Các bước mô hình hóa

NỘI DUNG

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA MƠ HÌNH
HĨA MƠI TRƯỜNG

 Các khái niệm cơ bản của mơ hình hóa
 Các bước mơ hình hóa mơi trường
 Các hệ thống đo đạc liên quan

PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,
Đại học Bách khoa
Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh

2

1

MỘT SỐ KHÁI NHIỆM CƠ BẢN

Phát thải (emission), xả thải (discharge)
Trong giai đoạn đầu tiên này, các chất ô nhiễm tỏa vào khi
quyển (nước) tư các nguồn thải khác nhau.
Nguồn bề mặt (area source): các nguồn thải thấp, đám cháy.
Nguồn đường (line source): đường giao thơng
Nguồn điểm (point source):ống khói, cống xả
Nguồn diện (non-point source) : xả thải trên diện rộng

3

4

1


Chuyển tải - advection

Phương trình tốn chuyển tải

Chuyển động tải là sư di chuyển của khối khí trong khí
quyển theo một dòng và đi từ điểm này đến điểm khác.
Đối với một tạp chất di chuyển trong một khối khí, sự tải là
sản phẩm của vận tốc khối thê tích khí.
Tác nhân gây ra hiện tượng tải là gió, dịng chảy.

5

Phương trình vi phân chuyển tải
 ∆Khối lượng = (tốc độ khối
lượng dòng vào – tốc độ khối
lượng dòng ra)∆t
∆(VC) = (QaCa­ – QbCb)∆t

J = uAC = QC
J là thông lượng có thứ nguyên là
khối lượng/thời gian (mg/s),
u là vận tốc dịng trung bình có đơn
vị (m/s),
C là nồng độ có đơn vị (mg/m3) và
Q là lưu lượng thể tích có thứ
ngun (m3/s).

C
C
 u
t
x
6

Mơ hình tốn hiện tượng chuyển tải
c
c
 u
 0,0  x  L,0  t  T
t
x
 Điều kiện biên: có 2 điều kiện biên, mỗi điều kiện ở mỗi đầu sông.


Điều kiện biên Dirichlet: ct,0  f t ,



Điều kiện biên Neumann:

c
t,0  f t  ,
x

ct, L  g t 
c t, L  g t 

 Điều kiện đầu: c0, x   x

V = Ax

2


Sự khuếch tán

Hiện tượng khuếch tán
Khuếch tán phân tử (Molecular diffusion) : Khuếch tán
phân tử là sự hòa trộn của các hóa chất hịa tan do
chuyển động ngẫu nhiên của phân tử trong chất lưu.
Nó được gây nên bởi năng lượng động lượng do sự
chuyển động lắc (vibrational motion), tròn quay (rotational
motion), tịnh tiến của phân tử (translational motion).
Về bản chất, khuếch tán phân tử tương tự như tăng
entropy ở nơi mà các chất hòa tan di chuyển từ nơi nồng
độ cao đến nơi nồng độ thấp theo định luật khuếch tán
của Fick.

10

9

Thơng lượng

Bài tốn một chiều

J  D

C
x

C: Nồng độ

C: Nồng độ

11

12

3


Định luật 2 Fick (có thời gian)

Định luật 1 Fick (1855)

Thông lượng

C
D
x

D

C
 y z
x

D
x

y
x  x

 C
 C

 D yz x  D yz xx t  (Ct tCt)xyz
x
x




m2/s),

C
C

 y z x    D
 y z
x
x

Chia cho xyz

D

x  x

13

Phương trình tốn khuếch tán

x  x

z
x

D – là hệ số khuếch tán phân tử (có thứ ngun là
thơng lượng – là
lượng chất chảy qua một đơn vị diện tích, có thứ ngun là mg/m2.s, thứ
ngun của dC/dx là mg/m4.

