bài toán đánh gía mức độ bồi tụ hay xói mòn hai bên bờ sông

Thứ tự thực hiện các mô hình là HEC-GeoHMS - HEC-HMS - HEC-RAS - HEC-GeoRAS trong đó, mô hình HEC-GeoHMS dựa vào bản đồ địa hình DEM và bản đồ sử dụng đất trên lưu vực xác định các đặc t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNGKHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG



Đề Tài 07:

Bài Toán Đánh Gía Mức Độ Bồi Tụ Hay

Xói Mòn Hai Bên Bờ Sông

GVHD: Trần Hậu Vương Nhóm : 09

Biên Hòa 12/04/2010

Mục Lục

A.MỞ ĐẦU 4

B.NỘI DUNG 5

I Tổng quan về tình hình sông ngòi Việt Nam 5

II Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Độ Bội Tụ và Sạt Lở Của Sông Ngòi 6

1 Mưa 6

1.1Nội dung mô hình HEC-HMS 6

1.2 Cơ sở lí thuyết của mô hình Hec-hms 11

1.2.1.T n th tổ ấ 14

2.Lưu lượng dòng chảy 17

2.1 Mô hình tính lưu lượng dòng chảy mặt 17

3.Cấu Trúc Đất Hai Bên Bờ 18

3.1Xói b ờ 19

3.2Tính Toán Chuy n T i Bùn, Cátể ả 20

4.Thảm Thực Vật 21

C.Kết Luận 22 Tài Liệu Tham Khảo

A.MỞ ĐẦU.

Các ứng dụng GIS được liên tục phát triển trong lĩnh vực quản lý và bảo vệ môi trường Từ chương trình kiểm kê nguồn tài nguyên thiên nhiên của Canada trong những năm 1960, đến các chương trình GIS cấp bang của Mỹ bắt đầu vào cuối những năm 1970, đến mô hình hoá quản lý các sự cố môi trường hiện đang được phát triển, công nghệ GIS đã cung cấp các phương tiện để quản lý và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường ngày càng hữu hiệu hơn

Xu hướng hiện nay trong quản lý môi trường là sử dụng tối đa khả năng cho phép của GIS Sự phát triển của phần cứng làm cho máy tính có nhiều khả năng hơn, mạnh hơn và các ứng dụng GIS cũng trở nên thân thiện hơn với người sử dụng bởi các khả năng hiển thị dữ liệu ba chiều, các công cụ phân tích không gian và giao diện tuỳ biến

Nhờ khả năng xử lý các tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, nên GIS thích hợp với các nhiệm vụ quản lý môi trường Các mô hình phức tạp cũng có thể dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS.GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hoá và quan trắc

GIS cũng được sử dụng để đánh giá các sự cố môi trường Các cơ quan chính phủ và địa phương phải đối phó nhanh chóng với thiên tai, các rủi ro trong công nghiệp và các sự cố môi trường Thông tin địa lý là những thông tin quan trọng để đưa ra những quyết định một cách nhanh chóng Các phân tích GIS phụ thuộc vào chất lượng, giá trị và tính tương thích của các dữ liệu địa lý dạng số

Việc chia xẻ dữ liệu sẽ kích thích sự phát triển các nhu cầu về sản phẩm và dịch vụ GIS Các nguồn dữ liệu tăng thêm nhờ sự kết hợp của GIS với GPS (hệ thống định vị toàn cầu) và công nghệ viễn thám, đã cung cấp các công cụ thu thập dữ liệu hiệu quả hơn.

B.NỘI DUNG.

I Tổng quan về tình hình sông ngòi Việt Nam.

