Thực hành: đo đạc và quan trắc biển

Mục lục

Nếu truy cập từ smartphone, bạn đọc nên lưu về ngoại tuyến (bằng máy Android) hoặc lưu file PDF mở trong iBook (bằng máy iOS), hoặc chọn chế độ Reader (nếu dùng máy PC).

1. Giới thiệu chung

Đợt thực tập môn học “Đo đạc và quan trắc biển” được tổ chức hằng năm cho các sinh viên khoa kỹ thuật biển, nhằm giúp sinh viên nắm vững hơn môn học và rèn luyện thao tác nghiệp vụ.

Một điều cơ bản của nghiệp vụ thủy đạc môi trường sông/biển là: Không thể cùng lúc đo được tất cả các đại lượng cần thiết. Vì vậy, với nguồn nhân lực và thiết bị có hạn, ta phải bố trí việc đo đạc thật hợp lý: tại những vị trí thích hợp vào thời điểm thích hợp.

Để chuyến đi thực tập được hiệu quả, các em sinh viên cần phải chuẩn bị trước: không chỉ chuẩn bị tư trang (việc thiết yếu) mà còn chuẩn bị về chuyên môn. Trong các dự án thực tế, công tác điều tra khảo sát thực địa cần được chuẩn bị kĩ lưỡng: việc chuẩn bị sơ sài, không tuân thủ theo các quy định có thể gây nguy hiểm cho cá nhân mình và những người xung quanh khi đo đạc và kéo dài thời gian khảo sát thực địa, gây tốn phí đáng kể.

Do đặc thù của chuyến đi thực tập, nói chung sinh viên không mang theo được máy tính laptop cũng như các cuốn giáo trình đầy đủ. Tài liệu này được biên soạn nhằm giúp các em hình dung được công việc và phần nào hướng dẫn tính toán, tham khảo trong điều kiện thiếu tài liệu tra cứu khi ra thực địa. Tập tài liệu kèm theo những câu hỏi ngắn để các em dễ đọc và nhanh chóng bổ sung thông tin khi thực tập. Tài liệu này để bổ trợ cho báo cáo chính của sinh viên, vốn do giáo viên phụ trách quy định (Xem mục Cấu trúc dưới đây).

Lưu ý. Việc điều tra thực địa có thể tiềm ẩn rủi ro. Tuyệt đối không đi ra những vùng bờ sông, biển khi không được phép. Cần tuân thủ đầy đủ các quy định an toàn và chấp hành nghiêm kỉ luật khi tiến hành thực tập đo đạc ven sông, trên sông và ngoài biển. Sinh viên và tự chịu trách nhiệm an toàn cho bản thân trong quá trình thực tập. Hãy ghi thông tin liên hệ của người mà bạn cần liên hệ trong trường hợp khẩn cấp. Ghi luôn địa điểm nơi thực tập.

Danh sách đồ mang theo:

  • Giấy bút (chì)
  • Bảng ghi (pho to)
  • Giấy kẻ ô
  • Phone bắt sóng 3G
  • Máy tính “CASIO”

Cấu trúc Báo cáo thực tập đo đạc quan trắc biển

Yêu cầu mỗi cá nhân làm 1 báo cáo thực tập. Kết quả đo mực nước và vận tốc làm chung cho cả nhóm (các mục đánh dấu sao *)

  1. Thông tin tóm tắt về các trạm thuỷ văn, hải văn
    1.1 Trạm Hòn Dáu.
    Vị trí cụ thể của điểm đo sóng, đo mực nước, nhận xét về vị trí đo đạc.
    1.2 Trạm Trung Trang. Vị trí cụ thể của điểm đo MN, tuyến đo lưu tốc, độ đục và MCN, nhận xét về vị trí đo đạc.
    1.3 Lịch sử hai trạm
    1.4 Các yếu tố đo đạc chính và thiết bị đo của từng trạm

  2. Mô tả hệ thống đo đạc mực nước của trạm và kết quả đo
    2.1 Mô tả hệ thống đo đạc mực nước của hai trạm
    2.2* Kết quả đo đạc mực nước của nhóm (kèm bảng ghi, đường quá trình)
    2.3* Phân tích số liệu đo đạc mực nước (xác định đỉnh triều, chân chiều, biên độ triều, pha triều lên, triều xuống)
    2.4* Tính toán các đặc trưng của mực nước trong thời kỳ đo đạc

  3. Mô tả đo đạc vận tốc dòng chảy
    3.1 Mô tả thiết bị đo vận tốc dòng chảy
    3.2 Trình tự đo đạc vận tốc
    3.3 Lưu tốc thuỷ trực (lập biểu, tính Vtb, kèm bảng ghi)
    3.4* Lưu tốc trung bình mặt cắt (lập bảng, vẽ phân bố)
    3.5* Quan hệ Q~H của trạm tại thời kì quan trắc (lập bảng và vẽ biểu đồ)

  4. Mô tả đo độ đục và độ mặn
    4.1 Cách lấy mẫu và phân tích bùn cát lơ lửng
    4.2 Cách lấy mẫu và xác định độ mặn

  5. Bài tập thực hành thêm

Trả lời các câu hỏi và bài tập trong cuốn tài liệu thực hành này.

