Bài viết này trình bày một sơ đồ tính toán dòng chảy và vận tải bùn cát ba chiều trong kênh hở. Mực nước và vận tốc dòng chảy được giải từ phương trình chuyển động ba chiều với giả thuyết thủy tĩnh. Nồng độ bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy và diễn biến đáy được giải từ các phương trình vận tải.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái Đất Môi trường, 3(1):23- 36 Bài Nghiên cứu Mơ hình tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát ba chiều sông kênh hở Lê Song Giang* , Trần Thị Mỹ Hồng TÓM TẮT Mơ hình tốn cơng cụ hữu ích nghiên cứu dòng chảy vận tải bùn cát, bồi xói lòng dẫn xây dựng dựa việc giải phương trình vi phân Mơ hình tốn có nhiều cấp độ khác mơ hình chiều cấp độ cao nhất, cho phép mô chi tiết dòng chảy q trình vận tải bùn cát không gian chiều Bài báo trình bày sơ đồ tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát ba chiều kênh hở Mực nước vận tốc dòng chảy giải từ phương trình chuyển động ba chiều với giả thuyết thủy tĩnh Nồng độ bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy diễn biến đáy giải từ phương trình vận tải Các phương trình vi phân viết hệ tọa độ biến đổi ``sigma'' giải theo phương pháp thể tích hữu hạn lưới phi cấu trúc phần tử tứ giác Đối với dòng chảy điều kiện biên mực nước lưu lượng áp đặt biên hở Đối với bùn cát lơ lửng nồng độ bùn cát biên áp đặt pha chảy vào điều kiện thoát tự sử dụng pha chảy Sơ đồ tính tốn kiểm tra với tốn vận tải bùn cát kênh cong nghiên cứu thực nghiệm Odgaard Bergs Kết tính tốn phù hợp với số liệu đo Nhằm kiểm tra khả ứng dụng thực tế, sơ đồ tính tốn kiểm tra với toán vận tải bùn cát sông Đồng Nai khu vực Cù lao Phố Để giải vấn đề điều kiện biên thủy lực tốn này, mơ hình khu vực Cù Lao Phố tích hợp vào mơ hình hệ thống sơng Sài Gòn – Đồng Nai Kết tính diễn biến lòng dẫn khu vực cù lao Phố sơng Đồng Nai cho thấy phương pháp tính tốn cho kết phù hợp với quy luật hoàn tồn sử dụng nghiên cứu thực tế Từ khố: mơ hình 3D, vận tải bùn cát, lưới phi cấu trúc, tọa độ ``sigma'' GIỚI THIỆU Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM Liên hệ Lê Song Giang, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM Email: lsgiang@yahoo.com Lịch sử • Ngày nhận: 06-11-2018 • Ngày chấp nhận: 30-5-2019 • Ngày đăng: 22-6-2019 DOI : https://doi.org/10.32508/stdjsee.v3i1.508 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát toán phổ biến thủy lực Đối với trường hợp đơn giản, người ta dùng mơ hình 1D 2D Tuy nhiên tốn phức tạp, nơi dòng chảy có cấu trúc chiều với dòng thứ cấp xuất rõ rệt có mơ hình 3D đủ độ tin cậy Gần đây, số mơ hình 3D cơng bố Van Rijn giải phương trình vận tải bùn cát lơ lửng 3D dòng chảy 3D nhận từ lời giải 2D với giả thiết phân bố theo quy luật logarithm phương thẳng đứng Lin Fanconer giải phương trình Navier-Stokes trung bình hóa Reynolds phương trình vận tải bùn cát lơ lửng phương pháp sai phân hữu hạn lưới cố định theo phương thẳng đứng Wu tác giả xây dựng phương pháp tính dựa việc giải phương pháp thể tích hữu hạn phương trình Navier-Stokes bình hóa Reynolds phương trình vận tải bùn cát lơ lửng trung Tuy nhiên lưới tính thuật giải chưa đủ mềm dẻo để mô