Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10716:2015 ISO 1070:1992 và sửa đổi 1:1997 Đo dòng chất lỏng trong kênh hở-Phương pháp mặt cắt-Độ dốc

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 10716:2015

ISO 1070:1992 VÀ SỬA ĐỔI 1:1997

ĐO DÒNG CHẤT LỎNG TRONG KÊNH HỞ - PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT - ĐỘ DỐC

Liquid flow measurement in open channels - Slope-area method

Lời nói đầu

TCVN 10716:2015 hoàn toàn tương đương với ISO 1070:1992 và sửa đổi 1:1997;

TCVN 10716:2015 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 30 Đo lưu lượng lưu chất trong ống dẫn kín biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

ĐO DÒNG CHẤT LỎNG TRONG KÊNH HỞ - PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT - ĐỘ DỐC

Liquid flow measurement in open channels - Slope - area method

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này qui định phương pháp xác định lưu lượng chất lỏng trong kênh hở từ các quan sát của độ dốc mặt nước và diện tích mặt cắt ngang của kênh. Tiêu chuẩn này thích hợp sử dụng trong điều kiện đặc biệt khi đo trực tiếp lưu lượng bằng các phương pháp chính xác hơn khi không thể áp dụng được phương pháp mặt cắt - vận tốc.

Phương pháp mặt cắt - độ dốc có thể được sử dụng trong kênh hở có các biên, đáy và mặt bên ổn định với độ chính xác có thể chấp nhận được (ví dụ, khi có đá hoặc đất sét dính), trong các kênh có độ nhám và trong các kênh làm bằng vật liệu chất lượng kém. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng trong các kênh phù sa, bao gồm các kênh có dòng tràn bờ hoặc các mặt cắt ngang của kênh không đồng đều, tuy nhiên trong các trường hợp này phương pháp đo có độ không đảm bảo đo lớn do việc lựa chọn hệ số nhám (như hệ số Manning, n hoặc hệ số Chezy, C).

Thông thường, phương pháp có thể được sử dụng để xác định lưu lượng

a) tại thời điểm xác định các chiều cao cột nước từ một tập hợp các thiết bi đo;

b) đối với dòng đỉnh để lại các vạch dấu trên một tập hợp các thiết bị đo hoặc khi mức đỉnh được ghi lại bởi tập hợp các thiết bị đo.

c) đối với dòng đỉnh để lại các vạch dấu của mức nước cao dọc theo các bờ dòng chảy.

Phương pháp này không thích hợp sử dụng trong các kênh quá lớn, các kênh có độ dốc mặt nước bằng phẳng và lượng bùn cát cao hoặc các kênh có độ võng lớn.

Mặc dù độ chính xác của các kết quả thu được bằng phương pháp mặt cắt - độ dốc thấp hơn độ chính xác của các kết quả thu được bằng phương pháp mặt cắt - vận tốc, nhưng phương pháp mặt cắt - độ dốc đôi khi là phương pháp duy nhất có thể được sử dụng để xác định giới hạn các đường cong lưu lượng ở mức rất cao khi độ lớn của dòng không thể xác định được bằng các phương pháp đo lưu lượng khác.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

ISO 772:1988, Hydrometry - Vocabulary and symbols (Đo đạc thủy văn - Từ vựng và kí hiệu)

ISO 1100-2:1982, Liquid flow measurement in open channels - Part 2: Determination of the stage - discharge relationship (Đo dòng chất lỏng trong kênh hở - Xác định đường cong lưu lượng)

ISO 4373:19791), Measurement of liquid flow measurement in open channels - Water level measuring devices (Đo dòng chất lỏng trong kênh hở - Thiết bị đo mức nước)

ISO 5168:1978, Measurement of fluid flow - Estimation of uncertainty of a flow-rate measurement (Đo dòng lưu chất - Đánh giá độ không đảm bảo đo của phép đo lưu lượng)2)

3  Định nghĩa

Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ, định nghĩa nêu trong ISO 772.

4  Nguyên lý của phương pháp đo

Nhánh đo được lựa chọn dựa trên diện tích mặt cắt ngang trung bình của dòng chảy hoặc mặt cắt ngang của sông được xác định và độ dốc mặt nước của dòng chảy trong nhánh được đo. Vận tốc trung bình sau đó được thiết lập bằng cách sử dụng các công thức thực nghiệm liên hệ vận tốc với độ sâu trung bình thủy lực và độ dốc bề mặt được hiệu chính đối với năng lượng động học của dòng nước và các đặc tính của đáy và vật liệu làm đáy. Lưu lượng được tính bằng tích của vận tốc và diện tích mặt cắt ngang trung bình của dòng chảy.

5  Lựa chọn và phân loại hiện trường

5.1  Khảo sát hiện trường ban đầu

Các phép đo chiều rộng, chiều sâu và độ dốc mặt nước xấp xỉ phải được thực hiện trong khảo sát ban đầu để quyết định hiện trường có phù hợp và tuân theo tất cả các điều kiện được qui định trong 5.2 và 5.3 hay không. Các phép đo này chỉ đóng vai trò là thông tin hướng dẫn.

