- Sơng vùng núi, lịng sơng nhiều đá, mặt nước khơng phẳng, suối chảy
d) Cơng thức triết giảm.
4.4.1 Thủy triều.
1. Định nghĩa
Thủy triều là chế độ mực nước biển lên xuống theo một quy luật nhất định, mực nước cao nhất lúc triều lên người ta gọi là đỉnh triều, mực nước thấp nhất lúc triều xuống người ta gọi là chân triều, chênh lệch giữa mực nước đỉnh triều và chân triều kế tiếp ta gọi là biên độ triều (BĐT), khoảng cách về thời gian giữa hai dỉnh và hai chân kế tiếp gọi là chu kỳ triều (CKT). Dựa vào BĐT và CKT ta cĩ thể chia thủy triều ra làm 4 loại như sau:
- Nhật triều đều: Trong 1 ngày mặt trăng 24giờ 50phút thủy triều lên xuống 1 lần. - Bán nhật triều đều: Trong 1 ngày mặt trăng 24giờ 50phút thủy triều lên xuống 2 lần, cĩ giá trị đỉnh triều 1 xấp xỉ đỉnh triều 2 và chân triều 1 xấp xỉ chân triều 2.
- Bán nhật trièu khơng đều: Trong 1 ngày mặt trăng 24giờ 50phút thủy triều lên xuống 2 lần, song trong 2 lần đĩ giá trị đỉnh triều 1 khác đỉnh triều 2 và chân trièu 1 khác chân triều 2.
- Nhật triều khơng đều: Tính trong vịng 15 ngày, trong đĩ nhật triều chiếm 7 ngày cịn lại là bán nhật triều.
Ngồi ra trong vịng một tháng (tính theo tháng âm lịch), thủy triều xen kẽ cĩ hai lần triều cường (chu kỳ triều cĩ giá trị đỉnh cao chân thấp) xuất hiện vào đầìu tháng và giữa tháng, cịn lại hai lần triều kém (chu kỳ triều cĩ đỉnh thấp chân cao).
H (cm) 0 t BĐT BĐT CKT CKT Một ngày đêm
2. Phân loại thuỷ triều ở bờ biển Việt Nam.
Ở nước ta, dọc theo bờ biển từ Bắc vào Nam thuỷ triều cĩ chế độ rất khác nhau. Theo tài liệu đo đạc của các trạm quan trắc triều cĩ thể chia thuỷ triều ra làm 8 vùng như sau, thống kê ở bảng 4-18.
Bảng 4-18 Chế độ thuỷ triều bờ biển Việt Nam.
Vùng Địa danh Chế độ thuỷ triều Biên độ triều cường (m)
1 2 2 3 4 5 6 7 8
Từ Quảng Ninh - Thanh Hố Nghệ An - Quảng Bình Nam Quảng Bình - Thuận An Cửa Thuận An và vùng phụ cận Nam Thừa Thiên - Quảng Nam Quảng Nam - Hàm Tân
Hàm Tân - Cà Mau Cà Mau - Hà Tiên
Nhật triều đều Nhật triều khơng đều Bán nhật triều khơng đều Bán nhật triều đều Bán nhật triều khơng đều Nhật triều khơng đều Bán nhật triều khơng đều Nhật triều đều hoặc khơng đều
3,2 ÷ 2,6 2,5 ÷1,2 2,5 ÷1,2 1,1 ÷ 0,6 0,4 ÷ 0,5 0,8 ÷1,2 1,2 ÷2,0 2,0 ÷3,5 ≈1,0
4.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến thuỷ triều
Để giải thích hiện tượng phức tạp thủy triềìu, hiện nay tồn tại hai học thuyết khác nhau đĩ là thuyết tĩnh học và thuyết động học. Theo thuyết tĩnh học, hiện tượng thủy triều là do lực hấp dẫn của mặt trăng, mặt trời đến các chất điểm nước trên trái đất là chủ yếu. Quỹ đạo chuyển động của mặt trăng xung quanh trái đất và hệ thống trái đất - mặt trăng xung quanh mặt trời là rất phức tạp dẫn đến sự phức tạp về chế độ thuỷ triều ở các vị trí khác nhau trên trái đất.
