Trong một thể tích khống chế, các tham số thủy lực, sức tải cát được xem là đồng nhất. Lượng bùn cát của dòng chảy đến được giả thiết là xáo trộn hồn tồn với bùn cát hiện có và sự khuếch tán được coi như xảy ra ngay tức thời đối với tất cả các cấp hạt. Theo thời gian, dịng sơng sẽ trao đổi bùn cát với các biên của nó cả theo chiều dọc và hướng ngang, sự thay đổi hình dạng do hình thành lịng dẫn, những doi đất, ghềnh cạn, đoạn sông uốn khúc, bãi nổi và các dạng khác. Tuy nhiên, HEC-6 chỉ mô hình hóa sự trao đổi bùn cát theo chiều thẳng đứng. Đáy, chiều rộng và sâu của sự trao đổi này do người sử dụng mơ hình tự quyết định.
Lưu lượng bùn cát của dòng chảy đến là một điều kiện biên, thể tích khống chế bùn cát đáy vừa là nơi bùn cát lắng chìm vừa là nguồn bổ sung bùn cát cho dòng chảy. Các tọa độ điểm được nối với nhau bằng các đường liền nét, xác định hình dạng ban đầu của mặt cắt ngang như trong Hình 2-6. Nếu lưu lượng bùn cát của dòng chảy đến nhỏ hơn sức tải bùn cát của đoạn sơng thì sẽ tạo ra một khối lượng xói. Sau mỗi bước tính tốn, những điểm tọa độ nằm trong phạm vi của lòng động sẽ hạ thấp xuống một đoạn mà khi nhân với chiều rộng của lịng động và độ dài đoạn sơng thì sẽ bằng khối lượng xói cần tính.
Phương trình liên tục của bùn cát
Phương trình liên tục của bùn cát (phương trình EXNER) là cơ sở cho việc mơ phỏng sự vận động đáy sơng-hồ theo chiều thẳng đứng có dạng:
0 q t Y B x Q sL s o s + = + (2.24) Trong đó: Bo = chiều rộng của lòng động; t = thời gian; x = khoảng cách dọc theo lòng dẫn; Qs = lưu lượng bùn cát tổng cộng;
qsL = lưu lượng đơn vị của bùn cát ra nhập khu giữa chảy vào: qsL nhận giá trị (-) còn chảy ra: qsL nhận giá trị (+) Ys = chiều sâu bùn cát trong thể tích khống chế [ft].
Sai phân phương trình EXNER cho điểm P với các thành phần mơ tả trong Hình 2-7 được phương trình (2.20) và (2.21): 0 Δt ) Y (Y' B q ) L L 0,5( Q Q sp sp sp sL u d su sd + + − = + − (2.25) + + − − = sL u d su sd sp sp sp q ) L L 0,5( Q Q B Δt Y Y' (2.26) Trong đó:
Bsp = chiều rộng của lòng động tại điểm P;
Qsd, Qsu = lưu lượng bùn cát tại mặt cắt hạ và thượng lưu; Ld, Lu = chiều dài đoạn sông thượng hạ lưu giữa 2 mặt cắt; Ysp, Y’sp = chiều sâu lớp bùn cát trước và sau t ở điểm P; 0,5 = hệ số hình dạng thể tích; t = bước thời gian tính tốn.
Chiều sâu ban đầu của vật liệu đáy tại điểm P xác định giá trị ban đầu Ysp. Lưu lượng bùn cát Qsu là tổng lượng bùn cát của các cấp hạt chảy vào thể tích khống chế đang nghiên cứu từ thể tích khống chế ở phía thượng lưu. Đối với đoạn sơng-hồ trên cùng, biên bùn cát được xác định từ quan hệ lưu lượng nước với lưu lượng bùn cát. Lượng bùn cát đi ra khỏi thể tích khống chế Qsd trở thành lượng bùn cát đi vào Qsu đối với thể tích khống chế liền kề về phía hạ lưu. Lưu lượng bùn cát Qsd được tính tốn
trên cơ sở xem xét khả năng vận chuyển bùn cát tại điểm P, bùn cát của dòng chảy vào, sự hiện diện của lớp vật liệu đáy và q trình thơ hóa bề mặt đáy. Sự chênh lệch giữa (qsL + Qsu) và Qsd là lượng vật liệu bồi hoặc xói trong đoạn được ghi là “vùng tính tốn” Hình 2-7 và được chuyển đổi thành sự thay đổi cao trình đáy sơng-hồ bằng cách sử dụng phương trình (2.20).