Lưu ý: Các bảng biểu, hình vẽ trong báo cáo cần được đánh số đầy đủ.

2. Xác định vị trí

Từ năm 2011, địa điểm thực tập môn học là Trạm thủy văn Trung Trang thuộc thôn Câu Thượng, xã Quang Hưng, huyện An Lão, Hải Phòng. Ngoài ra, giáo viên cũng hướng dẫn tham quan ngắn trạm hải văn Hòn Dáu (Đồ Sơn, Hải Phòng).

Bài tập. Hãy xác định trên bản đồ vị trí của trạm. (Bạn có thể phải cần dùng các phần mềm web như Google Maps, hay phần mềm Google Earth.)
Kết quả: trạm Trung Trang có kinh độ ________ Vĩ độ ________. Xác định hướng chảy của sông: ___________, các sông nhánh gần đó (nếu có) _________, khoảng cách từ trạm đến cửa biển ______.
Trạm Hòn Dáu: kinh độ __________ Vĩ độ __________. Khoảng cách đến đất liền __________, hướng phương vị đường bờ tại vị trí đặt trạm: _________________.

Những thông tin ban đầu cần nắm rõ hiển nhiên là thông tin địa lý: vị trí trên bản đồ, địa giới hành chính, và đặc điểm địa lý (cả khía cạnh tự nhiên, như địa hình, và xã hội, như các tuyến giao thông đi qua khu vực).

Nếu dùng bản đồ điện tử trên máy tính, bạn có thể chụp màn hình rồi in riêng ra tờ giấy và gắn kèm theo sổ ghi chép. Đánh dấu vị trí trạm thủy văn Trung Trang và trạm hải văn Hòn Dấu trên hình. Trạm Hòn Dáu quay ra hướng nào của biển? (Có thể phải xem bản đồ trong Google Earth.)

Bản đồ Hải Phòng
Hình: Xác định vị trí điểm thực tập trên bản đồ

3. Chuẩn bị lý thuyết

Sau đây là một số câu hỏi về vấn đề bạn cần nắm được trước khi đi thực tập; hãy xem lại trong sách giáo trình.

  • Trên sông có những loại trạm thủy văn nào? Những đại lượng nào được đo đạc?
  • Đoạn sông vùng ảnh hưởng triều có đặc trưng gì nổi bật để phân biệt với đoạn sông vùng không triều?
  • Sơ họa một mặt cắt ngang sông, xác định các diện tích bộ phận và ghi công thức tổng quát để tính lưu lượng.
  • Vẽ thử một biểu đồ phân bố lưu tốc tại một thủy trực và xác định lưu tốc tại các độ sâu khác nhau.
  • Mối liên hệ giữa hàm lượng cát và lượng vận chuyển cát qua mặt cắt ngang sông.

Trong các vấn đề trên thì chế độ thuỷ động lực vùng sông ảnh hưởng triều là vấn đề tương đối mới với sinh viên (vì liên quan đến kiến thức môn Mực nước - dòng chảy đang được học). Tuy nhiên, sinh viên có thể lý giải định tính một số hiện tượng cơ bản. Chẳng hạn, các đường quá trình thuỷ triều ngoài biển và ở trạm Trung Trang theo báo cáo [18] từ 13:00 ngày 22/4/2014–23:00 ngày 24/4/2014 như hình vẽ. Hãy giải thích tại sao có sự lệch pha và khác biệt về biên độ giữa các đường mực nước này.

Quá trình mực nước
Hình: Quá trình mực nước

Trong mục Tài liệu tham khảo có một số bài báo hoặc báo cáo kĩ thuật mà các em có thể tham khảo; có thể những bài báo này chưa phải nổi bật trong giới khoa học song lại phù hợp với nội dung của đợt thực tập này. (Chú ý rằng đây không phải là báo cáo thực tập!) Các em cần download những tài liệu này để xem trước, vì khả năng truy cập mạng tại khu vực thực tập là rất hạn chế.

4. Tìm số liệu

Ở Việt Nam nói chung không có công bố số liệu dòng chảy theo thời đoạn dài, mà chỉ phát báo một vài số liệu thực đo hiện tại và dự báo trong tương lai. Việc tận dụng số liệu từ nguồn trang web của các cơ quan thuỷ văn, vì vậy trở nên rất cần thiết.

Số liệu thuỷ triều: Do thuỷ triều thiên văn có thể dự báo được tương đối chính xác nên số liệu có thể thu thập được từ một số nguồn mà không phải mua số liệu. Ví dụ sử dụng phần mềm wxTide có thể trích xuất được quá trình mực nước triều thiên văn tại một số trạm ở Việt Nam.

Bài tập. Vào trang web http://www.wxtide32.com để tải về phần mềm wxTide. Khởi động chương trình và chọn trạm thuỷ triều gần khu vực nghiên cứu nhất, xuất ra chuỗi số liệu mực nước dự báo trong quá trình thực tập.
Chương trình cho phép xuất ra trong các bước thời gian dài ngắn bao nhiêu?
Từ chuỗi số liệu thu được:
Mực nước cao nhất xảy ra lúc ______________.
Mực nước thấp nhất xảy ra lúc _____________.
(Lưu ý rằng cao trình mực nước trong phần mềm khác với cao trình mực nước thực của trạm.)