tốt tốn có hình học phức tạp Ngồi thuật giải khơng hồn tồn thích hợp để xây dựng mơ hình tích hợp Trong báo này, phương pháp tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát 3D khác giới thiệu Dòng chảy giải từ phương trình chiều với giả thiết thủy tĩnh Các phương trình giải theo phương pháp thể tích hữu hạn lưới phi cấu trúc trục thẳng đứng biến đổi sigma Phương pháp áp dụng tính tốn thử nghiệm với tốn kênh cong 180o nghiên cứu thực nghiệm Odgaard Bergs tốn bồi xói khu vực Cù lao Phố sơng Đồng Nai MƠ HÌNH TỐN Phương trình Mực nước vận tốc dòng chảy giải từ phương trình chuyển động ba chiều với giả thiết thủy tĩnh Trong hệ tọa độ biến đổi “sigma”, phương trình viết : ∂D ∂ qσ + ∇σ (q) + =0 ∂t ∂σ (1) ∂q + ∇σ [qU − DAH ∇σ U] ∂t [ ] ∂ AV ∂ U + qσ U − = −gD∇σ η + DF ∂σ D ∂σ (2) Trích dẫn báo này: Giang L S, Mỹ Hồng T T Mơ hình tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát ba chiều sông kênh hở Sci Tech Dev J - Sci Earth Environ.; 3(1):23-36 23 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái Đất Môi trường, 3(1):23- 36 Nồng độ bùn cát lơ lửng giải từ phương trình vận tải 1,3 Cũng hệ tọa độ biến đổi “sigma”, phương trình viết: ∂ qC + ∇σ [qC − HDH ∇σ C] ∂t [ ] ∂ DV ∂ C (qσ − ws0 )C − =0 + ∂σ D ∂σ (3) Diễn biến đáy giải từ phương trình : (1 − P) ρC ∂ zb ∂ (bcb ) + + ∇qb = (Db − Eb ) ∂t ∂t (4) Trong phương trình tên: η – mực nước; U = [ ]T ux , uy – hai thành phần vận tốc dòng chảy phương ngang; ω – thành phần vận tốc phương [ ]T thẳng đứng “sigma”; q = qx , qy = DU qσ = Dω D – độ sâu; ∇σ – toán tử vi phân mặt phẳng “sigma”; F– vector ngoại lực; AH AV – độ nhớt rối; C – nồng độ bùn cát lơ lửng cột nước; qC = DC ws0 – vận tốc lắng; zb – cao độ đáy; ρC – khối lượng riêng hạt bùn cát; P – hệ số rỗng; cb – nồng độ bùn cát [ ]T tầng đáy; b – bề dày tầng đáy; qb = qbx , qby vector lưu lượng đơn vị bùn cát đáy; Db Eb – suất lắng xói bùn cát tầng đáy (ở cách đáy khoảng b); DH DV – hệ số khuếch tán rối Độ nhớt rối ngang, AH , tính theo Smagorinsky : [( ) ( ) ∂u ∂v AH = C∆x∆y + ∂x ∂y (5) ( )2 ]0,5 ∂u ∂v + + ∂y ∂x Hệ số C nằm khoảng 0,01 – 0,5 Độ nhớt rối theo phương đứng, AV , tính theo mơ hình Prandtl-Kolmogorov (1942) 7,8 : √ ′ (6) AV = Cµ L k ′ Trong Cµ - số mơ hình, xác định q trình hiệu chỉnh mơ hình; L – chiều dài xáo trộn; k – động rối Các thông số lấy theo Davies Gerritsen sau: [ ] ( b )2 s k= √ u (h) + (u ) (1 − h) (7) cµ √ (8) L = κ D (1 − h) h Với cµ = 0, 09 – số mơ hình; κ = 0, 4– số Karman; us∗ - vận tốc ma sát mặt nước; ub∗ dạng sửa chữa vận tốc ma sát đáy u∗b ub∗ = max (u∗ , u∗b )u- giá trị trung bình vận tốc ma sát tính từ vận tốc mắt lưới đường thủy trực biên dạng vận tốc logarit; h = (η − z) /D- độ sâu tương đối 24 Hệ số khuếch tán rối lấy với độ nhớt rối Đối với bùn cát rời, suất lắng xói bùn cát độ cao b, Db Eb , tính : ( ) (9) Db − Eb = ws0 cb − cb,e Trong cb cb,e – nồng độ bùn cát nồng độ bùn cát bão hoà mặt phân cách lớp đáy Theo Van Rijn 1,10,11 , lưu lượng bùn cát đáy, q b , nồng độ bùn cát bão hoà, c b,e , tính: 1.5 D−0.3 T 2.1 qb = 0.053ρC [(s − 1)g]0.5 d50 ∗ cb,e = 0.015ρC d50 T 1.5 b D0.3 ∗ (10) (11) Với: T = (τ b − τ cr ) /τ cr (12) [ g ]1/3 D∗ = d50 (s − 1) v (13) Trong đó: d50 – đường kính hạt 50%; s – tỷ trọng hạt; τ τ cr – ứng suất tiếp đáy ứng suất tiếp đáy ngưỡng (xác định từ đồ thị Shield) Đối với bùn cát kết dính, suất xói, E b , lắng, Db , tính theo Hayter Mehta 12 Krone 13 : ( ) τb Eb = ε −1 (14) τε ) ( τ Db = ws0C − b (15) τd Trong đó: ε - hệ số xói; τb - ứng suất tiếp đáy; τε ứng suất tiếp đáy ngưỡng xói; τd - ứng suất tiếp đáy ngưỡng bồi Điều kiện biên Trên biên hở diễn biến lưu lượng mực nước áp đặt Đối với nồng độ bùn cát lơ lửng, pha chảy vào, nồng độ bùn cát áp đặt Còn pha chảy ra, điều kiện thoát tự sử dụng : ∂ C/∂ n = (16) Trên biên kín, điều kiện khơng thẩm thấu sử dụng Trên mặt thoáng (σ = 0), điều kiện biên sau sử dụng 1,5 : ω =0 AV D [ (17) ] ) ( ∂u ∂v , = − τ0x , τ0y /ρ0 ∂σ ∂σ ws0C + DV ∂ C =0 D ∂σ (18) (19) Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái Đất Môi trường, 3(1):23- 36 Còn đáy (σ = −1) 1,5 : ω =0 ( )0.5 AV ∂ u ∂ v , = CD u2 + v2 (u, v) D ∂(σ ∂ σ ) DV ∂ C − ws0C + = Eb − D b D ∂σ [ ] Trong (20) (21) (22) Trong CD hệ số ma sát đáy tính : [ ]2 κ (23) CD = ln (∆/z0 ) Với ∆ – khoảng cách từ mắt lưới tới đáy; z0 – thông số nhám ∆V k = δ σk S [ ] S AV ∂ q Jk+1 = qσ q − D D ∂ σ k+1/2 ] [ ∂U Fluxk (U) = δ σ k L qn U − DAH dl ∂n k (26) rk = D(−g∇σ η + F)k (29) ′′ ∫ ∫ δ σk S ∂q dSd σ + ∂t dSd σ + dSd σ = ∫ ∫ S δ∫σk ∫ ∫ ∫ ′′ Jk+1 = −ATk+1 qk+1 + APk+1 qk ′′ (24) (−gD∇σ η + DF) dSd σ δ σk S Sau sai phân số hạng đạo hàm theo thời gian, (24) đưa tới phương trình: ( ) n+1/2 n−1/2 qk − qk ( ) ∆Vk (25) + Fluxk Un−1/2 ∆t( ) n+1/2 n+1/2 n + J k+1 − Jk = rk ∆Vk (30) ′′ Trong ATk+1 àAPk+1 xác định tùy theo sơ đồ nội suy Riêng đáy mặt thoáng, điều kiện biên sử dụng để tính J Thay (30) vào (25), ta phương trình cuối cùng: n+1/2 −ASk qk−1 n+1/2 + APk qk n+1/2 − ANk qk+1 = Srck (31) Trong đó: APk = ) ′′ ∆V k ( ′′ + APk+1 + ATk ∆t ′′ ′′ (34) ASk = APk Srck = (32) (33) ATk = ATk+1 ) ( ∆Vk n−1/2 qk − Fluxk Un−1/2 + ∆Vk rnk ∆t (35) Trên thủy trực ta thiết lập hệ nz phương trình (31) chứa nz ẩn số mà sau giải ta có nz nghiệm qk (k=1,nz) cạnh ict lớp b) Bước Để tính mực nước η , phương trình liên tục (1) tích phân phương σ tồn chiều sâu Kết ta thu được: ∂D + (δ σ k ∇σ qk ) = ∂t ∑ k ∇σ [qU − DAH ∇σ U] σk S [ ] ∂ AV ∂ U qσ U − ∂σ D ∂σ (28) Các số hạng Fux k (U) rk ước tính phép tích phân số sai phân Riêng số hạng J k+1 nội suy sai phân thành: Phương pháp giải Các phương trình (1) - ( ) giải phương pháp thể tích hữu hạn theo sơ đồ cải tiến từ sơ đồ giới thiệu tài liệu 14 Trong sơ đồ này, thành phần lưu lượng q nồng độ bùn cát lơ lửng C giải ẩn theo phương”sigma” để gia tăng tính ổn định lời giải Hình giới thiệu lưới tính mơ hình Mực nước tính nút lưới Lưu lượng q tính cạnh phần tử, lưu lượng qσ tính nút lưới khoảng lớp nồng độ bùn cát lơ lửng tính nút lưới lớp Thứ tự giải phương trình sau: - Bước 1: Giải phương trình (2) tính lưu lượng q thời điểm n+1/2 - Bước 2: Giải phương trình (1) tính mực nước η thời điểm n+1 - Bước 3: Tính lưu lượng qσ thời điểm n+1/2 - Bước 4: Giải phương trình (3) tính nồng độ bùn cát lơ lửng C thời điểm n+1 - Bước 5: Giải phương trình (4) tính cao độ đáy zb thời điểm n+1 a) Bước Phương