Application of duflow for studying hydro

Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn Số 10/2004 APPLICATION OF DUFLOW FOR STUDYING HYDRODYNAMICS AND STABILITY OF TIDAL INLETS IN THE TAM GIANG - CAU HAI LAGOON NGHIEM TIEN LAM1, H.J VERHAGEN2, M VAN DER WEGEN3 Abstract This paper presents an application of an one-dimensional unsteady numerical model DUFLOW for hydrodynamic simulation of a complex lagoon-inlet system in Vietnam The difficulties due to the lack of data for model boundary conditions is overcome by using sensitivity analysis approach for the uncertainties of boundary conditions Model results are used for stability analysis of the tidal inlets according to the “cross sectional stability” and “overall stability” criteria proposed by Bruun (1974) Beside of providing results of hydrodynamics, the numerical model can help to investigate system behaviour under the effects of different boundary conditions and providing design parameters for tidal inlet stabilisation ỨNG DỤNG MƠ HÌNH DUFLOW NGHIÊN CỨU THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA CÁC CỬA SÔNG THUỘC HỆ ĐẦM PHÁ TAM GIANG - CẦU HAI NGHIÊM TIẾN LAM1, H.J VERHAGEN2, M VAN DER WEGEN3 Tóm tắt Bài báo trình bày kết ứng dụng mơ hình thuỷ lực dịng khơng ổn định chiều mạng lưới sông DUFLOW cho nghiên cứu thuỷ động lực học hệ thống đầm phá cửa sông phức tạp Sự khó khăn mặt số liệu cho điều kiện biên mơ hình giải việc áp dụng tiếp cận phân tích độ nhạy để đánh giá phạm vi ảnh hưởng thông tin bất định Một số kết mơ hình sử dụng cho việc đánh giá trạng thái ổn định cửa theo tiêu chuẩn ổn mặt cắt ngang ổn định tổng thể Bruun Ngồi việc cung cấp số thơng tin thuỷ động lực học hệ thống, mô hình tốn giúp khảo sát phản ứng hệ thống với điều kiện biên khác lựa chọn thông số thiết kế cho việc ổn định cửa GIỚI THIỆU Các cửa sông thuộc hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai bao gồm cửa Thuận An cửa Tư Hiền Các cửa sơng có vai trị quan trọng không phát triển kinh tế xã hội mà cịn mơi trường sinh thái khu vực đầm phá vùng lân cận Hệ đầm phá cửa chịu tác động nhiều yếu tố thuộc trình lục địa hải dương Tuy nhiên tình trạng ổn định cửa liên quan đến yếu tố trình ảnh hưởng chưa hiểu biết cách thấu đáo Các mô hình tốn giúp có thêm hiểu biết chế độ thuỷ động lực học toàn hệ thống trạng thái ổn định cửa sơng Khó khăn việc áp dụng mơ hình tốn cho hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai số liệu đo đạc lân cận hệ thống khơng có nhiều Trong trường hợp mơ hình tốn chiều có lợi so với mơ hình hai chiều việc giải điều kiện biên mà cung cấp thông tin cần thiết chế độ thuỷ động lực học hệ thống Các nội dung sau giới thiệu việc ứng dụng mơ hình tốn chiều DUFLOW dùng cho mô thuỷ lực hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai bao gồm giới thiệu tóm lược mơ hình tốn, sơ đồ mơ hình hố biên, tóm lược hiệu chỉnh kiểm định, số kết mơ hình cuối phân tích trạng thái ổn cửa theo tiêu chuẩn Bruun dựa kết từ mơ hình tốn MƠ HÌNH DUFLOW DUFLOW mơ hình thuỷ lực chiều dùng để tính tốn dịng chảy khơng ổn định hệ thống sơng Mơ hình phát triển Viện quốc tế Kỹ thuật Cơ sở hạ tầng, Thuỷ lợi Đại học Thuỷ lợi Hà Nội; E-mail: tlnghiem@yahoo.com, N.T.Lam@ct.tudelft.nl Đại học Công nghệ Delft (TU Delft), Hà Lan; E-mail: H.J.Verhagen@ct.tudelft.nl Viện Giáo dục Nước UNESCO-IHE; E-mail: MVW@unesco-ihe.org 1415 Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nơng thôn Số 10/2004 Môi trường (IHE), Đại học Công nghệ Delft (TU Delft) Cục Cơng trình cơng cộng (Rijkswaterstaat) Hà Lan Hệ phương trình mơ hình hệ phương trình SaintVenant cho sóng nước nơng ∂η ∂Q B + =0 (1) ∂t ∂x QQ ∂η ∂Q ∂ ⎛ Q ⎞ ⎟⎟ + gA (2) +g =0 + ⎜⎜ ∂x ∂t ∂x ⎝ A ⎠ C AR Trong đó, Q = lưu lượng dịng chảy (m3/s); η = mực nước so với mực chuẩn (m); B = độ rộng mặt nước (m); A = diện tích mặt cắt ngang (m2); C = hệ số nhám Chezy (m0.5/s); R = bán kính thuỷ lực (m); g = gia tốc trọng trường (m/s2); x = biến khơng gian dọc theo dịng chảy (m); t = biến thời gian (giây) Hệ phương trình giải theo phương pháp sai phân hoá với sơ đồ sai phân ẩn bốn điểm Preissmann Mơ hình cho phép tính tốn thuỷ lực mạng lưới sơng với sợ thay đổi mặt địa hình độ nhám theo phương dọc đứng với thay đổi điều kiện biên Ngồi khả mơ thuỷ lực hệ thống sơng kênh, mơ hình cịn mơ cơng trình điều khiển đập tràn, cống ngầm, xi phông trạm bơm Gần mơ hình cịn có khả mơ chất lượng nước, tích hợp với mơ hình mưa – dịng chảy mơ hình nước ngầm Nhiều kết nghiên cứu cho thấy mơ hình phù hợp dùng để nghiên cứu sơ hầu hết cửa sông cho kết xác tin cậy ứng dụng cho nhiều hệ thống sông lớn nước ta SƠ ĐỒ MƠ HÌNH HỐ VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN Thuỷ động lực học đầm phá cửa sông thuộc hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai đối tượng phức tạp Ngồi ảnh hưởng dịng chảy thượng nguồn sơng đổ về, hệ thống chịu tác động trình hải dương học Trong nghiên cứu q trình ảnh hưởng xem xét dịng chảy sơng thượng nguồn thuỷ triều ngồi biển Khó khăn đặt cho nghiên cứu thuỷ động lực học hệ thống thiếu số liệu đo đạc hệ thống để dùng làm điều kiện biên cho việc hiệu chỉnh kiểm định mơ hình tốn Để vượt qua khó khăn này, nghiên cứu kết hợp mơ hình hệ thống đầm phá cửa sơng với mơ hình hệ thống sơng thượng nguồn phát triển trước tác giả thuộc Trường Đại học Thuỷ lợi Do mà mơ hình nghiên cứu mở rộng cho tồn hệ thống sơng (Hình 1) từ cửa sơng Thuận An Tư Hiền vị trí trạm thuỷ văn Cổ Bi, Bình Điền Dương Hồ để sử dụng số liệu đo đạc lưu lượng trạm làm điều kiện biên cho mơ hình Lưu lượng dịng chảy sơng nhỏ sơng Truồi, sông Cầu Hai khu mô