Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D vào tính toán dòng chảy trong sông và ven biển

TEN DE TÀI: NGHIEN CUU UNG DUNG MO HINH 3D VAO TINH TOAN DONG CHAY TRONG SONG VA VEN BIENNHIEM VU VA NOI DUNG: Luận văn nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D ECOMSED vào tính toán dong chảy va

NGUYÊN THU HÀ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH 3DVÀO TÍNH TOÁN DONG CHAY

TRONG SONG VA VEN BIEN

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 605840

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 12 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS HUYNH THANH SON

Cán bộ cham nhận xét Ï: cccccc c2 cs2

Cán bộ cham nhận xét 2: -.-c-cccc c2 c2 ss2

Luận văn thạc sĩ duoc bảo vệ tại Truong Đại học Bách Khoa, DHQG Tp.HCM

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA KTXD

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: NGUYEN THU HÀ MSHV: 11206018

Ngày, thang, năm sinh: 08/10/1988 Noi sinh: Binh Thuan

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 605840I TEN DE TÀI:

NGHIEN CUU UNG DUNG MO HINH 3D VAO TINH TOAN DONG CHAY

TRONG SONG VA VEN BIENNHIEM VU VA NOI DUNG:

Luận văn nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D ECOMSED vào tính toán dong chảy va

chuyến tải bùn cát trong sông Soài Rap, đoạn từ mũi Binh Khánh đến cửa sông SoàiRap để đánh giá tình hình biến đối lòng dẫn trên đoạn sông này

II NGÀY GIAO NHIỆM VU: 02/7/2012

Ill NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 22/11/2013

IV CÁN BO HƯỚNG DAN: PGS.TS HUỲNH THANH SON

Tp.HCM, ngày tháng năm 2013CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRUONG KHOA KTXD

Luận văn này được thực hiện trong ba học ki, đó là thời gian tôi mang thai,

sinh con và nuôi con nhỏ Vì vậy, tôi đã gặp rất nhiều khó khăn, trở ngại Đề hoàn

thành được luận văn, tôi đã nhận được rât nhiêu động viên và sự giúp đỡ.

Em xin chân thành cảm ơn thay Huynh Thanh Son, thay đã chon cho em mộtđề tài hay để em có thé học hỏi nhiều Thay đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn dé emcó thể hoàn thành luận văn Qua đó, em đã tích lũy được nhiều kiến thức và kinh

nghiệm.

Em xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Tài Nguyên Nước Cácthay cô đã tạo điều kiện rất nhiều cho em trong công việc cũng như trong quá trìnhlàm luận văn Em xin cảm ơn thay Lê Song Giang đã cho em sử dung phần mềmF28 để lây số liệu dùng cho luận văn Em xin cam ơn chi Võ Thi Tuyết Giang,người luôn hỏi thăm và động viên em, ủng hộ em rat nhiều về mặt tinh than

Em cũng xin cảm ơn các anh trong lớp cao học XDCTH2011 đã đồng hànhvà cho em những lời khuyên suốt thời gian qua

Con xin đặc biệt cảm ơn ba mẹ, những người đã hy sinh rất nhiều dé giúp đỡ

con Em xin cam ơn anh Trí đã cho em những lời khuyên va sự giúp đỡ đúng lúc.

Và cuối cùng, cảm ơn con gái tôi đã là nguồn động viên tinh thần to lớn để tôi hoàn

thành luận văn này.

Tp.HCM, ngày 11 thang 12 năm 2013

Nguyễn Thu Hà

và chuyền tải bùn cát trong sông Soài Rạp, đoạn từ mũi Bình Khánh đến cửa sôngSoài Rạp để đánh giá tình hình biến đổi lòng dẫn trên đoạn sông này Trong luậnvăn, mô hình thủy động lực học và bùn cát, sai phân hữu hạn ba chiều ECOMSEDđã được sử dụng Kết quả tính toán đã mô phỏng được chế độ dòng chảy bán nhậttriều và đánh giá được tình hình biến đối lòng dẫn trên sông Soài Rap.

ABSTRACT

The aims of this thesis were to applied research 3D model in calculatinghydrodynamics and sediment transport of Soai Rap river, from Binh Khanh cape toSoai Rap estuary, to access the river bed changing situation of this section In thisthesis, the three-dimensional, finite difference, hydrodynamics and sediment modelECOMSED was used The computational results simulated semidiurmal tide flowregime and assessed the river bed changing situation of Soai Rap river.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện

trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Huỳnh

CHƯƠNG 1: MO ĐẦU s° 2° s<ssseEEvxerreoteoorteoreorsreoreoretie 11.1 Đặt vẫn dé c1 HT H112 TT ng TT ng TH TH gi |

1.2 Mục đích của luận văn - - -Ăc << S11 11111 n1 và 3

1.3 Các nghiên cứu có liền qUaT - - << <1 113910101119 9 ng ke 3

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài NUGC - 5< + 1 01119905 1 9 ng 3

1.3.2 Các nghiên cứu trong THƯỚC SG ng ke 4

1.4 Phương pháp nghiÊn CỨU - (<< 19999901011 ng re 4

1.5 Các nội dung nghiên cứu của luận văn - «5 «s1 35s 4

2.2.5 Tọa độ theo phương đứng _ - << S SH, 14

2.2.6 Kỹ thuật phân tích trường tính toán (Mode Splitting Technique) 16

2.2.7 Chuyén đối hệ toa độ CONG TỰC ØĨO re 18

2.3 Module chuyền tải bùn cát ¿-¿- + 256 5222232323 EEEEEEEEEEEErrkrkrrrrrrree 20

2.3.6 Su tái lo lửng của bùn cát không dính - << sS s5 esssss 27

2.3.7 Sự lắng dong của bùn cát không dính +5 + + cs+c+cs+szsee: 30

2.3.8 Sự “cứng hóa” đáy của bùn cát không dính «<5 30

2.4 Phương pháp sai phần hữu hạn - 5 111119999 311 1 1k, 3l

2.4.1 Sai phân hữu hạn - - - 5G Ă S000 kh 31

2.4.2 Thông số hóa dưới lưới (subgrid scale parameterisation) - 322.4.3 Điều kiện Ổn định: - + xxx E311 E3 51118151 1 3 111112 1x ri 332.4 Cấu trúc mô hình - ¿+ ++++x+E+x£E+kEEEEEEkEEEEEEELEEEEErErkrtrkrrrkrrrkerked 34CHUONG 3: DIEU KIEN TỰ NHIÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 42

