Thiết kế hệ thống scada cho quản lý vận hành công trình thủy lợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
________________________

NGÔ TIẾN PHÚ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO QUẢN
LÝ VẬN HÀNH CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH

HÀ NỘI - 2010


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .......................................................................4
Danh mục các bảng .....................................................................................................4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ......................................................................................4
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................6
NỘI DUNG ...............................................................................................................12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ QUAN TRẮC HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH
THỦY LỢI ................................................................................................................12
1.1. Quan trắc nƣớc trong hệ thống thủy lợi .............................................................12
1.1.1. Mục đích và ý nghĩa của công tác đo nƣớc trên hệ thống thuỷ lợi .................12
1.1.2. Khái quát về trạm đo nƣớc và nội dung của công tác đo nƣớc trên hệ thống
thủy lợi ......................................................................................................................13
1.1.3. Các phƣơng pháp đo lƣu lƣợng nƣớc ..............................................................15

1.2. Quan trắc công trình thủy công trong hệ thống thủy lợi ....................................33
1.2.1. Mục đích và ý nghĩa của quan trắc công trình thủy công ...............................33
1.2.2. Nhiệm vụ của công tác quan trắc công trình thủy lợi .....................................34
1.2.3. Nội dung của công tác quan trắc công trình thủy lợi ......................................34
CHƢƠNG 2: HỆ SCADA CHO QUẢN LÝ VẬN HÀNH CÔNG TRÌNH THỦY
LỢI ............................................................................................................................35
2.1. Sự cần thiết xây dựng hệ giám sát, đo lƣờng, điều khiển công trình thuỷ lợi ...35
2.2. Cấu trúc chung của một hệ thống giám sát công trình thuỷ lợi .........................37
2.3. Thiết bị đo và thu thập dữ liệu ...........................................................................38
2.3.1. Thiết bị thu thập và truyền dữ liệu đầu cuối (RTU) ........................................39
2.3.2. Thiết bị chuyển đổi tín hiệu tần số tƣơng tự ...................................................40
2.3.3. Thiết bị đa kênh ...............................................................................................41
2.3.4. Bố trí thiết bị đo và phƣơng án quan trắc dữ liệu công trình ..........................42
2.3.5. Quan trắc mực nƣớc thƣợng lƣu, hạ lƣu đập ..................................................43
2.3.6. Quan trắc lƣợng mƣa trên lƣu vực ..................................................................47
2.3.7. Quan trắc lƣu lƣợng nƣớc ra của hệ thống ......................................................49
2.3.8. Quan trắc đƣờng bão hòa trong thân đập, mực nƣớc trong thân,vai đập ........50
2.3.9. Quan trắc áp lực thấm dƣới nền đập ...............................................................52
2.3.10. Quan trắc biến dạng bề mặt công trình .........................................................54
1


2.3.11. Quan trắc biến dạng thân và nền đập ............................................................55
2.3.12. Quan trắc biến dạng khớp nối .......................................................................59
2.3.13. Quan trắc độ uốn, độ võng bản mặt bê tông .................................................62
2.4. Mạng truyền thông của hệ SCADA ...................................................................63
2.5. Trung tâm thu thập và xử lý số liệu ...................................................................64
2.5.1. Phần mềm xử lý trung tâm ..............................................................................64
2.5.2. Phần cứng thiết bị trung tâm ...........................................................................66
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ SCADA CHO CÔNG TRÌNH MỸ LÂM .................67

3.1. Nhiệm vụ, quy mô công trình ............................................................................67
3.2. Các nội dung quan trắc trong hệ thống ..............................................................69
3.2.1. Yêu cầu bố trí thiết bị đo và phƣơng án quan trắc ..........................................69
3.2.2. Xây dựng phần mềm xử lý trung tâm .............................................................75
3.2.3. Xây dựng phần mềm thiết bị thu thập dữ liệu đầu cuối (RTU) ......................77
3.2.4. Bố trí thiết bị quan trắc....................................................................................78
3.3. Thiết kế giao diện trung tâm điều hành..............................................................79
3.3.1. Giao diện chính của phần mềm điều khiển trung tâm ....................................79
3.3.2. Giao diện diễn biến lƣợng mƣa .......................................................................79
3.3.3. Giao diện diễn biến mực nƣớc thƣợng lƣu quan trắc hồ chứa ........................81
3.3.4. Giao diện diễn biến lƣu lƣợng thấm qua thân đập ..........................................82
3.3.5. Giao diện diễn biến đƣờng bão hòa trong thân đập ........................................83
3.4. Các chế độ điều khiển cảnh báo công trình .......................................................84
3.4.1. Chế độ cảnh báo lƣợng mƣa lớn .....................................................................84
3.4.2. Chế độ cảnh báo mực nƣớc quá thấp, quá cao ................................................85
3.4.3. Chế độ cảnh báo lƣu lƣợng thấm qua thân đập quá lớn ..................................85
3.5. Cơ sở dữ liệu quan trắc công trình .....................................................................85
3.5.1. Cơ sở dữ liệu quan trắc lƣợng mƣa .................................................................85
3.5.2. Cơ sở dữ liệu quan trắc mực nƣớc hồ .............................................................88
3.5.3. Cơ sở dữ liệu quan trắc lƣu lƣợng thấm qua thân đập ....................................90
3.5.4. Cơ sở dữ liệu quan trắc đƣờng bão hòa trong thân đập ..................................91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................92
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................93

2


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự tính toán thiết kế
dƣới sự hƣớng dẫn của thầy PGS.TS Bùi Quốc Khánh.
Để hoàn thành bản luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham
khảo đã đƣợc ghi trong phần các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu
nào khác mà không đƣợc liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.
Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2010
Tác giả luận văn

Ngô Tiến Phú

3


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Analog: Tín hiệu tƣơng tự
GIS (Geographic Information System) hệ thống thông tin địa lý
PC: (Personal Computer) Máy vi tính cá nhân
PLC: (Programable Logic Controller) Bộ điều khiển lôgic khả trình.
PROFIBUS: (Process Field Bus) Hệ thống bus trƣờng.
RTU: (Remote Terminal Unit) Khối thiết bị đầu cuối.
SCADA: (Supervisory Control And Data Acquisition) Hệ thống thu thập dữ
liệu và giám sát, điều khiển.
WINCC: (Windows Control Center) Phần mềm điều khiển trung tâm.

