Báo cáo nghiên cứu khoa học " Kết quả tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát thích hợp nhất cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội nhờ ứng dụng mô hình GSTARS 2.1 " ppt

Tạp chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxI, Số 3PT., 2005 Kết tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát thích hợp cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội nhờ ứng dụng mô hình GSTARS 2.1 Nguyễn Thị Nga Khoa Khí tợng Thủy văn & Hải dơng học Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Tóm tắt: Bài báo khoa học giới thiệu kết tính chọn hàm vận chuyển trầm tích phù hợp tốt với đoạn sông Hồng từ Hòa Bình đến Hà Nội sử dụng mô hình GSTARS2.1 kết tính vận chuyển trầm tích theo 10 hàm vận chuyển trầm tích khác với số liệu địa hình năm 1992, số liệu thủy văn trầm tích năm 1993 sử dụng mô hình GSTARS2.1 cho thấy rằng: hàm vận chuyển trầm tích Engelund Hansen phù hợp sông Hồng từ Hòa Bình đến Hà Nội Do đó, hàm đợc chọn tính toán dự báo biến đổi đáy sông Hồng nghiên cứu đề tài Đặt vấn đề GSTARS2.1 (Generalized Stream Tube model for Alluvial River Simulation version 2.1) hệ nâng cao mô hình GSTARS2.0 (1998), đợc Chih Ted Yang Francisco J.M Simes sửa đổi cải tiến vào tháng 12 năm 2000 Đây mô hình số mô điều kiện dòng chảy theo kiểu bán hai chiều thay đổi hình học lòng dẫn theo kiểu bán ba chiều Có tới 11 hàm vận chuyển bùn cát đợc sử dụng GSTARS2.1 để mô dự báo quy luật thay đổi hình thái lòng sông Bởi vậy, lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát thích hợp cho sông Hồng vấn đề cần đợc giải trớc thực việc mô dự báo quy luật thay đổi hình thái lòng sông Hồng Bài báo trớc [1] nghiên cứu đà công bố kết bớc đầu tìm hiểu mô hình GSTARS2.1 ứng dụng môđun nớc vật để tính trắc diện dọc mặt nớc cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội Bài báo công bố kết nghiên cứu tiếp theo: ứng dụng mô hình GSTARS 2.1 để tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát thích hợp cho sông Hồng Cơ sở lý thuyết hàm vận chuyển bùn cát GSTARS 2.1 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán nớc vật diễn to¸n bïn c¸t GSTARS 2.1 Trong GSTARS 2.1, c¸c tính toán nớc vật vận chuyển bùn cát xem hai môđun mô hình số Bởi vậy, thủ tục giải không gắn liền phơng trình dòng chảy với phơng trình để diễn toán bùn cát Phơng pháp dùng GSTARS 2.1 sai phân phân hữu hạn không ghép nối, nghĩa là: sai phân hữu hạn đợc sử dụng để rời rạc hoá phơng trình sai phân bản, đờng cong nớc vật đợc tính đầu tiên, sau diễn toán toán bùn cát tính thay đổi đáy, tất tham số thủy lực đợc giữ ổn định bớc thời gian tính toán Cơ sở lý thuyết môđun nớc vật GSTARS 2.1 đà đợc trình bày chi tiết báo trớc [1] Để diễn toán bùn cát sông, GSTARS 2.1 sử dụng 66 Kết tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát 67 phơng trình liên tục bùn cát dạng giản hoá (2.12) dựa giả thiết: thay đổi lợng ngậm cát lơ lửng mặt cắt ngang nhỏ nhiều thay đổi đáy sông bớc thời gian, tham số hàm vận chuyển bùn cát mặt cắt ngang giữ nguyên không thay đổi Phơng trình nh sau: A d Qs + =qs ∂t ∂x (2.1) víi: η lµ thĨ tÝch bïn cát đơn vị thể tích lớp đáy; Ad thể tích bùn cát đáy đơn vị chiều dài; Qs lu lợng bùn cát; qs dòng chảy bùn