Trong một ngày, do quả đất quay xung quanh trục của nĩ, nên vị trí tương đối giữa mặt trăng và trái đất sẽ thay đổi theo chu kỳ ngày mặt trăng (24 giờ 50 phút), do đĩ mặt trăng sẽ cĩ ảnh hưởng trực tiếp chế độ thuỷ triều trong ngày. Mặt trăng chuyển động xung quanh trái đất 28 ngày đêm, nên vị trí tương đối giữa mặt trăng, mặt trời và trái đất cũng sẽ cĩ sự thay đổi theo chu kỳ một tháng, một năm và nhiều năm kéo theo sự thay đổi của chế độ thuỷ triều trong một tháng, một năm và chu kỳ nhiều năm.
Chế độ thuỷ triều là một quá trình rất phức tạp, trong phần này chỉ trình bày đến việc xét lực gây triều sinh ra chủ yếu là do lực tương hổ giữa mặt trăng và quả đất, cịn ảnh hưởng các lực khác khác như mặt trời và các hành tinh ...tương tự gây nên đối với chất điểm nước trên quả đất.
Khối lượng quả đất lớn hơn nhiều lần so với mặt trăng, do vậy lực tác động tương hỗ giữa chúng tạo nên hệ thống chuyển động quay của hệ mặt trăng - trái đất xung quanh trục chung cách tâm quả đất một khoảng là 0,73 bán kính trái đất quay quanh mặt trời. Các lực gây triều cĩ thể giải thích như sau:
+Lực ly tâm cĩ giá trị như nhau đối với mọi chất điểm trên trái đất kể cả ở tâm trái đất. Lực ly tâm cĩ phương song song với phương của đường thẳng nối tâm của trái đất và mặt trăng hướng của lực ngược lại với hướng từ trái đất đến mặt trăng.
+ Lực hấp dẫn của mặt trăng (lực hút) lên các chất điểm nước trên quả đất. Phương và hướng của lực này trùng với phương nối từ chất điểm nước đến tâm mặt trăng, cịn giá trị của lực này tỷ lệ với bình phương khoảng cách từ chất điểm đến tâm mặt trăng.
Tổng hợp của hai lực này sẽ tạo nên lực gây triều cĩ phương, hướng và giá trị phụ thuộc vào điểm ta xét trên trái đất (xem hình 4- 11)
Trong hình (4-11) các lực gây triều được ký hiệu như sau: - Fh Lực hút về tâm mặt trăng.
- Fhd Lực hút của mặt trăng theo phương thẳng đứng.
- FL Lực ly tâm do quả đất và mặt trăng quay xung quanh trọng tâm chung.
- FLd Lực ly tâm do quả đất và mặt trăng quay xung quanh trọng tâm chung theo phương thẳng đứng.
4-5. TÍNH TỐN CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY VĂN THIẾT KẾ VÙNG CỬA SƠNG VEN BIỂN
4.5.1 Vấn đề khai thác vùng cửa sơng ven biển và nhiệm vụ tính tốn thủy văn.
Sử dụng tài nguyên nước vùng cửa sơng ven biển cĩ những đặc thù riêng so với những vùng thượng và trung lưu sơng. Tính đa dạng và phức tạp của các biện pháp khai thác nguồn nước cùng với những phức tạp của thủy văn gây ra những khĩ khăn trong tính tốn các đặc trưng thủy văn vùng cửa sơng ven biển. Trong giáo trình này chỉ trình bày những nguyên lý cơ bản trong tính tốn cho một số loại đặc trưng quan trọng và phổ biến trong các bài tốn thực tế.
1. Phân loại các biện pháp khai thác vùng cửa sơng ven biển a). Khai thác vùng ven biển
Đối với vùng ven biển và vùng vịnh, các biện pháp cơng trình và hình thức khai thác bao gồm:
+ Quy hoạch các đê ven biển nhằm bảo vệ các vùng đất thấp.
+ Bảo vệ bờ biển khơng bị sạt lở dưới tác dụng của sĩng, tác dụng của dịng ven bờ. + Cải tạo và quy hoạch các cơng trình giao thơng ngồi biển.
+ Khai thác thủy sản vùng ven bờ, chẳng hạn như các quy hoạch nuơi tơm và các hải sản khác.
+ Các mục tiêu khai thác tổng hợp khác. b). Khai thác vùng sơng ảnh hưởng triều
Vấn đề khai thác vùng cửa sơng cũng rất đa dạng, cĩ thể kể ra các yêu cầu và loại hình khai thác như sau:
+ Quy hoạch và thiết kế các cống ngăn triều với mục đích làm tăng khả năng tiêu tự chảy cho các vùng ven sơng và ngăn mặn xâm nhập vùng cửa sơng.
Fh Fhd FLd FL A O O’ Hình 4-11 Tổng hợp các lực gây triều
+ Thiết kế và quy hoạch hệ thống đê ven sơng vùng ảnh hưởng triều.
+ Thiết kế và quy hoạch hệ thống tiêu úng cho các khu vực canh tác trong nội đồng. + Quy hoạch, cải tạo giao thơng thủy, đặc biệt là vào thời gian mùa kiệt.
+ Quy hoạch và thiết kế các cơng trình lấy nước tưới cho các vùng canh tác, quy hoạch cấp nước cho cơng nghiệp và dân sinh.
+ Quy hoạch, các cơng trình đều tiết mặn và ngăn mặn vùng sơng ảnh hưởng triều. Ngồi ra cịn những biện pháp khai thác, chẳng hạn như chống nhiễm mặn cho các vùng canh tác ven sơng, cải tạo phèn mặn...
2. Nhiệm vụ tính tốn thủy văn
Yêu cầu và nhiệm vụ tính tốn thủy văn phụ thuộc vào mục đích, phương thức khai thác và biện pháp cơng trình. Chẳng hạn khi làm các cống ngăn triều, cần tính tốn quá trình mực nước triều trong một thời kỳ nhất định. Ngồi ra cần tính tốn quá trình mực nước triều đối với triều cường để thiết kế các cơng trình tiêu năng. Đối với qui hoạch giao thơng thủy cần xác định khơng những quá trình mực nước, mà cịn cần xác định đường duy trì mực nước trong một thời kỳ khai thác nào đĩ.
Cĩ thể phân loại một số yêu cầu tính tốn thủy văn như sau:
+ Tính tốn mực nước triều thiết kế hoặc là mực nước lớn nhất, mực nước nhỏ nhất, hoặc mực nước bình quân trong thời đoạn thiết kế nào đĩ.
+ Tính tốn đường quá trình mực nước triều thiết kế trong thời đoạn tính tốn T nào đĩ.
+ Tính tốn đường mặt nước trong sơng theo trạng thái thiết kế của hệ thống.
+ Tính tốn quá trình mực nước trong cả một vùng biển ven bờ, diễn biến mặn ở vùng ven bờ.
+ Tính tốn đường duy trì mực nước trong thời đoạn tính tốn T nào đĩ.
+ Tính tốn diễn biến mặn vùng cửa sơng và ven biển trong điều kiện tự nhiên hoặc cĩ cơng trình.
+ Tính tốn điều tiết mặn cho các vùng nuơi hải sản.
+ Tính tốn ảnh hưởng của các hoạt động ở thượng lưu đến sự thay đổi chế độ thủy văn vùng cửa sơng ven biển...
Sau đây sẽ trình bày những nội dung chủ yếu trong tính tốn các đặc trưng thủy văn vùng sơng ảnh hưởng triều.