C
yz
x

 C
 x y z

 t
C
 2C
D 2
t
x

14

Mơ hình tốn hiện tượng khuếch tán
c
 2c
  2 , 0  x  L, 0  t  T
t
x
 Điều kiện biên: có hai điều kiện biên, mỗi điều kiện ở mỗi đầu sông.
Điều kiện biên Dirichlet: c t,0  f t  , c t, L  g t  hoặc điều kiện biên Neumann:
c
 t , 0   f  t  , c  t , L   g  t  được cho tại hai đầu sông.
x

 Điều kiện đầu: c 0, x   x

C
 2C
D 2
t
x
15

4


Hiện tượng khuếch tán (tiếp)

Sự phân tán (dispersion)

Khuếch tán rối (turbulent diffusion): khuếch tán rối hay xáo
động (turbulent or eddy diffusion) có nghĩa là sự hịa trộn
của các chất hịa tan và hạt mịn do sự rối trong phạm vi vi
mô.

Sự tương tác giữa khuếch tán rối với gradient vận tốc do
lực dịch chuyển trong khối khí tạo ra sự phân tán.
Sự di chuyển các tạp chất khí trong khí quyển trong
trường hợp có gió (trên 1 m/s) chủ yếu bởi quá trình tải,
nhưng sự di chuyển của tạp chất khí trong trường hợp gió
lặng thường là do sự phân tán.

Sự khuếch tán rối có bậc lớn hơn sự khuếch tán phân tử
và đây là một yếu tố tạo nên sự phân tán.

17

Chuyển tải, khuếch tán, phân tán

18

Phạm vi, kích thước
Quá trình

Phương

Phạm vi [m2/s]

Khuếch tán phân

tử

Đứng

10-8 to 10-9

Ngang

10-8 to 10-9

Dọc theo dòng

10-8 to 10-9

Đứng

10-6 to 10-2

Ngang

10-2 to 102

Dọc theo dòng

10-2 to 102

Đứng

10-3 to 10-1

Ngang

10-2 to 100

Dọc theo dòng

10-1 to 104

Khuếch tán rối

Phân tán

19

20

5


Lắng đọng ướt (wet deposition)

Biến đổi hóa học (chemical transformation)

 Nhiều phản ứng hóa học khác nhau diễn ra trong suốt
q trình lan truyền chất ơ nhiễm trong khi quyển.
 Kết quả của các phản ứng hóa học này là nhiều chất ô
nhiễm thư cấp (secondary pollutant) được tạo ra (các
chất ô nhiễm không khi được thải trực tiếp tư các nguồn
thải trong không khi thường được gọi là các chất ô
nhiễm cơ bản, primary pollutant).

21

Lắng đọng ướt là một trong những cơ chê làm sạch khi
quyển hiệu quả nhất.
Tuy nhiên, trong khi khi quyển được làm sạch, đất có thê
bị axit hoa do một sô chất ô nhiễm va điều này có thê rất có
hại đối với một sơ khu vực nhạy cảm


22

Lắng đọng khơ (dry deposition)

MỞ ĐẦU VỀ
MƠ HÌNH HĨA MƠI TRƯỜNG

 Lắng đọng khơ của các chất ơ nhiễm khơng khi (khí và các
hạt) là q trình diễn ra trong q trình lan truyền chất ơ
nhiễm khơng khi;
 Cơ chế gây ra q trình lắng đọng khơ:


Đối với các phân tư lớn: do lắng đọng của lực trọng trường;



Cây cối;



Quá trình hút hoặc phản ứng trên bê mặt trái đất

PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,
Khoa Môi trường,
Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh

23

6


Mục tiêu của bài giảng

Ý nghĩa bài giảng

 Làm quen với các bước mơ hình hóa trên các ví dụ
cụ thể.

 Các phương trình vi phân xuất hiện dựa trên việc
mô tả các qui luật vật lý cụ thể.
 Để giải số các phương trình, hệ phương trình vi
phân, tích phân cần sử dụng phương pháp toán
khác nhau: lấy vi phân, tích phân, Runge – Kutta.