3.1 VỊ trí địa LY cọ nọ kh 42

3.2 Đặc điểm địa hình, địa mạO - St S 312v 31v SE 1g re: 433.3 Đặc điểm địa chất 4013000 443.4 Đặc điểm khí hau, khí tuong ccccccccccsescssssessesesessesesessssesessesesessesesesseseseeeeees 463.4.1 Chế độ mưa - E111 21 E9 139191 1 3 9111112113 111191 ng ng 463.4.2 Chế độ giÓ + - E1 S1 1 3 151151111 111511 111101 15110101 0115111101110 1d 463.5 Đặc điểm thủy văn, bùn cắt - 5c St E2 2E TT kg 46

3.5.1 Đặc điểm thủy Van w.eccccccccscscscscsesssscscscscscscscscscscscsesssssesscscacseesseenens 463.5.2 Chế độ thủy triều biển Đông . ¿ - 5-52 S222 2E+E2E2EEEEEcEeEererkrered 473.5.3 Đặc điểm bùn Cat c1 1111 11T g1 ng ng 48

CHƯƠNG 4: UNG DUNG MÔ HÌNH ECOMSED DE TÍNH TOÁN DONGCHAY DOAN SÔNG SOÀI RA P 2< 5 5° 5 5s 2 se 9s sessEsseesesse 50

4.1 Lưới tính toán . -¿- 52 St SE 1E E1 1511 111515111115 111111111111 1111111 50

4.2 Dữ liệu đầu vào cho module Thuy động lực học - «55555 <<<<<<<<2 514.2.1 Thông số thủy động lực học weseeececccsesessssessssssssesessscssssesesssssesesesseeseees 514.2.2 Điều kiện ban đầu voce ccescssesescesescesecscscecsseevevscececesvevecscececsevavacaceeeeveves 524.2.3 Điều kiện biÊn - -G- Gv S9 511121 1E 91919151 1E 11111 11 111111 ri 524.3 Kiểm nghiệm, hiệu chỉnh và phân tích độ nhạy mô hình thủy động lực học 55

4.3.1 Hiệu chỉnh mực nƯỚC 25555 {333311111 1111111151111 111 153 e5 55

4.3.2 Hiệu chỉnh vận tốc trung bình - c0 ng 3 57

4.3.3 Phân tích độ nhạy của mô hình - - << «55+ ksssssseeeeeree 58

4.4 Kết quả tính toán thủy động lực hỌC - «c1 S9 1 ng 604.4.1 Vận tốc tại tầng mặt và tầng AY 0 614.4.2 Vận tốc phân b6 theo độ sâu + ¿2E + S2 SE+E£E2ESEEEErErrrrrrees 644.4.3 Ứng suất ma sát đáy 5-5: St tt 21112 121111111111111 112110111 rre 664.4.4 Hệ số nhớt rối theo phương ngang và hệ số nhớt rối theo phương đứng 670.1: 0 G7

CHƯƠNG 5: UNG DỤNG MÔ HÌNH ECOMSED DE TÍNH TOÁN CHUYEN

TAI BUN CAT TRONG DOAN SONG SOÀI RẠP 2 5 55s <<<s 695.1 Dữ liệu đầu vào của module chuyền tải bùn cát -. - 2 5 55ccccsc<c 69

5.1.1 Day bùn Cất - - << Họ 69

5.1.2 Buin cát lơ ÏỨng - - << s 00.0 ng 70

5.2 Kết qua tính toán chuyền tải bùn cát lơ lửng ¿5+2 s+s+scscse2 715.2.1 Nong độ bùn cát lơ lửng theo phương ngang và phương đứng 7]5.2.2 Sự thay đổi cao trình đáy bùn cát 55c 5c Set tErrkekrrerrrred 73S5 ceccccccecescssecscecesesssvscscecesssvscscscecescevacscecesevavacacecseavacaceceseevaceeeavaves 74

CHƯƠNG 6: KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, 5- 5 5 s2 5 sessssesss 75

18 ccccecescccssecececessscscscecesssvsvscscecsscevacsceceesevavacacecsecavacacecesevaceeeeeaves 756.1.1 Kết quả đạt được trong luận văn - - - <5 5 5S 11 ve ke 756.1.2 Những hạn chế của luận Văï - se EESE E2 ESESESESESvEeEskrkekreesed 756.1.3 Ưu và nhược điểm của mô hình ECOMSEI s55 cscscss¿ 766.2 Kiến nghị - ¿52562621 19 E1 1 15151515 11111115 1111111151101 11 10101011101 re 77

TÀI LIEU THAM KHAO - 5< 5° s° se se se s2 se sessessse 78

Hình 3.2: VỊ trí địa lý khu vực nghiÊn CỨU - 5G G1 1 1 ree 43

Hình 3.3: Dia hình đoạn sông Soài Rạp Gv kg 44

Hình 3.4: Địa chat doc theo tuyến luông Soài Rap tháng 6/2004 - 45

Hình 3.5: Mực nước thực do tại trạm Vũng Tàu 7c cĂssreersss 48

Hình 3.6: Đường cong cấp phối hạt bùn cát đáy - ¿555cc sscesecezesrsred 49Hình 4.1: Lưới tinh toán và độ sâu tính toán bằng phan mém Seagrid 51

Hình 4.2: Lưu lượng sông Soai Rap gan tai biên thượng lưu 52

Hình 4.3: Lưu lượng sông Vam Co gan tại vi trí hợp lưu với sông Vam Co 53

Hình 4.4: Mực nước trạm Vũng Tàu từ 1/1/2008 đến 21/1/2008 :-5-«: 53Hình 4.5: Điều kiện biên tính toán và các vị trí phân tích kết quả -. - 54Hình 4.6: Kết quả mồ phỏng mực nước (vi trí 1) và mực nước thực do tại trạm Nha Bè

Hình 4.7: So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực do tại trạm Nhà Bè 56Hình 4.8: Kết quả mô phỏng vận tốc trung bình theo độ sâu tại vi trí thượng lưu (1), hạ

lưu (3) và vị trí hợp lưu với sông Vàm Có (2) - S9 1v gưy 57

Hình 4.9: Kết quả mực nước thượng lưu (vị tri 1) khi thay đối chiều cao nhám đáy z,

Hình 4.10: Kết quả vận tốc trung bình theo độ sâu tại vi trí thượng lưu (vi trí 1) khithay đôi chiều cao nhám đấy Z, ¿ - - + +52 E SE SE 11151112111 715111 1111111 59Hình 4.11: Kết quả mực nước thượng lưu (vi trí 1) khi thay đổi hệ số xáo trộn rối theo

