Chương 3. DỰ BÁO CHUYỂN ĐỘNG SÓNG LŨ VÀ PHƯƠNG PHÁP MỰC NƯỚC TƯƠNG ỨNG 3.1 pptx

Chương DỰ BÁO CHUYỂN ĐỘNG SÓNG LŨ VÀ PHƯƠNG PHÁP MỰC NƯỚC TƯƠNG ỨNG 3.1 Khái niệm phương pháp mực nước tương ứng Phương pháp dự báo dựa vào quy luật chuyển động nước sông vào quy luật tập trung nước lưu vực nhánh sơng phân phối theo dọc sơng Thời gian dự kiến độ xác phương pháp phụ thuộc trước tiên vào độ dài dịng sơng, tốc độ dịng chảy vào dịng chảy gia nhập vào dạng lũ τ = f (L, V, q, dạng lũ) Sông dài, độ dốc nhỏ đi, thời gian dự kiến tăng lên có tới 1520 ngày Thời gian dự kiến nhỏ dự báo lũ mưa Sóng lũ hình thành cường độ mưa thời gian ngắn Trong dự báo chia làm hai trường hợp: a) Dự báo sơng có sóng lũ đơn : chuyển động sóng cộng với lũ bẹt b) Dự báo sơng có sóng lũ kép: chuyển động sóng lũ + sóng lũ bẹt + sóng lũ nhánh bổ sung + sóng lũ hoạt động người: trữ nước lũ, xả lũ, vỡ đê, kể có trường hợp nước tù Đây phương pháp cổ truyền có từ lâu đời có tác dụng thực tế 3.2 Lý thuyết chuyển động sóng lũ phương pháp mực nước tương ứng Như phân tích từ phương trình Saint Venant, ta xét sóng lũ bỏ qua lực quán tính {Với bậc = 0} phương trình moment hệ phương trình cịn 76 ∂Q liên tục ∂l + ∂ω ∂t =q (3.1) lúc quan hệ Q = f(H) đơn ổn định Moment So = Sf (3.2) Hoặc dùng Q với mực nước (H) Q = f ( H, l ) ( 3.3) l - khoảng cách tới mặt cắt Bởi quan hệ mực nước (H) với diện tích mặt cắt (ω) nhỏ nhất, (3.3) viết thành: ω = ϕ ( Q, l ) (3.4) Vi phân (3.4 ) theo thời gian: ∂ω = ∂t ∂ω ∂Q ⋅ ∂Q (3.5) ∂t Đặt (3.5) vào (3.1) nhận ∂ω ∂Q ⋅ ∂Q ∂t + ∂Q ∂l =q (3.6) Phương trình (3.6) tuyến tính bậc giải phương pháp đặc trưng, ta có: ∂t ⎛∂ ⎜ ω ⎜ ⎝∂Q ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ = dl dQ = q (3.7) Từ phương trình (3.7) nhận quan hệ sau dl = dt ∂ ω (3.8) dQ = qdl ( 3.9) ∂Q Tích phân ( 3.9) 77 Q t = Q + ∫ qdl H B ) QH: : lưu lượng tuyến dưới; QB: lưu lượng tuyến Bởi mặt cắt có quan hệ đơn diện tích mặt cắt (ω) với lưu lượng (Q), đạo hàm riêng ∂Q thay đạo hàm dl dQ ⎞ = tốc độ chảy ứng với lưu lượng đó, nhận được: ⎟ ; ⎝ dω ⎠ dt v e thường ⎛ ⎜ V e = dQ dω (3.11) lưu lượng xác định phương trình (3.10) Do thời gian chảy truyền với lưu lượng Q mặt cắt l xác định τ= t ∫ dw dl dq (3.12) Thời gian chảy truyền hiểu chênh lệch thời điểm xuất lưu lượng mặt cắt hạ lưu thượng lưu trường hợp khơng có t ⎛ ⎞ sơng nhánh chảy vào lưu lượng hạ lưu phải hiểu ⎜ QB + ∫ qdl⎟ ⎝ ⎠ Nhiệm vụ dự báo dựa phương pháp mực nước tương ứng đơn giản có:QB ∼t, q ∼t, có quan hệ Q=f(H) đường có Q(H) theo dọc sơng theo đường Q=f(H) có = Q(H) mặt cắt xác định dQ =f(Q) dw VQ = VQ Và τ= ΔL V = f(Q) X Sau QlB+qgia nhập theo (3.10) τQ VQ Hình 3.1 Quan hệ VQ ∼ Q Q 78 Tuy nhiên nhiều trường hợp khơng thể có đủ đường Q= f(H ' ) đoạn sông τ= Δcol ΔW = = f ( Q) ΔQ ΔQ (3.13) Trong ΔW gia tăng mặt cắt đoạn sông tương ứng với gia tăng ΔQ , Δω = Δωl -là gia tăng tổng