Tính toán dòng chảy, vận chuyển phù sa bùn sét và tốc độ bồi lắng đáy kênh lấy nước làm mát nhà máy nhiệt điện Uông Bí mở rộng

Cơ sở lý thuyết của mô hình tính biến hình lòng dẫn kênh lấy nước, tính toán biên bùn cát lơ lửng và mực nước tại cửa kênh lấy nước TV1 là những nội dung chính được trình bày trong bài viết Tính toán dòng chảy, vận chuyển phù sa bùn sét và tốc độ bồi lắng đáy kênh lấy nước làm mát nhà máy nhiệt điện Uông Bí mở rộng. Mời các bạn cùng tham khảo.

TÍNH TỐN DỊNG CHẢY, VẬN CHUYỂN PHÙ SA BÙN SÉT VÀ TỐC ĐỘ BỒI LẮNG ĐÁY KÊNH LẤY NƯỚC LÀM MÁT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NG BÍ MỞ RỘNG PGS.TS Vũ Thanh Ca, Trung tâm Khí tượng Thủy văn Biển TS Nguyễn Kiên Dũng, Viện Khí tượng Thủy văn KS Phạm Việt Tiến, Công ty Tư vấn Thiết kế Thủy lợi Giíi thiƯu chung Kênh dẫn nước làm mát hạng mục cơng trình Nhà máy nhiệt điện ng Bí mở rộng nằm Thị xã ng Bí Tỉnh Quảng Ninh Cửa lấy nước kênh sông Bạch Đằng thuộc xã Điền Công, theo lòng dẫn lạch nước tự nhiên cũ dài 3450,54 m (đoạn I- nạo vét ) sau chạy thẳng đến vị trí trạm bơm dự kiến xây dựng (gần cầu nằm quốc lộ 18 qua sông Uông Bí), đoạn có chiều dài 2000,37 m (đoạn II- có gia cố mái kênh) Sơ đồ bố trí kênh diễn tả hình Trạm TV1 điểm nối kênh dự kiến với sông Bạch Đằng trạm TV2 điểm dự kiến đặt trạm bơm lấy nước Các thông số kênh là: - - Độ rộng đáy kênh : B = 40 m Cao độ bờ kênh : + 3,0 m Cao độ đáy kênh cửa vào ( đầu đoạn I- nối với sông Bạch Đằng ) - 3,45 m; vị trí nối đoạn I II - 3,795 m; vị trí cách trạm bơm nước dự kiến 8,4 m - 3,995 m; vị trí trạm bơm dự kiến - 7,91 m Độ dốc đáy kênh: i = 0,0001 Hệ số mái kênh : Đoạn I, m1= 6; Đoạn II, m2= Độ nhám lòng kênh: Đoạn I, n1 = 0,025; Đoạn II, n2= 0,0225 Kênh thiết kế để đảm bảo cho trạm bơm dự kiến lấy lưu lượng nước không đổi Q = 24 m3/s với tần suất đảm bảo P = 95% để làm mát cho Nhà máy nhiệt điện ng Bí mở rộng Hình Sơ đồ bố trí mặt kênh lấy nước làm mát nhà máy nhiệt điện ng Bí mở rộng Sơng Bạch Đằng có nguồn phù sa bùn lớn Đặc biệt vào mùa lũ, hàm lượng phù sa bùn lơ lửng nước đạt tới gần 600g/m3 Hơn nữa, đoạn kênh gần cửa sông đào trực tiếp xuống bãi triều, tức làm thay đổi cân bùn sét xác lập Những lý cho phép ta dự đốn sau kênh hoàn thành vào vận hành, khả phù sa bùn sét vận chuyển lắng đọng kênh, gây bồi lắng đáy kênh ảnh hưởng tới chức kênh lớn Vì vậy, việc dự báo tốc độ lắng đọng phù sa kênh có tầm quan trọng cao công tác thiết kế lập kế hoạch bảo dưỡng kênh Từ điểm trên, mục đích nghiên cứu thiết lập phương pháp dự báo tốc độ bồi lắng phù sa bùn sét kênh sở phân tích số liệu đo đạc mơ hình số trị Mơ hình số trị xây dựng sở kết nghiên cứu giới động lực bùn sét Chúng hy vọng sau hồn thiện, mơ hình chúng tơi sử dụng để dự báo tốc độ lắng đọng bùn sét khu vực khác nhau, cửa sông nước ta Cơ sở lý thuyết mơ hình tính biến hình lòng dẫn kênh lấy nước 2.1 Mơ hình mơ dòng chảy kênh Mơ hình tính dòng chảy, vận chuyển