mơ điểm nhập lưu Số liệu mực nước thực đo trạm Phú Ốc, Kim Long Tân Mỹ dùng để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Biên mơ hình mực nước thuỷ triều biển cửa Thuận An, Hoà Duân Tư Hiền Trong trường hợp cửa Hồ Dn bị đóng điều kiện biên cửa lấy lưu lượng dòng chảy Do số liệu mực nước triều thực đo cửa ngắn cho việc phân tích điều hồ nên việc xác định thơng số thành phần thuỷ triều thực theo phương pháp tối ưu hoá Kết thuỷ động lực học hệ thống bị ảnh hưởng nhiều yếu tố độ nhám, độ mở cửa, nước dâng bão, biên độ góc pha số thành phần thuỷ triều chính, trọng số sơ đồ sai phân, bước thời gian tính… có nhiều yếu tố mang tính bất định khơng rõ ràng Trong q trình hiệu chỉnh kiểm định mơ hình, yếu tố bất định chúng ảnh hưởng đến thuỷ động lực học hệ thống xem xét đánh giá thông qua tiếp cận phân tích độ nhạy (sensitivity analysis) 1416 Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn Số 10/2004 s Ơ Lâu Ph áT am BIỂN ĐÔN G Gi a n g Thuận An Hoà Duân Phú Ốc s.H ươ ng Đầm Thanh Lâm Đầ m i Đạ ng a Gi s.H ươ Kim Long s s.B Cổ Bi Th u ng ỷT ú Dương Hoà s.Tr u ch Trạ s.Tả ch Trạ u ữ Bình Điền s.H ồi Tư Hiền Đầm Cầu Hai Hình Mơ hình hệ thống cửa sông đầm phá Tam Giang - Cầu Hai HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH Mơ hình hiệu chỉnh với số liệu trận lũ tháng 10/1983 Số liệu trận lũ tháng 11/1999 số liệu mùa kiệt năm 2000 (Hình 2) dùng để kiểm định mơ hình Trong q trình kiểm định hiệu chỉnh mơ hình, ảnh hưởng thơng số mơ bước thời gian tính, độ nhám bất định điều kiện biên số thuỷ triều, nước dâng biển, độ mở cửa xem xét phân tích sử dụng tiếp cận phân tích độ nhạy Chi tiết kết kiểm định hiệu chỉnh mơ hình kết mơ hình tốn phân tích tham khảo Lam (2002) Kết phân tích độ nhạy yếu tố trình hiệu chỉnh mơ hình cho thấy địa hình độ nhám lòng dẫn nhân tố nhạy tác động đến kết mơ hình Các thơng số mơ bước thời gian tính trọng số sai phân sơ đồ tính quan trọng Trong trình điều kiện biên mùa lũ dịng chảy thượng nguồn đóng vai trị quan trọng nhất, kế thuỷ triều, nước dâng biển độ mở cửa Ngược lại, mùa kiệt từ tháng đến tháng thứ tự trình quan trọng ảnh hưởng đến thuỷ động lực học hệ thống thuỷ triều, nước biển dâng độ mở cửa 1417 Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn Số 10/2004 0.4 R2 = 68.6% 0.3 Mực nước, Z(m) 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 08/05/00 09/05/00 10/05/00 11/05/00 12/05/00 13/05/00 14/05/00 15/05/00 16/05/00 17/05/00 18/05/00 Thực đo Tính tốn Hình Kết kiểm định mơ hình cho mực nước trạm Kim Long KẾT QUẢ MÔ HÌNH VÀ SỰ ỔN ĐỊNH VỀ MẶT CẮT NGANG CỬA Rất nhiều kịch tính tốn xây dựng với phương án cấu hình độ mở cửa điều kiện biên khác Một số kịch cho độ mở cửa trình bày Bảng Các kịch thiết lập để khảo sát ảnh hưởng cửa Hoà Duân tình có cửa tồn Bảng trình bày kết