Phần II: Thuỷ động lực học dòng chảy sông ngòi 5 chương: Giới thiệu đặc điểm chế độ thuỷ lực và các bài tốn động lực học dịng chảy trong sơng; vấn đề mô phỏng thuỷ lực và tổng quan các m
1 Hỗ trợ tăng cờng lực cho Trờng Đại häc Thủ lỵi THỦY LỰC SƠNG NGỊI TẬP I CÁC NỘI DUNG LÝ THUYẾT GS.TS HÀ VĂN KHỐI – GS.TSKH NGUYỄN ÂN NIÊN – PGS.TS ĐỖ TẤT TÚC WRU/ SCB Hà nội, năm 2007 MC LC LI NểI U PHẦN 1: DIỄN TOÁN DỊNG CHẢY TRONG SƠNG CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Hệ thống sông 1.2 Các biến sơng bồi tích 1.3 Khái niệm hình thái sông 10 1.4 Đặc điểm dòng chảy sông 11 CÂU HỎI CHƯƠNG 22 CHƯƠNG 2: DIỄN TỐN DỊNG CHẢY TRONG SƠNG THEO MƠ HÌNH THƠNG SỐ TẬP TRUNG 23 2.1 Giới thiệu chung 23 2.2 Diễn tốn dịng chảy sơng theo mơ hình thơng số tập trung 26 CÂU HỎI CHƯƠNG 47 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THƠNG SỐ PHÂN BỐ 48 3.1 Mở đầu 48 3.2 Hệ phương trình Saint – Venant 48 3.3 Phân loại mô hình thơng số phân bố 51 3.4 Chuyển động sóng tốc độ truyền sóng 57 CÂU HỎI CHƯƠNG 61 CHƯƠNG 4: DIỄN TỐN DỊNG CHẢY THEO MƠ HÌNH SĨNG ĐỘNG HỌC 62 4.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 62 4.2 Giải tốn sóng động học phương pháp sai phan hữu hạn 65 CÂU HỎI CHƯƠNG 77 CHƯƠNG 5: DIỄN TỐN MƠ HÌNH SĨNG KHUẾCH TÁN 78 5.1 Mơ hình sóng khuếch tán 78 5.2 Diễn tốn dịng chảy tuyến tính kênh khơng có nhập lưu bên phép biến đổi Laplace 80 5.3 Diễn tốn dịng chảy tuyến tính có nhập lưu bên 84 5.4 Diễn tốn dịng chảy phi tuyến 84 CÂU HỎI CHƯƠNG 90 PHẦN 2: THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG 91 CHƯƠNG 6: MỞ ĐẦU 91 6.1 Chọn chiều toán [35] 91 6.2 Hỗn hợp toán 93 6.3 Hiệu ứng nhớt [26],[28] 94 6.4 Dòng chảy rối 96 CHƯƠNG 7: THIẾT LẬP BÀI TOÁN THỦY LỰC 99 7.1 Hệ phương trình vi phân tốn 99 7.2 Bài toán thuỷ lực chiều (1D)[31] 103 CÂU HỎI CHƯƠNG 116 CHƯƠNG 8: DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH 117 8.1 Dòng chảy ổn định [29],[35] 117 8.2 Dịng chảy ổn định khơng 126 CHƯƠNG 9: DỊNG KHƠNG ỔN ĐỊNH 142 9.1 Hệ số cản dịng khơng ổn định [19], [29] 142 9.2 Phương pháp số giải hệ phương trình Saint – Venant cho toán chiều [19][29],[30],[33] 143 9.3 Giới thiệu sơ đồ tính 151 9.4 Số liệu đầu vào [26],[29],[30] 162 9.5 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình 165 CHƯƠNG 10: DỊNG CHẢY TRONG KÊNH SƠNG CONG 167 10.1 Hệ phương trình [22],[24],[28] 167 10.2 Tốc độ ngang dịng chảy xoắn phát triển hồn tồn [22],[24],[28] 169 10.3 Bài tốn dịng chảy sông cong 174 BÀI TẬP PHẦN 177 PHẦN 3: VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ CHỈNH TRỊ SÔNG 184 CHƯƠNG 11: DÒNG CHẢY BÙN CÁT TRONG SÔNG 184 11.1 Nguồn gốc bùn cát sơng ngịi 184 11.2 Các đặc trưng bùn cát sơng ngịi [48][49] 184 11.3 Trạng thái chuyển động ban đầu bùn cát không cố kết 191 11.4 Thiết kế kênh dẫn ổn định 197 11.5 Lịng sơng độ nhám