ánh nắng mặt trời trong những tháng mùa hè và mùa đông.
Hình 7‑13 Máy ghi ánh nắng Campbell-Stokes
11.8.1 Sai số trong phép đo
Các lỗi phổ biến trong đo lường là:
· Sử dụng biểu đồ sai dẫn đến cháy cạnh của biểu đồ
· Người quan sát trích xuất thông tin sai từ biểu đồ
11.8.2 Xác thực dữ liệu cho giờ nắng
Xác thực dữ liệu chính cho giờ nắng có thể được thực hiện như:
· Giá trị đo trước 05:00 giờ và sau 19:00 giờ bị loại bỏ;
· Tổng số giờ đo hàng ngày lớn hơn 14 giờ bị loại bỏ;
11.9 Trạm ghi đo thời tiết tự động
Bằng một cách khác, có thể thực hiện đo các thông số thời tiết bằng cách sử dụng Trạm thời tiết tự động (SP: 61-1994), cho phép hạn chế sự can thiệp tối thiểu của con người. Đặc biệt với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật số các thiết bị loại này càng trở nên phổ biến. Trạm thời tiết tự động có thể ghi lại và lưu trữ thông tin về tất cả các thông số thời tiết tại khoảng thời gian quan sát đã chọn theo yêu cầu (Hình 11-14). Dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị có thể được truy xuất vào một ngày sau đó bằng cách sử dụng các thiết bị bộ nhớ di động như ổ đĩa bút/thẻ nhớ. Đồng thời, khi có các bộ phận truyền dẫn có hoặc không dây kết quả đo có thể được truyền dẫn đến đài quan sát/văn phòng trung tâm liên kết cục bộ tới hệ thống máy tính hoặc thông qua hệ thống viễn thông hoặc vệ tinh. Công nghệ điện thoại di động GPRS/GSM cũng được sử dụng cho mục đích này. Ngày nay, chúng hầu hết được trang bị để chạy bằng các tấm pin mặt trời, có hỗ trợ pin. Chúng có thể được lắp đặt ở những vị trí xa mà không cần bất kỳ người quan sát nào - đây là một lựa chọn thuận tiện.
Hình 11‑14 Trạm đo thời tiết tự động
Các thông số được đo bằng trạm thời tiết tự động bao gồm:
· Lượng mưa;
· Nhiệt độ tối đa và tối thiểu;
· Độ ẩm;
· Hướng gió;
· Tốc độ gió;
· Áp suất không khí;
· Độ bốc hơi;
· Giờ nắng;
· Bức xạ mặt trời tới;
· Bức xạ từ mặt đất đi;
· Chiều cao đám mây;
· Tầm nhìn;
Các trạm thời tiết tự động được sử dụng cho phép tăng diện tích của bề mặt quan sát và độ tin cậy của kết quả đo. Những điều này đạt được bằng cách:
· Tăng mật độ của mạng không gian hiện có cho phép cung cấp dữ liệu từ các vùng mới và từ vùng hẻo lánh;
· Dữ liệu cung cấp từ các trạm có người thao tác, dữ liệu ngoài giờ làm việc bình thường;
· Tăng độ tin cậy của phép đo bằng cách sử dụng công nghệ tinh vi và kỹ thuật đo lường kỹ thuật số, hiện đại;
· Đảm bảo tính đồng nhất của mạng bằng cách tiêu chuẩn hóa các kỹ thuật đo lường;
· Đáp ứng các nhu cầu và yêu cầu quan trắc mới;
· Giảm thiểu sai sót của con người;
· Giảm chi phí hoạt động bằng cách giảm số lượng nhân công;
· Công tác đo lường và báo cáo được thực hiện với tần suất cao và liên tục;
11.10 Đo mực nước của hồ chứa
Thiết bị ghi đo mực nước hồ chứa có thể là loại thủ công hoặc loại tự động.
11.10.1 Thiết bị đo mực nước kiểu thủ công
Máy ghi mực nước loại thủ công thông dụng bao gồm thước đo cán và thước dây.
