Kiểm nghiệm và đánh giá sự phù hợp của các công thức tính toán vận chuyển bùn cát trong mô hình MIKE 11ST đối với sông Hồng

Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu, lựa chọn công thức tính toán vận chuyển bùn cát phù hợp đối với sông Hồng. Trên cơ sở kiểm nghiệm và đánh giá các công thức phổ biến nhất đang được tính hợp trong các bộ công cụ mô hình toán thủy lực hình thái một chiều (1D). Kết quả nghiên cứu với 13 hàm vận chuyển bùn cát trên mô hình MIKE 11ST, đã xác định được các công thức tính toán bùn cát tổng cộng, bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng phù hợp nhất cho đoạn sông Hồng từ ngã ba Thao Đà đến cửa Ba Lạt.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SỰ PHÙ HỢP CỦA CÁC CƠNG THỨC TÍNH TỐN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRONG MƠ HÌNH MIKE 11ST ĐỐI VỚI SƠNG HỒNG ThS Hồ Việt Cường ThS Nguyễn Thị Ngọc Nhẫn, KS Trần Thành Trung Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Động lực học Sơng biển Tóm tắt: Bài báo trình bày số kết nghiên cứu, lựa chọn cơng thức tính tốn vận chuyển bùn cát phù hợp sông Hồng Trên sở kiểm nghiệm đánh giá công thức phổ biến tính hợp cơng cụ mơ hình tốn thủy lực hình thái chiều (1D) Kết nghiên cứu với 13 hàm vận chuyển bùn cát mơ hình MIKE 11ST, xác định cơng thức tính tốn bùn cát tổng cộng, bùn cát đáy bùn cát lơ lửng phù hợp cho đoạn sông Hồng từ ngã ba Thao Đà đến cửa Ba Lạt Summary: This paper will research results, select a formula to calculate sediment transport suitable for the Red River Based on testing and evaluation of the most common formula used to calculate in 1D morphological hydraulics calculating tool set The results of 13 sediment transport formulas on MIKE 11ST model, researchers have identified a formula to calculate the total sediment, bottom sediment and suspended sediment suitable for a part of the Red river from Thao Đa confluence to Ba Lat estuary I ĐẶT VẤN ĐỀ Tính tốn vận chuyển bùn cát sông vấn đề cốt lõi để nghiên cứu quy luật diễn biến hình thái lịng dẫn Việc nghiên cứu, phát triển ứng dụng công thức tính tốn vận chuyển bùn cát nhận quan tâm nhà khoa học giới với hỗ trợ thiết bị đo đạc, thí nghiệm, tính tốn mơ đại Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành điện toán với thuật toán giải số, nhiều hệ phương trình vật lý tốn học phức tạp mô thành công thông qua chương trình máy tính điện tử, có cơng thức thực nghiệm tính tốn mơ q trình vận chuyển bùn cát dịng sơng, số cơng thức tích hợp vào phần mềm tính tốn thơng qua mơ hình tốn 1D, 2D 3D Có thể kể đến mơ hình tốn điển hình như: Mike11ST, Mike21ST, Mike21C, Hec6, Wendy, Delft, GSTARS, EFDC, Việc sử dụng mơ hình tốn để tính tốn mơ q trình vận chuyển bùn cát có ưu điểm cho kết tính tốn nhanh mơ với nhiều cơng thức tính khác Trong nghiên cứu này, sử dụng mơ hình tốn thủy lực hình thái chiều MIKE 11ST để tính tốn kiểm nghiệm đánh giá phù hợp 13 hàm vận chuyển bùn cát sử dụng phổ biến Bài báo trình bày kết nghiên cứu, lựa chọn cơng