Trải rộng trên một địa hình phức tạp từ Bắc xuống Nam, sông ngòi Việt Nam mang nhiều tính chất khác nhau, khi thì dòng chảy suôn sẻ, khi thì uốn khúc quanh co, có khi hiền hòa, có khi hung dữ gây nên lụt lội

Miền Bắc có hai hệ thống sông chính là: hệ thống sông Thái Bình và hệ thống sông Hồng

-Sông Thái Bình có các phụ lưu là sông Lục Nam, sông Thương và sông Cầu

-Sông Hồng (còn gọi là Nhị Hà) bắt nguồn từ Vân Nam (Trung Quốc), mang nhiều phù sa đỏ bồi đắp thành một vùng đồng bằng phì nhiêu mang tên châu thổ sông Hồng; có các phụ lưu là sông Lô, sông Đáy ở tả ngạn, và sông Đà ở hữu ngạn

Miền Trung chỉ có hai con sông lớn đáng kể là sông Mã và sông Cả; còn các sông khác đều ngắn vì núi ăn gần ra biển như: sông Gianh ( phân chia đất nước thời Trịnh-Nguyễn), sông Bến Hải (chia đôi Việt Nam từ 1954-1975), sông Hương (chảy qua thành phố Huế nay còn di tích cố đô nhà Nguyễn) Miền Nam cũng có hai hệ thống sông chính là: hệ thống sông Đồng Nai và

hệ thống sông Cửu Long

-Sông Đồng Nai có các phụ lưu là sông La Ngà ở tả ngạn, và ở hữu ngạn là các sông Bé (với thác Trị An hùng vĩ), sông Sài Gòn và sông Vàm Cỏ

-Sông Cửu Long (còn gọi là sông Mê Kông) bắt nguồn từ Tây Tạng chảy qua Lào, Căm Bốt, rồi mới vào miền Nam nước ta, chia thành hai nhánh là

sông Tiền và sông Hậu với tất cả là chín cửa sông trước khi ra biển Đông Lượng nước sông Cửu Long rất lớn, sức chảy rất mạnh, do đó mang một khối lượng phù sa khổng lồ bồi đắp rất nhanh tạo thành vùng đồng bằng sông Cửu Long phì nhiêu màu mỡ.

Tuy nhiên, dòng chảy trên các sông suối phân phối không đều trong năm; mùa lũ lượng dòng chảy rất lớn dẫn đến thừa nước gây ra lũ lụt, mùa cạn lượng dòng chảy nhỏ dẫn đến thiếu nước dùng Do đó, phía thượng lưu của các sông suối đã xây dựng các hồ chứa, nhằm điều tiết dòng chảy Nếu có phương án khai thác hiệu quả, thì đây là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quí giá, để phục vụ phát triển các ngành kinh tế của đất nước

Một khúc sông Hồng, đoạn chảy qua Hà Nội bị xói lở nghiêm trọng

II Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Độ Bội Tụ và Sạt Lở Của Sông Ngòi.

1 Mưa:

Lượng mưa hàng năm được đánh giá thông qua các mô hình như:

Mô hình HEC-HMS, Mike11, Mike 21… Dưới đây nhóm xin trình bày về

mô hình HEC-HMS trong việc đánh giá tác động bồi tụ hay xói mòn hai bên

bờ sông

1.1Nội dung mô hình HEC-HMS.

Mô hình HEC là sản phẩm của tập thể các kỹ sư thuỷ văn thuộc quân độiHoa Kỳ HEC-1 đã góp phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại những con sông nhỏ không có trạm đo lưu lượng Tính cho đến thời điểm này, đã có không ít đề tài nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế Tuy nhiên, HEC-1 được viết từ những năm 1968, chạy trong môi trường DOS, số liệu nhập không thuận tiện, kếtquả in ra khó theo dõi Hơn nữa, đối với những người không hiểu sâu về chương trình kiểu Format thường rất lúng túng trong việc truy xuất kết quả mô hình nếu không muốn làm thủ công Do vậy, HEC-HMS là một giải pháp, nó được viết để “chạy” trong môi trường Windows, hệ điều hành rất quen thuộc với mọi người.Phiên bản đầu tiên của HEC- HMS là version 2.0, hiện nay phiên bản mới nhất của HEC- HMS là version 3.4

