DSpace at VNU: Kết quả bước đầu tìm hiểu mô hình GSTARS2.1 và ứng dụng môđun nước vật của mô hình tính trắc diện dọc mặt...
TẠPCHI k h o a h ọ c OHQGHN KHTN & CN T.xx sỏ 3PT 2004 K Ế T Q U Ả B Ư Ớ C Đ Ẩ U T ÌM H l Ể u M Ỏ H ÌN H G S T A R S V À Ứ N G D Ụ N G M Ô Đ U N N Ư Ớ C V Ậ T C Ủ A M Ơ H ÌN H T Í N H T R A C d i ệ n d ọ c M Ặ T N Ư Ớ C C H O Đ O Ạ N S Ô N G H O N G T Ừ H O À B ÌN H Đ Ế N H À N Ộ I Nguyễn T hị Nga K hoa K hí tượng - T hủy văn H ải dương học Trường Đại học Khoa học T ự nhiên, ĐHQG H Nội Đ ặ t v â n đ ề C ùng vâi p h át triển m au lẹ công nghệ tin học, cùa lý thuyêt hệ thống phương pháp tín h , mơ hìn h tốn dã dần xem cơng cụ có hiệu để tính vận chuyển bùn cát diễn biến lòng sơng nhò tính khoa học kinh tế củ a 1) GSTARS2.1 (G eneralized S tream Tube model for Alluvial River Sim ulation version th ế h ệ gần n h ấ t mơ hìn h sơ' mơ dòng chảy nước bùn c t sơng bồi tích Yang v cộng nâng cao từ mô hìn h GSTARS2.0 vào năm 1998 Thế h ệ GSTARS Molinas v Yang (Cục khai hoang Mỹ, 1956) p h át triển để mơ điểu kiện dòng chảy theo kiêu bán h chiều v thay đổi hình học lòng dẫn theo kiểu bán b a chiều Vối mục tiêu cuối nghiên cửu ứng dụng thử nghiệm lần mơ hình GSTARS2.1 để mơ dự báo quy lu ật thay đổi hìn h th i lòng sơng Việt Nam vói đoạn sơng thử nghiệm đoạn sơng Hồng từ Hồ Bình đến H Nội, báo công bô kết bưốc đầu tìm hiểu mơ hình GSTARS2.1 ứng dụng m ơđun nưốc vật để tính trắc diện dọc m ặt nước cho đoạn sơng nói Các k ết nghiên cứu công bô Các k h ả năn g ứ ng d ụ n g mơ h ình GSTARS2.1 [4] GSTARS2.1 bao gồm bơn phần Phần đ ầu tiên sù dụng h phương trình lượng động lượng để tính tốn nước vật Phần thử h sử dụng khái niệm ống dòng chảy để tính toán diễn toán bùn cát Các tham số thùy lực diễn tốn bùn c t tính cho ống dòng chảy, theo cách cung cấp thay đổi ngang m ặt cắt theo kiểu bán h a i chiều P h ần thứ ba sử dụng lý thuyết mức tiêu hao lượng nhả n h ất (Yang, 1971, 1976; Yang v Song, 1979, 1986) th ế h ệ đơn giản hố vê tổng lượng dòng chảy nhỏ để tính điều chình độ rộng độ sâu kênh P hần thứ tư gồm vào tiêu c h u ẩ n ổn định mép bờ kênh cán vào góc nghỉ cù a vật liệu bờ tính liên tục củ a bù n cát GSTARS 2.1 có k h ả năn g ứng dụng để: tính trắc diện dọc m ặt nưóc có khơng có vận chuyển bùn cát; tín h trắc diện dọc m ật nước qua điều kiện dòng chảy êm xiết, bao gồm bước nhảy thủy lực, không bị gián đoạn; tín h thay đổi dọc v ngang củ a dòng chảy điểu kiện bùn cá t theo kiểu tự a h a i chiều dựa trê n khái niệm ống dòng chảy (nếu có ống dòng chảy lựa chọn, mơ hìn h trở th àn h chiều; nhiều 17 Nguyẻn Thị Nga il ống dòng chảy lựa chọn, thay đối cao trìn h đáy theo chiều ngang th ắn g đửng có th ể đưọtc mô phỏng); cung cấp mô trìn h hố thơ lòng sơng nhờ sử dụng th u ậ t tốn ph ân tuyển hố thó lòng sơng dựa theo ph ần kích thước bù n