11.10.1.1 Cột thủy chí
Thiết bị đo mực nước đơn giản nhất là các cột thủy chí. Theo TCVN 8304:2009, cột thủy chí là thiết bị đo thủ công, là một thước thép thước thép (chia nhỏ đến cm) có vạch sơn được gắn trực tiếp trên cột bê tông (có móng cột chôn sâu vào đất đắp hoặc đất đá nền ổn định tối thiểu 0.5m) hoặc trên thân của tường đập hoặc trụ (Hình 11-15). Nó phải rõ ràng, chính xác, dễ phân biệt, dễ đọc từ xa và lâu dài.
11.10.1.2 Thước đo dây
Là loại thiết bị đo đơn giản, bằng cách treo một quả nặng vào đầu dây được hạ thấp bởi trục quay để chạm vào mặt nước. Một máy đếm cơ học ghi nhận chuyển động quay của bánh xe tỷ lệ với chiều dài của dây được thả ra. Hoặc trên dây có vạch chia để nhận biết.
Hình 11‑16 Thiết bị thước dây đo mực nước
11.10.2 Thiết bị đo mực nước tự động
Các thiết bị này cung cấp số liệu liên tục về mực nước trong một khoảng thời gian xác định, ví dụ: một ngày hoặc một tuần đối với phiên bản cơ học và vài tháng đối với phiên bản kỹ thuật số. Các loại máy đo mực nước tự động thường được sử dụng là máy đo phao, máy đo bong bóng, máy đo phản siêu âm và radar.
Ngày nay, máy ghi mực nước kỹ thuật số đã trở nên phổ biến hơn để đo/ghi dữ liệu mực nước theo thời gian thực với khoảng đo rộng đến 300 mét. Nó được kết nối với máy tính điện tử cũng như máy tính xách tay vào các trang web cho phép truy cập bằng điện thoại di động.
11.10.2.1 Máy đo phao
Đây đã từng là loại thiết bị đo mực nước phổ biến nhất. Trong loại máy đo này, một phao hoạt động trong giếng tĩnh được cân bằng một đối trọng, thông qua kết nối thông qua một ròng rọc. Khi mực nước hồ thay đổi, phao và đối trong cũng như dây cũng dịch chuyển theo làm quay ròng rọc. Chuyển động quay được chuyển thành chuyển động thẳng thông qua các liên kết cơ học. Chuyển động được vẽ lên băng giấy chuyên dụng tạo thành biểu đồ ghi liên tục về giá trị mực nước. Biểu đồ, gắn trên trống chạy theo cơ chế đồng hồ (Hình 11-17).
Hình 11‑17 Cơ chế hoạt động của thiết bị đo mực nước bằng phao
11.10.2.2 Máy đo bọt (bubbler)
Hệ thống Bubbler đo mực nước dựa trên lượng áp lực cần thiết để đẩy bong bóng khí ra khỏi đường ống dẫn nước (ống nhựa) và vào vùng nước.
Tại đây, khí nén hoặc khí được tạo ra để chảy ra ngoài với tốc độ rất nhỏ thông qua một cửa xả cố định dưới đáy nước (Hình 11-18). Một áp kế đo áp suất khí, tỷ lệ với chiều cao của cột nước. Sự thay đổi độ cao mặt nước gây ra sự thay đổi áp suất. Cơ chế servo điều chỉnh lại tốc độ chảy máu về mức ban đầu. Đồng hồ đo áp suất đọc độ sâu mực nước mới và truyền nó đến một máy ghi. Giá trị áp suất dòng, được thành đơn vị đo mực nước từ điểm xả đến bề mặt nước.
11.10.2.3 Máy đo phản hồi âm (sonic level metter)
Hệ thống sử dụng các xung được phát bởi bộ phận phát sóng âm của thiết bị đo với tần số nằm trong dải 20 kHz đến 200 kHz. Xung sóng âm tới bề mặt nước và phản xạ trở lại vào bộ phận thu (hình 11-19). Khoảng thời gian giữa quá trình phát và nhận xung âm thanh tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa thiết bị đo và bề mặt nước. Một bộ vi điều khiển sẽ tính toán khoảng thời gian này cho tất cả các tiếng vọng nhận được và phân tích chúng để xác định chính xác khoảng cách từ thiết bị đến mặt nước trên cơ sở giá trị thời gian đo được. Khoảng cách được xác định từ vận tốc của âm thanh và khoảng thời gian di chuyển của xung âm thanh.