Hình 2-7. Lưới sai phân tính toán bồi lắng cát bùn
Sức tải bùn cát của dịng chảy đối với từng cấp hạt được tính tốn theo các điều kiện thủy lực tại thời điểm bắt đầu của mỗi bước tính và khơng được tính lại trong suốt thời khoảng này. Do đó, bước tính phải đủ ngắn để sự thay đổi cao trình đáy do bồi lắng hay xói lở trong khoảng thời gian đó không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng vận tải bùn cát tại cuối thời đoạn tính tốn. Sự thay đổi đáy sơng-hồ cho phép trong một bước tính khơng vượt quá 1ft (hay 0,305 m) hoặc 10% độ sâu dịng chảy. Vì lưu lượng bùn cát rất nhạy đối với cơ cấu thành phần hạt của vật liệu đáy, nên cấp phối hạt của vật liệu đáy sẽ được tính tốn lại trong mỗi bước tính.
f. Khối lượng riêng của bùn cát bồi lắng
Khối lượng riêng của bùn cát bồi lắng được sử dụng để chuyển đổi lượng bùn cát bồi lắng từ khối lượng sang thể tích; từ đó, tính được sự thay đổi cao trình đáy sơng-hồ. Trong mơ hình HEC-6, khối lượng riêng ban đầu của hỗn hợp bùn cát được tính theo phương trình của Colby (1963), khối lượng của bùn cát bị nén chặt trung bình trong thời gian T năm hoạt động của hồ được tính theo quan hệ của Miller (1953).
g. Vận tải bùn cát
Vận tải các hạt bùn và sét
Phương trình để tính bồi lắng các hạt bùn và sét của Krone (1962) trong lòng dẫn tuần hoàn với các tốc độ kết hợp chậm và nồng độ bùn cát được chuyển tải không vượt quá 300 mg/l: t ' K c c n o l =− (2.27) 2,3D (PROB) v K'= ss (2.28) Trong đó:
c = nồng độ bùn cát tại thời điểm cuối của kỳ tính tốn; co = nồng độ bùn cát tại thời điểm đầu của kỳ tính tốn; D = độ sâu dòng chảy;
PROB = (1 - b/c): xác suất không động của hạt bùn hoặc sét; t = thời gian = chiều dài đoạn sơng-hồ/tốc độ dịng chảy; vss = tốc độ lắng chìm của hạt bùn sét.
Xói lở các hạt bùn sét dính kết
Xói bùn sét dính kết được xác định trên cơ sở cơng trình của Parthenaides (1965) và nghiên cứu sửa đổi của Ariathurai và Krone (1976). Xói hạt được tính theo cơng thức:
o c b a 1 1 c ) Q ( ) S )( M ( c + − = (2.29) Trong đó:
c= nồng độ bùn cát tại thời điểm cuối của kỳ tính tốn [mg/l] co= nồng độ bùn cát tại thời điểm đầu của kỳ tính tốn [mg/l] M1 = tốc độ xói đối với trường hợp xói hạt [lb/ft2/hr]
Q= lưu lượng nước [ft3/s]
Sa = diện tích bề mặt đáy sơng-hồ bị xói [ac hoặc ft2]
b= ứng suất tiếp tại đáy sông-hồ [lbf/ft2]
c= ứng suất tiếp giới hạn tại đáy để hạt bùn sét bị xói [lbf/ft2] = khối lượng riêng của nước [lb/ft3].