thức tính tốn bùn cát tổng cộng, bùn cát đáy bùn cát lơ lửng phù hợp cho đoạn sông Hồng từ ngã ba Thao Đà đến cửa Ba Lạt II TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRONG MƠ HÌNH MIKE 11ST 2.1 Giới thiệu mơ hình MIKE 11ST Mơ hình MIKE 11 Viện thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng phát triển, cấu trúc MIKE 11 gồm mơ hình lõi thủy động lực MIKE 11HD mơ đun tính tốn chuyên đề khác như: Dự báo lũ MIKE 11FF, tải khếch tán MIKE 11AD, chất lượng nước MIKE 11WQ, mưa dịng chảy MIKE 11RR mơ đun vận chuyển bùn cát MIKE 11ST Đây TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 53 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ cơng cụ mơ hình tốn thủy lực hình thái 1D đại, sử dụng để tính tốn, mơ q trình mực nước, lưu lượng, chất lượng nước vận chuyển bùn cát cửa sông, sông, hệ thống kênh dẫn Với ưu điểm bật giao diện thân thiện, linh hoạt có tốc độ tính tốn nhanh, mơ hình MIKE11 sử dụng phổ biến nước giới 2.2 Các cơng thức tính vận chuyển bùn cát Mike 11ST a Cơng thức tính vận chuyển bùn cát lơ lửng: Công thức Engelund – Fredsoe (1976): Công thức vận chuyển bùn Engelund & Fredoe (1976) trình bày chi tiết mối quan hệ vận chuyển bùn cát với độ nhám dịng chảy Trong cơng thức Engelund – Fredsoe bùn cát lơ lửng qs tính tốn dựa vào vận tốc tức thời u hệ số tập trung lưu lượng bùn cát lơ lửng c: D qs = ∫ cudy (1) a Trong đó: D: độ sâu dòng chảy, a: chiều dày lớp hoạt động bùn cát xác định xấp xỉ 2d với d đường kính hạt bùn cát, c: hệ số tập trung lưu lượng bùn cát lơ lửng khoảng cách y tính từ đáy sơng u: vận tốc tức thời khoảng cách y so với đáy, xác định công thức: u = 2.5u ' f ln( 30 y ) k (2) w: vận tốc lắng chất lơ lửng, phụ thuộc vào đường kính hạt, xác định: w= (3) Cơng thức Van Rijn: Công thức VanRijn, lưu lượng bùn cát lơ lửng tính sau: (4) qs = F.u.D.ca Trong đó: u: vận tốc dịng chảy trung bình, D: độ sâu dịng chảy, ca: mơ tả hàm số đường kính hạt D* tham số trạng thái vận chuyển T ca = 0,015 d 50 T1.5 Q D*0.2  ( s − 1) g  D* = d50    v với: 1/3 ;T= (u 'g ) − (u ' f ,cr ) (u ' f ,cr ) Trong đó: u’g : ứng suất đáy; u’f,cr: ứng suất tới hạn; s: nồng độ bùn cát; g: gia tốc trọng trường; a= 0,01D; v: độ nhớt động học nước F: xác định công thức: Z' Z a a   −  D D F =   Z' [1.2−Z' ]  a 1 − D  Trong đó: Cơng thức Ashida Michiue Model: u ' f : Vận tốc ma sát độ nhám cát tương Trong công thức Ashida Michiue bùn cát lơ lửng tính tốn theo phương trình: đương, y: khoảng cách so với đáy, k: không vượt 2,5d c: Hệ số tập trung lưu lượng bùn cát lơ lửng khoảng cách y so với đáy D-y q   với z số Rouse, z = c = ca   y D−a  w/(0,4u’f) 54 [( q si = qCa i + K1 u 'f v )]A + ' uf K v A2 (5) Với qs: dòng chảy bùn cát đơn vị chiều rộng lòng dẫn (m3/s/m), q: lưu lượng đơn vị (m3/s/m) (=V.R), Cai: (không thứ nguyên) xác định bằng:  g (ξ )  Cai = 0, 025  − G (ξ )   ξ0  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 KHOA HỌC Λ1 Λ2 tính tốn theo cơng thức:  a  Λ1 =   h − a   a  Λ2 =   h − a  b Cơng