Hình 7‑19 Máy đo phản hồi âm thanh
Thiết bị đo này dễ lắp đặt, có ưu điểm là cung cấp phép đo không tiếp xúc với độ chính xác đo cao. Thiết bị đo cũng không cần bảo trì. Tuy nhiên, tốc độ âm thanh bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường truyền. Ngoài ra, phạm vi đo được tương đối nhỏ hơn, khoảng 0,25 đến 12 m. độ chính xác có sẵn là ± 0,15% của thang đo đầy đủ. Sai số tuyệt đối nhỏ hơn 2 cm đối với dải đo nhỏ hơn 13 m; trong khi đối với phạm vi đo lớn hơn 14 m, nó là hơn 2 cm.
11.10.2.4 Máy đo rađa
Quy trình đo của máy đo radar dựa trên nguyên tắc xung của radar. Nó được thực hiện dưới dạng xung, trong đó máy phát phát ra một xung vi sóng ngắn (tần số sóng radar được sử dụng trong các thiết bị này thường nằm trong dải từ 4 GHz đến 80 GHz, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể và yêu cầu kỹ thuật). Xung vi sóng này phản hồi lại khi gặp mặt nước) sau đó là khoảng thời gian máy thu nhận các tín hiệu phản xạ lại. Tín hiệu nhận được sau đó được chuyển đến hệ thống đánh giá tích hợp (Hình 11-20). Thời gian mà xung thực hiện để di chuyển liên quan đến khoảng cách di chuyển đến và trở lại từ bề mặt nước.
Mặc dù đắt hơn các thiết bị khác, tuy nhiên thiết bị này đã trở thành máy ghi mực nước phổ biến nhất hiện nay, cung cấp phép đo không tiếp xúc với dải đo rộng với độ chính xác cao. Độ chính xác và sai số tuyệt đối nằm trong khoảng từ ± 3 đến 10 mm. Khoảng cách đo có thể lên đến 90 m. Các phép đo không nhạy cảm với sương mù, lượng mưa và sự dao động nhiệt độ không khí. Sóng vô tuyến được sử dụng cho ứng dụng này (tần số 24 đến 26 GHz) là vô hại đối với con người và động vật hoang dã. Việc lắp đặt có thể được thực hiện với công việc xây dựng tối thiểu.
Hình 11‑20 Máy đo mực nước bằng rađa
11.11 Đo dòng thấm, rò rỉ
Việc đo độ thấm, rò rỉ qua đập có thể được thực hiện thông qua việc sử dụng các loại tràn đo lưu lượng. Tràn đo lưu lượng là tấm mỏng được bố trí vuông góc với dòng chảy hở. Nó có kích thước và hình dạng cụ thể thích hợp với các trường hợp cần đo. Cạnh hoặc bề mặt mà nước chảy qua được gọi là đỉnh tràn. Thông qua giá trị mực nước đo được tạiđỉnh tràn, lưu lượng nước được xác định bằng công thức quan hệ đã có.
Tràn đo lưu lượng có thể được sử dụng cho cả dòng chảy độ rối cao cũng như trong điều kiện dòng chảy rối cực kỳ thấp. Các loại tràn đo lưu lượng thường được sử dụng bao gồm tràn hình chữ V, hình chữ nhật, hình thang, tràn có đỉnh rộng, máng đo lưu lượng Parshall và máng đo lưu lượng Venturi.
Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9147 : 2012 Công trình thủy lợi – Quy trình tính toán thủy lực đập tràn có đề cập chi tiết các loại tràn đo lưu lượng.
11.11.1 Tràn thành mỏng tam giác
Các thông số kỹ thuật cho cấu trúc tràn tam giác được trình bày chi tiết trong trong TCVN 9147 : 2012. (Hình 7-21). Thiết bị hoạt động đơn giản, nó là một công cụ rẻ tiền tuy nhiên là hiệu quả. Đối với một kích thước và hình dạng xác định, lưu lượng là một hàm của chiều cao cột nước qua góc nhọn ở đỉnh tam giác.
Đập tràn tam giác đo dòng chảy thấp và cao với đều chính xác. Việc xây dựng và bảo trì của tràn không đòi hỏi trình độ cao và có thể dễ dàng được thực hiện.