phù sa kênh thay đổi địa hình lòng kênh dựa việc giải phương trình viết cho dòng hai chiều theo phương nằm ngang (phương trình Saint-Vernant) toán vận chuyển phù sa bùn sét lơ lửng Chọn hệ tọa độ cho trục x hướng theo phương dòng kênh trục y theo phương vng góc với dòng kênh, ta có phương trình dòng chảy sau: Phương trình liên tục qx q y     sw  (1) x y t Phương trình động lượng q x   q x2    q x q y     q x    q x  gn2 u u  v   gd         th 0 (2)    th t x  d  y  d  x x  x  y  y  d 1/ q y   q x q y    q y2     q y    q y  gn v u  v      gd    th      th  (3) t x  d  y  d  y x  x  y  y  d 1/ Trong đó, q x q y thành phần lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt có chiều rộng đơn vị, chiều cao từ đáy kênh tới mặt nước vng góc với trục tọa độ x y;  chiều cao mực nước với chuẩn đó, t thời gian, s w nguồn nước chảy vào kênh qua đơn vị bề mặt nước (nước bơm làm mát Nhà máy nhiệt điện ng Bí); d độ sâu nước kênh; g gia tốc trọng trường; n độ nhám thuỷ lực Vì lưới tính tốn chúng tơi tương đối nhỏ (cùng bậc với độ sâu kênh) nên việc tính tới độ nhớt rối theo phương nằm ngang cần thiết Do tính tốn hệ số nhớt rối theo phương nằm ngang th theo vận tốc dòng chảy độ sâu nước kênh phức tạp, tốn thời gian tính tốn mà khơng giúp cho ta nâng độ xác lên nên chúng tơi giả thiết hệ số lấy khơng đổi Các ước tính chúng tơi dựa giả thiết phân bố phân bố logarith vận tốc dòng chảy theo phương thẳng đứng cho thấy giá trị trung bình hệ số chu kỳ triều 0.1m2/s 2.2 Mơ hình tính dòng vận chuyển bùn biến đổi đáy kênh Vì phù sa lơ lửng dòng chảy vào kênh bùn sét nên báo cáo trình bày mơ hình vận chuyển bùn sét tác dụng dòng chảy Dòng vận chuyển phù sa tác động dòng chảy mơ tả phương trình sau: C uC uC   C    C    Sc     t    t t x y x  x  y  y  (4) Trong C nồng độ tích phân theo phương thẳng đứng từ mặt đến đáy phù sa;  t hệ số phân tán (bao gồm hệ số khuyếch tán rối hệ số phân tán) phù sa lơ lửng; Sc nguồn bùn xói mòn đáy đưa lên lắng đọng xuống đáy biểu thị qua tốc độ lắng đọng phù sa Cs tốc độ khuấy lên từ đáy phù sa lắng đọng Cut S c  C ut  C s (5) Vì tính chất phù sa khác sông khác để xác định tốc độ lắng đọng phù sa Cs tốc độ khuấy lên từ đáy phù sa lắng đọng Cut kênh dẫn nước, cần phải tiến hành thí nghiệm tỷ mỷ Do thí nghiệm tốn mà Việt Nam chưa có điều kiện tiến hành nên sử dụng công thức tác giả Nhật Bản Futawari Kusuda (1993) cho sơng phía nam Nhật Bản có tính chất phù sa bùn sét lơ lửng tương tự với tính chất phù sa bùn sét lơ lửng sông nước ta  u2  Cut    *2  1  u*c  m C s   ws C u*  u*c , Cut  u*  u*c (6) u*  u d , C s  u*  u d (7) Trong thực tế, công thức (6) (7) tương tự công thức tác giả Mỹ Mehta, Partheniades Hệ số xói  nước xác định từ thí nghiệm   2,609  10 4 kg/m2s Nếu hàm lượng nước chứa bùn lắng đọng lớn 2/3 thể tích bùn, bùn coi bùn lỏng Trường hợp ngược lại, bùn coi bùn nèn chặt, bùn đáy Vận tốc ma sát tới hạn cho xói mòn bùn lỏng bùn đáy