25

Các bước phát triển cơng cụ mơ hình

26

Các bước mơ hình hóa
 Ví dụ mơ hình hóa
 Các bước mơ hình hóa trên ví dụ cụ thể

27

28

7


Sử dụng phép tính vi phân

MỘT SỐ VÍ DỤ MƠ HÌNH HĨA

Sử dụng phép tính tích phân

 Khơng khí được bơm vào quả
bóng hình cầu với tốc độ 4.5
ft3/phút. Hãy tính tốc độ thay đổi
của bán kính quả bóng khi bán
kính = 2 ft.
 ft = đơn vị đo chiều dài Anh bằng
0, 3048 m.

Bài tập ứng dụng

8

Theo dõi tàu con thoi bằng camera

Lời giải …

Máy camera được đặt tại mặt đất
để quay film q trình phóng tàu
con thoi, được phóng thẳng
đứng thỏa phương trình s=50t2,
trong đó s được đo bằng ft, t đo
bằng giây. Camera nằm cách vị
trí phóng 2000 ft. Hãy tìm tốc độ
thay đổi khoảng cách giữa
camera và đuôi tàu con thoi 10 s
sau khi phóng. Giả thiết rằng
đi tàu và camera cùng ở mặt
đất vào thời điểm t=0.

Mơ hình hóa dữ liệu
Năm
2008
2009
2010
2011
2012

P (người)
182.206
184.397
187.364
191.903

195.235

Phương pháp xử lý số liệu
 Cần đưa ra dự báo dân số
của các năm tiếp theo:
2013, 2014,…

Năm
2008
2009
2010
2011
2012
Tổng

X
0
1
2
3
4
10

P(người)
182,206
184,397
187,364
191,903
195,235
941.105

Y (lnP)
12.113
12.125
12.141
12.165
12.182
60.726

X2
0
1
4
9
16
30

XY
0
12.125
24.282
36.495
48.728
121.63

9


Mệnh đề  mơ hình tốn

Kết quả dự báo
Năm
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017

Mệnh đề khẳng định
Vận tốc của ô tô sau khi đi
được 1 giờ là 100 km/giờ

P (người)
182.206
184.397
187.364
191.903
195.235
198,590
202,197
205,869
209,399
213,202

Mơ hình tốn

Ký hiệu x(t) = khoảng cách đã
đi được sau t giờ, x tính bằng
km, t tính bằng giờ, dx  100
dt

khi t=1.
Nước được bơm vào bể với vận Gọi V(t) là thể tích nước trong
tốc 10 m3 trong một giờ
bể tại thời điểm t, V tính bằng
m3, t tính bằng giờ.
3
dV
 10 (m /giờ)
dt

Quần thể vi khuẩn tăng với tốc Gọi x(t) là số lượng trong quần
độ 2000 trong một giờ
thể, x tính bằng con, t tính bằng
giờ.
dx
 2000 vi khuẩn trong một
dt

giờ

Mơ tả phương pháp

Xác định các thành phần mơ hình hóa

 Xác định các thành phần mơ hình hóa

 Xây dựng mơ hình lý luận (conceptual model)
 Xây dựng phương trình vi phân dựa trên qui luật vậy lý, hóa
học, sinh học.
 Đưa về bài toán biên và giải số bằng các phương pháp tốn
học khác nhau.

 Mơ hình nhận thức (mơ hình lý luận): thể hiện quan điểm
nghiên cứu và được xác định bởi mục tiêu và khả năng
nghiên cứu. Mô hình nhận thức chứa: mơ tả giới hạn của hệ
được xem xét; tập hợp các phần tử của hệ; tập hợp các mối
liên hệ giữa các phần tử của hệ; danh mục các quá trình
diễn ra trong hệ; danh mục các tác động bên ngoài và bên
trong của hệ.
 Biến trạng thái: giống như tên gọi của nó, mơ tả tình trạng
của hệ sinh thái. Việc lựa chọn biến trạng thái cho bài tốn
mơ hình hóa là rất quan trọng và nó phụ thuộc vào mục tiêu.