Hình 11‑21 Tràn thành mỏng tam giác
11.11.2 Tràn thành mỏng chữ nhật
Các thông số kỹ thuật tràn đo lưu lượng hình chữ nhật được trình bày chi tiết trong TCVN 9147 : 2012. Chiều rộng đỉnh tràn có thể bằng chiều rộng kênh dẫn. Cũng có thể chiều rộng tràn hẹp hơn kênh dẫn, làm thu hẹp dòng chảy và tăng thêm tổn thất qua tràn. Để có các phép đo chính xác, kênh ở thượng nguồn phải đủ dài để cho phép nước tiếp cận tràn dâng theo dòng chảy phân bố đều, không bị xoáy. Tràn chữ nhật thường dùng cho dòng chảy có lưu lượng lớn hơntràn tam giác. Mực nước ở sau tràn phải thấp để đảm bảo rằng nó không cản trở dòng chảy tự do.
Hình 11‑22 Tràn thành mỏng chữ nhật
11.11.3 Tràn có đỉnh rộng
Một nhược điểm lớn của loài tràn tam giác, chữ nhật thành mỏng nêu trên là chúng khó duy trì tình trạng ban đầu trong thời gian dài (do biến dạng cơ học, do ăn mòn,…. thậm chí do dễ bị mất cắp). Nhược điểm này được khắc phục bằng cách sử dụng một tràn bê tông có chiều dày đỉnh lớn hơn. Loại đập này đã được mô tả trong TCVN 9147:2012. Loại tràn này được sử dụng do các dòng có lưu lượng cao hơn so với dòng được đo bằng tràn tam giác hay chữ nhật. Hình 11-23 là một tràn mở rộng đỉnh.
Mặc dù những đập này mang lại những lợi thế về chi phí lắp đặt, độ bền và khả năng thoát của các mảnh vỡ trôi nổi, chúng cũng có một số nhược điểm. Kênh ở thượng nguồn dễ bị lắng đọng phù sa và tổn thất đầu qua đập cao hơn so với tràn có hình dạng khác.
Hình 11‑23 Tràn đo lưu lượng có đỉnh dày hơn
11.11.4 Máng đo lưu lượng Parshall
Máng đo lưu lượng Parshall thích hợp để đo dòng chảy trong các kênh có độ dốc thấp vì nó có thể hoạt động với mức độ ngập nước cao mà không làm mất độ chính xác. Các thông số kỹ thuật có sẵn trong TCVN 10720:2015 ISO 9826:1992.
Máng đo bao gồm ba phần, phần đầu bị thu hẹp, tiếp theo là phần họng hình chữ nhật, dẫn đến phần đầu ra được mở rộng. Đoạn thu hẹp có đáy phẳng, phần họng nghiêng xuống và đoạn mở rộng dốc lên (Hình 11-24).
Hình 11‑24 Cấu tạo của máng đo lưu lượng Parshall
Máng đo lưu lượng Parshall có những ưu điểm sau:
· Không cho cát hoặc phù sa (cho dù lơ lửng hoặc lăn) bị lắng đọng trong máng;
· Tổn thất cột nước là rất nhỏ so với loại tràn khác;
· Có nhiều Modules khác nhau được cung cấp như một thiết bị được chế tạo sẵn và hiệu chuẩn trước;
· Các phép đo lưu lượng không bị ảnh hưởng bởi vận tốc dòng vào.
· Nó có tuổi thọ cao hơn.
Tuy nhiên, nó tương đối đắt hơn và để chế tạo nó đòi hỏi kỹ thuật viên có tay nghề cao. Độ chính xác của các phép đo lưu lượng cũng bị hạn chế.
Lượng nước chảy qua họng được tính bằng cách đo độ sâu của nước ở thượng lưu và sử dụng phép đo bằng phương trình thủy lực thích hợp. Việc lắp đặt các máng đo lưu lượng Parshall nên ở đoạn kênh bằng phẳng và lý tưởng nhất là ở vị trí không bị ngập nước ở hạ lưu (gây chảy ngập).