Thứ tự thực hiện các mô hình là HEC-GeoHMS - HEC-HMS - HEC-RAS - HEC-GeoRAS trong đó, mô hình HEC-GeoHMS dựa vào bản đồ địa hình (DEM) và bản đồ sử dụng đất trên lưu vực xác định các đặc trưng hình thái của lưu vực và hệ thống sông, phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực và xác định các thông số ứng với từng tiểu lưu vực, phục vụ cho việc diễn toán mưa - dòng chảy bằng mô hình HEC-HMS Mô hình HEC-HMS nhận các thông số từ mô hình HEC-GeoHMS thực hiện diễn toán mưa- dòng chảy trên các tiểu lưu vực làm điều kiện biên trên và biên gia nhập khu giữa cho

mô hình HEC-RAS HEC-RAS lấy kết quả tính toán từ mô hình HEC-HMS

làm các điều kiện biên trên và biên gia nhập khu giữa diễn toán thuỷ lực trên

hệ thống sông tới cửa ra của lưu vực

Mô hình HEC-GeoRAS sử dụng bản đồ địa hình (TIN) xác định các thông tin về mạng lưới sông, suối, quan hệ Z – F của các khu chứa, hình dạng mặt cắt ngang trên lưu vực, phục vụ cho mô hình thuỷ lực HEC-RAS, sau đó nhận các giá trị mực nước tính được bằng mô hình HEC-RAS tại tất cả các mặt cắt để lập các bản đồ ngập lụt trên lưu vực ứng với từng mực nước tại từng thời điểm Dưới đây là sơ đồ kết hợp bộ mô hình trên của HEC phục vụ

mô phỏng diễn biến lũ quét:

Số liệu đầu vào

- Số liệu về địa hình Yêu cầu số liệu địa hình là dạng DEM cho mô hình HEC-GeoHMS và dạng TIN cho mô hình HEC-GeoRAS của lưu vực Ngoài

ra, để phục vụ cho tính toán thuỷ lực bằng mô hình HEC-RAS cần có số liệu mặt cắt ngang Số liệu này được lấy từ các kết quả đo đạc thực địa và được

bổ sung từ kết quả xử lý mặt cắt dựa vào bản đồ địa hình và sử dụng mô hình HEC-GeoRAS

- Số liệu mưa: Chuỗi số liệu mưa này được chuyển thành chuỗi dòng chảy bằng mô hình mưa – dòng chảy HEC-HMS và được dùng làm điều kiện biên trên và biên gia nhập khu giữa cho mô hình HEC-RAS Điều kiện biên dưới của mô hình HEC-RAS được lấy bằng độ dốc đáy sông (mô hình sẽ xác định quan hệ mực nước - lưu lượng dựa vào phương trình Manning)

Số liệu về loại đất và sử dụng đất trên lưu vực Số liệu này dùng để lập bản

đồ lưới chỉ số CN trên toàn lưu vực bằng mô hình HEC-GeoHMS Sử dụng bản đồ này mô hình sẽ tính được chỉ số CN trung bình cho từng tiểu lưu vực

1.2 Cơ sở lí thuyết của mô hình Hec-hms

C S LÝ THUY T MÔ HÌNH HEC-HMS [13]Ơ Ở Ế

Mô hình HEC-HMS được sử dụng để mô phỏng quá trình mưa- dòng chảykhi nó xảy ra trên một lưu vực cụ thể Ta có thể biểu thị mô hình bằng sơ đồ sau:

Mưa (X) -> Dòng chảy (Y) -> Đường quá trình lũ (Q~t)

Ta có thể hình dung bản chất của sự hình thành dòng chảy của một trận lũnhư sau: Khi mưa bắt đầu rơi cho đến một thời điểm ti nào đó, dòng chảy mặt chưa được hình thành, lượng mưa ban đầu đó tập trung cho việc làm ướt

bề mặt và thấm Khi cường độ mưa vượt quá cường độ thấm (mưa hiệu quả) thì trên bề mặt bắt đầu hình thành dòng chảy, chảy tràn trên bề mặt lưu vực, sau đó tập trung vào mạng ưới sông suối Sau khi đổ vào sông, dòng chảy

chuyển động về hạ lưu, trong quá trình chuyển động này dòng chảy bị biến dạng do ảnh hưởng của đặc điểm hình thái và độ nhám lòng sông.

