Động lực học sông biển

Nhan đề : Động lực học sông biển Tác giả: Bộ môn Kỹ thuật sông và quản lý thiên tai Năm xuất bản : 2021 Nhà xuất bản : Trường Đại học Thuỷ lợi Tóm tắt : Động lực học sông biển là môn học nhằm giới thiệu về quá trình thuỷ động lực, khống chế và mô hình hoá các đặc trưng dòng chảy trong vùng ngập nước (sông, cửa sông, biển).

3/12/2021 TRƢỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI KHOA KTTNN – BỘ MÔN KỸ THUẬT SÔNG & QLTT ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG BIỂN Bộ môn Kỹ thuật sông Quản lý thiên tai Điện thoại: 0243 5636654 TRƢỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI KHOA KTTNN – BỘ MÔN KỸ THUẬT SÔNG & QLTT ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG BIỂN CHƢƠNG MỞ ĐẦU Bộ môn Kỹ thuật sông Quản lý thiên tai Điện thoại: 0243 5636654 3/12/2021 CÁC NỘI DUNG CHÍNH Giới thiệu chung Nội dung môn học Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng trình Nội dung chƣơng Đánh gia môn học Tài liệu tham khảo GIỚI THIỆU CHUNG Đất Tài nguyên Khí TLSN ĐLHSB Nƣớc “Nƣớc cần cho khía cạnh sống” (Agenda 21) 3/12/2021 GIỚI THIỆU CHUNG Chi lƣu Nguồn sông Phụ lƣu Bờ trái (tả ngạn) Cửa sông & Biển Bờ phải (hữu ngạn) STT Các thành phần hệ thống STT Các thành phần hệ thống Sông Vùng cửa sông (Delta/estuary) Hồ/đầm lầy Vùng ảnh hƣởng nƣớc Sông ảnh hƣởng thuỷ triều Vùng cửa sông đại dƣơng GIỚI THIỆU CHUNG Vùng (Vùng sinh thuỷ) Vùng (Vùng chuyển tiếp) Vùng Vùng cửa sông (tam giác châu) 3/12/2021 GIỚI THIỆU CHUNG Vùng sinh thuỷ • Là phần lƣu vực sinh thuỷ, hầu hết lƣợng nƣớc sông bùn cát sinh vùng • Các dịng suối nhỏ vùng có đặc điểm khơng ổn định Bởi kênh khơng ổn định, việc nghiên cứu hình thái dịng chảy thực cách tổng quát thƣờng không đƣợc nghiên cứu chi tiết Vùng chuyển tiếp • Là đoạn sơng có chế độ dịng chảy sơng ngịi ổn định nhất, nhƣng thay đổi nhanh rõ rệt theo thời gian • Đối với sơng lớn chiều dài vùng tƣơng đối lớn, nhập lƣu khu vùng nhỏ • Đây đoạn sơng đƣợc quan tâm nghiên cứu mơ hình hố Vùng cửa sơng • Đây đoạn sơng bị ảnh hƣởng thuỷ triều, cao trình đáy thƣờng thay đổi, lịng dẫn biến động nhiều Các sơng vùng thƣờng quanh co có nhiều đoạn có hình xoắn GIỚI THIỆU CHUNG Động lực học sông biển mơn học nhằm giới thiệu q trình thuỷ động lực, khống chế mơ hình hố đặc trưng dịng chảy vùng ngập nước (sơng, cửa sơng, biển) Các quy luật học chế độ thuỷ động lực lần lƣợt đƣợc giới thiệu, bao gồm: - Các phƣơng trình tốn học mơ tả chuyển động dịng chảy dạng tích phân vi phân đạo hàm riêng - Các yếu tố ảnh hƣởng đến chế độ thuỷ động lực - Phân tích thứ nguyên nghiên cứu thuỷ động lực 3/12/2021 CÁC NỘI DUNG CƠ BẢN  Định nghĩa thành phần hạt chất lỏng  Các nghiên cứu học chất lỏng lý thuyết dựa nội dung nghiên cứu thành phần khối chất điểm (chất lỏng - nƣớc)  Một thành phần khối chất điểm (chất lỏng) đƣợc giả thiết hạt có kích thƣớc vơ bé có kích thƣớc đủ nhỏ mà tất thành phần cấu trúc đƣợc xem xét có vận tốc chuyển động có khối lƣợng riêng (có nghĩa đồng nhất, đẳng hƣớng liên tục) CÁC NỘI DUNG CƠ BẢN  Phƣơng pháp tiếp cận  Các định luật nghiên cứu học chất lỏng đạt đƣợc cách tích phân phƣơng trình (ở dạng xác xấp xỉ) mô tả trạng thái chất