Hình 11‑25 Máng đo lưu lượng Parshall
11.11.5 Máng đo lưu lượng Venturi
Chi tiết máng đo lưu lượng Venturi được trình bày trong TCVN 8193-1 : 2009; ISO 1438-1:1980. Máng đo cũng bao gồm ba phần, phần đầu bị thu hẹp, tiếp theo là phần họng hình chữ nhật, tiếp đến phần đầu ra được mở rộng. Khi nước đi qua máng đo này, có một độ dốc bề mặt nhỏ trong phần thu nhỏ, một chỗ lõm (tổn thất) khá đột ngột ở phần "họng" và sự gia tăng trở lại trong phần mở rộng. Tổng tổn thất cột nước là nhỏ. Việc ước lượng dòng chảy dựa vào kết quả vận tốc và diện tích mặt cắt ướt tại hai điểm trong máng. Vì vậy, hai kết quả đo là cần thiết. Nếu máng đo được thiết kế để thay đổi dòng chảy từ trạng thái dưới tới hạn (hc) sang trạng thái trên tới hạn trong quá trình chảy qua máng, thì chỉcần một phép đo duy nhất tại phần họng là đủ để tính toán lưu lượng. Nếu phần họng máng đủ dài để thiết lập dòng chảy song song, điều kiện giới hạn sẽ xảy ra ở phần họng. Để đảm bảo độ sâu tới hạn xảy ra tại họng, các máng đo thường được thiết kế sao cho tạo thành bước nhảy thủy lực ở phía hạ lưu của máng (hình 11-26). Loại máng đo này còn được gọi là "máng sóng đứng".
Hình 11‑26 Máng đo lưu lượng Venturi
11.12 Quan trắc lưu lượng dòng chảy
Quan trắc dòng chảy sông suối mặc dù không liên quan trực tiếp đến công tác quan trắc của đập, tuy nhiên việc đo lưu lượng dòng chảy của các nhánh sông suối chảy về hồ chứa thường đóng một vai trò quan trọng đối với các cơ quan có thẩm quyền chịu trách nhiệm giám sát một con đập. Vì vậy nó cũng là một công việc đáng được quan tâm trong hệ thống quản lý chung của hệ thống hồ đập.
Có nhiều phương pháp đo lưu lượng của các nguồn nước này, bao gồm các phương pháp đo gián tiếp và trực tiếp. Trong mục này đề chỉ đề cập đến các kỹ thuật đo trực tiếp và hướng dẫn chung về việc lựa chọn phương pháp phù hợp cho một trường hợp cụ thể. Các kỹ thuật thường được sử dụng bao gồm phương pháp vận tốc vùng, kỹ thuật pha loãng, phương pháp điện từ và phương pháp siêu âm.
11.12.1 Yêu cầu của thiết bị đo và vị trí đo
Để có được ước tính đáng tin cậy về lưu lượng sông trong một thời gian dài, thiết bị đo và vị trí đo lưu lượng phải có các đặc điểm sau:
· Đoạn sông suối phải có độ dài thích hợp so với mặt cắt ngang tại vị trí đo;
· Phân phối vận tốc đồng đều trên chiều rộng sông/kênh;
· Tránh những nơi chịu ảnh hưởng của thủy triều, ngã ba sông, có cỏ dại mọc;
· Sự hiện diện của các vật cản trong sông suối;
· Sự ổn định của các bờ sông suối;
· Tính đồng nhất của các mặt cắt ngang sông suối tại mặt cắt đo (không lồi lõm bất thường);
11.12.2 Phương pháp vận tốc vùng
Phương pháp vận tốc x diện tích là phương pháp phổ biến nhất để ước tính dòng chảy của sông. Như thuật ngữ này ngụ ý, dòng chảy là tích của vận tốc trung bình trong mặt cắt ngang và diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy. Các kỹ thuật đo trực tiếp cho một con sông rộng hợp lý trong một đoạn tương đối bằng phẳng thường liên quan đến phương pháp vận tốc khu vực. Nó liên quan đến việc tính toán lưu lượng thông qua đo diện tích dòng chảy và đo vận tốc dòng chảy ở từng khu vực rồi cộng lại.
