PHƯƠNG PHÁP TÍNH DÒNG TRÀN QUA CÁC BỜ BAO CHỐNG LŨ Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

Hệ thống bờ bao chống lũ tháng 8 ở ĐBSCL đang được hoàn thiện nhằm bảo vệ an toàn cho thu hoạch lúa hè thu và sau đó cho lũ tràn qua để thoát lũ chính vụ, vệ sinh đồng ruộng và bồi bổ dưỡng chất cho đất. Phần tính toán lũ tràn trên bờ bao khi chênh lệch z giữa mực nước thượng, hạ lưu không lớn có ý nghĩa quan trọng trong quản lý lũ nói chung và bảo vệ an toàn bờ bao nói riêng. Vấn đề là khi z nhỏ sai số tính toán lưu lượng tràn qua bờ bao Q tỷ lệ nghịch với , nghĩa là z càng nhỏ sai số đó càng lớn. Điều này gây mất ổn định cho sơ đồ tính. Mặt khác dù sai số với z  0 trên một đơn vị chiều rộng tràn không lớn, nhưng với đường tràn là toàn tuyến bờ bao dài hàng ngàn mét trị số đó sẽ đáng kể và ảnh hưởng rõ đến mực nước ô chứa.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 PHƯƠNG PHÁP TÍNH DỊNG TRÀN QUA CÁC BỜ BAO CHỐNG LŨ Ở ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG METHOD FOR COMPUTING OVER FLOW ACROSS THE EMBANKMENTS IN THE MEKONG DELTA ThS.NCS. Nguyễn Phú Quỳnh GS.TSKH. Nguyễn Ân Niên TĨM TẮT Hệ thống bờ bao chống lũ tháng 8 ở ĐBSCL đang được hồn thiện nhằm bảo vệ an tồn cho thu hoạch lúa hè thu và sau đó cho lũ tràn qua để thốt lũ chính vụ, vệ sinh đồng ruộng và bồi bổ dưỡng chất cho đất. Phần tính tốn lũ tràn trên bờ bao khi chênh lệch ∆ z giữa mực nước thượng, hạ lưu khơng lớn có ý nghĩa quan trọng trong quản lý lũ nói chung và bảo vệ an tồn bờ bao nói riêng. Vấn đề là khi ∆ z nhỏ sai số tính tốn lưu lượng tràn qua bờ bao |∆ Q | tỷ lệ nghịch với 1/2 Δz , nghĩa là ∆ z càng nhỏ sai số đó càng lớn. Điều này gây mất ổn định cho sơ đồ tính. Mặt khác dù sai số với ∆ z ≠ 0 trên một đơn vị chiều rộng tràn khơng lớn, nhưng với đường tràn là tồn tuyến bờ bao dài hàng ngàn mét trị số đó sẽ đáng kể và ảnh hưởng rõ đến mực nước ơ chứa. ABSTRACT The system of embankment for August flood protection in the Mekong delta is being completed. Its goals are to maintain safety of yield Summer - Autumn crop and after that to allow overland flow to release high flood, to make sanitary landfill and also provide nutrition for soils. Computation of overflow across embankments in case of very small difference ∆ z between upstream and downstream water levels has a significant meaning in flood management in general and protecting embankment in particularly. Main point of the problem is that, when ∆ z being very small, error computed over flow discharge |∆ Q | is inversely proportional to 1/2 Δz . It means that, the smaller ∆ z the bigger |∆ Q | . This situation causes instability for computational schemas. On the other hand, while error |∆ Q | with ∆ z ≠ 0 for a length unit of weir is not so big, but for overflow with of whole embankment in thousands meters this error has significant value and obvious effect on variation of water levels of embanked field cell. 22 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 23 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Quy trình tháo nước vào các ơ bao chống lũ tháng 8 (chống ngập vào đầu mùa lũ để an tồn gặt lúa hè thu) là: Mở cống khi mực nước thượng lưu gần mấp mé bờ bao để tháo nước lũ vào ơ ruộng để tới khi nước tràn bờ thì khơng có sự chênh lệch lớn giữa mực nước thượng hạ lưu để tốc độ nước tràn qua bờ bao khơng lớn và khơng gây bào mòn bề mặt và sạt lở cơng trình chủ yếu bằng đất, hơn nữa lại là đất có kết cấu yếu của Đồng bằng sơng Cửu Long. Về mặt tính tốn như trong [1] đã phân tích sơ đồ tính mất ổn định khi mực nước thượng - hạ lưu chênh lệch khơng lớn và đương nhiên cơng trình lúc đó làm việc với với chế độ chảy ngập. Trong trường hợp đó ta lưu ý là lưu lượng qua tràn hay qua cống dưới bờ bao tỉ lệ với (Z th – Z h ) 1/2 trong đó Z th - mực nước thượng lưu, Z h - mực nước hạ lưu. Ta có thể viết chung cho trường hợp chảy ngập như sau: 1/2 hth )ZM(ZQ −= (1) Trong đó: Cho đập tràn đỉnh rộng chảy ngập: g2bhM hn ϕ= Với: ϕ n : Hệ số lưu tốc. b: Chiều rộng tràn. h h = Z h - Z ng : Chiều sâu chảy ngập. Z ng : Cao trình ngưỡng tràn. g: Gia tốc trọng trường. Cho cống dưới bờ bao (đê) g2M µω= Với: µ: Hệ số lưu lượng của cống. ω: Diện tích lỗ cống. Cách xử lí trong trường hợp này [1] đề ra như sau: Chọn một trị số ∆z rất nhỏ (chẳng hạn ∆z =0,01m) và lưu lượng qua cơng trình tính theo cơng thức.      ∆≤−∆− ∆>−− = zZZkhiz/)ZZ(M zZZkhi)ZZ(M Q hth 2/1 hth hth 2/1 hth (2) Trong trường hợp (Z th – Z h ) ≤ ∆z, thì sai số tuyệt đối tính lưu lượng là: VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 24 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 2/1 hth 2/1 hth )ZZ( z ZZ MQ −− ∆ − =∆ Và sai số tương đối: 1 z )ZZ( Q Q 2/1 2/1 hth − ∆ − = ∆ Rõ ràng khi 4 z ZZ hth Δ =− có Z 2/1 max Q 4 1 zM 4 1 Q ∆ =∆=∆ Khi ∆z = 0,01m, thì |∆Q| max = 0,025M Ta quan tâm đến lưu lượng ∆Q max và tương ứng %50 Q Q 4/ZZZ hth = ∆ ∆=− Tuy nhiên vì M hữu hạn và có cơ bậc 10 nên sai số về lưu lượng tuyệt đối khơng lớn dẫn đến sai số tính mực nước Z các ơ ruộng hoặc mặt cắt khơng lớn. Song với đường tràn là tồn bộ bờ bao dài hàng ngàn mét trị số M sẽ ở bậc 10 3 và bây giờ sai số tính mực nước sẽ khơng còn bỏ qua được. Trong [3, 4] chúng tơi thay cơng thức tính qua cơng trình chảy ngập bằng phương trình chuyển động của hệ Sant-Venant với mặt cắt là mặt cắt ơ đồng (đáy là cao trình đồng) và đưa vào hệ số cản trở phụ. xg2 ∆ ξ += đ kk (3) Với RC 1 2 = đ k C: Hệ số Chézy. R: Bán kính thủy lực (lấy bằng chiều sâu ơ đồng). ∆x: Khoảng cách giữa 2 tâm ơ đồng. ξ được tính như sau. - Cho tràn: 2 n bh         ϕ =ξ n đ A ; Với A đ : Diện tích mặt cắt ơ đồng - Cho chảy dưới cửa cống (lỗ): 2         ω =ξ đ A Việc đưa hệ số cản tổng hợp (3) đã lập lại dòng chảy trên đồng và mạng lưới tính tốn chỉ bao gồm các đường dẫn (sơng, kênh, chuỗi ơ đồng). 25 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 Tuy nhiên cách làm trên cần phải biến đổi cho phù hợp với tập hợp các cơng trình tháo (tràn, lỗ) kết hợp với tràn trên mặt bờ bao. II. CẢI TIẾN MỘT BƯỚC CƠNG THỨC TÍNH QUA CƠNG TRÌNH KHI MỰC NƯỚC THƯỢNG HẠ LƯU XẤP XỈ NHAU Trong [1] chứng minh rằng khi sử dụng cơng thức tính lưu lượng Q cho mực nước xấp xỉ nhau với Z th – Z h ≤ ∆z thì sơ đồ tính sẽ ổn định (cho sơ đồ hiện bước thời gian ∆t tính qua cơng trình khơng nhỏ hơn bước tính cho tồn mạng) thì trong cơng thức (2) hiệu số Z th – Z h phải có số mũ lớn hơn 1. Để tổng qt ta