Trình tự tính toán theo các bước:

- Các mô hình tính lớp dòng chảy: Y = X – P

Trong đó: Y - độ sâu dòng chảy; X - lượng mưa; P - tổn thất

- Các mô hình tính lưu lượng dòng chảy mặt

- Các mô hình tính lưu lượng dòng chảy ngầm

- Các mô hình truyền lũ trong sông

Mưa được sử dụng là đầu vào cho quá trình tính toán dòng chảy ra của lưuvực Mô hình HEC- HMS là mô hình thông số tập trung, mỗi lưu vực con có một trạm đo mưa đại diện Lượng mưa ở đây được xem là mưa bình quân lưu vực (phân bố đồng đều trên toàn lưu vực) Dù mưa được tính theo cách nào đều tạo nên một biểu đồ mưa như hình 2.1 Biểu đồ mưa biểu thị chiều sâu lớp nước trung bình trong một thời đoạn tính toán

Phương pháp tính lượng mưa trung bình trên diện tích tính toán gồm có:phương pháp trung bình số học và phương pháp trung bình có trọng số; phương pháp sau còn có thể chia ra: phương pháp đa giác Thiessen, phương pháp đường đẳng trị mưa

Hình

M a tính theo phư ương pháp trung bình s h c:ố ọ

Lớp nước mưa trung bình trên lưu vực là giá trị trung bình số học của lượngmưa tại các trạm đo mưa nằm trên lưu vực

Xi : lượng mưa tại trạm thứ i

n : số trạm đo mưa trên lưu vực

* M a tính theo phư ương pháp trung bình có tr ng s :ọ ố

+ Phương pháp đa giác Thiessen: Trọng số là hệ số tỷ lệ giữa phần diện tíchcủa lưu vực do một trạm mưa nằm trong lưu vực hoặc bên cạnh lưu vực đại biểu với toàn bộ diện tích lưu vực

Lượng mưa trung bình trên lưu vực được tính theo công thức sau:

n : số trạm đo mưa (cũng là số diện tích lưu vực bộ phận)

Phương pháp đường đẳng trị mưa: Trọng số là diện tích kẹp giữa hai đường đẳng trị mưa và tính lượng mưa trung bình theo công thức (2) Trong đó:

Xi là lượng mưa trung bình của hai đường đẳng trị mưa kề nhau, fi là diện tích bộ phận nằm giữa hai đường ấy

1.2.1.T n th t.ổ ấ

Nước mưa điền trũng và thấm được gọi là lượng tổn thất trong mô hình

HEC-HMS Lượng điền trũng và thấm được biểu thị bằng lượng trữ nước trên bề mặt của lá cây hay cỏ, lượng tích đọng cục bộ trên bề mặt đất, trong các vết nứt, kẽ hở hoặc trên mặt đất ở đó nước không tự do di chuyển như dòng chảy trên mặt đất.Thấm biểu thị sự di chuyển của nước xuống những vùng nằm dưới bề mặt đất.Mô hình HEC-HMS có 4 phương pháp được dùng để tính toán tổn thất.Dùng bất kỳ phương pháp nào ta đều tính được lượng tổn thất trung bình trong một thời đoạn tính toán Một hệ số không thấm tính theo phần trăm được sử dụng với các phương pháp để bảo đảm tại phần diện tích không thấm đó 100% mưa sẽ sinh dòng chảy.

1.2.1.1 Phương pháp T c đ th m ban đ u và th m n đ nh (Intial andố ộ ấ ầ ấ ổ ị

Constant Rate).

Khái niệm cơ bản của phương pháp này là: Tỷ lệ tiềm năng lớn nhất của tổnthất mưa fc, nó không đổi trong suốt cả trận mưa Do vậy, nếu pt là lượng mưa trong khoảng thời gian từ t đến t + Δt, lượng mưa hiệu quả pet trong thời đoạn đó được cho bởi:

Lượng mưa hiệu quả được tính theo công thức:

c t a i

a i c

t

et

f P I P

f P I P

I P n

1.2.1.2 Phương pháp SCS Curve Number ( Ch s CN)ỉ ố

Ngoài ra còn phát triển một phương pháp để tính tổn thất dòng chảy từ mưa gọi là phương pháp SCS Phương pháp này phụ thuộc vào lượng mưa tích lũy, độ che phủ đất, sử dụng đất và độ ẩm kỳ trước, được sử dụng theo công thức:

( )

S I

P: lớp nước mưa

Ia: Lượng tổn thất ban đầu

S: khả năng giữa nước lớn nhất của lưu vực

Đó là phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệudụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mưa