điểm (chất lỏng) dọc theo đƣờng thơng qua diện tích thể tích Do nghiên cứu thuỷ động lực chia thành hai phần chính:  Các phƣơng trình vi phân tổng qt mơ tả chuyển động hạt chất lỏng (các đặc trƣng chuyển động chất lỏng – V(u,v,w), H )  Nghiên cứu phƣơng pháp số (FDM, FVM, FEM) sử dụng để rời rạc thành phần đạo hàm theo không gian thời gian phƣơng trình đạo hàm riêng 3/12/2021 NỘI DUNG CƠ BẢN  Mối quan hệ chất điểm (chất lỏng – nƣớc) Các chất điểm nƣớc di chuyển -> có vận tốc, vận tốc lớn nhỏ tuỳ thuộc vào ma sát bề mặt tiếp xúc -> Lực ma sát  Ứng suất (shear stress): Tỷ số lực ma sát đơn vị diện tích theo hƣớng (hay phƣơng) đƣợc gọi ứng suất -  • Đối với chất lỏng lý tƣởng:  =  • Đối với chất lỏng thực:   dV dn n hƣớng vng góc với hƣớng chuyển động (với vận tốc tƣơng ứng V)  Đƣờng  dòng, đƣờng Cơ học chất lỏng – Thuỷ lực PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Phƣơng pháp Lagrangian  Phƣơng pháp Lagrangian đƣợc sử dụng nghiên cứu học chất lỏng (thuỷ động lực) để trả lời câu hỏi Điều xảy chất điểm (chất lỏng) nƣớc di chuyển dọc theo đƣờng nó?  Phƣơng pháp Lagrangian bao gồm việc xem xét chất điểm nƣớc dòng chảy thời điểm đƣờng (phƣơng, hƣớng) di chuyển, vận tốc di chuyển áp suất xác định (tại thời điểm chất điểm nƣớc bắt đầu di chuyển thời điểm tức thời)  Nếu vị trí ban đầu chất điểm nƣớc thời điểm to (xo, yo, zo) hệ phƣơng trình Lagrangian viết cho vị trí (x,y,z) thời điểm t x=F1  xo , yo , zo , t  to  ; y=F2  xo , yo , zo , t  to  ; z=F3  xo , yo , zo , t  to  3/12/2021 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Phƣơng pháp Euler  Phƣơng pháp Euler đƣợc sử dụng nghiên cứu học chất lỏng (thuỷ động lực) để trả lời câu hỏi Điều xảy vị trí xác định không gian thông qua di chuyển chất điểm (chất lỏng) nƣớc?  Theo phƣơng pháp Euler vị trí xác định A(x,y,z), vận tốc V(u,v,w) áp suất p hàm thời gian t u=f1  x, y, z, t   V = F(x,y,z,t)   y=f  x, y, z, t   z=f3  x, y, z, t  p=F1  x, y, z, t  PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN  Các đại lƣợng (biến) nghiên cứu động lực học  Nếu mật độ (khối lƣợng riêng) chất lỏng (nƣớc) đƣợc giả thiết số phƣơng trình cần để xác định vận tốc áp suất Do đó, để nghiên cứu đặc trƣng chuyển động dòng chảy hay chế độ thuỷ động lực, hai phƣơng trình tốn học đặc trƣng cần đƣợc xác định V = F(x,y,z,t) p=F1  x, y, z, t    Nếu V = V(u,v,w) p = F1(x,y,z,t)  04 phƣơng trình tốn học đặc trƣng cần xác định Trong nghiên cứu thuỷ động lực (u,v,w, h ), h  đƣợc xác định nhƣ từ đâu? 3/12/2021 PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN  Phƣơng trình liên tục u v w + + =0 x y z Phƣơng trình momentum d  mV  F  ma  dt  Phƣơng trình trạng thái   Phƣơng trình bảo tồn lƣợng  Điều kiện biên  Tại măt thoáng  Tại đáy cố định  Tại đáy di chuyển NỘI DUNG CHÍNH CỦA MƠN HỌC CHƢƠNG NỘI DUNG Dịng chảy sơng Bùn cát sơng Q trình hình thành diễn biến dịng sơng Phƣơng pháp phân tích tính tốn biến hình lịng sơng Tổng quan vùng cửa sông, ven biển Phân loại cửa sông Mặn vùng cửa sông 16 3/12/2021 ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC  Số tín chỉ:  Số tiết: 45 (Lý thuyết + Bài tập)  Đánh giá:  Điểm trình: 30% [bài tập + seminar + chuyên cần + ]  