Tài liệu Thuỷ lực sông ngòi

1 Hỗ trợ tăng cờng năng lực cho Trờng Đại học Thuỷ lợi THY LC SễNG NGềI TP I CC NI DUNG Lí THUYT GS.TS H VN KHI GS.TSKH NGUYN N NIấN PGS.TS TT TC WRU/ SCB Hà nội, năm 2007 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 5 PHẦN 1: DIỄN TOÁN DÒNG CHẢY TRONG SÔNG 6 CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 6 1.1. Hệ thống sông 7 1.2. Các biến của sông bồi tích 8 1.3. Khái niệm về hình thái sông 10 1.4. Đặc điểm của dòng chảy trong sông 11 CÂU HỎI CHƯƠNG 1 22 CHƯƠNG 2: DIỄN TOÁN DÒNG CHẢY TRONG SÔNG THEO MÔ HÌNH THÔNG SỐ TẬP TRUNG 23 2.1. Giới thiệu chung 23 2.2. Diễn toán dòng chảy trong sông theo mô hình thông số tập trung 26 CÂU HỎI CHƯƠNG 2 47 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THÔNG SỐ PHÂN BỐ 48 3.1. Mở đầu 48 3.2. Hệ phương trình Saint – Venant 48 3.3. Phân loại các mô hình thông số phân bố 51 3.4. Chuyển động của sóng và tốc độ truyền sóng 57 CÂU HỎI CHƯƠNG 3 61 CHƯƠNG 4: DIỄN TOÁN DÒNG CHẢY THEO MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC 62 4.1. Phương pháp sai phân hữu hạn 62 4.2. Giải bài toán sóng động học bằng phương pháp sai phan hữu hạn 65 CÂU HỎI CHƯƠNG 4 77 CHƯƠNG 5: DIỄN TOÁN MÔ HÌNH SÓNG KHUẾCH TÁN 78 5.1. Mô hình sóng khuếch tán 78 5.2. Diễn toán dòng chảy tuyến tính trong kênh không có nhập lưu bên bằng phép biến đổi Laplace 80 5.3. Diễn toán dòng chảy tuyến tính có nhập lưu bên 84 5.4 Diễn toán dòng chảy phi tuyến 84 CÂU HỎI CHƯƠNG 5 90 3 PHẦN 2: THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG 91 CHƯƠNG 6: MỞ ĐẦU 91 6.1. Chọn chiều của bài toán [35] 91 6.2. Hỗn hợp các bài toán 93 6.3. Hiệu ứng nhớt [26],[28] 94 6.4. Dòng chảy rối 96 CHƯƠNG 7: THIẾT LẬP BÀI TOÁN THỦY LỰC 99 7.1. Hệ phương trình vi phân của bài toán 99 7.2. Bài toán thuỷ lực một chiều (1D)[31] 103 CÂU HỎI CHƯƠNG 7 116 CHƯƠNG 8: DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH 117 8.1. Dòng chảy ổn định đều [29],[35] 117 8.2. Dòng chảy ổn định không đều 126 CHƯƠNG 9: DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH 142 9.1. Hệ số cản trong dòng không ổn định [19], [29] 142 9.2. Phương pháp số giải hệ phương trình Saint – Venant cho bài toán một chiều [19][29],[30],[33] 143 9.3. Giới thiệu sơ đồ tính 151 9.4. Số liệu đầu vào [26],[29],[30] 162 9.5. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 165 CHƯƠNG 10: DÒNG CHẢY TRONG KÊNH SÔNG CONG 167 10.1. Hệ phương trình cơ bản [22],[24],[28] 167 10.2. Tốc độ ngang của dòng chảy xoắn phát triển hoàn toàn [22],[24],[28] 169 10.3. Bài toán của dòng chảy trong sông cong 174 BÀI TẬP PHẦN 2 177 PHẦN 3: VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ CHỈNH TRỊ SÔNG 184 CHƯƠNG 11: DÒNG CHẢY BÙN CÁT TRONG SÔNG 184 11.1 Nguồn gốc bùn cát sông ngòi 184 11.2 Các đặc trưng của bùn cát sông ngòi [48][49] 184 11.3 Trạng thái chuyển động ban đầu của bùn cát không cố kết 191 11.4 Thiết kế kênh dẫn ổn định 197 11.5 Lòng sông và độ nhám lòng sông 204 4 CHƯƠNG 12: QUAN HỆ HÌNH THÁI – LƯU LƯỢNG 207 12.1 Phương pháp Engelund [46][49] 207 12.2 Phương pháp Van Rijn [46][49] 209 12.3 Phương pháp Karim-Kennedy [46][49] 210 CHƯƠNG 13: LƯU LƯỢNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT 212 13.1 Công thức tính suất chuyển cát đáy [46] [48][50] 212 13.2 Công thức tính sức tải cát lơ lửng [46][48][50] 216 13.3 Tổng lượng vận chuyển bùn cát 218 13.4 Mô hình vận chuyển bùn cát [51] 219 CHƯƠNG 14: CHỈNH TRỊ SÔNG 224 14.1 Những yếu tố thủy lực trong sông 225 14.2 Xói và các bài toán liên quan đến xói 229 14.3 Cơ sở phân tích các đặc trưng hình học-thuỷ lực 235 14.4 Phân tích hình thái sông 236 14.5 Đặc điểm và phân loại công trình chỉnh trị sông 237 14.6 Các nguyên tắc chung về chỉnh trị sông 241 14.7 Công trình bảo vệ bờ 244 14.8 Đê bao 247 PHẦN 4: CHẤT LƯỢNG NƯỚC 249 CHƯƠNG 15: MỞ ĐẦU 249 15.1. Các chất hoà tan và chỉ số về nhiễm bẩn [12,22] 249 15.2. Phân loại và tiêu chuẩn nguồn nước 253 15.3. Quá trình đối lưu (vận chuyển) và quá trình phân tán [22,25] 253 CHƯƠNG 16: MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC 258 16.1. Phương trình vi phân cơ bản của bài toán truyền chất một chiều [22,27] 258 16.2. Miền xác định và diều kiện bờ[12,25] 258 16.3. Phân tích đặc trưng của bài toán[12,22] 259 16.4. Giới thiệu mô hình tính 260 16.5. Xâm nhập mặn [12] 265 TÀI LIỆU THAM KHẢO 268 5 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Thuỷ lực sông ngòi” được biên soạn theo chương trình đào tạo cao học Ngành Thuỷ văn học, Chỉnh trị sông và bờ biển và Phát triển nguồn nước và có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sinh thuộc lĩnh vực này. Nội dung của giáo trình gồm 13 chương, được chia thành 4 phần với các nội dung được trình bày theo hướng tiếp cận những phương pháp nghiên cứu hiện đại trên thế giới về thuỷ lực sông ngòi. Phần I: Diễn toán dòng chảy tr ong sông (5 chương): Trình bày đặc điểm dòng chảy trong sông thiên nhiên và những vấn đề cần nghiên cứu của thuỷ lực sông ngòi; giới thiệu khái quát các phương pháp diễn toán dòng chảy trong sông thiên nhiên; giới thiệu các phương pháp diễn toán theo mô hình thông số phân bố, mô hình sóng động học, mô hình sóng động lực và mô hình sóng khuếch tán. Phần II: Thuỷ động lực học dòng chảy sông ngòi (5 chương): Giới thiệu đặc điểm chế độ thuỷ lực và các bài toán động lực học dòng chảy trong sông; vấn đề mô phỏng thuỷ lực và tổng quan các mô hình dòng chảy hở một chiều, hai chiều và ba chiều; giới thiệu các phương pháp số giải bài toán thuỷ lực dòng chảy hở trong hệ thống sông và các phần mềm ứng dụng; trình bày đặc điểm chế độ thuỷ lực và các phương pháp tính thuỷ lực đối với các đoạn sông cong. Phần III: Vận chuyển bùn cát và chỉnh trị sông ( 4 chương): Giới thiệu đặc điểm chế độ bùn cát và vận chuyển bùn cát trong sông; vấn đề về quan hệ hình thái sông; lưu lượng bùn cát và các phương pháp tính lưu lượng bùn cát; phưong pháp số tính vận chuyển bùn cát trong sông; các biện pháp chỉnh trị sông và những vấn đề liên quan đến ổn định lòng dãn khi thiết kế kênh. Phần IV: Mô hình chất lượng nước (2 chương): Giới thiệu những khái niệm cơ bản về chất lượng nước; phương phá p mô phỏng quá trình truyền chất dòng chảy trong sông; các mô hình chất lượng và phương pháp số giải bài toán truyền chất trong sông. Giáo trình do PGS.TS Đỗ Tất Túc, GS.TSKH Nguyễn Ân Niên, GS. TS Hà Văn Khối biên soạn. GS.TS Hà Văn Khối biên soạn phần I; GS.TSKH Nguyễn Ân Niên biên soạn phần II và phần IV; PGS.TS Đỗ Tất Túc biên soạn phần III. Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học thuỷ lợi, dự án DANIDA đã hỗ trợ và tạo điều kiện cho chúng tôi hoàn thành tài liệu này. Cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến và những nhận xét bản thảo của chúng tôi. Giáo trình “Thuỷ lực sông ngòi” lần đầu tiên đư ợc biên soạn ở Việt nam chắc chắn sẽ có những hạn chế nhất định. Rất mong người đọc đóng góp nhiều ý kiến để giáo trình có chất lượng hơn cho những lần xuất bản tiếp theo. Các tác giả 6 PHẦN 1: DIỄN TOÁN DÒNG CHẢY TRONG SÔNG CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU Khai thác các nguồn lợi sông ngòi liên quan đến việc kiểm soát và sử dụng các dòng sông vì lợi ích của loài người. Về nghĩa rộng, nó bao gồm chỉnh trị sông, thiết kế kênh, kiểm soát lũ, cấp nước, cải thiện giao thông, thiết kế công trình thuỷ lợi, giảm thiệt hại, và bảo vệ và cải tạo môi trường. Khi khai thác các nguồn lợi của sông ngòi bằng các biện pháp công trình (như là xây đập, kênh mương hoá, phân dòng, xây dựng cầu, khai thác cát sỏi ), cần xem xét các phản ứng của sông ngòi xảy trong thời gian ngắn hoặc có thể tồn tại trong một thời gian dài, sự thay đổi bản chất về kiểm soát và sử dụng. Đánh giá sự phản ứng của sông ngòi là cần thiết cho các giai đoạn quy hoạch và thiết kế công trình. Sử dụng các nguyên tắc cơ bản về kỹ thuật công trình và đánh giá chế độ diễn biến bùn cát trong sông là yêu cầu bắt buộc trong việc phân tích các điều kiện cụ thể của mỗi công trình trên sông. Nghiên cứu các quy luật về ch uyển động dòng chảy trong lòng dẫn hở trong đó có dòng chảy trong sông thiên nhiên là cơ sở cho việc thiết kế, quy hoạch các công trình thuỷ lợi và kiểm soát lũ lụt. Lịch sử phát triển kỹ thuật sông ngòi đã có từ rất lâu. ở Ai- cập đã sử dụng đập trữ nước trên sông Nile sau đó phân phối nước qua kênh dẫn dòng. Người Trung quốc đã biết sử dụng hệ thống đê chống lũ từ hàng nghìn năm trước. Các đường ống cấp nước và kênh thoát nước được xây dựng 3000 năm trước công nguyên được tìm thấy trong lưu vực sông Indus. Cống dẫn nước đã được sử dụng từ thời La mã cổ đại, chuyển nước từ các suối vào các bể chứa. Các cống có hình chữ nhật phù hợp với điều kiện tự nhiên về địa hình và độ dốc. Lưu lượng dòng chảy trong cống thời đó xá c định như diện tích mặt cắt ngang mà không đề cập đến vận tốc hay độ dốc. ở Việt nam các kênh đào đã được hình thành từ thời phong kiến, điển hình là việc mở rộng sông Đuống và kênh Nhà Lê. Tuy nhiên, tất cả các ứng dụng thành công đó hầu hết dựa vào kết quả từ các kinh nghiệm trong xây dựng các công trình thuỷ lợi mà chưa có các nghiên cứu l ý thuyết một cách bài bản. Quy luật vận chuyển của dòng chảy trong kênh hở được nghiên cứu khá kỹ đặc biệt là sự thực hiện các mô hình thí nghiệm có tính cơ bản trong các phòng thí nghiệm. Trong sông thiên nhiên các quy luật vận chuyển nước trong lòng dẫn rất phức tạp và có sự khác biệt so với điều kiện lý tưởng, bởi vậy những nghiên cứu về dòng chảy hở vẫn tiếp tục đư ợc nghiên cứu nhằm là chính xác hơn những tính toán thuỷ lực trong sông thiên nhiên. Thuỷ lực kênh hở nghiên cứu các hiện tượng vật lý của dòng chảy với mặt thoáng tự do và hình thành do lực trọng trường. Kênh hở tự nhiên bao gồm các sông suối và cửa sông, các kênh nhân tạo gồm các đường cống thoát nước mưa (không áp), nước thải, rãnh thoát nước, kênh tưới và các kênh phâ n lũ. ứng dụng thuỷ lực kênh hở trong việc thiết kế các kênh nhân tạo như tưới, tiêu, cấp nước và vận chuyển chất thải; phân tích lũ trong các sông suối tự nhiên; mô tả các vùng ngập lụt và đánh giá các thiệt hại 7 do lũ lụt với một tần suất nào đó gây ra. Thuỷ lực kênh hở cũng được ứng dụng mô tả sự vận chuyển chất bao gồm bùn cát và chất ô nhiễm, ngoài ra còn có thể ứng dụng trong việc dự báo sự ngập lụt do vỡ đập hay lũ lụt do bão. Các vấn đề phức tạp được giải quyết trong dòng chảy kênh hở được kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm . Các nguyên tắc cơ bản được thoả mãn đối với các phương trình liên tục, bảo toàn năng lượng và cân bằng mô men. Nhưng thường phải sử dụng đến các thí nghiệm để hoàn thành các vấn đề. Người ta đã sử dụng kết hợp các phương pháp hình học để mô tả các mặt cắt phức tạp khi mô tả các phương trình phi tuyến. Phân tích dòng chảy không ổn định hay sự biến đổi của các vấn đề về ngập lụt đòi hỏi thời gian tính toá n dài trên may tính. Ngày nay, với sự phát triển của máy tính cá nhân và các trạm máy chuyên dụng đã cung cấp có hiệu quả và linh hoạt giải quyết các vấn đề đơn giản đến phức tạp của thuỷ lực kênh hở đặc biệt là mạng sông có cấu trúc phức tạp. Ở Việt nam lĩnh vực thuỷ lực sông ngòi đã nghiên cứu trong nhiều năm nay, các mô hình toán đã đư ợc ứng dụng và phát triển. Một số mô hình đã được các nhà khoa học Việt nam thiết lập, điển hình là các mô hình VRSAP (1978) của cố Giáo sư Nguyễn Như Khuê, mô hình KOD01 (1974) và KOD02 (1985) của GS Nguyễn Ân Niên và một số mô hình khác. Các mô hình này đã được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất ở nước ta. Các mô hình của nước ngoài như mô hình SOGREAH (1964) đã được sử dụng nghiên cứu bài toán lũ tràn đồng ở Đồng Bằng Sông Cửu Long và gần đây là một số m ô hình khác như MIKE 11 (1996), MIKE Flood (2000) và MIKE 21C đã được sử dụng. Điều đó cho thấy việc ứng dụng các mô hình diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông là rất quan trọng trong thực tế sản xuất ở nước ta, đặc biệt là các bài toán kiểm soát lũ đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Mục đích cuốn sách này trình bày các kỹ thuật mô phỏng số hiện đại giải quyết các vấn đề thuỷ lực tr ong kênh hở và nhấn mạnh các kết quả thí nghiệm và ứng dụng của chúng trong dòng chảy kênh hở. Các vấn đề thay đổi hình thái trong các sông bồi lắng cũng được nghiên cứu. Tóm lại, tập trung vào ứng dụng các nguyên tắc cơ bản của cơ học chất lỏng trong các vấn đề của dòng chảy trong kênh hở, trong đó các giả thiết và giới hạn của các mô hình số được giải quyết. Kết hợp giữa lý thuyết, thực nghiệm v à kỹ thuật số được áp dụng và cung cấp kiến thức tổng hợp về cơ học chất lỏng hiện đại. Các mô hình thuỷ văn và thuỷ lực sử dụng trong diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông đều được đề cập trong tài liệu này. Ngoài ra