Chương 6: Tính toán thủy văn vùng sông ảnh hưởng thủy triều pdf

Khái niệm Thủy triều là hiện tượng sóng của nước biển dưới tác động của các lực gây ra bởi mặt trăng, mặt trời và các hành tinh khác lên các chất điểm nước trên đại dương..  Các sông có

Chương 6: Tính toán thủy văn vùng sông ảnh hưởng thủy triều

I Một số kiến thức về thủy triều

1 Khái niệm

Thủy triều là hiện tượng sóng của nước biển dưới tác động của các lực gây ra bởi mặt trăng, mặt trời và các hành tinh khác lên các chất điểm nước trên đại dương.

Dưới tác động của các lực, nước trên đại dương dâng lên tạo thành các sóng nước di chuyển trên đại dương, tạo thành

sự chuyển động tương đối giữa trái đất, mặt trăng, mặt trời

1 Khái niệm

tượng lên xuống có chu kỳ của mực nước biển tại một vị trí quan trắc

động có chu kỳ của mực nước biển tại vị trí quan trắc

2 Các đặc trưng cơ bản của thủy triều

sông có ảnh hưởng thủy triều so với mặt chuẩn tại một vị trí quan trắc nào đó, thường ký hiệu là Z

thay đổi mực nước triều theo thời gian t, được ký hiệu là Z(t)

Chu kỳ triều

Đỉnh triều

Chân triều

P ha tri ều lê n

Ph

a triề

u x uố ng

Ph

a triề

u x uố ng

 Thời kỳ liên tục dZ/dt > 0: pha triều lên

và pha triều xuống

xuống và pha triều lên

Các đặc trưng cơ bản của thủy triều (tiếp)

Các đặc trưng cơ bản của thủy triều (tiếp)

tương ứng với đỉnh và chân triều

triều so với chân triều kế tiếp

đặc trưng kế tiếp nhau K/h: T

3 Phân loại thủy triều theo chu kỳ

giờ 50 phút) có hai lần triều lên và hai lần triều

xuống, đỉnh và chân triều của hai lần đó xấp xỉ

bằng nhau, chu kỳ triều gần bằng 12 giờ 25 phút

lần triều lên và một lần triều xuống, chu kỳ triều xấp xỉ 24 giờ 50 phút

3 Phân loại thủy triều theo chu kỳ (tiếp)

trăng, có hai lần triều lên và hai lần triều xuống Song đỉnh và chân triều trong hai lần liên tiếp có

sự chênh lệch khá lớn

ngày nhật triều không quá 7 ngày, những ngày còn lại là bán nhật triều

4 Thủy triều vùng biển Việt Nam

 thuỷ triều Việt Nam diễn biến khá đa dạng: với chiều dài trên 3.200 km bờ biển có đủ

các chế độ thuỷ triều của thế giới như nhật triều, nhật triều không đều, bán nhật triều và bán nhật triều không đều phân bố xen kẽ,

kế tiếp nhau Đặc biệt, nhật triều ở đảo Hòn Dấu (Đồ Sơn) là điển hình trên thế giới

4 Thủy triều vùng biển Việt Nam

Hòn Gai, Hải Phòng thuộc nhật triều rất thuần nhất với số ngày nhật triều hầu hết trong tháng Độ lớn triều khoảng 3,6 - 2,6 m Ở phía nam Thanh Hoá

có 18 - 22 ngày nhật triều

Gianh: nhật triều không đều, số ngày nhật triều

chiếm hơn nửa tháng Độ lớn triều khoảng 2,5 -

1,2 m

An: bán nhật triều không đều Độ lớn triều khoảng 1,0 - 0,6 m

4 Thủy triều vùng biển Việt Nam

triều không đều, độ lớn triều khoảng 1,2 - 0,8 m

không đều Độ lớn triều khoảng 2,0 - 1,2 m

triều không đều Độ lớn khoảng 3,5 - 2,0 m

đều Độ lớn triều khoảng trên duới 1 m

5 Các lực gây triều

 Trong các lực gây triều thì lực hấp dẫn của mặt trăng, mặt

trời đến các chất điểm nước trên trái đất là chủ yếu

 Lực hấp dẫn của Mặt trời đối với Trái đất gấp 179 lần lực

hấp dẫn của Mặt trăng đối với Trái đất Tuy nhiên khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất xa hơn khoảng 389 lần so với khoảng cách Mặt trăng và Trái đất Vì vậy, lực gây

triều của Mặt trời chỉ xấp xỉ 46% lực gây triều của Mặt

trăng.