mơ hình cho vận tốc dịng triều lên triều xuống lớn cửa tương ứng với kịch tính tốn Chúng ta thấy vận tốc dòng chảy qua cửa Tư Hiền tương đối độc lập với thay đổi cửa Thuận An Hoà Duân Điều xác nhận qua việc xem xét mơ hình lan truyền sóng triều từ cửa vào hệ thống Các sóng triều từ biển truyền vào hệ thống thơng qua cửa Thuận An Hồ Dn dọc theo đầm Thuỷ Tú gặp sóng triều truyền vào đầm Cầu Hai qua cửa Tư Hiền đầu phía nam đầm Thuỷ Tú nơi có bãi triều xuống Bãi triều đóng vai trị cản trở dịng chảy tách biệt cách tương đối đầm Cầu Hai khỏi hệ thống Do đó, hai cửa Thuận An cửa Tư Hiền xem xét hai hệ đầm phá độc lập cửa Hoà Duân bị đóng lại Điều tiền đề quan trọng cho việc phân tích hệ thống Bảng Các kịch độ mở cửa Kịch Thuận An Hoà Duân B(m) A(m2) B(m) A(m2) R01 535 4200 420 1900 R02 535 4200 R03 R05 đóng 344 R06 R18 420 1500 đóng 500 đóng 1900 đóng 217 3800 600 đóng 1418 Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nông thôn Số 10/2004 Bảng Ảnh hưởng độ mở cửa vận tốc lớn Vmax (m/s) Kịch Thuận An Triều lên Hoà Duân Triều xuống Triều lên Tư Hiền Triều xuống Triều lên Triều xuống R01 -0.6 0.6 -0.6 0.6 -0.8 1.1 R02 -0.8 0.8 — — -0.8 1.1 R03 — — -1.2 1.2 -0.8 1.1 R05 -1.4 1.5 — — -0.8 1.1 R06 — — -1.6 1.6 -0.8 1.0 R18 -1.0 1.0 — — -0.9 1.1 Kết mơ hình Bảng cửa Hoà Duân mở làm giảm nhỏ vận tốc dòng chảy cực đại qua cửa Thuận An Sự tồn song song hai cửa Hoà Duân Thuận An làm cho vận tốc trung bình lớn (Vmax) qua hai cửa giảm nhỏ xuống giá trị 1m/s nhiều Dựa số liệu thực tế nhiều cửa sông giới, Bruun cộng (1974) thấy hầu hết cửa sông trạng thái ổn định có Vmax ≈ 1m/s, khuyến nghị coi giá trị tiêu chuẩn “ổn định mặt mặt cắt ngang” cửa Theo tiêu chuẩn hai cửa Thuận An Hoà Duân tồn song song làm cho cửa bị bồi lấp thoái hoá thời kỳ khơng có lũ Do đó, việc đóng cửa để trì cửa cịn lại cần thiết Việc đóng cửa Hồ Dn lựa chọn quan điểm thoát lũ giao thông thuỷ Dựa kết mơ mơ hình cho trận lũ 11/1999, phân bố trung bình lưu lượng dịng chảy lũ qua cửa Thuận An, Hoà Duân Tư Hiền 60%, 25% 15% Thông qua thử nghiệm mơ hình tốn giúp đỡ tìm độ mở phù hợp cho thiết kế ổn định cửa Thuận An dựa theo tiêu chuẩn ổn định mặt cắt ngang kịch R18 Bảng với diện tích mặt cắt ngang khoảng A = 4000m2 độ rộng bề mặt B = 500m Dựa mơ hình mơ thuỷ lực, thơng số thuỷ động lực học cửa độ nhám, lưu lượng dịng chảy lớn nhất, thể tích lăng trụ triều, hệ số CK, v.v… xác định Lăng trụ triều qua cửa có tương quan tốt với lưu lượng dòng chảy lớn qua cửa với hệ số CK = 0.9 cửa Thuận An CK = 0.8 cửa Tư Hiền công thức sau P= AC Vmax ωC K (3) Trong đó, P = thể tích (lăng trụ) triều chu kỳ triều (m3); Vmax = vận tốc dịng chảy bình qn mặt cắt lớn (m/s); AC = diện tích mặt cắt ngang cửa (m2); CK = hệ số; ω = tần số sóng triều (radian/s) Các thông số thông số cần thiết cho