Bài báo trình bày kết quả xây dựng công thức tính tổng lượng vận chuyển bùn cát sông Hồng theo dạng công thức của Engelund và Hansen, theo số liệu từ năm 2009 đến 2012. Từ công thức đã lập xác định lại quan hệ hình thái lòng dẫn trong thời kỳ này. Mời các bạn tham khảo!
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG CƠNG THỨC TÍNH LƯỢNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT SƠNG HỒNG VÀ QUAN HỆ HÌNH THÁI LỊNG SƠNG GIAI ĐOẠN 2009-2012 PG S.TS Phạm Đình, ThS Hồ Việt Cường Phịng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia Động lực học Sơng biển Tóm tắt: Bài báo trình bày kết xây dựng cơng thức tính tổng lượng vận chuyển bùn cát sông Hồng theo dạng công thức Engelund Hansen, theo số liệu từ năm 2009 đến 2012 Từ công thức lập xác định lại quan hệ hình thái lịng dẫn thời kỳ Summary: This paper presents results of settingof calculation form ula of the total volum e of sedim ent transport in the form of the Engelund and Hansen's form ula in Red River, based on data from 2009 to 2012.From this formula has redefined bed river morphology relationships in this period * I ĐẶT VẤN ĐỀ đoạn gần Bùn cát dịng chảy đóng vai trị quan trọng việc hình thành hình thái lịng sơng Vì biết quy luật vận chuyển bùn cát dòng chảy giúp dự báo diễn biến lòng dẫn tương lai II C Ơ SỞ LÝ LUẬN Đo đạc bùn cát thực tế khó khăn tốn đặc biệt bùn cát đáy, số liệu bùn cát đo đạc số đoạn sơng cịn thiếu, nên phải tính tốn bổ sung kéo dài số liệu Tuy nhiên, việc tính tốn bùn cát theo cơng thức có sẵn nào, cụ thể công thức Engelund-Hansenlà công thức thông dụng, sử dụng nhiều giới Việt Nam có sai số lớn Để nâng cao độ xác tính tốn, trước sử dụng cần xác định hệ số số mũ công thức cho phù hợp với số liệu thực đo sông Hồng giai đoạn (2009-2012) trạm thủy văn Sơn Tây, Hà Nội Thượng Cát Công thức tính tốn vận chuyển bùn cát xác định làm sở để xây dựng quan hệ hình thái ổn định đoạn sơng giai Người phản biện: PGS.TS Lê Mạnh Hùng Ngày nhận bài: 13/8/2014 Ngày t hông qua phản biện: 22/9/2014 Ngày đuyệt đăng: 13/10/2014 68 2.1 Khái niệm vận chuyển bùn cát Vận chuyển bùn cát vấn đề quan trọng diễn biến lịng dẫn Mơ hình tốn, m hình vật lý m tượng diễn biến lịng sông ảnh hưởng giải pháp m rộng hay thu hẹp lòng dẫn tuyến chỉnh trị phải dựa sở tính tốn cân bùn cát Vận chuyển bùn cát bao gồm bùn cát đáy (sb) bùn cát lơ lửng (ss) Tổng lượng vận chuyển bùn cát qua đoạn sông bằng: st= ss + sb, thành phần phải dựa vào số liệu đo đạc tính tốn a) Vận chuyển bùn cát đáy: Lượng vận chuyển bùn cát đáy đưa m ột dạng sau: - Dạng có liên quan đến ứng suất tiếp đáy (2-1) sơng: sb=Af(τ o- τ oc ) - Dạng có liên quan đến vận tốc dòng chảy: sb=Af(uo- ucr ) (2-2) Trong đại lượng có số c cr tương ứng với điều kiện bắt đầu khởi động bùn cát A hệ số Điển hình theo dạng (2-1) cơng thức TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Shields (1936), Meyer-Peter Muller (1948) vận chuyển bùn cát Dạng tính theo vận tốc dịng chảy (2-2) có cơng thức Vêlikanơp M.A., Lêvi I.I… Hình thái lịng sơng sản phẩm q trình tương tác dịng nước lịng dẫn, biểu tương tác chuyển động bùn cát Vì vậy, biểu diễn yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến lòng dẫn quan hệ hàm số sau đây: Trong cơng thức tính vận chuyển bùn cát đáy, công thức Meyer - Peter Muller công thức tiếng [2], sử dụng rộng