5.2  Lựa chọn hiện trường

5.2.1  Kênh phải không có xu hướng bị xói mòn hoặc bồi đắp bùn cát.

5.2.2  Lý tưởng nhất là, nhánh sông phải thẳng và không có độ võng hoặc độ uốn khúc lớn. Độ dốc của đáy trong nhánh đo phải không có bất kì sự thay đổi đột ngột nào như có thể xảy ra trong các kênh đá. Mặt cắt ngang phải đồng đều và không có bất kì vật cản nào xuyên suốt nhánh. Thảm thực vật tốt nhất phải nhỏ và đồng đều nhất có thể xuyên suốt nhánh.

5.2.3  Vật liệu của đáy phải có tính chất giống nhau xuyên suốt nhánh.

5.2.4  Chiều dài của nhánh ở bất kì mọi chỗ phải đảm bảo sao cho sự chênh lệch giữa các mức nước tại các thiết bị đo ở thượng lưu và hạ lưu không nhỏ hơn mười lần độ không đảm bảo đo của độ chênh lệch. Khi độ không đảm bảo đo trong phép đo mức nước tại từng thiết bị giống nhau thì khoảng cách giữa các thiết bị đo phải đủ lớn để độ dốc không vượt quá hai mươi lần độ không đảm bảo đo của phép đo tại một thiết bị đo.

5.2.5  Dòng chảy trong nhánh phải không có các rối lớn do ảnh hưởng của các nhánh.

5.2.6  Dòng chảy trong kênh phải nằm trong các biên giới hạn. Nếu có thể, không nên lựa chọn các nhánh có các điều kiện dòng tràn bờ. Tuy nhiên trong trường hợp bất khả kháng, nhánh đo không có các dòng quá nông trên vùng lũ sẽ được lựa chọn nhưng cần các phép tính bổ sung để xác định lưu lượng.

5.2.7  Hiện trường phải không được có sự thay đổi chế độ dòng chảy từ dưới tới hạn đến siêu tới hạn hoặc từ siêu tới hạn đến dưới tới hạn (xem 10.6).

5.2.8  Nhánh hội tụ thường hay được lựa chọn hơn nhánh mở rộng. Không lựa chọn các nhánh mở rộng lớn (xem 10.4).

5.2.9  Các tính chất vật lý của nhánh phải đảm bảo sao cho độ trễ thời gian của dòng chảy trong nhánh có thể bỏ qua được.

5.3  Phân ranh giới hiện trường

Khi nhánh đo được lựa chọn, các mặt cắt vuông góc với hướng dòng chảy phải được lựa chọn và các vạch dấu có thể nhận biết rõ ràng và đồng nhất sẽ được đặt cả hai bên bờ (xem 9.1). Thiết bị chuẩn phải được lắp đặt ngang bằng với mốc chuẩn (xem 6.1).

Hiện trường phải được theo dõi để đảm bảo không xảy ra sự thay đổi vật lý có thể dẫn đến sự không phù hợp. Nếu có sự thay đổi và không thể khôi phục được thì lựa chọn một hiện trường mới.

6  Thiết bị đo độ dốc

6.1  Thiết bị chuẩn

Thiết bị chuẩn phải bao gồm một thiết bị tốt và thường kết hợp với thước đo thẳng đứng hơn là kết hợp với thước đo nằm nghiêng. Thước đo thẳng đứng (hoặc thước đo nằm nghiêng) phải phù hợp với ISO 4373. Các vạch dấu phải rõ ràng và chính xác và phải phủ toàn bộ phạm vi các mức cần phải đo.

Thiết bị đo chuẩn phải được đặt vững chắc trên gá cố định và kiên cố trong dòng chảy và phải được hiệu chính về các điểm chuẩn bằng cách cân bằng chính xác với mốc quốc gia hoặc mốc khác.

6.2  Bộ ghi mức nước

Các bộ ghi mức nước (nếu được sử dụng) phải phù hợp với ISO 4373.

6.3  Thiết bị đo mức đỉnh

Thiết bị đo mức đỉnh thích hợp sử dụng chỉ khi mức đỉnh đạt được trong mùa lũ cần phải được xác định. Các lưu lượng đỉnh có thể được tính từ hai hoặc nhiều hơn hai thiết bị đo được lắp đặt trong tại các vị trí thích hợp đối với việc xác định các biên dạng mặt cắt ngang trong nhánh sông.

6.4  Mức nước cao nhất

Mức và độ dốc của các dòng đỉnh có thể được xác định bằng cách khảo sát các mức nước cao nhất trong nhánh đo. Một vài loại mức nước cao nhất có thể được tìm thấy như là sự trôi dạt lên các bờ, các dòng nước thải, các dòng hạt của cây, các dòng bùn đất và sự trôi dạt của bụi cây hoặc cây cối. Mỗi mức nước cao nhất phải được đánh giá ở mức hoàn hảo, tốt, trung bình và kém. Các thông tin này sẽ giúp ích khi thể hiện biên dạng của mức nước cao nhất và độ dốc.

7  Qui trình lắp đặt các thiết bị đo và thực hiện các quan sát

7.1  Lắp đặt

Các thiết bị đo phải được lắp đặt trên cả hai bên bờ kênh, đặt ít nhất sáu thiết bị đo tại ít nhất ba mặt cắt ngang. Các thiết bị phải được tham chiếu đến một mốc chung.