(Ngoài chương trình wxTide còn có chương trình ứng dụng DGS Tide trên thiết bị di động nhưng tính năng dường như hạn chế hơn; chỉ hiển thị các biểu đồ chứ chưa cho phép download chuỗi số liệu.)

Số liệu đo sóng: Số liệu sóng chỉ được quan trắc rải rác dọc bờ biển Việt Nam, tại các trạm hải văn. Cách thu thập tài liệu sóng kiểu “truyền thống” này được thực hiện thủ công.

Ngày nay người ta có thể tính sóng thông qua những mô hình lớn, để “dựng lại” số liệu sóng vốn không quan trắc được trong quá khứ (gọi là hindcast sóng). Một ví dụ là bộ dữ liệu sóng tính được từ mô hình WAVEWATCH (Hoa Kỳ), chẳng hạn link ftp://polar.ncep.noaa.gov/pub/history/waves/multi_1/200507/gribs/. Trong thư mục này, ta tìm các file phân bố đặc trưng sóng trên toàn cầu, có tên được đặt theo quy ước như sau: multi_1.glo_30m.**.200507.grb2.

Trong đó glo_30m là chỉ số liệu sóng có độ phân giải 30 phút kinh/vĩ (tức là bao nhiêu km?) còn ** là chỉ yếu tố sóng (hs: chiều cao ý nghĩa, tp: chu kì đỉnh phổ và dp: hướng đỉnh phổ – có thể coi như là hướng truyền sóng chính). Sáu con số tiếp theo chỉ năm và tháng của số liệu. Bộ số liệu kéo dài trong 1 tháng và các số liệu cách nhau 3 giờ một. (Có thể sửa lại năm và tháng từ đường link trên để lấy số liệu từ các tháng khác, trong khoảng từ 200502 đến 201701.

Các điểm số liệu được đặt cố định tại các vị trí kinh vĩ độ tròn số hoặc lẻ nửa độ, chẳng hạn 20°N, 107.5°E. Cần xác định một điểm đo gần với vị trí khu vực nghiên cứu trước khi trích số liệu.

Bài tập. Tìm thông tin về trạm thủy văn Trung Trang từ trang mạng Khí tượng thuỷ văn Quốc gia. Đây là trạm thuỷ văn cấp mấy, đo đạc các yếu tố gì, có mực nước không? Các trạm thuỷ văn lân cận thì sao? Tìm hiểu số liệu sóng của vùng biển ngoài khu vực: Có trạm đo sóng quốc gia không?
Trang web: ________________________________.
Các trạm đo: ______________________________.

Bài tập. Khai thác sóng Wavewatch. Cần chọn điểm có toạ độ nào (chẵn hoặc lẻ nửa độ) gần trạm Hòn Dáu nhất? Kinh độ ____________ ; vĩ độ _____________.
Nếu ta muốn trích số liệu sóng của 5 ngày thì tại điểm đo nêu trên thì sẽ thu được dãy số liệu dài bao nhiêu? ______________________.
Ví dụ thực hành với một file số liệu sóng multi_1.glo_30m.hs.200503.grb2. Số liệu này là đặc trưng sóng nào, đo trong thời gian nào?
Mở file trên giao diện web http://162.250.127.146:5100, chọn thời điểm trích xuất số liệu (gồm có ngày bắt đầu trích lấy số liệu và số ngày cần lấy số liệu), xem kết quả trong ô văn bản phía dưới. Nhận xét kết quả.

4. Trạm thủy văn Trung Trang

Khi ra thăm trạm, cần xác định: Xác định hướng dòng chảy; trạm ở bờ sông phía tả hay hữu?, hướng gió. Từ trên bờ hãy thử ước lượng bề rộng sông.

Lưu ý. Ước lượng các đặc trưng hình học tại thực địa là một kĩ năng cơ bản của người kĩ sư. Phán đoán độ dài và khoảng cách có lẽ là dễ nhất, khó hơn là phán đoán góc và độ nghiêng. Còn độ cong (uốn khúc) thì phải cần đến kĩ sư trắc địa bản đồ mới ước lượng gần đúng đúng được.

Mô tả đặc điểm của bờ sông (độ dốc, thực vật, loại đất). Nhìn đặc điểm của dòng nước: có hình thành xoáy cuộn không, có vùng nước tù không?

Mô tả các hoạt động dân sinh trên sông (đánh cá, khai thác cát, giao thông thủy ntn). Những thông tin này cần thiết cho các giải pháp quy hoạch chỉnh trị sông.

Với các sông đồng bằng, ngoài phần lòng chính của sông còn một phần ven sông có địa hình không cao, hoặc phần đất bằng vẫn còn nằm ngoài tuyến đê. Đây là dải đồng bằng lũ. Lúc lũ lên cao, nước sẽ tràn vào vùng này, đồng thời nước chảy chậm lại. Em hãy quan sát xem quanh trạm có khu đồng bằng lũ nào không. Hãy chụp ảnh lưu vào file riêng.

Trong lịch sử, khi có lũ lớn ở trạm thì mực nước dâng lên cao bao nhiều? Hãy xác định vị trí mực nước lũ cao nhất này.