Danh mục các bảng
Bảng 3.1 - Thông số kỹ thuật công trình ...................................................................69

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1 - Sơ đồ tính diện tích bộ phận của mặt cắt quan trắc .................................16

Hình 1.2 - Sơ đồ các trạng thái chảy qua công trình .................................................21
Hình 1.3 - Sơ họa cửa tràn chuyên dụng chảy không ngập ......................................25
Hình 1.4 - Sơ đồ cửa tràn hình thang chảy tự do ......................................................27
Hình 1.5 - Mặt bằng và hình chiếu đứng máng Parshall bằng bê tông .....................30
Hình 2.1 - Sơ đồ khối của hệ SCADA ......................................................................38
Hình 2.2 - Cấu trúc cơ bản của thiết bị RTU ............................................................40
Hình 2.3 - Sơ đồ kết nối giữa Multiplexer và Vibrating wire Frequency Analog
Converter ...................................................................................................................41
Hình 2.4 - Một số loại thiết bị đo mực nƣớc thƣờng dùng .......................................46
Hình 2.5 - Một số loại thiết bị đo mƣa thƣờng dùng ................................................49
Hình 2.6 - Bố trí điển hình tại hố quan trắc áp lực thấm và đƣờng bão hòa .............54
Hình 2.7 - Bố trí điển hình tuyến quan trắc biến dạng trong thân và nền đập ..........56
Hình 2.8 - Thiết bị đo dịch chuyển ngang kiểu dây rung..........................................57
4


Hình 2.9 - Thiết bị đo lún trong thân đập kiểu dây rung...........................................57
Hình 2.11 - Bố trí thiết bị quan trắc biến dạng khớp nối ba chiều ............................60
Hình 2.12 - Bố trí thiết bị quan trắc biến dạng khớp nối một chiều .........................61
Hình 2.13 - Bố trí thiết bị quan trắc độ uốn và độ võng bản mặt .............................63
Hình 2.14 - Sơ đồ truyền thông sử dụng modem của hệ SCADA ............................64
Hình 3.1 - Mặt bằng sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc ...................................................69
Hình 3.2 - Sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc mực nƣớc thƣợng lƣu...............................70
Hình 3.3 - Sơ đồ lắp đặt thiết bị quan trắc thấm hồ chứa nƣớc ...............................72
Hình 3.4 - Giao diện chính của phần mềm điều khiển trung tâm .............................79
Hình 3.5 - Giao diện diễn biến lƣợng mƣa ...............................................................80
Hình 3.6 - Giao diện đồ thị diễn biến lƣợng mƣa tức thời ........................................80
Hình 3.7 - Giao diện mực nƣớc quan trắc hồ chứa ..................................................81
Hình 3.8 - Giao diện đồ thị diễn biến mực nƣớc quan trắc hồ chứa tức thời............81
Hình 3.9 - Giao diện diễn biến mực nƣớc và lƣu lƣợng thấm ..................................82

Hình 3.10 - Giao diện đồ thị diễn biến mực nƣớc công trình đo nƣớc tức thời ........82
Hình 3.11 - Giao diện đồ thị diễn biến lƣu lƣợng thấm qua đập tức thời .................83
Hình 3.12 - Giao diện diễn biến đƣờng quá trình bão hòa trong thân đập ...............83
Hình 3.13 - Giao diện đồ thị diễn biến đƣờng bão hòa trong thân đập tức thời .......84
Hình 3.14 - Giao diện lƣu trữ cảnh báo giám sát công trình .....................................84
Hình 3.15 - Giao diện quan trắc lƣợng mƣa tức thời ................................................85
Hình 3.16 - Giao diện truy xuất cơ sở dữ liệu quan trắc lƣợng mƣa ........................86
Hình 3.17 - Giao diện truy xuất lƣợng mƣa ngày .....................................................86
Hình 3.18 - Giao diện truy xuất lƣợng mƣa tháng ....................................................87
Hình 3.19 - Giao diện truy xuất lƣợng mƣa dạng đồ thị ...........................................87
Hình 3.20 - Giao diện quan trắc mực nƣớc hồ chứa tức thời ....................................88
Hình 3.21 - Giao diện truy xuất dữ liệu quan trắc ....................................................88
Hình 3.22 - Giao diện báo cáo nhanh dữ liệu quan trắc ............................................89
Hình 3.23 - Giao diện báo cáo dữ liệu quan trắc ......................................................89
Hình 3.24 - Giao diện quan trắc mực nƣớc, lƣu lƣợng thấm tức thời.......................90
Hình 3.25 - Giao diện báo cáo nhanh lƣu lƣợng thấm qua đập ................................90
Hình 3.26 - Giao diện báo cáo lƣu lƣợng, mực nƣớc thấm qua đập .........................91
Hình 3.27 - Giao diện quan trắc đƣờng bão hòa trong thân đập tức thời .................91

5


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển vƣợt bậc của các ngành khoa học kỹ thuật trên thế giới,
trong những năm gần đây các ngành khoa học kỹ thuật của nƣớc ta cũng có sự phát
triển không ngừng. Một trong những ngành đang có phát triển rực rỡ là ngành Tự
động hoá. Có thể nói Tự động hoá càng phát triển thì hiệu suất lao động ngày càng
cao, chất lƣợng sản phẩm càng tốt, hàng hoá sản xuất ra càng có tính cạnh tranh
cao, do vậy Tự động hoá là một trong những ngành nâng cao hiệu suất lao động cho
xã hội nó thúc đẩy các ngành công nghiệp khác cùng phát triển nhƣ ngành công

nghiệp sản xuất ôtô, sản xuất xi măng, sản xuất gạch ngói, công nghiệp dầu mỏ,
khai khoáng, viễn thông, giao thông, tài nguyên nƣớc...vv, và là công cụ phục vụ
đắc lực cho công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nƣớc. Công tác trong
ngành Thuỷ lợi với mong muốn áp dụng một số thành tựu của ngành Tự động hoá
vào ngành Thuỷ lợi trong lĩnh vực quản lý giám sát công trình thuỷ lợi. Qua quá
trình học tập nghiên cứu tại trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội tôi đã nắm bắt đƣợc
một số kiến thức cơ bản về ngành Tự động hoá. Luận văn tốt nghiệp với luận văn
“Thiết kế hệ thống SCADA cho quản lý vận hành công trình Thủy lợi” của tôi
đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của thầy PGS.TS Bùi Quốc Khánh là kết quả
của quá trình học tập nghiên cứu tại trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội với sự giúp
đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong trƣờng và sự kết hợp các kiến thức, kinh nghiệm
thực tế công tác đã học tại Viện khoa học Thủy Lợi. Qua đây tôi xin chân thành
cảm ơn thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy cô giáo trong bộ môn Tự
động hoá XNCN, Khoa Điện, Viện đào tạo sau đại học, cùng toàn thể các thầy cô
trong trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nôi, các đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ và
tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Lịch sử nghiên cứu
Nƣớc là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển môi trƣờng sống. Nƣớc
là một loại tài nguyên thiên nhiên quý giá và có hạn, là động lực chủ yếu chi phối
mọi hoạt động dân sinh kinh tế của con ngƣời. Nƣớc đƣợc sử dụng rộng rãi trong
6


sản xuất nông nghiệp, thủy điện, giao thông vận tải, chăn nuôi, thuỷ sản v.v... Bởi
vậy, tài nguyên nƣớc có giá trị kinh tế và đƣợc coi là một loại hàng hoá.
Nƣớc là loại tài nguyên có thể tái tạo đƣợc và cần phải sử dụng một cách hợp lý để
duy trì khả năng tái tạo của nó. Trên hành tinh chúng ta nƣớc tồn tại dƣới những
dạng khác nhau: Nƣớc trên trái đất, ngoài đại dƣơng, ở các sông suối, hồ ao, các hồ
chứa nhân tạo, nƣớc ngầm, trong không khí, băng tuyết và các dạng liên kết khác.
Theo V. I. Verônatske, khối lƣợng nƣớc trên trái đất vào khoảng 1,46 tỷ km3, trong