39

40

10


… Tiếp theo

Xây dựng phương trình vi phân

 Hàm điều khiển (hay còn gọi là biến ngoại sinh): là hàm số của các biến
đặc tính bên ngồi có ảnh hưởng đến tình trạng của hệ sinh thái. Trong

quản lý mơi trường, bài tốn cần giải quyết có thể được trình bày lại như
sau: nếu với các hàm điều khiển bất kỳ khác nhau thì tình trạng của hệ
sinh thái sẽ bị ảnh hưởng như thế nào?
 Phương trình tốn học: được sử dụng để biểu diễn các quá trình sinh
học, hóa học và vật lý. Chúng mơ tả mối quan hệ giữa hàm điều khiển và
biến trạng thái. Cùng một phương trình có thể được sử dụng trong nhiều
mơ hình khác nhau. Tuy nhiên, điều này khơng có nghĩa là cùng một q
trình sẽ ln ln được biểu diễn bằng cùng một phương trình.
 Các tham số: là các hệ số trong các phương trình tốn biểu diễn q
trình. Chúng có thể được xem là hằng số đối với một hệ sinh thái đặc
biệt hoặc một phần của hệ sinh thái. Trong bài tốn đang xem xét Vi là
thể tích hồ chứa i là tham số được xét tới.
 Các hằng số: thường được sử dụng trong hầu hết các mơ hình.

 Để xây dựng phương trình vi phân cần nắm vững sự vận
hành của hệ thống cũng như một số giải thiết lý tưởng hóa
bài tốn thực tế. Phương trình vi phân được xây dựng dựa
trên định luật bảo tồn: khối lượng, động lượng và năng
lượng.

41

42

Ví dụ mơ hình hóa mơi trường

Bước 1: Xây dựng mơ hình lý luận

Cho một hệ thống ba hồ nước được
kết nối với nhau. Mỗi hồ được coi là

một hình hộp lớn và các kênh kết
nối các hồ như đường ống giữa các
hình hộp đó. Hướng dịng chảy
trong các kênh hoặc ống dẫn được
chỉ định bởi các mũi tên trên hình
vẽ. Một chất gây ô nhiễm được đưa
vào hồ đầu tiên tại đó hàm p(t) biểu
diễn khối lượng chất ô nhiễm đi vào
hồ trên một đơn vị thời gian. Hàm
p(t) có thể khơng thay đổi hoặc có
thể thay đổi được theo thời gian.
Bài tốn chúng ta quan tâm ở đây là
xây dựng phương pháp đánh giá
mức độ ơ nhiễm ở mỗi hồ bất kì thời
điểm nào.

43

 Thể hiện quan điểm nghiên cứu và được xác định bởi mục tiêu và khả
năng nghiên cứu.
 Mô tả giới hạn của hệ được xem xét;
 Tập hợp các phần tử của hệ;
 Tập hợp các mối liên hệ giữa các phần tử của hệ;
 Danh mục các quá trình diễn ra trong hệ;
 Danh mục các tác động bên ngoài và bên trong của hệ.

44

11

Bước 2: Xây dựng phương trình vi phân

Bước 2 (tiếp theo)

Với mục tiêu nàu ta đưa vào xem xét ba biến trạng thái là xi(t) – lượng chất ô nhiễm
cụ thể (ví dụ BOD) trong hồ thứ i tại thời điểm t  0 , trong đó i = 1,2,3.
Giả sử chất ô nhiễm trong mỗi hồ được phân bố đồng đều trong hồ của suốt quá trình
pha trộn và thể tích nước V i (m 3) trong mỗi hồ i là một hằng số. Nồng độ của chất ô nhiễm
trong hồ i mỗi thời điểm t được cho bởi công thức:
ci  t  

xi  t 
Vi

(kg/m 3)

Định nghĩa. Tốc độ dòng giữa hai trạng thái i và j là lượng vật chất dịch chuyển từ trạng thái
i đến trạng thái j của hệ trong một đơn vị thời gian (kg/s). Tốc độ dòng được ký hiệu J(j,i).
Dựa trên các ký hiệu ở trên có thể thấy rằng:
J (1,3) 

F13
x3  t  ;
V3

J (3,1) 

F31
x1  t  ;

V1

J (2,1) 