Qua nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên nhiều lưu vực nhỏ, đã xây dựng được quan hệ :

Ia = 0,2*S (7)

Do đó:

( )

S P

Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lưu vực, người ta

đã tìm ra được họ các đường cong Để tiêu chuẩn hoá các đường cong này, người ta sử dụng số liệu của đường cong CN làm thông số Đó là một sốkhông thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng (0 - 100) Đối với bề mặt không thấm nước hoặc mặt nước,CN = 100; đối với bề mặt tự nhiên, CN < 100.Khả năng giữa nước lớn nhất của lưu vực (S) và đặc tính của lưu vực có quan hệ với nhau thông qua một tham số là số hiệu đường cong CN:

Nhóm A: cát tầng sâu, hoàng thổ sâu và phù sa kết tập

Nhóm B: hoàng thổ nông, đất mùn pha cát

Nhóm C: mùn pha sét, mùn pha cát tầng nông, đất có hàm lượng chất hữu cơthấp và đất pha sét cao

Nhóm D: đất nở ra rõ rệt khi ướt, đất sét dẻo nặng và đất nhiễm mặn

Nếu lưu vực tạo thành bởi nhiều loại đất và có nhiều tình hình sử dụng đấtkhác nhau, ta có thể tính một giá trị hỗn hợp của CN

M a nhi u s t o thành dòng ch y và t đó s t o lũ vì th t o nên l uư ề ẽ ạ ả ừ ẽ ạ ế ạ ư

lượng dòng ch y càng m nh s nh hả ạ ẽ ả ưởng t i đ b i t hai bên b sông.ớ ộ ồ ụ ờ

2.Lưu lượng dòng chảy.

2.1 Mô hình tính lưu lượng dòng chảy mặt. hệ phương trình Saint Venant 1D:

0 ) (

2

=

− +

∂

∂ +

Q x

• Q: Lưu lượng trên bãi dòng chảy trên mặt hoặc trong kênh

• q: Dòng chảy bổ sung ngang trên một đơn vị chiều dài của bãi dòng chảy (mưa vượt thấm đối với bãi dòng chảy trên mặt và đầu ra của dòng chảy trên mặt đối với kênh dẫn)

• A: Diện tích dòng chảy trong bãi dòng chảy trên mặt hoặc trong kênh

• x: khoảng cách theo hướng dòng chảy

i R n

Q= ω (14)

3.Cấu Trúc Đất Hai Bên Bờ

Nền địa chất bờ sông khá mềm yếu thúc đẩy nhanh quá trình sạt lở; dòng chảy ngầm từ bờ là nguyên nhân tạo nên xâm thực ngang lòng sông đối với những nơi đất bờ sông có kết cấu rời rạc; sóng do các loại tàu thuyền hoạt động trên sông với mật độ lớn cũng làm tăng nhanh quá trình sạt lở bờ sông; riêng hiện tượng bồi lắng mạnh mẽ tại các vùng cửa sông phần lớn do phù sa

từ thượng nguồn đổ về Song song với các nguyên nhân này, hiện tượng xói

lở bờ sông còn do quá trình khai thác các bãi bồi, khai thác cát trên sông, các công trình xây dựng dọc theo bờ sông làm thay đổi điều kiện dòng chảy và lòng dẫn, gây mất ổn định hình thái lòng sông dẫn đến tình trạng xói lở bờ ngày càng nghiêm trọng trên các tuyến sông, rạch

Cơ chế của quá trình sạt lở xảy ra như sau: lớp đất mềm yếu, lớp cát phía dưới bị xói nhanh hơn lớp đất mặt làm cho mái bờ sông dốc và bị sạt lở tạo cho mái bờ sông mới có tính ổn định tạm thời Sau đó lớp đất phía dưới bị xói nhanh hơn lớp đất trên mặt và làm cho mái bờ sông lại trở nên dốc và tiếp tục cho một đợt lở mới; sạt lở bắt đầu từ hiện tượng xuất hiện các vết nứt trên mặt bờ sông với chiều dài từ 5m có nơi đến 20m, có khi sát mép nước có khi cách bờ từ 3 -15m