đó nƣớc trong đại dƣơng chiếm khoảng 1,37 tỷ km3. Sự phân bố nƣớc trên hành tinh
chúng ta theo số liệu ƣớc tính của UNESCO năm 1978 nhƣ sau: Tổng lƣợng nƣớc
trên trái đất vào khoảng 1.385.984.610 km3 trong đó nƣớc trong đại dƣơng vào
khoảng 1.338.000.000 km3 chiếm 96,5%. Nƣớc ngọt trên trái đất chiếm tỷ lệ rất nhỏ
chỉ vào khoảng 2,5%. Nƣớc ngọt phân bố ở nƣớc ngầm, nƣớc mặt, dạng băng tuyết
và các dạng khác, trong đó lƣợng nƣớc ở dạng băng tuyết chiếm tỷ lệ cao nhất xấp
xỉ 70%, nƣớc ngọt ở các tầng ngầm dƣới đất chiếm tỷ lệ vào khoảng 30,1%, trong
khi đó nƣớc trong hệ thống sông suối chỉ chiếm khoảng 0,006% tổng lƣợng nƣớc
ngọt trên trái đất, một tỷ lệ rất nhỏ. Hệ thống tuần hoàn nƣớc có thể mô tả nƣớc trên
trái đất tồn tại trong một khoảng không gian gọi là thuỷ quyển. Nƣớc vận động
trong thuỷ quyển qua những con đƣờng vô cùng phức tạp cấu tạo thành tuần hoàn
nƣớc còn gọi là chu trình thuỷ văn. Nƣớc bốc hơi từ các đại dƣơng và lục địa trở
thành một bộ phận của khí quyển. Hơi nƣớc đƣợc vận chuyển vào bầu không khí,
bốc lên cao cho đến khi chúng ngƣng kết và rơi trở lại mặt đất hoặc mặt biển.
Lƣợng nƣớc rơi xuống mặt đất một phần bị giữ lại bởi cây cối, chảy tràn trên mặt
đất thành dòng chảy trên sƣờn dốc, thấm xuống đất, chảy trong đất thành dòng chảy
sát mặt đất và chảy vào các dòng sông thành dòng chảy mặt. Phần lớn lƣợng nƣớc
bị giữ lại bởi thảm phủ thực vật và dòng chảy mặt sẽ quay trở lại bầu khí quyển qua
con đƣờng bốc hơi và bốc thoát hơi. Lƣợng nƣớc ngấm trong đất có thể thấm sâu
hơn xuống những lớp đất bên dƣới để cấp nƣớc cho các tầng nƣớc ngầm và sau đó
xuất lộ thành các dòng suối hoặc chảy dần vào sông ngòi thành dòng chảy mặt và
cuối cùng đổ ra biển hoặc bốc hơi vào khí quyển. Có thể coi quá trình tuần hoàn
7


nƣớc là một hệ thống thuỷ văn, thực chất là quá trình chuyển từ mƣa sang dòng
chảy với các thành phần là nƣớc rơi, bốc hơi, dòng chảy và các pha khác nhau của
chu trình.
Sự phân bố theo không gian rất không đều. Trên trái đất có vùng có lƣợng
mƣa khá phong phú, nhƣng lại có những vùng khô hạn.

Một trong những đặc thù quan trọng nữa là: Nguồn nƣớc có trữ lƣợng hàng
năm không phải là vô tận, sự biến đổi của nó không vƣợt qua một giới hạn nào đó
và không phụ thuộc vào mong muốn của con ngƣời. Nƣớc thƣờng phân bố không
đều theo không gian và thời gian, dẫn đến sự không phù hợp giữa tài nguyên nƣớc
và yêu cầu sử dụng của con ngƣời. Tài nguyên nƣớc đƣợc đánh giá bởi ba đặc trƣng
quan trọng: lƣợng, chất lƣợng và động thái của nó:
Lƣợng nƣớc: tổng lƣợng nƣớc sinh ra trong một khoảng thời gian một năm
hoặc một thời kỳ nào đó trong năm. Nó biểu thị mức độ phong phú của tài nguyên
nƣớc trên một vùng lãnh thổ.
Chất lƣợng nƣớc: bao gồm các đặc trƣng về hàm lƣợng của các chất hoà tan
và không hoà tan trong nƣớc (có lợi hoặc có hại theo tiêu chuẩn sử dụng của đối
tƣợng sử dụng nƣớc).
Động thái của nƣớc: đƣợc đánh giá bởi sự thay đổi của các đặc trƣng dòng
chảy theo thời gian, sự trao đổi nƣớc giữa các khu vực chứa nƣớc, sự vận chuyển và
quy luật chuyển động của nƣớc trong sông, sự chuyển động của nƣớc ngầm, các quá
trình trao đổi chất hoà tan, truyền mặn v.v...
Dƣới tác động tiêu cực của mƣa bão và dòng chảy sông ngòi thƣờng tạo ra các
trận lũ lụt gây tổn thất không nhỏ cho đời sống kinh tế xã hội. Lũ lụt ở Việt Nam có
những đặc điểm chính nhƣ sau:
- Việt Nam là một trong những nƣớc nằm trong vùng nhiệt đới chịu tác động
mạnh mẽ của bão và các hình thế thời tiết gây mƣa lớn, là nguyên nhân gây ra tình
trạng lũ lụt nghiêm trọng cho vùng hạ du sông.
- Hầu hết các sông lớn đều có cửa sông nằm trong lãnh thổ Việt Nam. Thủy
triều và sự diễn biến phức tạp ở vùng cửa sông làm tăng tính nghiêm trọng của lũ
8


lụt.
- Đa số các sông suối có độ dốc lớn, lũ tập trung nhanh gây khó khăn cho công
tác phòng tránh lũ.

- Hầu hết khu vực dân cƣ đều nằm ở vùng trũng thƣờng xuyên bị úng lụt và bị
lũ đe dọa.
- Lũ quét thƣờng xuyên xảy ra gây thảm hoạ cho các khu dân cƣ thuộc trung
du và miền núi.
Để làm giảm hậu quả do thiên tai gây ra là xây dựng các hệ thống cảnh báo,
dự báo sớm tình hình, diễn biến thời tiết nhƣ hệ thống cảnh báo lũ quét sạt lở đất,
cảnh báo sóng thần. Trong đó hệ SCADA cho quản lý vận hành công trình Thủy lợi
là một trong các biện pháp tƣơng đối hiệu quả và tin cậy.
Tuy hệ SCADA cho quản lý vận hành công trình Thủy lợi hoạt động tƣơng
đối hiệu quả, song đây là một công nghệ mới nên việc sử dụng và vận hành trên hệ
thống còn nhiều hạn chế do sự e ngại của ngƣời dùng, hơn nữa việc đầu tƣ đồng bộ
hệ thống từ đầu mối đến hệ thống kênh cấp dƣới đòi hỏi chi phí lớn, trình độ vận
hành cao. Đây cũng là một hạn chế để triển khai hệ SCADA vào các hệ thống thủy
lợi hiện nay. Do vậy không phát huy hết hiệu quả kinh tế của công trình thủy lợi.
Ở các nƣớc phát triển, đo nƣớc là một công tác không thể thiếu đƣợc trong
công tác quản lý hệ thống thuỷ lợi. Việc đo nƣớc phát triển theo hƣớng tự động hoá
hoặc có thể theo dõi từ xa bằng các dạng đƣờng truyền khác nhau nhƣ: cáp quang,
vô tuyến, mạng riêng. Với phƣơng hƣớng này sẽ nâng cao độ chính xác và hiệu quả
của công tác giám sát quản lý công trình thủy lợi.
Hiện nay Trung tâm Công nghệ phần mềm Thuỷ lợi đã nghiên cứu thành công
công nghệ đồng bộ điều khiển và truyền số liệu tự động từ xa phục vụ Hiện đại hoá
công tác quản lý hệ thống công trình thuỷ lợi là một hƣớng đi tích cực và mang ý
nghĩa kinh tế và kỹ thuật thiết thực. Bƣớc đầu công nghệ này đã đƣợc ứng dụng
đƣợc cho một số hệ thống công trình thuỷ lợi có tác dụng giúp từng bƣớc hiện đại
hoá công tác quản lý và nâng cáo hiệu quả khai thác hệ thống thuỷ lợi.
Phần mềm Hệ thống giám sát Hệ thống công trình thuỷ lợi đã đƣợc Trung tâm
9