không giống xác định tương ứng u *c  0,025 m/s với bùn lỏng 0,03m/s với bùn đáy Theo kết thí nghiệm Kusuda (1984) ứng suất khơng đổi, bùn xói mòn khoảng thời gian vài chục phút lộ đáy bùn có thời gian nèn chặt dài có khả chịu ứng suất tới hạn cho xói mòn lớn Ta cần phải ý đáy kênh lớp đất dẻo trải qua trình nèn chặt khoảng thời gian dài, có khả chống xói mòn lớn Tuy vậy, trường hợp dòng chảy mạnh lớp bùn lắng đọng đáy kênh bị bào mòn hết đáy kênh chịu tác động trực tiếp dòng chảy Khi đó, lớp đất dẻo bị bùn hóa trở nên dễ bị xói mòn Vì khơng thể thực việc định lượng hố q trình điều kiện nước ta, kinh nghiệm thân dựa kết nghiên cứu tác giả khác lấy giá trị ứng suất tới hạn chịu xói mòn cho đất nguyên thuỷ đáy kênh u *c  0,06 m/s, tức gấp đôi giá trị ứng suất tới hạn chịu xói mòn bùn đáy Kết đo đạc mơ hình vật lý điều kiện nước tĩnh Futawatari Kusuda (1993) tiến hành cho thấy tốc độ chìm lắng khối kết phụ thuộc vào nồng độ phù sa bùn Các tác giả rút cơng thức liên hệ tốc độ chìm lắng phù sa bùn nồng độ phù sa C nồng độ phù sa cho trước C , lấy 0,125kg/m3 Có vấn đề cần đặt sử dụng công thức Futawatari Kusuda tốc độ chìm lắng khối kết bùn sét thay đổi đột biến từ giá trị 0,357x10-4 m/s tới 0,411x10-4 m/s mà tỷ số C / dC  Để tránh điều đưa hiệu chỉnh sau Căn vào kết thí nghiệm Futawatari Kusuda, thấy công thức (8) (9) đưa dạng sau, ta có kết phù hợp với số liệu thí nghiệm dễ áp dụng mà C / dC   0,9 ws  0,357 10 4 m/s (10) ws  0,357  0,54C / dC   0,9  10 4 m/s mà 0,9  C / dC   ws  7,407 logC / dC   0,411 10 4 m/s (11) mà C / dC   (12) Giá trị vận tốc ma sát tới hạn đáy phù sa bùn lắng chìm u d* lấy 0,005m/s Như trình bày trên, bùn lỏng lắng đọng xuống đáy trải qua trình nèn chặt , trở nên rắn chắc, khó bị xói mòn trở thành bùn đáy Để định lượng hố q trình này, người ta đưa đại lượng gọi thông lượng nèn chặt Kết thí nghiệm tác giả Futawatari Kusuda (1993) tiến hành cho thấy trình nèn chặt bùn cát không xảy lượng bùn cát lắng đọng đơn vị diện tích bề mặt đáy M nhỏ giá trị tới hạn 6,4kg/m2 Khi mà bùn lắng đọng, tốc độ chuyển hóa bùn lỏng thành bùn đáy (tức thơng lượng nèn chặt Fc) tính sau: Fc  0,4M  6,4   10 4 kg/m2 M>6,4kg/m2 (13) M>6,4kg/m2 (14) Fc  Trong thực tế, công thức Futawatari Kusuda (1993) mà dùng báo cáo tương tự với kết nghiên cứu tác giả khác Hir et al (1993), Kusuda et al (1984), Krone (1993), Lick and Huang (1993), Partheniades (1993) 2.3 Mơ hình tính tốn biến đổi địa hình đáy kênh Sự biến đổi đáy kênh tính tốn cách giải phương trình vi phân đạo hàm riêng cân phù sa sau  C s  Cut   t   s (15) Trong đó, độ cao đáy kênh tính theo mốc HN72, s độ lỗ rỗng bùn 2.4 Điều kiện biên điều kiện ban đầu Tại đầu kênh nối với sông Bạch Đằng cho trước mực nước hàm lượng phù sa trung bình tháng năm Tại đầu kênh nối với Nhà máy nhiệt điện ng Bí cho giá trị lưu lượng nước lưu lượng bơm Điều kiện biên trượt áp dụng cho biên rắn Điều kiện ban đầu cho tính