rãi giới X = f(Q, G, D), b) Vận chuyển bùn cát tổng Các cơng thức tính tổng vận chuyển bùn cát Rottner, Meyer - Peter Muller, Engelund Hansen, Van Rijn, Ackers W hite [3] chủ yếu có dạng quan hệ hai thơng số viết m ột cách tổng quát: =() Trong đó: = (2-3) st gD50 Thông số vận chuyển bùn cát (không thứ nguyên); = (2-4) h I Thơng số dịng tiếp (khơng thứ D50 nguyên) (2-5) st (m3 /s/m ) tổng lượng vận chuyển bùn cát; ∆ tỷ trọng tương đối (ρs-ρ)/ρ, 1,65; ρs khối lượng đơn vị vật liệu lòng (kg/m ); ρ khối lượng đơn vị nước (kg/m ); C hệ số Chezy (m1/2/s); D50 đường kính trung bình vật liệu lịng sơng; I độ dốc dịng chảy h: độ sâu trung bình mặt cắt Một cơng thức đơn giản thường áp dụng nhiều công thức Engelund Hansen (1967) Công thức xây dựng dựa sở lý thuyết thực nghiệm tính tốn tổng lượng vận chuyển bùn cát (bùn cát đáy bùn cát lơ lửng) lịng sơng 2.2 H ình thái lịng sơng m ối liên hệ với (2-6) đó: X - yếu tố hình thái lòng dẫn; Q - yếu tố dòng nước đến q trình biến thiên nó; G - yếu tố chuyển động bùn cát trình biến thiên nó; D - điều kiện lịng dẫn Trong m ối quan hệ tương tác dòng nước lịng dẫn, nói chung dịng nước thường chiếm vị trí chủ động, tích cực Bùn cát yếu tố liên hệ dòng nước lòng dẫn, chuyển động thành phần dịng chảy, bồi lắng thành phần lịng dẫn Nhưng trạng thái động, coi yếu tố bùn cát yếu tố động lực học Chúng ta xem xét yếu tố dòng nước bùn cát sông Hồng m ối liên quan đến hình thái sơng, thể kích thước ổn định tương đối lòng dẫn Vấn đề phụ thuộc vào quy luật vận động tự nhiên sơng Sau thời kỳ lịng sơng biến đổi mạnh quan hệ bùn cát hình thái sơng thay đổi, nên cần phải tính tốn điều chỉnh lại cho phù hợp XÂY DỰNG C Ô NG TH ỨC TÍNH TỔ NG LƯỢ NG VẬN C HUYỂN BÙN CÁT SÔ NG HỒ NG GIAI ĐO ẠN 2009 - 2012 Để biết vận chuyển bùn cát tổng sông người ta phải đo bùn cát đáy bùn cát lơ lửng Bùn cát lơ lửng xác định xác nhiều bùn cát đáy, có số liệu thực đo Nồng độ trung bình độ sâu (c), vật liệu, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 70 KHOA HỌC độ sâu (h) coi vận chuyển hạ lưu với tốc độ dịng chảy trung bình (u): ss = c s u.h (3-1) Trong đó: ss = vận chuyển bùn cát lơ lửng đơn vị bề rộng (m /m/s); c = nồng độ bùn cát lơ lửng (kg/m ) số liệu thực đo; bùn cát lơ lửng Ss cộng bùn cát đáy Sb Trong đoạn sơng nghiên cứu có số liệu bùn cát lơ lừng Ss Bùn cát đáy khơng có số liệu nên phải tính tốn theo cơng thức (3-5) Mayer– Peter Muller [2]: g D50 hi 8 047 D50 C C 90 T rong đó: Và C Giá trị ss ghi cột (5) bảng 2.1 sb ρs=khối lượng riêng bùn cát (kg/m ) CÔNG NGHỆ 90 12 h 18 log D 90 (3-5) (3-6) 1/2 (m /s) (3-7) Nếu vận chuyển bùn cát đáy (sb ) tính theo công thức Meyer - Peter Muller (3-5) sau cộng với bùn cát lơ lửng (ss) ta xác định tổng lượng bùn cát (st= ss + sb ).Do tính thơng số theo (3-2) sb : Lượng vận chuyển bùn cát đáy đơn vị bề rộng (m3 /s/m ); Bảng 1Cơng thức tính tổng bùn cát D50 , D90 tra đường cấp phối hạt cát Engelund & Hansen áp dụng cho sơng Hồng có dạng: St gD 350 C2 g Với: st gD50 C hi g D50 (3-2) (3-3) Trong đó: α β hệ số số mũ xác định theo số liệu thực đo thời kỳ 2009-2012 C2 (3-2) đượcđặt A nên công thức g (3-2) viết thành: Giá trị A C90 : Hệ số Chezy tính theo Cơng thức (3-7); Sau xác định lượng bùn cát đáy Sb (3-5), cộng với bùn cát lơ lửng Ss (3-1), xác định lượng bùn cát tổng cộng St thay vào (3-2) xác định .Kết tính tốn ghi cột (9) Bảng 2.1 Xây dựng quan hệ tương quan thông số vận chuyển bùn cát thơng số dịng tiếp từ kết tính tốn cột (8) (9) quan hệ tương quan hình 2.1 Trên Hình 2.1, nhận thấy có quan hệ chặt chẽ, tập trung, hệ số tương quan R = 0,929 đảm bảo độ tin cậy T xác định được: = 296,4. 