thức tính vận chuyển bùn cát đáy: z z 1  ∫a / h η − 1 dη z z 1  ∫a / h ln η η − 1 dη Trong h chiều sâu dòng nước, a=0.05h, số z xác định từ phương trình z = ω0 / (1.2κ u 'f ) Với κ số Karman ( κ =0.4) Công thức Lane – Kalinske: Công thức Lane & Kalinske tích hợp mơ hình MIKE 11 tính toán vận chuyển bùn cát lơ lửng dựa nghiên cứu Lane & Kalinske Công thức vận chuyển bùn cát lơ lửng có dạng: qs = qC0 Ps s106 (6) Trong đó: q lưu lượng đơn vị, Co xác định bởi: 1 u 'f  ω   C0 = 5.55  exp  − ( )    u ' f    ω0 CÔNG NGHỆ Khi điều kiện dòng chảy đạt vượt tiêu chuẩn khởi động, hạt bùn cát bắt đầu chuyển động dọc theo đáy bồi tích Chuyển động hạt bùn cát dạng lăn, trượt nhảy cóc dọc theo đáy gọi vận chuyển bùn cát đáy Các cơng thức tính vận chuyển bùn cát đáy thường dùng MIKE 11ST: Công thức Engelund – Fredsoe: Cơng thức tính vận chuyển bùn cát đáy Engelund & Fredsoe (1976) rõ mối quan hệ vận chuyển bùn cát với độ nhám dịng chảy Cơng thức có dạng: b = 5[1 + (π / 6β) /(θ↑ ' − θ↓C ))↑ 4]( (θ↑ ' ) − 0,7(θ↓C ) Trong đó: θ’: ứng suất kéo đáy, θ c: ứng suất kéo tới hạn; β: hệ số ma sát động; d: đường kính hạt trung bình; Công thức Van Rijn: Công thức VanRijn vận chuyển bùn cát đáy tính sau: ( ↓ b = (0,05T ' 2,1) /(D ↓ *↑ 0,3) 1.61 (7) (8) Trong đó: Trong đó: D* đường kính hạt khơng thứ nguyên, T: thông số vận chuyển (xác định mục 2a) + u’f: vận tốc ma sát, Công thức Meyer-Peter Muller: + ω0: suy giảm vận tốc Hàm vận chuyển bùn cát đáy Mayer – Peter Muller Mike 11 xác định sau: ω0 = (s − 1)gd ( v + 36 − sgd 36 v sgd ) Với: s: nồng độ bùn cát đáy, g; gia tốc trọng trường (m3/sm), d: đường kính hạt bùn cát đáy (mm), v: độ nhớt động học nước Ps xác định cách tích hợp phương trình:  15ω0    1 + (ln η exp η  dη  −   ∫  Kϕ  0.05   u 'f  Φb = 8(θeff – 0,047)1,5 (9) Trong θeff ứng suất cắt hiệu quả, xác định theo công thức: θ eff u eff n  = , u eff = u 'f  b  (s − 1)gd  n  , 75 P* = V với V vận tốc trung bình qua mặt u 'f cắt, k số von – Karman = 0,4 ϕ= Với u 'f lưu tốc ma sát, n hệ số nhám, nb =0,0192 d 90 , d90 đường kính ứng với tung độ 90% đường cong cấp phối hạt bùn cát Công thức Asida and Michiue: Mơ hình vận chuyển bùn cát đáy Asida & TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 55 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Michiue dựa quan hệ vận chuyển bùn cát đáy với tốc độ ma sát đáy, lực cản đáy, ứng suất trượt đáy (1.5 Phương trình vận= chuyển cát đáy τtheo ( − 1) bùn os θ cơng thức Asida & Michiue có dạng: u 'f ,eff  u 'f , c qb = 17 1 − ' ( s − 1) g  uf   u 'f , c   − ' uf     (10) Với u’f: tốc độ ma sát, u’f,c: tốc độ ma sát giới hạn lấy từ tương quan Shield’s, u’f,eff: tốc độ ma sát hiệu tính từ công thức V u ' f ,eff   R = 6, + 5, 75.log    d (1 + 2θ '  Công thức Sato, Kikkawa and Asida: Mơ hình Sato, Kikkawa Ashida mơ hình bùn cát đáy ngun chất Mơ hình xây dựng dựa quan hệ vận chuyển bùn cát đáy với tốc độ ma sát đáy, lực cản đáy, ứng suất trượt đáy ứng suất tới hạn Phương trình vận chuyển bùn cát đáy theo cơng thức Sato, Kikkawa & Asida có dạng: u '3 f τ ϕ ( n) F ( ) ( s − 1) g τc (11) Trong đó: u ' f tốc độ ma sát đáy, S: mật độ tương đối hạt bùn cát, g: gia tốc trọng trường, hàm ϕ ( n ) tính sau:  0.623, n ≥ 0.025 với ϕ ( n ) = ϕ (n ) =  −3.5  0.623.