7.2  Qui trình quan sát các thiết bị đo

Các thiết bị đo phải được đọc từ một vị trí sao cho có thể tránh được các sai số đọc. Đối với từng phép đo, thiết bị đo phải được quan sát liên tục trong khoảng thời gian ít nhất là 2 min hoặc trong một chu kì dao động hoàn chỉnh tùy theo giá trị nào lớn hơn và lấy giá trị trung bình của các số đọc lớn nhất và nhỏ nhất.

Khi sử dụng bộ ghi mức nước, người quan sát phải kiểm tra thời gian được hiển thị trên từng bộ ghi dựa vào một đồng hồ chính xác trước và sau khoảng thời gian thực hiện phép đo và trong khoảng thời gian thực hiện phép đo. Tất cả các thiết bị đo phải được quan sát thường xuyên khi cần để ghi lại các thay đổi lớn về mức nước xảy ra trong quá trình thực hiện phép đo.

7.3  Các quan sát khác

Ngày, thời gian, điều kiện thời tiết (đặc biệt là tốc độ gió và hướng gió), hướng dòng chảy và các điều kiện của thảm thực vật tại thời điểm thực hiện phép đo phải được ghi lại.

8  Tính toán độ dốc mặt nước

8.1  Tính toán độ dốc mặt nước

Độ dốc mặt nước được tính từ các quan sát tại các thiết bị đo phía dòng vào và dòng ra phân định nhánh đo, thiết bị đo nằm giữa được sử dụng để khẳng định độ dốc đồng dạng xuyên suốt nhánh. Các thiết bị đo phải được đọc đến vạch dấu nhỏ nhất trên thiết bị đo.

8.2  Tính toán độ dốc mặt nước từ các mức nước cao nhất

Khi các mức đo chính xác không có hoặc bị phá hỏng, độ dốc trong mức đỉnh có thể được đánh giá từ các mức lũ trên các bờ kênh. Một vài mức nước cao nhất ứng với từng bờ phải được sử dụng để định dạng biên dạng dòng chảy. Mỗi mức nước cao nhất phải được xác định bằng vị trí của nó dọc theo đường chuẩn và một đồ thị phải được vẽ để có thể đưa ra biên dạng của các mức nước cao nhất. Các điểm bất thường trong biên dạng có thể được dễ dàng phát hiện từ dạng đồ thị này, việc này trợ giúp việc đưa ra biên dạng mức nước cao và độ dốc mặt nước.

9  Mặt cắt ngang của dòng chảy

9.1  Số lượng các mặt cắt ngang

Trong nhánh đo được lựa chọn thường yêu cầu ít nhất ba mặt cắt ngang. Các mặt cắt ngang này phải được đánh dấu rõ ràng trên các bờ bằng các cọc tiêu hoặc bằng các vạch dấu có thể nhận dạng được dễ dàng. Các mặt cắt ngang phải được đánh số sao cho mặt cắt ngang cách xa phía thượng lưu nhất được xác định là mặt cắt số 1, mặt cắt ngang liền kề phía hạ lưu được xác định là mặt cắt số 2, v.v...

9.2  Đo biên dạng mặt cắt ngang

Biên dạng của từng mặt cắt ngang được lựa chọn phải được đo tại cùng thời điểm các quan sát được thực hiện hoặc gần nhất có thể với thời điểm này. Mặt cắt ngang thường không thể đo được trong mùa lũ vì thế sai số có thể sinh ra trong việc xác định dòng chảy dựa trên thay đổi không quan sát được và tạm thời trong mặt cắt ngang. Tuy nhiên nếu mặt cắt ổn định có thể có khả năng quan sát mặt cắt ngang trước và sau mùa lũ. Ba biên dạng mặt cắt ngang này phải được quan sát trước và sau các mức lũ khi có sự chênh lệch về vận tốc tại hai đầu kết thúc của nhánh đo.

Vì nguyên nhân nào đó không thể thực hiện việc đo trên nhiều mặt cắt ngang thì có thể chỉ thực hiện việc quan sát trên mặt cắt ngang trung tâm.

10  Tính toán lưu lượng đối với mặt cắt ngang không đồng đều và hỗn hợp

Lưu lượng dòng chảy trong một nhánh đo cụ thể phải được tính theo công thức:

Q = KS^1/2                                                                                   (1)

trong đó

Q  là lưu lượng;

K  là sự vận chuyển;

S  là độ dốc đường năng.

10.1  Tính toán sự vận chuyển

10.1.1  Mặt cắt không đồng dạng

Khi mặt cắt của kênh chỉ có một hình dạng nhưng không đồng dạng giữa hai mặt cắt ngang, gọi là mặt mặt cắt ngang 1 và 2 (có thể hội tụ hoặc hơi mở rộng) sự vận chuyển K₁ và K₂ của mặt cắt ngang phía dòng vào và dòng ra phải lần lượt được xác định. Sự vận chuyển trung bình đối với nhánh đo sẽ thu được bằng trung bình của hai giá trị hình học.

K = (K₁ x K₂)^1/2                                                                           (2)

Trong đó

K₁ là sự vận chuyển của mặt cắt ngang thượng lưu (mặt cắt số 1);

K₂ là sự vận chuyển của mặt cắt ngang hạ lưu (mặt cắt số 2);

n₁ và n₂ lần lượt là hệ số gồ ghề (độ nhám) Manning tại mặt cắt số 1 và mặt cắt số 2;

A₁ và A₂ lần lượt là diện tích mặt cắt ngang của mặt cắt ngang số 1 và số 2;

R_h1 và R_h2 lần lượt là bán kính thủy lực tại mặt cắt số 1 và số 2.