Hình 4.12: Kết quả vận tốc trung bình tại thượng lưu (vi trí 1) theo độ sâu khi thay đôihệ số xáo trộn rối theo phương ngang ¿+ - + 2+2 E+E2EEE£E£EESEEEEErErrrerreee 60Hình 4.13: Kết quả vận tốc theo phương ngang tại tầng mặt (a) và tầng đáy (b) lúc triềuxuống (Ñ GIO SấnB) - c1 tt St T1 121121 01211111111 1111111111 T111T1 1111011111 de 61Hinh 4.14: Két qua van tốc theo phuong ngang tai tang mat (a) va tang day (b) lúc triéulên (4 giờ chiỀU) 5-52 S21 1 E5 1 1 111515151111 1111115 111111101111 11 0110101010111 y0 62Hình 4.15: Kết quả vận tốc theo phương ngang tại tầng mặt (a) và tầng đáy (b)lúc triều trung bình (12 gid tƯA) ¿5-26 25% 2E+E£EE‡E#EEEEEESEEEEEEekrrkrkerrkrrerrred 63Hình 4.16: Kết quả profile vận tốc theo phương ngang phân bố theo độ sâutại đoạn sông cong và đoạn sông thắng lúc triều lên (lúc 4 giờ chiều) 64

Hình 4.17: Kết quả phân bố vận tốc theo độ sâu dọc theo trục dòng chảy khi triềuxuống (Ñ GIO SấnB) - c1 tt St T1 121121 01211111111 1111111111 T111T1 1111011111 de 65Hình 4.18: Kết quả tính ứng suất ma sát đáy tại mặt cắt lòng sông tương quan với độ

sâu nước và vận tôc tại tâng ấy HH ng 66

Hình 4.19: Kết qua hệ số nhớt rồi theo phương ngang va hệ số nhớt rối theo phươngđứng tại vị trí 6 (hình 4.5) lúc 4 giờ ChiỀU + Se ke SE SE SE EESEsEEersksereed 67Hình 5.1: Kết quả nồng độ bùn cát lơ lửng (mg/l) tại tang đáy lúc (a) 8 giờ sáng: (b) 12giờ trưa; (c) 4 giờ chiều sau 10 ngày mô phỏng ¿55+ 255cc cs+ssescs2 7]Hình 5.2: Kết quả phân bố nông độ bùn cát lơ lửng theo độ sâu - 72Hình 5.3: Kết quả sự thay đổi cao trình đáy bùn cát (mm) sau (a) 10 ngày - (b) 20 ngày

DANH SÁCH BANG

Bang 2.1: Các thành phần cau trúc mô hình - ¿2-5 2 5552 +s+£+£ezezx+zszs2 40

1.1 Đặt van đề

Tu xa xưa, con người đã biệt khai thác những ưu diém của sông ngòi đê phục vucho đời sông va phát triên xã hội Trên thê giới, hau như thành phô nào cũng được xâydựng dọc theo sông: sông ngòi là nguôn cung cap nước cho sinh hoạt, công nghiệp,nồng nghiệp, giao thông thủy, v.v

TP Hồ Chí Minh (TPHCM) cũng không phải là ngoại lệ: được xây dựng dọc theosông Sài Gòn Với dân số khoảng hơn 8 triệu người, đông dân nhất Việt Nam, TPHCMlà trung tâm kinh tế, khoa học, kỹ thuật của cả nước, là một đầu mỗi giao lưu quốc tế.Trong những yếu tố tạo nên sự tăng trưởng cao nhất nước của TPHCM, không thékhông kế đến nguồn lợi từ việc xây dựng và khai thác hệ thống cảng đường thủy Hệthống nay đã và đang giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và xã hội củaVùng kinh tế động lực phía nam nói chung và khu vực TPHCM nói riêng Với vai tròcủa mình, hệ thống cảng TPHCM không chỉ phục vụ cho xuất nhập khẩu mà cònhướng mạnh vào kinh tế đối ngoại, phục vụ cho mở cửa và chuyển dịch cơ câu kinh tế

đề sớm hoàn nhập với các nước trong khu vực.

Theo định hướng phát triển không gian đô thị Tp.HCM, cùng với hướng phát triểnThành phố theo hướng Đông Bắc, hướng phát triển mới của Thành phố sẽ tiếp tục vềphía Nam xuôi dòng ra biển Đông và hình thành khu Cảng Hiệp Phước trên sông Soài

Rạp Cùng với khu cảng là một khu đô thị công nghiệp Cảng quy mô sẽ được xây dựngtại đây, khu đô thị cảng Hiệp Phước được quy hoạch với cụm cảng hàng hải phục vụ

vận chuyền hàng hóa cho TPHCM và khu vực lân cận; các cụm công nghiệp bao gồmcác ngành công nghiệp nặng như cơ khí và vận tải thủy, hàng hải, công nghiệp hóa dầu

và năng lượng các khu dịch vụ cảng và dịch vụ hàng hải và các cụm dân cư.

Tuyến luỗng cho tàu ra vào cụm cảng Thành phố Hỗ Chí Minh hiện nay chủ yếu vẫn là

luông song Lòng Tàu, trên luỗông hiện tại có nhiêu khúc cong có bán kính nhỏ khó có

cảng thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian tới cũng như xu hướng phát triển đội tàuvận tải, tuyến tuéng Lòng Tàu sẽ không đáp ứng được yêu cau vận tải cũng như baođảm điều kiện an toàn hàng hải Vì vậy, việc nghiên cứu mở tuyến luéng tàu qua cửaSoài Rạp để đảm bảo an toàn lưu thông cũng như đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật

tiêp nhận đội tàu vận tải trọng tải lớn là hêt sức cần thiệt và tât yêu.

Luông Soài Rap, tinh từ mũi Bình Khánh ra đến biến với chiều dài khoảng 65 km, cóưu điềm là rất rộng, ít các khúc cong hoặc các khúc cong đều có bản kính lớn, chiềudài hành hải từ cửa biển vào đến cụm cảng Thành phố Hỗ Chí Minh lại ngăn hơn rấtnhiều so với luéng Lòng Tàu Nếu được nghiên cứu cải tạo thì sẽ là một tuyến luồngrat tốt cho tau trọng tải lớn ra vào cụm cảng Thành phố H6 Chí Minh