lượng nước trung bình đoạn sơng Do tốn xác định τ theo W=f(H) Khi tìm τ theo (3.13), tương ứng với lưu lượng thượng lưu hạ lưu Trong trường hợp lưu lượng gia nhập xác định theo công thức t Qg/n= ∫0 qdl (3.14) 3.3 Xác định thời gian chảy truyền 3.3.1 Thời gian chảy truyền thời gian chảy từ mặt cắt thượng lưu (Hb) tới mặt cắt cần xác định hạ lưu (HH) τ= t(Hb) - t(HH)= Δt Tất nhiên Δt thời gian trung bình điều kiện mà ta xét Thí dụ: đỉnh lũ, chân lũ, điểm ngoặt cường xuất lũ ΔH/Δt =0 (kể cường xuất lũ xuống ) ∑ Δt n τ = i n Trong đó: số điểm đưa vào diện cần xét, vậy: • Cần tìm τ tức cần tìm Δt theo liệt cần tìm, lấy từ đường q trình H∼ t hai trạm 3.3.2 Tìm τ1 từ cơng thức (3.13), xây dựng bảng sau: Tính tốn đường lượng trữ cho đoạn sông không sông nhánh 79 Bảng 3.1 Bảng tìm thời gian chảy truyền Thời QH(m3) QB gian (Hạ lưu) (Thượng ΣΔQ (lượng trữ xuống dưới) (Q0-QH) Wm3 (Từ ΔQ đoạn sông) lưu) 30/3 4760 4210 550 8873 767 31/3 4760 3500 1260 8323 719 1/4 4310 2540 1770 7063 610 2/4 3680 1680 2000 5293 457 3/4 2680 1140 1540 3293 284 4/4 1750 851 899 1753 151 5/4 1250 716 534 854 74 6/4 1070 750 320 320 28 Xây dựng quan hệ W- Q đoạn sông W 106m3 ΔW ΔQ Hình 3.2 Quan hệ W∼ Q Q n Tổng hợp trận lũ với góc α = ΔW từ ΔQ τ1 = ∑α i n 3.3.3- Tìm τ từ công thức tốc độ mặt cắt ngang VQ Như ta biết: vQ=dQ/dw Vi phân hố ta có: dQ dV = V+ ω dω dω (3.15) 80 Rõ ràng, theo (3.15), mực nước tăng đạo hàm dq tăng tức dw dv > , có trường hợp dịng chảy vượt lên bãi H tăng, dw có tốc độ giảm Trường hợp phải xem xét phân tích Ta có trường hợp: - Khi khơng có số liệu đo đạc V, sử dụng cơng thức (Cơng thức trường hợp trước mực nước vượt bãi) V= ahni5 ω = bh (3.16) m (3.17) Trong h: độ sâu trung bình sơng i: độ dốc mặt nước; a, b, n m- hệ số Khi đó, tổng hợp giải từ (3.11), (3.15), (3.16) (3.17) tìm được: n m Vq = (1 + )V (3.18) Theo công thức Chezi, với h= h (độ sâu trung bình) n=2/3, hệ số n m m=1,5- 2,5, hệ số (1+ ) thay đổi từ 1,25 đến 1,45 lấy trung bình 1,35 - Tổng hợp số liệu tốc độ chuyển động lũ sau: Vq = 15( 10 0,10 ) α Qi F (3.19) Trong Q lưu lượng, F diện tích lưu vực(km2), i - độ dốc sông(‰), α - thông số thay đổi từ sông đồng bằng: 0,4(khi có bãi sơng lầy) đến 1,0( khơng có bãi) sơng miền núi khoảng 1,1 đến 1,4 Đối với lũ nhỏ, không ngập bãi, hệ số α(cho sơng uốn khúc) α=1,0,đối với sơng cối α= 0,75, sông nhiều cối α= 0,55 3.4- Dự báo mực nước sơng khơng sơng nhánh Như lí thuyết nói quan hệ Q~ H gần đơn thời gian chảy truyền thay đổi nên sử dụng phương pháp mực nước tương ứng phương pháp có độ xác cao Phương án Bengian (Pháp) dự báo cho sông Saint, từ 1830 Giữa kỉ 19, dùng để dự báo lũ cho sông Loir, 1864 dự báo lũ cho sông Marce, 1886 dự báo lũ cho sông khác Pháp 81 Giữa kỉ 19 lãnh đạo D.D Gnhixin Klâybep, dùng Nga, sau lại phát triển B A.A.Pollop, P.I Bưdin, GP.Kalinin, A.B.Ogiepski Dự báo mực nước điểm