tốn địa hình đáy kênh thiết kế, độ dày lớp bùn lỏng lớp bùn đáy 2.5 Sơ đồ sai phân hữu hạn lời giải số trị Về mặt không gian, phương trình vi phân đạo hàm riêng mơ tả dòng chảy, vận chuyển phù sa thay đổi địa hình đáy kênh sai phân hóa lưới sai phân trực giao Để tiện cho việc tính tốn, lưới sai phân so le với mực nước, nồng độ phù sa lượng thay đổi địa hình đáy tính trung tâm lưới vận tốc dòng chảy tính biên lưới Vì đặc trưng dòng chảy thay đổi nhiều theo phương mặt cắt kênh (phương ngang) thay đổi theo phương dọc theo kênh nên lưới sai phân với chiều rộng 5m theo phương ngang 10m theo phương dọc kênh áp dụng Một sơ đồ sai phân trung tâm sử dụng để sai phân hoá thành phần đạo hàm bậc hai sơ đồ sai phân đón gió (upwind) sử dụng để sai phân hoá thành phần bình lưu Để đơn giản hóa việc lập trình tính tốn, sơ đồ sai phân dạng leapfrog sử dụng để xấp xỉ đạo hàm theo thời gian Với sơ đồ sai phân này, bước thời gian lựa chọn thỏa mãn điều kiện Frank – Frich – Lewy để có nghiệm ổn định tốn Trình tự tính tốn sau Ban đầu, mực nước biên vào sông Bạch Đằng cho trước theo số liệu quan trắc Sau đó, phương trình (2) (3) giải để xác định vận tốc dòng chảy lưới Sau có vận tốc dòng chảy, phương trình (1) giải để tính mực nước mắt lưới Cuối phương trình (4) (15) giải để xác định nồng độ tích phân phù sa, tốc độ xói mòn, bồi lấp thay đổi địa hình đáy mắt lưới với giá trị nồng độ phù sa cửa vào kênh cho trước từ số liệu quan trắc Bằng cách áp dụng sơ đồ leapfrog, việc tính tốn lập trình trở nên đơn giản đảm bảo độ xác tốn Chương trình tính tốn để giải tốn chúng tơi viết ngơng ngữ FORTRAN Tính toán biên bùn cát lơ lửng mực nước cửa kênh lấy nước TV1 Nước làm mát Nhà máy nhiệt điện ng Bí mở rộng lấy từ sơng Bạch Đằng Đây sông bị ảnh hưởng triều mạnh Khơng có số liệu đặc trưng bùn cát đoạn sông Bạch Đằng nằm vùng dự án Vì biên bùn cát dùng để tính tốn bồi lắng cát bùn kênh lấy nước làm mát Nhà máy nhiệt điện ng Bí xác định sau: a) Mượn số liệu thực đo nồng độ phù sa lơ lửng trạm thủy văn Trung Trang sông Văn Úc tháng VII - IX năm 2001 với tb = 437 g/m3 cho vị trí cửa lấy nước sông Bạch Đằng TV1 b) Cũng tháng VII - IX năm 2001, số liệu thực đo nồng độ phù sa lơ lửng trạm Hà Nội sơng Hồng (là trạm vùng đồng có số liệu đo phù sa lơ lửng nhiều năm) có tb = 1037 g/m3 Từ có số hiệu chỉnh K1 = 437/1037 = 0,4214 c) So sánh số liệu thực đo nồng độ phù sa lơ lửng trạm Hà Nội sông Hồng tháng VII - IX năm 2001, tb = 1037 g/m3 với giá trị tương ứng thời gian trung bình nhiều năm tb = 1105 g/m3 Ta có số hiệu chỉnh K2 = 1105/1037 = 1,0656 Số hiệu chỉnh tổng hợp KTH = K1 x K2 = 0,4214 x 1,0656 = 0,449 d) Từ số liệu thực đo nồng độ phù sa lơ lửng bình quân tháng trung bình nhiều năm trạm Hà Nội sông Hồng, nhân với số hiệu chỉnh tổng hợp KTH = 0,449, tìm nồng độ phù sa lơ lửng bình quân tháng trung bình nhiều năm cửa lấy nước kênh dẫn nước làm mát Nhà máy nhiệt điện ng Bí mở rộng Bảng Bảng 