lịng sơng 204 CHƯƠNG 12: QUAN HỆ HÌNH THÁI – LƯU LƯỢNG 207 12.1 Phương pháp Engelund [46][49] 207 12.2 Phương pháp Van Rijn [46][49] 209 12.3 Phương pháp Karim-Kennedy [46][49] 210 CHƯƠNG 13: LƯU LƯỢNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT 212 13.1 Cơng thức tính suất chuyển cát đáy [46] [48][50] 212 13.2 Cơng thức tính sức tải cát lơ lửng [46][48][50] 216 13.3 Tổng lượng vận chuyển bùn cát 218 13.4 Mơ hình vận chuyển bùn cát [51] 219 CHƯƠNG 14: CHỈNH TRỊ SÔNG 224 14.1 Những yếu tố thủy lực sông 225 14.2 Xói tốn liên quan đến xói 229 14.3 Cơ sở phân tích đặc trưng hình học-thuỷ lực 235 14.4 Phân tích hình thái sơng 236 14.5 Đặc điểm phân loại cơng trình chỉnh trị sơng 237 14.6 Các nguyên tắc chung chỉnh trị sông 241 14.7 Công trình bảo vệ bờ 244 14.8 Đê bao 247 PHẦN 4: CHẤT LƯỢNG NƯỚC 249 CHƯƠNG 15: MỞ ĐẦU 249 15.1 Các chất hoà tan số nhiễm bẩn [12,22] 249 15.2 Phân loại tiêu chuẩn nguồn nước 253 15.3 Quá trình đối lưu (vận chuyển) trình phân tán [22,25] 253 CHƯƠNG 16: MƠ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC 258 16.1 Phương trình vi phân toán truyền chất chiều [22,27] 258 16.2 Miền xác định diều kiện bờ[12,25] 258 16.3 Phân tích đặc trưng toán[12,22] 259 16.4 Giới thiệu mơ hình tính 260 16.5 Xâm nhập mặn [12] 265 TÀI LIỆU THAM KHẢO 268 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình “Thuỷ lực sơng ngịi” biên soạn theo chương trình đào tạo cao học Ngành Thuỷ văn học, Chỉnh trị sông bờ biển Phát triển nguồn nước sử dụng làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu sinh thuộc lĩnh vực Nội dung giáo trình gồm 13 chương, chia thành phần với nội dung trình bày theo hướng tiếp cận phương pháp nghiên cứu đại giới thuỷ lực sơng ngịi Phần I: Diễn tốn dịng chảy sơng (5 chương): Trình bày đặc điểm dịng chảy sơng thiên nhiên vấn đề cần nghiên cứu thuỷ lực sơng ngịi; giới thiệu khái qt phương pháp diễn tốn dịng chảy sơng thiên nhiên; giới thiệu phương pháp diễn tốn theo mơ hình thơng số phân bố, mơ hình sóng động học, mơ hình sóng động lực mơ hình sóng khuếch tán Phần II: Thuỷ động lực học dịng chảy sơng ngịi (5 chương): Giới thiệu đặc điểm chế độ thuỷ lực tốn động lực học dịng chảy sơng; vấn đề mô thuỷ lực tổng quan mơ hình dịng chảy hở chiều, hai chiều ba chiều; giới thiệu phương pháp số giải tốn thuỷ lực dịng chảy hở hệ thống sơng phần mềm ứng dụng; trình bày đặc điểm chế độ thuỷ lực phương pháp tính thuỷ lực đoạn sông cong Phần III: Vận chuyển bùn cát chỉnh trị sông (4 chương): Giới thiệu đặc điểm chế độ bùn cát vận chuyển bùn cát sơng; vấn đề quan hệ hình thái sông; lưu lượng bùn cát phương pháp tính lưu lượng bùn cát; phưong pháp số tính vận chuyển bùn cát sông; biện pháp chỉnh trị sông vấn đề liên quan đến ổn định lịng dãn thiết kế kênh Phần IV: Mơ hình chất lượng nước (2 chương): Giới thiệu