các vấn đề về động lực lòng sông và các mô hình truyền chất cũng đư ợc trinh bày trong tài liệu này. 1.1. Hệ thống sông Một con sông nằm trong một hệ thống sông, bao gồm cả khu vực tập trung nước và hồ chứa hạ lưu, hoặc đại dương. Schumm (1977, [8]) đã chia hệ thống s ông thành ba phần (xem hình 1-1): 8 - Vùng 1 ở thượng nguồn: là phần lưu vực sinh thuỷ, hầu hết lượng nước trong sông và bùn cát sinh ra ở vùng này. Các dòng suối nhỏ trong vùng có đặc điểm không ổn định. Bởi vì các kênh không ổn định, việc nghiên cứu hình thái dòng chảy chỉ có thể thực hiện một cách tổng quát và thường không được nghiên cứu chi tiết. Vùng 2: là đoạn sông có chế độ dòng chảy sông ngòi ổn định nhất. Đối với các sông lớn thì chiều dài của vùng tương đối lớn, nhưng nhập lưu khu giữa của vùng này nhỏ. Đây là đoạn sông được quan tâm nghiên cứu, các mô hình hoá và mô hình kiểm soát được thực hiện. Mặc dù sự ổn định tương đối, kênh sông, là một hệ thống động lực, vẫn thay đổi nhanh và rõ rệt theo thời gian. Vùng 3 gần cửa sông: Đây là đoạn sông bị ảnh hưởng bởi thuỷ triều, cao trình đáy thường thay đổi, lòng dẫn biến động nhiều. C ác sông trong vùng này thường quanh có và có nhiều đoạn có hình xoắn. Hình 1-1: Phân chia hệ thống sông 1.2. Các biến của sông bồi tích Sông bồi tích là sông tự hình thành tạo đáy và bờ lòng dẫn bởi quá trình bồi đắp hoặc xói mòn và phù sa được vận chuyển đi bởi nó giống như nó tạo nên bờ và đáy. Sự hình thành và phát triển của hệ thống sông ngòi phụ thuộc vào nhiều yếu tố và được mô tả bằng các tham số đặc trưng gọi là “biến”. Địa hình tự hình thành của sông bồi tích bao gồm nhiều biến. Sự đa dạng của các biến đã làm cho hình thái sông và cơ chế sông là một chủ đề phức tạp thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Bước khởi đầu nghiên cứu đầy đủ hình dạng sông và sự thay đổi, các biến và mối quan hệ của chúng liên quan đến quá trình dòng chảy cần được xác định rõ. Các biến cho sông bồi tích được phân loại thành các biến độc lập và các Vùng 2 (Vùng chuyển tiếp) Vùng 1 (Vùng sinh thuỷ) Vùng 3 Vùng cửa sông (tam giác châu) 9 biến phụ thuộc, nghĩa là, nguyên nhân và kết quả. Những biến bị áp đặt dựa trên sông bởi bất cứ nguồn nào là các biến độc lập và biến kiểm soát, trong khi những biến còn lại là các biến phụ thuộc. Các biến này bao gồm đặc điểm chất lỏng, đặc điểm bùn cát, và các đặc điểm của hệ thống dòng chảy như lưu lượng nước, lưu lượng bùn cát, chiều rộng kênh, độ sâu dòng chảy, vận tốc trung bình của nước, bán kí nh thuỷ lực, độ dốc kênh và hệ số ma sát. Việc lựa chọn các biến độc lập và phụ thuộc cho hệ thống kênh hở là tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và đặc điểm của hiện tượng được nghiên cứu. Bất kỳ biến nào được lựa chọn là biến độc lập. Trong trường hợp sông không ảnh hưởng triều, cần thiết phân biệt trên quan điểm n gắn hạn và dài hạn. Schumn phân chia tỷ lệ thời gian theo các loại sau: ổn định theo thời gian, thay đổi dần theo thời gian, thời gian địa chất, tương ứng với các trường hợp ngắn hạn, dài hạn, và rất dài hạn. ổn định theo thời gian có thể được đo theo ngày, sự biến đổi dần theo thời gian có thể là hàng trăm năm, v à thời gian địa