công nghệ phần mềm lập, đã giới thiệu và ứng dụng phục vụ công tác quản lý một

số hệ thống công trình thuỷ lợi (Liễn Sơn - Vĩnh Phúc, Bắc Sông Mã - Thanh Hoá,
Đồng Cam - Phú Yên, Ấp Bắc - Nam Hồng - Hà Nội, Cống Lân - Thái Bình, Các hệ
thống đập đầu mối tại Đăklắk, Lâm Đồng), bƣớc đầu tạo điều kiện cho các công ty
cải tiến công tác quản lý khai thác công trình thuỷ lợi.
Tại các nƣớc phát triển nhƣ Nhật, Úc, Hàn Quốc,... việc ứng dụng công nghệ
SCADA trong công tác quản lý khai thác các công trình thuỷ lợi là khá phổ biến.
Tuy nhiên ở nƣớc ta việc ứng dụng công nghệ này còn rất hạn chế. Để công nghệ
SCADA có thể áp dụng rộng rãi trên các hệ thống công trình thuỷ lợi cần phải
nghiên cứu để công hệ SCADA có thể phù hợp với điều kiện khí hậu, trình độ quản
lý, kinh tế của Việt Nam góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng các công
trình thủy lợi.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Tự động hóa và công nghệ thông tin để
nghiên cứu “Thiết kế hệ thống SCADA cho quản lý vận hành công trình Thủy
lợi” với mục đích giám sát, điều hành, điều khiển hệ thống công trình thủy lợi trên
hệ thống đảm bảo an toàn, hiệu quả, tiết kiệm nƣớc theo quy trình hoặc “kịch bản”
tối ƣu đã đƣợc xây dựng. Nhƣ vậy hệ thống thủy lợi sau khi áp dụng hệ thống
SCADA để quản lý vận hành công trình kết hợp với các biện pháp quản lý điều tiết
hợp lý sẽ chủ động cung cấp nƣớc hiệu quả, tiết kiệm nƣớc, tiết kiệm năng lƣợng
điện, nâng cao năng suất lao động, chất lƣợng dịch vụ tƣới tiêu, tăng năng suất cây
trồng và các nguồn lợi thủy sản khác trên hệ thống.
Cách tiếp cận: Việc ứng dụng công nghệ Tự động hóa và công nghệ thông tin
để điều khiển, điều hành hệ thống công trình thuỷ lợi nhằm nâng cao hiệu quả quản
lý công trình vẫn đang là vấn đề mới đối với các công ty khai thác công trình thủy
lợi, do vậy cách tiếp cận của luận văn là dựa trên lý thuyết về quản lý điều hành hệ
thống công trình thủy lợi, các công nghệ tự động hóa, công nghệ thông tin, công
nghệ GIS và các tiến bộ khoa học mới và đặc biệt là dựa vào cách điều hành thực tế
mà các Công ty khai thác công trình thủy lợi đang áp dụng để nghiên cứu xây dựng
10

phần mềm điều khiển và đề xuất quy trình điều khiển các công trình một cách khoa
học, tiện lợi cho ngƣời sử dụng.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu áp dụng cho một công trình hồ chứa giả
định.
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Cùng với sự phát triển của các công trình thì đòi hỏi cần phải có các công cụ
theo dõi, giám sát các quá trình diễn biến trong công trình. Một trong những công
cụ đó là hệ SCADA. Đối với hệ thống công trình thủy lợi lớn không thể không áp
dụng công nghệ SCADA vào giám sát công trình bởi mức độ quan trọng của hệ
SCADA đến an toàn công trình là rất lớn và cấp thiết. Do vậy có thể khẳng định sự
cần thiết phải có hệ SCADA trong giám sát, điều hành công trình thủy lợi.
Thông qua sử dụng hệ SCADA có thể nâng cao ý thức tiết kiệm, hiệu quả và
an toàn với công trình do có sự hỗ trợ của các thiết bị hiện đại.
Thông qua luận văn, tôi mong muốn các đề xuất trong luận văn này sẽ làm
tiền đề cơ sở để có thể triển khai mở rộng thêm các hệ thống SCADA quản lý vận
hành công trình trên các hệ thống thủy lợi ngày một rộng rãi nhằm mục đích khai
thác vận hành và sử dụng công trình hiệu quả, an toàn, tiết kiệm hơn.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Nhƣ phần trên đã trình bày đây là vấn đề đòi hỏi sự nghiên cứu ứng dụng tổng
hợp kiến thức của một số ngành nhƣ: Công nghệ Tự động hóa, kỹ thuật thuỷ lợi,
công nghệ thông tin vv... Vì vậy để để đạt đƣợc mục tiêu của luận văn, tôi thực hiện
sẽ sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm nghiệm thực tế nhƣ:
lý thuyết điều khiển tự động, lý thuyết tối ƣu, quản lý công trình thủy lợi, nguyên lý
dòng chảy thủy văn, lý thuyết sắc xuất thống kê kết hợp với lý thuyết về quản lý
điều hành hệ thống công trình thủy lợi, công nghệ thông tin để xây dựng hệ thống
SCADA giám sát, điều khiển công trình và các tài liệu tiêu chuẩn để thiết kế hệ
thống và tham khảo một số tham số của các công trình đã thực hiện trong quá trình
công tác đã tích lũy.

11


NỘI DUNG
1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ QUAN TRẮC HỆ THỐNG
CÔNG TRÌNH THỦY LỢI
Trong hầu hết các hệ thống công trình thủy lợi có thể có một hoặc cả hai loại
quan trắc là quan trắc nƣớc và quan trắc các thông số an toàn cho vận hành công
trình hay quan trắc công trình thủy công, bao gồm công trình đầu mối và công trình
trên hệ thống. Nội dung các loại quan trắc cụ thể nhƣ sau:

1.1. Quan trắc nƣớc trong hệ thống thủy lợi
1.1.1. Mục đích và ý nghĩa của công tác đo nƣớc trên hệ thống thuỷ lợi
Công tác đo nƣớc trong hệ thống công trình thuỷ lợi bao gồm đo đạc các đặc
trƣng của dòng chảy trên sông và trên kênh nhƣ: mực nƣớc, lƣu tốc, lƣu lƣợng, hàm
lƣợng phù sa... tại các mặt cắt cần thiết trên hệ thống nhằm nắm vững tình hình diễn
biến của dòng chảy trên hệ thống. Đây là một trong những công tác quan trọng để
quản lý và khai thác hệ thống công trình thuỷ lợi một cách hiệu quả nhất. Mục đích
của công tác đo nƣớc bao gồm:

Phục vụ cho công tác phân phối nƣớc và dẫn nƣớc một cách chính
xác kịp thời
Trong quản lý hệ thống dựa vào yêu cầu nƣớc và điều kiện nguồn nƣớc dự báo
mà ngƣời ta định ra một kế hoạch phân phối nƣớc tƣới cũng nhƣ điều phối nƣớc
tiêu trên toàn hệ thống. Vì vậy, chúng ta cần nắm tình hình mực nƣớc, lƣu lƣợng...
một cách chính xác để đối chiếu với kế hoạch dùng nƣớc, nhằm đánh giá việc thực
hiện kế hoạch điều phối nƣớc thực tế đã đạt yêu cầu đặt ra chƣa. Mặt khác, cũng
thông qua công tác đo đạc, chúng ta biết đƣợc tình hình thực tế của các vùng để có
thể điều chỉnh thay đổi kế hoạch điều phối nƣớc một cách kịp thời.

