Chương 7. Phương pháp luận đối với đo đạc và quan trắc
7.4 Những quan trắc bổ trợ
7.4.2 Quan trắc tại điểm cố định
Như đã giải thích ở trên, không thể thực hiện nghiên cứu chất chỉ thị nếu không có tập hợp của dữ liệu hỗ trợ về những điều kiện thuỷ văn xung quanh. Phát tán phụ thuộc vào sự trượt dòng chảy, và khi xem xét sự pha loãng một đốm loang vật chất, sự trượt thẳng đứng trong thành phần dọc của dòng chảy trung bình là yếu tố đầu tiên.
Những lưu tốc kế thích hợp với những quan trắc tại điểm cố định (tức là Euler) có ba loại:
1. Lưu tốc kế đọc trực tiếp
Lưu tốc kế đọc trực tiếp được thiết kế để hạ xuống theo cột nước từ một tàu thả neo.
Vận tốc của dòng chảy được xác định bởi số lượng của những vòng quay trên đơn vị thời gian của một bánh công tác tại 'mũi' của thiết bị; lưu tốc kế có những cánh lái tại phần cuối sẽ làm cho nó thẳng hàng với dòng chảy chính và điều khiển dụng cụ bằng một la bàn đặt bên trong. Lưu tốc kế đọc trực tiếp sắp xếp dữ liệu vận tốc và hướng, truyền theo một cáp đến một phòng trên boong của tàu khảo sát. Những dụng cụ này thiết kế để thao tác viên theo dõi tại từng độ sâu được chọn, khi lấy một thời gian trung bình thích hợp cho đo đạc vận tốc dòng chảy; chu kỳ tiêu biểu là 30 hoặc 60 giây được chọn để loại bỏ hầu hết dao động rối. Dữ liệu phát sinh có thể cung cấp cho bộ lưu trữ hoặc PC để phân tích vÒ sau.
Hình 7.11 Hệ thống neo đối với một tập hợp các đồng hồ ghi dòng chảy
2. Lu tèc kÕ ghi
Lưu tốc kế ghi được neo tại một độ sâu cố định và giữ tại đó để ghi dòng chảy với một chu kỳ kéo dài, thường đến một tháng. Khi thấy nước đủ sâu, một vài lưu tốc kế có thể gắn với cùng cột neo (hình 7.11). Vận tốc và hướng dòng chảy được ghi tại những khoảng định trước trong suốt thời gian ghi; dữ liệu được lưu giữ bên trong và tải xuống
khi dụng cụ được nhấc lên. Những phương pháp sử dụng để xác định vận tốc dòng chảy thường biến đổi. Lưu tốc kế đo mức độ quay của một bánh công tác hoặc một rôto Savonius (hình 7.12). Thiết bị này cộng lại những vòng quay bất cứ hướng gì tiếp cận với dòng chảy - nó có thể làm cho dụng cụ đọc quá đi nếu ở đó sự đảo ngược dòng chảy (ví dụ do tác động sóng) chồng lên dòng chảy trung bình, mà dòng trung bình không đủ mạnh để gióng thẳng hàng toàn bộ thiết bị. Lưu tốc kế doppler âm học xác định vận tốc dòng chảy từ những số đo của tần số dịch chuyển trong những xung âm thanh truyền ngang và dọc theo dòng chảy. Những lưu tốc kế điện từ đo vận tốc dòng chảy bằng những dòng điện phát sinh khi nước chuyển qua một từ trường hình thành tại đầu đồng hồ đo. Tất cả các lưu tốc kế ghi khác nhau sử dụng một thiết bị 'lấy trung bình vectơ’ bên trong để phân tích những số đo vận tốc và hướng. Nói chung, đồng hồ công tác đếm số lượng những vòng quay và sau đó tính toán những thành phần phía bắc và phía đông của vận tốc qua một khoảng 5 giây bằng cách sử dụng những số đọc về hướng. Những thành phần này được tính toán lần lượt 5 giây một trong chu kỳ 10 phút và sau đó vectơ kết quả được tính toán và lưu giữ trong thiết bị. Thậm chí đối với những dụng cụ có khả năng xác định vận tốc thường xuyên, như những lưu tốc kế điện từ có thể cung cấp những giá trị vận tốc gần tức thời, những xác định thường hạn chế với những khoảng cố định (tức là 5 giây) và chỉ giá
trị trung bình 10 phút được lưu giữ để giới hạn số lượng dữ liệu lưu giữ trong thiết bị.