khái niệm chất lượng nước; phương pháp mô q trình truyền chất dịng chảy sơng; mơ hình chất lượng phương pháp số giải tốn truyền chất sơng Giáo trình PGS.TS Đỗ Tất Túc, GS.TSKH Nguyễn Ân Niên, GS TS Hà Văn Khối biên soạn GS.TS Hà Văn Khối biên soạn phần I; GS.TSKH Nguyễn Ân Niên biên soạn phần II phần IV; PGS.TS Đỗ Tất Túc biên soạn phần III Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học thuỷ lợi, dự án DANIDA hỗ trợ tạo điều kiện cho chúng tơi hồn thành tài liệu Cũng xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp đóng góp ý kiến nhận xét thảo chúng tơi Giáo trình “Thuỷ lực sơng ngịi” lần biên soạn Việt nam chắn có hạn chế định Rất mong người đọc đóng góp nhiều ý kiến để giáo trình có chất lượng cho lần xuất Các tác giả PHẦN 1: DIỄN TỐN DỊNG CHẢY TRONG SÔNG CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU Khai thác nguồn lợi sơng ngịi liên quan đến việc kiểm sốt sử dụng dịng sơng lợi ích lồi người Về nghĩa rộng, bao gồm chỉnh trị sơng, thiết kế kênh, kiểm sốt lũ, cấp nước, cải thiện giao thơng, thiết kế cơng trình thuỷ lợi, giảm thiệt hại, bảo vệ cải tạo môi trường Khi khai thác nguồn lợi sơng ngịi biện pháp cơng trình (như xây đập, kênh mương hố, phân dịng, xây dựng cầu, khai thác cát sỏi ), cần xem xét phản ứng sông ngịi xảy thời gian ngắn tồn thời gian dài, thay đổi chất kiểm soát sử dụng Đánh giá phản ứng sơng ngịi cần thiết cho giai đoạn quy hoạch thiết kế cơng trình Sử dụng nguyên tắc kỹ thuật công trình đánh giá chế độ diễn biến bùn cát sông yêu cầu bắt buộc việc phân tích điều kiện cụ thể cơng trình sông Nghiên cứu quy luật chuyển động dịng chảy lịng dẫn hở có dịng chảy sông thiên nhiên sở cho việc thiết kế, quy hoạch cơng trình thuỷ lợi kiểm soát lũ lụt Lịch sử phát triển kỹ thuật sơng ngịi có từ lâu Aicập sử dụng đập trữ nước sơng Nile sau phân phối nước qua kênh dẫn dòng Người Trung quốc biết sử dụng hệ thống đê chống lũ từ hàng nghìn năm trước Các đường ống cấp nước kênh nước xây dựng 3000 năm trước cơng ngun tìm thấy lưu vực sơng Indus Cống dẫn nước sử dụng từ thời La mã cổ đại, chuyển nước từ suối vào bể chứa Các cống có hình chữ nhật phù hợp với điều kiện tự nhiên địa hình độ dốc Lưu lượng dịng chảy cống thời xác định diện tích mặt cắt ngang mà khơng đề cập đến vận tốc hay độ dốc Việt nam kênh đào hình thành từ thời phong kiến, điển hình việc mở rộng sơng Đuống kênh Nhà Lê Tuy nhiên, tất ứng dụng thành cơng hầu hết dựa vào kết từ kinh nghiệm xây dựng cơng trình thuỷ lợi mà chưa có nghiên cứu lý thuyết cách Quy luật vận chuyển dòng chảy kênh hở nghiên cứu kỹ đặc biệt thực mơ hình thí nghiệm có tính phịng thí nghiệm Trong sơng thiên nhiên quy luật vận chuyển nước lòng dẫn phức tạp có khác biệt so với điều kiện lý tưởng, nghiên cứu dòng chảy hở tiếp tục nghiên cứu nhằm xác tính tốn thuỷ lực sông thiên