Cơ sở tính toán bùn cát của mô hình hecras pps

** CƠ SỞ TÍNH TOÁN BÙN CÁT CỦA MÔ HÌNH HECRAS ** Tính toán vận chuyển bùn cát là một viêc khó cực kì. Thông số sử dụng để dự đoán sự thay đổi đáy sông không có cơ sở chắc chắn và nếu ta dùng một lí thuyết để tính thì thường theo kinh nghiệm và có kết quả nằm trong vùng rất rộng. Tuy nhiên, nếu số liệu đưa vào là số liệu tốt, người làm có kĩ năng có thể sử dụng modul bùn cát đã được hiệu chỉnh để đoán đúng miền kết quả tính toán, có xu hướng lâu dài thì có thể dự báo được và có thể sử dụng để đánh giá được các lựa chọn cho dự án. Hec Ras bây giờ bao gồm các hệ để biểu diễn các điều kiện biên di động, modul của vận chuyển bùn cát. Trong chương này người ta mô tả lí thuyết và giả thuyết được dùng để tính toán. Tương tự dòng không ổn định(quasi unsteady flow) Trước khi Hec ras có thể tính được lượng vận chuyển bùn cát, thủy lực học dòng sông phải được tính trước. Hec ras dùng một phép đơn giản hóa thủy động học, để dùng chung cho các modul vận chuyển bùn cát. Giả thuyết dòng chảy tương tự dòng không ổn định (quasi unsteady flow) xấp xỉ với đường thủy văn liên tục có các dòng chảy ổn định bị gián đoạn. Cho mỗi cấp dòng chảy ổn định nào đó, thì mất một khoảng thời gian nhất định để vân chuyển. Với các mẫu dòng ổn định này thì dễ hơn để phát triển so với toàn bộ modul dòng không ổn định, và chương trình tính nhanh hơn. (một phiên bản chạy dòng không ổn định để vận chuyển bùn cát sẽ được công bố trong tương lai) Mỗi bản tính gián đoạn của dòng ổn định được chia ra thành các phần nhỏ hơn, thành các khoảng ngắn hơn về thời gian để máy tính tính toán sự vận chuyển bùn cát. Hec ras sử dụng 3 bước thời gian, đó là thời đoạn dòng chảy ổn định, thời đoạn tính toán (computation increment) và bước thời gian xáo trộn (mixing time step) Khoảng thời gian chảy ổn định (flow duration) Một khoảng chảy ổn định là bước thời gian. Nó để trình bày khoảng thời gian mà có cùng chung lưu lượng, nhiệt độ, vị trí, hoặc lượng bùn cát. Chẳng hạn như nếu dữ liệu dòng chảy được thu thập từng ngày, thì khoảng thời gian này sẽ là 24 giờ. Để xác định đúng về vị trí, dòng chảy, thời gian, hay bùn cát đầu vào thì giá trị riêng biệt phải thể hiện cho cả thời đoạn đó mà đủ lớn để đặt thông số cho toàn bộ chạy chương trình. Các khoảng thời gian tính toán (computational increment) Trong một khoảng thời gian được chia thành nhiều khoảng nhỏ hơn để tính toán. Mặt dù dòng chảy vẫn không đổi, địa hình và các thông sổ thủy động được cập nhật sau mỗi bước thời gian nhỏ hơn đó. Nếu khoảng thời gian tính đó quá dài thì hình dạng đáy sông không được cập nhật đủ và kết quả có thể thay đổi. Bước thời gian xáo trộn của đáy sông (bed mixing time step) Cuối cùng thì khoảng thời đoạn lại được chia nhỏ hơn thành các bước thời gian thay đổi đáy sông. Trong suốt thời gian của bước này thì độ sâu, thông số thủy lực và sự vận chuyển của các cỡ hạt không đổi, thay vào đó là độ xói và bồi lắng trong suốt thời gian này và có thể gây sự thay đổi dẫn tới sự bồi lắng của các lớp của đáy sông (ví dụ như lớp hoạt động, lớp bọc hay cả lớp không hoạt động). Các cở hạt theo phương thẳng đứng này được sắp xếp lại để phản hồi lại việc tăng hay giảm vật liệu. Từ khi có sự thay đổi của lớp hoạt động này trong suốt bước thời gian