cát vào theo phơng ngang t thời gian 2.2 Các hàm vận chuyển bùn cát GSTARS 2.1 GSTARS 2.1 bao gåm 11 hµm vËn chuyển bùn cát khác nhau: Duboys (1879), Meyer-Peter Muller (1948), Laursen (1958), Toffaleti (1969), Engelund vµ Hansen (1972), Ackers vµ White (1973), Ackers vµ White (1990), Yang (1973) + Yang (1984), Yang (1979) + Yang (1984), Parker (1990), Yang cộng (1996) Mỗi hàm vận chuyển bùn cát đợc xây dựng cho phạm vi kích thớc bùn cát điều kiện dòng chảy định Các kết tính toán dựa sở hàm vận chuyển khác khác đáng kể so với hàm khác so với thực đo 2.2.1 Phơng pháp Duboys (1879) Dựa theo tiêu chuẩn khởi động bùn cát đáy ứng suất tiếp đáy vợt ứng suất tiếp giới hạn, Duboys đà thu đợc biÓu thøc sau: q b = Kτ(τ − τ c ) (2.2) qb lu lợng bùn cát đáy đơn vị; ứng suất tiếp đáy c lực kéo tới hạn dọc theo đáy, ®−ỵc tÝnh tõ biĨu ®å Shields Theo Traub (1935), K đợc tính theo công thức: 0,173 (2.3) K= d3 / đó: d dờng kính hạt 2.2.2 Công thức Meyer-Peter Muller (1948) Công thức Meyer-Peter Muller (1948) công thức chất tải đáy sỏi vật liệu thô: K RS s K r ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 3/2 = 0,047(γ s − γ )d + 0,25ρ1 / q / b (2.4) s tơng ứng trọng lợng riêng nớc bùn cát (tấn/m3); R bán kính thủy lực (m); S độ dốc lợng; d đờng kính hạt trung bình (m); khối lợng riêng nớc (tấn/m4); qb suất chuyển cát đáy (tấn/s/m); (Ks/Kr)S = Sr loại độ dốc, đợc gây sức cản hạt gây chuyển động bùn cát đáy Phơng trình (2.3) đợc biểu diễn dạng không thứ nguyên là: q2/3 b g ⎝ ⎠ 1/3 (K s / K r )3 / γRS 0,25 = − 0,047 (γ s − γ )d (γ s − γ )d (2.5) Ngun ThÞ Nga 68 víi: vµ: ⎛ Ks ⎜ ⎜K ⎝ r ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 3/ Kr = = Sr S (2.6) 26 (2.7) d1/ 90 đó: d90 ®−êng kÝnh øng víi tung ®é 90% cđa ®−êng cong cấp phối hạt 2.2.3 Công thức Laursen (1958) Công thức Laursen (1958) đợc biểu diễn dạng đồng cã thø nguyªn b»ng: C t = 0,01γ ⎛d pi ⎜ i ⎜D ⎝ i ∑ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 7/6 ⎛ τ' ⎞ ⎛ U* ⎜ ⎜ ⎜ τ − ⎟f ⎜ ω ⎟ ⎝ ci ⎠ ⎝ i (2.8) đó: Ct nồng độ bùn cát tính trọng lợng đơn vị thể tích; U * = gDS ; pi số phần trăm vật liệu có phần kích thớc i; i độ thô thủy lực hạt có đờng kính trung bình di; D độ sâu nớc trung bình ci lực kéo tới hạn đờng kính bùn cát di cho biểu đồ Shields ứng suất tiếp đáy gây sức cản hạt ' tính đợc từ phơng trình Manning bằng: ' = V 58 d 50 ⎜ ⎜ D ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 1/3 (2.9) 2.2.4 Phơng pháp Toffaleti (1969) Phơng pháp Toffaleti (1969) dựa đơn giản hoá sau đây: (1) Độ rộng kênh có lu lợng bùn cát lu lợng bùn cát kênh hình thang có độ rộng B độ sâu R với R bán kính thủy lực kênh thực tế; (2) Độ sâu tổng cộng dòng chảy đợc phân chia thành lớp Vật liệu đáy Qti bùn cát có kích th−íc di lµ: Qti = B(qbi + qsui + qsmi + qsli) (2.10) đó: B độ rộng lòng dẫn qbi, qsui, qsmi, qsli tơng ứng lu lợng bùn cát qua đơn vị độ rộng lớp đáy, lớp cao, lớp lớp dới thấp Toffaleti đà sử dụng phơng pháp bán kinh nghiệm đồ thị để tính lu lợng bùn cát lớp nói 2.2.5 Phơng pháp Engelund Hansen (1972) Engelund Hansen (1972) đà đề xuất c«ng thøc vËn chun: fφ = 0,1θ5 / 2gSD f= V2 ⎡⎛ γ s − γ ⎞ ⎤ ⎟gd ⎥ ⎢⎜ ⎟ ⎜ ⎣⎝ γ ⎠ ⎦ τ θ= (γ s − γ )d φ= qt γs (2.11) (2.12) / (2.13) (2.14) Kết tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát 69 đó: g gia tốc trọng lực; S độ dốc lợng; V tốc độ dòng chảy trung bình; qt lu lợng bùn cát tổng cộng tính trọng lợng qua đơn vị độ rộng; s tơng ứng trọng lợng riêng bùn cát nớc; d đờng kính hạt trung bình; D độ sâu dòng chảy trung bình ứng suất tiếp dọc theo đáy 2.2.6 Phơng pháp Ackers White (1973) (1990) Ackers White (1973) đà ứng dụng phép phân tích thứ nguyên ®Ĩ biĨu diƠn tÝnh chun ®éng (the mobility) vµ st vận chuyển bùn cát dới dạng số hạng tham số không thứ nguyên Số chuyển động (mobility number) họ bùn cát là: Fgr ⎞⎤ = U ⎢gd⎜ s − ⎟⎥ ⎜ γ ⎟ ⎠⎦ ⎣ ⎝ *⎡ −1 / ⎡ ⎤ V ⎢ ⎥ ⎢ 32 lg (αD / d ) ⎥ ⎣ ⎦ 1− n (2.15) ®ã U * tốc độ động lực; n số mũ chuyển đổi phụ thuộc vào kích thớc bùn cát; dòng chảy rối = 10 ; d kích thớc hạt bùn cát D độ sâu dòng chảy Kích thớc bùn cát đợc đờng kính hạt không thứ nguyên: g d gr = d ⎢ ⎣ν ⎛ γs ⎞⎤ ⎜ ⎜ γ − ⎟⎥ ⎟ ⎝ ⎠⎦ 1/3 (2.16) ®ã: ν độ nhớt động học nớc Bởi vậy, hàm vận chuyển bùn cát không thứ nguyên đợc biĨu diƠn b»ng: ( G gr = f Fgr , d gr víi: G gr ) XD ⎛ U * ⎜ = (dγ s ) / γ ⎜ V ⎝ (2.17) ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ n (2.18) ®ã: X suất vận chuyển bùn cát Hàm vận chuyển bùn cát không thứ nguyên đợc biểu diễn b»ng: ⎛ Fgr ⎞ ⎟ Ggr = C⎜ ⎜ A m (2.19) Các giá trị A, C, m n đà đợc Ackers White (1973) xác định dựa việc khớp tốt ®−êng cong cđa sè liƯu thÝ nghiƯm víi kÝch th−íc bùn cát lớn 0,04 mm số Froude nhỏ 0,8 Công thức nguyên Ackers White công thức tiếng để dự báo suất vận chuyển bùn cát mịn (nhỏ 0,2 mm) bùn cát tơng đối thô Để hiệu chỉnh xu thế, dạng sửa lại hệ số đà đợc công bố vào năm 1990 (HR Wallingford, 1990) Cả hai hệ hệ số đợc thực GSTARS 2.1 Các hệ số nguyên dạng (1973) hệ số đà sửa lại (1990) nh bảng dới Nguyễn Thị Nga 70 Các hệ số công thức Ackers White hệ 1973 1990 1973 −1 A = 0,23d gr / + 0,14 1990 ( < d gr ≤ 60 lg C = −3,53 + 2,86 lg d gr − lg d gr )2 −1 A = 0,23d gr / + 0,14 −1 m = 9,66d gr + 1,34 n = 1,00 − 0,56 lg d gr A = 0,17 C = 0,025 m = 1,50 n=0 )2 −1 m = 6,83d gr + 1,67 n = 1,00 − 0,56 lg d gr dgr>60 ( lg C = −3,53 + 2,79 lg d gr − 0,98 lg d gr A = 0,17 C = 0,025 m = 1,78 n=0 2.2.7 Các công thức vận chuyển cát (1973) sỏi (1984) Yang Công thức lợng dòng chảy đơn vị không thứ nguyên Yang năm 1973 là: lg C ts = 5,345 − 0,286 lg ωd U* − 0,457 lg ν ω ⎛ ωd U * ⎞ ⎛ VS Vcr S ⎞ ⎟ lg ⎜ ⎟ − 0,314 lg + ⎜1,799 − 0,409 lg − ⎜ ν ω ⎟ ⎜ ω ω ⎟ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ (2.20) đó: Cts nồng độ cát tổng cộng (ppm); độ thô thủy lực bùn cát; d đờng kính hạt bùn cát; độ nhớt động học nớc; U* tốc độ động lực; VS lợng dòng chảy đơn vị; S độ dốc mặt nớc độ dốc lợng Vcr tốc độ dòng chảy trung bình tới hạn lúc khởi động Các hệ số phơng trình (2.20) đà đợc xác định từ 463 số liệu thí nghiệm máng Phơng trình (2.20) nên đợc áp dụng vận chuyển cát có đờng kính hạt nhỏ mm Năng lợng dòng chảy đơn vị tới hạn không thứ nguyên Vcr S tích số tốc độ tới hạn không thứ nguyên Vcr độ dốc lợng S, đó: U *d 2,5 + 0,66 nÕu 1,2 < < 70 ⎪ ν Vcr ⎪ lg U * d / ν − 0,06 =⎨ ω ⎪ U *d 2,05 nÕu 70 ≤ ( ) (2.21) Công thức lợng dòng chảy đơn vị không thứ nguyên Yang năm 1984 vận chuyển sỏi với đờng kính hạt lớn mm là: lg C ts = 6,681 − 0,633 lg ωd U* − 4,816 