4.5.2 Tính tốn các đặc trưng mực nước triều thiết kế
Tính tốn quá trình mực nước triều cĩ thể được tiến hành theo 3 loại phương pháp : - Đối với các vùng ven biển, chế độ mực nước ít bị chi phối bởi dịng chảy trong sơng cĩ thể sử dụng phương pháp phân tích điều hịa để tính các đặc trưng mực nước thiết kế. - Dùng phương pháp thống kê xác suất để tính ra các đặc trưng mực nước thiết kế trên cơ sở cĩ tài liệu thực đo.
- Sử dụng các mơ hình tốn để tính ra quá trình mực nước trên tồn đoạn sơng vùng ảnh hưởng thủy triều.
Loại thứ nhất cĩ nhược điểm là khơng đánh giá được các nhiễu động ngẫu nhiên, chẳng hạn như giĩ bão, ảnh hưởng địa hình v.v..., nên chỉ được dùng trong dự báo và lập
các bảng thủy triều với mục đích sử dụng cho cơng tác xử lý và phịng chống thủy triều trong thời gian vận hành hệ thống. Trong giáo trình này khơng trình bày phương pháp này.
1. Tính tốn mực nước triều thiết kế
Mực nước triều thiết kế là mực nước triều ứng với tần suất thiết kế cơng trình. Tùy theo yêu cầu thiết kế cơng trình mà tính tốn mực nước nào đĩ: cĩ thể là mực nước đỉnh triều, chân triều, mực nước bình quân v.v...Cĩ thể chia ra làm 3 loại bài tốn: cĩ tài liệu, khơng cĩ tài liệu và ít tài liệu.
a). Tính tốn mực nước triều thiết kế trong trường hợp cĩ tài liệu.
Khi cĩ đủ tài liệu, ta chọn ra mỗi năm một mẫu, tiến hành vẽ đường tần suất tương tự như tính tốn các đặc trưng thủy văn thiết kế khác, tức là cần tìm mực nước thiết kế Zp mà:Zp = f(Zt,Cv,Cs),trong đĩ Ztlà giá trị bình quân, CV, CS là hệ số phân tán và hệ số thiên lệch.
Vấn đề phải quan tâm ở đây là mốc cốt của hệ thống sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi của CV, và do đĩ các đặc trưng thống kê sẽ khĩ xác định chính xác, đặc biệt là khi CS gấp nhiều lần CV. Cho nên khi xây dựng đường tần suất cần thiết phải thay đổi mốc cốt và chuyển các mực nước thước đo về mốc cốt mới. Sau đĩ, mực nước thiết kế lại được chuyển về mốc cũ của nĩ. Dưới đây sẽ xem xét vấn đề này.
Giả sử cĩ chuỗi số liệu thực đo, kí hiệu là Z1. Ta thêm vào từng số hạng của chuỗi một giá trị bằng a (a≠0) ta được chuỗi mới là Z2. Như vậy chuỗi số liệu cũ đã được chuyển về hệ thống mốc cốt mới, chênh lệch với mốc cũ một đại lượng bằng a. Ta cĩ giá trị bình quân của Z2 là:
Z a n a Z n Z Z i n i i n iΣ = Σ + = + = = = 1 1 1 2 1 2 ) ( (4-119) Như vậy trị số bình quân đã thay đổi một đại lượng là a.