Làm căn cứ để thu phí và hạch toán kinh tế trong hệ thống
Yêu cầu nƣớc của các hộ dùng nƣớc trong hệ thống luôn luôn thay đổi qua các
12


thời kỳ và các năm, mặt khác mức độ thoả mãn một cách đầy đủ của hệ thống cho
các hộ dùng nƣớc cũng thay đổi qua từng thời kỳ và theo từng khu vực trong hệ
thống. Vì vậy đơn vị quản lý hệ thống phải nắm đƣợc thời gian cung cấp nƣớc, lƣu
lƣợng và khối lƣợng nƣớc đã cung cấp cho từng vùng, từng hộ dùng nƣớc để có cơ
sở tính toán phí dùng nƣớc với từng hộ dùng nƣớc và tính toán thu chi trong hạch
toán kinh tế của hệ thống. Điều này có ý nghĩa nâng cao ý thức trách nhiệm của các
nhân viên quản lý, của các hộ dùng nƣớc, tính công bằng trong việc sử dụng nƣớc
giữa các hộ dùng nƣớc ở đầu nguồn và các hộ dùng nƣớc ở cuối nguồn, thông qua
đó nâng cao năng lực phục vụ của hệ thống. Với phƣơng thức đo nƣớc này chúng ta
dần xóa bỏ cánh tính phí sử dụng nƣớc theo diện tích hay tính theo kế hoạch điều
này sẽ làm giảm chất lƣợng dịch vụ cung cấp nƣớc cũng nhƣ thái độ sử dụng tiết
kiệm nƣớc của đơn vị sử dụng nƣớc.

Đo nƣớc để thu thập những tài liệu cơ bản:
Đo nƣớc để thu thập những tài liệu cơ bản dùng để kiểm tra, đánh giá năng lực
của hệ thống, giúp cho công tác quy hoạch cải tiến nâng cấp hệ thống, đồng thời
phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, nhằm nâng cao chất lƣợng của công tác
quản lý tƣới tiêu và góp phần tích cực vào việc lập và thực hiện kế hoạch dùng nƣớc
một cách hợp lý, đạt hiệu quả kinh tế cao. Ngoài ra công tác đo nƣớc còn phải phục
vụ cho việc đánh giá chất lƣợng nƣớc để có biện pháp lợi dụng hoặc xử lý thích hợp
nhằm nâng cao hiệu quả của công tác tƣới tiêu, tăng năng suất cây trồng.

1.1.2. Khái quát về trạm đo nƣớc và nội dung của công tác đo nƣớc trên
hệ thống thủy lợi
Phân loại các trạm đo nƣớc

Để đạt đƣợc mục đích và yêu cầu của công tác đo nƣớc đã nêu ở trên trong hệ
thống công trình thuỷ lợi thƣờng phải có các loại trạm đo nƣớc cơ bản nhƣ: Trạm
đo nguồn nƣớc, trạm đo nƣớc đầu kênh chính, trạm đo nƣớc ở các điểm chia nƣớc,
trạm đo nƣớc ở điểm phân phối nƣớc ở đầu các cấp kênh cấp nhỏ. Ngoài ra để đáp
ứng những yêu cầu đặc biệt khác ngƣời ta còn bố trí các trạm đo nƣớc chuyên môn

13


nhƣ trạm đo để tính cân bằng nƣớc, trạm đo phù sa, trạm đo lƣu lƣợng tiêu nƣớc
ngầm, đo lƣợng tổn thất trên kênh để phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học...

Cách bố trí và nội dung đo đạc của các trạm đo nƣớc
Trạm đo nguồn nước: Trạm đo nguồn nƣớc nhằm đánh giá khả năng của
nguồn nƣớc bao gồm các đặc trƣng cơ bản nhƣ: mực nƣớc, lƣu lƣợng, chất lƣợng
nƣớc (hàm lƣợng phù sa, hàm lƣợng muối)... trên cơ sở đó để tính toán khả năng
tƣới, tiêu nƣớc của các công trình đầu mối. Trạm đo nguồn nƣớc trên đoạn sông cần
đặt cách công trình đầu mối khoảng 20  100m để khi đóng mở cống hoặc bơm
nƣớc không làm mất ổn định mực nƣớc quan trắc tăng thêm độ chính xác của công
tác đo đạc. Đối với hồ chứa nƣớc, trạm đo nguồn nƣớc đƣợc bố trí ở đoạn sông
thƣợng lƣu hồ.
Trạm đo nước đầu kênh chính: Trạm đo nƣớc đầu kênh chính nhằm đánh giá
khả năng thực tế lƣợng nƣớc có thể lấy vào đầu hệ thống đối với công trình tƣới và
khả năng tiêu nƣớc của công trình tiêu. Vị trí trạm đo đƣợc đặt cách cống lấy nƣớc
từ 50  200m tuỳ thuộc vào khoảng cách tới điểm phân nƣớc và sự thuận lợi của
việc bố trí trạm.
Trạm đo nước ở đầu kênh chia nước: Trạm đo nƣớc đầu kênh chia nƣớc tƣới
đƣợc đặt ở đầu kênh nhánh nhằm kiểm tra việc phân phối nƣớc về các khu tƣới và
tính toán lƣợng nƣớc tổn thất trên đoạn kênh chuyển nƣớc. Trạm đo đƣợc đặt cách
cống chia nƣớc tƣới về phía hạ lƣu khoảng 20  50m. Đối với cống tập trung nƣớc

tiêu, đo nƣớc nhằm đánh giá lƣu lƣợng tập trung về cống tiêu. Trạm đo nƣớc đƣợc
đặt cách cửa tiêu từ 20  50m về phía thƣợng lƣu.
Trạm đo nước ở đầu kênh phân phối nước: Trạm đo ở đầu các kênh phân phối
nƣớc nhằm kiểm tra lƣợng nƣớc phân phối về các cánh đồng so với yêu cầu nƣớc
của chúng. Trạm đƣợc đặt ở đầu các mƣơng cái và mƣơng con (kênh cấp 3 và kênh
cấp 4) cách cống phân phối nƣớc khoảng 10  30m về phía hạ lƣu. Cũng có thể lợi
dụng các công trình thuỷ công để đo nƣớc.
Trạm đo nước chuyên môn: Trạm đo nƣớc chuyên môn nhằm thu thập các tài
liệu cho việc tính toán phục vụ một số mục đích đặc biệt nào đó trong hệ thống
14