nhiên Thuỷ lực kênh hở nghiên cứu tượng vật lý dịng chảy với mặt thống tự hình thành lực trọng trường Kênh hở tự nhiên bao gồm sông suối cửa sơng, kênh nhân tạo gồm đường cống nước mưa (khơng áp), nước thải, rãnh nước, kênh tưới kênh phân lũ ứng dụng thuỷ lực kênh hở việc thiết kế kênh nhân tạo tưới, tiêu, cấp nước vận chuyển chất thải; phân tích lũ sơng suối tự nhiên; mơ tả vùng ngập lụt đánh giá thiệt hại lũ lụt với tần suất gây Thuỷ lực kênh hở ứng dụng mô tả vận chuyển chất bao gồm bùn cát chất nhiễm, ngồi cịn ứng dụng việc dự báo ngập lụt vỡ đập hay lũ lụt bão Các vấn đề phức tạp giải dòng chảy kênh hở kết hợp lý thuyết thực nghiệm Các nguyên tắc thoả mãn phương trình liên tục, bảo tồn lượng cân mô men Nhưng thường phải sử dụng đến thí nghiệm để hồn thành vấn đề Người ta sử dụng kết hợp phương pháp hình học để mô tả mặt cắt phức tạp mô tả phương trình phi tuyến Phân tích dịng chảy không ổn định hay biến đổi vấn đề ngập lụt địi hỏi thời gian tính tốn dài may tính Ngày nay, với phát triển máy tính cá nhân trạm máy chuyên dụng cung cấp có hiệu linh hoạt giải vấn đề đơn giản đến phức tạp thuỷ lực kênh hở đặc biệt mạng sông có cấu trúc phức tạp Ở Việt nam lĩnh vực thuỷ lực sơng ngịi nghiên cứu nhiều năm nay, mơ hình tốn ứng dụng phát triển Một số mơ hình nhà khoa học Việt nam thiết lập, điển hình mơ hình VRSAP (1978) cố Giáo sư Nguyễn Như Kh, mơ hình KOD01 (1974) KOD02 (1985) GS Nguyễn Ân Niên số mơ hình khác Các mơ hình sử dụng rộng rãi thực tế sản xuất nước ta Các mơ hình nước ngồi mơ hình SOGREAH (1964) sử dụng nghiên cứu toán lũ tràn đồng Đồng Bằng Sông Cửu Long gần số mơ hình khác MIKE 11 (1996), MIKE Flood (2000) MIKE 21C sử dụng Điều cho thấy việc ứng dụng mơ hình diễn tốn dịng chảy hệ thống sơng quan trọng thực tế sản xuất nước ta, đặc biệt tốn kiểm sốt lũ đồng sơng Hồng đồng sơng Cửu Long Mục đích sách trình bày kỹ thuật mơ số đại giải vấn đề thuỷ lực kênh hở nhấn mạnh kết thí nghiệm ứng dụng chúng dòng chảy kênh hở Các vấn đề thay đổi hình thái sơng bồi lắng nghiên cứu Tóm lại, tập trung vào ứng dụng nguyên tắc học chất lỏng vấn đề dòng chảy kênh hở, giả thiết giới hạn mơ hình số giải Kết hợp lý thuyết, thực nghiệm kỹ thuật số áp dụng cung cấp kiến thức tổng hợp học chất lỏng đại Các mơ hình thuỷ văn thuỷ lực sử dụng diễn toán dịng chảy hệ thống sơng đề cập tài liệu Ngoài vấn đề động lực lịng sơng mơ hình truyền chất trinh bày tài liệu 1.1 Hệ thống sông Một sông nằm hệ thống sông, bao gồm khu vực tập trung nước hồ chứa hạ lưu, đại dương Schumm (1977, [8]) chia hệ thống sơng thành ba phần (xem hình 1-1): - Vùng thượng nguồn: phần lưu vực sinh thuỷ, hầu hết lượng nước sông bùn cát sinh vùng Các dòng suối nhỏ vùng có đặc điểm khơng ổn định Bởi kênh khơng ổn định, việc nghiên cứu hình thái dịng chảy thực cách tổng quát thường không