Tại phòng làm việc của Trạm, hãy thử tìm và quan sát biểu đồ mặt cắt ngang đoạn sông. Nhận xét xem mặt cắt có cân đối không; lạch sâu gần phía bờ nào?

Vẽ sơ hoạ mặt cắt ngang trên giấy kẻ ô. Các thủy trực trên sông đặt ở vị trí nào? Đánh dấu trên bản vẽ mặt cắt ngang.

5. Cọc đo mực nước

Tìm hiểu cách bố trí hệ thống đo mực nước tại trạm. Lưu ý rằng có hai thiết bị đo mực nước: thủ công và máy ghi tự động. Các em sẽ thực hành cách thủ công. Chú ý đảm bảo an toàn khi thực hành.

Lưu ý. Có mấy bậc đo mực nước, cho phép đo khoảng mực nước từ bao nhiêu đến bao nhiêu cm? (chụp ảnh)
Kiểm tra cách bố trí cọc theo quy định tiêu chuẩn đo đạc thuỷ văn [2]:

  • Chênh lệch cao độ giữa hai cọc kề nhau trong khoảng 30 → 40 cm và không được vượt quá 60 cm; các cọc không nên cách nhau quá xa. Đầu cọc trên cùng phải cao hơn mực nước lớn nhất từ 40 → 50 cm; đầu cọc cuối cùng phải thấp hơn mực nước thấp nhất từ 40 → 50 cm.
  • Thứ tự các cọc được ghi từ cọc cao nhất đến cọc thấp nhất. Trường hợp phải xây dựng thêm cọc giữa hai cọc đã có thì tên cọc mới mang số hiệu cọc trên và chữ a. Ví dụ giữa cọc 3 và 4 thêm cọc 3a.

Khi có tàu thuyền qua lại, mực nước có dao động đáng kể không?
Tìm hiểu quy trình đo đạc mực nước tại trạm (theo tiêu chuẩn).

6. Trạm đo mực nước tự ghi

Thông thường trạm tự ghi và tuyến cọc đo được bố trí gần nhau để thuận tiện đo đạc đối chiếu, kiểm chứng.

Quan sát trạm đo mực nước tự ghi, thiết bị vận hành, đầu ghi, cuốn giấy. Quy trình thu thập số liệu tự động và đối chiếu với số đọc thủ công như thế nào?

7. Đo sâu

Công tác đo sâu được tiến hành tại các thuỷ trực, và thường kết hợp với đo lưu tốc, đo bùn cát. Tại các vùng nước chảy tương đối mạnh và tương đối sâu, dụng cụ đo thường là dây neo và cá sắt.

Hãy quan sát dụng cụ quấn dây cáp. Đường kính của trống quay bằng bao nhiêu và khi quay một vòng thì dây chạy được một đoạn bao nhiêu? ______________.

Mặt khác, khi thả dây neo cá sắt, các em lưu ý dây không bao giờ hướng thẳng đứng mà luôn bị xiên góc. Góc xiên này có ảnh hưởng thế nào đến kết quả đo độ sâu?

Bài tập. Một thiết bị đo sâu bằng xích lớn được treo từ độ cao 6,5 m cách mặt nước. Nếu thả vật nặng đến sát mặt nước thì phát hiện góc lệch dây treo α = 15°.Khi tiếp tục thả xuống thì xác định được độ sâu hg = 3,5 m. Do dòng chảy mạnh, nên lúc này, góc lệch dây treo là β = 20°. Hãy tính độ sâu thực của vùng nước.
Đo sâu
Hình: Đo sâu

8. Lưu tốc kế

Quan sát thiết bị đo lưu tốc. Ghi lại các thông số của thiết bị này.

Quan sát và thực hành thành thạo cách đo lưu tốc trên một thủy trực. Máy đo lưu tốc này thuộc loại gì? Bộ đếm điện tử giúp ích thế nào cho việc tính lưu tốc? Thời gian cho mỗi lần đo lưu tốc tại 1 điểm là bao nhiêu? Từ đó ước lượng thời gian đo lưu tốc cho cả thủy trực.

Ta biết rằng trong quá trình đo lưu tốc kết hợp với độ sâu, do độ sâu nước biến đổi một chút nên kết quả đo của người trên thuyền sẽ mắc sai số. Nhưng ví dụ có người thứ hai ở trên bờ đồng thời đo mực nước (bằng cọc hoặc máy tự ghi) thì thông tin mực nước bổ sung này sẽ giúp hiệu chỉnh kết quả đo sâu của người trên thuyền như thế nào?

Hiện nay trên thế giới có thiết bị đo lưu tốc hiện đại hơn như ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) [Hình cấp bởi SonTek]. Đầu đo loại này cho phép xác định nhanh và chính xác lưu tốc dòng chảy tại một điểm (kể cả về hướng và độ lớn). Nếu có thiết bị này để thay thế lưu tốc kế cơ học, em sẽ đề xuất một quy trình đo hiệu quả hơn.