công trình thuỷ lợi nhƣ: việc tính toán cân bằng nƣớc, tính toán tổn thất nƣớc trên
kênh, tính toán hệ số sử dụng nƣớc của hệ thống kênh, tính toán bùn cát, khảo sát sự
phân bố lƣu tốc của dòng chảy, tính toán bồi lắng, sói lở...
Các trạm đo nƣớc chuyên môn này đƣợc đặt ở các vị trí tuỳ theo yêu cầu thực
tế của công tác nghiên cứu hoặc khảo sát.
Yêu cầu về bố trí mạng lưới trạm đo nước: Việc bố trí trạm đo nƣớc cần đƣợc
kết hợp chặt chẽ giữa nhiệm vụ, yêu cầu của công tác quản lý nƣớc và quy hoạch
kênh mƣơng, công trình của hệ thống thuỷ lợi. Cần triệt để lợi dụng các công trình
sẵn có trong hệ thống để đo nƣớc, làm cho mạng lƣới công trình đƣợc khai thác một
cách tổng hợp. Làm nhƣ vậy mới giảm nhỏ đƣợc số lƣợng các công trình đo nƣớc,
làm cho việc đo nƣớc cũng nhƣ quản lý nƣớc đạt hiệu ích kinh tế cao.
Trên đoạn sông ở phạm vi cống lấy nƣớc đầu kênh chính nếu có trạm đo đạc
thuỷ văn và tài liệu đo đạc của trạm đó có thể lợi dụng đƣợc thì có thể không xây
dựng thêm trạm đo nguồn nƣớc. Trạm đo cân bằng lƣợng nƣớc, trạm đo nƣớc
chuyên môn có cần xây dựng hay không, cần căn cứ vào yêu cầu thực tế của công
tác nghiên cứu mà quyết định. Còn các trạm đo nƣớc ở các cấp kênh trong hệ thống
nếu điều kiện kinh tế cho phép nên bố trí đầy đủ để tiện cho việc trực tiếp đo đạc và
tính toán lƣợng nƣớc sao cho việc thực hiện kế hoạch dùng nƣớc đƣợc thuận lợi.

1.1.3. Các phƣơng pháp đo lƣu lƣợng nƣớc
Phƣơng pháp đo lƣu tốc dòng chảy
Nội dung chủ yếu của phƣơng pháp này là xác định đƣợc lƣu tốc bình quân
trên mặt cắt ngang của dòng chảy và diện tích của mặt cắt ƣớt. Từ đó tính toán ra
lƣu lƣợng của dòng chảy.
* Xác định lưu tốc của dòng chảy: Để xác định lƣu tốc của mặt cắt, ngƣời ta
phải xác định đƣợc lƣu tốc bình quân theo chiều thẳng đứng của mỗi đƣờng thủy
trực. Lƣu tốc bình quân theo chiều thẳng đứng tại mỗi thuỷ trực có thể xác định tuỳ
theo số điểm đo trên mỗi thuỷ trực cụ thể nhƣ sau:
Nếu chỉ đo 1 điểm: Lƣu tốc bình quân của đƣờng thuỷ trực bằng lƣu tốc tại
điểm có chiều sâu bằng 6/10 chiều sâu đƣờng thuỷ trực (tính từ mặt nước xuống)
15


Nếu đo 2 điểm: Đo tại 2 vị trí 2/10 và 8/10 chiều sâu đƣờng thuỷ trực. Lƣu tốc
bình quân sẽ là:
V 

V0, 2  V0,8
2

(1  1)

Nếu đo 3 điểm: Đo tại vị trí 2/10, 6/10, 8/10 chiều sâu đƣờng thuỷ trực. Lƣu
tốc bình quân sẽ là:

V

V0, 2  V0,8  V0,6

3

hoặc V 

V0, 2  V0,8  2.V0,6
4

(1  2)

Nếu đo 5 điểm: Các điểm đo ở vị trí : 2/10, 6/10, 8/10 và một điểm trên mặt
nƣớc, một điểm dƣới đáy kênh. Lƣu tốc bình quân sẽ là:
V

V0  3.V0, 2  2.V0,8  3.V0, 6  V1, 0

(1  3)

4

* Tính toán lưu lượng dòng chảy: Do lƣu lƣợng thay đổi theo từng vị trí
đƣờng thuỷ trực, vì vậy để chính xác chúng ta chỉ tính toán đƣợc từng lƣu lƣợng bộ
phận của mặt cắt. Lƣu lƣợng của dòng chảy sẽ là tổng lƣu lƣợng từng bộ phận.
Để tính đƣợc lƣu lƣợng từng bộ phận chúng ta phải tính toán đƣợc diện tích
của mỗi bộ phận và lƣu tốc bình quân tƣơng ứng. Diện tích của mỗi bộ phận giữa
hai đƣờng thuỷ trực bằng diện tích giữa chiều sâu bình quân của hai đƣờng thuỷ
trực và khoảng cách giữa hai đƣờng thuỷ trực.

Hình 1.1 - Sơ đồ tính diện tích bộ phận của mặt cắt quan trắc
16

Diện tích từng bộ phận đƣợc tính nhƣ sau :
f1 

(h  hn ).bn
(h0  h1 ).b1
(h  h1 ).b2
; f2  2
; ……… f n  n 1
2
2
2

(1  4)

Lƣu tốc bình quân giữa hai đƣờng thuỷ trực đƣợc tính nhƣ sau:
+ Vận tốc bộ phận sát bờ :

V1 

2.V1
3

Vn 

2.V n 1
3

(1  5)

(1-6)

+ Vận tốc bộ phận giữa hai đƣờng thuỷ trực

V2 

V2  V 3
2

(1-

V3 

V3  V 4
2

(1-

7)

8)
Lƣu lƣợng từng bộ phận mặt cắt là: Qi  f i .Vi

(1-9)

n

Lƣu lƣợng chảy qua mặt cắt đo đạc là: Q   Qi

(1-10)

1

Với phƣơng pháp này áp dụng cho nơi mặt cắt dòng chảy rộng thƣờng để quan
trắc các khu vực nhƣ sông, kênh lớn. Thiết bị đƣợc sử dụng là các thiết bị đo vận
tốc dòng chảy là các máy đo lƣu tốc.

Phƣơng pháp dùng máy đo siêu âm chuyên dụng
Phƣơng pháp này ta dùng thiết bị đo sử dụng nguyên lý sóng siêu âm bắn đi
trong nƣớc, sau khi nhập thông số mặt cắt dòng chảy thiết bị tự tính toán ra lƣu
lƣợng dòng chảy thông qua thời gian truyền và nhận sóng siêu âm. Với hai phƣơng
pháp trên có thể quan trắc chính xác lƣu lƣợng dòng chảy nhƣng giá thành cho mọt
hệ thống này rất đắt nên thƣờng dùng phƣơng pháp để quan trắc gián đoạn chứ

17


không áp dụng để giám sát liên tục.
Ngoài ra trong thực tế còn sử dụng các phƣơng pháp khác để đo lƣu lƣợng mặt
cắt nhƣ:
- Phƣơng pháp dùng phao
- Phƣơng pháp dùng đồng hồ đo nƣớc
- Phƣơng pháp dùng bánh xe đo nƣớc Dethridge
- Phƣơng pháp dùng đƣờng ống để đo lƣu lƣợng
Mỗi phƣơng pháp có nguyên lý, ƣu nhƣợc điểm khác nhau, tùy thuộc vào
từng điều kiện cụ thể có thể áp dụng một trong các phƣơng pháp trên cho phù hợp
với điều kiện thực tế.