chất có thể là hàng triệu năm. Độ dài của khoảng thời gian có thể biến đổi phụ thuộc vào lưu vực sông có diện tích lớn hay nhỏ. Các biến sông và trạng thái của chúng là các biến độc lập hoặc phụ thuộc trong suốt khoảng thời gian đã định. Trong thời kỳ ngắn hạn, hoặc ổn định, khoảng thời gian, lưu lượng bùn cát là biến phụ thuộc có thể mô tả bằng hàm của lưu tốc. Quan hệ hàm số như vậy ám chỉ rằng lưu tốc là nguyên nhân và lưu lượng bùn cát là kết quả. Điều này thực sự đúng đối với khi xem xét diễn biên sông trong thời gian ngắn nhưng không đúng đối với trường hợp cân bằng dài hạn tại đó lưu lượng nước và dòng bùn cát được xác định trong lưu vực là các biến độc lập đối với dòng sông. N hững đại lượng này sinh ra trên các đoạn sông từ thượng lưu và các sông nhánh. Trong thời kỳ dài hạn, một con sông phải tự thiết lập trường lưu tốc, địa hình, độ dốc và các đặc điểm riêng khác của nó để duy trì cân bằng giữa khả năng chuyển tải và lượng dòng gia nhập sinh ra. Vì thế, các đặc điểm lưu tốc và kênh (chiều rộng, chiều sâu, và độ dốc) được thiết lập làm sao để là các biến phụ thuộc. Trong quá t rình phát triển của một con sông, tốc độ vận chuyển bùn cát được xem là một biến phụ thuộc đối với bùn thời kỳ ngắn hạn. Tốc độ vận chuyển bùn cát quyết định sự biến đổi lòng dẫn, sự thay đổi của lòng dẫn sẽ dừng lại khi mà tốc độ vận chuyển và tốc độ dòng chảy ở trạng thái cân bằng. Đối với thời kỳ biến đổi dần dần theo thời g ian, sự thay đổi của đáy các bãi bồi, hoặc là mái dốc của vùng bãi, được xem như một biến độc lập đối với sông bởi vì thời gian của sự hình thành thung lũng sông dài hơn nhiều hoặc ít hạn chế hơn đối với sự hình thành kênh sông. Sự quan tâm của người nghiên là sự ổn định theo thời gian hoặc biến đổi dần the o thời gian. Vì vậy, mái thung lũng nói chung được chấp nhận là một hằng số đối với các mục đích kỹ thuật thực tế. Trong số các lựa chọn đa dạng của các biến độc lập và phụ thuộc, các quan hệ chắc chắn là duy nhất và các quan hệ khác là không duy nhất. 10 Đối với thời kỳ rất dài, hoặc thời kỳ địa chất, khí hậu và địa chất là các biến độc lập, lưu lượng, tải trọng, hình thái sông, và mái thung lũng là các biến phụ thuộc. Một hệ thống sông khi được xem trên quan điểm này là hệ thống sông đang liên tục có sự thay đổi. 1.3. Khái niệm về hình thái sông Hình thái sông là chủ đề gây t hách thức lớn cho các nhà khoa học. Bất cứ một một tác động nào liên quan đến kỹ thuật sông ngòi phải dựa trên sự hiểu biết đúng đắn về các đặc điểm hình thái và sự phản ứng đối với các tác động đó. Một cách khái quát, hình thái có thể tiếp cận theo quan điểm địa mạo, bao gồm chế độ lưu lượng hình thành trên kênh, mặt cắt dọc sông, phân loại kênh sông, ngưỡng của hình thái sông, mặt cắt thuỷ lực, hình thức uốn khúc, và phân tích địa mạo của các phản ứng do sông tạo ra. Cách tiếp cận về phân tích số đối với hình thái sông ngòi được dựa trên sự phân tích tính toán thuỷ lực dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát; nó được trình bày trong các phần tiếp theo của tài liệu này. 1.3.1. Khái niệm về cân bằng Khái niệm về cân bằng được bắt nguồn từ việc nghiên cứu về các sông bồi tích ổn định, ở đó có