hòa lẫn đáy sông, khả năng vận chuyển bùn cát cũng đã thay đổi mặc dù về động lực học và tiềm lực vận chuyển vẫn giữ nguyên. Phương trình liên tục của bùn cát Phương trình này chỉ ra rằng thay đổi thể tích bùn cát trong một thể tích khống chế (bồi tụ hay giảm lượng bùn cát) tương đương với hiệu số của lượng cát vào và ra. Phương trình này được giải bởi việc tính lượng vận chuyển bùn cát suốt trong thể tích khống chế tương ứng với mỗi mặt cắt. Dung lượng bùn cát trong thể tích này (A) đi ra so sánh vơi lượng cung cấp bùn cát đưa vào thể tích khống chế (B) . Nếu lượng ra (A) lớn hơn lượng cung cấp (B) thì gây thiếu hụt nên đáy sông bị xói. Nếu lượng ra (A) nhỏ hơn lượng cấp (B) thì lượng thừa bùn cát này sẽ gây nên bồi lắng. Tính năng lực vận chuyển Phía bên phải của phương trình liên tục là độ dốc bùn các dọc theo thể tích khống chế (độ dốc do dòng bùn cát vào và ra). Dòng bùn cát vào thì đơn giản là loại bùn cát nhập vào trong thể tích khống chế từ thể tích khống chế trước nó. Tổng lượng bùn lớn nhất có thể rời khỏi thể tích khống chế, tuy nhiên thì chức năng của lượng bùn cát này là nước có thể di chuyển nó đi. Cái đó gọi là năng lực vận chuyển bùn cát, và được tính toán cho mỗi thể tích khống chế của từng bước thời gian bed mixing. Các lớp hạt Hec ras chia vật liệu bùn cát ra thành nhiều phần. Vật liệu vận chuyển được nằm trong 0.002mm và 2048 mm, được chia thành 20 thành phần hạt theo kích cỡ. các thành phần hạt được mặc định dựa vào tiêu chuẩn là lớp trên gấp 2 lần lớp dưới nó. Hec ras sử dụng ý nghĩa hình học của thành phần hạt (căn bậc hai của cận trên và cận dưới của hạt) để biễu diễn kích thước của hạt.không hiểu Ví dụ Năng lực vận chuyển bồi tích là việc đo đạt bao nhiêu vật liệu của một lớp hạt nào đó dưới điều kiện thủy động học có thể vận chuyển được. Khả năng vận chuyển này được tính với các phương trình vận chuyển bùn cát có trong chương trình. Từ đó, hầu hết các phương trình này dùng cho mỗi loại hạt, như d 50 (hay hầu hết có 2 loại kích thước hạt như d 50 và d 90 ) , phương trình này dùng độc lập nhau cho mỗi loại hạt. Giá trị này, được tính riêng lẽ cho mỗi thành phần hạt mà không quan tâm đến việc nó nằm đâu trong đáy sông, được gọi là năng lực vận chuyển. Có 7 năng lực vận chuyển bồi tích trong Hec ras. Có hàng tá hàm vận chuyển được phát triển. Vì vận chuyển bùn cát rất dễ thay đổi khi có chút sai khác, và xu hướng tính của máy tính bởi những phương trình khác nhau thay đổi bởi thứ tự của độ lớn, phụ thuộc vào vật liệu vận chuyển như thế nào và động lực học so sánh các thông số này trong suốt quá trình vận chuyển bùn các. Khả năng lớn nhất, một hàm vận chuyển nên được chọn phải gần đúng với thông số của bồi lắng và thủy lực sao cho phù hợp với bài toán nhất. Phương trình thật sự được dùng cho các phương pháp này có cụ thể ở Appendix E và trang E-37 đến E-45. Acker và White Là hàm tải trọng toàn phần được phát triển từ số liệu của kênh dẫn nước mà có loại bồi tích đồng nhất từ đất đến đất sét mịn. Thủy động lực học được chọn để biểu diễn cho hệ thống đáy sông bao gồm lớp gợn sóng cát, đụn cát, đáy sông bằng phẳng. Bùn cát lơ lửng là hàm có vận tốc trượt trong khi hàm vận chuyển phù sa đáy là hàm ứng suất tiếp. England Hansen Phương trình vận chuyển tổng lượng bùn cát lấy từ số