Sau khi chia chiều rộng của sông thành một số phần nhỏ hơn để tính đến sự thay đổi của vận tốc dòng chảy trên chiều rộng sông suối, diện tích dòng chảy được ước tính bằng cách nhân chiều rộng của mỗi đoạn với độ sâu của nó. Việc đo vận tốc dòng chảy đơn giản nhất là đo vận tốc dòng chảy bề mặt (ở độ sâu 0.5 m) bằng phao. Vận tốc trung bình trên mặt cắt thường được coi là 0.85 lần vận tốc bề mặt. Để ước tính tốt hơn, một phép đo vận tốc ở độ sâu 0.6 lần độ sâu của của dòng chảy kể từ bề mặt nước được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị đo tốc độ dòng, loại trục đứng hoặc trục ngang. Vận tốc đo được được coi là đại diện cho vận tốc trung bình của dòng chảy trên mặt cắt thẳng mà phép đo được thực hiện. Đối với các sông suối lớn hơn có độ sâu lớn hơn, thực hiện phép đo hai điểm, tức là đo vận tốc ở 0.2 lần và 0.8 lần độ sâu của nước kể từ bề mặt nước. Vận tốc trung bình qua mặt cắt thẳng đứng là giá trị trung bình của các giá trị đo này. Để có các phép đo chính xác hơn, phép đo đa điểm được thực hiện và vận tốc trung bình được ước tính từ biểu đồ vận tốc so với độ sâu, được đo ở các khoảng thời gian được quyết định trước. Để tìm ra số lượng các đoạn, cần chú ý kiểm tra chiều rộng của mỗi đoạn nhỏ hơn hoặc bằng 1/5 bề rộng dòng, lưu lượng qua mỗi đoạn nhỏ hơn hoặc bằng 1/10 của lưu lượng dòng và chênh lệch vận tốc ở các đoạn liền kề không quá 20%.
11.12.2.1 Đo vận tốc dòng chảy bằng thiết bị đo vận tốc dòng (con cá thủy văn)
Thiết bị đo vận tốc dòng có hai loại, loại trục đứng và loại trục ngang. Cả hai loại đều sử dụng tiếp điểm nối và ngắt để tạo ra xung điện cho biết số vòng quay của rôto. Vận tốc được ước tính bằng cách sử dụng các hằng số của thiết bị. Ngày nay, các loại kỹ thuật số, thiết bị được tích hợp hiển thị trực tiếp vận tốc của dòng đo.
Máy đo phải được hiệu chuẩn lại sau ba năm hoặc 300 giờ sử dụng hoặc nếu hiệu suất của chúng bị nghi ngờ. Vận tốc được quan sát tại một hoặc nhiều điểm trên mỗi phương thẳng đứng bằng cách đếm số vòng quay của rôto trong khoảng thời gian không ít hơn 30 giây. Khi vận tốc chịu các xung tuần hoàn lớn thì thời gian đo nên được tăng lên.
Đối với các kênh nông, thiết bị đo vận tốc phải được giữ ở vị trí đo bằng cần nối cắm đến độ sâu đo. Đối với các kênh quá sâu hoặc không thể lội đến vị trí nước xiết, nên định vị kênh bằng cách treo nó vào dây hoặc cần nối từ cầu, đường cáp hoặc thuyền. Khi sử dụng thuyền, thiết bị đo phải được giữ sao cho không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu động đối với dòng chảy tự nhiên do thuyền gây ra. Sau khi tiết bị đo đã được hạ đến điểm đã chọn theo phương thẳng đứng, nó phải được căn chỉnh theo hướng của dòng chảy trước khi bắt đầu đọc.
Nếu không thể tránh khỏi dòng chảy xiên thì phải đo góc của hướng dòng chảy so với mặt cắt ngang để hiệu chỉnh vận tốc đo được.
Thiết bị đo vận tốc nhỏ hơn có cốc đón nước đường kính 5 cm quay nhanh hơn và rất hữu ích trong việc đo vận tốc với độ sâu thấp của dòng nước.
11.12.2.2 Máy đo vận tốc dòng nước trục đứng
Dụng cụ bao gồm một loạt các cốc hình nón gắn quanh một trục thẳng đứng quay trong mặt phẳng nằm ngang (Hình 11-27). Phạm vi vận tốc bình thường có thể đo được thay đổi trong khoảng từ 0.15 đến 4.0 m/s. Độ chính xác của các thiết bị này là khoảng 1.5 %, có thể nâng lên 0.30 % ở tốc độ dòng vượt quá 1.0 m/s. Chúng nên được sử dụng ở những nơi có thành phần vận tốc thẳng đứng là đáng kể.