Đầu đo lưu tốc
Hình: Đầu đo lưu tốc

9. Dạng phân bố lưu tốc thủy trực

Phân bố lưu tốc (profile) có dạng cơ bản giống như dạng hình parabol. Song thực tế parabol có thể biến dạng tùy những điều kiện thủy lực đặc biệt [3]. Hình dưới minh họa profile lưu tốc ứng với 4 trường hợp: a) trường hợp lưu tốc sông vùng đồng bằng, b) vùng ảnh hưởng triều, c) vùng đáy sông gồ ghề hoặc có thực vật cản trở, d) sông vùng núi chảy xiết).

Bài tập. Hãy điền các trường hợp đúng (a, b, c, d) cho các profile dưới:
Phân bố lưu tốc

Lưu ý rằng lưu tốc đáy không bằng 0: nói đáy sông chính là để chỉ “lớp sát đáy” nơi mà lưu tốc kế có thể đạt tới. Theo kinh nghiệm, khi được thả nằm trên đáy thì trục của lưu tốc kế nằm trên cao trình đáy một khoảng bằng 15 cm. Ngoài ra lưu tốc cực đại có thể không xuất hiện ở mặt nước (tại sao?), ngay cả khi điểm đo lưu tốc mặt (Vm) được đặt dưới mực nước chừng 20 cm do yêu cầu phải thả máy sao cho không có phần nào của máy nhô lên mặt nước.

10. Xác định lưu tốc trung bình thủy trực

Ý tưởng cơ bản là như sau [15]: độ sâu là bao nhiêu không quan trọng vì bằng việc đo ở các điểm mặt 0,2h, …, 0,8h, đáy, ta đã quy độ sâu về bằng 1; việc tính Vtb đưa về tính diện tích dưới đường cong.

V trung bình
Hình: Lưu tốc trung bình

Nếu tính theo phương pháp hình thang thì diện tích tìm được sẽ nhỏ hơn giá trị thật, do đặc điểm hình dạng của đường cong lưu tốc. Nhất là khi chỉ có ít (2, 3) điểm đo, công thức hình thang rất kém chính xác.

Thay vì quy tắc hình thang, đưa về công thức “cát tuyến” với các điểm được chọn ở những vị trí “đặc biệt”. Minh họa trường hợp 2 điểm như sau: Điểm đáy và mặt được chọn để tính lưu tốc trung bình theo quy tắc hình thang, rõ ràng cách này sai số lớn. Nếu dịch chuyển hai điểm chọn để chúng không còn là hai điểm đầu mút nữa mà là một cát tuyến thì hình thang mới sẽ xấp xỉ tốt hơn giá trị diện tích cần tìm. Minh họa cho phương pháp này ở hình vẽ bên.

V 2 điểm
Hình: Tính toán lưu tốc từ 2 điểm

Vấn đề là vị trí chính xác của hai điểm này như thế nào. Bằng toán giải tích người ta đã xác định tọa độ của hai điểm này là 0,212 h và 0,788 h. Thật không phải ngẫu nhiên mà người ta chọn công thức trung bình hai điểm theo kinh nghiệm là: Vtb = ½ (V0,2 + V0,8).

Phương pháp toán học giúp tính giá trị trung bình như vậy được gọi là “Gauss quadrature”. Thực ra trong toán học đây là phương pháp để tính tích phân, và hơi khác một chút: khoảng tính là [—1, 1] thay vì từ 0 đến 1. Và các điểm tính cũng khác đi, chẳng hạn là —0,6 và 0,6 thay vì 0,2 và 0,8, song về bản chất thì không khác nhau.

11. Đo chi tiết lưu tốc

Nếu điều kiện cho phép, việc đo lưu tốc được thực hiện bằng máy đo hiện đại như ADCP. (Về cách dùng máy này để đo lưu lượng, xem mục 14.) Khi đó số điểm đo được sẽ nhiều hơn trên toàn mặt cắt. Hình vẽ tiếp theo minh họa một mặt cắt ngang lưu tốc đo được bằng máy ADCP trên đoạn sông River Fox, Wisconsin, Hoa Kỳ.

V đo ADCP
Hình: Một kết quả đo lưu tốc bằng máy ADCP

Bài tập. Với kết quả đo như biểu đồ hình vẽ, dễ dàng thấy có thể tính được lưu tốc trung bình một cách chính xác hơn (chẳng hạn chia phần diện tích đường cong thành các “hình thang” có chiều cao 20 cm).
Từ biểu đồ trên thử xác định V0,4, V0,6, V0,8. Tính Vtb theo hai cách: công thức hai điểm và 1 điểm, cũng như bằng các cách khác giới thiệu trong sách giáo trình Thuỷ đạc.
Vtb theo các dải “hình thang” _________ m/s.
Vtb theo phương pháp 2 điểm là _______ m/s, theo 1 điểm: ________ m/s.
Vtb theo 3 điểm, 4 điểm, 5 điểm: ______________________________________.

12. Tính lưu lượng

Cách tính cơ bản nhất đó là phương pháp lưu tốc-diện tích. Cách làm này đã được thực hiện nhiều trên lớp và trong bài thi môn học. Các bạn sinh viên tự làm theo bài tập được cán bộ của trạm giao cho.