cát; mơ thay đổi hìn h dạng hình học lòng dẫn đồng thời theo chiều rộng chiểu sâu d ự a th e o tổ n g n ă n g lư ợ n g đ ò n g c h ả y n h ỏ n h ấ t; m ô p h ỏ n g t h a y đổi h ìn h d n g h ìn h học k ê n h d ự a tr ê n góc n g h ỉ c ù a c c v ậ t liệ u b k ê n h v s ự liê n tụ c c ủ a b ù n c t n h lự a c h ọ n đ ộ ổn định bờ kênh cho phép Cơ sở lý th u y ế t mơ hình nước vật tro n g GSTARS2.1 [4] 3.1 C ác p h n g t r ìn h b ả n Các tín h tốn th ủ y lực GSTARS 2.1 dự a trê n sở mơ hình dòng chảy thay đổi dần Các chê độ dòng c h ả y h ỗ n h ợ p v c c bư ốc n h ả y th ủ y lực có th ể tín h tốn cách lựa chọn sủ dụng phương trìn h lượng hoác động lượng G STARS 2.1 sử dụng phương pháp bậc th an g thơng dụng đế tính toán nước vật Các thủy đồ lưu lượng xấp xi xuất đột ngột củ a lưu lượng khơng đổi (hình 3.1) H ình 3.1 Xấp xì thủy dồ lưu lượnự dày cốc bước có lưu lượng không dổi (Q,) thời (loạn hữu hạn At, ) Khi khơng có thay đổi kiểu chế độ dòng chảy, th u ậ t tốn sử dụng phương trìn h lượng Z + Y + a^ -= H 2g (3.1) đó: z cao trìn h đáy; Y chiều sâu dòng nưốc; V tốc độ dòng chảy; a hệ sơ phân bố tốc độ; H cao trình cúa đường n ăn g lượng so vối mốc tín h tốn v g gia tốc trọ n g lực H ình £ Xác (lịnh ('ác biến Khi có thay đối kiểu dòng cháy tìt êm sang xiết ngUỢc lại, th u ậ t toán sử dụng phương trìn h động lượng: S ï f e V ï - p ,V 1) = p , - p ! + W , i n e - F , (3.2) đó: y trọng lượng riêng nước; p h ệ số động lượng; p áp s u ấ t tác động lên m ật cất ngang cho; w „ trọng lượng nước chứa m ặt c ắ t ; góc dốc kênl: Ff lực ngoại m a sát tổng cộng tác động dọc theo biên kênh Nếu giá trị nhó (sinG = 0) p, = p , =1 th ì phương trìn h trở thành: Q2 Q - ~ - + A ,y = - f - + A y A |g Avg (3.3) Kèi q bước dău ùn) lu mơ liìiili GSTARS21 li đó: V chiều sâu đo từ m ặt nưốc đến trọng tâm m ặt cắt ngang chửa dòng chảy Phương trìn h (3.1) (3.3) giải th ủ tục lặp thử sai Các tín h to án nước v ật tiến hàn h theo chiểu ngược dòng đơi vói dòng chảy êm xi dòng đối vói đòng chảy xiết M iê u t ả m h ì n h Trong GSTARS 2.1, khu nguồn nước mô h ình hố mơ tả m ật c ắ t ngang rời rạc (hình 3.3) Cao trìn h m ật nưốc tính tốn tạ i m ỗi m ặt Hi lả cồ tính nhận thức đoạn sơng c it ngang rời rạc (ỴSTARS 2.1 cắt ngang 3.2.1 M ô tả m ặ t cắt ngang Mỗi m ật c ắ t ngang nh ận dạng m ột số mô tả vị t r í cù a biểu diễn khống cách tín h từ trạm tham khảo p h ía h lưu đế máy tính có th ể tín h chiểu dài đoạn sơng (A s tro n g h ìn h 3.3) Hình dạng hìn h học lòng dẫn m ặt c ắ t ngang ròi rạc hố Vị ui ugaup H ình 3.4 Miêu ti mặt cắt ngang điểm ròi rạ m ột điểm xác định cao trìn h đáy v v ị trí m ặt cắt ngang theo phương ngang (khoảng cách từ m ột điểm tham kháo tạ i m ột vị trí ỗ bờ trái) Việc nội suy tu y ến tính sử dụng điểm hìn h 3.4 Thơng tin nàv sử dụng để tính tham số th ủ y lực