Đê giúp cho công tác nạo vét cải tạo có hiệu quả, một trong những việc cần làm lànghiên cứu chê độ dòng chảy và chuyên tải bun cát trong sông Việc nghiên cứu này có

thê được thực hiện kết hợp giữa đo đạc thực tế và sử dụng mồ hình toán SỐ.Ngày nay với sự phát triển của khoa học máy tính, nhiều mô hình toán ra đời tạođiều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu chế độ dòng chảy và chuyền tải bùn cát ở sôngva vùng ven biến Một số phần mém đang được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu vàứng dụng thực tiễn bao gom m6 hinh mét chiéu (Mike 11, Sobek, Hec-Ras ), haichiều (Telemac 2D, Mike 21, RMA2 ), ba chiều (Telemac 3D, H3D, ECOMSED ).Trong đó mô hình một chiều (1D) xem xét sự thay đổi các thông SỐ dong chảy chi dọctheo chiều dòng chảy Mô hình hai chiều (2D) tính tới cả sự thay đổi theo phươngngang (phương vuông góc với chiêu dòng chảy) Còn mô hình ba chiều (3D) xét đến casự thay đối theo chiều sâu tức là xét đến sự biến đổi theo cả ba chiêu không gian Hiệnnay, tùy theo dữ liệu có sẵn và mức độ yêu câu, người ta thường giải các bài toán 1D,2D bang các phần mềm 1D, 2D tương ứng Tuy nhiên khi cần biết nhiễu thông tin hơn

va cau trúc dòng chảy thì mô hình 3D vân có ưu diém là mô hình gân đúng với thực tê

cao độ chính xác là cân thiệt.

1.2 Mục đích của luận văn

Mục đích của luận văn là nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D ECOMSED vào tính

toán dòng chảy và chuyền tải bùn cát trong sông Soài Rạp, đoạn từ mũi Binh Khánhđến cửa sông Soai Rạp dé đánh giá tình hình biến đổi lòng dẫn trên đoạn sông này

13 Cac nghiên cứu có liên quan

Việc sử dụng mô hình toán số 3D vào nghiên cứu dòng chảy trong sông và vùngven biển đã được nhiều nhà khoa học quan tâm Sau đây là một sỐ nghiên cứu tiêubiểu

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

1 Fitri Riandini và Takao Yamashita [6] đã nghiên cứu mô hình ECOMSED vềthủy động lực học và chuyền tải bùn cát Ngoài ra các tác giả đã giới thiệu và thêm vàomô hình ECOMSED một mô hình về sự kết bông của bùn cát dính và sự cô kết của đáy

bùn.

2 Michael Harnett và các cộng sự [7] đã sử dụng mô hình ECOMSED để dự đoánchuyển tải bùn cát ở vùng biển Ai Len, từ đó chứng minh rang mô hình chuyến tai bùncát có thé kết nỗi với mô hình thủy động lực học của vùng biến Ai Len

3 Muluneh Admass và các cộng sự [8] đã sử dụng mô hình ECOMSED và mô

hình SWAT để tính toán nhiều trường hợp lưu lượng và chuyền tải bùn cát trong khối

nước và đường phân thủy.

4 Hendra Achiari và các cộng sự [3] đã sử dụng mô hình 3D đối với bùn cát dínhcho trường hợp Cửa sông Ciasem và thêm ứng dụng truyền sóng vào mô hình Từ đó

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

1 Huỳnh Thanh Sơn [12] đã giới thiệu và ứng dụng một mô hình toán số kết hợptính dong chảy trong sông và vùng ven biển

2 Lê Song Giang, Lê Mạnh Hùng [13] đã phát triển mô hình số ba chiều tính toándòng chảy và vận tải bùn cát trong sông bang phương pháp thé tích hữu han Mô hìnhđược áp dụng nghiên cứu biến hình lòng sông Vàm Nao ở đồng bằng sông Cửu Long

3 Nguyễn Thị Bảy và Mạch Quỳnh Trang [14] đã phát triển mô hình toán tínhchuyển tải bùn cát kết dính vùng ven biến Từ đó, tác giả đã áp dụng mô hình để tínhtoán và mô phỏng dòng bùn cát vùng biến Cần Giờ

4 Hoàng Văn Huân và các cộng sự [9] trong đề tài nghiên cứu cấp nhà nước vềnghiên cứu dé xuất các giải pháp khoa học công nghệ để ổn định lòng dẫn hạ du hệthống sông Đông Nai — Sài Gòn phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Đông Nam Bộđã nghiên cứu chế độ thủy lực, biến hình lòng dan ha du hệ thống sông Đồng Nai — SàiGon, trong đó có đoạn sông Soài Rạp Từ đó tác giả đã đưa ra các biện pháp dé 6n định

lòng dẫn khu vực này

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp được sử dụng chính trong luận văn là toán số thông qua một phầnmềm mã ngu6n mở có sẵn, kết hợp với việc thu thập, phân tích và tong hợp các dữ liệuđo đạc thực tế có sẵn đề kiểm định và hiệu chỉnh mô hình

15 Các nội dung nghiên cứu cua luận văn

- Cơ sở lý thuyết của mô hình ECOMSED

- Thu nghiệm mồ hình với một sô bài toán đơn giản.

- Ung dung mo hinh dé mô phong chế độ thủy động lực học khu vực nghiên cứu.- Hiệu chỉnh, phân tích, đánh giá kết quả thủy động lực học.

- Ứng dụng mô hình để mô phỏng sự chuyền tải bùn cát khu vực nghiên cứu.- Hiéu chỉnh, phân tích và đánh giá kết quả chuyên tải bùn cát

1.6 Pham vi nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng mồ hình ECOMSED vào tính toán dòng

chảy và chuyền tải bùn cát trong sông Soài Rạp, đoạn từ mũi Bình Khánh đến cửa sôngSoài Rạp, với chiêu dài khoảng 40 km

1.7 Cau trúc luận văn

Nội dung nghiên cứu của luận văn được trình bày trong 6 chương:

(i) — Chương 1: Mở dau(ii) Chương 2: Cơ sở lý thuyết của mô hình ECOMSED(ii) Chương 3: Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu(iv) Chương 4: Ứng dụng mô hình Ecomsed dé tính toán dòng chảy đoạn sông

2.1 Giới thiệu

Mô hình ECOMSED đã được phát triển từ giữa thập niên 1980 với mô hình tiền

thân là Princeton Ocean Model (Blumberg va Mellor, 1987) và phiên bản ECOM dùng

cho môi trường nước nông trong sông, vịnh, cửa sông, vùng ven biển, hỗ chứa tự nhiênvà nhân tao (Blumberg, 1996) Từ giữa thập niên 1990, bài toán chuyển tải bùn cátdính và không dính, bồi lăng và cô kết, được kết hợp vào ECOM để cho ra mô hình

ECOMSED (Estuarine, Coastal and Ocean Modeling System with Sediments) Đây là

một chương trình mã nguồn mở viết băng ngôn ngữ Fortran của tổ chức HydroQual —

Hoa Ky ECOMSED sử dụng hệ tọa độ cong trực giao theo phương ngang và hệ tọa độ

Sigma theo phương đứng, dùng phương pháp sai phân hữu hạn để giải các phương

trình cơ bản.