Cách tính lưu lượng theo phương pháp lưu tốc-diện tích đã được trình bày kĩ trong sách giáo trình; với các đại lượng (khoảng cách, độ sâu, vận tốc đều được xác định rõ). Chỉ có hệ số Kb ven bờ ít khi được xác định đúng và thường chọn theo kinh nghiệm [2]. Với trạm Trung Trang (hãy quan sát bờ sông tại trạm, lưu ý đây là đoạn bờ xói, khá dốc), có thể lấy hệ số Kb bằng bao nhiêu?

Trong thực hành tại trạm, ta không đo trên nhiều thủy trực khác nhau mà chỉ đo tại thủy trực đại biểu. Theo Quy phạm, thủy trực đại biểu được sử dụng như một phương pháp tiện dụng để xác định lưu tốc đại diện cho cả mặt cắt ngang lòng sông. Khi đó chỉ cần nhân lưu tốc đại diện này với diện tích mặt cắt ướt (ứng với mực nước hiện thời) là được lưu lượng.

Bài tập. Hãy tìm hiểu xem với trạm Trung Trang, hệ số nhân lưu lượng này là bao nhiêu?
Vị trí mà con thuyền thường đỗ gần bến chính là thủy trực đại biểu của trạm Trung Trang. Vị trí này cách bờ bao xa và có nằm phía lạch sâu không? Xem lại bản vẽ mặt cắt ngang sông cùng vị trí của thuỷ trực.

13.* Độ bất định (Uncertainty) trong tính toán lưu lượng

(Đây là phần nâng cao, cũng như mục 15, SV có thể tham khảo hoặc làm thêm với sự hướng dẫn của GV.)

Đây là vấn đề được quan tâm nhiều gần đây, đã được đưa vào trong các khoá thực hành của Hiệp hội Quốc tế về Nghiên cứu Thủy lực (IAHR).

u(Q)=um2+us2+(1m)(ub2+uh2+up2)+(1n)(uc2+ue2) u(Q) = \sqrt{u_m^2 + u_s^2 + \left(\frac{1}{m}\right) (u_b^2 + u_h^2 + u_p^2) + \left(\frac{1}{n}\right) (u_c^2 + u_e^2) }

trong đó ý nghĩa của các đại lượng bất định thành phần cùng các khoảng độ lớn tiêu biểu tương ứng như sau:

  • ub ~ 0,15% → 0,25% : độ bất định đo bề rộng
  • ud ~ 0,25% → 0,65% : độ bất định độ sâu
  • ue ~ 2% → 40% : độ bất định lưu tốc trung bình
  • up ~ 0,5% → 15% : độ bất định do chọn ít điểm đo lưu tốc
  • uc ~ 0,5% → 10% : độ bất định lưu tốc thực đo
  • um ~ 1,0% → 7,5% : độ bất định do chọn ít thuỷ trực

Lưu ý rằng kết quả độ bất định này sẽ chỉ ứng với mức tin cậy 68% (tức là ± độ lệch chuẩn). Nếu muốn tăng mức tin cậy lên 95% thì độ bất định u(Q) trên phải được nhân đôi.

Bài tập. Tại một tuyến sông [16] người ta đo phương pháp lưu tốc - diện tích. Mực nước cao nhất là 4,17 m ứng với bề rộng sông 54 m. Có 20 thuỷ trực đo, trên mỗi thuỷ trực đo lưu tốc 5 điểm. Vận tốc dòng chảy > 0,4 m và thời gian đo mỗi điểm là 30 giây. Lưu được tính được là Q = 138 m3/s. Hãy xác định độ bất định lưu lượng ứng với độ tin cậy 95%.

14. Đo lưu lượng bằng máy ADCP

Xem thêm giáo trình [2] trang 102. Hình dưới thể hiện một đầu đo ADCP và phác thảo tuyến chạy tàu để đo lưu lượng bằng ADCP. Theo em có thể triển khai đo bằng ADCP cho tuyến trạm Trung Trang được không? Hãy vạch ra tuyến chạy tàu, thời gian và chi phí dự kiến để chạy tàu và tính được lưu lượng dòng chảy? Kết quả lưu lượng tính được là tại 1 thời điểm hay liên tục theo thời gian?
Thuyền ADCP
Hình: Đo đạc bằng thiết bị ADCP gắn trên thuyền

Đầu đo ADCP
Hình: Đầu đo ADCP [Nguồn: rdinstruments.com]

15.* Đo lưu lượng bằng công nghệ LSPIV

(Đây là phần nâng cao, SV có thể tham khảo hoặc làm thêm với sự hướng dẫn của GV.)

Kĩ thuật đo này được chọn đại diện cho nhóm phương pháp “không nhúng nước” (non-intrusive).

Theo phương pháp này, người ta dùng camera gắn cố định bên sông để đo vận tốc. Sau đó xây dựng một “chỉ số vận tốc” Vi (velocity-index). Chỉ số vận tốc này thu thập từ số liệu sau khi giải đoán video nêu trên.

Vận tốc trung bình mặt cắt sẽ có liên hệ với chỉ số vận tốc trên. Mối quan hệ có thể là tuyến tính, bậc hai hay kèm thêm tham biến khác.

V = b0 + b1Vi
V = b0 + b1Vi + b2Vi2
V = b0 + (b1 + b2S)Vi
V = b0 + (b1 + b2H)Vi

Các hệ số b nêu trên được tìm thông qua phân tích hồi quy. Từ thông tin về vận tốc và diện tích mặt cắt ngang (đường quan hệ A~H) có thể xác định lưu lượng.