10.1.2  Mặt cắt hỗn hợp

Sông trong vùng ngập thường có mặt cắt ngang hỗn hợp như được minh họa trên Hình 1. Sự vận chuyển đối với từng phân đoạn của mặt cắt phải được đánh giá và tính tổng để thu được hệ số vận chuyển đối với toàn bộ mặt cắt, nghĩa là:

K = K_a + K_b + K_c                                                                        (3)

trong đó

n_a, n_b và n_c lần lượt là hệ số gồ ghề (độ nhám) Manning đối với ba thành phần cùa mặt cắt ngang hỗn hợp;

A_a, A_b và A_c lần lượt là diện tích mặt cắt ngang của ba thành phần của mặt cắt ngang hỗn hợp;

R_ha, R_hb và R_hc lần lượt là bán kính thủy lực của ba thành phần của mặt cắt ngang hỗn hợp.

Nếu hình dạng của mặt cắt ngang hỗn hợp thay đổi giữa mặt cắt số 1 và mặt cắt số 2 thì các hệ số vận chuyển đối với cả hai mặt cắt ngang số 1 và số 2 phải được đánh giá độc lập và hệ số vận chuyển trung bình của nhánh đo phải được tính theo qui trình được nêu trong 10.1.1.

Hình 1 - Mặt cắt ngang hỗn hợp của kênh

Phải lưu ý rằng, do việc truyền động lượng qua mặt phẳng thẳng đứng giữa kênh chính và vùng ngập nên có thể có sự đánh giá cao hoặc đánh giá thấp về lưu lượng.

10.2  Tính toán bán kính thủy lực

Bán kính thủy lực R_h tại tất cả các mặt cắt là tỉ số giữa diện tích của dòng chảy A và chu vi dính ướt P

                                                                                    (4)

Diện tích của dòng chảy, nghĩa là diện tích mặt cắt ngang và chu vi dính ướt được tính như sau (xem Hình 2).

Nếu chiều sâu dòng chảy của kênh được đo tại các điểm khác nhau dọc theo mặt cắt ngang bằng cách thăm dò độ sâu là d₁, d₂, d₃ ……, d_n-1 và d₀ = d_n = 0 (xem Hình 2), diện tích của mặt cắt ngang có thể được tính như sau:

                                                                (5)

và chu vi dính ướt có thể được tính như sau:

                                                           (6)

Hình 2 - Mặt cắt ngang của kênh

10.3  Giá trị của hệ số Manning

Khi giá trị của hệ số nhám Manning hợp lý có thể được ngoại suy từ các phép đo lưu lượng được thực hiện trong nhánh đo bằng các phương pháp tính toán, các giá trị thu được có thể được sử dụng miễn là không kéo theo các thay đổi về đặc tính của kênh. Tuy nhiên cần lưu ý rằng việc ngoại suy số liệu càng lớn thì kết quả sẽ có độ tin cậy càng thấp.

Trong các số liệu đo được, các giá trị được nêu trong Bảng A.1 có thể được sử dụng đối với các kênh có vật liệu làm đáy có chất lượng tương đối kém và các kênh có các hình dạng đáy không được mô tả, các giá trị được nêu trong Bảng A.2 có thể được sử dụng đối với các kênh có vật liệu làm đáy kém chất lượng khác và đối với các kênh chứa thảm thực vật, phù sa và các bờ đá. Các đường gợn sóng, đụn cát có thể tạo thành các bãi cát trong các kênh phù sa. Giá trị của hệ số Manning n và Chezy C có thể được đánh giá gần đúng bằng cách áp dụng các phương trình dự đoán tương ứng sử dụng hình dạng hình học của đáy.

10.4  Đánh giá độ dốc đường năng

Độ dốc đường năng, S, của nhánh đo giữa mặt cắt số 1 và mặt cắt số 2 (xem Hình 3) có thể được xác định như sau:

                                           (7)

Trong đó

Trong Hình 3, tử số của công thức (7) được tính theo h₁.

Do sự phân bố không đồng đều của vận tốc trên một mặt cắt của kênh, áp suất động của dòng chảy trong kênh hở thường lớn hơn giá trị v²/2g. Khi định luật năng lượng được sử dụng trong phép tính, áp suất động thực tế sẽ được diễn đạt bằng av²/2g. Trong đó giá trị của α có thể lớn hơn 1 và giá trị của α₁ và α₂ trong các mặt cắt ngang hỗn hợp có thể được tính từ:

α₁ hoặc                                                           (8)

trong đó

Hệ số cột nước lưu tốc có thể thu được từ phương trình thực nghiệm sau:

                                           (9)

trong đó

C là hệ số Chezy.

Tổn hao năng lượng cột áp do phần thu hẹp hoặc mở rộng của kênh trong nhánh đo được giả thuyết bằng với độ chênh lệch của áp suất động tại hai mặt cắt ngang được xem xét nhân với hệ số (1 - K_e).

Giá trị của K_e được lấy bằng 0 đối với các nhánh hội tụ và đồng dạng và bằng 0,5 đối với các nhánh mở rộng. Hệ số tổn thất năng lượng bằng 0,5 đối với các nhánh mở rộng là một số gần đúng vì thế các nhánh mở rộng lớn không được lựa chọn đối với các phép đo mặt cắt - độ dốc.