đáy mềm và các bờ đất, không có xói và không có lắng đọng bùn cát trong thời gian sử dụng của hệ thống công trình cụ thể. Một sông bồi tích được sử dụng cho tưới thường được vận hành bởi một lưu lượng tương đối ổn định. Sự cân bằng thực sự của sông thiên nhiên không bao giờ đạt được, mặc dù mỗi con sông luôn luôn tự điều chỉnh theo hướng đó. Mackin định nghĩa sự thay đổi dần là một điều kiện của trạng thái cân bằng ở sông ngòi, như là nhân tố tất yếu của tự nhiên. Sông biến đổi dần là một trong số đó, trong thời kỳ nhiều năm, mái dốc được điều chỉnh để cung cấp một lưu lượng có thể và địa hình kênh thích hợp, lưu tốc cần thiết đối với việc chuyển tải nước và bùn cát từ lưu vực sông. Một sông biến đổi dần là một hệ thống trong trạng thái cân bằng động lực, hay chính xác hơn, gọi là một hệ thống trong trạng thái bán cân bằng. Có t hể nói rằng sự mất cân bằng này lại là cơ sở cho việc thiết lập một sự cân bằng khác của sông ngòi. 1.3.2. Lưu lượng tạo lòng Sự hình thành kênh sông ngòi là kết quả của sự thay đổi lưu lượng liên tục, và lưu lượng đầy bờ (ngang với bãi già) thường được sử dụng để làm lưu lượng tạo lòng đối với sự thay đổi hình học kênh. Cách tiếp cận đơn giản này được điều chỉnh theo thực tế với các lưu lượng nhỏ và tải ít bùn cát hơn, đóng góp đến sự hình thành kênh ít hơn. Tương tự như vậy, việc tăng lưu lượng trên mực nước đầy bờ dòng chảy sẽ chảy tràn trên các bãi tràn rộng và vì thế nói chúng ít ảnh hưởng đến hì nh dạng kênh. William đã đưa ra phương trình hồi quy sau đây cho lưu lượng đầy bờ (lưu lượng tạo lòng) [8]: 28.021.1 0.4 SAQ f = (1-1) [...]... có vật cản lớn làm thay đổi đáng kể sức cản thuỷ lực cục bộ tại các khu vực đó Trong khi đó, sức cản thuỷ lực của dòng chảy trong kênh hở thường chỉ kể đến ma sát do ứng suất tiếp tại thành rắn lên dòng chảy 7 Trên hệ thống sông tồn tại những hợp lưu sông làm cho chế độ thuỷ lực của dòng chảy trong sông trở nên phức tạp hơn 8 Các hệ thống công trình trên sông như cầu, cống, au thuyền, các điểm lấy... lý Sau đó, theo tài liệu quan trắc dòng chảy trong sông trên một số vị trí cụ thể để xác định bộ thông số của mô hình Mô hình diễn toán dòng chảy trong sông Mô hình thông số tập trung Mô hình hỗn hợp (Mô hình Thuỷ văn - Thuỷ lực) Mô hình thông số phân phối Mô hình sóng động học Mô hình sóng động lực Mô hình sóng khuyếch tán Hình 2-1: Sơ đồ phân loại mô hình diễn toán dòng chảy trong sông theo đặc điểm... dựng trên sông, các khu chứa ven sông có trao đổi nước với hệ thống sông, các đoạn sông thượng lưu của các công 27 trình xây dựng trên sông (đập dâng, cầu qua sông, cống điều tiết ), có chế độ dòng chảy tương tự như chế độ dòng chảy của hồ chứa I II I(t) S(t) Q(t) a) II I Đường mực nước I(t) S(t) Q(t) b) Hình 2-2: Mô tả mặt bằng và cắt dọc của một đoạn sông a) Mặt bằng đoạn sông; b) Cắt dọc đoạn sông: ... quá trình vật lý cơ bản khác nhau, chúng mang một ý nghĩa đặc biệt khi thảo luận về hệ số ma sát trong thuỷ lực kênh hở Ma sát mặt là một dạng truyền thống của ma sát hình thành do ứng suất tiếp lên bề mặt rắn Hiện tượng chảy tầng và chảy rối đã được trình bày trong các tài liệu thuỷ lực học Trong sông thiên nhiên nói chung khong