Mô hình được xây dựng để mô phỏng sự phân bố theo thời gian của mực nước, dòngchảy, nhiệt độ độ mặn, chat chỉ thị, bùn cát dính - không dính, sóng biển va chất lượngnước Mô hình ECOMSED hoàn chỉnh gồm nhiều module Đó là module thủy độnglực hoc, module chuyên tải bùn cát, module sóng do gió, module dòng nhiệt, moduleđường đi của hạt và module chất lượng nước Các chương trình con của mô hình làmviệc liên kết với nhau, dữ liệu đầu ra của chương trình này là dữ liệu đầu vào củachương trình kia Hình 2.1 trình bay sơ đồ khối của mô hình ECOMSED

Hiệu quả của mô hình đã được đánh giá rất cao qua một SỐ lượng lớn các thửnghiệm và nhiều ứng dụng trong thực tế Đã có hơn 350 bài báo được viết từ nhữngứng dụng của ECOMSED ECOMSED đã được chứng minh qua nhiều năm là mạnh

mẽ và đáng tin cậy.

Trong khuôn khổ luận văn này, chỉ hai module thủy động lực và chuyển tải bùn

cát được trình bày.

e Bức xạ sóngngăn e Bốc hoie DO âm tương đôi s Ap suât khí quyên

Ỷ

Module Thông lượng nhiệt

Ỷ

e Buc xa mặt trờie Bức xạ khí quyéne Thông lượng nhiệt cảm nhậne Thông lượng nhiệt bay hơi

A

e Toa độ lướie Dong chaye Khuéch tán

e Miền vận chuyển se Khối lượng

e Nhiệt độ, độ man Carbon

chất e Các thông số chất

lượng nước kháce Khôi

e Chat min

e Độ kiém, pH

e Nông độ bùn cát lơ lửng

e Khối lượng lắng/xói

e Sự thay đổi cao trình đáy

e Gide Mực nước

1

||||||||||

Module Song !

|||||||||||

với một mô hình rối khép kín để cung cấp các thông số thực tế của quá trình xáo trộntheo phương đứng Các biến tính toán là ba thành phần của vận tốc, nhiệt độ, độ mặn,động năng rỗi, và rỗi kích thước lớn (turbulence macroscale) Các phương trình độnglượng là phi tuyến có kết hợp với thông số Coriolis Các phương trình tính toán dự báonhiệt động lực học, nhiệt độ và độ mặn có kế đến sự thay đối của khối nước do hiệntượng nước trồi/nước sụt doc bờ biển theo thời gian cũng như quá trình đối lưu theophương ngang của dòng chảy Cao trình mặt thoáng, thủy triều và sóng bão cũng có thé

được mô phỏng dự báo Đó là nhờ mồ hình sử dụng kỹ thuật phân tích trường tính toán

(Mode Splitting Technique), trong đó sự chuyền tải thé tích và vận tốc cắt theo phươngđứng được giải riêng biệt Các biến tính toán khác bao gồm khối lượng riêng độ nhớtrồi và khuếch tán rối theo phương đứng Module cũng xét đến địa hình đáy và hình

2.2.1 Hệ phương trình thủy động lực hoc

Các phương trình cơ bản gồm vận tốc và cao độ mặt thoáng Hai phép xấp xiđược sử dụng là giả thiết thủy tĩnh (trọng lượng chất lỏng cân băng với áp suất) và xấpxi Boussinesq (khối lượng riêng không đổi)

Xem xét một hệ tọa độ Descartes vuông góc với chiều dương trục x theo hướngđông chiều dương trục y theo hướng bắc, và chiều dương trục z hướng lên Mặt thoáng

Phương trình liên tục:

= awV.V+ Pu 0 (2.1)

Phương trình động lượng Reynolds:

Những chuyên động xoáy rôi có kích thước nhỏ hơn kích thước lưới sẽ tích tụnăng lượng rôi và sinh ra su mat cân băng năng lượng trong dòng chảy, dân dén mat ônđịnh của lời giải sô Điều này có thê được loại bỏ nhờ các sô hạng Fx, Fy trong các

phương trình (2.2) và (2.3) Các số hạng này được viết như sau:

8 Ị 8U 8 Ị OU OV \]

= 2 |24y | +2 [Âm (= + ¬) (2.6a)

8 Ị ov | 8 Ị OU OV \]

B= 2 [2au 2] +2 [An (2 + ~) (2.6b)

trong đó F¿ và Fy là không đổi với sự xoay hệ trục tọa độ Ay và Ay là các hệ SỐkhuếch tán rối theo phương ngang.

2.2.2 Mô hình rồiCác phương trình chủ đạo chứa các ứng suất Reynolds và các thông lượng kế đếnsự khuếch tán rối của động lượng, nhiệt và độ mặn Hệ số xáo trộn theo phương đứng,Ky và Ky trong phương trình (2.2), (2.3) tim được nhờ việc sử dụng sơ đồ khép kín rốibậc hai bao gồm một phương trình tính động năng rối q /2 và một phương trình tinhkích thước rồi quy mô lớn Ê như sau:

Những hàm số ôn định (stability functions) Sy, Sy được xác định bang giai tich,theo các quan hệ đại số độc lập với ôU/ôz OV/6z, gp;1, ôp/ôz q va C:

BỊ "/3~3AAa6n|(B.~342)(1—%2)~3Œi(Ba+6Ai)]|A— BỊ

Su = [1-3A2Gy (6A, +B2)|(1-9A1A2Gy) (2.12)

Các hệ số kinh nghiệm theo Mellor và Yamada (1982) lần lượt là:

_~ n1 „ y?1 „ ?1

W=U; +V? +S (2.16d)

trong đó (Tox, Toy) là vecto ứng suat gió bê mặt với van toc ma sat u,, là độ lớn cua

vecto Gia tri BY Bia một hằng số kinh nghiệm xuất phát từ các quan hệ rối.

Tại biên đáy có các điêu kiện:

gUŨ 9V

poKu (=.=) = (ie, Tuy) (2.17a)

q? = Be U2, (2.17b)q?t = 0 (2.17€)

gH gHW,y = ~Uy2—— Vn (2.174)

trong đó H(x,y) là cao độ địa hình đáy và u„; là vận tốc ma sát liên kết với các ứng suất

ma sát đây (rpx, Thy ) Ứng suất đáy được xác định nhờ kết hợp vận tốc theo quy luật

logarith của thành ran:Ty = p,Cp]|V,|Ÿ, (2.18)với hệ số lực cản Cp được xác định như sau:

1 In(H+zp) —2

K Zo

Cy = | (2.19a)

trong đó zp và Vỹ là diém lưới và van toc tương ứng với diém lưới gân nhat với đáy, «

là hang số von Karman Kết hợp (2.18) và (2.19a) với thông số rối Ky cho biểu thức:

V = ( tb )m ca (2.19b)

ÐKtUtrp Zo

trong lớp biên dưới thấp nếu lưới có đủ độ phân giải Trong trường hợp lớp biên đáykhông có độ phân giải tốt thì nên chon Cp = 0.0025 Thuật toán thực tế là gan Cp giá trilớn hơn trong hai giá trị ở biểu thức (2.19a) va 0.0025 Thông số z, phụ thuộc vào độnhám day tại chỗ, nếu không có số liệu cụ thé thì lây Z) = 1 cm (Weatherly va Martin

1978).

2.2.4 Điều kiện biên hở (Điều kiện biên mực nước)Khi phát triển module dòng chảy biển, cần cung cấp những điều kiện biên hở chophép năng lượng sóng dài (như thủy triều) truyền vào biên hở cũng như năng lượngsóng dài phát ra từ bên trong miễn tính toán Có một số loại điều kiện biên có thể được

dùng cho mục đích này.

2.2.4.1 Điều kiện biên chặt

Trong loại điêu kiện biên này, mô hình sử dụng mực nước dọc theo các lưới biênmà người sử dung gan từ các dữ liệu quan trac hoặc triêu điêu hòa Tuy nhiên điêu kiệnbiên loại nay khá cứng nhac và không cho phép năng lượng sóng dài (triệu hoặc sóngdo bão) vào hay ra khỏi khu vực nghiên cứu.

2.2.4 2 Điều kiện biên Reid và Bodine nghịch daoĐối với sóng dài tán xạ khắp các biên, mô hình ECOMSED sử dụng điều kiệnbiên được phát triển bởi Reid và Bodine (1968) Điều kiện này có dạng:

N= +Äc¿u„[g/D]Ị'1⁄ (2.20)

với rị là mực nước biến ở biên hở, rịo là sự biến đối mực nước biến tần số thấp haytriều đã biết, un là thành phan vận tốc thang góc với biên hở do mô hình dự báo, g làgia tốc trọng trường, D là độ sâu tai ô lưới Nhân tử LaGrange A, được tính toán ở mỗibước thời gian cho phép cải tiến mực nước biến do sự tán xạ sóng dài Đối với điều

kiện biên Reid va Bodine nghịch đảo, A, = 1.

2.2.4.3 Điều kiện biên chặt toi uu hóa (Shulman (1995) và Sulman & Lewis (1994))Điều kiện biên chặt tối ưu hóa có thé được định nghĩa bởi biểu thức (2.20) Trongđó nhân tử LaGrange được tính theo thời gian dựa vào việc giải bài toán tối ưu hóanhằm giảm thiểu sai số giữa giá trị tính toán của mô hình và giá trị biên tham khảodưới những ràng buộc nhất định trên biên hở Những ràng buộc này là năng lượng,động lượng và thông lượng khối ở biên

2.2.5 Tọa độ theo phương đứng

Hệ tọa độ thông thường x, y, z thường được xem là bất lợi đối với những vùng cócao độ chênh lệch lớn Vì vậy mô hình ECOMSED sử dụng một hệ thống tọa độ mớigôm những biến độc lập có thé chuyển đổi cả bề mặt và đáy thành những bề mặt tọa độ

[Phillips, 1957] được gọi là hé toa độ sigma (hình 2.2).

Khi đặt D = H + n và áp dung qui tắc đạo hàm của ham hợp, nhận được những

quan hệ liên kêt các đạo hàm trong hệ tọa độ cũ và hệ tọa độ mới như sau:

trong đó G là một đại lượng bat kỳ, o thay đối từ o = 0 tại z = rị đến ø = -l tại z=-H.Một vận tốc theo phương đứng mới được xác định theo biểu thức:

= Wn — Uø22 + yg 48 + 1 (oe 4 4)

w = Wn —UØ1 +0 Vo +o (onto (2.23)

sẽ chuyên đổi các điều kiện biên (2.16d) va (2.17d) trở thành:

w(x*,y*,0,t*) = 0 (2.24a)@(X”,y”,—1,t”) =0 (2.24b)

Tuong tu, bat ki dai lượng nao được tích phan theo phương đứng, ví du G, trở

thành:

ữ = Ƒ ,Gdø (2.25)Các phương trình (2.1), (2.2), (2.3), (2.7), (2.8) được viết lại như sau (các dấu *được bỏ đi để thuận tiện cho cách viết):

on dUD VDot Ox Oy 4 = =0 (226)

8UD, 0U2D , aUVD ôU@+ + + —fVD+gD môn

= 2 (SB) _ g0 [9 pay 4, 2290 [9 20

=2(4 0a Po x Io pdo + ax J, 05 do + DF, (2.27)

0VD @UVD _ aVv2D+ +

ot Ox Oy

OVw on

+ pm + fUD + gDe

= 2 (Kua) _ 90? 2p pag 4 90.20 0 5

ô4ˆÐ , ôU4ˆD „ aVa'D „ Gwa? _ 9 (= =)

ôt ax ôy do da0\D ado

2.2.6 Kỹ thuật phan tích trường tính toán (Mode Splitting Technique)

Các phương trình chi phối dòng chảy ven biến, cửa sông, chứa sự truyền củasóng trọng lực bên ngoài (external gravity waves) di chuyển nhanh và sóng trọng lựcbên trong (internal gravity waves) di chuyển chậm Dé tiết kiệm thời gian tính, thường

tách các phương trình tích phân theo phương đứng (/rưởng trung bình, external mode)

ra khỏi các phương trình tính cấu trúc theo phương đứng (#ường sai biệt hay trường

du, internal mode) Kỹ thuật này, được gọi là kỹ thuật phân tích trường tính toán(Simons, 1974; Madala và Piacsek, 1977) cho phép tính toán cao độ mặt nước ma

không tiêu tốn nhiều thời gian nhờ việc giải riêng rẽ trường trung bình và trường dư

nói trên.