đặc trưng: đỉnh, chân điểm uốn khẳng định Giá trị trung gian phụ thuộc khoảng cách trạm, mặt khác phụ thuộc vào điều kiện thuỷ lực việc truyền lũ, phụ thuộc vào thay đổi giá trị mực nước quan hệ mực nước trạm trạm chặt chẽ gọi phương pháp mực nước tương ứng Quan hệ thời gian chảy truyền τ yếu tố Hb chặt chẽ Thường mực nước tương ứng kéo theo lưu lượng tương ứng trạm trạm dươí biểu thị dạng phương trình sau: QH = AH (HH+BH)m QB = AB (HB +BB)n nhận được: HH = ( Ab 1/m ) (HB +BB)n/m - BH Ah Trong AH , BH , BB m n hệ số phương trình Nếu m=n quan hệ mực nước tuyến tính Nếu quan hệ mực nước mà chặt quan hệ τ yếu tố ảnh hưởng chặt chẽ Sai số trung tính τ theo mực nước tương ứng xác định không của mực nước trạm dịng trạm sơng nhánh chảy vào Thí dụ có giao thoa sóng lũ sơng sơng nhánh, mang lại sai số lớn Vì vậy, xác định τ theo phương pháp mực nước tương ứng phải xét kỹ giao độ mực nước nơi: trạm trên, trạm trạm gia nhập Nếu thiếu số liệu gia nhập phải xét số liệu mưa Khi xác định τ cần xét trường hợp gia nhập thay đổi tốt đường trình lưu lượng Dự báo mực nước đoạn sơng ngắn chia làm trường hợp: 82 - Dự báo cho trạm với gia nhập nhỏ dùng biểu đồ sau QH,τ = QB,t QH,τ = f(QB,t) HH,t+τ = ϕ (HB,t) - Dự báo trạm với gia nhập khu lớn, lũ bẹt quan hệ sau: QH,t+τ=f(QB,t + Qg/n) HH,t+τ=ϕ(HB,t,Qg/n) Xác định τ theo cách sau: Xác định τ tương ứng theo điểm đặc trưng đỉnh, chân mức ngoặt Xác định mực nước tương ứng theo đường cong bảo đảm: Giả định K.P.Klâysép : mực nước đường đảm bảo thường gần với mực nước tương ứng 3- Xác định thời gian chảy truyền (τ) với sử dụng đường mực nước tương ứng: tìm t(HH) tìm t(HB) quan hệ, Δt= t(HH) - t(HB) - thời gian chảy truyền (Có thể dùng cho nước lên cho nước xuống) Xác định τ dựa nguyên tắc sai số xác định mực nước nhỏ Cho loạt τi τn cho sai số nhỏ dẫn đến xác định thời gian chảy truyền phương pháp G.P.Kalenin đề (xin xem bảng trang 64 dự báo thuỷ văn B.A Pollop) 3.5 Dự báo mực nước sơng có sơng nhánh Sơng gọi có sơng nhánh gia nhập khu lớn, lưu lượng khu lớn Điều phương pháp mực nước hệ thống sông là: - Xác định đường đẳng thời thời gian chảy truyền - sử dụng lưu vực lớn, nhiều sông nhánh Xác định nhiều pha khác nhau: nước trung bình, nước lớn H max, nước nhỏ Hmin.Các đường đẳng thời gian chảy truyền liên tục, đứt qng đột biến dịng chảy, thí dụ: thác, cơng trình dâng nước ( xem trang 3.1, S.Neman) Như hệ thống bố trí hệ thống quan hệ sau: HII = f2 (H1); HIII= f3 (HII,H VI) ; HIV = f (HIII); 83 HVIII=f5(HVII)) HV=f6(HVIIIHIV) Có thể bố trí với thời gian tập trung nước khác Có thể có quan hệ mực nước tuyến tính HH = a1H1+ bH2 + +anHn Tuy nhiên có quan hệ phi tuyến Do ảnh hưởng sơng nhánh lớn xác định quan hệ sau: + HHN t+24= f (ΣQt HB+PT+VQ) (cho mực nước lên, xuống) + HH= f (H1, H2) + Ht+τ = f (ΣQt, H' t sông nhánh) (cho trường hợp có số liệu Q ) (cho trường hợp thiếu