trình (2) tích phân thể tích kiểm sốt cạnh ict (Hình 1a) lớp k: (27) (36) (36) sau tích phân diện tích kiểm sốt nút C (Hình 1a), từ ta được: ( ) n+1/2 ∂ DC n+1/2 (37) = − ∑ δ σk ∑ qnk j L j ∂t S k j Từ (37), độ sâu mực nước nút C tính: n+1/2 DCn+1 = DCn + ∂ DC ∂t ηCn+1 = zb + DCn+1 ∆t (38) (39) c) Bước 25 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái Đất Mơi trường, 3(1):23- 36 Hình 1: Lưới tính mặt lớp lưới tính theo phương thẳng đứng a Trên mặt bằng; b Trên phương thẳng đứng Hình 2: Lưới tính mơ hình 3D Để tính lưu lượng đơn vị phương σ , phương nút C lớp thời điểm n+1/2: trình liên tục (1) tích phân thể tích kiểm sốt nút C lớp k: ∫ ∫ S ∫ δ∫σ k S δσk ∂D d σ dS + ∂t ∫ ∫ S δσk ∂ qσ d σ dS = ∂σ n+1/2 n+1/2 n+1/2 qσ k+1 = qσ k ∇σ qd σ dS+ n+1/2 (40) ∑ j qnk j − δ σk ∂ DC ∂t Lj Các tích phân ước tính tích phân số Lưu ý đáy qσ n+1/2 = sau sai phân theo thời gian ta lời giải cho qσ d) Bước 26 − δ σk S (41) Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái Đất Môi trường, 3(1):23- 36 Hình 3: Trường vận tốc mặt thống Phương trình (3) tích phân thể tích kiểm soát nút C lớp k: ∫ ∫ S δ σk ∂ qc d σ dS + ∂t d σ ds + + ∫ ∫ S= ∫ ∫ S δ σk ∫ ∫ ∇σ [qC − HDH ∇σ C] S[δ σk ] ∂ DV ∂ C qσ C − dσ d ∂σ D ∂σ (42) ′′ n+1 n+1 −ASk Ck−1 + APk Ckn+1 − ANk Ck+1 = Srck Với DSC d σ dS ( APk = S σk ) ( ′′ ) ′′ + s ∆V k Dn+1 + APk+1 + ATk ∆t Sau sai phân số hạng đạo hàm theo thời gian (42) đưa tới phương trình: ) ∆Vk ( qCn+1 − qCkn + Fluxk (Cn ) k ∆t( ) ( ) (43) n+1 + Jk+1 − Jkn+1 = ∆Vk Dn+1 r − sCn+1 k ′′ ′′ ∆V k = δ σ k S (44) [ ] DV ∂ C n+1 n+1 Jk+1 = S qσ C − D ∂ σ k+1/2 (45) n Flux k[(C ) = δ σ k ∫ ] n+1/2 n C − HDH ∇σ Cn dS ∇σ q (46) k S Số hạng Fuxk (Cn ) ước tính phép tích phân số sai phân số hạng J k+1 nội suy sai phân thành: ′′ ′′ Jk+1 = −ATk+1 Ck+1 + APk+1 Ck ) Dn n C + r.Dn+1 − Fluxk (Cn ) ∆t k (52) Trên thủy trực ta thiết lập hệ nz phương trình (48) chứa nz ẩn số mà sau giải ta có nz nghiệm qC (k=1,nz) nút C lớp thời điểm n+1 e) Bước Để tính biến đổi đáy, phương trình (4) tích phân diện tích kiểm sốt nút C (Hình 1a): (1 − P) ρC ∫ + (47) (49) (51) Ask = A p k ( (48) (50) Ark = ATk+1 Srck = ∆V k Trong đó: ′′ Trong ATk+1 àAPk+1 xác định tùy theo sơ đồ nội suy Tại đáy mặt thoáng, điều kiện biên sử dụng để tính J Thay (50) vào (46), ta phương trình cuối cùng: S ∫ S ∂ zb dS + ∂t ∇qb dS = ∫ ∫ S ∂ (bcb ) dS ∂t (Db − Eb ) dS (53) S 27 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái Đất Mơi trường, 3(1):23- 36 Hình 4: Vận tốc mặt phẳng mặt cắt góc cong khác Sau sai phân số hạng đạo hàm theo thời gian, (53) đưa tới phương trình: (1 − P) ρC zn+1 − znb b + DC ∆t +Flux (qb ) = (Db − Eb ) S (54) Trong DC = ] S [ (bcb )n+1 − (bcb )n ∆t Flux (qb ) = L qbn dl (55) (56) Từ (54) ta có cao độ đáy nút C thời điểm n+1: ∆t (1 − P) ρC [(Db − Eb ) S − DC − Flux (qb )] zn+1 = znb + b 28 (57) TÍNH TỐN THỬ NGHIỆM Vận tải bùn cát kênh cong 180o Odgaard Bergs có nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy vận tải bùn cát kênh cong Bài toán Wu tác giả tính tốn mơ hình toán 3D Kênh gồm đoạn cong 180º, bán kính trung bình 13,11m đoạn kênh thẳng dài 20m dẫn vào (Hình ) Mặt cắt ngang kênh hình thang, đáy