1,22 (3-8) So sánh với (3-4) xác định hệ số =1,22 A=296,4 (3-4) Từ tài liệu đường kính hạt D50 , độ sâu trung bình mặt cắt h, độ dốc i… xác định thơng số dịng tiếp theo (2-5), kết tính tốn cột (8) Bảng 2.1 Thơng số vận chuyển bùn cát thực đo xác định theo (3-2) Trong St tổng lượng vận chuyển bùn cát sông tổng 71 1/2 C: Hệ sốChezy (m /s); T hay vào (3-3) có: A= C2 = 296,4; g Hệ số α xác định: i n Ag C i2 = 0,906; n T hay hệ số α số mũ β vào (3-3) ta có cơng thức tính tổng lượng bùn cát sơng Hồng giai TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ đoạn từ 2009 đến 2012 (3-9): s t , 906 g D 50 C2 g hi D 50 , 22 (3-9) (1) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 Năm - Trạm TV (2) 2009-TC 2009-TC 2009-TC 2010-TC 2010-TC 2010-TC 2011-TC 2011-TC 2011-TC 2011-TC 2012-TC 2012-TC 2012-TC 2012-TC 2012-TC 2009-HN 2009-HN 2009-HN 2010-HN 2010-HN 2010-HN 2010-HN 2010-HN 2010-HN 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST 2012-ST Tháng TT Ngày Bảng 2.1 Kết tính thơng số dịng tiếp , thơng số bùn cát thựcđo (Bảng trích) (3) 21 17 11 24 27 28 18 19 11 17 15 18 31 10 28 20 20 21 23 (4) 8 8 5 8 7 8 8 7 31 19 24 26 27 30 26 28 29 8 8 8 8 8 9 Ss (m3 /s/m) (5) 0.00232 0.00263 0.00276 0.00259 0.00505 0.00370 0.00474 0.00265 0.00202 0.00208 0.00287 0.00172 0.00657 0.00433 0.00399 0.00303 0.00432 0.00277 0.00173 0.00184 0.00149 0.00215 0.00286 0.00344 0.01569 0.01634 0.01527 0.01387 0.01188 0.01043 0.01399 0.00966 0.00776 0.00680 0.00563 0.00607 0.00706 0.00686 Sb St Thông số Thông số (m3 /s/m) (MPM) (m3 /s/m) (thực đo) dòng tiếp bùn cát (6) (7) (8) (9) 0.00018 0.00250 279.81 1.16 0.00022 0.00286 320.18 1.34 0.00024 0.00301 337.15 1.41 0.00016 0.00275 308.11 1.10 0.00025 0.00530 593.94 1.44 0.00024 0.00394 441.98 1.41 0.00020 0.00493 553.04 1.24 0.00024 0.00289 323.64 1.39 0.00014 0.00216 242.35 1.01 0.00015 0.00223 249.52 1.05 0.00016 0.00303 340.06 1.10 0.00010 0.00181 203.37 0.81 0.00031 0.00688 604.23 1.67 0.00026 0.00459 403.64 1.50 0.00026 0.00425 373.67 1.51 0.00015 0.00318 279.51 1.06 0.00022 0.00454 398.83 1.35 0.00012 0.00288 253.30 0.91 0.00006 0.00178 156.86 0.61 0.00006 0.00190 167.37 0.62 0.00005 0.00154 135.16 0.56 0.00008 0.00222 195.36 0.72 0.00012 0.00298 261.44 0.92 0.00018 0.00362 318.26 1.19 0.00117 0.01686 1481.62 3.90 0.00104 0.01738 1527.34 3.61 0.00089 0.01616 1420.10 3.27 0.00083 0.01469 1291.22 3.11 0.00064 0.01251 1099.60 2.63 0.00071 0.01114 979.38 2.83 0.00106 0.01505 1322.76 3.67 0.00072 0.01038 912.39 2.85 0.00052 0.00827 727.01 2.30 0.00046 0.00726 638.04 2.13 0.00037 0.00600 527.51 1.87 0.00045 0.00651 572.47 2.10 0.00042 0.00748 657.52 2.02 0.00050 0.00737 647.47 2.27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 72 KHOA HỌC Ghi chú: CÔNG NGHỆ Đối với bùn cát: S1 = S Cột 5: ss (m /s/m ) lượng vận chuyển bùn cát lơ lửng chuyển đổi từ nồng độ bùn cát lơ lửng thực đo (kg/m ); Cột 6: sb (m /s/m ) lượng bùn cát đáy tính tốn theo cơng thức (3-5); Cột 7: st (m /s/m) tổng lượng bùn cát tổng cột 5+cột 6; Cột & 9: thơng số dịng tiếp tính theo cơng thức (2-5) thông số bùn cát theo công thức (2-4) Các số liệu để tính số liệu thực đo trạm thuỷ văn Sơn T ây, Hà Nội T hượng Cát, khuôn khổ bảng nên khơng trình bầy (4-3) b S = Bau (4-4) u vận tốc dòng chảy với u = C (4-5) T rong đó: Các giá trị thơng số ban đầu có số ‘0’, thơng số có số ‘1’ a hệ số b số mũ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên bùn cát Qua đo đạc tính tốn m ột số trường hợp cho thấy giá trị C1 , C0 , a, b khơng có sai khác nhiều Vì giả thiết sau: - Giả thiết C1 ≈C0 D 50 ≈ D 50 ; - Giả thiết a b không thay đổi hai trạng thái cân Kết hợp phương trình từ (4-1) đến (4-5) đến kết sau: B h1 h0 B1 B i i0 B1 Hình 2.1 Quan hệ TĐ sơng Hồng IV XÂY DỰNG Q UAN HỆHÌNH TH ÁI LỊ NG SÔ NG DỰA TRÊN Q UY LUẬT VẬN CH UYỂN BÙN C ÁT T rong sơng tự nhiên có chứa nhiều bùn cát, lịng dẫn đoạn sơng ổn định dựa quy luật vận chuyển bùn cát hình thái lịng sơng đạt tới trạng thái cân tương đối thể theo phương trình sau [1], [2]: Đối với dịng nước: 3/2 1/2 vớiQ = BCh i Q0 = Q1 (4-1) (4-2) b 1 b 1 (4-6) b (4-7) T rong công thức (4-4), số mũ b=2β (là số m ũ công thức Engelund-Hansen) Đối với sông Hồng, xác định =1.22 nên b = 2 = 2.44 Thay b vào công thức (4-6) (4-7) ta có cơng thức hình thái lịng dẫn sơng Hồng: h1 B0 h0 B1 0,590 B i i0 B (4-8) , 230 (4-9) Dựa vào công thức (4-8) (4-9) ta dự báo độ sâu trung bình dịng chảy h độ dốc i thay đổi phạm vi cục thu hẹp m rông lịng sơng lịng dẫn m ột lạch TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 73 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ V KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết xây dựng cơng thức tính tổng lượng vận chuyển bùn cát sơng Hồng theo dạng công thức Engelund Hansen theo số liệu thủy văn thực đo trạm sông Hồng - sơng Đuống năm gần Cơng thức tính toán bùn cát xác định,làm sở xây dựng quan hệ hình thái ổn định lịng dẫn giai đoạn (2009-2012), sau giai đoạn lịng sơng bị thay đổi nhiều khai thác cát mạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Struiskma (1981), Hydro compendium, Delft Hydraulics Laboratory, Netherlands [2] T erm es A P P (1989), The Hanoi Lecture Notes on River Morphology, Delft Hydraulics [3] Yang, Chih T ed (1996), Sediment Transport Theory and Practice, T he McGraw-Hill Companies, Inc, New York - Lisbon - London - Madrid - Mexico City - Milan - New Delhi T okyo [4] GS T S Vũ T ất Uyên, PGS.TS Lê Mạnh Hùng (2013), Cảnh báo hậu khai thác cát sông Hồng vượt lượng cát hàng năm, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ T hủy lợi số 32013, Viện KH T hủy lợi Việt Nam 74 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 ... CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 23 - 2014 73 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ V KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết xây dựng cơng thức tính tổng lượng vận chuyển bùn cát sông Hồng theo dạng công thức Engelund... thủy văn thực đo trạm sông Hồng - sông Đuống năm gần Cơng thức tính tốn bùn cát xác định,làm sở xây dựng quan hệ hình thái ổn định lịng dẫn giai đoạn (2009-2012) , sau giai đoạn lịng sơng bị thay... Một cơng thức đơn giản thường áp dụng nhiều công thức Engelund Hansen (1967) Công thức xây dựng dựa sở lý thuyết thực nghiệm tính toán tổng lượng vận chuyển bùn cát (bùn cát đáy bùn cát lơ lửng)