(40 n) , n < 0.025 n hệ số nhám Cơng thức Asida, Takahashi and Mizuyama: Mơ hình Asida-Takaha and Mizuyama mơ hình bùn cát đáy đáy sơng Mơ hình xây dựng dựa quan hệ vận chuyển bùn cát đáy sông với độ dốc, ứng suất trượt đáy ứng suất tới hạn Phương trình vận chuyển bùn cát đáy theo cơng thức Asida, takahashi & Mizuyama có dạng: 56 I) 12 − 24 I (1.5− τ* cosθ I) (1 − α )(1 − α τ(12) τ *c τ )(1 − α *c ) τ* τ* Trong đó: S: mật độ tương đối của hạt bùn cát, d: đường kính hạt bùn cát, g: gia tốc trọng trường, I: độ dốc đáy sông, τ * : ứng suất cắt, τ *c : ứng suất trượt (1 − α U 2* U * = gI e R vận tốc ( s − 1) gd khởi động hạt bùn cát τ* = Trong đó: V vận tốc trung bình mặt cắt, R: bán kính thủy lực, d: đường kính hạt bùn cát, θ’: ứng suất trượt không thứ nguyên qb = qb = ( s − 1) gd n2 u u vận tốc trung τ * = 1/3 R ( s − 1) d bình dịng chảy I tính theo bảng sau: I = tan ( θ ) α 0.000 0.922 0.015 0.906 0.022 0.899 0.025 0.898 0.049 0.867 0.100 0.791 Ghi : Nếu τ * ≤ τ *c qb =0 α 0.085 0.821 0.807 0.806 0.751 0.626 c Cơng thức tính vận chuyển bùn cát tổng cộng Căn vào phương thức vận chuyển, tổng lượng vận chuyển bùn cát tổng lượng vận chuyển bùn cát đáy lượng vận chuyển bùn cát lơ lửng Để tính tốn vận chuyển bùn cát tổng cộng, MIKE 11 ST tích hợp cơng thức tính tốn khác bao gồm: Cơng thức Ackers – White (1973): Dựa vào khái niệm lượng sông Bagnold, Ackers White (1973) ứng dụng phân tích thứ nguyên để biểu diễn tính chuyển động suất vận chuyển bùn cát dạng số tham số khơng thứ ngun Họ coi có phần ứng suất tiếp đáy kênh có tác dụng gây chuyển động hạt thơ; cịn trường hợp bùn cát mịn chuyển động TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 τ* ) KHOA HỌC bùn cát lơ lửng chiếm ưu ứng suất tiếp tổng cộng có tác dụng gây chuyển động bùn cát  γ  Fgr = U*n gd  s − 1   γ −1 /     U    αh    32 lg     d    Kích thước bùn cát tham số hạt không thứ nguyên: d gr 1/3 Trong đó: ν độ nhớt động học ( Với: G gr = Xh γ d s γ )  U*     U n (14) Trong đó: X nồng độ trọng lượng dịng chất lỏng Hàm vận chuyển bùn cát tổng quát không thứ nguyên biểu diễn bằng:  Fgr  G gr = C − 1 A  0,1θ f u f2 , uf u tốc độ ma sát u2 tốc độ dòng chảy tương ứng θ thơng số dịng tiếp Cơng thức Smart and Jaeggi: Smart Jaeggi (1983) trình bày cơng thức vận chuyển bùn cát tính tốn vận chuyển bùn cát sông kênh dốc Công thức vận chuyển bùn cát dựa vào phương trình Meyer-Peter Muller ban đầu bắt nguồn từ thí nghiệm phịng thí nghiệm với bùn cát khơng đơn mẫu có mật độ khác với máng dốc khác từ 0.04% tới 0.02% Cơng thức Smarts and Jaeggi có dạng sau: 1.5 Hàm vận chuyển bùn cát tổng qt khơng thứ ngun biểu diễn bằng: G gr = f Fgr , d gr Φ= Với f = Trong đó: U* vận tốc ma sát; n số mũ chuyển tiếp, phụ thuộc vào kích