liệu của một con kênh. Cùng kích cở cát gần như nhau từ 0.19 đến 0.93 mm được sử dụng. Cái hay của England Hansen là không phải là một hàm gì phức tạp. Chay vào đó nó là hàm quan hệ giữa vận tôc, ứng suất đáy, và d 50 của vật liệu này. Nên đưa vào chương trình riêng với cát. Laursen Copeland Cũng là hàm vận chuyển bùn cát tổng cộng mà ban đầu dựa vào phương trình về kênh và mở rộng sau đó bởi Madden thì có bao gồm số liệu của sông Arkansas. Nó là hàm cơ bản về sự vượt quá ứng suất tiếp và tỉ lệ của vận tốc đáy với vận tốc dòng chảy. Sau đó ông này tổng quát phương trình vận chuyển sỏi được dùng để chia các đáy sông.(khong hiểu) Sự khác biệt là vật liệu bùn cát hòa vào bùn. Không có chức năng nào khác trong Ras được phát triển cho kích thước của bùn. Khả năng vận chuyển bùn các được tính cho bùn, bởi các hàm khác nhau, được ngoại suy, nó không chắc chắn để tính hàm lượng vận chuyển bùn cát. Công việc của Colorado đã chứng mình được rằng phương trình này đã làm tốt hơn các hàm vận chuyển khác trong tầng đất bùn. Meyer Peter Muller Phương trình này là một trong những pt được sử dụng rộng rãi nhất. nó đơn giản là sử dụng quan hệ ứng suất tiếp đáy đơn giản(excess shear relationship). nó giới hạn phương trình bùn cát đáy từ công thức thực nghiệm của máng nước với cát và sỏi dưới điều kiện đáy bằng phẳng. hầu hết số liệu dùng cho nền đồng nhất bằng sỏi (tương đối) -MPM là ứng dụng thành công nhất cho lớp đá sỏi. nó có xu hướng nằm dưới về dự đoán sự vận chuyển vật liệu mịn. Mới đây, Wong và Parker (2007) đã chứng minh được rằng hàm này vượt qua sự chẩn đoán về vận chuyển bùn cát, một cách xấp xỉ, cả hai yếu tố. Kết luận này không dựa trên số liệu mới nhưng trên sự phân tích lại của kết quả gốc MPM. Để chứng tỏ cho hàm nay, họ viết lại một phương trình sau: Toffaleti Là hàm vận chuyển bùn cát tổng cộng của các thành phần hạt cát. Tuy nhiên là hàm này được xem là hàm của sông lớn, vì thế rất nhiều số liệu thường rất lớn, cho hệ thống bùn cát lơ lửng. Hàm này không phụ thuộc nhiều vào vân tốc (shear velocity) hay lực ma sát đáy. Tuy nhiên thì nó được tạo thành từ sự hội tụ của nhiệt độ và kinh nghiêm mà mô tả được mối quan hệ giữa bùn cát và đặt trưng thủy lực. Đường đi rất khác biệt của hàm này đã chia cột nước xuống thành 2 vùng và máy tính tập trung vào mỗi vùng với phép gần đúng đơn giản. Vận chuyển của mỗi vùng được máy tách riêng biệt. Thật rõ ràng rằng vận chuyển bùn cát lơ lửng rất quan trọng mà việc phân phối theo phương thẳng đứng chú trọng vào cột nước. Hàm này được sử dụng thành công trong hệ thống rộng như Mississpi,… Thêm vào đó, pt này dùng 2 kích thước hạt khác nhau d 50 và d 65 , trong sự cố gắng xác định số lượng vận chuyển phụ thuộc vào sự chênh lệch từ từ của bùn cát. Nó thêm ý nghĩa khi pt này được dùng tính toán vận chuyển khối vật liệu tăng dần. Khi nó được ứng dụng cho lớp đất riêng, nó sẽ dùng d 50 và 65 cho lớp đã cho. Yang Là pt vận chyển bùn cát dựa vào vận chuyển của “stream power”, sản phẩm của vận tốc và lực ma sát đáy(shear stress). Hàm được kiểm tra qua các dòng khác nhau và các dữ liệu khác nhau. Pt này bao gồm 2 quan hệ riêng biệt của vận chyển cát và sỏi. Có sự chuyển tiếp giữa cát và sỏi thật mịn để tránh hiện tượng không liên tục. Wilcock Là phương trình bùn cát thiết