1: Nồng độ phù sa lơ lửng bình quân tháng trung bình nhiều năm trạm thủy văn Hà Nội cửa lấy nước TV1 Đơn vị tính: g/m3 Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Hà Nội 71,7 159 147 218 485 933 1130 1280 905 708 521 267 TV1 32,2 71,4 66 97,9 218 419 507 575 406 318 234 120 e) Dựa số liệu khảo sát trường ngày 7/11/2003 hai vị trí TV1 TV2, số đặc trưng bùn cát khu vực nghiên cứu xác định nồng độ bùn cát lơ lửng cửa lấy nước hiệu chỉnh Bảng Bảng 2: Nồng độ phù sa lơ lửng bình quân tháng trung bình nhiều năm cửa lấy nước TV1 Đơn vị tính: g/m3 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 32,2 71,4 66 97,9 218 419 507 575 406 318 142 60 Quá trình mực nước trung bình thời kỳ nhiều năm cửa lấy nước TV1 lấy để phục vụ tính tốn bồi lắng cát bùn kênh Q trình xác định qua phương trình hồi qui (HTV1 = 0,965HDo Nghi + 11,8) với số liệu mực nước năm 1973 trạm thủy văn Do Nghi cách cửa lấy nước TV1 khoảng km phía hạ lưu Năm 1973 năm có mực nước trung bình xấp xỉ mực nước bình quân nhiều năm Giả thiết q trình mực nước khơng thay đổi qua năm tính tốn bồi lắng Kết tính toán (m) Dao động mực nước cửa lấy nước, mặt cắt cuối kênh gần trạm bơm tháng mùa lũ (tháng VIII) tương ứng thể hình từ 2.5 1.5 0.5 -0.5 -1.5 -2.5 200 400 600 t (h) (m) Hình 2: Dao động mực nước cửa lấy nước kênh 2.5 1.5 0.5 -0.5 -1.5 -2.5 200 400 600 t (h) Hình 3: Dao động mực nước vị trí sát trạm bơm nước Có thể nhận thấy dao động mực nước không thay đổi nhiều dọc theo kênh Tuy nhiên, tháng mùa kiệt (tháng III), dao động mực nước giảm chút từ cửa lấy nước đến vị trí trạm bơm nguyên nhân tượng hoạt động trạm bơm cấp nước làm mát cho Nhà máy nhiệt điện v (m/s) 0.5 0.3 0.1 -0.1 -0.3 -0.5 200 400 600 v (m/s) t (h) Hình 4: Biến đổi lưu tốc cửa lấy nước kênh 0.5 0.3 0.1 -0.1 -0.3 -0.5 200 400 600 t (h) Hình 5: Biến đổi lưu tốc vị trí sát trạm bơm nước Khác với dao động mực nước, biến đổi lưu tốc dọc kênh rõ ràng, giảm dần từ cửa lấy nước đầu kênh vị trí trạm bơm cuối kênh Lúc triều cường, ảnh hưởng dòng triều mạnh cửa vào kênh, yếu dần mặt cắt kênh mờ nhạt trạm bơm Tồn khu nước đứng có lưu tốc gần khơng dòng chảy đổi hướng (giao thời pha triều lên pha triều xuống) làm cho bùn cát lắng đọng gần cửa lấy nước Gần trạm bơm, nước chảy theo hướng với độ dao động lưu tốc nhỏ Sự thay đổi địa hình đáy kênh sau 01 năm, 02 năm 03 năm vận hành tương ứng thể hình từ đến 10 Có thể nhận thấy năm đầu, bùn cát lắng đọng chủ yếu đoạn cửa vào kênh, tổng độ dày bồi lắng lên đến 75cm Nguyên nhân nước sông chảy vào kênh, lưu tốc bị giảm đột ngột gây bồi lắng nghiêm trọng Sự suy giảm lưu tốc gần không thời gian triều đứng làm tăng thêm lượng bùn cát lắng đọng kênh Sau đoạn kênh này, độ dày bồi lắng giảm dần phía cuối kênh Tại vị trí cách cửa lấy nước từ 4000m trở vào, bùn cát lắng đọng không đáng kể Trong năm thứ hai, độ dày lớp bùn cát bồi lắng tiếp tục tăng lên đoạn gần cửa vào kênh, diện tích bồi lắng