thước hạt; α hệ số phương trình rối nhám (=10); d kích thước hạt bùn cát h độ sâu dòng chảy   γs   g  −   γ = d      ν     khái niệm lượng dòng Bagnold nguyên lí tương tự để nhận hàm vận chuyển bùn cát: 1− n (13) CÔNG NGHỆ m (15) Các giá trị A, C, m n Ackers White (1973) xác định dựa vào đường cong phù hợp số liệu thí nghiệm với kích thước bùn cát lớn 0.04 mm số Froude nhỏ 0.8 Công thức Engelund and Hansen: Engelund Hansen (1972) ứng dụng  K 1.5  (17) Φ =  s  θ − 0.047   K r   Trong đó: Φ : vận chuyển bùn cát khơng thứ ngun, θ : thơng số dịng tiếp Shields K (khơng thứ nguyên), s : Hệ số mức độ gồ Kr ghề đáy sông III KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SỰ PHÙ HỢP CỦA CÁC CƠNG THỨC TÍNH TỐN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT ĐỐI VỚI SÔNG HỒNG 3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu Sông Hồng hệ thống sông lớn miền Bắc nước ta với phần diện tích lưu vực thuộc lãnh thổ Việt Nam 86.500 km2 Đoạn sông nghiên cứu từ ngã ba Thao Đà đến cửa Ba Lạt có tổng chiều dài khoảng 240 km Sơ đồ thủy lực mạng sơng tính tốn gồm sơng sơng Đà, Thao, Lơ, Gâm, Hồng, Đuống, Luộc, Đáy, Hoàng Long, Trà Lý, Ninh Cơ,… tuyến sơng nhỏ khác, với phạm tính tốn mơ hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 57 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 1: Sơ đồ mạng thủy lực mơ hình sơng Hồng 3.2 Biên mơ hình - Biên thủy văn: Hệ thống biên thủy văn gồm 09 biên lưu lượng (Q) vào thượng lưu 06 biên mực nước (H) hạ lưu tuyến sơng - Biên bùn cát: Mơ hình sử dụng dạng biên bùn cát dạng biên Sediment Transport dạng biên Sediment Supply Dạng biên Sediment Transport sử dụng với biên thượng lưu có số liệu bùn cát thực đo, dạng biên Sediment Supply sử dụng biên khơng có số liệu bùn cát thực đo, cửa sông bùn cát thiết lập 3.3 Tài liệu, số liệu sử dụng - Tài liệu địa hình: Tài liệu mặt cắt ngang địa hình sử dụng để lập mơ hình đa số đo đạc đồng từ năm 1999, 2000, 2005, 2007, 2008, 2010, số sông bổ sung mặt cắt đo năm gần Các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, đảm bảo độ tin cậy Số lượng mặt cắt ngang địa hình sơng đưa vào tính tốn 677 mặt cắt - Tài liệu thủy văn: Tài liệu, số liệu thủy văn sử dụng để thiết lập điều kiện biên, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình liệt số liệu thực đo mực nước, lưu lượng trích lũ số liệu trung bình ngày năm 1996, 2000 2001 trạm thủy văn hệ thống - Tài liệu bùn cát: Tài liệu bùn cát sử dụng để tính tốn gồm: Lưu lượng bùn cát lơ lửng thực đo năm 1996, 2000 2001 trạm thủy văn hệ thống; Số liệu phân tích thành phần hạt vị trí điển hình sơng Hồng; Lưu lượng bùn cát đáy lấy 15% lưu lượng bùn cát lơ lửng Bảng 1: Đặc trưng hạt bùn cát khu vực Sơn Tây – sông Hồng D (mm) % 58 3-2 0.1 -1 0.13 1- 0.5 1.05 0.5 – 0.25 37.3 0.25 – 0.1 56.7 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 - 0.075 3.61 〈 0.075 1.1 D50 0.23 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Bảng 2: Đặc trưng hạt bùn cát khu vực Trung Hà – sông Hồng