kế cho tần đất chứa cả cát lẫn sỏi. Phương pháp vận chuyển bề mặt dựa vào lí thuyết vận chuyển phụ thuộc trước hết vào vật liệu mà trực tiếp tiếp xúc với dòng chảy. Nó phát triển dựa trên cở hạt trên bề mặt của đáy kênh hoặc sông. Từ đó, các cở hạt đáy sông này sẽ phản ánh thuộc tính của bề mặt đáy sông. Sắp xếp và sự tái tạo lại lớp bao phủ Xói mòn cũng bị giới hạn nguồn cung cấp. Trong rất nhiều con sông được chỉnh dòng tốt, thì thành phần hạt đáy sông được bao phủ bỏi lớp vật liệu thô được gọi là lớp bọc. Lớp này có thể được tạo thành bởi việc bao bọc ổn định hay sư vận chuyển khác nhau của các thành phần hạt mịn. Đặc biệt ở cuối dòng của đập, hầu hết các thành phần hoạt động của hạt mịn, trong khi các thành phần thô thì ổn định và thu thập các vật liệu hạt nằm ở sâu trên bề mặt từ chổ khác vận chuyển tới. Lớp bọc này cũng có thể tạo thành từ các lớp di động, một lớp mới của thành phần hạt thô để đạt được sự vận chuyển cân bằng. Trong trường hợp khác thì cấu tạo của một lớp bọc có xu hướng giảm tổng lượng vận chuyển vì thành phần trên bề mặt, chỉ thành phần có thể vận chuyển được mà nó cũng trở nên thô hơn và khó vận chuyển hơn. Đây cũng là sự hạn chế của năng lực vận chuyển. Để tính được lớp bọc này, hai thuật toán đã dùng trong hec ras để tính được sự sắp xếp và lớp bao bọc. Cả hai đều dựa vào việc chia đáy thành lớp hoạt động và không hoạt động. Mấu chốt của sự khác biệt giữa hai lớp này là: khi tính toán năng lực vận chuyển, bởi việc nhân khả năng vận chuyển (transport potential) với phần trăm kích cở hạt (cái này thì dựa vào sự phân phối thành phần hạt này trong lớp hoạt động) Exner 5 Là thuật toán pha trộn 3 lớp đáy sông, được thiết kế để tính cho việc ảnh hưởng của sự bao bọc ổn định. Thuật toán này được phát triển bởi Tony Thomas và là phương pháp mặc định trong Hec 6. Nó chia nhỏ lớp hoạt động thành lớp [...]... công trình cái mà HR dùng để tính chính xác tổn thất do ma sát và tổn thất do mở rộng Mặt cắt 3 mặt cắt 3 của tuyến tràn và cửa van được xác định ơ khoảng cách ngắn so với thượng lưu của tràn, và nó trình bày hình dạng vật chất của kênh thượng lưu Mặt nước tính toán của mặt cắt này trình bày cao trình thượng lưu của tràn tự do và cửa van Phần mềm sử dụng sư kết hợp của số liệu của đập, mặt cắt 3, và số... bộ vùng mặt cắt một thì thường ảnh hưởng đến dòng chảy Mặt cắt 2 mặt cát 2 cách một khoảng ngắn so với mặt cắt hạ lưu của đập đuong mực nước tính toán ở mặt cắt này sẽ biểu diễn cao trình mực nước dềnh của đập mặt cắt này không nên nằm trong đập, nhưng nó trình bày hình dạng vật lý của kênh chỉ ở hạ lưu công trình Hình dạng và vị trí của mặt cắt này được đưa vào riêng lẻ từ dử liệu inline weir and gated... rộng, tràn thực dụng hay thành mỏng Phần mềm có khả nẳng tỉnh toán ngập cho mực nước dềnh ở hạ lưu Thêm vào đó, nếu tràn có hình dạng đập thực dụng, thì chương trình có thể tính toán được thông số thủy lực được cho chiều cao tính toán các thông số này sẽ tự động giảm xuống hay tang lên khi chiều cao thực cao hơn hay hạ thấp so với chiều cao tính toán Các vị trí mặt cắt ( cross section Locations) Với các... nhấn mạnh rằng tính toán năng lực bồi tích dựa vào việc kết hợp lớp bọc lẫn lớp dưới mặt (đều là lớp hoạt động) Khái niệm này được biều diễn tử bức ảnh sau: Nếu lớp bọc này