Lực gây triều của Mặt trăng

(hoặc Mặt trời)

Triều cường

 Khoảng 2 tuần một lần, vào những ngày

trăng non (ngày sóc) và trăng tròn (ngày

vọng), Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất nằm trên một đường thẳng Khi đó lực gây triều tổng hợp là lớn nhất: biên độ triều lớn nhất, chân triều thấp còn đỉnh triều cao Đây là

thời kỳ triều cường.

Triều kém

vị trí Mặt trăng và Mặt trời vuông góc với nhau qua tâm của Trái đất Do vậy, tại một điểm quan trắc trên Trái đất, khi Mặt trăng có lực gây triều lớn

nhất thì Mặt trời lại có lực gây triều nhỏ nhất và

ngược lại Kết quả, mực nước triều dao động ít,

đó là những ngày triều kém trong tháng

Vịnh Fundy, Canada là một nơi ghi nhận được là

có triều thay đổi nhiều nhất thế giới: 16m

II Chế độ thủy văn vùng sông

ảnh hưởng triều

1 Khái niệm vùng sông ảnh hưởng triều

 Cửa sông là đoạn sông nối tiếp giữa một

dòng sông với biển, với một hồ chứa nước hoặc một dòng sông khác.

 Các sông có cửa thông ra biển bị ảnh

hưởng mạnh của thủy triều gọi là vùng

sông ảnh hưởng triều

2 Vùng sông ảnh hưởng thủy triều

được chia ra làm 3 vùng:

dòng chảy sông ngòi có tình thế biển là chủ yếu, dòng chảy trong sông ảnh hưởng rất mạnh bởi

triều biển

phân nhánh (còn gọi là vùng tam giác châu)

Trong đoạn này gồm cả tình thế biển và sông lẫn lộn

nhánh đến chỗ giới hạn ảnh hưởng triều về mùa kiệt Trong đoạn này tình thế sông trội hơn tình thế biển

3 Hiện tượng triều truyền vào cửa sông

 Thủy triều vào cửa sông bị ảnh hưởng bởi:

– Địa hình lòng sông cao dần khi bờ thu hẹp lại

– Lưu lượng dòng chảy trong sông

 Quá trình truyền triều vào sông:

– Khi triều bắt đầu lên, tốc độ nước sông mạnh hơn tốc độ dòng

triều: sóng triều nằm ở nơi tiếp giáp giữa sông và biển

– Triều tiếp tục lên cao, năng lượng sóng triều đủ mạnh, sóng triều di

chuyển vào sông

– Do ảnh hưởng của địa hình lòng sông, năng lượng triều bị tiêu

hao, biên độ bị nhỏ dần

– Khi triều tiến sâu vào lòng sông thì ở cửa sông nước biển bắt đầu

rút, do đó sóng triều không thể tiến sâu được nữa, bắt đầu thời kỳ rút nước trong sông ra biển

– Nơi có biên độ sóng triều bằng không gọi là giới hạn triều

4 Đặc điểm chế độ mực nước

 Dao động mực nước trong sông sẽ có dạng tương tự với

dạng của triều ngoài biển khi lưu lượng nước từ nguồn ít thay đổi

 Khi có lũ, dạng của đường quá trình mực nước bị thay đổi

tùy thuộc vào vị trí quan trắc tính từ cửa sông:

– Đỉnh triều và chân triều bị nâng lên

– Chu kỳ triều trong sông thay đổi

 Gió có tác động mạnh đến sự thay đổi mực nước triều:

– Gió thổi từ biển vào làm mực nước triều cao thêm

– Gió thổi từ đất liền ra làm mực nước triều bị giảm đi

 Chế độ mực nước triều bị ảnh hưởng bởi hoạt động kinh

tế của con người, đặc biệt là việc xây dựng các hồ chứa thượng lưu

5 Sự phân lớp của dòng chảy

 Do tỷ trọng nước biển lớn hơn nước ngọt nên sóng triều di

chuyển vào cửa sông có dạng hình nêm thường được gọi

là nêm mặn

 Khi năng lượng triều không lớn lắm xuất hiện hiện tượng

phân lớp dòng chảy

– Nêm mặn di chuyển phía dưới

– Nước ngọt bị đẩy lên và chảy ra biển ở phía trên

 Đặc điểm: tồn tại dòng chảy hai chiều theo phương của

trục lòng sông

 Do hiện tượng khuếch tán và đối lưu của dòng chảy lớp

nước ngọt chảy phía trên của nêm mặn không còn “ngọt” nữa

Các cửa sông dạng nêm mặn

Nước ngọt

Nước

mặn

Nước ngọt Nước

mặn

Các cửa sông pha trộn một phần

Nước ngọt

Nước

mặn

Các cửa sông pha trộn nhiều

Nước ngọt Nước

mặn

Các cửa sông loại vịnh hẹp (Fio, ở Nauy)