Các phương trình trường trung bình nhận được nhờ tích phân các phương trình

trường dư trên toàn bộ chiều sâu, do đó khử được tất cả các cấu trúc theo phương đứng.Bang cách tích phân (2.26) từ ø = -1 đến o = 0 va dùng các diéu kiện biên (2.24a,b),

tìm được phương trình tính cao độ mặt thoáng sau:

am 4 aD , 2PD > + Oe + y 0 (2.36)_

và các phương trình động lượng sau khi được tích phân trên phương đứng, trở thành :

DU 2

iT p72

ôDU V`_ gD? a ¢ ° odo "dg +? „0 5-dơ do (2.37)

8DU VOx

biệt (U’ = U - U, Vˆ= V - V) và thường được gọi là các sỐ hạng phân tán (dispersion

term) Như vậy:

(U2,V2,0V) = J ,(U?,V?,UVdø (240)Các đại lượng E,, F, là tích phân theo phương đứng của các khuếch tán theo

phương ngang, được xác định như sau:

thường khoảng 100 bước, một tính toán trường dư được thực hiện Tính toán trường

trung bình cung cấp các giá trị của ôn/ ôx và ôn/ôy dé đưa vào các phương trình trườngdư (2.26) + (2.30) và giải với một bước thời gian lớn hơn Một khi câu trúc theophương đứng đã được xác định, sỐ hạng bên tay phải cua (2.37) và (2.38) được capnhật và một lời giải trường trung bình khác bắt đầu Trong những mô phỏng tiếp theo,các số hạng đối lưu và khuếch tán trong (2.37) và (2.38) sẽ được cung cấp nhờ trường

dư.

2.2.7 Chuyén đối hệ tọa độ cong trực giao

Một thuận lợi quan trọng của mô hình hiện tại so với những mô hình dùng trước

đó là việc sử dụng hệ tọa độ cong trực giao Hệ phương trình đầy đủ được Blumberg và

Herring đưa ra năm 1987; ở day chỉ trình bày những phương trình của trường dư dưới

dang bảo toan thông lượng khối:

e Phuong trình liên tục:

hyhy t+“ (h,U,D) + (h,U,D) 1 2 at al 2¥1 E> 1⁄2 1 2 ac °+ hh, “=0 (2.43a)

trong đó:

0 = W — = |h;U; (oP +4) + h,U> (oS +2) —(o2 +7) (2.436)

e Phuong trinh mat thoang:- Hé phuong trinh Reynolds:

A(hyh2DU4)at

8(@U1)00

+—(h, DU?) + (h, DU, Us) + hy hy0&4 0€2

ôha ôh

+DU; (—U; + Uy — hịh;ƒ)= = gDh (2 + 22) — Pa [9 [ae _ ø a2 oo)

5 gDha (lệ, Tp po lags ~ Dag a6) 2

- Dong nang roi:

d(q2D a a d(wq?

hịh; — “tac (hạU,D4?) + 55 (h1U2Dq") + hịh; ——

2Km [(ôU1\“ „ (2U2\*] 2ø a _ 2q3D

=hịh | (=) +2) |+22x,%- m5

_8 (2 83 \ 4 2 (ha dq*) „ hike 9 (y aa?

- Kich thước rỗi quy mô lớn:

oa — ch A)

hịh;

8_ a(q*A) a(q7A)\ | hih2 9 (,, A(q?A)

trong đó š; và & là các toa độ cong trực giao theo phương ngang bat kỳ.2.3 Module chuyển tai bùn cát

Module SED là mô hình chuyển tải bùn cát ba chiều tiên tiến của tổ chứcHydroQual Nó mô phỏng thực tế bùn cát dính và không dính ở các môi trường nướckhác nhau (hỗ, sông, cửa biến, vịnh và bờ biển) Giữa thập niên 1990, khái niệm về sựtai lơ lửng, lắng và cố kết của bùn cát dính (Lick và nnk, 1984) được thêm vào so dékhối của ECOM để tạo thành ECOMSED Sau đó, ECOMSED đã có nhiều thay đổiđáng kế bao gồm khả năng khái quát hóa điều kiện biên hở, chất đánh dấu, cải tiến ứngsuất cắt đáy thông qua một mô hình con về lớp biên đáy mô hình sóng gió bề mặt,chuyền tải bùn cát không dính ECOMSED đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứunhư: sông Pawtuxet ở Rhode Island (Ziegler và Nibet, 1994), hồ chứa Watts Bay ở

Tennessee (Ziegler và Nibet, 1995), vịnh Lavaca ở Texas (HydroQual, 1998), vịnh

Tannery ở Michigan (Cannelton Industries, 1998) và vịnh Green ở Wisconsin(Shrestha va nnk, 2000)

Module SED chạy kết nối với mô hình thủy động lực và mô hình sóng (nếu cónghiên cứu về sóng), sử dụng cùng một lưới số, kết cau và sơ đô tính với mô hình thủyđộng lực Động lực học bùn cát có sẵn trong mô hình bao gồm tái lơ lửng, chuyền tảivà lắng đọng của bùn cát dính và không dính Bùn cát dính gồm bùn cát hạt mịn đường

kính nhỏ hơn 75um (bun-sét), còn bùn cát không dính là những hạt thô hơn với đườngkính trong khoảng 75-500 m (cát mịn-vừa) Cát thô va sỏi sạn đường kính lớn hon

500m thuộc về chuyên tải bùn cát đáy không được xem xét trong mô hình, vì bùn cáthạt thô thông thường chiếm tỉ lệ nhỏ ở đáy của cửa biến và đại dương Việc bỏ qua bùncát đáy không có tác động đáng kế đến kết quả mô hình

Cột nước Bùn cát dính Bun cát không dính

Dòng chảy Lông Lòng

C JU Sing | |

Keo tụRồi Lãng đọng Cudn lên

Hình 2.3: So đô hoại động của bùn cátViệc tái lơ lửng và lang xuống phụ thuộc vào ứng suất cat tại mặt phân cách nước— bùn cát Tính toán ứng suất cắt đáy là một phan quan trọng trong quá trình chuyên tải

bùn cát Sự tái lơ lửng của bùn cat từ đáy bùn cát dính tuần theo phương trình đặc

trưng diễn tả sự tái lơ lửng của bùn cát dính, gây ra một lượng bùn cát nào đó thêm vào

cột nước Trong khi đó, sự tái lơ lửng của bùn cát từ đáy bùn cát không dính lại dựa

vào lý thuyết chuyền tải bùn cát lơ lửng của Van Rijn (1984.1993) Trong cả hai trườnghợp, khối lượng bùn cát tổng cộng thêm vào cột nước phụ thuộc vào tỉ lệ bùn cát dínhvà không dính ở đáy Sự lang đọng cua bùn cat dính trong cột nước được mồ hình hóanhư là hàm số của keo tụ và lang Tac động cua ứng suất cắt nội va nồng độ cột nướclên sự keo tụ của hạt được xác định ân trong công thức tính vận tốc lang Mat khac,bùn cát không dính được giả thiết lắng trực tiếp mà không tương tac với các hạt khác.Đặc điểm duy nhất của mô hình là sử dụng các kết quả thực nghiệm để diễn tả cácthông số trong công thức tái lo lửng va lắng đọng, bao gdm luôn cả tác động của việc

keo tụ của hạt bùn cát dính.