bị làm thô đi, thì thể tích bùn cát của vật liêu mịn hơn sẽ giảm đi vì nó sẽ tạo thành lượng nhỏ hơn trong lớp hoạt động Thêm vào đó, nếu cân nặng của tầng này (của lớp hoạt động) giảm xuống còn 2d (2 lần chiều sâu của một lớp bọc... rule) yêu cầu giảm sự ảnh hưởng của lớp hoạt động lên khả năng vận chuyển Theo qui luật mới này người ta sẽ kiểm tra độ dày của lớp bọc và khi nó đạt 50% của 1d thì lớp bọc này bị hoản toàn hòa trộn với lớp mặt dưới Giá trị này, 50 %, từ giả thiết của Harrison khi ông tìm ra sự cân bằng của vận chuyển bùn cát bị ảnh hưởng với 40% lớp bề mặt bị bao phủ trong thí nghiệm của ông Một lớp phủ mới được tạo... đây là hình vẻ minh họa Mặt cắt 4 mặt cắt cuối cùng của tuyến công trình tràn và cống Nó được xác định ở một điểm nơi mà dòng chảy không bị ảnh hưởng bởi sự thu hẹp của cổng trình Khoảng cách này thường được tính theo tỉ lệ co hẹp 1:1 Hay nói cách khác, tỉ lệ trung bình của dòng chay bị thu hẹp khi của van mở thường là 1 m hướng ngang cho mỗi mét hướng cùng chiều với dòng chảy Toàn bộ diện tích của mặt... spillways) trong HR có thể được mô hình như một cái cửa hình cung được gọi là cánh cửa cung tainter gates), cửa van phẳng (sluice gates) hay cửa tràn Phương trình dùng cho việc mở cống có thể sử dụng trong cả hai trường hợp ngập hay không ngập của cửa tràn Nếu cửa tràn mở xa đủ cao để không bị ngập, chương trình sẽ tự động điều chỉnh phương trình dòng chảy trong công để tính toán thủy lực Đỉnh đập tràn... nước bị ảnh hương của mặt cắt 2 đến vùng nước xung quanh hay gần với cạnh của đập vùng không bị ảnh hưởng này dùng để thể hiện chính xác khoảng vùng làm việc hoạt động ở hạ lưu công trình Thiết lập hính xác khoảng dòng chảy bị ảnh hưởng này rất quan trọng trong việc tính toán chính xác nước dềnh của mặt cắt 2 bởi vì dòng chảy sẽ bắt đầu khếch tán ở cửa tràn, nên vùng làm việc hoạt động của mặt cắt 2 thì... là thu hẹp Và năng lượng mát đi nhiều nhất ở các vị trí mở rộng và thu hẹp đột ngột Các thông số thủy lực dọc theo cửa van của tràn Như đã nói từ trước, chương trình này có khả năng tính cho cả cửa van cung và cửa van phẳng Phương trình sử dụng trong mô hình mở của van có thể tính với trường hợp ngập hay không ngập Khi cửa van mở với độ cao van cao hơn cao trình ở thượng lưu chương trình sẽ coi nó... rộng của độ mở cửa cống chiều rộng của vùng hoạt động sẽ phụ thuộc vào khoảng cách từ mc2 tới công trình Tổng quát, kết luận hợp lí nhất sẽ là tỉ lệ 1:1 cho khoảng cách ngắn này Hình vẽ dưới đây Ta thấy các vị tí nhốm kênh được thể hiện bởi các vòng tròn nhỏ và các tram và cao trình của vùng không bị ảnh hưởng này thể hiện bởi các tam giác Mặt cắt 1 và 2 được xác địn để tạo một đoạn kênh hạ lưu của . ** CƠ SỞ TÍNH TOÁN BÙN CÁT CỦA MÔ HÌNH HECRAS ** Tính toán vận chuyển bùn cát là một viêc khó cực kì. Thông số sử dụng để dự đoán sự thay đổi đáy sông không có cơ sở chắc chắn và. trình liên tục của bùn cát Phương trình này chỉ ra rằng thay đổi thể tích bùn cát trong một thể tích khống chế (bồi tụ hay giảm lượng bùn cát) tương đương với hiệu số của lượng cát vào và ra. Phương. thừa bùn cát này sẽ gây nên bồi lắng. Tính năng lực vận chuyển Phía bên phải của phương trình liên tục là độ dốc bùn các dọc theo thể tích khống chế (độ dốc do dòng bùn cát vào và ra). Dòng bùn cát