rộng 1,44m mặt thoáng rộng 2,44m Đáy kênh phủ lớp cát dày 23cm với đường kính trung bình 0,3 mm Nước cát trơi theo dòng chảy bơm đưa trở lại đầu kênh hệ thống tuần hoàn khép kín với lưu lượng 0,153m3 /s Sau đáy kênh biến đổi đạt tới trạng thái ổn định, địa hình đáy kênh đo đạc Để đánh giá phương pháp phát triển báo mơ hình tốn 3D cho kênh Odgaard Bergs Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái Đất Mơi trường, 3(1):23- 36 Hình 5: Vận tốc vng góc với mặt cắt góc cong khác xây dựng Trên mặt bằng, đoạn cong 180º chia thành 180×16 phần tử đoạn kênh dẫn vào chia thành 80×16 phần tử (Hình ) Mơ hình có 11 lớp theo phương thẳng đứng Địa hình đáy mơ hình lấy theo hình dạng kênh cứng hình thang điều kiện ban đầu kênh bị bồi 23cm tương ứng với lớp cát phủ ban đầu thí nghiệm Odgaard Bergs Đầu vào kênh áp đặt điều kiện biên lưu lượng Q=0,153m3 /s nồng độ bùn cát lơ lửng tương ứng với lưu lượng bùn cát mặt cắt cuối kênh 3,7g/m/min ghi nhận thí nghiệm Odgaard Bergs Điều kiện biên mực nước cuối kênh áp đặt cho độ sâu kênh khoảng 15cm thí nghiệm Tính tốn cho thấy sau khoảng kể từ thời điểm ban đầu địa hình đáy kênh gần khơng thay đổi Hình giới thiệu trường vận tốc mặt nước sau đáy kênh ổn định Hình Hình giới thiệu trường vận tốc số mặt cắt kênh vị trí khác Các hình cho thấy xoáy thứ cấp kênh tái cách rõ ràng Hình giới thiệu kết tính diễn biến đáy kênh sau ổn định Đường liền đáy kênh sau đường đứt đoạn đáy kênh sau 11 Kết tính tốn phù hợp với số liệu thí nghiệm Odgaard Bergs Vận tải bùn cát khu vực Cù Lao Phố sông Đồng Nai Sông Đồng Nai khu vực Cù lao Phố có dự án san lấp lấn sơng Mơ hình 2D sử dụng để nghiên cứu dự báo khả diễn biến bồi xói khu vực 15,16 Tuy nhiên tốn mơ hình 2D khơng đủ tin cậy khơng có khả tính tốn mơ dòng thứ cấp phát sinh địa hình lòng sông phức tạp, đặc biệt khu vực đầu Cù lao Phố 29 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái Đất Môi trường, 3(1):23- 36 Hình 6: Địa hình đáy kênh tính tốn (đường liền đứt nét) thí nghiệm (chấm tròn) Đây tốn dành cho mơ hình 3D Để đánh giá phương pháp tính 3D phát triển báo tốn thực tế, tính tốn thử nghiệm dòng chảy q trình bùn cát cho đoạn Cù lao Phố thực Hình giới thiệu lưới tính mơ hình Trên mặt bằng, đoạn sông chia thành 7261 phần tử Số phần tử theo chiều ngang sơng nhánh 16, nhánh phụ Kích thước phần tử khoảng 16 - 25 m Mơ hình có lớp Lưới tính mịn, đủ để mơ chi tiết cấu trúc dòng chảy khu vực nghiên cứu Địa hình đáy mơ hình tham khảo từ số liệu Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam khảo sát năm 2008 16 Địa hình đáy mơ hình giới thiệu Hình Để giải vấn đề điều kiện biên thủy lực, mơ hình tích hợp vào mơ hình hệ thống sông Đồng Nai xây dựng phần mềm F28 17 , kế thừa từ kết nghiên cứu 18 Mơ hình hệ thống sơng Đồng Nai 30 hiệu chỉnh kỹ với khoảng 10 số liệu thực đo Điều kiện biên bùn cát cho mô hình 3D áp đặt cách độc lập mặt cắt biên Theo kết khảo sát Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam 16 , nồng độ bùn cát lơ lửng khu vực vào khoảng 30 - 40 mg/l Giá trị dùng làm điều kiện biên Vật liệu đáy sông khu vực làm mơ hình khơng đồng Giữa dòng cát mịn tới thô gần bờ bùn Tuy nhiên hạn chế