số liệu Q ) Trường hợp đoạn sông dài, xảy trường hợp bẹt sóng lũ Bẹt sóng lũ xảy do: Lũ lên nhanh Do điều tiết dòng chảy bão, lũ, đê Do ao hồ điều tiết QH , T+τ = QB,T + Có thể xử lý lũ bẹt quan hệ sau: QGN +ΔQP (3.24) Trong ΔQP - lũ bẹt Có thể xử lí: ΔQP = f(QB,t ; Q H,t) (3.25) Δ QP = f( QB,t ; Q B) (3.26) hay VI I II III IV VII VIII - - - -Đường đẳng thời gianτ -o- trạm mực nước Hình 3.1 Đường thẳng đẳng thời 84 Trong Q B - lưu lượng trung bình trạm thời đoạn trước Có thể dùng quan hệ mặt nước HH,t+ τ = f (HB,t + ΔH gia nhập + ΔHP) (3.27) Trường hợp có n nhánh sơng Ht= ϕ (HB, H1nhánh,H2nhánh ,Hn nhánh)t-τ + Trường hợp thiếu số liệu gia nhập dùng QH,t+ τ= f[ΣQB.1( η1x1+ η2ht)] (3.28) hay HH,t+ τ = f [ΣQB., (η1x1+ η2ht)] (3.29) Trong η1 - hệ số dịng chảy mưa x gia nhập η2 - hệ số dòng chảy biến ht Bài tập Chương Dự báo mực nước cho lưu vực sông Lô, sông Gấm Sử dụng phương án mực nước tương ứng Tuyên Quang- Sơng Lơ Tài liệu cho: - Q trình H Q: Hàm Yên, Chuyên Hoá, Tuyên Quang (từ ngày 15/7 đến 30/9 năm 1996) - Đặc trưng lưu vực sơng Lơ, Gấm Lưu vực sơng Lơ, Gấm Diện tích: 10.245 km2 Trong đó: + Địa phận Trung Quốc: 4630 km2 + Địa phận Việt Nam: 5615 km2 Lưu vực sơng Gấm Diện tích: 14740 km2 Trong đó: + Địa phận Trung Quốc: 9527 km2 + Địa phận Việt Nam: 5213 km2 Nhiệm vụ: Vẽ phối hợp đường trình lên giấy kẻ ly 85 + Đánh dấu điểm đặc trưng ΣQHY+CH, HTQ 1, 2, HTQ + 1’, 2’, 3’ (ΣQ) + Xác định thời gian chảy truyền ΣQ∼TQ theo bảng sau: STT Trạm τ Trạm Ghi pha dòng chảy (trạm trên) Thời gian H(Q) Thời gian H(Q) b Xác định quan hệ HTQt+τ++ ∼ f (ΣQt) Đánh giá phương án theo bảng sau STT ΣQ Ngày DB Ngày Sai số dự δ2 HQT báo δ dự kiến Hdự kiến Hthực đo Σδ2 Tính hai trị số: - Độ lệch chuẩn dự báo kiểm tra : S= ∑ (H − H + ) n - Phương sai biên độ H(Q) trường hợp dự kiến σ= ∑ (ΔH t − ΔH ) n Trong ΔHt - biên độ mực nước (Q) thời gian dự kiến, hiệu số H(Q) sau thời gian dự kiến (t+τ) với H làm dự báo t ΔH - chuẩn biên độ H(Q) Các trị số S σ xác định qua bảng sau: Biểu đồ tính giá trị trung bình giá trị dự báo với giá trị chuẩn STT Ng/th/n ΔH Mực nước ΔH- ΔH (ΔHΔH ) Ht Ht+τ ΣTB Lấy tiêu S/σ để đánh giá S/σ ≤ 0,50 tốt 86 S/σ ≤ 0,60 đạt S/σ ≤ 0,80 dùng tạm S/σ > 0,80 không dùng Kết luận phương án dự báo 87 ... nên sử dụng phương pháp mực nước tương ứng phương pháp có độ xác cao Phương án Bengian (Pháp) dự báo cho sông Saint, từ 1830 Giữa kỉ 19, dùng để dự báo lũ cho sông Loir, 1864 dự báo lũ cho sông... trường hợp trước mực nước vượt bãi) V= ahni5 ω = bh (3.1 6) m (3.1 7) Trong h: độ sâu trung bình sơng i: độ dốc mặt nước; a, b, n m- hệ số Khi đó, tổng hợp giải từ (3.1 1), (3.1 5), (3.1 6) (3.1 7) tìm được:... trạm, mặt khác phụ thuộc vào điều kiện thuỷ lực việc truyền lũ, phụ thuộc vào thay đổi giá trị mực nước quan hệ mực nước trạm trạm chặt chẽ gọi phương pháp mực nước tương ứng Quan hệ thời gian chảy