Đối với nhánh hội tụ, độ dốc đường năng được sử dụng trong phép tính lưu lượng vì thế có thể được tính như sau:

                                                    (10)

và đối với các nhánh mở rộng, độ dốc đường năng được tính bởi:

                                                (11)

Hình 3 - Hình chiếu bằng của nhánh đo

Độ dốc đường năng, S, giữa hai mặt cắt ngang liền nhau có thể được xác định bằng phép xấp xỉ liên tiếp. Đầu tiên, giả sử cho một giá trị của lưu lượng Q. Một giả thuyết hợp lý có thể được thực hiện bằng cách sử dụng độ dốc mặt nước thay thế độ dốc đường năng trong công thức (1). Sau đó lần lượt tính v₁ và v₂ cũng như Q/A₁ và Q/A₂. Tính tất cả các giá trị khác trong phương trình (7) từ các tính chất của mặt cắt ngang và các độ cao của mặt nước tại các mặt cắt 1 và 2. Tính độ dốc đường năng, S, bằng cách sử dụng phương trình (7). Tính lưu lượng Q bằng cách sử dụng giá trị tính được của S và sự vận chuyển trung bình hình học, K. Nếu giá trị tính được của Q khớp với giá trị được giả thuyết của Q nằm trong các giới hạn cho phép thì các giá trị tính được của S và Q là đúng.

10.5  Tính toán lưu lượng bằng cách sử dụng ba hoặc nhiều hơn ba mặt cắt ngang

Đối với các nhánh đo tại đó ba hoặc nhiều hơn ba mặt cắt ngang được thiết lập, lưu lượng phải được tính đối với từng cặp mặt cắt liền nhau. Các lưu lượng tính được này gần như đều khác nhau và phải tính giá trị trung bình để sự cân bằng năng lượng được thỏa mãn xuyên suốt nhánh. Đây thường là qui trình thử nghiệm và sai số.

Các phương trình có sẵn đối với các phép tính này tránh được phương pháp sai số và thử nghiệm.

Phương trình được sử dụng đối với nhánh có ba mặt cắt ngang là:

(12)

10.6  Trạng thái của dòng chảy

Sau khi lưu lượng cuối cùng được xác định, giá trị của số Froude, Fr phải được tính đối với từng mặt cắt ngang để đánh giá trạng thái của dòng chảy

                                                                                (13)

trong đó:

  là vận tốc trung bình;

g  là gia tốc trọng trường;

  là chiều sâu trung bình của mặt cắt ngang, bằng tỉ số diện tích mặt cắt ngang và chiều rộng của mặt nước.

CHÚ THÍCH 1: Khi Fr = 1 dòng chảy được gọi là trạng thái tới hạn.

Mặc dù phương pháp mặt cắt - độ dốc có thể được sử dụng đối với cả dòng dưới tới hạn (Fr < 1) và dòng siêu tới hạn (Fr > 1) nhưng nếu trạng thái của dòng chảy thay đổi trong nhánh kênh từ dưới tới hạn sang siêu tới hạn hoặc ngược lại, phải kiểm tra kĩ hơn các số liệu.

Sự thay đổi từ dòng siêu tới hạn sang dòng dưới tới hạn sẽ tạo ra một bước nhảy thủy lực trong nhánh với các tổn hao năng lượng không rõ ràng. Sự thay đổi từ dòng dưới tới hạn sang dòng siêu tới hạn có thể tạo ra một sự thu hẹp đột ngột (với sự tổn thất thu hẹp không được đánh giá) hoặc một 'dốc tự do' trong mặt nước (độ dốc mặt nước không liên tục không được liên kết đến lưu lượng trong công thức Manning). Khi các biên dạng nước lớn được tập hợp, sự sụt giảm hoặc bước nhảy đột ngột có thể thấy rõ rệt và cho thấy lưu lượng tính được là sai. Sự chuyển đổi dần dần từ dòng dưới tới hạn sang dòng siêu tới hạn có thể thực hiện được và có thể được kiểm tra bằng một biên dạng mặt nước liên tục, vì thế lưu lượng được tính có thể được công nhận là có giá trị.

11  Tính toán lưu lượng đối với mặt cắt ngang đồng đều

Lưu lượng của dòng chảy có mặt cắt ngang đồng đều bằng tích của diện tích của mặt cắt ngang và vận tốc trung bình của dòng chảy trong nhánh:

                                                                               (14)

trong đó   là vận tốc trung bình trong nhánh.

11.1  Xác định diện tích mặt cắt ngang trung bình và chu vi dính ướt trung bình của nhánh

Trong các dòng chảy tự nhiên rất khó để tìm ra một nhánh có mặt cắt ngang đồng đều xuyên suốt chiều dài của chúng. Tuy nhiên nếu nhánh về cơ bản là đồng đều và có các sai lệch nhỏ nhưng quan đáng kể trong các diện tích mặt cắt ngang A₁, A₂,... A_m được xác định theo 10.2 tại mặt cắt được chọn, diện tích mặt cắt ngang trung bình  của nhánh có thể được tính bằng:

                                                  (15)

trong đó m là số lượng mặt cắt ngang được lựa chọn.