Điểm thi kết thúc: 70%  Hình thức thi: Viết (2TL + 1BT)  Thời gian thi: 90 phút  Môn học trƣớc: Thủy lực sông ngòi (MS: RHYDR316) 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bernarld Le Méhauté (1976) An introduction to hydrodynamics and water waves Springer, New York Động lực học sơng ngịi - Đại học Thuỷ lợi Erosion and sedimentation River trainning techniques - KW Pilakrczyk and others Coastal Enginering Delft Uni Netherland – 1976 Shore protection manual US Army CERC – 1975 Chỉnh trị cửa sông ven biển – Lƣơng Phƣơng Hậu, ĐHXD Handbook of Hydraulics by Ernest F Brater, Horace W King, James E Lindell, and C Y Wei (Hardcover - Mar 1, 1996) Coastal Engineering: Process, Theory and Design Practice [Paperback] By: A Chadwick (Author) 10 Hydrology and Hydraulic Systems by Ram S Gupta (Hardcover Jan 10, 2001) 11 River Mechanics by Pierre Y Julien (Paperback - Jul 25, 2006) 3/12/2021 CHƢƠNG MỞ ĐẦU 10 3/12/2021 XÂM NHẬP MẶN VÙNG CỬA SƠNG • Dịng chảy dạng xáo trộn vừa XÂM NHẬP MẶN VÙNG CỬA SƠNG • Dịng chảy dạng xáo trộn mạnh 55 3/12/2021 XÂM NHẬP MẶN VÙNG CỬA SƠNG • Các yếu tố ảnh hưởng tới xâm nhập mặn vùng cửa sơng: • Tác động thuỷ triều tới chiều dài xâm nhập mặn • Tác động trọng lực chênh lệch trọng lượng riêng nước từ thượng lưu nước mặn từ biển • Trọng lực cần thiết để đẩy nước biển • Lực coriolis lực li tâm sinh vận động dòng chất lỏng trái đất quay độ uốn cong lòng dẫn cửa sơng DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Nguồn gốc bùn cát cửa sơng: • Bùn cát từ sơng: chủ yếu mưa cung cấp Mưa bào mòn bề mặt lưu vực, trôi vào thung lũng, tập trung sơng đưa cửa sơng theo dịng chảy • Bùn cát từ biển: bùn cát từ biển đổ vào cửa sơng chủ yếu sản phẩm xói mịn bờ biển tác dụng sóng, thủy triều dịng ven tác động khác biển Ngoài cịn có thêm nguồn bùn cát từ cửa sơng lân cận 56 3/12/2021 57 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SÔNG • Chuyển động bùn cát từ dịng sơng: • Bùn cát đáy: lưu tốc khởi động • Bùn cát lơ lửng: sức tải cát • Chuyển động bùn cát dịng ven (từ biển): • Tốc độ xói • Chuyển động bùn cát theo phương ngang (vng góc với bờ) • Chuyển động bùn cát theo phương dọc bờ • Độ đục nước biển DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Chuyển động bùn cát dịng ven (từ biển): • Tốc độ xói: gần tương tự lưu tốc khởi động bùn cát sơng • Di chuyển bùn cát theo phương ngang: chủ yếu tác động sóng 58 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Chuyển động bùn cát dịng ven (từ biển): • Di chuyển bùn cát theo phương dọc: tác dụng yếu tố động lực biển vào cửa sông, đặc biệt vào cửa sơng có dịng chủ lưu gần song song với bờ tạo nên trường dịng ven Vì dịng ven ln bám sát bờ nên kéo theo di chuyển bùn cát dọc bờ DIỄN BIẾN CỬA SÔNG • Chuyển động bùn cát dòng ven (từ biển): • Độ đục nước biển: • Công thức Rzanhits (Liên Xơ cũ) • Cơng thức CERC (Coatal Engineering Research Center – Hà Lan) 59 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Đánh giá chuyển động bùn cát dọc bờ: • Tốc độ khối lượng di chuyển bùn cát dọc bờ phụ thuộc vào thời gian lực sóng bão, góc tới sóng, độ dốc đáy biển độ thơ bùn cát • Khi tốc độ sóng mạnh chuyển động dọc bờ bùn tăng, hướng song