Day bùn cát dính cố kết theo thời gian Mô hình thêm vào ảnh hưởng của việc cỗkết các lớp bùn cát theo phương đứng Những thành phan tác động vào là khối lượngbùn cát thay đối theo thời gian từ sông và nồng độ chat lỏng tại các biên hở có thể xácđịnh được Kết quả xuất ra của module SED là sự phân bố của nồng độ chất lỏng tổngcộng theo thời gian và không gian, nồng độ bùn cát dính và không dính trong cột nước,tỉ lệ bùn cát dính và không dính ở day, lượng bùn cát bồi lắng / xói lở và sự thay đổi

trong đó C, là nông độ bùn cát lơ lửng của lớp hạt cỡ k (1: bùn cát dính, 2: bùn cátkhông dính); u,y,w là vận tốc theo phương x,y,z; Ay là hệ số khuếch tán theo phươngngang: Ky là hệ số khuếch tán theo phương đứng: Ex, Dy suất bốc lên, lang xuống củalớp hạt cỡ k; n cao độ mặt nước trên cao độ chuẩn; H là chiều sâu nước dưới cao độchuẩn.

2.3.2 Tính ứng suất cắt đáyỨng suất cat đáy được tính theo biểu thức:

trong đó k là hang số von Karman ~ 0,4; u là vận tốc tong cộng sat day; z là độ sau tại

tâm của lớp sát day; z, là kích thước đạc trưng cua độ nhám day.

Nếu có tác động của cả dòng và sóng thì vận tốc ma sát sẽ được xác định từ cácmô hình phức tạp hơn, chăng hạn từ [16]

2.3.3 Sự tái lơ lửng của bùn cát dính

Các thí nghiệm trong phòng (Parchure va Mehta, 1985; Tsai va Lick, 1987;Graham va nnk, 1992) và tại hiện trường (Hawley, 1991; Amos va nnk, 1992) đã cho

thay chỉ có một lượng bùn cát hữu han có thé bốc lên khỏi đáy bùn cát dính vì hiện

tượng bao boc (armoring).

Công thức của Gailaini và cộng sự (1991) để tính lượng bùn cát hạt mịn này:

trong đó e là suất bốc lên (mg/cm’); ao là hăng SỐ phụ thuộc tính chất day; Tụ thời gian

sau lăng đọng (ngày): t ứng suất cat đáy (dynes/em'); +, ứng suất cat xói tới hạn(dynes/cm’); m, n là các hằng số phụ thuộc vào môi trường lắng

Kết quả thí nghiệm cho thay tong lượng bùn cát thêm vào cột nước không phải táilơ lửng tức thời mà qua một khoảng thời gian xấp xỉ một giờ (Tsai và Lick, 1987;MacIntyre va cộng sự, 1990) Tốc độ tái lo lửng:

E

Erot = TA3600 giâyTốc độ tái lơ lửng của lớp bùn cát cỡ hạt k:Ex = frEtot

m- Sagia R -o BulTn R.

—®— li aca Bay—#—P‹ssaia.

«Á - neensac RÌ—e— lrian aw

trong đó: D, là thông lượng lang (g/cm’s); W, ; là van tốc lang cua hat keo bun cat dinh(cm/s); C, là nông độ bùn cát dính lơ lửng (g/cm?) gan mặt phân cách nước-bùn cát; P;là xác suât lăng.

Vận tốc lang cua hạt keo dính đã được đo lường với nhiều nồng độ và ứng suất

cắt (Burban và cộng sự, 1990) Kết quả thí nghiệm cho thay vận tốc lang phụ thuộc vào

tích số của nồng độ và ứng suất cat của cột nước tại nơi hạt keo hình thành, theo quan

hệ:

W; = a(C,G)P (2.56)

trong đó W, ¡ (m/day), C; (mg/l), G (dynes/cm’)

Ung suất cat của cột nước G được tinh từ kết quả của module thủy động lực học:

trong đó 1, là ứng suất cắt đáy (dynes/cm”): ty là ứng suất cắt lang tới han (dynes/cm');

œ là biến ảo: 1p min là ứng suất cắt đáy mà dưới giá trị đó thì Pị = 1 (dynes/cm’)

e 5 “

Xác suất lang

00 q1 “4 us La L1 4 14 0

Ung suât cat (dynes cm”)

Hình 2.5: So sánh công thức tinh xác suát lang cua bùn cát đính

cua Krone (1962) và Partheniades (1992)

2.3.5 Mô hình day bùn cat dính

Dé mô phỏng thực tế tác động của chuỗi lắng — xói và sự thay đổi đặc tính đáynhư bề dày và khả năng xói, đáy bùn cát được chia làm bảy lớp Mỗi lớp được đặctrưng bởi khối lượng riêng khô (pg), ứng suất cắt xói tới hạn (z¿„) và chiều dày ban dau.“Thời gian sau lắng” cho mỗi lớp tăng tuyến tính từ một ngày ở lớp trên cùng đến bảyngày ở lớp đáy Các kết quả thí nghiệm (Tsai va Lick, 1987; MacIntyre và cộng sự,1990) đã chỉ ra rằng tác động của việc cố kết lên tái lơ lửng rất nhỏ sau bảy ngày lắng,vì vậy bùn cát lăng bảy ngày hay hơn đều được giả sử là bảy ngày Mô hình lớp đáybảo toàn khối lượng, với thông lượng tái lơ lửng và lắng đọng chỉ xuất hiện tại lớp đáy.Trong suốt quá trình mô phỏng, mô hình đáy thay đổi về chiều dày, khối lượng bùn cátdính và không dính ở mỗi lớp, kết quả từ việc tái lơ lửng và lắng đọng tại mặt phân

cách nước-bùn cát.

Mat phân cách nước-khí

Chiều sâu nước

nước-bùn cát (days) (dynes cm”)— ¬

2.3.6 Sự tái lơ ling của bun cát không dính

Sự tái lơ lửng của bùn cát từ đáy bùn cát không dính được tính dựa vào lý thuyếtcủa van Rijn (1984) Bước dau tiên là so sánh vận tốc ma sat day ux với vận tốc ma sátđáy tới hạn uz„;e4 dựa vào Dso, theo như tiêu chuẩn Shields về sự khởi động bùn cát.Chuyén tải bùn cát lơ lửng chỉ xuất hiện nếu vận tốc ma sát đáy thỏa cả tiêu chuẩnShields về chuyển tải bùn cát đáy và vận tốc ma sat day toi han dé tai lo lửng, Us gs

Nêu không boc lên, hat Ds va van toc ma sát day ux sẽ được dùng đê xác định nông độ