đặt m2/1 m1 hth z )ZZ( MQ + + ∆ − = δz = Zth - Zh≤∆z (4) Sai số tuyệt đối tính lưu lượng là ( ) 2/1 hth m2/1 hth ZZ1 z ZZ MQ −         −       ∆ − =∆ + Trị số tuyệt đối max |∆Q| max sẽ đạt được khi δZ = Z th - Z h đạt giá trị δZ 0 (lấy đạo hàm |∆Q| theo δZ và cho bằng 0) δz0 = k0∆z; 2/1m 1 0 )]m1(2[ 1 k + + = và |∆Q| max =k Q |Q| δ Z= ∆ Z (5) 2/1 0 m2/1 0Q k)k1(k + −= (6) Bước thời gian giới hạn để sơ đồ hiện ổn định theo [1] là mm2/1 t zzkt −+ δ∆≤∆ (7) và ∆tgh = kt∆z1/2 (8) Vì dĩ nhiên với δz < ∆z<< 1, trị số ở vế phải của bất đẳng thức (7) sẽ lớn hơn trị số ∆t gh trong cơng thức (8) ví dụ ứng với δz 0 , khi sai số |∆Q| max trị số của vế phải bất đẳng thức (7) bằng ∆t gh nhân với hệ số mm 0 k/1k = − và nếu sử dụng cơng thức tính lưu lượng theo (4) với m>0, thì càng tiến tới cân bằng mực nước thượng hạ lưu sơ đồ tính (hiện) càng bền vững (ổn định). Ví dụ: Với m = 0,1 ta có k 0 = 0,269; k Q =0,283 và ứng với δz 0 vế phải bất đẳng thức (7) là 1,14 ∆t gh . Khi δZ → 0 thì giới hạn trên của bước thời gian ∆t → VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 26 Với: TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 ∞. Trị số |∆Q| max ứng với m = 0 là Z Q 4 1 ∆ và cho m = 0,1 là 0,283 Q ∆ z với chiều rộng tràn lớn, ví dụ với ∆z = 0,01m, chiều rộng tràn tồn bộ bờ bao b = 1.000m thì Q ∆ Z ≈ 400 m³/s và |∆Q| max ≈ 100 m³/s, nếu chiều dài ơ chứa là 6km (S = 1.000 x 6.000 =6 x 10 6 m² ) thì trong bước tính cỡ ∆t = 600s, sai số |∆Q| max cho ta sai số tính mực nước. m01,0 10x6 600x100 z 6 max =≅δ Sai số này tương đương với trị số ∆Z ≈ 0,01m sử dụng trong cơng thức tính (2) là điều khó chấp nhận được. Từ đó để cải thiện hơn tính bền vững của sơ đồ tính và giảm sai số ta thực hiện theo 2 bước sau: Tính Q khi δz ≤ ∆z bằng cơng thức (4) với 0<m<< 1, chẳng hạn lấy m = 0,1 Điều chỉnh cơng thức tính Q lần nữa để giảm sai số tuyệt đối khi tính lưu lượng. Ta khảo sát đồ thị hàm |∆Q| khi δz biến đổi từ 0 đến ∆z như hình vẽ 1. Ta sẽ điều chỉnh Q với lượng δQ lấy theo đường thẳng khơng liền nét trên hình 1         δ δ         δ−δ δ−δ −+ δ−∆ δ−∆         δ−δ δ−δ + ∆ −=δ 00 0 00 0 max 11 2 z z zz zz zz zz zz zz Q Q (9) 27 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM ∆z δz 0 δz ∆Q∆Q max Hình 1: Biến đổi ∆ Q  theo δ z TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 Cơng thức (9) cho ta khi δz >δz o tính nội suy max o |Q| zz zz Q Δ δΔ δΔ δ − − = và ngược lại khi δz <δz o tính nội suy max o Q |Q| z z ∆ δ δ =δ . Khi lập trình thì với δz = δz o cho δQ = 0. Như vậy cơng thức tính Q khi mực nước thượng hạ lưu xấp xỉ nhau với δz = Z th – Z h ≤ ∆z là:               − − ++ − −         − − +−= oo o oo o max 0,6 1,1 z z zz |zz| 1 zz zz zz zz| 1|Q| 2 1 z z MQ δ δ δδ δδ δΔ δΔ δδ δδ Δ Δ δ (10) Với δz o =k o ∆z; |∆Q| max = k Q Q ∆ z tính theo (5) và (6) và với m = 0,1, k o = 0,296, k Q = 0,283. Với việc chỉnh số liệu tính lưu lượng trường hợp δz < ∆z<<1 cho ta sai khác lưu lượng tính tốn khơng lớn (có thể đánh giá bằng khảo sát hàm số δQ mới) và bây giờ sai số tính mực nước ơ ruộng δz max sẽ nhỏ hơn δz một bậc và chấp nhận được. III. TÍNH TỐN HỆ SỐ CẢN PHỤ KHI VỪA CĨ CỐNG THÁO NƯỚC VỪA CĨ ĐƯỜNG TRÀN BỜ Trong các bài viết trước đã chứng