lg ν ω ⎛ ωd U * ⎞ ⎛ VS Vcr S ⎞ ⎟ lg ⎜ ⎟ − 0,282 lg + ⎜ 2,784 − 0,305 lg − ⎜ ν ω ⎟ ⎜ ω ω ⎟ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ (2.22) đó: Ctg nồng độ sỏi tổng cộng (ppm) Các hệ số phơng trình (2.22) đà đợc xác định tõ 167 bé sè liƯu thÝ nghiƯm m¸ng KÕt tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát 71 2.2.8 Các công thức vận chuyển cát (1979) sái (1984) cđa Yang Yang (1979) ®· ®Ị xt mét công thức vận chuyển cát điều kiện dòng chảy vợt nhiều điều kiện dòng chảy để khởi động Trong trờng hợp này, lợng dòng chảy đơn vị tới hạn không thứ nguyên yêu cầu lúc khởi động đợc bỏ qua Công thức vận chuyển cát năm 1979 Yang nồng độ bùn cát lớn 100 ppm là: lg C ts = 5,165 − 0,153 lg ωd U* − 0,297 lg ν ω ⎛ ωd U * ⎞ ⎛ VS Vcr S ⎞ ⎟ lg ⎜ ⎟ − 0,480 lg + ⎜1,780 − 0,360 lg − ⎜ ν ω ⎟ ⎜ ω ω ⎟ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ (2.23) Các hệ số phơng trình (2.23) đà đợc xác định từ 452 số liệu thí nghiệm máng 2.2.9 Phơng pháp Parker (1990) Parker (1990) đà xây dựng hàm vận chuyển sỏi kinh nghiệm dựa khái niệm tính chuyển động ngang số liệu thực tế Hàm vận chuyển bùn cát đáy không thứ nguyên Wi* tham số ứng suất tiếp không thứ nguyên i Parker đợc xác định bằng: q bi ⎛ γs ⎞ Wi* = ⎜ − ⎟ ⎜ γ ⎟ ⎝ ⎠ p i DS gDS φi = ⎞ DS ⎛ γs ⎜ − 1⎟ ⎟ * ⎜ γ d i τri ⎝ ⎠ (2.24) −1 (2.25) * Giá trị ri dựa d50 0,875, nghÜa lµ: d τ* = 0,875 50 ri di (2.26) đó: qbi bùn cát đáy qua đơn vị độ rộng kênh phần kích thớc di; D độ sâu nớc; S độ dốc pi phần trọng lợng kích thớc di Do tính chuyển động ngang tất kích thớc, có kích thớc hạt d50 đợc sử dụng để đặc trng cho lu lợng bùn cát đáy nh hàm ứng suất tiếp không thứ nguyên, tøc lµ: ⎧ ⎪ 0,0025φ14.2 nÕu φ50 < 1.0 ⎪ ⎪ W * = ⎨0,0025 exp (φ50 − 1) − 9,28(φ50 − 1)2 nÕu 1.0 ≤ φ50 ≤ 1,59 ⎪ ⎛ 0,853 ⎞ ⎪ ⎟ 13,685⎜1 − nÕu φ50 > 1,59 ⎜ ⎪ φ50 ⎟ ⎝ ⎠ ⎩ { } (2.27) Trong phơng trình (2.27), 50 dựa kích thớc d50 Phơng trình đợc làm cho phù hợp kinh nghiƯm nhê sư dơng c¸c sè liƯu thùc tÕ với phạm vi kích thớc bùn cát từ 18 đến 28 mm Nguyễn Thị Nga 72 2.2.10 Công thức vận chuyển cát với nồng độ chất rửa trôi cao đà sửa đổi Yang (1996) Tất hàm vận chuyển đợc xây dựng vận chuyển bùn cát nơi ảnh hởng chất rửa trôi đợc bỏ qua Sự tồn nồng độ chất rửa trôi cao ảnh hởng đáng kể đến độ nhớt dòng chảy, độ thô thủy lực bùn cát mật độ tơng đối trọng lợng tơng đối bùn cát Đối với tập hợp điều kiện thủy lực đà cho, vận chuyển bùn cát không cân có suất khác xảy mức khác nồng độ chất rửa trôi cao Yang cộng (1996) đà viết lại công thức Yang năm 1979 dới dạng sau cho dòng chảy chở đầy bùn cát có nồng độ chất rửa trôi cao: U* U* ⎛ γm VS⎞ ωmd ω d ⎟ lg⎜ ⎟ (2.28) − 0,297lg + ⎜1,780− 0,360lg m − 0,480lg νm ωm ⎜ νm ωm ⎟ ⎜ γs − γm ωm ⎟ Các hệ số phơng trình (2.28) giống hệt hệ số phơng trình (2.23) Tuy nhiên, giá trị độ thô thủy lực, độ nhớt động học trọng lợng riêng tơng đối đợc sửa đổi vận chuyển bùn cát dòng chảy chở đầy bùn cát có nồng độ vật liệu lơ lửng mịn cao Các sửa đổi đợc Yang cộng thực (1996) vào bùn cát từ sông Hoàng Hà Trung Quốc, nơi nồng độ chất rửa trôi chất tải vật liệu đáy cao ứng dụng mô hình GSTARS 2.1 tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát thích hợp cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội Hồ Hòa Bình Hòa Bình Yên Bái Sông Thao m độ thô thủy lực hạt dòng chảy chở đầy bùn cát; m độ nhớt động học dòng chảy chở đầy bùn cát; s m tơng ứng trọng lợng riêng bùn cát dòng chảy chở đầy bùn cát Sông Đà Trung Hà Sông Lô Vụ Quang Chú giải Trạm thủy văn Biên dới Biên Điểm phân lu cục Điểm nhập lu cục Vị trí mặt cắt số 62 Sông Hồng lgCts = 5,165 0,153lg Sông Đuống Thợng Cát Hà Nội Hình 3.1 Sơ đồ tính đoạn sông nghiên cứu 3.1 Mô tả đoạn sông nghiên cứu Đoạn sông nghiên cứu gồm đoạn sông Đà từ Hoà Bình đến ngà ba Thao-Đà đoạn sông Hồng từ ngà ba Thao-Đà đến Hà Nội Trên đoạn sông nghiên cứu có hai Kết tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát 73 nhánh nhập lu phân lu Nhánh nhập lu thứ sông Thao ngà ba Thao-Đà nhánh nhập lu thứ hai sông Lô ngà ba Lô-Hồng Phân lu sông Đuống từ ngà ba Hồng-Đuống Mô hình GSTARS 2.1 hạn chế cho sông đơn nhng bao gồm đóng góp nớc bùn cát nhánh chảy vào chảy khỏi đoạn sông mô hình hoá Bởi vậy, xem nh đoạn sông nghiên cứu từ Hòa Bình đến Hà Nội có hai điểm nhập lu cục điểm phân lu cục Điểm nhập lu cục thứ sông Thao vào sông Đà ngà ba Thao-Đà điểm nhập lu thứ hai sông Lô vào sông Hồng Ngà ba Lô-Hồng Điểm phân lu cục sông Đuống từ ngà ba Hồng-Đuống Đoạn sông nghiên cứu đợc sơ đồ hóa nh hình 3.1 3.2 Cơ sở số liệu Dựa theo yêu cầu số liệu đầu vào mô hình GSTARS 2.1, số liệu sau đà đợc thu thập: * Số liệu địa hình: Đoàn khảo sát sông Hồng đo đạc bao gồm: - 38 mặt cắt ngang (từ số 10 đến số 47) sông Đà đoạn từ Hoà Bình đến ngà ba Thao-Đà 17 mặt cắt ngang (từ số 48 đến số 64) sông Hồng đoạn từ ngà ba Thao Đà đến Hà Nội năm 1992 - Trắc diện dọc đáy sông từ Hoà Bình đến Hà Nội năm 1992 1997 * Số liệu thủy văn: đo đạc năm 1992 1993 Trung tâm Khí tợng Thủy văn Quốc gia Số liệu bao gồm: - Lu lợng nớc bình quân ngày trạm Hoà Bình, Yên Bái, Vụ Quang Thợng Cát - Mực nớc bình quân ngày hai trạm Sơn Tây Hà Nội * Số liệu bùn cát: - Lu lợng bùn cát lơ lửng bình quân ngày năm 1992 1993 trạm Hoà Bình, Yên Bái, Vụ Quang Thợng Cát - Số liệu phân tích thành phần hạt bùn cát lơ lửng ngày 137 lần đo trạm Hoà Bình 189 lần đo trạm Yên Bái năm 70-73 phòng Môi trờng thuộc Viện Khoa học Thủy lợi - Số liệu phân tích thành phần hạt bùn cát lơ lửng trung bình tháng năm 70 ữ 74 trạm Thợng Cát trung bình tháng trung bình nhiều năm trạm Vụ Quang - Số liệu phân tích thành phần hạt vật liệu đáy dọc sông Đà sông Hồng đo đạc năm 1996 Viện Khoa học Thủy lợi 3.3 Phân tích, xử lý số liệu đầu vào Số liệu đầu vào mô hình GSTARS 2.1 bao gồm số liệu thủy lực số liệu bùn cát 74 Nguyễn Thị Nga 3.3.1 Sè liƯu thđy lùc: gåm sè liƯu h×nh dạng hình học lòng dẫn, tham số thủy lực (các hệ số nhám, phơng pháp tính tổn thất ma sát, hệ số tổn thất) số liệu thủy văn Hình dạng hình học lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu đợc lấy số liệu thực đo năm 1992 55 mặt cắt ngang từ mặt cắt số 10 (trạm Hoà Bình) đến mặt cắt số 64 (trạm Hà Nội) Căn vào hình dạng, chia mặt cắt ngang thành ba phân khu có hệ số nhám khác nhau: bÃi trái, lòng bÃi phải Từ kết hiệu chỉnh kiểm nghiệm mô hình thủy lực công bố đầu [1], hệ số nhám Manning n lòng chính, bÃi sông phơng pháp tính độ dốc ma sát đà đợc xác định, cụ thể là: nlòng sông = 0,027 nbÃi sông = 0,05 chọn sử dụng