hợp với bờ góc 45o DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Các phương pháp đánh giá chuyển động bùn cát dọc bờ: • Phương pháp lượng gió: Gluskov, Muns-Pegerson • Phương pháp lượng sóng: Zdanov • Phương pháp lượng sóng + gió: Longinov 60 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng q trình biến đổi hình thái lịng sơng bãi bồi cửa sông xảy tác dụng tương hỗ dịng nước lịng sơng thơng qua yếu tố trung gian bùn cát • Q trình phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố thủy văn sông, thủy văn biển, thủy lực, địa chất, địa mạo, khí hậu, thời tiết v.v vùng cửa sông Do khác yếu tố nên diễn biến đoạn khác vùng cửa sông không giống nhau, mức độ phức tạp chúng khác DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến lịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến dịng sơng đoạn gần cửa sơng • Đoạn gần cửa sơng thường khơng có sơng nhánh gia nhập vào nên lưu lượng thay đổi khơng lớn dọc theo sơng • Do dòng chảy đoạn tương đối êm, lặng, đặc biệt triều lên, bãi dạng tam giác châu hình thành phát triển nhanh chóng, mở rộng kéo dài phía hạ lưu Trên bãi thường có lạch ngang dọc cối phát triển 61 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến dịng sơng đoạn gần cửa sơng (tiếp) • Bùn cát bồi lắng nghiêm trọng thành bãi chắn lịng sơng, lũ lớn, dịng nước cắt bãi, xói thành lạch Lịng đoạn tương đối sâu, hẹp • Lúc triều xuống, độ dốc mặt nước lưu tốc tăng lên, lịng sơng bị đào sâu xuống rộng Lúc triều lên, độ dốc mặt nước lưu tốc giảm nhỏ, bùn cát từ thượng lưu lắng đọng lịng sơng Q trình bồi, xói phức tạp ln ln thay đổi DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến dịng sơng đoạn cửa sơng • Đoạn cửa sông chịu ảnh hưởng thủy triều rõ rệt nên có dịng chảy hai chiều tương đối phức tạp • Đường mặt nước thời kỳ lũ đường nước rút, dốc nghiêng phía biển, thời kỳ kiệt đường nước dâng, dốc nghiêng phía sơng • Do chịu ảnh hưởng thủy triều, mực nước biến động có tính chất chu kỳ tương đối rõ rệt ảnh hưởng nước dâng tương đối lớn 62 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SÔNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến dịng sơng đoạn cửa sơng (tiếp) • Về mùa lũ, gặp lúc triều xuống, độ dốc mặt nước tương đối lớn, lưu tốc tăng lên, lịng sơng bị xói mạnh • Bùn cát bị xói bùn cát từ thượng lưu đưa cuối đoạn cửa sơng lắng đọng tạo thành bãi chắn ngang cửa sông Đặc biệt cửa sông tam giác châu, bùn cát bồi lắng không ngừng thành bãi nhô hẳn lên khỏi mặt nước DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến dịng sơng đoạn cửa sơng (tiếp) • Dịng chảy cửa sơng phân thành hai nhiều dịng rẽ Ở cửa sơng, dịng rẽ, bùn cát lại tiếp tục bồi lắng thành bãi dòng rẽ lại phân thành dòng rẽ Cứ vậy, cửa sông tam giác châu không ngừng kéo dài biển • Dịng rẽ phát triển độ dốc lưu lượng tương đối lớn bùn cát chảy vào sau thời gian phát triển, bị bồi lấp 63 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến dịng sơng đoạn cửa sơng (tiếp) • Dịng rẽ có nhiều nước bùn cát chảy vào, cửa sông kéo dài biển cách nhanh chóng, độ dốc giảm nhỏ, dịng chảy khơng kịp có khả bị bồi lắng nghiêm trọng tiến tới bị lấp hẳn • Ở sơng mang bùn cát dịng rẽ ổn định hơn, biến