phương pháp, mơ hình có khả tính với loại vật liệu đáy Vì nghiên cứu vật liệu đáy xem cát mịn với d50 =0,35mm tương ứng với đường kính hạt trung bình khu vực Bước thời gian tính lấy nhỏ, ∆t = 0,6s, để đảm bảo điều kiện ổn định Mặc dù bước thời gian tính nhỏ tốc độ tính toán tốt Trên máy PC Core i5-3,2GHz, máy tính tính mơ Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái Đất Mơi trường, 3(1):23- 36 Hình 7: Lưới tính mơ hình 3D khu vực Cù Lao Phố Hình 8: Địa hình đoạn sông Đồng Nai khu vực Cù lao Phố (đơn vị thang màu: mét) khoảng Thông thường, mơ hình tốn trước sử dụng phải hiệu chỉnh Đặc biệt nghiên cứu nhằm đưa tranh chi tiết tin cậy vận tải bùn cát Cù lao Phố hiệu chỉnh mơ hình điều bắt buộc Tuy nhiên mơ hình 3D Cù lao Phố khơng hiệu chỉnh mà thơng số mơ hình xác định theo kinh nghiệm Trong tính tốn thơng số nhám lấy z0 = 0,01mm, đường kính hạt trung bình d50 =0,35mm, tỷ trọng hạt δ = 0, 65, độ thô thủy lực ws0 =5,19cm/s độ rỗng P=0,2 Điều chấp nhận khó khăn số liệu đo đạc mục tiêu báo phát triển phương pháp tính tốn vận tải bùn cát điều kiện lòng dẫn phức tạp mơ hình Cù lao Phố minh chứng khả ứng dụng vào thực tế phương pháp Tính tốn mơ thực cho tháng mùa lũ năm 2008 Hình giới thiệu kết tính 31 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái Đất Mơi trường, 3(1):23- 36 Hình 9: Trường vận tốc mặt nước khu vực Cù lao Phố trường vận tốc mặt nước đặc trưng khu vực cù lao Phố lúc triều lên lúc triều xuống Phân bố vận tốc số mặt cắt ngang lúc triều xuống vào thời gian lũ giới thiệu Hình 10 11 Vị trí mặt cắt giới thiệu Hình 12 Độ bồi xói khu vực đầu Cù lao Phố giới thiệu Hình 13 Để thấy rõ tranh bồi xói khu vực, ta xem vài lát cắt Hình 14 giới thiệu phân bố vận tốc biến đổi cao độ đáy lát cắt 5-5 6-6 Vị trí lát cắt Hình 13 Lát cắt – cho thấy rõ mơ ngầm bị dòng chảy bào mòn di chuyển dần hạ lưu Trong lát cắt - lại cho thấy cấu trúc 3D dòng chảy đầu cù lao Có xốy ngang xuất đầu cù lao xoáy mang bùn cát từ chân cù lao ngồi Xốy 32 nguyên nhân làm cho đầu cù lao bị xói mạnh Khả mơ dòng thứ cấp ưu mơ hình 3D trước mơ hình 2D KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát, biến hình lòng dẫn 3D Các phương trình vi phân giải phương pháp thể tích hữu hạn lưới tính phi cấu trúc phần tử tứ giác Kết tính tốn kiểm tra với số liệu thực nghiệm cho thấy phương pháp cho lời giải hợp lý xác Bên cạnh việc tính tốn trường hợp diễn biến lòng dẫn khu vực Cù lao Phố cho thấy phương pháp cho kết phù hợp quy luật hồn tồn sử dụng nghiên cứu thực tế Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái Đất Môi trường, 3(1):23- 36 Hình 10: Vận tốc mặt phẳng mặt cắt vào mùa lũ vị trí khác Hình 11: Vận tốc vng góc với mặt cắt vào mùa lũ vị trí khác 33 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái Đất Mơi trường, 3(1):23- 36 Hình 12: Vị trí mặt cắt Hình 13: Trường vận tốc độ bồi xói khu vực đầu cù lao Phố (đơn vị thang màu: mét) 34 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái Đất Mơi trường, 3(1):23- 36 Hình 14: Phân bố vận tốc biến đối đáy lát cắt (đường màu đen nhạt: đáy sông ban đầu; đường màu đen đậm: đáy sông sau tháng) XUNG ĐỘT LỢI ÍCH Nhóm tác giả cam đoan khơng có