cần th iế t cho tính tốn nước v ặt diện tích dòng chảy, chu vi ướt, b án kính thùy lực, độ rộng sơng, trọng tâm H ìn h 3.5 Ví dụ việc giảm Ax khu vực có độ đốc lón: a) vũng nước vật; b) Thay đổi độ dối' đốy đổi kiểu chế độ đòng chảv a m ật c ắ t ngang, Nguyen Thị Nga Vị trí m ặt cắt ngang cần lựa chọn đê miêu tả tố t n h ấ t h ìn h dạng hình học đoạn lòng dẫn nghiên cửu gần khu vực có khả n ăn g x u ất bưóc nhảy thủy lực, m ặt cắ t ngang nên bố trí sá t n h au H ình 3.5 th ể dưái dạng sơ đồ cách dịnh vị m ặt cắt ngang gần bước nhảy thủy lực vùng có thay đổi độ dốc đột ngột 3.2.2 Sức cản dòng chảy Một giả th iết GSTARS 2.1 sử dụng m ột cơng thức dòng đểu để tính tổn th ấ t m a sát Công thức sử dụng để tính số vận chun tơng cộng K từ xác định dộ dốc m a s t Sf lưu lượng cho: Q (3.10) Trong GSTARS 2.1, có th ể lựa chọn sử dụng công thức sau đế tính K; -cơng thức M anning: Q = K Sf /2 = - công thức Chézy: 1.49 R2/3jgl/2 (3.11) Q = K S f/2 = (cA R 1,2^ f /2 í« l í (3.12) F aW) (3.13) \ đó: n, c , f tương ứng h ệ số nhám công thửc M anning, chézy v D arcyWeisbach; g gia toc trọng lực;.A diện tích m ặt cắt ngang R bán kính thủy lực Đối vói m ặt c ắ t ngang; h ệ s ố nhám yêu cầu xác định cho khu khác Sử dụng ví dụ hìn h 3.4, bãi trá i có th ể có giá trị h ệ số nhám , lòng có giá t r ị khác v bãi phải có giá trị khác Số vận chuyển m ặt cắt tính riêng số vận chuyển tổng cộng tổng số vận chuyến riêng lẻ Phương pháp nhằm hướng cho hìn h dạng hìn h học m ật c ắ t ngang sông ăn kháp vâi tỷ số độ rộng/độ sâu có th ê đư a sai sơ cao trìn h m ặt nước m ặt cắt ngang hẹp giống hình chữ n h ật GSTARS 2.1 giả th iết h ệ sô nh ám cô định cho m ặt cắt ngang Tổn th ấ t m a s t hf q u a đoạn sóng tích sơ' độ doc m a s t chiểu dài đoạn sông Ax Nó có th ể xác định từ bốn lựa chọn sau đây: • từ độ dốc m a s t tru n g bìn h củ a đoạn sông kề liền: h f = ỉ ( s f Ị + s f2 )A x (3.14) - từ độ dốc m a sát tru n g bình nhân: h f = &XyjSf]S Ax^Sf]Sfi22 (3.15) - từ sơ' vận chuyển tru n g bình: - từ trị tru n g bình điểu hồ: ílKl2Q- ìJ h f = Ị — — — ỊlA x +K r s „ s f2 s h f = -L J f2 Ux V®f I + s f2 ) (3.16) (3.17) Kél bước đàu lìm hiếu mò lùiứi GSTARS2.1 Tổn th ấ t cục gây mở rộng thu hẹp lòng dẫn h R tính theo cơng thức: Ịv.2 V.? I h = C KP - - - ỵ E I2g 2gỊ (3.18) đó: CElà h ệ số tổn th ấ t lượng Trong GSTARS 2.1, C E đặt đến 0.1 thu hẹp 0.3 đối vối mờ rộng Các tốn th ấ t khác nh tổn th ấ t khúc cong kênh cơng trìn h xây dựng người tính theo cơng thức: h B =C BS 2g (3.20) đó: CH h ệ sô ton th ấ t lượng người sử dụng cung cấp Đôi vối ph ần lớn sông tự nhiên, giá trị C1Sđược giả th iết Tong tổn th ấ t lượng h m ặt cắt ngang kể liền tổng tổn th ấ t ma sát tổn th ấ t cục ứ n g d ụ n g m h ì n h nư c v ậ t t r o n g G STA R S 2.1 đ ể tí n h t r ắ c d iệ n d ọ c m ặ t nướ c c h o đ o n s ô n g H n g t H B ìn h đ ế n H Nội 4.1 M ô tà đ o n s ô n g n g h iê n u Đoạn sóng nghiên cứu gồm đoạn sơng Hồng từ ngă ba Thao-Đà đến Hà nhập lưu m ột chi lưu N hánh nhập nhánh nhập lưu thừ h sông Lô n gả ba H ồng-Đ uống sơng Đà từ Hồ Bình đến ngã ba Thao-Đà đoạn Nội Trên đoạn sông nghiên cửu có h nhánh lưu thử n h ất sông Thao tạ i ngã ba Thao-Đà ngã ba Lô-Hồng Chi lưu n h ấ t sơng Đuống từ Mơ hình GSTARS 2.1 h ạn ch ế cho nhửng sơng đơn có th ể bao gồm đóng góp nưóe bùn cá t bỏi nhánh chảy vào chảy khỏi đoạn sơng mơ hình hố Bởi vậy, có th ể xem đoạn sơng nghiên cửu từ Hòa Bình đến Hà Nội có h điểm nhập lưu cục v điểm phân lưu cục Điểm nhập lưu cục thử n h ấ t cùa sông Thao vào sông Đ tạ i ngả ba Thao-Đà điểm nhập lưu thứ h củ a sông Lô vào sông Hồng tạ i Ngã b a Lô-Hồng Điểm ph ân lưu cục n h ất sông ĐuôYig từ ngã b a HồngĐuống 4.2 Cơ s s ố liệ u Dựa theo yêu cầu vê sô liệu đầu vào mơdun nước v ật mơ hình GSTARS 2.1, số liệu sau đ ã thu th ập để tính trắc diện dọc m ặt nưốc cho đoạn sơng nghiên cứu: * S ố liệu địa hình: Đồn khảo sá t sơng Hồng đo đạc năm 1992, bao gồm: • 38 m ặt cắt ngang (từ sơ 10 đến số 47) trê n sông Đà đoạn từ Hồ B ình đến ngã ba Thao-Đà - 17 m ật cắt ngang (từ sô 48 đến sô 64) trê n sông Hồng đoạn từ ngã ba Thao Đ đến H Nội - Trắc diện dọc đáy sông từ Hồ Bình đến H Nội Ngun llii Nga * Sô liệu th ủ y văn: đo đạc năm 1992 1993 T ru n g tâm K hí tượng Thùy vă Quốc gia Số liệu bao gồm: - Lưu lượng nưốc bình quân ngày trạm Hồ Bình ti ên sơng Đà, n Bái sông Thao, Vụ Q uang trê n sông Lô Thượng C át trê n sông Đuống - Mực nước bình quân ngày tạ i hai trạm Sơn Tây H Nội sông Hồng 4.3 S đ h o đ o n s ô n g n g h iê n u T rên sỏ số liệu địa hình thủy văn th u th ập được, đoạn sông nghiên cứu sơ đồ hoá nh trê n hìn h 3.6 Biên (biên thượng lưu) trạm thủy vãn Hồ Bình biên (biên h lưu) trạm thủy văn H Nội Điểm nh ập lưu cục thứ n h ấ t nhập lưu sông Thao vào sông Hồng ngã ba Thao-Đà Điếm nh ập lưu cục thử hai nhập lưu sông Lô vào sông Hồng ngã b a Lô-Hồng Điểm ph ân lưu cục n h ất phân lưu sông Đuấng từ ngà ba Hồng-Đuống 4.4 F ile s ố liệ u đ ầ u vảo Trong G STARS 2.1, số liệu lập bảng file ASCII File tổ chitc theo ghi liên tiếp Một ghi dòng dài tới 80 ký tự phân chia th àn h trường có độ rộng định Các trường đán h số từ trái qua phải, b đầu từ ký tự bên trái Trường dài ký tự sử dụng để định tên ghi Các trường từ đến 10 sử đụng để vào s ố liệu cho GSTARS 2.1 Trường dài ký tự; trường đến dài ký tự H ó Ilò a B in h A JLj 10 M Hòa Bình I o ỉ Irung Hà- 'Sồng Lơ A Vụ Quang C h ú s ià i Sô” liệu thủy lực u cầu gồm số liệu hình học lòng dẫn sơ' liệu thủy văn Sơ liệu hìn h học lòng dẫn trìn h bày gồm hình dạng hình học m ật cắt ngang, độ nhám lòng đẫn h ệ sơ tổn thất Tiếp theo trìn h bày đến sơ liệu thủy văn gồm lưu lượng nước mực nước