Khi ứng suất tiếp tại đáy tăng lên, xói hạt sẽ chuyển thành xói khối và tốc độ xói cũng tăng lên. Vì tốc độ xói khối về lý thuyết có thể là vơ hạn, nên Ariathurai và Krone
(1976) đã đề nghị dùng “thời gian đặc trưng” Te. Với một bước tính t, phương trình
xói khối như sau:
c t T ) Q ( ) S )( M ( c 2 a e+ o = (2.30) trong đó: M2 là tốc độ xói khối [lb/ft2/hr].
Ariathurai và Krone (1976) đã hướng dẫn cách xác định Te, M1 và M2. Ngưỡng xói và tốc độ xói của các hạt dính kết phụ thuộc vào đặc tính hạt của bùn cát và các điều kiện của môi trường nước xung quanh như: nguồn gốc khoáng vật của bùn sét, tỷ số hấp thụ Natri, khả năng trao đổi cation, pH, độ muối và lịch sử quá trình bồi lắng. Nói chung, nên tiến hành các thí nghiệm trong phịng hoặc ngồi hiện trường để xác định các tham số này cho hợp lý.
Vận tải các hạt cát và cát cuội
HEC-6 đã sử dụng 11 quan hệ khác nhau để tính khả năng vận tải của dòng nước đối với các hạt cát và cuội, đó là các cơng thức của: (1) Toffaleti (1966), (2) Laussen (1958) được Madden cải tiến năm 1963, (3) Yang (1973), (4) DuBoy được Vanoni cải tiến năm 1975, (5) Acker-White (1973), (6) Colby (1964), (7) Toffaleti (1966) kết hợp Schoklitsch (1930), (8) Meyer-Peter-Muller (1948), (9) Toffaleti (1966) kết hợp Meyer- Peter-Muller (1948), (10) Laussen (1958) được Madden cải tiến năm 1985, (11) Laussen (1958) được Copeland và Thomas cải tiến năm 1990
2.2.1.3. Các yêu cầu của tệp số liệu đầu vào cho mơ hình HEC-6
a. Nhóm tài liệu địa hình
1) Các mặt cắt ngang (các bản ghi X1, X3, GR).
2) Các hệ số nhám Maning n (các bản ghi NC, NV, $KL, $KI). 3) Các giới hạn chiều sâu xói lớn nhất (các bản ghi H, HD).
4) Nạo vét kênh (các bản ghi H, HD, $DREDGE, $NODREDGE). 5) Diện tích khơng hiệu dụng (bản ghi X3).
6) Các giới hạn vận tải bùn cát (bản ghi X1 hoặc XL). b. Nhóm tài liệu bùn cát
1) Lượng và thành phần hạt bùn cát đến (các bản ghi LQ, LT, LF). 2) Thành phần hạt của bùn cát đáy (bản ghi PF).
3) Các đặc tính hạt bùn cát (các bản ghi I1, I2, I3, I4). 4) Vận tải bùn cát gồm:
a) Vận tải bùn sét (các bản ghi I2, I3), b) Vận tải cuội cát (các bản ghi I1, J, K).
5) Xác định các hệ số trong hàm tải cát của người sử dụng (bản ghi J và K). c. Nhóm tài liệu thủy văn
1) Thời đoạn tính tốn (bản ghi W hoặc X). 2) Các điều kiện biên gồm:
o Các biên trên:
- Lưu lượng và nhiệt độ nước (các bản ghi Q,T),
- Lưu lượng bùn cát (các bản ghi LQ, LT, LF, LQL, LTL, LFL),
- Thay đổi bảng quan hệ lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát, thành phần hạt theo các cấp lưu lượng ($SED, $LPOINT, LRATIO);
o Các biên dưới (các bản ghi $RATING, RC, R, S);
o Các nội biên (các bản ghi QT, X5, R).
2.2.2. Kiểm sốt kết quả đầu ra của mơ hình HEC-6
Có thể lấy ra các kết quả tính tốn thủy lực (mực nước, lưu lượng nước, tốc độ dòng chảy), vận tải bùn cát (nồng độ bùn cát, lưu lượng bùn cát, thành phần hạt của bùn cát lơ lửng, thành phần hạt của vật liệu đáy), hình dạng mặt cắt ngang và cao trình đáy sơng-hồ sau q trình bồi-xói, thể tích và độ sâu bồi-xói... ở các mức độ chi tiết khác nhau như Bảng 2.2.
