Đang tải... (xem toàn văn)
Hiện tượng lũ lụt, khô hạn, vấn đề điều khiển hệ thống thoát lũ và cung cấp nước, vấn đề chất lượng nước và môi trường là các vấn đề có ý nghĩa quan trọng trong thuỷ văn học hiện đại
Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận CHƯƠNG 11. TÍNH MẶT NƯỚC CAO NHẤT VÀ THẤP NHẤT LÝ LUẬN. 11.1. Lý luận chung. Trong việc nghiên cứu và tính toán thuỷ triều thì một công việc rất quan trọng là tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận. Ở nước ta và một số nước khác, mặt nước thấp nhất lý luận được dùng làm mặt chuẩn độ sâu. Việc tính mực nước cao nhất, thấp nhất lý luận được thực hiện khi biết hằng số điều hoà của các sóng theo phương pháp của Vlađizirxki. Dùng hằng số điều hoà thuỷ triều của một cảng nào đó, kết hợp với các yếu tố thiên văn, có thể tính được mặt nước cao nhất và mặt nước thấp nhất có thể xảy ra ở nơi đó. Theo công thức cơ bản ở chương 10, độ cao thuỷ triều tổng hợp hồi t giờ tính từ mặt nước trung bình, tính bằng: ()[ ]()[]()[]()[]1Q1Q01Q1Q1Q1p1P01P1P1P2S2S02S2S2S2M2M02M2M2Mtguvtqcos.H.fguvtqcos.H.f .guvtqcos.H.fguvtqcos.H.fh−++++−++++++−++++−++= (11.1) (11.1) Trong đó: f - hệ số triết điểm, f biến đổi rất chậm, chu kỳ khoảng 18,6 năm; (v0+u) - góc pha ban đầu hồi 0 giờ ngày 1/1 theo giờ kinh tuyến gốc Greenwich; t - giờ mặt trời trung bình, tính từ 0 giờ ngày 1/1 theo giờ múi; q - vận tốc góc của sóng thành phần; H và g - hằng số điều hoà. Trong (11.1) tính tất cả 8 sóng chính M2, N2, S2, K2, K1, O1, P1, Q1. Ở một số cảng phụ đặc biệt phải tính thêm 3 sóng cạn M4, M6 và MS4 và các sóng chu kỳ dài. Trước hết xét việc tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận với HSĐH của 8 sóng chính, các trường hợp tính thêm sóng cạn và sóng chu kỳ dài sẽ xét sau. Ký hiệu như sau: 22M2MMH.f = ; ( )2M2M2M02Mguvtq ϕ=−++ 22N2NNH.f = ; ()2N2N2N02Nguvtq ϕ=−++ . 11O1OOH.f = ; ( )1O1O1O01Oguvtq ϕ=−++ Khi đó (11.1) viết gọn lại thành: 11-1 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận 1Q11P11K11K12K22N22N22M2tcos.Qcos.Pcos.Ocos.Kcos.Kcos.Scos.Ncos.Mhϕ+ϕ+ϕ+ϕ++ϕ+ϕ+ϕ+ϕ= (11.2) Mục đích ở đây không phải là tính độ cao thuỷ triều vào một thời điểm nào đó mà là tìm ra một thời điểm đặc biệt, ở đó mực nước triều đạt giá trị cao nhất hoặc thấp nhất, đồng thời cũng xác định luôn giá trị mực nước cao nhất và thấp nhất đó. Giá trị mực nước cao nhất và thấp nhất đó thu được qua tính toán, và có thể xảy ra hoặc chưa chắc đã xảy ra trong thực tế nên được gọi là mực nước cao nhất và thấp nhất lý luận. Vì tìm thời điểm và gi nhất có thể, nên ta tính các góc pha theo các thông số thiên iệt: p - kinh độ trung