Hình 11‑27 Thiết bị đo vận tốc dòng loại trục đứng
11.12.2.3 Máy đo vận tốc dòng nước trục ngang
Thiết bị gồm một cánh quạt gắn ở đầu trục ngang, quay trên mặt phẳng thẳng đứng. Kích thước của cánh quạt là rất khác nhau. Để đo vận tốc trong phạm vi từ 0.15 m/s đến 4.0 m/s, đường kính cánh quạt có phạm vi từ 6 đến 12 cm (Hình 11-28). Các thiết bị này khá chắc chắn và không bị ảnh hưởng bởi dòng chảy xiên lên đến 150. Độ chính xác khoảng 1.0%, tăng lên 0.25% với vận tốc là 0.3 m/s.
Hình 11‑28 Thiết bị đo vận tốc dòng loại trục đứng
11.12.3 Kỹ thuật pha loãng
Phương pháp này phù hợp sử dụng đối với các dòng suối có vận tốc thay đổi đáng kể theo chiều rộng và chiều sâu. Một lượng chất đánh dấu thân thiện với môi trường đã biết, không bị thảm thực vật hấp thụ, và có thể được phát hiện ở nồng độ rất nhỏ được phun/tiêm vào vị trí ở thượng nguồn. Để đảm bảo trộn đồng đều, cảm biến đo nước phải được đặt ở một khoảng cách đủ dài về phía hạ lưu từ điểm tiêm. Phạm vi trộn có thể được rút ngắn bằng cách sử dụng nhiều cổng phụ chất đánh dấu để giúp phân tán chất đánh dấu nhanh hơn (Rantz và những người khác, 1982). Các chất tạo vết phổ biến là
· Hóa chất như muối thông thường, Natri Dicromat
· Thuốc nhuộm huỳnh quang như Rhodamine-WT, Sulpho-Rhodamine B Extra và
· Chất phóng xạ yếu như Bromine-82, Sodium-24, Iodene-132.
Thuốc nhuộm huỳnh quang có thể được phát hiện chính xác ở nồng độ nhỏ (Hình 11-29), cũng như vậy là chất đánh dấu bằng phóng xạ yếu ở nồng độ nhỏ cũng có độ chính xác tốt hơn phương pháp thả muối.
Hình 11‑29 Kỹ thuật chất đánh dấu đo tốc độ dòng nước
11.12.4 Phương pháp điện từ
Đây là một trong những kỹ thuật hiện đại để đo lưu lượng dòng chảy dễ dàng và chính xác hơn. Một phần kênh được thiết kế với các cuộn dây lớn chôn dưới đáy để tạo ra từ trường và các điện cực ở cuối kênh để đo điện áp được tạo ra. Dựa trên nguyên lý Faraday dòng điện được tạo ra khi một vật dẫn di chuyển qua một từ trường vuông góc (Hình 11-30) các điện áp nhỏ theo thứ tự milivôn được đo ở các cạnh của kênh khi phóng điện đi qua tiết diện. Máy đo điện từ có thể cung cấp các phép đo vận tốc và có thể được sử dụng theo cách giống hệt như máy đo dòng.
Hình 11‑30 Phương pháp điện từ trường đo tốc độ dòng nước
11.12.5 Phương pháp siêu âm
Trong phương pháp này, hai đầu dò có khả năng truyền và nhận tín hiệu siêu âm được đặt cố định ở cùng một mức hai bờ sông, một đầu hơi xiên dòng với bờ kia (Hình 11-31). Khoảng cách giữa truyền và nhận tín hiệu âm thanh được đo chính xác. Vận tốc dòng chảy được ước tính khi nó đóng vai trò hỗ trợ vận tốc âm thanh dọc theo một đường đi và ngược lại trong quá trình quay trở lại.
Hình 11‑31 Phương pháp siêu âm đo tốc độ dòng nước
11.13 Đo lượng phù sa lơ lửng
Lượng phù sa lơ lửng trong nước hồ liên quan đến tuổi thọ sử dụng của hồ chứa và lập kế hoạch các biện pháp phòng ngừa để kiểm soát lượng bồi lắng quá mức. Cần phải đánh giá khả năng lượng phù sa lơ lửng xâm nhập vào hồ chứa từ các dòng chảy khác nhau đi vào hồ chứa có thể tăng lên.