D (mm) 3-2 -1 1- 0.5 0.5 – 0.25 0.25 – 0.1 0.1 – 0.075 〈 0.075 D50 % 0.12 0.16 1.72 40.6 56.9 0.22 0.27 0.22 Bảng 3: Đặc trưng hạt bùn cát khu vực Liên Trì – sơng Hồng D (mm) % 3-2 -1 1- 0.5 0.5 – 0.25 0.25 – 0.1 0.1 – 0.075 〈 0.075 D50 0.19 1.7 94.7 1.91 1.47 0.17 3.4 Phương pháp nghiên cứu Sau hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Việc kiểm nghiệm đánh giá phù hợp cơng thức tính tốn vận chuyển bùn cát đoạn sông Hồng từ ngã ba Thao Đà đến cửa Ba Lạt dựa sở phân tích, so sánh kết tính công thức với tiêu đánh sau: - Chỉ tiêu độ hữu hiệu R2 WMO (hệ số tương quan): Chỉ tiêu xác định cho ba vị trí trạm Sơn Tây, Hà Nội, Thượng Cát Trên sở số liệu thực đo số liệu tính tốn từ mơ hình tiến hành vẽ phối hợp lên hệ trục tọa độ theo phương án từ xác định hàm vận chuyển bùn cát đồng thời đánh giá mức độ phù hợp chúng thông qua tiêu độ hữu hiệu R2 WMO - Sai số quân phương tương đối (σ%): Đánh giá sai số quân phương tương đối giá trị bùn cát tính tốn giá trị thực đo công thức vị trí kiểm tra Sai số quân phương tương đối tiến tới chứng tỏ giá trị tính tốn gần với giá trị thực đo, cơng thức tính tốn phù hợp Tổng hợp, phân tích dựa kết đánh giá tiêu độ hữu hiệu R2 sai số quân phương tương đối σ% giá trị tính tốn thực đo để xác định công thức vận chuyển bùn cát phù hợp đoạn sơng nghiên cứu Hình 2: Sơ đồ mơ tả trình tự phương pháp nghiên cứu 3.5 Kết kiểm nghiệm, đánh giá Do số liệu địa hình dùng để thiết lập mơ hình thủy lực cho sông Hồng hầu hết đo từ năm 2000 - 2002 nên lựa chọn số liệu thủy văn bùn cát năm 2001 để tính tốn, thời gian mơ từ 1/1 - 31/10/2001 Kết tính tốn kiểm định với công thức vận chuyển bùn cát trình bày hình vẽ bảng biểu phía TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 59 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 4: Kết kiểm định cơng thức tính vận chuyển bùn cát lơ lửng Cơng thức Tên trạm Hà Nội Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội VanRijn Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội Lane – Kalinske Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội Ashida and Thượng Cát Michiue Sơn Tây Engelund Fredsoe & Lưu lượng bùn cát R (kg/s) RTT RTĐ ∆=RTT–RTĐ (kg/s) (kg/s) 758 2848 2090 2388 1236 1152 3223 1947 1276 212 2848 2636 137 1236 1099 898 1947 1049 116 2848 2732 59 1236 1177 491 1947 1456 199 2848 2649 128.8 1236 1107 847 1947 1100 Sai số σ (%) 31.85 56.52 63.43 49.98 66.65 73.50 33.24 60.56 75.71 32.00 56.90 73.80 Hệ số tương quan R2 0.56 0.43 0.28 0.53 0.41 0.26 0.52 0.40 0.26 0.52 0.40 0.26 Hình Đường trình lưu lượng bùn cát lơ lửng thực đo tính tốn theo cơng thức VanRijn trạm Hà Nội Hình Tương quan lưu lượng bùn cát lơ lửng thực đo tính tốn theo cơng thức VanRijn trạm Hà Nội 60 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 5: Kết kiểm định cơng thức tính vận chuyển bùn cát đáy Cơng thức Tên trạm Hà Nội Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội VaRijn Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội Meyer