Dùng công trình thủy công để đo lƣu lƣợng nƣớc
Hầu hết các công trình thuỷ công đều đã đƣợc xác định công thức tính toán

lƣu lƣợng dựa vào các yếu tố thuỷ lực khác nhƣ tổn thất cột nƣớc trƣớc và sau cống,
tiết diện ƣớt...vv. Vì vậy có thể lợi dụng những công trình thuỷ công này để phục vụ
cho công tác đo nƣớc. Ngoài ra để tăng độ chính xác và ít ảnh hƣởng tới các điều
kiện thuỷ lực của dòng chảy trên hệ thống, ngƣời ta còn xây dựng các công trình
đặc biệt chuyên dùng để đo nƣớc. Dùng các công trình để đo nƣớc có nhiều ƣu
điểm:
-

Có thể đo đạc đƣợc dòng chảy với lƣu lƣợng tƣơng đối lớn

-

Độ chính xác tƣơng đối cao, ổn định và có thể sử dụng đƣợc lâu dài

-

Có thể tận dụng đƣợc một số công trình sẵn có để đo nƣớc

-

Kỹ thuật đo nƣớc tƣơng đối đơn giản, không đòi hỏi có trình độ kỹ thuật cao.
* Điều kiện sử dụng công trình thuỷ công đo nước
Công trình thuỷ công đƣợc lợi dụng để đo nƣớc cần phải hoàn chỉnh không hƣ

hỏng, không rò rỉ, không bị xâm thực, không bị biến dạng hoặc bị hƣ hỏng cục bộ
nhất là bản đáy và tƣờng bên. Các bộ phận đóng mở phải hoàn chỉnh, cửa van hoặc
cánh phai phải kín, không rò rỉ hoặc lệch nghiêng.
Trƣớc, sau, trong công trình, rãnh phai không có bùn cát lắng đọng và cỏ rác,
gỗ mục tích tụ làm cản trở dòng chảy, dòng nƣớc chảy vào công trình một cách ổn
18

định.
Để đảm bảo đo nƣớc đƣợc chính xác, tổn thất cột nƣớc qua công trình không
đƣợc nhỏ hơn 5cm. Khi trạng thái chảy qua công trình là chảy ngập thì chỉ tiêu chảy
ngập cũng không vƣợt quá 0,9.
Ngoài ra công trình dùng để đo nƣớc không chịu ảnh hƣởng của các công trình
lân cận, tránh hiện tƣợng mực nƣớc thƣợng lƣu và mực nƣớc hạ lƣu không ổn định.
Các công trình thuỷ công có khả năng điều tiết lƣu lƣợng đều có thể sử dụng
để đo nƣớc, tuy nhiên phải đảm bảo các yêu cầu đã nêu và có công thức tính toán
lƣu lƣợng tƣơng đối chính xác.
* Phương pháp lợi dụng các công trình thuỷ công có khả năng điều tiết lưu
lượng để đo lưu lượng.
Dựa vào hình thức, cấu tạo và trạng thái chảy, các công trình thuỷ công có khả
năng điều tiết lƣu lƣợng đƣợc phân làm nhiều loại, mỗi loại đều có công thức tính
toán lƣu lƣợng riêng. Muốn lợi dụng công trình thuỷ công để đo nƣớc trƣớc tiên
phải xác định đƣợc loại công trình và trạng thái chảy qua công trình, sau đó sử dụng
công thức tính toán lƣu lƣợng thích hợp. Để bảo đảm kết quả đo đạc đƣợc chính xác
cần phải tiến hành kiểm nghiệm hệ số lƣu lƣợng của công trình thực tế đó, đối chiếu
với hệ số lƣu lƣợng lý thuyết đã cho trong công thức tính toán lƣu lƣợng nhằm xác
định đƣợc trị số hệ số lƣu lƣợng phù hợp với công thức cụ thể đƣợc sử dụng để đo
nƣớc. Trong thực tế đo nƣớc, ngƣời ta thƣờng vẽ đồ thị quan hệ Q ~ H của công
trình đó. Khi sử dụng chỉ dựa vào các chỉ số mực nƣớc đƣợc ở thƣợng, hạ lƣu công
trình và trạng thái chảy rồi tra trên đồ thị đã vẽ sẵn để xác định lƣu lƣợng chảy qua
công trình.
-

Xác định trạng thái chảy qua công trình
Trạng thái chảy qua công trình phụ thuộc vào mực nƣớc thƣợng, hạ lƣu và

hình thức mở của cửa van. Có thể phân trạng thái chảy qua công trình thành năm
trạng thái chảy nhƣ sau:
+ Chảy tự do, cửa van mở hết: Mặt nƣớc không tiếp xúc với đƣờng viền dƣới
cửa van. Tỷ số giữa chiều sâu mực nƣớc thƣợng, hạ lƣu nhỏ hơn 0,7 (hH/H < 0,7).
19


Nếu sát sau cửa van có ngƣỡng thì mực nƣớc hạ lƣu phải thấp hơn ngƣỡng cống
(h < P2).
+ Chảy ngập, cửa van mở hết: Mặt nƣớc không tiếp xúc với đƣờng viền dƣới
cửa van. Tỷ số giữa chiều sâu mực nƣớc thƣợng, hạ lƣu lớn hơn 0,7 (hH/H > 0,7).
Trƣờng hợp sau cửa van có ngƣỡng thì mực nƣớc hạ lƣu phải cao hơn ngƣỡng cống
(h > P2).
+ Chảy tự do cửa van mở không hết: Mặt nƣớc tiếp xúc với đƣờng viền dƣới
cửa van, mặt nƣớc sau cửa van thấp hơn độ mở cửa van (h1 < h)
+ Chảy ngập cửa van mở không hết: Mặt nƣớc tiếp xúc với đƣờng viền dƣới
cửa van, mặt nƣớc sau cửa van cao hơn độ mở cửa van (h1 > h)
+ Chảy ngập có áp: Mặt nƣớc hạ lƣu cao hơn đỉnh ống ngầm. Trƣờng hợp này
độ mở cửa cống có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn đƣờng kính cống ngầm (hH > a)
Sơ đồ trạng thái chảy của năm loại trạng thái chảy qua công trình nói trên thể
hiện nhƣ hình dƣới đây:

20


Hình 1.2 - Sơ đồ các trạng thái chảy qua công trình
-

Công thức tính lưu lượng và hệ số lưu lượng
Trong lý thuyết thuỷ lực ngƣời ta đã xác định đƣợc công thức tính lƣu lƣợng

chảy qua công trình và hệ số lƣu lƣợng của một số loại công trình và các mô hình
thực nghiệm. Để lợi dụng một công trình thực tế đo nƣớc, sau khi phân tích đã thỏa
mãn các yêu cầu của một công trình đo nƣớc, phải phân loại đƣợc công trình đó,
xác định đƣợc trạng thái chảy ta xác định công thức tính lƣu lƣợng ứng với các loại
công trình khác nhau và trạng thái chảy khác nhau.
Để sử dụng các hệ số lƣu lƣợng tiêu chuẩn cho trƣớc, ứng với từng loại công
trình đã đƣợc tiêu chuẩn hoá. Với công trình thực tế phải tiến hành kiểm tra lại hệ
số lƣu lƣợng. Nếu hệ số lƣu lƣợng thực đo sai số nhỏ hơn 6% so với hệ số lƣu