đổi DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến dịng sơng đoạn cửa sơng (tiếp) • Tốc độ lấn biển tam giác châu nói chung phụ thuộc vào lượng phù sa chảy biển nhiều hay chiều sâu vùng ven bờ lớn hay nhỏ Dòng chảy phù sa lớn, độ sâu ven bờ biển nhỏ tam giác châu lấn biển nhanh • Đối với cửa sơng hình phễu, có dịng ảnh hưởng thủy triều nên bồi xói mạnh, sơng thường nông, chủ lưu thường di động qua lại, không cố định 64 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến đoạn bãi biển ngồi cửa sơng • Bãi biển ngồi cửa sơng hình thành bùn cát từ thượng lưu bùn cát ven bờ biển bồi lắng mà thành Bãi biển ngồi cửa sơng có nhiều loại: bãi nước nơng, bãi nước sâu bãi dốc đứng • Trên bãi biển nước nơng, dịng sơng chảy biển tương đối xa, cách bờ hàng trăm kilơmét Ảnh hưởng sóng biển hải lưu tương đối yếu Các bãi thường kéo dài biển, bồi cao tương lai trở thành đoạn cửa sơng DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến dịng sơng vùng cửa sơng: • Diễn biến đoạn bãi biển ngồi cửa sơng • Trên bãi nước sâu, nước sông chảy biển khoảng không xa, lượng bùn cát khơng nhiều, thường bị sóng, thủy triều hải lưu mang nên tốc độ lấn biển chậm, khó chuyển hố thành đoạn cửa sơng • Bãi biển dốc đứng bùn cát sơng ít, bùn cát tương đối thơ thường nằm phía sát cửa sơng cịn bùn cát mịn thường nằm mái dốc phía ngồi Việc hình thành bãi biển dốc đứng có liên quan đến sóng, hải lưu, thủy triều điều kiện địa hình địa mạo bờ biển 65 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Diễn biến yếu tố địa hình cửa sơng: • Tổng hợp tất tác động bùn cát, dòng triều, song, dòng chảy từ sông, luôn tạo lên cửa sông hình thái địa hình phức tạp 66 3/12/2021 67 3/12/2021 DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Tính tốn diễn biến lịng sơng vùng cửa sơng • Sự thay đổi cao trình lịng dẫn vùng cửa sơng tính tốn dựa sở phương trình cân khối lượng bùn cát (Van Rijn, 1984) :  z b    +  (hc2 ) + (sx ) + (s y ) = t (1 - p)  t x y  • zb cao trình đáy; p hệ số độ rỗng bùn cát; h chiều sâu dòng chảy; c2 nồng độ bùn cát trung bình theo độ sâu; sx, sy suất vận chuyển bùn cát tổng cộng theo phương x phương y DIỄN BIẾN CỬA SƠNG • Sự ổn định cửa sông: ổn định cửa sông theo nghĩa tương đối đánh giá dựa vào yếu tố sau: • Tuyến dịng chủ lưu (hay lạch chính) khơng thay đổi thay đổi khơng đáng kể • Độ sâu, độ cong, chiều rộng, chí chiều dài kích thước khác giữ nguyên đoạn cuối cửa sơng đoạn khởi đầu cửa biển • Tốc độ biến dạng hình thái cửa sơng (dải cát, cồn cát, ) nhỏ 68 3/12/2021 ĐỘNG LỰC HỌC SÔNG BIỂN Câu hỏi thảo luận ! 69 ... đoạn sông bị ảnh hƣởng thuỷ triều, cao trình đáy thƣờng thay đổi, lịng dẫn biến động nhiều Các sông vùng thƣờng quanh co có nhiều đoạn có hình xoắn GIỚI THIỆU CHUNG ? ?Động lực học sông biển môn học. .. thuỷ động lực, khống chế mơ hình hố đặc trưng dịng chảy vùng ngập nước (sông, cửa sông, biển) Các quy luật học chế độ thuỷ động lực lần lƣợt đƣợc giới thiệu, bao gồm: - Các phƣơng trình tốn học. .. DỊNG CHẢY TRONG SƠNG • Sự chuyển động nội dịng chảy • Trong động lực học sông, ta cần phải nghiên cứu quy luật chuyển động dịng chảy sơng, quy luật vận động bùn cát sông, quy luật tự nhiên dịng sơng