bình điểm gần trái đất của quĩ đạo mặt trăng; i lượng , các đại lượng thể giả thiết trong trường hợp nào đó (khi N = 0 hay 1800) thì các đại ng đó đều bằng 0. Biến đổi các góc pha, được các quan hệ như sau: á trị cao nhất, thấp văn ở những trường hợp đặc b1O01Og270s2ht −+−+=ϕ 2M2Mgs2h2t2 −−+=ϕ2S2Sgt2 −=ϕ1P01Pg270ht −+−=ϕ 1Q01Qg270ps3ht −++−+=ϕ 2N2Ngps3h2t2 −+−+=ϕ 1K01Kg90ht −++=ϕ 2K2Kgh2t2 −+=ϕ Trong các công thức trên: h - kinh độ mặt trời trung bình; s - kinh độ mặt trăng trung bình; t - thời gian tính từ 0 giờ (giờ mặt trời trung bình), đơn vị tính bằng độ (1 giờ là 15 độ). đạThực tế thì trong các góc pha của các sóng còn có các này biến đổi rất chậm theo chu kỳ 18,6 năm, nên có"2,',, ννξν lượ()2M1O1K1K1O2Mggg −++ϕ=ϕ−ϕ ()2S1P1K1K1P2Sggg −++ϕ=ϕ−ϕ ( )2N1Q1K1K1Q2Nggg −++ϕ=ϕ−ϕ ( )2K01K1K2K=ϕ g180g22 −−+ϕ Đặt: 01Kg90ht −++=ϕ1K và 11K1a+ϕ=τ 2M1O1K1ggga −+=2S1P1K2ggga −+= 21K2a+ϕ=τ 2N1Q1K3ggga −+= 31K3a+ϕ=τ 2K001K4g18g2a −−= Vậy quan hệ giữa các pha sóng được viết lại như sau: 11-2 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận 12M1Oτ−ϕ=ϕ22S1Pτ−ϕ=ϕ 32N1Qτ−ϕ=ϕ 41K2Ka2 +ϕ=ϕ Vậy độ cao thuỷ triều được viết lại dướ1K112M12M2tcos.Pcos.Scos.Ocos.Mh+τ−ϕ+ϕ+i dạng: ()()()41K232N12N222S12S2cos.K)a2cos(.Kcos.Qcos.Nϕ++ϕ++τ−ϕ+ϕ++τ−ϕ+ϕ=Trong công thức trên c có pha của các sóng M2, S2, N2, K1 và các góc bổ trợ τ1, τ2, τ3 và ời các sóng cũng tạo thành từng cặp (M2-O1), (S2-P1), (N2-Q1), các cặp biểu g thức chung: Tủa sóng BNT; B và φ - τ là biên độ và góc pha của sóng NT. (11.3) hỉφK1. Đồng ththị bằng côn()τ−ϕ+ϕ cos.Bcos.A rong đó: A và φ - biên độ và góc pha cBiến đổi lượng giác thu được: ()( )ϕτ+ϕτ+=τ−ϕ+ϕ sin.sin.Bcos.cos.BAcos.Bcos.A (11.4) Chứng minh được tồn tại giá trị R và ε thoả mãn: Vậy (11.4) biến đổi thành: )ε=τ+ cos.Rcos.BA ε=τ sin.Rsin.B ()(()ε−ϕ=ϕε+ϕε=τ−ϕ+ϕcos.Rsin.sincos.cos.Rcos.Bcos. (11.5) Và: Aτ++= cos.AB2BAR22 τ+τ=εsin.Btg cos.BAỞ đây R luôn dương, trị số lớn nhất là A+B, trị số nhỏ nhất là A-B, góc ε dương hay âm là do trị số tgε quyết định. Đưa (11.5) vào (11.3), thu được: N322S212M141K21K1tcos.Rcos.Rcos.Ra2cos.Kcos.Khϕ++ε−ϕ++ε−ϕ+()()()()++ϕ+ϕ= (11.6) 22ε−11-3 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận Trong đó: 11221221cos.OM2OMR τ++=; 112111cos.OMsin.Otgτ+τ=ε 21212222cos.PS2PSR τ++=; 2122cos.PSτ+21sin.Ptgτ=ε 11221223cos.QN2QNR τ++=; 312313cos.QNsin.Qtgτ+τ=ε Trong (11.6), trị s của ố φ0 K1 có thể từ 0 ÷ 360 , vì các trị số K0đã biết HSĐH của K1 nên tính được+a4, R1, R2, R3, ε1, ε2, ε3 đều có thể tính đ ác trị số t ng ứng củK1 lần lượTiế giá trị giới hạn của ht: giá trị K1cosφ1, sẽ có các trư ng hợp: - 1cosφK1. Còn các giá trị