Hình 7.12 Nguyên lý vận hành của một rôto Savonius
3. Những bộ đo dòng chảy bằng hiệu ứng doppler âm học
'Những bộ đo dòng chảy bằng hiệu ứng doppler âm học' (ADCP), được phát triển từ đồng hồ đo doppler âm học cho những quan trắc ở độ sâu cố định, sử dụng khung đặt tại đáy gắn những bộ chuyển đổi (Cheng, 1990). Tổng thể, dụng cụ có bốn bộ chuyển đổi hướng lên cao, truyền những xung âm thanh ngắn về phía mặt biển. Những chùm được
đặt nghiêng so với hướng thẳng đứng như được minh họa trong hình 7.13. Những sóng
âm thanh từ mỗi chùm tia được phản hồi từ các đám phù du, những hạt nhỏ và những biến đổi mật độ nhỏ trong cột nước. Vận tốc của tia quét so với bộ phát xạ tạo ra sự dịch chuyển tần số doppler, được phát hiện bởi bộ chuyển đổi tiếp nhận. Những xung trở lại
nhận được sớm hơn từ tia quét theo cột nước và những xung muộn hơn đến từ tia quét gần mặt nước hơn. Bằng cách lấy bản ghi theo thời gian của tín hiệu trở về và sự dịch chuyển tần số liên quan của chúng, có thể suy luận vận tốc ngang của tia quét tại những
đoạn có độ sâu khác nhau. Biết được hình dáng chùm tia chính xác, dữ liệu vận tốc tại ba trong bốn độ sâu phân đoạn được kết hợp để tính toán những thành phần ngang của dòng chảy tại mỗi mực trong cột nước. Bởi vì những ô mà từ đó bất kỳ âm thanh nào cũng được tia quét qua đều có một bề dày và mặt cắt hữu hạn, xác định bởi sự lan rộng của chùm tia, những vận tốc tính toán thể hiện dòng chảy trung bình qua một lớp mỏng nằm ngang của cột nước trong khu vực giới hạn bởi bốn chùm tia. Chỉ ba trong số bốn chùm tia đòi hỏi xác định những thành phần thẳng đứng và nằm ngang của dòng chảy. Những bộ chuyển đổi ADCP đặt tại đáy thường được gắn ở khoảng 1,5 m trên đáy và cũng có một vùng chết trong khu vực ở ngay trên những bộ chuyển đổi và bởi vậy, những đo đạc không thể thực hiện rất sát đáy biển. Hơn nữa, việc tia quét âm thanh trong những chùm tia nghiêng có nghĩa là những đo đạc không thể lấy thẳng đến mặt nước. Như vậy đối với những chùm tia với có góc nghiêng 30o so với hướng thẳng đứng, có thể biểu thị 85 % đầu tiên của khoảng cách giữa những bộ chuyển đổi và mặt nước. Việc giảm độ nghiêng đến 15o làm tăng phạm vi này đến 95 % nhưng sai số phép đo tăng xấp xỉ 2 lần so với chùm tia 30o. Độ chính xác của phép đo dòng chảy bằng ADCP phụ thuộc vào độ dài ô. Tiêu biểu cứ khoảng đo 1 giây cho một độ dài ô là 0,4 m phải có độ chính xác chỉ đến 0,08 ms-1 nhưng có thể cải thiện đến 0,01 ms-1 nếu chuỗi đo thực hiện liên tục hơn 64 giây.
Hình 7.13 Những chùm âm thanh từ bộ đo dòng chảy bằng hiệu ứng doppler âm học bốn bộ chuyển đổi, cho thấy những ô phản chiếu sóng âm thanh
4. ADCP trên tàu đang chuyển động
ADCP cũng có thể đặt lên giá trên những con tàu chuyển động để bốn chùm tia
được hướng xuống phía đáy biển. Nguyên lý cũng như đối với một ADCP đặt tại đáy, trừ khi phạm vi độ sâu bị hạn chế bởi độ sâu đặt máy ở dưới mặt nước. Một khi tàu đi theo một vết đã chỉ định, dữ liệu phân bố vận tốc tương đối được kết hợp với vận tốc của tàu để
tính toán phân bố vận tốc tuyệt đối. Nói chung, khoảng lấy trung bình 5 phút cung cấp độ chính xác của vận tốc tuyệt đối là 0,07 ms-1. Nhiều sai số xuất hiện do vận tốc của tàu thường lớn đáng kể hơn dòng chảy tuyệt đối được đo. Sai số làm hạn chế ứng dụng của ADCP gắn trên tàu khi xác định trượt thẳng đứng trong những khu vực có dòng triều tương đối mạnh. Kỹ thuật có ưu điểm là thực hiện các cắt ngang liên tiếp, ví dụ qua mặt cắt ngang cửa sông, một bức tranh chi tiết có thể thiết lập cho thay đổi thủy triều khi chuyển động; điều này có giá trị đặc biệt trong việc xác định dòng khối lượng trong các cửa sông.