F21
x1  t 
V1

Định luật bảo toàn khối lượng. Tốc độ biến đổi của một biến trạng thái i của hệ bằng
3

Tiếp theo, để xây dựng phương trình vi phân, ta đưa vào xem xét ký hiệu: F ji (m /s) là
lưu lượng dòng chảy từ hồ i vào hồ j. Để cho thể tích của mỗi hồ không thay đổi, tỷ lệ lưu
lượng vào hồ mỗi phải cân bằng với các dòng chảy ra từ hồ. Vì vậy, các điều kiện sau đây

tổng tất cả các hiệu quả thực sự của các dòng vật chất đối với biến đó trong một đơn vị
thời gian. Nói một cách khác là bằng tổng tất cả các tốc độ dòng vật chất đi vào trừ đi
tổng tất cả các dòng vật chất đi ra từ biến i.

phải được thực hiện: Hồ 1: F 13 = F 21 + F 31 ; Hồ 2: F 21 = F 32 ; Hồ 3: F 31 = F 32 + F 13; F 12 = 0.

45

Nhận được phương trình vi phân

Bước 2 (TT): Hình thành phương trình vi phân
Dựa trên định luật bảo toàn khối lượng viết cho biến x 1 (t) ta nhận được

Như vậy bằng cách đặt biến xi(t) là lượng chất ô nhiễm trong hồ thứ i tại bất kì thời điểm t≥0,

F

F
F
x1  t   t   x1  t    1 3 x 3  t   p  t   3 1 x1  t   2 1 x1  t     t
V1
V1
 V3


trong đó i = 1,2,3, với giả thiết chất ô nhiễm trong mỗi hồ được phân bố đồng đều trong hồ
của suốt một số q trình trộn, dựa trên định luật bảo tồn khối lượng và ngơn ngữ tốn học

Từ đó ta nhận được phương trình vi phân:
d x1  t 
dt

(phương trình vi phân) ta nhận được hệ các phương trình vi phân

F

F
F
  1 3 x 3  t   p  t   3 1 x1  t   2 1 x1  t  
V1
V1
 V3


 dx1  t   F13


F
F

x3  t   p  t   31 x1  t   21 x1  t  

V1
V1
 V3

 dt
 dx t 

F
F
 2 
  21 x1  t   32 x3  t  

V3
 V1

 dt
 dx t 



F
F
F
3

31


x1  t   32 x2  t   13 x3  t  
 dt
V2
V3
 V1


Tương tự ta nhận được phương trình
dx2  t 
dt

d x3  t 
dt

46

F

F
  2 1 x1  t   3 2 x 2  t  
V2
 V1


F

F

F
  3 1 x1  t   3 2 x 2  t   1 3 x 3  t  
V2
V3
 V1


47

48

12


Đặt điều kiện ban đầu (điều kiện biên)

Bước 3: Giải số
Xét hệ thống gồm ba hồ có thể tích tương ứng bằng V 1 = 2900 m 3,V 2 = 850 m 3, V 3 = 1180
m 3. Giả thiết rằng tốc độ dòng tương ứng bằng: F 21 = 18 m 3/năm,F 32 = 18 m 3/năm, F 31 = 20
m 3/năm,

 dx1  t   F13

F
F

x3  t   p  t   31 x1  t   21 x1  t  

V1
V1

 V3

 dt
 dx t 



F
F
 2
  21 x1  t   32 x3  t  
V3
 dt
 V1


dx
t




F
F
F
3

  31 x1  t   32 x2  t   13 x3  t  
 dt
V2

V3
 V1


 x1  0   0; x2  0   0; x3  0   0

F 13 = 38 m 3/năm. Trong một thời gian ngắn có một lượng chất ơ nhiễm đổ vào hồ

1: p(t) bằng với 100 đơn vị cho suốt 10 đơn vị thời gian. Giả thiết rằng khơng có chất ơ
nhiễm xâm nhập vào các hồ khác. Hãy làm sáng tỏ mức độ ô nhiễm trong các hồ sau một vài
thời điểm cụ thể.