Các chu vi dính ướt tương ứng sau đó phải được xác định và chu vi dính ướt trung bình  sau đó có thể được tính bằng:

                                                   (16)

CHÚ THÍCH 2: Khi nhánh đo có mặt cắt ngang không đồng đều về cơ bản thì việc sử dụng phương trình (15) và (16) sẽ không đưa ra các kết quả chính xác. Trong các trường hợp này, sự vận chuyển đối với các mặt cắt ở phía dòng vào và dòng ra phải được tính như đã nêu trong 10.1.1.

11.2  Xác định vận tốc trung bình trong nhánh

11.2.1  Sử dụng phương trình Manning

Vận tốc trung bình giữa hai hoặc nhiều hơn hai mặt cắt ngang (trong đó A₁ ≠ A₂, ... A_m) (xem Hình 3) khi dòng chảy không khác nhiều so với dòng ổn định được tính bằng công thức:

                                                                       (17)

trong đó

 là vận tốc trung bình trong nhánh 1 - m, ;

 là trung bình số học của m giá trị của hệ số nhám Manning đối với mặt cắt ngang trong nhánh;

S_w là độ dốc mặt nước đối với nhánh.

11.2.2  Sử dụng phương trình Chezy

Vận tốc trung bình giữa hai mặt cắt ngang trong cùng điều kiện được trình bày trong 11.2.1 là:

                                                                     (18)

trong đó  là trung bình số học của m giá trị của hệ số lưu lượng Chezy đối với các mặt cắt ngang trong nhánh.

Hệ số Chezy có thể được diễn đạt dưới dạng:

                                                                                  (19)

Giá trị của y có thể thu được từ phương trình đã được qui định trong ISO 1100-2.

Trong khi các công thức Manning và Chezy được thiết lập tin cậy và thường được sử dụng, các công thức khác hiện tại đang được sử dụng chỉ có giá trị trên phạm vi vận tốc trung bình nhỏ.

Trong trường hợp thiếu số liệu đo, giá trị của C có thể được lấy từ Bảng A.1 và Bảng A.2 đối với các điều kiện tương tự với các điều kiện được công bố đối với hệ số Manning, n trong 10.3 hoặc có thể thu được bằng phép tính sử dụng mối quan hệ giữa C và n được cho trong phương trình (19).

11.3  Hiệu chính lưu lượng

Khi nước lũ dâng lên nhanh chóng, lưu lượng được đánh giá trên giả thuyết dòng ổn định cần phải được hiệu chính như đã được mô tả trong ISO 1100-2:1982, Phụ lục E.

12  Độ không đảm bảo đo trong phép đo dòng

12.1  Sai số

Tính toán độ không đảm bảo đo trong phép đo dòng phải được thực hiện theo ISO 5168. Để thuận tiện, các qui trình chính phải tuân theo khi dòng đo bằng phương pháp mặt cắt - độ dốc được đưa ra tại đây và tiếp theo.

Không có phép đo đại lượng vật lí nào có thể không mắc các sai số, các sai số đó có thể là sai số hệ thống (hoặc cố định) phát sinh từ sự thiếu chính xác của các thiết bị đo hoặc sai số ngẫu nhiên được tạo ra do thiếu chính xác của thiết bị đo. Các sai số hệ thống không bị ảnh hưởng bởi sự lặp lại của các phép đo và chỉ có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng thiết bị chính xác hơn. Tuy nhiên sự lặp lại các phép đo có thể được sử dụng để làm giảm bớt độ không đảm bảo đo gây ra bởi các sai số ngẫu nhiên, độ chính xác của giá trị trung bình của m phép đo lặp lại tốt hơn độ chính xác của một phép đo của các điểm riêng lẻ là  lần. Sự phân biệt rõ hơn giữa hai loại sai số này là ở chỗ thành phần ngẫu nhiên có thể được đánh giá dễ dàng bằng thống kê còn biên độ của sai số hệ thống chỉ có thể được xác định nếu các kết quả thu được có thể so sánh được với các kết quả dùng cho một số qui trình không có sai số.

Trong tiêu chuẩn này, độ không đảm bảo đo được sử dụng là các độ không đảm bảo đo được gắn với mức độ tin cậy 95 %. Từ quan điểm thực nghiệm, độ không đảm bảo đo này có thể được định nghĩa là độ lớn của giá trị được tính trong đó giá trị trung bình của 19 lần trên 20 sẽ chứa giá trị thực

12.2  Phương pháp tính

12.2.1  Nguồn gốc của độ không đảm bảo đối với các nhánh đo đồng nhất

Từ phương trình (14)

trong đó

 và  lần lượt là vận tốc trung bình và diện tích trung bình. Sử dụng phương trình Manning [phương trình (17)]

trong đó 

Thay  vào phương trình (14)

                                                               (20)

Tương tự, sử dụng phương trình Chezy [phương trình (18)]

Thay  vào phương trình (14)

                                                     (21)

Vì thế, bất kì phương trình nào được sử dụng, độ không đảm bảo đo tổng cộng sẽ bao gồm:

a) độ không đảm bảo đo trong việc đánh giá diện tích,

b) độ không đảm bảo đo trong việc đánh giá độ dốc,

c) độ không đảm bảo đo trong việc đánh giá chu vi dính ướt, và

d) độ không đảm bảo đo trong việc đánh giá hệ số nhám.