Việc đo lượng phù sa lơ lửng có thể được thực hiện bằng thiết bị lấy mẫu tức thời hoặc thiết bị lấy mẫu tích hợp thời gian.
· Bộ lấy mẫu tích hợp thời gian (Hình 11-32) có thể là bộ lấy mẫu tích hợp độ sâu (ví dụ: bộ lấy mẫu DH-48 của Mỹ, DH-59 của Mỹ, bộ lấy mẫu DH-49 của Mỹ);
· Bộ lấy mẫu một giai đoạn tự động (Hình 11-33);
· Bơm lấy mẫu (Hình 11-34);
Hình 11‑32 Bộ lấy mẫu tích hợp thời gian
Hình 11‑33 Bộ lấy mẫu một giai đoạn tự động
Việc đo cặn lơ lửng tại phòng thí nghiệm bao gồm quá trình lọc hoặc bay hơi. Nói chung, nó ít liên quan đến độ không đảm bảo hơn so với lấy mẫu tải trọng tại đáy dòng chảy. Sự thay đổi của nồng độ theo chiều rộng là nhỏ (dưới 10-15%) đối với các dòng chảy rộng, nhưng nó có thể cao (chênh lệch 70% so với mức trung bình) đối với các dòng chảy nhỏ. Lượng phù sa ở mặt cắt đo xác định bằng tích của nồng độ trung bình ở vị trí theo phương thẳng đứng với lưu lượng qua mặt cắt.
Vị trí đo nồng độ phù sa có thể là như sau:
· Một vị trí ở giữa dòng;
· Một vị trí ở điểm có độ sâu lớn nhất;
· Các vị trí ở ¼, ½ và ¾ chiều rộng dòng chảy;
· Các vị trí ở 1/6, ½ và 5/6 chiều rộng dòng chảy;
· Ở bốn hoặc năm độ sâu cách đều nhau trên dòng chảy;
· Ở các phần giữa của dòng chảy;
Mức độ mà nồng độ trung bình thu được thay đổi theo điều kiện dòng chảy, trầm tích và chất lỏng. Nói chung, vị trí của các điểm lấy mẫu theo phương thẳng đứng là:
· Ở độ sâu 0.6 lần chiều sâu dòng chảy so từ bề mặt nước đối với phương pháp lấy mẫu một điểm,
· Ở độ sâu 0,2 và 0,8 lần độ sâu chiều sâu dòng chảy kể từ mặt nước đối với phương pháp lấy mẫu hai điểm, và
· Phương pháp ba điểm: ở bề mặt, đáy và độ sâu giữa
Đối với lấy mẫu hai điểm, hàm lượng trung bình lượng phù sa được ước tính theo biểu thức
Đối với lấy mẫu ba điểm ở bề mặt, đáy và độ sâu giữa, hàm lượng trung bình lượng phù sa được ước tính theo biểu thức:
=
Trong đó: Cs là hàm lượng trung bình lượng phù sa của mặt cắt; C0.2D là hàm lượng ở độ sâu 0.2D (D: độ sâu); CSurf là hàm lượng bề mặt; CMid là hàm lượng bề mặt; hàm lượng bề mặt; CBot là hàm lượng ở đáy.
Tần suất lấy mẫu phụ thuộc vào loại dòng chảy và điều kiện dòng chảy. Nói chung, sự khác biệt nhiều hơn ở các dòng chảy nhỏ ở các lưu vực nhỏ. Đối với các dòng chảy lớn, các biến thể thường ít hơn. Nhưng đối với cả hai loại lưu vực, nồng độ thay đổi nhanh chóng một cách thất thường trong quá trình lũ lên/dâng. Thực tiễn hiện nay về quan trắc với tần suất là một ngày đến một tuần/lần đối với dòng chảy bình thường, 30 phút đến 12 giờ /lần đối với giai đoạn lũ dâng, 2 giờ đến 24 giờ/lần ở giai đoạn lũ rút. Tuy nhiên, tất cả phụ thuộc vào mục đích, bản chất của dòng và nguồn kinh phí có sẵn.