49

p(t) = 100

50

p(t) = 100 t
 dx1  t   38
20
18


x3  t   100 * t 
x1  t  
x1  t  

2900
2900

 1180

 dt
 dx2  t   18
18


x1  t  
x3  t  

850
 2900

 dt
 dx  t 
18
38
 20

 3

x1  t  
x2  t  
x3  t  
850
1180
 dt
 2900



 x1  0   0; x2  0   0; x3  0   0

 dx1  t   38
20
18


x3  t   100 
x1  t  
x1  t  

2900
2900
 1180

 dt
 dx2  t   18
18


x1  t  
x3  t  

850
 2900

 dt
 dx  t 
18
38

 20

 3

x1  t  
x2  t  
x3  t  
850
1180
 dt
 2900


 x1  0   0; x2  0   0; x3  0   0
T
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1

x1(t)
0
0,99994

1,99975
2,99943
3,99897
4,99839
5,99768
6,99683
7,99585
8,99475
9,99351

x2(t)
0
2,84E-05
0,000119
0,000271
0,000486
0,000763
0,001101
0,001501
0,001964
0,002488
0,003074

T

x3(t)
0
3,16E-05
0,000132
0,000302

0,00054
0,000847
0,001224
0,001669
0,002182
0,002765
0,003417

51

0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1

x1(t)

0
0,005
0,019998
0,044994
0,079987
0,124973

0,179954
0,244926
0,31989
0,404843
0,499784

x2(t)

0
9,05E-08
7,76E-07
2,68E-06
6,41E-06
1,26E-05
2,19E-05
3,48E-05
5,21E-05
7,43E-05
0,000102

x3(t)

0
1,01E-07
8,62E-07
2,97E-06
7,12E-06
1,40E-05
2,43E-05
3,87E-05

5,79E-05
8,26E-05
0,000113

52

13


Các hệ thống đo đạc khí tượng
 Vườn quan trắc khí tượng
 Quan trắc áp suất khí
quyển
 Quan trắc gió bề mặt
 Quan trắc lượng bốc hơi
 Quan trắc nhiệt độ, ẩm độ
khơng khí
 Quan trắc mây
 Các thơng số chính được
quan trắc: Khí áp, hướng
gió, tốc độ gió, lượng mưa,
nhiệt độ, độ ẩm khơng khí,
bức xạ tổng cộng

Các hệ thống đo đạc liên quan

54

Đo gió (anemometer)

Áp kế (barometer)

 Dựa trên “Quy phạm quan
trắc khí tượng bề mặt số 94
TCN 6 – 90”

 Áp suất khí quyển (gọi tắt là khí áp).
 Áp kế là thiết bị dùng để đo áp suất khí
quyển.
 Tại Việt Nam nội dung xác định khí áp gồm
khí áp mực trạm, khí áp quy về mực mặt
biển trung bình,… được ghi liên tục trong
24 giờ.
 Đơn vị tính khí áp là hectopascal viết tắt là
hPa.
 1 hPa = 1 mb, mb là dạng viết tắt của
millibar.

 Số liệu gió được biểu thị
bằng hai chỉ số là hướng
và tốc độ (m/s, km/h hoặc
cấp gió)
 Tốc độ gió được đo bằng
tốc độ quay của chong
chóng

55

56

14


Đo bốc hơi (evaporation, transpiration)

Lều tự ghi nhiệt độ, độ ẩm khơng khí

 Lượng bốc hơi là tổng lượng nước bốc hơi từ một đơn vị
diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian được biểu thị
bằng khối lượng hay thể tích nước lỏng trên đơn vị diện tích
và đơn vị thời gian.
 Ở Việt nam hàng ngày đo vào 2 thời điểm 7 h và 9 h.
 Evaporation: bốc hơi
 Transpiration: thoát hơi
57

58

Dụng cụ đo bức xạ (pyranometer)

Quan trắc mây

 Mây là khối các giọt nước ngưng tụ hay nước đá tinh thể
treo lơ lửng trong khí quyển ở phía trên Trái Đất (hay trên bề
mặt các hành tinh khác) mà có thể nhìn thấy.
 Quan trắc mây gồm ước định lượng mây, phân định dạng
mây, mây phụ và độ cao chân mây trên mặt trạm.
59

 Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng của Mặt Trời phát ra.

Đây chính là nguồn năng lượng chính cho các q trình phong hóa, bóc
mịn, vận chuyển, bồi tụ trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm
cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời.
 Năng lượng bức xạ Mặt trời thường biểu diễn bằng cal/cm².phút
 Năng lượng bức xạ Mặt trời ở gần Trái Đất ở vào khoảng 2 cal/cm².phút
(hằng số mặt trời), có phổ nằm trong dải bước sóng 0,17-4 μm với cực
đại ở khoảng 0,475 μm.

60

15


Trung tâm xử lý thông tin quan trắc

Thiết bị quan trắc khơng khí di động

62

61

Đo địa hình sơng

Mặt cắt sơng

63

16

Hệ thống cọc đo mực nước

Thủy chí

Lowrance sonar fish-finders and GPS

Đo trên sông Truồi, 3/2011

Ship

17


Acoustic Doppler Current Profiler

ADP và Mini ADP

Đo mực nước

Mặt chuẩn quy chiếu khi đo mực nước :

 Mực nước (thường ký hiệu là
H, đo bằng cm, m) là độ cao
mặt thống của dịng nước
so với một mặt chuẩn qui
ước.
 Có hai loại mực nước: tuyệt
đối và tương đối.
 Mực nước tuyệt đối là cao
trình mặt thống của nước so

với cao trình "0 chuẩn quốc
gia" - mực nước biển bình
quân nhiều năm tại Hòn Dấu
trên vịnh Bắc Bộ.
 Mực nước tương đối là cao
trình mực nước so với "0 giả
định" tuỳ theo từng trạm đo.

– Ký hiệu độ cao không đổi: mực
nước đo trên các dụng cụ đo
phải quy về một mặt chuẩn quy
chiếu của trạm có cao độ là
hằng số với thời gian.
– Để cho việc lấy số đo mực nước
luôn dương, cao độ mặt quy
chiếu của trạm phải nằm sâu
hơn mực nước thấp nhất tại
tuyến đo ít nhất là 0,5 m

71

72

18


Đo sâu

Chế độ đo

 Độ sâu ký hiệu là h đo bằng đơn vị cm, m là khoảng cách từ mặt
thống nước tới đáy sơng theo chiều thẳng đứng.
 Mục đích của cơng tác đo sâu là xác định độ sâu và tính chất của địa
hình đáy sơng, hồ, hồ chứa. Sau cơng tác đo sâu có thể lên được sơ
đồ lịng sơng hoặc đáy các thuỷ vực nghiên cứu. Ngồi ra tài liệu đo
sâu cịn phục vụ cho việc tính tốn nhiều đặc trưng thuỷ lực và thuỷ
văn khác.
 Độ sâu thường được đo tại các thuỷ trực đo sâu. Thuỷ trực là một
đường thẳng tưởng tượng vng góc với mặt thống của nước và đáy
sơng mà trên đó người ta tiến hành đo sâu hoặc đo vận tốc.
 Đo sâu là công việc không thể thiếu khi đo vận tốc và tính lưu lượng.

 Đo 2 lần mỗi ngày đêm: áp
dụng cho tất cả các trạm
trong mọi điều kiện lúc 7h
và 9h
 Khi cường độ dao động
mực nước biến đổi nhanh
(mùa lũ), người ta tiến hành
quan trắc bổ sung cách
nhau 2,4,6 giờ tức là đo 4,
8, 12 lần trong ngày.
 Đo 24 lần trong ngày nếu
mực nước lên với nhịp độ
nhanh