minh có thể tính tốn dòng chảy qua cơng trình trao đổi nước giữa các ơ ruộng bằng việc trở lại hệ phương trình Saint – Venant cho dòng chảy trong kênh, sơng. Nói cách khác ta đã lập lại dòng chảy trong đồng như một thủy đạo với phương trình chuyển động. 0|v|kv x z t v g 1 =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ Chỉ có ở đây lưu tốc là ứng với mặt cắt đồng và hệ số cản k đã bao gồm cả hệ số tổn thất cột nước qua cơng trình. Trước hết ta giới hạn cống tháo nước là một tràn (đỉnh rộng) chảy ngập. Như vậy là trong tập hợp cơng trình của ta có cả tràn tháo nước với cao trình ngưỡng thấp hơn cao trình bờ bao khá nhiều thậm chí ở mực xấp xỉ cao trình mặt ruộng, đó là chưa kể nếu đây là cống trên kênh cấp 3 thì cao trình ngưỡng cống còn thấp hơn cả cao trình đồng. Các cống tháo này khi nước cao tràn bờ sẽ kết hợp với dòng tràn bờ sẽ tạo thành cấu trúc dòng chảy phức tạp trên đồng mà phải mơ tả bằng dòng chảy 2 chiều ngang. Tuy nhiên bằng cách đưa vào cản trở phụ có thể giải quyết trong khn khổ bài tốn một chiều (phát triển bài tốn 1D + thành bài tốn 1D 2+ [3,5]) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 28 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 Giả sử khi nước cao dòng tháo qua cơng trình (tạm thời xem trường hợp có 1 cơng trình tràn) và tràn qua bờ bao - ký hiệu b - chiều rộng cơng trình tháo và B - chiều rộng bờ bao tràn nước. Ta có Q tháo tổng cộng bằng ( ) ( ) hnb b n b nnn ZZ2gBhbhQ −ϕ+ϕ= (11) Ở đây: ϕ n , ϕ nb : Hệ số lưu tốc chảy ngập qua cơng trình tháo ϕ n = 0,92 -0,96 và tràn bờ bao (ϕ nb = 0,80 -0,84). h n = Z h – Z ng với Z h : Mực nước hạ lưu. Z ng : Cao trình ngưỡng cơng trình. h nb = Z h – Z b với Z b : Cao trình trung bình mặt bờ bao. Từ đó ta có ( ) xΔ 2 đc 2 b n b nnn 2 hth vk Bhbh2g Q ZZ = ϕ+ϕ =− (12) Trong đó: đ đ A v Q = ; ∆x: Khoảng cách giữa 2 ơ đồng thượng hạ lưu Từ (12) ta rút ra hệ số cản cục bộ k c là ( ) xBhhb2g A k 2 b n b nnn 2 đ c Δ ϕ+ϕ = (13) Trong trường hợp tổng qt có nhiều cống tháo nước thì xBhhb2g A k 2 i b n b niini 2 đ c Δ       ϕ+ϕ = ∑ (14) Nếu cơng trình tháo là cống với diện tích mặt cắt ω và hệ số lưu lượng µ và giả sử có nhiều ống cống j, nhiều tràn i thì 2 i b n b n j jj i nini 2 đ c Bhhbx2g A k         ϕ++ϕ∆ = ∑ ∑ ωμ (15) Hệ số cản k tồn bộ trong phương trình (11) sẽ là 29 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 c k hC 1 k += đ 2 đ Với C đ : Hệ số Chézy trên đồng h đ = Z h - Z ođ , Z ođ : Cao trình mặt ruộng 2/3 đ đ đđ h n hC = n đ : Hệ số nhám trên đồng Tính tốn tràn bờ bao kết hợp các cơng trình tháo nước bằng cách này đơn giản hơn mà lại có thể lập lại dòng chảy trên đồng tiện cho việc tính tốn truyền chất (chua phèn, mặn, thành phần nguồn nước, phù sa v.v…). IV. THẢO LUẬN Để tính tốn dòng chảy qua các bờ bao kết hợp với cơng trình tháo khi mực nước các ơ ruộng liền kề xấp xỉ nhau ta đã làm như sau: Trước hết nếu tính theo phương pháp truyền thống tức ứng dụng cơng thức tính lưu lượng qua cơng trình bình thường thì các vấn đề nêu ra trong bài báo cho thấy phải cải tiến cách tính trong [1] để sơ đồ hiện ổn định (bền vững) và sơ đồ ẩn hội tụ nhanh đồng thời hạn chế bậc sai số của sơ đồ tính, nghiên cứu cho thấy vấn đề khá phức