τ1, τ2, τ3, 2φK1ược theo c ươ a φt cách nhau từng 150 (từng giờ). p theo, đi xác địnhVới cùngKờKhi 012M=ε−ϕ; 022S=ε−ϕ; 032N=ε−ϕthì tất cả các biểu thức cos đều bằng 1 về mlý luậvà ht đạt cực đại. - Khi 0180=ε−ϕ; 0180=ε−ϕ; 0180=ε−ϕthì tất cả các biểu thức cos 12M22S 32Nđều bằng -1 và htđạt cực tiểu. Trong thực tế, có thể các góc trên không đồng thời đạt giá trị +1 hoặc -1, tuy nhiên ặt lý thuyết là có thể xảy ra, nên các giá trị ht cực đại và cực tiểu ở đây là các giá trị n. Tập hợp các giá trị ht cực đại được đường cong mực nước cao, ký hiệu là H (High). (Low). 11.2 ng biểu đồ và phụ lục để xác định R và ε. Để tính được H và L theo lý luận trên, cần tìm cách xác định R và ε khi đã biết các giá trị A, B và góc τ. Nguyên lý để xác định như sau: Từ biểu thức của R và ε: Tập hợp các giá trị ht cực tiểu được đường cong mực nước thấp, ký hiệu là LĐiểm cao nhất trên đường H sẽ là MNCN lý luận. Điểm thấp nhất trên đường L sẽ là MNTN lý luận. . Nguyên lý và cách dùτ++= cos.AB2BAR22 τ+τ=εcos.BAtg ng tam giác như hình vẽ, cósin.BDự : ạnh A và B là 1800-τ (thuộc trường hợp τ < 1800), R sẽ là cạnh thứ 3 trong tam giác. - Góc đối cạnh B là ε, góc đối cạnh A là σ. - 2 cạnh là A và B. - Góc kẹp giữa hai cTrong tam giác sẽ có: 11-4 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận τ+τ=σcos.ABsin.Atg Vậy quan hệ giữa ε và σ là: τ=σ+ε Trong khi tính, xảy ra 2 trường hợp1. Nếu A > B: đặ A > B hoặc B > A. t AB=δ, R và ε tính theo công thức: ⎪⎭⎪⎬⎫τδ+τδ=ετδ+δ+=cos.1sintgcos21.AR2 (11.7) 2. Nếu A < B: đặt BA=δ, R và ε tính theo công thức: ⎪⎪⎫τδ+δ+= cos21.BR2⎭τδ+ cos.1⎬ (11.8) Từ nguyên lý tguyên lý như sau: ại lượng τδ=εsintg(δ luôn <1). rên, để tiện tính toán, lập thành các biểu đồ hoặc bảng tính mẫu. 1. Biểu đồ có nBiểu đồ gồm 2 hệ toạ độ, 1 hệ vuông góc và 1 hệ cực chồng lên nhau. -Hệ vuông góc có tung độ là những trị số cách đều nhau của đτδ+δ+ cos212, hoành độ là những trị số cách đều nhau của góc ε (nếu A >=m B) hoặc góc σcác đường cong đồng tâm là giá trị δ, mỗi đường cách nhau 0,1 đơn v tia từ tâm phát ra là các đường cong τ từ 00 đến 1800. ho t δ và τ khi δ tương đối lớn. 1. - (nếu A < B). -Hệ toạ độ cực có ị từ 0,0 đến 1,0. CácBiểu đồ 4 tính giá trị của m và ε ặc σ khi biếBiểu đồ 5 dùng khi δ từ 0,0 ÷ 0,Cách tra như sau: Có giá trị A, B. - Tính δ, (Anếu A > B hoặc BB nếu A < B) A- Có δ, từ giao điểm của đường cong đồng tâm δ và tia góc τ, dóng xuống trục ngang được giá trị góc, dóng lên trục đứng được giá trị m. - Nếu A > B, được R = m.A, góc tra được trên biểu đồ là góc ε. ếu A < B, được R = m.B, góc tra trên biểu là góc σ, và. ng tra để tính m và ε. Trong bảng