12.2.2  Xác định các thành phần riêng của độ không đảm bảo đo trong phép tính lưu lượng.

12.2.2.1  Độ không đảm bảo đo trong phép tính diện tích mặt cắt ngang trung bình.

Độ không đảm bảo đo của diện tích mặt cắt ngang trung bình  của nhánh đo có thể được coi là được tổng hợp từ ba thành phần riêng biệt dưới đây:

a) các độ không đảm bảo đo do các sai số trong phép đo;

b) các độ không đảm bảo đo do sự khác nhau giữa hình dạng được giả thuyết và hình dạng thực của nhánh và do số lượng nhánh được lựa chọn;

c) các độ không đảm bảo đo do sự khác nhau cơ bản của diện tích mặt cắt ngang xuyên suốt nhánh.

Trong các độ không đảm bảo đo này độ không đảm bảo đo tại khoản c) gần như là lớn nhất. Khi chỉ có một số lượng giới hạn các mặt cắt ngang được đo, độ không đảm bảo đo tại khoản c) phải được đánh giá khách quan và phải tính đến cả các nhận biết đặc biệt của nhánh. Do khoảng tính chất gần đúng của phương pháp mặt cắt - độ dốc, việc đánh giá phải tính đến cả các độ không đảm bảo đo a) và b)

12.2.2.2  Độ không đảm bảo đo trong phép tính chu vi ướt trung bình

Độ không đảm bảo đo của chu vi dính ướt trung bình  cũng có thể được chia thành ba thành phần:

a) các độ không đảm bảo đo do sai số của phép đo,

b) các độ không đảm bảo đo do sự khác nhau giữa hình dạng được giả thuyết và hình dạng thực tế của đáy, và

c) độ không đảm bảo đo do sự khác nhau cơ bản của chu vi dính ướt xuyên suốt nhánh đo,

tương tự c) là thành phần lớn nhất. Như trong 12.2.2.1, việc đánh giá phải được thực hiện một cách khách quan có tính đến tất cả các điều kiện đã biết liên quan quan đến nhánh đo và bao gồm cả giới hạn cho phép phù hợp đối với các độ không đảm bảo đo a) và b).

12.2.2.3  Mối quan hệ giữa các độ không đảm bảo đo của diện tích mặt cắt ngang và của chu vi dính ướt

Khi cả diện tích mặt cắt ngang và chu vi dính ướt cùng được xác định từ phép đo chiều rộng và chiều sâu, các giá trị của chúng sẽ liên quan đến nhau và độ không đảm bảo đo của lưu lượng sẽ được giảm xuống do mối quan hệ này. Tuy nhiên do khó khăn trong việc xác định độ không đảm bảo đo và đánh giá ảnh hưởng của các thay đổi của diện tích mặt cắt ngang và chu vi dính ướt xuyên suốt nhánh, hệ số này được khuyến nghị loại bỏ trong tính toán.

12.2.2.4  Độ không đảm bảo đo trong việc xác định độ dốc đường năng

Độ không đảm bảo đo trong việc xác định độ dốc đường năng sẽ phụ thuộc vào:

a) độ không đảm bảo đo của các số đọc trên thiết bị đo,

b) độ không đảm bảo đo do số hiệu chính đối với độ dốc không đồng đều, và

c) độ không đảm bảo đo do sự thu hẹp của độ dốc được quan sát xuống độ dốc đường năng.

Độ không đảm bảo đo của các số đọc trên thiết bị đo có thể là thành phần quan trọng nhất, đặc biệt là khi độ dốc được xác định từ các mức nước cao nhất. Việc đánh giá độ không đảm bảo đo a) có thể được đơn giản hóa bằng cách đọc liên tục vài số chỉ của thiết bị đo đang vận hành trong thời gian dòng ổn định và so sánh sự chênh lệch của các độ dốc thu được. Việc đánh giá cũng bao gồm giới hạn cho phép đối với độ không đảm bảo đo b) và c).

12.2.2.5  Độ không đảm bảo đo do việc lựa chọn hệ số nhám

Độ không đảm bảo đo của hệ số nhám được sử dụng bao gồm một hoặc nhiều hơn một thành phần sau:

a) các độ không đảm bảo đo trong phép ngoại suy đường đặc tính lưu lượng;

b) các độ không đảm bảo đo do việc kiểm tra các tính chất của kênh;

c) các sai số của việc đánh giá lựa chọn n hoặc C.

Việc đánh giá độ lớn của các độ không đảm bảo đo đặc biệt khó khăn và cũng là một vấn đề đánh giá lớn. Tuy nhiên, theo kết quả thực nghiệm thu được của phương pháp, sự khó khăn này hầu như được giảm bớt. Cần lưu ý rằng khi một giá trị được lựa chọn, tất cả độ không đảm bảo đo được tạo ra thường mang tính hệ thống hơn là ngẫu nhiên, lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị trung bình. Vì thế, dấu hiệu nhận biết và độ lớn của độ không đảm bảo đo không được biết và nó chì có thể đánh giá một cách khách quan. Độ không đảm bảo đo do nguồn này phải được lấy bằng một nửa phạm vi đánh giá và được coi là thành phần ngẫu nhiên.