phân tích ổn định cửa PHÂN TÍCH ỔN TỔNG THỂ CỬA THEO TIÊU CHUẨN P/Mtot Ổn định cửa triều vùng bờ biển cấu tạo trầm tích xác định cân vận chuyển bùn cát dọc bờ biển khả đẩy bùn cát dòng thuỷ triều qua cửa Dựa vào mối quan hệ cân mà Bruun Gerritsen (1960) giới thiệu tỷ số lăng trụ triều (P, m3/chu kỳ triều) tổng vận chuyển bùn cát dọc bờ hàng năm (Mtot, m3/năm) sau Bruun (1968, 1978, 1986) bổ sung thêm thành tiêu chuẩn P/Mtot cho 1419 Tạp chí Nông nghiệp Phát triển nông thôn Số 10/2004 ổn định tổng thể cửa Dựa vào tỷ số P/Mtot mà cửa triều xếp hạng tốt, trung bình hay mặt ổn định tổng thể Bảng (Bruun, 1978) Bảng Chỉ tiêu ổn định tổng thể theo quan điểm khả chuyển cát P/Mtot Tình trạng ổn định cửa Tốt – cửa chuyển cát chủ yếu dòng triều (dải cồn ngầm nhỏ khả > 150 đẩy rửa tốt) Trung bình – thấy rõ kết hợp chuyển cát theo dải ngầm đẩy rửa 100 – 150 dòng triều cửa vào 50 – 100 Trung bình đến – điển hình cửa việc chuyển cát theo dải ngầm không ổn định Kém – cửa không ổn định với lạch chảy tràn không thường xuyên < 50 P/Mtot >300 Bảng Sự ổn định cửa vào liên quan đến P/Mtot (Bruun, 1990) Điều kiện cửa vào Có khơng có dải cát ngầm thềm biển ngồi cửa (bồi tụ xảy ngồi biển xa hơn) 150 – 300 Có dải cát ngầm 100 – 150 Dải cát ngầm thấp, tàu bè di chuyển đôi chút trở ngại nhỏ 50 – 100 Dải cát ngầm rộng cao hơn, giao thông trở ngại 20 – 50 Dải cát ngầm rộng nông, giao thơng khó khăn < 20 Dải cát ngầm nơng, giao thơng khó khăn Với cửa sơng thuộc hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, giá trị lăng trụ triều lưu lượng dòng chảy lớn tính tốn dựa vào kết mơ hình tốn Một số kết tính tốn dựa số liệu đo đạc thực tế Giá trị tổng lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ biển hàng năm tổng hợp từ nhiều nguồn khác với khoảng biến đổi Bảng đến Bảng Các khoảng biến đổi tỷ số P/Mtot tính tốn tương ứng với khoảng biến đổi Mtot bảng Từ Bảng 5, độ ổn định cửa Thuận An thuộc vào tình trạng “kém đến trung bình” cửa vào bị nơng gây khó khăn cho tàu thuyền thoát lũ Nếu độ mở cửa Thuận An nhỏ cửa Hoà Duân mở trạng thái ổn định cửa Thuận An trở thành “kém” Điều có nghĩa lăng trụ triều qua cửa khơng đủ dịng chảy khơng có khả đẩy bùn cát dịng vận chuyển dọc bờ mang đến khỏi cửa Trong hầu hết trường hợp thấy Bảng 6, cửa Hoà Dn có tình trạng ổn định “kém” Trong Bảng 7, trạng thái ổn định cửa Tư Hiền “kém” không phụ thuộc vào độ mở cửa Thuận An Hồ Dn Từ tình trạng ổn định cửa cho thấy việc đóng cửa Hồ Dn cần thiết để trì ổn định cho cửa cịn lại cửa cần bảo vệ khỏi dòng vận chuyển bùn cát ven bờ đập chắn cát Bảng Trạng thái ổn định tổng thể cửa Thuận An Kịch độ mở P (106m3) Qmax (m3/s) Mtot (10 m3/năm) P M tot Theo Lee, 1970 47 2900 1.6 30 kém, cửa vào nông Đo đạc 5/2000 36 2660 0.64 – 3.42 11 – 56 đến trung bình Trạng thái ổn định 