tra, k định đượ m. Sau đó tính tgε theo (11.7) hoặc (11.8), từ đó tính được ε. Ví dụ- N đồ2. Nếu không dùng biểu đồ, cũng có thể dùng bả σ−τ=εhi biết δ và τ, tra bảng xác c : 11-5 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận 1. Tính R và ε khi cho A = 150, B = 30, τ = 1500. > B gVì A nên dùn 2,0150A30B===δ Tra biểu đồ 4 với δ = 0,2 và τ =150, được m = 0,83 và góc = +70. à ε khi cho A = 4,5; B = 90; τ = 100Vì A < BKhi đó: R = m.A = 0,83 x 150 = 125 ε = + 70. 2. Tính R v nên dùng 05,090B===δ5,4A u đồ 5, tra biểu đồ với δ = 0,05 và τ = 100, được m = 1,049 và gó00 - 0,40 = 9,60. 11.3. Cách chọn ị phải chọ ệ số f thích p vì nó có tác dụng rất lớ ị số của H và L, trị số f c xác đị kinh độ iao điểm a quĩ đạ trăng, và có th ra bảng (11.1) g 11.1. nh trị số các sóng h độ N gi n của o mặt trăVì δ < 0,1 nên dùng biểc = +0,40. Khi đó: R = m.B = 1,049 x 90 = 94,9 ε = τ - σ = 1hệ số f. Khi tính giá tr fH n h hợ n đến trđượ nh theo N là g lên củ o mặt ể tBản Xác đị f của theo NKin ao điểm lê quĩ đạ ng Sóng f 0090018002700M2fM20,963 1,000 1,038 1,000 S2fS21,000 1,000 1,000 1,000 N2fN20,963 1,000 1,038 1,000 K2fK21,317 1,016 0,748 1,016 K1fK11,113 1,015 0,882 1,015 O1 O1f 1,183 1,024 0,806 1,024 P1fP11,000 1,000 1,000 1,000 Q1fQ11,183 1,024 0,807 1,024 M4fM40,928 1,000 1,077 1,000 MS4fMS40,963 1,000 1,038 1,000 M6fM60,894 1,000 1,118 1,000 Từ bảng (11.1), nhận thấy với mỗi sóng, giá trị f biến đổi khác nhau. Trị số f của sóng S2 và P1 luôn bằng 1,000. Với sóng M2 và N2 thì khi N = 1800, f có giá trị lớn nhất, khi Nkhi N = 180thì f là nhỏ nhất. Vì vậy, nếu là cảng BNT thì trị số lớn nhất phải lấy theo 0triều ở đó là lớn nhất. Nếu là cảng NT thì bi cảng tạp triều thì phải lựa chọn f cho sóng -Nếu cảng NT lấy các trị số f khi N = 0. = 00 thì f có giá trị nhỏ nhất. Ngược lại với sóng K1, O1 và Q1, khi N = 0 thì f lớn nhất, 0 các sóng BNT, khi N = 180 thì biên độ thuỷ ên độ ở đó lớn nhất khi N = 00. Trường hợp làNT và BNT rồi so sánh kết quả thu được. Vậy khi tính toán thực tế chọn hệ số f để tính H cao nhất và L thấp nhất lý luận như sau: -Nếu cảng BNT lấy các trị số f khi N = 1800. 011-6 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận -Cảng tạp triều: đầu tiên lấy f =1 đối với các sóng thành phần để tính H cao nhất và L thấp nhất, từ đó xác định φK1 ứng với H cao nhất và φK1 ứng với L thấp nhất. Sau đó dựa vòn biết thêm hằng số điều hoà của đối đến mực nước thuỷ triều thì cần p c thêcải chính sóng cạn (sóng nước nông) i chính sóng nước nông. Từ trị số φK1 lớn nhất và φK1 nhỏ nhất của H cao nhất và L thấp nhất, theo các biểu thức tương ứng của nó tính các pha φ của các sóng phụ, tiếp tục tính các trị số f.H.cosφ của các sóng, cuối cùng tính tổng của nó. Pha của các sóng cạn tính như sau: ào các φK1 đó tính H cao nhất và L thấp nhất với f trong cả 2 trường hợp N = 1800 và N = 00. Cuối cùng lấy trị số tuyệt đối lớn nhất của chúng. 