12.2.3  Độ không đảm bảo đo tổng cộng trong phép đo lưu lượng

Nếu các độ không đảm bảo đo ngẫu nhiên theo phần trăm của diện tích mặt cắt ngang, độ dốc và chu vi dính ướt được kí hiệu bằng , ,  và các độ không đảm bảo đo ngẫu nhiên theo phần trăm của n và C lần lượt là , , độ không đảm bảo đo ngẫu nhiên theo phần trăm tổng cộng của lưu lượng có thể thu được bằng cách sử dụng phương trình Manning [xem phương trình (20)] là:

                                 (22)

Và sử dụng phương trình Chezy [xem phương trình (21)] là:

                                  (23)

Tương tự, coi phân bố xác suất của các giá trị có thể đạt được của từng thành phần hệ thống là phân bố Gauss, độ không đảm bảo đo hệ thống theo phần trăm tổng cộng của lưu lượng,  có thể được tính từ các độ không đảm bảo đo hệ thống theo phần trăm thành phần bằng phương pháp căn quân phương. Các độ không đảm bảo đo hệ thống và ngẫu nhiên sau đó được kết hợp với nhau như được trình bày trong ISO 5168 để thu được độ không đảm bảo đo tổng cộng, X_Q trong phép đo lưu lượng:

CHÚ THÍCH 3: Các độ không đảm bảo đo thành phần lớn nhất trong phương trình (22 và (23) là các giá trị  và . Mặc dù khó có thể đưa ra các giá trị cụ thể, các giá trị của  thường được lấy là 40 % (ứng với mức độ tin cậy 95 %).

Phụ lục A

(tham khảo)

Các giá trị gần đúng của các hệ số n và C dùng cho kênh hở

Bảng A.1 và Bảng A.2 đưa ra các hệ số n và C có thể đước sử dụng đối với các quan sát sau:

a) Các giá trị được gán cho các hệ số trong Bảng A.1 và Bảng A.2 không bao gồm tất cả và chỉ được sử dụng như một hướng dẫn; sai số đáng kể sẽ sinh ra khi nhỏ và kích thước của vật liệu làm máng lớn.

b) Trong Bảng A.1 và Bảng A.2, các giá trị của n và C là các đơn vị SI (phải được nhân với 1,811 để chuyển đổi sang các đơn vị FPS).

c) Các hệ số Manning và Chezy được liên hệ với các điều kiện đáy được đề cập trong Bảng A.1 và Bảng A.2. Bằng việc sử dụng hệ số Nikuradse, các điều kiện đáy có thể được xác định một cách rõ ràng hơn tuy nhiên nghiên cứu sâu hơn được yêu cầu trước khi nó được chấp nhận vô điều kiện.

d) Xác định phạm vi độ nhám trên các kênh tự nhiên hiệu quả bằng các phép đo, chụp ảnh các kênh trên các bản kính dương âm thanh màu và ghi lại các hệ số đã được kiểm tra tương ứng, để hướng dẫn việc lựa chọn các hệ số đối với một nhánh đang khảo sát. Các giá trị tương ứng của các hệ số vì thế có thể được lựa chọn bằng phép so sánh bằng mắt thường.

Bảng A.1 - Các hệ số đối với các kênh có vật liệu làm đáy tương đối kém chất lượng và không xác định được các hình dạng của đáy

Bảng A.2 - Các hệ số đối với các kênh khác các kênh có vật liệu làm đáy chất lượng kém

MỤC LỤC

Lời nói đầu

1  Phạm vi áp dụng

2  Tài liệu viện dẫn

3  Định nghĩa

4  Nguyên lý của phương pháp đo

5  Lựa chọn và phân loại hiện trường

5.1  Khảo sát hiện trường ban đầu

5.2  Lựa chọn hiện trường

5.3  Phân ranh giới hiện trường

6  Thiết bị đo độ dốc

6.1  Thiết bị chuẩn

6.2  Bộ ghi mức nước

6.3  Thiết bị đo mức đỉnh

6.4  Mức nước cao nhất

7  Qui trình lắp đặt các thiết bị đo và thực hiện các quan sát

7.1  Lắp đặt

7.2  Qui trình quan sát các thiết bị đo

7.3  Các quan sát khác

8  Tính toán độ dốc mặt nước

8.1  Tính toán độ dốc mặt nước

8.2  Tính toán độ dốc mặt nước từ các mức nước cao nhất

9  Mặt cắt ngang của dòng chảy

9.1  Số lượng các mặt cắt ngang

9.2  Đo biên dạng mặt cắt ngang

10  Tính toán lưu lượng đối với mặt cắt ngang không đồng đều và hỗn hợp

10.1  Tính toán sự vận chuyển

10.2  Tính toán bán kính thủy lực

10.3  Giá trị của hệ số Manning

10.4  Đánh giá độ dốc đường năng

10.5  Tính toán lưu lượng bằng cách sử dụng ba hoặc nhiều hơn ba mặt cắt ngang

10.6  Trạng thái của dòng chảy

11  Tính toán lưu lượng đối với mặt cắt ngang đồng đều

11.1  Xác định diện tích mặt cắt ngang trung bình và chu vi dính ướt trung bình của nhánh

11.2  Xác định vận tốc trung bình trong nhánh

11.3  Hiệu chính lưu lượng

12  Độ không đảm bảo đo trong phép đo dòng

12.1  Sai số

12.2  Phương pháp tính

Phụ lục A (tham khảo) Các giá trị gần đúng của các hệ số n và C dùng cho kênh hở