nghiên cứu chi tiết Vùng 2: đoạn sơng có chế độ dịng chảy sơng ngịi ổn định Đối với sơng lớn chiều dài vùng tương đối lớn, nhập lưu khu vùng nhỏ Đây đoạn sơng quan tâm nghiên cứu, mơ hình hố mơ hình kiểm sốt thực Mặc dù ổn định tương đối, kênh sông, hệ thống động lực, thay đổi nhanh rõ rệt theo thời gian Vùng gần cửa sông: Đây đoạn sông bị ảnh hưởng thuỷ triều, cao trình đáy thường thay đổi, lịng dẫn biến động nhiều Các sơng vùng thường quanh có có nhiều đoạn có hình xoắn Vùng (Vùng sinh thuỷ) Vùng (Vùng chuyển tiếp) Vùng Vùng cửa sông (tam giác châu) Hình 1-1: Phân chia hệ thống sơng 1.2 Các biến sơng bồi tích Sơng bồi tích sơng tự hình thành tạo đáy bờ lịng dẫn q trình bồi đắp xói mịn phù sa vận chuyển giống tạo nên bờ đáy Sự hình thành phát triển hệ thống sơng ngịi phụ thuộc vào nhiều yếu tố mô tả tham số đặc trưng gọi “biến” Địa hình tự hình thành sơng bồi tích bao gồm nhiều biến Sự đa dạng biến làm cho hình thái sông chế sông chủ đề phức tạp thu hút ý nhiều nhà khoa học Bước khởi đầu nghiên cứu đầy đủ hình dạng sông thay đổi, biến mối quan hệ chúng liên quan đến q trình dịng chảy cần xác định rõ Các biến cho sông bồi tích phân loại thành biến độc lập biến phụ thuộc, nghĩa là, nguyên nhân kết Những biến bị áp đặt dựa sông nguồn biến độc lập biến kiểm sốt, biến cịn lại biến phụ thuộc Các biến bao gồm đặc điểm chất lỏng, đặc điểm bùn cát, đặc điểm hệ thống dòng chảy lưu lượng nước, lưu lượng bùn cát, chiều rộng kênh, độ sâu dịng chảy, vận tốc trung bình nước, bán kính thuỷ lực, độ dốc kênh hệ số ma sát Việc lựa chọn biến độc lập phụ thuộc cho hệ thống kênh hở tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu đặc điểm tượng nghiên cứu Bất kỳ biến lựa chọn biến độc lập Trong trường hợp sông không ảnh hưởng triều, cần thiết phân biệt quan điểm ngắn hạn dài hạn Schumn phân chia tỷ lệ thời gian theo loại sau: ổn định theo thời gian, thay đổi dần theo thời gian, thời gian địa chất, tương ứng với trường hợp ngắn hạn, dài hạn, dài hạn ổn định theo thời gian đo theo ngày, biến đổi dần theo thời gian hàng trăm năm, thời gian địa chất hàng triệu năm Độ dài khoảng thời gian biến đổi phụ thuộc vào lưu vực sơng có diện tích lớn hay nhỏ Các biến sông trạng thái chúng biến độc lập phụ thuộc suốt khoảng thời gian định Trong thời kỳ ngắn hạn, ổn định, khoảng thời gian, lưu lượng bùn cát biến phụ thuộc mơ tả hàm lưu tốc Quan hệ hàm số ám lưu tốc nguyên nhân lưu lượng bùn cát kết Điều thực xem xét diễn biên sông thời gian ngắn không trường hợp cân dài hạn lưu lượng nước dịng bùn cát xác định lưu vực biến độc lập dịng sơng Những đại lượng sinh đoạn sông từ thượng lưu sông nhánh Trong thời kỳ dài hạn, sông phải tự thiết lập trường lưu tốc, địa hình, độ dốc đặc điểm riêng khác để trì cân khả chuyển tải lượng dịng gia nhập sinh Vì thế, đặc điểm lưu tốc kênh (chiều rộng, chiều sâu, độ dốc) thiết lập để biến phụ thuộc Trong trình phát triển sông, tốc độ vận chuyển bùn cát xem biến phụ thuộc bùn thời kỳ ngắn hạn Tốc độ vận chuyển bùn cát định biến đổi lòng dẫn, thay đổi lòng dẫn dừng lại mà tốc độ vận chuyển tốc độ dòng chảy trạng thái cân Đối với thời kỳ biến đổi theo thời gian, thay đổi đáy bãi bồi, mái dốc vùng bãi, xem biến độc lập sơng thời gian hình thành thung lũng sơng dài nhiều hạn chế hình thành kênh sông Sự quan tâm người nghiên ổn định theo thời gian biến đổi dần theo thời gian Vì vậy, mái thung lũng nói chung chấp nhận số mục đích kỹ thuật thực tế Trong số lựa chọn đa dạng biến độc lập phụ thuộc, quan hệ chắn quan hệ khác không 10 Đối với thời kỳ dài, thời kỳ địa chất, khí hậu địa chất biến độc lập, lưu lượng, tải trọng, hình thái sơng, mái thung lũng biến phụ thuộc Một hệ thống sông xem quan điểm hệ thống sơng liên tục có thay đổi 1.3 Khái niệm hình thái sơng Hình thái sơng chủ đề gây thách thức lớn cho nhà khoa học Bất một tác động liên quan đến kỹ thuật sơng ngịi phải dựa hiểu biết đắn đặc điểm hình thái phản ứng tác động Một cách khái qt, hình thái tiếp cận theo quan điểm địa mạo, bao gồm chế độ lưu lượng hình thành kênh, mặt cắt dọc sông, phân loại kênh sơng, ngưỡng hình thái sơng, mặt cắt thuỷ lực, hình thức uốn khúc, phân tích địa mạo phản ứng sông tạo Cách tiếp cận phân tích số hình thái sơng ngịi dựa phân tích tính tốn thuỷ lực dịng chảy q trình vận chuyển bùn cát; trình bày phần tài liệu 1.3.1 Khái niệm cân Khái niệm cân bắt nguồn từ việc nghiên cứu sơng bồi tích ổn định, có đáy mềm bờ đất, khơng có xói khơng có lắng đọng bùn cát thời gian sử dụng hệ thống cơng trình cụ thể Một sơng bồi tích sử dụng cho tưới thường vận hành lưu lượng tương đối ổn định Sự cân thực sông thiên nhiên không đạt được, sông luôn tự điều chỉnh theo hướng Mackin định nghĩa thay đổi dần điều kiện trạng thái cân sơng ngịi, nhân tố tất yếu tự nhiên Sông biến đổi dần số đó, thời kỳ nhiều năm, mái dốc điều chỉnh để cung cấp lưu lượng địa hình kênh thích hợp, lưu tốc cần thiết việc chuyển tải nước bùn cát từ lưu vực sông Một sông biến đổi dần hệ thống trạng thái cân động lực, hay xác hơn, gọi hệ thống trạng thái bán cân Có thể nói cân lại sở cho việc thiết lập cân khác sơng ngịi 1.3.2 Lưu lượng tạo lịng Sự hình thành kênh sơng ngòi kết thay đổi lưu lượng liên tục, lưu lượng đầy bờ (ngang với bãi già) thường sử dụng để làm lưu lượng tạo lịng thay đổi hình học kênh Cách tiếp cận đơn giản điều chỉnh theo thực tế với lưu lượng nhỏ tải bùn cát hơn, đóng góp đến hình thành kênh Tương tự vậy, việc tăng lưu lượng mực nước đầy bờ dòng chảy chảy tràn bãi tràn rộng nói chúng ảnh hưởng đến hình dạng kênh William đưa phương trình hồi quy sau cho lưu lượng đầy bờ (lưu lượng tạo lòng) [8]: Q = 4.0 A1f 21 S 0.28 (1-1)