phơng pháp tính độ dốc ma sát trung bình từ đoạn sông kề liền Đối với số liệu thủy văn: với thời đoạn tính toán chọn ngày, trình lu lợng nớc đến đoạn sông nghiên cứu lấy trình lu lợng nớc bình quân ngày thực đo trạm Hoà Bình; trình lu lợng gia nhập đoạn sông nghiên cứu điểm nhập lu thứ (mặt cắt số 48) lấy trình lu lợng nớc bình quân ngày thực đo trạm Yên Bái sông Thao; trình lu lợng gia nhập đoạn sông nghiên cứu điểm nhập lu thứ hai (mặt cắt số 51) lấy trình lu lợng nớc bình quân ngày thực đo trạm Vụ Quang sông Lô; trình lu lợng chảy từ điểm phân lu (mặt cắt số 63) lấy trình lu lợng nớc bình quân ngày thực đo trạm Thợng Cát sông Đuống trình mực nớc mặt cắt kiểm soát phía hạ lu (mặt cắt số 64) trình mực nớc bình quân ngày thực đo trạm Hà Nội 3.4.2 Số liệu bùn cát: bao gồm số liệu dòng bùn cát chảy vào đoạn sông nghiên cứu qua mặt cắt xa phía thợng lu, dòng bùn cát chảy vào chảy theo phơng ngang đIểm nhập phân lu cục bộ, nhiệt độ nớc, số liệu phân phối kích thớc hạt lu lợng bùn cát đến vật liệu cấu tạo đáy Số liệu dòng bùn cát chảy vào đoạn sông nghiên cứu qua mặt cắt xa phía thợng lu, tức qua trạm Hoà Bình đợc chọn thể dới dạng đờng cong quan hệ lu lợng bùn Qs (tấn/ngày) 350000 cát Qs (tấn/ngày) y = 2E-05x1.8884 lu lợng nớc Q 300000 R2 = 0.9299 (ft3/s) Đờng cong 250000 quan hệ lấy theo phơng trình 200000 tơng quan dạng 150000 hàm mũ đẹp xây dựng Qs 100000 Q trung bình ngày 50000 Q (ft3/s) trung bình 17 năm (thời kỳ sau Hoà Hình 3.2 Quan hệ Qs - Q trạm Hoà Bình (bình quân thời kỳ 1986ữ2002) Bình, từ 1986 đến 2002): Qs = 2E05×Q1,8884 cã R2 = 0,9299 (h×nh 3.2) KÕt tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát 75 Số liệu dòng bùn cát chảy vào chảy theo phơng ngang gồm: - trình lu lợng bùn cát từ sông Thao chảy vào đIểm nhập lu thứ (mặt cắt 48) lấy trình lu lơng bùn cát bình quân ngày thực đo trạm Yên Bái - trình lu lợng bùn cát từ sông Lô chảy vào đIểm nhập lu thứ hai (mặt cắt 51) lấy trình lu lơng bùn cát bình quân ngày thực đo trạm Vụ Quang - trình lu lợng bùn cát chảy khỏi đoạn sông nghiên cứu từ điểm phân lu (mặt cắt 63) lấy trình lu lơng bùn cát bình quân ngày thực đo trạm Thợng Cát sông Đuống Số liệu nhiệt độ nớc sông lấy trình nhiệt độ nớc bình quân tháng thực đo trạm Hoà Bình Số liệu phân phối kích thớc hạt bùn cát tơng ứng với cấp lu lợng nớc đến đoạn sông nghiên cứu qua trạm Hoà Bình đợc chọn từ số liệu phân tích hạt 189 mẫu bùn cát lấy trạm Hoà Bình Số liệu phân phối kích thớc hạt bùn cát tơng ứng với cấp lu lợng nớc chảy vào đoạn sông nghiên cứu ngà ba Thao-Đà đợc chọn từ số liệu phân tích hạt 189 mẫu bùn cát lấy trạm Yên Bái Số liệu phân phối kích thớc hạt bùn cát tơng ứng với cấp lu lợng nớc chảy vào đoạn sông nghiên cứu ngà ba Lô-Hồng đợc chọn từ số liệu phân tích hạt trung bình tháng trung bình nhiều năm trạmVụ Quang Số liệu phân phối kích thớc hạt bùn cát tơng ứng với cấp lu lợng bùn cát chảy khỏi đoạn sông nghiên cứu từ ngà ba Hồng-Đuống đợc chọn từ số liệu phân tích hạt trung bình tháng năm 70ữ74 trạm Thợng Cát Số liệu phân phối kích thớc hạt vật liệu đáy 55 mặt cắt ngang đoạn sông nghiên cứu lấy theo số liệu phân tích thành phần hạt vật liệu đáy dọc sông Đà sông Hồng đo đạc năm 1996 Viện Khoa học Thủy lợi Quá