11.4. Tính cải chính sóng nước nông và sóng chu kỳ dài đối với mực nước cao nhất và thấp nhất lý luận. Nếu như 1 cảng nào đó ngoài 8 sóng chính ra ta cmột số sóng khác mà những sóng đó có ảnh hưởng tương hải cải hính m vào mặt nước cao nhất thấp nhất lý luận đã tính được từ 8 sóng chính trên. Thông thường, các sóng nước nông và các sóng chu kỳ dài thường hay được cải chính vào mực nước cao nhất và thấp nhất lý luận. 11.4.1. Tính Khi HM4 + HMS4 > 20cm thì phải cả 2M2M4Mgg22 −+ϕ=ϕ4M6M2M2M6Mgg33−+ϕ=ϕ 6M2S2M2S2M4MSggg−++ϕ+ϕ=ϕ Tổng trị số cải chính là: 4MS4MS6M6M4M4Mcos.Hcos.Hcos.Hϕ+ϕ+ϕ (11.9) 11.4.2. Tính cải chính sóng chu kỳ dài hoặc số cải chính các mùa đối với mặt nước trung bình. Đối với những vùng biển mà mặt n ớc trung bình thay đổi tương đối nhiều thì phải cải chính thêm các sóng Sa và Ssa, góc pha của các sóng này như sau: ưSa011ϕ2S1K21KSag180g.2g.2−−−+ε−ϕ= gg22Ssa2Sg1K21KSsa−−+ε−ϕ=ϕnh, mà thường dùng số cải chính mặt nước trung bình theo mùa. yêu cầu số liệu quan trắc thuỷ triều 9 năm hoặc 19 năm. Nếu không có đủ sốsố cải chính theo mùa trong những trườn Trong đó trị số của ε2 được tra trong biểu đồ 4 hoặc 5 theo τ và δ. Tổng trị số cải chính là: SsaSsaSasacos.Hcos.Hϕ+ϕ (11.10) Tuy nhiên việc tính các sóng Sa và SSa trong phân tích điều hoà thuỷ triều là khá phức tạp nên thường không tí Phương pháp này khá tốt vì lấy số liệu quan trắc mực nước nhiều năm làm cơ sở. Phương pháp này năm quan trắc thì vẫn có thể cải chính được, nhưng số cải chính trong trường hợp này là số cải chính gần đúng. Có thể không dùng sóng Sa và sóng SSa hay g hợp sau: 11-7 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận -Những cảng mà trong đó mực nước thấp nhất lý luận tính được từ 8 sóng hay 11 ảng mà số cải chính mùa không lớn. h tính MNCN, MNTN lý luận theo phương pháp Vlađhành theu: f lấy với N = 1800 nếu là cảng BNT, f lấy với N n f = nếu là cảng tạp triều. 5. Tính các giá trị τ1 2, τ3 và 2φK1+a4. ác giá trị δ1, δ2, δ3 (chú ý là δ < 1). 1, R2, R3: có thể sử dụng biểu đồ hoặc bảng tra hoặc tính trực tiếp ra giá trị sóng xấp xỉ với mực nước thấp nhất nhiều năm đã quan trắc được. -Những c-Những nơi mà do yêu cầu đặc biệt về sử dụng, không thể cải chỉnh theo mùa. 11.5. Tổng hợp qui trìnizirxki. Tổng hợp lại, việc tính MNCN, MNTN lý luận theo phương pháp Vlađizirxki tiến o qui trình như sau: 1. Xác định tính chất thuỷ triều. 