Bài tập. Trong báo cáo [19] người ta tìm được liên hệ giữa Vi và V cùng đường cong A~H như sau. Hãy thiết lập công thức tính Q.

Đường H~A
Hình: Đường quan hệ mực nước H ~ diện tích mặt cắt ngang A

Đường V ~ Vi
Hình: Đường quan hệ giữa lưu tốc trung bình mặt cắt (V) với chỉ số lưu tốc Vi

16. Quan hệ mực nước ~ lưu lượng

Với những sông vùng không ảnh hưởng triều, quan hệ mực nước lưu lượng thường có dạng đường cong đơn (dòng chảy thường) hay dạng vòng dây (dòng chảy lũ). Với đoạn sông vùng triều thì quan hệ này phức tạp hơn và thường có dạng vòng dây ngay cả khi trong quá trình lũ.

Nếu có thể, hãy hỏi cán bộ trạm xem kinh nghiệm xây dựng đường quan hệ Q ~ H tại trạm thế nào. Trong trụ sở của trạm có biểu đồ đường cong Q~H, nếu có thì hãy sơ họa vào lưới ô vuông và nhận xét.

Theo em đường Q~H tại sao lại khác nhiều so với dạng phi tuyến quen thuộc?

17. Đo hàm lượng cát lơ lửng

Hiểu được cách đo hàm lượng cát lơ lửng và kinh nghiệm đo của cán bộ trạm. Phương pháp được dùng là tích điểm hay tích sâu? Dung tích mẫu nước là bao nhiêu? Mẫu đo cần phân tích sau bao lâu mới thu được kết quả? Độ chính xác của phép phân tích là bao nhiêu? Xem lại lý thuyết trong giáo trình [2].

Chai lấy mẫu bùn cát

18. Đo độ mặn

Xem lại các dạng xâm nhập mặn cửa sông và đối chiếu xem cửa sông tại trạm này thuộc loại nào.

Xem lại cách phân tích hóa học mẫu nước để xác định độ mặn [2]. Trong quá trình thực hành, ta không dùng cách hóa học mà sử dụng máy đo loại gì, thông số máy thế nào, kết quả đo ra sao?

19. Trạm hải văn Hòn Dáu

Trạm Hải văn Hòn Dáu nằm ngoài khơi bán đảo Đồ Sơn. Hãy quan sát vị trí của trạm; hướng của trạm quay ra phía biển là hướng gì? (Gợi ý, nếu không có la bàn, vào một ngày nắng, em có thể xác định được không?)

Với các trạm ngoài biển, công tác đo đạc thủ công chỉ một số ít số liệu như trong bảng sau (theo Quy phạm 94 TCN 8-2006):

Giờ quan trắc Yếu tố quan trắc Thiết bị đo
7, 13, 19 Gió, sóng biển Mắt / máy
1, 7, 13, 19 Tầm nhìn xa phía biển Các tiêu điểm
1, 7, 13, 19 Nhiệt độ nước Nhiệt kế / máy
1, 7, 13, 19 Độ muối Máy
1, 7, 13, 19 Mực nước biển Thủy chí / tuyến cọc VÀ máy đo mực nước
24/24 Các hiện tượng nguy hiểm Mắt / Thiết bị đo

Bạn tự hình dung xem có thể ước lượng được những yếu tố nào trong số các yếu tố trên.

Tìm hiểu xem trạm hải văn có máy đo mực nước tự động không. Các giờ quan trắc tại trạm như thế nào? Cùng với trạm hải văn, trạm khí tượng trong vùng đo đạc những yếu tố gì?

Từ đài quan sát các em thử xác định hướng gió, hướng sóng. Có thể xác định được những con sóng lừng (có đỉnh dài) không? Thử ước lượng chu kì của những đợt sóng lừng đó.

20. Thiết bị đo mực nước tự động

Thiết bị này có tên là Honeywell - EMS wave logger. Kích thước dài 50 cm và đường kính 15,5 cm, cân nặng 3 kg, hoạt động được đến độ sâu tối đa 20 m. Thiết bị vận hành được lâu dài và thích hợp để ghi những biến đổi mực nước liên tục, chẳng hạn như sóng biển.

Máy đo mực nước

Nguyên lý hoạt động [16]: khi thiết bị đặt chìm trong nước, áp lực nước tác dụng lên một đầu và cảm biến đo áp suất sẽ hoạt động, từ đó quy đổi ra độ sâu ngập nước. Máy hoạt động liên tục theo thời gian và khi tắt máy, trên thẻ nhớ gắn với máy sẽ có một file *.txt chứa chuỗi số liệu. Chẳng hạn, một chuỗi số liệu đo được ở vùng nước có thể như sau:

517 515 520 514 515 520
515 515 517 518 514 521
516 514 521 517 518 518
515 513 519 514 515 520
511 516 521 517 516 521
516 517 519 515 516 517
515 516 520 516 516 519
516 519 522 515 518 518
517 519 516 515 518 519
517 517 516 517 518 518
516 518 522 514 522 516
515 519 518 516 521 517