perter Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội Sato - kkiawa Thượng Cát & Asida Sơn Tây Hà Nội Asida & Micchiue Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội Asida, Takahashi Thượng Cát & Mizuyama Sơn Tây Engelund Fredsoe & Lưu lượng bùn cát R (kg/s) RTT RTĐ ∆=RTT–RTĐ (kg/s) (kg/s) 263.4 427.3 163.9 108.9 185.5 76.6 60.58 292.1 232.1 27.8 726 698.2 8.3 312 303.7 14.4 456 441.6 18.3 427.3 408.9 8.1 185.5 177.3 7.3 292.1 284.8 82.1 427.3 345.1 63.5 185.5 122.0 28.7 292.1 263.4 69 427.3 358.3 53 185.5 132.5 42 292.1 250.1 1326 427 898 1083 185 897 478 292 186 Hệ số Sai số σ tương (%) quan R2 38.4 0.55 41.3 0.44 79.5 0.35 96.2 0.53 97.4 0.41 96.8 0.26 95.7 0.55 95.6 0.43 97.5 0.26 80.8 0.55 65.8 0.44 90.2 0.26 83.9 0.55 71.4 0.43 85.6 0.26 81.0 0.55 68.4 0.44 64.0 0.25 Hình Đường trình lưu lượng bùn cát đáy thực đo tính tốn theo cơng thức Engelund &Fredsoe trạm Sơn Tây Hình Tương quan lưu lượng bùn cát đáy thực đo tính tốn theo cơng thức Engelund & Fredsoe trạm Sơn Tây TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 61 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Bảng 6: Kết kiểm định cơng thức tính vận chuyển bùn cát tổng cộng Công thức Engelund Hansen Tên trạm & Acker and White Smart and Jaeggi Hà Nội Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội Thượng Cát Sơn Tây Hà Nội Thượng Cát Sơn Tây Lưu lượng bùn cát R (kg/s) RTT RTĐ ∆=RTT–RTĐ (kg/s) (kg/s) 1706 3276 1570 1280 1422 142 875 2239 1364 679 3276 2597 1264 1422 158 314 2239 1925 541 3276 2735 105 1422 1317 308 2239 1931 số Sai số σ Hệ tương (%) quan R2 26.75 0.56 66.49 0.45 60.03 0.37 27.54 0.53 71.55 0.40 75.60 0.26 37.30 0.55 71.60 0.43 80.80 0.26 Hình Đường trình lưu lượng bùn cát tổng cộng thực đo tính tốn theo cơng thức Engelund & Hansen trạm Thượng Cát Hình Tương quan lưu lượng bùn cát tổng cộng thực đo tính tốn theo cơng thức Engelund & Hansen trạm Thượng Cát * Nhận xét kết tính: Qua tổng hợp kết tính tốn, đánh giá hệ số tương quan sai số quân phương tương đối công thức trạm kiểm định 62 Sơn Tây, Hà Nội Thượng Cát trên, thấy rằng: - Đối với cơng thức tính vận chuyển bùn cát khác nhau, so sánh kết tính tốn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 15 - 2013 KHOA HỌC thực đo có sai khác tương đối lớn - Trong số 04 cơng thức tính vận chuyển bùn cát lơ lửng cơng thức Engelund & Fredsoe cơng thức có kết mơ phù hợp so với số liệu thực đo Hệ số tương quan (R2) lớn nằm khoảng từ 0,28 – 0,56, sai số quân phương tương đối (σ σ) nhỏ từ 31,85 - 63,43% so với công thức khác - Trong số 06 cơng thức tính vận chuyển bùn cát đáy cơng thức Engelund & Fredsoe cơng thức có kết mơ phù hợp so với số liệu thực đo Hệ số tương quan lớn nằm khoảng từ 0,35 - 0,55, sai số quân phương tương đối nhỏ từ 38,479,5% so với công thức khác - Trong số 03 cơng thức tính vận chuyển bùn cát tổng cộng cơng thức Engelund & Hansen cơng thức có kết mô phù hợp so với số liệu thực đo Hệ số tương quan lớn nằm khoảng từ 0,37 0,56, sai số quân phương