Nước ngọt Nước

mặn

6 Dòng triều

 Dòng triều là dòng chuyển dịch ngang có tính chất tuần

hoàn của các phân tử nước mà tốc độ và hướng biến thiên trong ngày quan hệ với chu kì và biên độ thuỷ triều

 Tốc độ dòng triều thường lớn ở những vùng có biên độ

triều lớn (sóng tiến) nhưng cũng có thể lớn ở các vùng có biên độ triều nhỏ (sóng đứng – vùng vô triều) như ở vùng biển Cửa Việt - Cửa Thuận An

 DÒNG TRIỀU THUẬN NGHỊCH: dòng triều có hướng

ngược nhau ở những eo biển hẹp Trong trường hợp này, dòng triều lên luôn luôn hướng theo một phía, còn dòng triều xuống thì có hướng nghịch đối với hướng triều lên Khi dòng triều lên đổi sang dòng triều xuống và ngược lại, thì tốc độ dòng triều bằng không, nghĩa là trong thời gian

đó không có dòng triều.

Các đặc trưng của dòng triều

cắt sông trong khoảng thời gian 1s Kh: Q Đơn vị:

hoặc âm và được tính bằng tổng của các phần lưu lượng âm hoặc dương

Q=Q + + Q

-Trong đó: Q + là thành phần lưu lượng có giá trị dương; Q

-là thành phần lưu lượng có giá trị âm

 Nếu Q>0: dòng triều lên

 Nếu Q<0: dòng triều xuống

 Nếu Q=0: điểm ngưng triều

Các đặc trưng của dòng triều (tiếp)

 Tốc độ dòng triều: được đặc trưng bởi phân bố tốc độ tại

một mặt cắt ngang và giá trị bình quân của nó tại mặt cắt đó

 Tốc độ bình quân của mặt cắt ngang tại một thời điểm nào đó tính bởi

công thức:

V=Q/A Trong đó A là diện tích mặt cắt ngang sông.

V+ : khi chảy xuôi dòng V-: khi chảy ngược dòng

 Quá trình dòng triều: là sự thay đổi lưu lượng hoặc tốc độ

dòng triều theo thời gian Q(t) hoặc V(t).

 Tổng lượng triều: là lượng nước chảy qua mặt cắt nào đó

tại đoạn sông ảnh hưởng triều trong một khoảng thời gian nhất định K/h: W

III Các biện pháp khai thác vùng cửa sông ven biển và nhiệm vụ tính toán thủy văn

1 Các biện pháp khai thác vùng ven biển

 Quy hoạch đê biển nhằm bảo vệ vùng đất thấp

 Bảo vệ bờ biển không bị sạt lở dưới tác dụng của sóng và dòng ven bờ

 Cải tạo và quy hoạch các công trình giao thông ngoài biển

 Khai thác thủy sản vùng ven bờ

 Các mục tiêu khai thác tổng hợp

2 Các biện pháp khai thác vùng

sông ảnh hưởng triều

đích làm tăng khả năng tiêu tự chảy cho vùng ven sông và ngăn mặn xâm nhập vào vùng cửa sông

ảnh hưởng triều

khu vực canh tác nội đồng

mặn phục vụ nuôi trồng thủy sản

 …

3 Nhiệm vụ tính toán thủy văn

và biện pháp công trình

nước lớn nhất, mực nước nhỏ nhất, hoặc tính mực nước bình quân trong thời đoạn thiết kế

nào đó

kế trong thời đoạn tính toán T

theo trạng thái thiết kế của hệ thống

3 Nhiệm vụ tính toán thủy văn (tiếp)

ven bờ, diễn biến mặn vùng ven bờ

trong thời đoạn T

biển trong điều kiện tự nhiên hoặc có công trình

thượng lưu đến sự thay đổi chế độ thủy văn

vùng sông ven biển

v.v…

IV Tính toán các đặc trưng thủy văn

thiết kế vùng cửa sông ven biển

1 Tính toán các đặc trưng mực

nước triều thiết kế

 Có 3 phương pháp:

a) Tính toán mực nước triều thiết kế trong

trường hợp có nhiều tài liệu thực đo

 Tùy thuộc vào nhiệm vụ thiết kế công trình cần tính toán: mực nước đỉnh triều, chân triều, hày mực nước bình quân trong thời đoạn T

 Phương pháp tính toán: tương tự như khi tính toán xác định các đặc trưng thủy văn khác

Zp = f(  Z,Cv,Cs,P)