1420 Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nơng thơn Số 10/2004 R01: 32 – 40 2400 0.64 – 3.42 – 63 đến trung bình R02: 46 – 55 3330 0.64 – 3.42 13 – 86 đến trung bình R04: 26 – 31 1800 0.64 – 3.42 – 48 R05: 30 – 36 2080 0.64 – 3.42 – 56 đến trung bình Bảng Trạng thái ổn định tổng thể cửa Hoà Duân P (106m3) Qmax (m3/s) Mtot (106m3/năm) P M tot 21 1670 0.64 – 3.42 – 33 R01 16 – 18 1172 0.64 – 3.42 – 28 R03 34 – 41 2352 0.64 – 3.42 10 – 64 đến trung bình R04 11 – 13 747 0.64 – 3.42 – 20 R06 16 – 18 1009 0.64 – 3.42 – 28 Kịch độ mở Đo đạc 5/2000 Trạng thái ổn định Bảng Trạng thái ổn định tổng thể cửa Tư Hiền Kịch độ mở P (106m3) Qmax (m3/s) Mtot (10 m3/năm) P M tot R01 12 – 14 860 0.67 – 1.21 10 – 21 R02 12 – 14 866 0.67 – 1.21 10 – 21 R03 12 – 14 855 0.67 – 1.21 10 – 21 R04 12 – 14 858 0.67 – 1.21 10 – 21 R05 12 – 14 850 0.67 – 1.21 10 – 21 R06 12 – 14 818 0.67 – 1.21 10 – 21 Trạng thái ổn định KẾT LUẬN Đối với hệ đầm phá cửa triều phức tạp, mơ hình chiều ứng dụng thành cơng để giúp có thêm thơng tin bổ sung thêm hiểu biết chế độ thuỷ động lực học hệ thống ảnh hưởng yếu tố q trình tác động Ngồi mơ hình tốn giúp khảo sát phương án khác để xác định thông số thiết kế xa dự báo tác động người can thiệp vào hệ thống Về mặt kinh nghiệm, ổn định cửa ước tính theo tiêu chuẩn Bruun sử dụng số liệu tính tốn từ mơ hình toán hay đo đạc thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Bruun, P., 1967, Tidal Inlets Housekeeping, Journal of Hydraulics Division, ASCE, Vol 93, No HY5, pp 167-184 IHE, 1995, DUFLOW Manual, Edition 2.1, International Institute for Infrastructural, Hydraulic and Environmental Engineering, Delft, The Netherlands 1421 Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển nông thôn Số 10/2004 Lam, N.T., 2002, A Preliminary Study on Hydrodynamics of the Tam Giang – Cau Hai Lagoon and Tidal Inlet System in Thua Thien-Hue Province, Vietnam, M.Sc Thesis H.E 105, IHE, Delft Lam, N.T., Verhagen, H.J., and van der Wegen, M., 2003, Hydrodynamic modelling of tidal inlets in Hue, Vietnam, The sixth International Conference on Coastal and Port Engineering in Developing Countries (COPEDEC VI), Colombo 1422 ... Tidal Inlets Housekeeping, Journal of Hydraulics Division, ASCE, Vol 93, No HY5, pp 167-184 IHE, 1995, DUFLOW Manual, Edition 2.1, International Institute for Infrastructural, Hydraulic and Environmental... chí Nơng nghiệp Phát triển nông thôn Số 10/2004 Lam, N.T., 2002, A Preliminary Study on Hydrodynamics of the Tam Giang – Cau Hai Lagoon and Tidal Inlet System in Thua Thien-Hue Province, Vietnam,... M.Sc Thesis H.E 105, IHE, Delft Lam, N.T., Verhagen, H.J., and van der Wegen, M., 2003, Hydrodynamic modelling of tidal inlets in Hue, Vietnam, The sixth International Conference on Coastal and Port