tương đối nhỏ từ 26,75 - 66,49% so với công thức khác IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Qua nghiên cứu kiểm nghiệm với 13 công thức tính tốn vận chuyển bùn cát tích hợp mơ hình MIKE 11ST thơng qua việc tính tốn mơ q trình thủy văn dịng chảy vận chuyển bùn cát sông Hồng năm 2001 Kết phân tích, đánh giá tiêu CƠNG NGHỆ chí hệ số tương quan R2 sai số qn phương σ tính tốn thực đo công thức, xác định công thức tính tốn vận chuyển bùn cát xem phù hợp cho đoạn sông Hồng từ ngã ba Thao Đà đến cửa Ba Lạt sau: - Đối với tính tốn vận chuyển bùn cát lơ lửng: Cơng thức Engelund & Fredsoe; - Đối với tính tốn vận chuyển bùn cát đáy: Công thức Engelund & Fredsoe; - Đối với tính tốn vận chuyển bùn cát tổng cộng: Công thức Engelund & Hansen; Trên sở kết nghiên cứu này, kiến nghị áp dụng công thức sử dụng cơng cụ mơ hình tốn MIKE 11ST để tính tốn vận chuyển bùn cát nghiên cứu diễn biến lịng dẫn cho sơng Hồng 4.2 Kiến nghị Do việc tính tốn kiểm định bùn cát cho sông Hồng thực điều kiện thiếu đồng tài liệu, số liệu (địa hình, thủy văn, bùn cát); trường hợp nghiên cứu, vị trí kiểm định đánh giá cịn ít; sai số tính tốn thực đo cịn lớn, Vì để nâng cao độ tin cậy cơng thức nữa, cần thiết phải có nghiên cứu như: Mở rộng phạm vi tính tốn mơ bùn cát hệ thống, hiệu chỉnh tham số, hệ số mũ công thức để phù hợp sông Hồng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Việt Cường, Nguyễn Khắc Nghĩa nnk (2012): Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Nông nghiệp PTNT “Nghiên cứu lựa chọn công thức vận chuyển bùn cát phù hợp với sông Hồng xác định q trình lan truyền sóng qua rừng ngập mặn ven biển từ Hải Phịng đến Thanh Hóa”, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam [2] Nguyễn Thị Nga, Trần thục (2003): Động lực học Sông, NXB Đại học Quốc gia Hà nội [3] Vi Văn Vị (1981): Dịng chảy cát bùn sơng Hồng, Viện Khí tượng Thuỷ văn Hà Nội [4] C.T.Yang (1996): Sediment Transport-Theory and Practise, Delft Hydraulics [5] L.C.VanRijn (1987): Mathematical modelling of morphological processes in the case of suspended sediment transport, Delft Hydraulics [6] Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI): Mike 11ST User Manual and Mike 11ST Scientific Reference Manual TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 14 - 2013 63 ... tính vận chuyển bùn cát tổng cộng Căn vào phương thức vận chuyển, tổng lượng vận chuyển bùn cát tổng lượng vận chuyển bùn cát đáy lượng vận chuyển bùn cát lơ lửng Để tính tốn vận chuyển bùn cát tổng... đáy sông III KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SỰ PHÙ HỢP CỦA CÁC CƠNG THỨC TÍNH TỐN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT ĐỐI VỚI SƠNG HỒNG 3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu Sông Hồng hệ thống sông lớn miền Bắc nước ta với. .. cơng thức vận chuyển bùn cát tính tốn vận chuyển bùn cát sông kênh dốc Công thức vận chuyển bùn cát dựa vào phương trình Meyer-Peter Muller ban đầu bắt nguồn từ thí nghiệm phịng thí nghiệm với bùn