2. Chọn f theo tính chất thuỷ triề= 00 nếu là cảng NT hoặc chọ 13. Tính các giá trị f.H của các sóng, 4. Tính các độ góc a1, a2, a3, a4, , τ6. Tính c7. Tính Rτδ+δ+ cos 212 8. Tính )RRR()cos.Kcos.K(H3212K21K1+++ϕ+ϕ= 9. Tính )RRR()cos.Kcos.K(L3212K21K1++−ϕ+ϕ= Vẽ đồ thị quan hệ H~ φ10.ax của ương ứng xác định được φK1 làm Hmax. an hệ L~ φK1 được đường biểu diễn Mực nước thấp. Giá trị min của 13. chính sóng nước nông: ch tính trực tiếp từ công thức tgε hoặc tra K1 được đường biểu diễn Mực nước cao. Giá trị mH là mực nước cao nhất lý luận, t12. Vẽ đồ thị quL là mực nước thấp nhất lý luận, tương ứng xác định được φK1 làm Lmin. Tính cải -Với Hmax: +tính các ε1, ε2, ε3 tương ứng bằng cábiểu đồ. ; 022S=ε−ϕ; 032N=ε−ϕ +giải các điều kiện 12M0=ε−ϕ xác định các trị số , +tính các góc pha φM4, φM6, φMS4 theo quan hệ i φM2, φS2, φN2 -Với Lmin: làm tương tự như với trường hợp Hmax, nhưng giải các điều kiện ; ; . 14. Cuối cùng lập bảng tổng hợp tính MNCN, MNTN lý luận. φM2, φS2φN2 ứng với MNCN lý luận. vớ +tính số cải chính theo (11.9) 012M180=ε−ϕ022S180=ε−ϕ032N180=ε−ϕ11-8 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận 11.6. Một số ví dụ tính toán. Ví dụ 1: Tính mặt chuẩn độ sâu (mực nước thấp nhất) và mực nước cao nhất lý luận của cảng A, biết hằng số điều hoà các sóng cảng A như sau: Sóng M2S2N2K2K1O1P1Q1M4MS4M6g (độ) 8,1 57,7 11,0 58,4 217,0 164,8 216,4 160,5 304,1 346,3 207,2H(cm) 95,5 42,4 15,2 11,5 22,6 15,1 7,6 3,0 14,2 15,4 3,5 1. Xác định tính chất thuỷ triều cảng A: 5,0394,05,951,156,22HHH2M1O1K<=+=+ Vậy cảng A là BNT. Mặt khác nhận thấy H của các sóng nước nông là tương đối lớn, vậy ở cảng A có sóng nước nông rõ rệt. Khi tính MNCN và MNTN lý luận cần thêm các số cải chính độ sâu do sóng nước nông. 2. Vì thuỷ triều cảng A là BNT nên lấy f ứng với N = 1800. 3. Thực hiện tính toán theo qui trình ở mục 11.5. Lập các mẫu tính như sau: -Mẫu tính 1: Tính các giá trị fH, các độ góc a và các tỷ số δ. -Mẫu tính 2: Lập bảng tính MNCN và MNTN lý luận. -Mẫu tính 3: Tính các góc pha và các số cải chính sóng nước nông. 11-9 . ................................................................................. 11O1OOH.f = ; ( )1O1O1O01Oguvtq ϕ=−++ Khi đó (11. 1) viết gọn lại thành: 1 1-1 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận 1Q11P11K11K12K22N22N22M2tcos.Qcos.Pcos.Ocos.Kcos.Kcos.Scos.Ncos.Mhϕ+ϕ+ϕ+ϕ++ϕ+ϕ+ϕ+ϕ=. N322S212M141K21K1tcos.Rcos.Rcos.Ra2cos.Kcos.Khϕ++ε−ϕ++ε−ϕ+()()()()++ϕ+ϕ= (11. 6) 22ε−1 1-3 Chương 11. Tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận Trong đó: 112 21221cos.OM2OMR τ++=; 112 111cos.OMsin.Otgτ+τ=ε