tồn tại hiện tượng chảy tầng Mặt khác, do tồn tại những xoáy lớn do hiện... mô tả dòng rối để người đọc hiểu được sự cần thiết phải phát triển các mô hình dòng chảy trong sông thiên nhiên 22 CÂU HỎI CHƯƠNG 1 1 Nêu đặc điểm của dòng chảy trong sông, các yếu tố thủy lực trong sông có gí khác biệt đối với kênh nhân tạo ? Khi sử dụng các phương trình cơ bản giải bài toán thủy lực trong sông có khó khăn gì so với kênh nhân tạo? 2 Các phương trình cơ bản của cơ học chất lỏng được... tạo lòng thường lớn hơn lưu lượng bình quân năm 1.3.3 Mặt cắt dọc sông Độ dốc của dòng sông được xác định bởi các điều kiện hình thành lòng sông, nhưng cao trình và vị trí mỗi điểm của mặt cắt dọc là tập hợp của cao trình đáy sông Các biến chủ yếu quyết định độ dốc lòng sông là lưu lượng, sức tải trọng bùn cát và kích cỡ hạt tạo lòng sông Mặt cắt dọc có độ dốc phù hợp với phương trình do Shulits (1941)... hình dạng cố định còn trong sông thiên nhiên sự biến đổi mặt cắt rất phức tạp do hình dạng của mặt cắt khi mực nước thay đổi Đối với các kênh bồi tích thì hình dạng thường xuyên biến đổi, ma sát đáy cũng biến đổi lớn Ngoài ra, chất liệu đáy của lòng sông cũng không đồng nhất va sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hệ số nhám của lòng sông 6 Sự tồn tại các xoáy nước lớn trong dòng chảy sông ngòi do hiện tượng chảy... tồn tại các khu chứa nối với hệ thống sông chính theo các hình thức khác nhau, tại đó các phương trình mô phỏng thuỷ lực dòng ổn định hoặc không ổn định không còn thích hợp nữa 5 Một đặc tính quan trọng của dòng chảy trên kênh hở là hình dạng và độ nhám biến đổi rất lớn theo sự tác động của điều kiện tự nhiên Do vậy, rất khó xác định các quy luật về sức cản thuỷ lực Độ nhám rất khó xác định trong dòng... hình học xác định như các công trình cống hoặc kênh trong phòng thí nghiệm Dòng chảy trong sông có chế độ rất phức tạp do những nguyên nhân chính như sau 1 Hình dạng mặt cắt sông rất phức tạp và thay đổi dọc theo lòng sông, độ dốc đáy sông thay đổi không đều khác hẳn với kênh nhân tạo Sự thay đổi không đều về độ dốc sông gây ra sự thay đổi không đều về chế độ chảy, đặc biệt là sự tồn tại những đoạn 12... nghiên cứu tính toán thủy văn - thủy lực, đặc biệt đối với các vùng sông chịu ảnh hưởng triều và nước vật Tuy nhiên, các mô hình thuộc loại này đòi hỏi số lượng lớn các tài liệu đo đạc rất chi tiết về địa hình, các đặc trưng thủy địa mạo lưu vực và các đặc trưng diễn biến mưa và dòng chảy theo không gian v.v Trong thực tế, có thể không có điều kiện thu thập đầy đủ các dữ liệu trên Ngoài ra, trong nhiều . giới về thuỷ lực sông ngòi. Phần I: Diễn toán dòng chảy tr ong sông (5 chương): Trình bày đặc điểm dòng chảy trong sông thiên nhiên và những vấn đề cần nghiên cứu của thuỷ lực sông ngòi; giới. nhập mặn [12] 265 TÀI LIỆU THAM KHẢO 268 5 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Thuỷ lực sông ngòi được biên soạn theo chương trình đào tạo cao học Ngành Thuỷ văn học, Chỉnh trị sông và bờ biển và. II: Thuỷ động lực học dòng chảy sông ngòi (5 chương): Giới thiệu đặc điểm chế độ thuỷ lực và các bài toán động lực học dòng chảy trong sông; vấn đề mô phỏng thuỷ lực và tổng quan các mô hình