Bảng 2-2. Khái qt các mức đầu ra của mơ hình HEC-6
Mức Mơ tả
* - Khơng cho ra kết quả tính tốn thủy lực.
(Cột 5) A Cho ra lưu lượng nước, mực nước, nhiệt độ nước, các tham số thủy lực chính của từng mặt cắt.
B Cho ra địa hình ban đầu, phân bố các tham số thủy lực qua các mặt cắt bộ phận.
D Cho ra các thông tin chi tiết hơn.
E Cho ra các thông tin chi tiết, số liệu thủy lực từng phân tố diện tích, mực nước tính tốn qua từng phép thử sai.
* - Khơng cho ra kết quả tính tốn bùn cát.
(Cột 6) A Cho ra thể tích bùn cát, hệ số bồi lắng bùn cát.
B Cho ra kết quả biến đổi cao trình đáy, mực nước, cao trình đáy qua điểm thấp nhất, lưu lượng bùn cát.
C Cho ra các thông tin chi tiết hơn bao gồm sức tải cát và lưu lượng bùn cát, cấp phối hạt của bùn cát đáy.
Mức Mô tả
D Cho ra các thông tin chi tiết hơn mức C. $DREDGE
(Cột 8)
A - E
Cho ra các thông tin về kết quả tính tốn nạo vét lịng dẫn từ đơn giản đến chi tiết.
$PRT N Không cho ra kết quả ở tất cả các mặt cắt.
(Cột 8) A Cho ra kết quả ở mọi mặt cắt ở mức đã khai ở bản ghi *.
CP - Số thứ tự gán cho sông-hồ nơi mà các mặt cắt ngang cần thiết được định vị (được dùng kèm theo bản ghi $PRT).
PS - Các mặt cắt ngang cần cho ra kết quả (được dùng kèm theo bản ghi $PRT).
END - Kết thúc các bản ghi $PRT.
$VOL - Cho ra kết quả thay đổi thể tích và cao trình đáy sơng-hồ. (Cột 7) X Cho ra bảng thay đổi thể tích và cao trình đáy sơng-hồ. $VOL
(Cột 8)
A Cho ra khối lượng bùn cát lũy tích chuyển qua từng mặt cắt ngang cho từng cấp hạt
VJ, VR - Các tham số đầu vào để cho ra bảng cao trình-thể tích, được sử dụng kèm với bản ghi $VOL.
Hiện nay trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, cơng tác tính tốn bồi lắng hồ chứa được chú trọng vì tính cấp thiết của nó, trong nghiên cứu bồi lắng có rất nhiều phương pháp, cơng cụ để thực hiện. Đối với cơng trình thủy điện Srêpơk 3, lựa chọn mơ hình HEC-6 là phù hợp với điều kiện tự nhiên, điều kiện địa hình, điều kiện về số liệu, …
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN BỒI LẮNG CHO HỒ CHỨA SRÊPƠK 3
3.1. CƠ SỞ DỮ LIỆU TÍNH TỐN BỒI LẮNG HỒ CHỨA SRÊPÔK 3 Số liệu phục vụ mơ hình HEC-6 bao gồm: Số liệu phục vụ mơ hình HEC-6 bao gồm:
- Số liệu về mực nước, lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát tại trạm thủy văn Cầu 14.
- Số liệu địa hình: Mặt cắt ngang lịng hồ Srêpôk 3
- Mực nước tại mặt cắt cửa ra (tuyến đập) và dung tích hồ.
3.1.1. Tài liệu bùn cát dùng làm biên đầu vào.
Số liệu phù sa được sử dụng gồm các trạm thủy văn Cầu 14 từ năm 1977 đến nay, trạm Đức Xuyên từ năm 1979 đến nay và trạm Giang Sơn từ năm 1978 đến nay. Việc đo đạc được thực hiện bằng cách lấy mẫu phù sa đơn vị hàng ngày tại một thủy trực đại biểu và đo phù sa định kỳ mặt ngang. Cơng tác đo đạc được duy trì đến nay.