xung đột lợi ích cơng bố báo “Mơ hình tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát ba chiều sơng kênh hở” ĐĨNG GĨP CỦA TÁC GIẢ Tác giả Lê Song Giang xây dựng thuật tốn mơ hình viết chương trình tính tốn Tác giả Trần Thị Mỹ Hồng tính tốn toán mẫu TÀI LIỆU THAM KHẢO Rijn LCV Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas Aqua Publications 1993;p 690–690 Lin B, Falconer RA Falconer Three-dimensional layer integrated modelling of estuarine flows with flooding and drying Estuar Coast Shelf Sci 1997;44:737–751 Wu W, Rodi W, Wenka T 3D numerical modeling of flow and sediment transport in open channel J Hydraul Eng 2000;126(1):4–15 Available from: 10.1061/(ASCE)0733429(2000)126:1(4) Odgaard AJ, Bergs MA Flow processes in a curved alluvial channel Water Resour 1988;Res., 24(1):45–56 Res Available from: 10.1029/WR024i001p00045 Ahsan AKMQ, Blumberg AF Three-dimensional hydrothermal model of Onondaga Lake, New York J Hydralic Eng 1999;125(9):912–923 Available from: 10.1061/(ASCE)07339429(1999)125:9(912) Smagorinsky J General circulation experiments with the primitive equations I: The Basic Experiment Monthly Weather Rev 1963;91:99–164 Kolmogorov AN Equations of turbulent motion of an incompressible fluid Equations of turbulent motion of an incompressible fluid Izvestia Academy of Sciences, USSR 1942;6(2 and 2):56–58 Physics Prandtl L Uber ein neues formelsystem fur die ausgebildete turbulenz Nacr Akad Wiss Gottingen, Math-Phys 1945;p 6– 19 Davies AM, Gerritsen H An intercomparision of threedimensional tidal hydrodynamic models of the Irish sea Tellus 1994;46:200–221 10 Rijn JV Hydralic Eng., ASCE, Vol 110 (11) , p 1613-1641; 1984b 11 Rijn JV, Eng Hydralic Eng., ASCE, Vol 110 (10), p 1431-1456 ASCE; 1984a 12 Hayter EJ, Mehta AJ Modelling cohesive sediments transport in estuarine waters Applied Mathematical Modelling 1986;51:765–778 13 Krone RB Flume studies of the transport of sediment in estuarine shoaling processes In: Final report to San Fransico District U.S Army Corps of Engineers Washington D.C; 1962 14 Hồng TTM Lê Song Giang Một sơ đồ tính tốn dòng chảy sơng, biển chiều lưới tính phi cấu trúc Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 20 2017; tr 335-343; 2017 15 Cty cổ phần ĐT-KT-XD Toàn Thịnh Phát Báo cáo đánh giá tác động môi trường dự án cải tạo cảnh quan phát triển đô thị ven sông Đồng Nai, quy mơ 8,4ha phường Quyết Thắng, Tp Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai.; 2014 16 Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Đánh giá tác động dòng chảy sơng Đồng Nai đoạn từ cầu Hóa An đến cầu Ghềnh thuộc thành phố Biên Hòa Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm ; 2009 17 Giang LS Development of an integrated software for calculation of urban flood flow Report B2007-20-13TĐ VNU-HCM; 2011 18 Giang LS Nghiên cứu đề xuất lựa chọn chiến lược quản lý ngập lụt thích hợp sở dự án đã, dự kiến triển khai Tp.HCM Báo cáo khoa học tổng kết đề tài.; 2017 35 Science & Technology Development Journal – Science of The Earth & Environment, 3(1):23- 36 Original Research 3D numerical modeling of flow and sediment transport in rivers and open