mở rộng theo hướng trạm bơm cuối kênh Cuối năm thứ hai, độ dày lớp bùn cát bồi lắng kênh khoảng 115cm khí điểm cách cửa vào 4000m 5000m số nhận giá trị tương ứng 38cm 10cm Xu bồi lắng cát bùn năm thứ ba tương tự năm thứ hai Cuối năm này, độ dày lớp bùn cát bồi lắng kênh khoảng 152cm khí điểm cách cửa vào 4000m 5000m số tương ứng 63cm 18cm d (m) 1.5 0.5 -0.5 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Khoảng cách từ cửa vào cđa kªnh (m) Hình 8: Thay đổi cao độ đáy kênh sau 01 năm vận hành Nhìn vào hình từ đến 10 thấy tốc độ bồi lắng cát bùn giảm theo thời gian diện tích bồi lắng phát triển thêm phía trạm bơm cuối kênh nguyên nhân tượng với thời gian, bồi lắng cát bùn dẫn đến độ sâu dòng chảy bị giảm; độ sâu dòng chảy giảm lại làm tăng lưu tốc thời kỳ triều cường; lưu tốc tăng gây xói tái lơ lửng bùn cát bồi lắng; bùn cát tái lơ lửng lại vận chuyển vào bên kênh lắng đọng lại d (m) 1.5 0.5 -0.5 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Khoảng cách từ cửa vào kênh (m) Hỡnh 9: Thay i cao độ đáy kênh sau 02 năm vận hành d (m) 1.5 0.5 -0.5 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Khoảng cách từ cửa vào kênh (m) Hình 10: Thay đổi cao độ đáy kênh sau 03 năm vận hành TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Futawari T and T Kusuda (1993) Modeling of suspended sediment transport in a tidal river In Nearshore and estuarine cohesive sediment transport, Ed by Mehta A.J., Am Geo Union, 108-125 [2] Hir P.L., P Bassoulet and J L’Yavanc (1993) Application of a multivariate transport model for understanding cohesive sediment dynamics In Nearshore and estuarine cohesive sediment transport, Ed by Mehta A.J., Am Geo Union, 467-485 [3] Kusuda T., T Umita, Y Koga, T Futawari and Y Awaya (1984) Erosional process of cohesive sediments Wat Sci Tech., 17, 891-901 [4] Krone R.B (1993) Sedimentation revisited In Nearshore and estuarine cohesive sediment transport, Ed by Mehta A.J., Am Geo Union, 108-125 [5] Lick W and H Huang (1993) Flocculation and the physical properties of flocs In Nearshore and estuarine cohesive sediment transport, Ed by Mehta A.J., Am Geo Union, 21-39 [6] Partheniades E (1993) Turbulence, flocculation and cohesive sediment dynamics In Nearshore and estuarine cohesive sediment transport, Ed by Mehta A.J., Am Geo Union, 40-59 ... hình tính dòng vận chuyển bùn biến đổi đáy kênh Vì phù sa lơ lửng dòng chảy vào kênh bùn sét nên báo cáo trình bày mơ hình vận chuyển bùn sét tác dụng dòng chảy Dòng vận chuyển phù sa tác động dòng. .. tức làm thay đổi cân bùn sét xác lập Những lý cho phép ta dự đốn sau kênh hoàn thành vào vận hành, khả phù sa bùn sét vận chuyển lắng đọng kênh, gây bồi lắng đáy kênh ảnh hưởng tới chức kênh. .. tán) phù sa lơ lửng; Sc nguồn bùn xói mòn đáy đưa lên lắng đọng xuống đáy biểu thị qua tốc độ lắng đọng phù sa Cs tốc độ khuấy lên từ đáy phù sa lắng đọng Cut S c  C ut  C s (5) Vì tính chất phù