Tuy nhiên ở thượng lưu trạm thủy văn Cầu 14 và trạm thủy văn Đức Xuyên đã được xây dựng các đập thủy điện Buôn Kuốp và Buôn Tua Srah từ năm 2003 và đã đi vào vận hành. Do đó độ đục đo đạc được tại các trạm thủy văn giai đoạn 2003 đến nay không phản ánh được độ đục tự nhiên của sông Srêpôk mà chịu ảnh hưởng nhiều từ việc thi cơng và vận hành các cơng trình thủy điện nói trên.
Phía hạ lưu trạm thủy văn Cầu 14 cịn có hai thủy điện nhỏ là Phú Hịa và Dray Hling. Tuy nhiên cả hai thủy điện này điều khơng tích nước mà chảy tràn tự do.
Điều kiện biên bùn cát là quan hệ Q ~Qs của trạm thủy văn Cầu 14.
Các đặc trưng phù sa trong và ngồi lưu vực được trình bày trong bảng 3-7:
Bảng 3-1: Hàm lượng phù sa tại các trạm thủy văn trong lưu vực nghiên cứu
Trạm Sông Bình quân ngày
(g/m3) Thời gian quan trắc
Cầu 14 Srêpơk 40,04 1977 ÷ 2002
Cầu 14 Srêpơk 90,96 2003 ÷ 2009
Cầu 14 Srêpơk 49,21 2010 ÷ 2016
Hồ Srêpơk 3 Khu vực lịng hồ
sơng Srêpơk 3 38,75 Tháng 4-7/2017
Theo tài liệu quan trắc tại trạm Cầu 14 (1977 - 2002), độ đục phù sa nhỏ nhất hằng năm biến đổi từ 0,4g/m3 - 23,3g/m3, độ đục phù sa lớn nhất hằng năm biến đổi từ 124 g/m3 - 535g/m3, độ đục phù sa trung bình hằng năm biến đổi từ 29,4g/m3 - 83,4 g/m3. Tại trạm thủy văn Đức Xuyên (1979 - 2002), độ đục phù sa trung bình hằng năm
biến đổi từ 43,8 g/m3 - 256,3 g/m3. Tại trạm thủy văn Giang Sơn (1978 - 2002) độ đục phù sa trung bình hằng năm biến đổi từ 22,2g/m3 - 75,4 g/m3.
Bảng 3-2: Kết quả phân tích phù sa đo tại mặt cắt thủy văn (chu kỳ đầu) STT
Thời gian lấy mẫu
Ký hiệu mẫu Hàm lượng cặn không tan (mg/l) Giờ Ngày 1 10h40’ 18/04/2017 MN1-V 10,0 2 12h30’ 18/04/2017 MN1-X 10,0 3 11h00’ 28/04/2017 MN2-V 23,0 4 12h15’ 28/04/2017 MN2-X 36,0 5 10h00’ 09/05/2017 MN3-V 17,0 6 12h00’ 09/05/2017 MN3-X 18,0 7 11h00’ 19/05/2017 MN4-V 76,0 8 12h00’ 19/05/2017 MN4-X 91,0 9 10h15’ 29/05/2017 MN5-V 75,0 10 11h30’ 29/05/2017 MN5-X 79,0 11 9h45’ 10/06/2017 MN6-V 21,5 12 10h45’ 10/06/2017 MN6-X 29,0 13 9h30’ 20/06/2017 MN7-V 33,5 14 11h00’ 20/06/2017 MN7-X 44,5 15 9h35’ 30/06/2017 MN8-V 34,5 16 10h30’ 30/06/2017 MN8-X 47,5 17 10h00’ 02/07/2017 MN9-V 22,0 18 11h15’ 02/07/2017 MN9-X 30,0 Trung bình 38,75
Bảng 3-3: Kết quả phân tích phù sa trong nước đo tại một số mặt cắt ngang lòng hồ (chu kỳ đầu)
STT
Thời gian lấy mẫu
Mặt cắt lấy mẫu Ký hiệu Hàm lượng cặn không tan (mg/l)
Ghi chú Giờ Ngày, tháng năm