 Giả sử có chuỗi số liệu thực đo Z1

 Thêm vào mỗi số hạng của chuỗi một giá trị

a, được chuỗi mới Z2

Z2i =Z1i1i+a

 Xác định lại các tham số thống kê

a Z

n

Z Z

n i

i n

1 1

2 2

1

2 1 1

1

2 1

1 1

2 2 2

2

1 1

i

i n

i

n

a Z

a

Z n

Z

Z n

1 3

1 1

3 1 1

3 1 1

3 1

1

3 2 1

3 2 2

2

) 3 (

) 3 (

) 3

n i

i

n i

i

n i

i

n

Z Z

n

a Z

a Z

σ

1 1

1 1

1 1

1 1

1 2

2

a Z

Z Z

a Z

Z a

Z Z

C

+

= +

= +

=

* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường

tần suất mực nước (tiếp)

 Trong thực tế, người ta thay đổi mốc cốt

Z C

a Z

Φ +

1

1 1

1

* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường

tần suất mực nước (tiếp)

 Khi tính toán chuyển về mốc cốt cũ:

 Trong thực tế, cần chọn a sao cho sai số vẽ đường tần suất nhỏ.

a Z

b) Tính toán mực nước triều thiết kế

trong trường hợp có ít tài liệu

– Xây dựng quan hệ tương quan mực nước cùng thời

gian giữa 2 tuyến đo

– Vẽ đường tần suất mực nước của trạm tương tự và xác

định mực nước thiết kế của trạm tương tự

– Theo quan hệ tương quan đã xây dựng, xác định mực

nước thiết kế của trạm nghiên cứu

dòng không ổn định để diễn toán mực nước trên

hệ thống sông

c) Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp không có tài liệu

 Phương pháp nội suy: tiến hành trên cơ sở tài liệu đo đạc ở tuyến trên và tuyến dưới Điều kiện: tuyến tính toán có khoảng cách không lớn đến các tuyến có tài liệu, nhập

lưu khu giữa nhỏ, điều kiện địa hình lòng

sông biến đổi đều.

 Phương pháp mô hình toán

2 Xác định đường quá trình mực

nước triều thiết kế

 Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc

 Trường hợp có ít tài liệu đo đạc

 Trường hợp không có tài liệu đo đạc

a) Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc

 Xác định thời đoạn tính toán T.

– VD: đối với bài toán tiêu úng từ đồng ra sông, thời đoạn T có thể

là 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày hoặc 15 ngày.

 Tính giá trị bình quân của mực nước đặc trưng trong thời

m i

i

∑

=

a) Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc

(tiếp)

 Lựa chọn trong chuỗi số liệu thực đo một

con triều (quá trình triều) điển hình, với điều kiện dạng triều điển hình phải bất lợi và có trị số bình quân của mực nước đặc trưng

gần bằng giá trị mực nước bình quân thiết

kế trong thời đoạn tính toán T

 Thu phóng đường quá trình triều điển hình thành đường quá trình triều thiết kế

VD: tính toán quá trình triều thiết kế cho bài toán tiêu

thoát nước cho thời đoạn T = 5 ngày

TH a: chọn thời kỳ triều kém

TH b: chọn thời kỳ triều cường

VD: tính toán quá trình triều thiết kế cho bài toán tiêu

thoát nước cho thời đoạn T = 5 ngày

b) Trường hợp có ít tài liệu đo đạc

 Xác định quan hệ tương quan mực nước triều giữa hai

trạm đo

 Vẽ đường tần suất và xác định mực nước triều bình quân

thiết kế thời đoạn T của trạm tương tự

 Theo quan hệ tương quan xác định mực nước triều bình

quân thiết kế thời đoạn T của trạm tính toán

 Chọn dạng điển hình từ các quá trình mực nước triều thực

đo trạm tính toán

 Xác định hệ số thu phóng

 Thu phóng quá trình mực nước triều điển hình thành

đường quá trình mực nước triều thiết kế Cách làm tương

tự như trường hợp có nhiều tài liệu

c) Trường hợp không có tài liệu đo đạc

 Sử dụng mô hình thủy lực dòng không ổn định trong sông

thiên nhiên

– Thiết lập sơ đồ mạng sông

– Lựa chọn thời đoạn tính toán

– Xác định quá trình lưu lượng tại các nút biên trên ứng với thời

đoạn đã chọn

– Xác định quá trình mực nước triều tại các biên dưới ứng với thời

đoạn đã chọn

– Xác định và kiểm định bộ thông số mô hình

– Mô phỏng phương án thiết kế:

 Biên trên là quá trình lưu lượng thiết kế

– Kết quả biên dưới chính là đường quá trình mực nước triều thiết

kế