Các giá trị này là độ lớn tín hiệu (V). Công thức để quy đổi từ tín hiệu sang áp suất có dạng:

p = 254 V – 43250

Với trường hợp dòng chảy nhỏ thì độ sâu nước được tính bởi

h = p / ρg (nghĩa là chỉ tính đến thành phần áp lực thuỷ tĩnh)

Bài tập. Giả sử người ta dùng đầu đo này để đo cao độ mặt nước vùng ven bờ. Với tần số đo là 4 Hz thì mỗi con sóng điển hình có chu kì 5 giây sẽ được biểu diễn bởi mấy điểm dữ liệu? Giả sử sau 1 giờ đồng hồ đo liên tục mực nước và thu được một chuỗi số liệu dài, làm thế nào có thể xác định được chiều cao sóng ý nghĩa và chu kì sóng trung bình từ chuỗi số liệu đó? Áp dụng tính toán với dãy số liệu nêu trên.
Số điểm dữ liệu cần để biểu diễn sóng chu kì 5 giây: ____________.
Kết quả: Hs = ________ , T = _________.
Truy cập trang web http://162.250.127.146:9539 để thử nghiệm chọn bộ số liệu sóng và kết quả tính bằng máy. So sánh với kết quả tính tay.

Tài liệu tham khảo

[1] Trần Thanh Tùng (2014), Bài giảng Đo đạc và quan trắc biển, Đại học Thủy lợi.

[2] Phan Đình Lợi, Nguyễn Năng Minh (2002) Đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn, Trường Đại học thủy lợi.

[3] Nguyễn Thanh Sơn, Đặng Quý Phượng (2003) Đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn, Trường Đại học Quốc gia.

[4] Nguyễn Văn Lai, Nguyễn Thị Phương Thảo (2006), Mực nước và dòng chảy, Bài giảng tại Trường Đại học Thủy lợi.

[5] Tiêu chuẩn ngành: Quy phạm quan trắc lưu lượng nước sông vùng ảnh hưởng thủy triều, 94 TCN 17-99.

[6] Bộ Tài nguyên và Môi trường (2007) Quy phạm quan trắc hải văn ven bờ. Nhà Xuất bản Bản đồ.

[7] Boiten, W. (2008). Hydrometry, CRC Press. {Giáo trình của Hà Lan về đo dòng chảy sông, cả thiết bị lẫn phương pháp.}

[8] Tập thể lớp 53B (2014). Báo cáo thực tập môn học Thủy đạc, 5/2014.

[9] Rantz, S.E. và nnk. (1982)Measurement and Computation of Streamflow, Geological Survey Water-Supply Paper 2175, USGS. {Tài liệu hướng dẫn then chốt phục vụ các dự án đo đạc thủy văn ở Hoa Kỳ.}

[10] Tổ chức khí tượng thế giới WMO (2010). Manual on Stream Gauging, WMO-No. 1044. {Về tinh thần, tài liệu này giống bản của Rantz và nnk, nhưng được cập nhật những phương pháp mới.}

[11] Tổ chức khí tượng thế giới WMO (1994). Guide to Hydrological Practices, 5th ed., WMO-No. 168. {Vấn đề đa dạng, gồm cả đo mưa, tính tần suất, v.v.}

[12] Kentucky Energy Environment Cabinet, Hoa Kỳ (2010) Standard Operating Procedure – Measuring Stream Discharge (Quy trình thực hành chuẩn), Tài liệu mã DOWSOP03019. {Trình bày kĩ các thao tác thủ công.}

[13] Discharge Measurement in Tidally Affected Channels During a Hydrographic Estuarine Survey of Sabine Lake, Texas, USGS. {Một dự án đo đạc đoạn sông vùng ảnh hưởng triều.}

[14] Melcher và nnk. (2002) River discharge measurements by using helicopter-mounted radar, Geophysical Research Letters, Vol 29, No 22, 2084. {Kỹ thuật đo lưu lượng lũ trong sông từ radar đặt trên máy bay trực thăng.}

[15] Morgenschweis, G. (2010) Hydrometrie, Springer.

[16] Verhagen, H.J. (2013) EMS wave logger data processing, Communications on Hydraulic and Geotechincal Engineering, TU Delft Netherlands. { Tài liệu hướng dẫn xử lý chuỗi số liệu nhận được từ máy đo mực nước để tổng hợp nên các đặc trưng sóng. }

[17] http://www.mpia.de/~mordasini/UKNUM/integration.pdf { Tập bài giảng về tích phân có giải thích dễ hiểu về quadrature bắt đầu từ slide số 81. }

[18] N.T. Phương, N.T. Thuý (2015). http://goo.gl/anuwEI { Đây là bài báo NCKH về phân tích mực nước lưu lượng tại trạm đo. Hãy xem qua để biết ý tưởng nghiên cứu là gì. }

[19] Lükő, G. (2015) Analysis of video-based discharge measurement method for streams. http://tdk.bme.hu/EMK/DownloadPaper/Videoalapu-vizhozammeres-tesztelese { Báo cáo Nghiên cứu khoa học sinh viên Hungary về đo dòng chảy bằng phương pháp LSPIV. }

[20] Tổ chức khí tượng thế giới WMO (2010). Manual on Stream Gauging, WMO-No. 1044.