21


lƣợng tiêu chuẩn cho trƣớc thì có thể dùng hệ số lƣu lƣợng tiêu chuẩn cho trƣớc để
tính toán lƣu lƣợng. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại phải dùng hệ số lƣu lƣợng thực đo.
Khi đo đạc xác định hệ số lƣu lƣợng thực tế, phải chọn đƣợc mặt cắt trƣớc và
sau cống tƣơng đối ổn định để đo lƣu lƣợng chảy qua công trình bằng các phƣơng
tiện khác. Các mực nƣớc cần thiết cũng đƣợc đo đạc cẩn thận tại các vị trí quy định.
Để tăng mức độ chính xác phải đo đạc nhiều lần và với nhiều cấp lƣu lƣợng khác
nhau. Sau đó dùng công thức tính toán lƣu lƣợng để tính toán hệ số lƣu lƣợng.
-

Bố trí điểm đo nước
Để có số liệu về mực nƣớc trƣớc và sau công trình chúng ta phải bố trí điểm

đo nƣớc. Việc bố trí điểm đo nƣớc có ảnh hƣởng trực tiếp đến mức độ chính xác
của công tác đo nƣớc. Các điểm đo nƣớc nên bố trí ở những vị trí sau đây:
+ Điểm đo nƣớc ở thƣợng lƣu nên bố trí cách công trình khoảng 3 lần chiều
sâu lớn nhất của mực nƣớc trƣớc công trình. Nếu nhƣ dòng nƣớc chảy vào công
trình từ phía bên thì thƣớc đo nƣớc bố trí cách công trình từ 1,5  2 lần chiều sâu

lớn nhất của mực nƣớc trƣớc công trình.
+ Điểm đo mực nƣớc hạ lƣu bố trí cách cửa ra công trình từ 1,5  2 lần chiều
rộng b của công trình và đặt tại vị trí mà mực nƣớc hạ lƣu đã tƣơng đối ổn định.
+ Thƣớc đo nƣớc trƣớc cửa van bố trí cách cửa van khoảng 1/4 chiều rộng một
cửa van. Khi dòng chảy vào công trình không đối xứng cần bố trí hai tƣờng bên
phía trƣớc cửa van đều bố trí thƣớc đo nƣớc.
Cao trình khởi điểm của thƣớc đo mực nƣớc phải ngang bằng với cao trình của
đáy công trình. Thiết bị đo mực nƣớc bảo đảm có độ chính xác cao để tránh ảnh
hƣởng đến độ chính xác của phép đo.
Ngoài ra ở gần trạm đo nƣớc cần bố trí điểm mốc để tiện việc định kỳ kiểm tra
cao trình đặt thiết bị đo nƣớc, cao trình đặt thiết bị đóng mở và sự chuyển vị của các
thiết bị và công trình. Nếu phát hiện có sự chuyển vị phải phân tích nguyên nhân và
có biện pháp sửa chữa hoặc làm lại để tránh ảnh hƣởng đến độ chính xác của
phƣơng pháp đo đạc.
* Phương pháp lợi dụng các công trình thuỷ công không có khả năng điều tiết
22


lưu lượng để đo nước
Các công trình nhƣ cầu máng, bậc nƣớc, xi phông ở trên hệ thống tuy không
có tác dụng khống chế lƣu lƣợng nhƣng lƣu lƣợng chảy qua công trình phụ thuộc
vào mặt cắt và mực nƣớc thƣợng hạ lƣu công trình, vì vậy nếu đo đạc đƣợc những
trị số này có thể tính toán ra lƣu lƣợng chảy qua công trình.
-

Lợi dụng cầu máng để đo lưu lượng
Với những cầu máng mặt cắt tƣơng đối ổn định và đều, không bị nứt nẻ và rò

rỉ đều có thể sử dụng để đo nƣớc. Để đo nƣớc cần bố trí thiết bị đo nƣớc ở chính
giữa cầu máng. Khởi điểm "0" của thƣớc đo nƣớc ngang bằng với đáy cầu máng.

Dựa vào trị số chiều sâu mực nƣớc trong cầu máng H để tính lƣu lƣợng chảy qua
cầu máng.

Q  .C R.i

(1-11)

Trong đó:
Q: lƣu lƣợng chảy qua cầu máng (m3/s)
i: độ dốc mặt nƣớc, cầu máng ngắn có thể coi dòng nƣớc chảy đều
trong cầu máng nên có thể lấy i là độ dốc đáy cầu máng.
R: bán kính thuỷ lực (m); R 




: Tiết diện ƣớt (m2)
: Chu vi ƣớt (m)
C: hệ số Xê-di theo N.N.Pavlopski
C

1 y
R ; n: Hệ số nhám của công trình
n

Ngoài ra còn có thể bố trí thiết bị đo nƣớc tại vách cầu máng. Sau đó sử dụng
các phƣơng tiện đo nƣớc khác nhƣ máy đo lƣu tốc để tính toán lƣu lƣợng chảy qua
cầu máng rồi vẽ đƣờng quan hệ giữa mực nƣớc trên thƣớc đo nƣớc và lƣu lƣợng
qua máng để thuận tiện cho công tác tra cứu lƣu lƣợng.
-

Lợi dụng bậc nước để đo lưu lượng nước
Để dùng bậc nƣớc vào việc đo nƣớc cần bố trí thiết bị đo nƣớc ở thƣợng lƣu
23


cách bậc nƣớc khoảng 3  4 lần chiều sâu nƣớc trong kênh. Khởi điểm "0" của thiết
bị đo nƣớc ngang với cao trình của đỉnh bậc nƣớc. Công thức tính lƣu lƣợng chảy
qua bậc nƣớc sẽ là:
- Nếu tiết diện hình chữ nhật:

Q  m.b.H 2gH (m3/s)

(1-12)

- Nếu tiết diện hình thang:

Q  m(b  0,8.tg.H)H 2gH

(1-13)

Trong đó:
Q: Lƣu lƣợng chảy qua (m3/s)
B: Chiều rộng bậc nƣớc (m)
H: Chiều sâu nƣớc thƣợng lƣu bậc nƣớc (m)
tg: Độ dốc của mái mặt cắt hình thang
m: Hệ số lƣu lƣợng, thƣờng đối với từng bậc nƣớc cụ thể phải đo đạc
để xác định hệ số lƣu lƣợng nhƣ đã trình bày ở trên. Trong trƣờng hợp không có
điều kiện xác định, có thể tạm lấy: m = 0,4  0,45
-

Lợi dụng xi phông để đo nước
Để sử dụng một xi phông đo nƣớc, xi phông đó phải không bị nứt nẻ, rò rỉ, bồi

lắng. Nếu công trình đã bảo đảm đƣợc những yêu cầu cơ bản ta tiến hành đặt thiết
bị đo mực nƣớc ở thƣợng lƣu và hạ lƣu xi phông.
Khởi điểm "0" của thƣớc đo nƣớc thƣợng hạ lƣu phải bằng cao trình đáy cửa
vào của xi phông.
Lƣu lƣợng chảy qua xi phông đƣợc tính:

Q  m. 2gZ

(1-14)

Trong đó:
Q: Lƣu lƣợng (m3/s)
: Tiết diện ƣớt của xi phông (m2)
Z: Độ chênh mực nƣớc thƣợng hạ lƣu.
m: Hệ số lƣu lƣợng
24