channels Le Song Giang* , Tran Thi My Hong ABSTRACT Numerical model is a useful tool in studying the flow and sediment transport, change in river bed and is built on solving governing differential equations Numerical model has many different levels and three-dimensional model is the highest level, allowing detailed simulation of flow and sediment transport process in 3D space The paper presents a method calculating three - dimensional flow and sediment transport in the open channel Water level and flow velocity are solved from three-dimensional equations with hydrostatic hypothesis Concentration of suspended sediment, bottom sediment and bottom evolution is solved from transport equations The governing differential equations in the "sigma" transform coordinate system are solved by finite volume method on unstructured grid of quadrilateral elements Boundary condition of water level or flow will be imposed on open boundary For suspended sediment concentrations in the injected phase, suspended sediment concentrations are applied and the outflow phase applies free drainage conditions This method of calculation was tested with the problem of curved channel sediment transport which was studied experimentally by Odgaard and Bergs Calculation results are quite consistent with the measured data In order to test the practical applicability, this method is also tested with the problem of sediment transport in Cu lao Pho islet on Dong Nai river To solve the matter of hydraulic boundary condition of this problem, the model of Cu lao Pho islet is integrated into the Sai Gon - Dong Nai river system model Results of the calculation of the river bed evolution of the Cu lao Pho islet on the Dong Nai river also show that this calculation method gives results consistent with the rule and can be used in practical research Key words: 3D model, sediment trannsport, unstructured grid, the "sigma" coordinate Ho Chi Minh City Univesity of Technology, VNU-HCM Correspondence Le Song Giang, Ho Chi Minh City Univesity of Technology, VNU-HCM Email: lsgiang@yahoo.com History • Received: 06-11-2018 • Accepted: 30-5-2019 • Published: 22-6-2019 DOI : https://doi.org/10.32508/stdjsee.v3i1.508 Copyright © VNU-HCM Press This is an openaccess article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license Cite this article : Giang L S, Hong T T M 3D numerical modeling of flow and sediment transport in rivers and open channels Sci Tech Dev J - Sci Earth Environ.; 3(1):23-36 36 ... b 28 (57) TÍNH TỐN THỬ NGHIỆM Vận tải bùn cát kênh cong 180o Odgaard Bergs có nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy vận tải bùn cát kênh cong Bài toán Wu tác giả tính tốn mơ hình tốn 3D Kênh gồm đoạn... “Mơ hình tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát ba chiều sơng kênh hở ĐĨNG GĨP CỦA TÁC GIẢ Tác giả Lê Song Giang xây dựng thuật tốn mơ hình viết chương trình tính tốn Tác giả Trần Thị Mỹ Hồng tính. .. cho đầu cù lao bị xói mạnh Khả mơ dòng thứ cấp ưu mơ hình 3D trước mơ hình 2D KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp tính tốn dòng chảy vận tải bùn cát, biến hình lòng dẫn 3D Các phương trình