tạp nhưng vẫn có cách giải quyết và việc thêm số mũ m<<1 cho cột nước chênh lệch chỉ làm tốt thêm tính bền vững (ổn định) sơ đồ tính. Nếu dùng sơ đồ tính lập lại dòng chảy trên đồng với việc đưa vào hệ số cản phụ như trong [3,5] thì vấn đề dễ giải quyết hơn và chỉ cần thay đổi cơng thức tính hệ số cản phụ cho phù hợp như đã làm ở trên. Phương pháp này còn cho phép dễ lập trình và sử dụng được các module tính cho kênh, sơng. Nếu phải xem xét ở những thời điểm lưu lượng riêng rẽ qua cơng trình tháo nước và qua tràn bờ thì khi áp dụng cách 2 phải trở lại cơng thức ngun thủy tính lưu lượng qua cơng trình chỉ có điều là trong trường hợp này mực nước thượng hạ lưu cơng trình phải điều chỉnh phần chênh lệch mực nước do độ nghiêng mặt nước chảy trên đồng. Điều này ở đây là rất cần thiết khi cần phải kiểm sốt lưu tốc tràn bờ bao sao cho khơng nguy hiểm đến việc sạt lở chúng. V. KẾT LUẬN Với việc phát triển bờ bao trên vùng ngập lũ ĐBSCL và cách quản lý linh hoạt ngăn lũ đầu vụ để an tồn gặt lúa hè thu và xả nước vào ơ ruộng lúc lũ chính vụ vừa giảm áp lực lũ vừa cải thiện mơi trường và bồi đắp dưỡng chất cho đồng ruộng thì việc tính tốn dòng tràn bờ bao với độ chính xác đạt u cầu là rất quan trọng. Chúng tơi đã đưa ra việc cải tiến cơng thức truyền thống tính qua cơng trình tháo nước và phương pháp lập lại dòng chảy trên đồng xem các cơng trình tháo nước tạo nên cản trở cục bộ (Gọi là cản trở phụ tuy trị số có thể vượt xa cản VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 30 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 trở dọc đường). Phương pháp thứ hai này sẽ là phương pháp được áp dụng khi xây dựng sơ đồ tính. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Ân Niên (1984). Phương pháp tính dòng khơng ổn định trong điều kiện châu thổ các sơng lớn. Luận án TSKH, Leningrad (tiếng Nga). 2. Nguyễn Ân Niên và nnk (2004). Nghiên cứu giải pháp quản lý hệ thống cơng trình kiểm sốt lũ Tứ Giác Long Xun. Đề tài trọng điểm cấp Bộ. 3. Nguyễn Ân Niên, Đỗ Tiến Lanh và nnk (2004). Cải tiến sơ đố KOD01 để tính lũ tràn đồng và ứng dụng tính hồn ngun lũ năm 2000. Chun đề đề tài cấp Nhà nước KC08-14. 4. Nguyễn Ân Niên, Đỗ Tiến Lanh, Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Văn Minh (2004). “Giới thiệu bộ chương trình KOD – WQPS tính lũ tràn đồng và lắng đọng phù sa”. Tạp chí KHKT thủy lợi và mơi trường. 5. Đỗ Tiến Lanh (2005). Nghiên cứu phân bố lắng đọng phù sa của dòng lũ tràn đồng vùng Tứ giác Long Xun (ĐBSCL). Luận án Tiến sỹ kỹ thuật. Người phản biện: PGS.TS. Tăng Đức Thắng 31 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM . khi nước cao dòng tháo qua cơng trình (tạm thời xem trường hợp có 1 cơng trình tràn) và tràn qua bờ bao - ký hiệu b - chiều rộng cơng trình tháo và B - chiều rộng bờ bao tràn nước. Ta có Q. nước thượng - hạ lưu chênh lệch khơng lớn và đương nhiên cơng trình lúc đó làm việc với với chế độ chảy ngập. Trong trường hợp đó ta lưu ý là lưu lượng qua tràn hay qua cống dưới bờ bao tỉ lệ. ) hnb b n b nnn ZZ2gBhbhQ −ϕ+ϕ= (11) Ở đây: ϕ n , ϕ nb : Hệ số lưu tốc chảy ngập qua cơng trình tháo ϕ n = 0,92 -0 ,96 và tràn bờ bao (ϕ nb = 0,80 -0 ,84). h n = Z h – Z ng với Z h : Mực nước hạ lưu. Z ng :