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 nước cho đoạn sông Hồng từ Hòa Bình đến Hà Nội

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