trình phân chia lớp kích thớc hạt bùn cát đến vật liệu đáy đợc thực theo hớng dẫn GSTARS2.1 vào phạm vi kích thớc hạt thực tế 3.5 Điều kiện ban đầu điều kiện biên Số liệu thực đo năm 1992 55 mặt cắt ngang sơ đồ tính đoạn sông nghiên cứu đợc sử dụng làm điều kiện địa hình ban đầu Tại thời điểm ban đầu (t=0, cha tính toán), lu lợng mực nớc tất mặt cắt Điều kiện biên trình lu lợng nớc bùn cát bình quân ngày trạm Hoà Bình Điều kiện nội biên lu lợng nớc bùn cát nhập lu cục nhánh sông Thao (trạm Yên Bái) sông Lô (trạm Vụ Quang) lu lợng nớc bùn cát phân lu cục sông Đuống trạm Thợng Cát Điều kiện biên dới trình mực nớc bình quân ngày trạm Hà Nội 3.6 Kết tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát Vì lấy số liệu địa hình đo đạc cuối năm 1992 làm số liệu địa hình ban đầu nên số liệu thủy văn bùn cát năm 1993 đợc sử dụng để tính toán lựa chọn hàm vận Nguyễn Thị Nga 76 chuyển bùn cát thích hợp cho đoạn sông nghiên cứu.Từ file số liệu đầu vào đà thiết lập, chạy mô hình GSTARS2.1 có vận chuyển bùn cát với 10 phơng án sử dụng hàm vận chuyển bùn cát khác Lập chơng trình để trích đọc số liệu lu lợng bùn cát bình quân ngày tính toán đợc cho trạm Sơn Tây mặt cắt số 54 (đợc chọn làm mặt cắt kiểm tra) sau lần chạy từ file đầu có phần mở rộng SED Với số liệu trích đọc dợc, tiến hành vẽ phối hợp lên hệ trục toạ độ đờng trình lu lợng bùn cát bình quân ngày thực đo tính toán đợc theo phơng án hàm vận chuyển bùn cát đồng thời đánh giá mức độ phù hợp chúng thông qua tiêu độ hữu hiệu R2 WMO sai số quân phơng tơng đối tổng lợng bùn cát năm ( %) Kết phân tích đồ thị vẽ phối hợp đờng trình lu lợng bùn cát bình quân ngày thực đo tính toán theo phơng án hàm vận chuyển số liệu thống kê kết đánh giá hàm vận chuyển theo tiêu R2 (xem bảng 3.1) cho thấy: - kết tính toán từ hàm vận chuyển bùn cát khác sai khác lớn sai khác nhiều so với số liệu thực đo - số 10 hàm vËn chun bïn c¸t cã thĨ thùc hiƯn GSTARS2.1, có hàm đợc đánh giá vào lại đạt theo tiêu chuẩn WMO (có độ hữu hiệu R2 nằm khoảng 40ữ65%) Đó là: hàm vận chuyển bùn cát Laussen (1958); hàm vận chuyển bùn cát Engelund Hansen (1972); công thức cát (1979) sỏi (1984) Yang; hàm vận chuyển bùn cát Duboy (1979) Qs (tấn/ngày) 3000000 2500000 Qsđo (tấn/ngày) Qstính (tấn/ngày) 2000000 1500000 1000000 500000 t (ngµy) 361 346 331 316 301 286 271 256 241 226 211 196 181 166 151 136 121 91 106 76 61 46 31 16 Hình 3.3 Đờng trình lu lợng bùn cát bình quân ngày thực đo tính toán theo công thức Engelund Hansen trạm Sơn Tây năm 1993 - số hàm vận chuyển bùn cát sử dụng đợc, hàm vận chuyển bùn cát Enggelund Hansen cho kết tốt có độ hữu hiệu lớn (R2= 54,56%), sai số quân phơng tơng đối tổng lợng bùn cát nhỏ ( = 9,86%) đờng trình lu lợng bùn cát bình quân tính toán phù hợp với đờng trình thực đo (xem hình 3.3) Kết tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát 77 Bảng 3.1 Kết đánh giá hàm vận chuyển bùn cát TT Hàm vận chuyển bùn cát R2 (%) (%) Công thức Meyer-Peter Muller (1948) 26,91 -55,75 C«ng thøc Laussen (1958) 47,99 -19,19 C«ng thøc Toffaleti (1969) -1,52 131,41 C«ng thøc Engelund Hansen (1972) 54,56 9,86 Công thức Ackers White (1973) 28,37 -58,0 Công thức cát (1973) sỏi (1984) Yang 38,57 -36,01 Công thức cát (1979) sỏi (1984) Yang 45,91 -25,06 Công thức Yang sửa đổi (1996) 38,30 -36,11 Công thức Ackers White với hệ số đà sửa đổi (1990) 28,37 -58,03 10 Công thức Duboy (1979) 46,32 -14,85 KÕt ln Víi sè liƯu điạ hình cuối năm 1992, số liệu thủy văn bùn cát năm 1993, kết tính toán vận chuyển bùn cát nhờ ứng dụng mô hình GSTARS2.1 với 10 phơng án sử dụng hàm vận chuyển bùn cát khác đà cho phép kết luận rằng: hàm vận chuyển bùn cát Enggelund Hansen thích hợp cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội Chính vậy, hàm đợc nghiên cứu sử dụng ®Ĩ tÝnh to¸n vËn chun bïn c¸t phơc vơ viƯc mô dự báo diễn biến đoạn sông nói nghiên cứu đề tài Lời cám ơn Nghiên cứu đợc hoàn thành với hỗ trợ kinh phí chơng trình Nghiên cứu Cơ - Hội đồng Khoa học Tự nhiên - Bộ Khoa học Công Nghệ (đề tài 740303, giai đoạn 2003-2005) Tác giả xin chân thành cảm ơn Tài liệu tham khảo Nguyễn Thị Nga, Kết bớc đầu tìm hiểu mô hình GSTARS2.1 ứng dụng môđun nớc vật mô hình tính trắc diện dọc mặt nớc đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội, Tạp chÝ Khoa häc §HQGHN, T.XX, Sè 3PT, 2004 Ngun Thị Nga, Trần Thục., Động lực học sông, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội, 2003 Trần Tuất cộng sự, Đặc trng hình thái lu vực sông Việt Nam, Viện Khí tợng Thủy văn, Hà Nội, 1985 Chih Ted Yang, Sediment Transport - Theory and Practice, McGraw - Hill Companies, Inc 1996 Chih Ted Yang and Francisco J.M.Sim⌡es, User's Manual for GSTARS2.1 (Generalized Stream Tube model for Alluvial River Simulation version 2.1), U.S Department of the Intertior - Bureau of Reclamation - Technical Service Center - Denver, Colorado December 2000 Ngun ThÞ Nga 78 VNU JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xXI, n03AP., 2005 Results of calculation and selection Sediment Transport Function, that suits best for Red river reach from Hoa binh to Hanoi applying GSTARS2.1 model Nguyen Thi Nga Department of Hydro-Meteorology & Oceanography College of Science, VNU This scientical article introduced results of calculation and selection Sediment Transport Function, that suits best for Red river reach from Hoabinh to Hanoi applying GSTARS2.1 model The results of sediment transport calculation according to 10 different Sediment Transport Functions with topographic data in 1992, hydrological and sediment data in 1993 applying GSTARS2.1 model show that: Sediment Transport Function of Engelund and Hansen suits best for Red river from Hoa binh to Hanoi Therefore, this Function is selected in caculation and prediction Red river bed changes in following study of this subject  ... tải vật liệu đáy cao ứng dụng mô hình GSTARS 2.1 tính toán lựa chọn hàm vận chuyển bùn cát thích hợp cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội Hồ Hòa Bình Hòa Bình Yên Bái Sông Thao m độ thô... khác đà cho phép kết luận rằng: hàm vận chuyển bùn cát Enggelund Hansen thích hợp cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội Chính vậy, hàm đợc nghiên cứu sử dụng để tính toán vận chuyển bùn cát phục... số 62 Sông Hồng lgCts = 5,165 0,153lg Sông Đuống Thợng Cát Hà Nội Hình 3.1 Sơ đồ tính đoạn sông nghiên cứu 3.1 Mô tả đoạn sông nghiên cứu Đoạn sông nghiên cứu gồm đoạn sông Đà từ Hoà Bình đến ngÃ