b(x) - Cao trình đáy
(x,t) - Cao trình mặt nước
h(x,t) - Độ sâu

73

Các dụng cụ đo sâu
 Thước đo sâu:
– Làm bằng kim loại hoặc gỗ có bịt sắt 2 đầu dài từ 1,5 – 2
m. Chỉ dùng thước đo khi độ sâu điểm đo không quá 2
m.
– Đo bằng thước thường rất chính xác và dễ sử dụng, tuy
nhiên bị hạn chế bởi độ sâu điểm đo.
 Sào đo:
– Dạng hình trụ, đường kính từ 6 – 8 cm làm bằng gỗ có
độ dài từ 3 – 4 m.
– Dùng khi đo đạc ao hồ, độ sâu khống chế là 4 m.
– Chỉ đo được ở nơi có vận tốc dịng chảy bé v < 5 cm/s
 Tời cáp và tải trọng: là dụng cụ đo phổ biến nhất do có thể
đo được ở bất kì độ sâu nào
75

74

Các dụng cụ đo sâu
 Tời cáp và tải trọng: là dụng cụ đo phổ biến nhất do có
thể đo được ở bất kì độ sâu nào.
 Bộ dụng cụ gồm: tời, tải trọng, ròng rọc và giá đỡ.

Tải trọng

Ròng rọc – Giá đỡ

76

19


Đo lưu tốc

Phân bố lưu tốc theo không gian

 Các loại lưu tốc được xác định:
– Lưu tốc tức thời của dòng chảy là lưu tốc tại một thời điểm nào
đó.
– Lưu tốc bình qn theo thời gian là giá trị trung bình của lưu tốc
dịng chảy tại một điểm nào đó trong một thời gian nào đó.
– Lưu tốc bình qn theo khơng gian là giá trị bình qn thủy trực
và lưu tốc trên mặt cắt ngang.
 Lưu tốc là một đặc trưng thủy lực quan trọng rất cần cho việc tính
tốn thủy văn, thủy lực.
 Trong thực tiễn, vận tốc trung bình được tính theo cơng thức:

1)

2)

3)

4)

1) Đặc trưng cho sông vùng núi, lưu tốc bề mặt lớn
2) Đặc trưng cho vùng đồng bằng
3) Phân bố lưu tốc chịu ảnh hưởng ghồ ghề của đáy sông

Với T là thời đoạn lấy trung bình vận tốc

4) Phân bố lưu tốc ảnh hưởng của thuỷ triều.

77

Các nguyên tắc để đo vận tốc dòng chảy








78

Đo lưu lượng nước
 Lưu lượng nước là một thể tích nước chảy qua một thiết diện ngang
của dòng chảy trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo là m3/s hoặc l/s.
 Có 2 phương pháp xác định lưu lượng nước: đo trực tiếp và đo gián
tiếp.
 Đo trực tiếp: bằng các dụng cụ đo đặt dưới dòng nước, đồng thời đo
thời gian lúc đầy dụng cụ chứa. Áp dụng trên các dòng chảy bé như
suối, kênh, rạch … Phương pháp này có độ chính xác cao
 Đo gián tiếp:
– Phương pháp lưu tốc – diện tích: xác định lưu lượng theo vận tốc
dịng chảy và diện tích mặt cắt ngang.
– Xác định lưu lượng nhờ các cơng trình như: kênh đào, đập chắn,

lưu lương xác định theo yếu tố thủy lực.
– Phương pháp hỗn hợp (điện, nhiệt …)

Dựa vào số vòng quay của cánh quạt (lưu tốc kế)
Trên cơ sở vận tốc của vật trôi (phao)
Xác định theo độ cao cột nước (ống thủy tĩnh)
Theo lực tác động của dịng (phịng thí nghiệm)
Trên cơ sở trao đổi nhiệt
Theo thể tích khối nước
Theo vận tốc truyền sóng âm trong nước

79

80

20


Công tác đo lưu lượng nước
Mô tả đoạn sông, thời tiết và các yếu tố xác định điều kiện
làm việc.
 Quan trắc mực nước
 Đo độ sâu tại tuyến đo thủy văn
 Đo vận tốc trên thủy trực
 Quan trắc độ dốc mặt nước tại các trạm đo
 Dưa vào kết quả đo tốc độ và đo sâu tiến hành tính diện tích
mặt cắt ngang, tốc độ bình qn mặt cắt, sau đó tính lưu
lượng nước.


81

21