Vì rằng: n n n Z Z a Z a Z Z Z ) [ ( )] ( ) ( 2 − 2 = 1 + − 1+ = 1 − 1 (4-120) nên ta cĩ σ2 = σ1 và CS2 = CS1, trong đĩ σ1, σ2 là phương sai của 2 chuỗi, CS1, CS2 là hệ số thiên lệch tương ứng. Ta cĩ: 1 1 1 Z CV σ = ; a Z CV + = 2 2 2 σ mà σ2 = σ1 nên 1 1 1 2 V V C a Z Z C + = (4-121) Như vậy khi thay đổi mốc cốt, hệ số CS khơng thay đổi, cịn hệ số phân tán CV2 thay đổi theo cơng thức (7-76). Mực nước thiết kế theo mốc mới sẽ thay đổi, ta cĩ:
( 1) ( )( 1) 1 1 1 1 2 2 2 + + + = + = a Z Z C a Z C Z Z p φ V φ V =φCV!Z1+Z1 +a=Z1(φCV1+1)+a=Z1p +a (4-122)
Như vậy mực nước thiết kế theo mốc mới cũng thay đổi một đại lượng bằng a. Ta
chuyển mực nước thiết kế về mốc cũ theo cơng thức:
Trong tính tốn cần chọn a sao cho sai số tính tốn đường tần suất nhỏ.
b). Tính tốn mực nước triều thiết kế trong trường hợp cĩ ít tài liệu thủy văn.
Trong trường hợp cĩ ít tài liệu đo đạc, nếu cĩ thể được, ta cĩ thể sử dụng phương pháp phân tích tương quan, tương tự như đã làm đối với các đặc trưng thủy văn khác. c). Tính tốn mực nước thiết kế khi khơng cĩ tài liệu đo đạc thực đo.
Trong trường hợp khơng cĩ tài liệu đo đạc, khi cần tính tốn các đặc trưng thiết kế tại một tuyến nào đĩ bắt buộc phải sử dụng hai phương pháp sau đây:
+ Phương pháp nội suy được tiến hành trên cơ sở cĩ tài liệu đo đạc ở tuyến trên và tuyến dưới. Các giá trị nội suy cĩ thể thực hiện theo quy luật tuyến tính, tức là coi đường mặt nước là một đường thẳng. Điều kiện ứng dụng của phương pháp này là: tuyến tính tốn cĩ khoảng cách khơng lớn đến các tuyến cĩ tài liệu; nhập lưu khu giữa nhỏ; điều kiện địa hình lịng sơng biến đổi đều.
+ Phương pháp mơ hình tốn đĩ là sự ứng dụng các mơ hình dịng khơng ổn định đã trình bày trong các giáo trình thủy lực.
2. Xác định dạng triều thiết kế.
Dạng triều thiết kế là đường quá trình mực nước triều trong thời đoạn T ứng với một tần suất thiết kế P.
Thời đoạn tính tốn Tđược lựa chọn tùy thuộc vào nhiệm vụ của bài tốn qui hoạch
hay thiết kế cơng trình.
Trình tự tính tốn dạng triều thiết kế tương tự như tính tốn đường quá trình lũ thiết kế. Các bước tính tốn như sau:
(1). Xác định thời đoạn tính tốn T: việc lựa chọn T phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của bài tốn đặt ra. Chẳng hạn đối với bài tốn tiêu, thời hạn tính tốn cĩ thể là 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày hoặc cĩ khi đến 15 ngày, việc chọn T bằng bao nhiêu phụ thuộc vào thời gian cần tiêu đối với vùng được tiêu úng.
(2). Chọn thời kỳ để thống kê đường quá trình mực nước trong thời đoạn T. Việc lựa chọn thời kỳ thống kê cũng phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống và yêu cầu qui hoạch hay thiết kê. Trên hình (4-12) minh họa hai trường hợp chọn thời kỳ thống kê khác nhau. Ỏ trường hợp (a) cho thấy trong những ngày triều kém, mực nước trong đồng thường cao hơn mực nước ngồi sơng nên khơng bất lợi, ta chọn thời kì triều cường để thống kê . Trường hợp (b) cho thấy thời gian tiêu tự chảy ở thời kì triều cường lớn hơn nhiếu so với kỳ triều kém, bởi vậy chọn thời kỳ triều kém để thống kê. Trên đây là sự minh họa để phân tích lựa chọn thời kỳ thống kê cho hợp lý. Trong thực tế giữa mực