Giáo trình Thủy văn công trình: Phần 2

Phần 2 của giáo trình Thủy văn công trình tiếp tục trình bày những nội dung về: tính toán thủy văn vùng sông ảnh hưởng thủy triều; hồ chứa và điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa; tính toán điều tiết cấp nước; tính toán điều tiết lũ; điều phối hồ chứa; đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn;... Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG VII : TÍNH TOÁN THỦY VĂN VÙNG SÔNG ẢNH

HƯỞNG THỦY TRIỀU

7.1 Một số kiến thức về thuỷ triều

7.1.1 Khái niệm về thuỷ triều

7.1.1.1 Thuỷ triều

Thuỷ triều là hiện tượng sóng của nước biển dưới tác động của các lực gây ra bởi Mặt trăng, Mặt trời và các hành tinh khác lên các chất điểm nước trên đại dương Dưới tác động của các lực trên, nước trên đại dương dâng lên tạo thành các sóng nước di chuyển trên đại dương tạo thành sự chuyển động tương đối giữa Trái đất, Mặt trăng, Mặt trời và các hành tinh khác Sự chuyển động của Mặt trăng xung quanh Trái đất và của hệ thống Mặt trăng - Trái đất xung quanh Mặt trời có tính chu kỳ, kéo theo sự xuất hiện có chu kỳ của sóng nước trên đại dương Các sóng nước tạo ra do hiện tượng trên được gọi

là sóng triều

Sự di chuyển có chu kỳ của các sóng triều gây ra hiện tượng lên xuống có chu kỳ của mực nước biển tại một vị trí quan trắc Bởi vậy, có thể coi thuỷ triều là hiện tượng dao động có chu kỳ của mực nước biển tại vị trí quan trắc

7.1.1.2 Các đặc trưng cơ bản của thuỷ triều

1) Mực nước triều: là cao trình mực nước biển hoặc sông có ảnh hưởng thuỷ triều so với mặt chuẩn tại một vị trí quan trắc nào đó, thường được ký hiệu là Z

2) Quá trình mực nước triều: là đồ thị của quá trình thay đổi mực nước triều theo thời gian t, được ký hiệu là Z(t) Như vậy mực nước triều là hàm của thời gian, được biểu thị bằng đường cong Z = Z(t)

Trên đường quá trình mực nước triều có các pha triều lên ( còn gọi là triều dâng ), triều xuống ( triều rút ), cùng các đặc trưng đỉnh và chân triều

Thời kỳ liên tục trong đó dZ/dt > 0 gọi là pha triều lên, ngược lại là pha triều xuống Đỉnh triều là điểm chuyển tiếp giữa pha triều lên và pha triều xuống, còn chân triều là điểm chuyển tiếp giữa pha triều xuống và pha triều lên Tại các đỉnh và chân triều có

3) Mực nước đỉnh triều và chân triều: là mực nước tương ứng với đỉnh và chân triều Nếu trong một ngày đêm có một lần triều lên, một lần triều xuống sẽ tương ứng có một mực nước đỉnh triều và một mực nước chân triều Nếu trong một ngày đêm có hai lần triều lên, hai lần triều xuống, sẽ tồn tại trên đường quá trình triều hai đỉnh và hai chân triều Trong trường hợp một ngày đêm có hai đỉnh và hai chân triều, sẽ có một đỉnh triều cao và một đỉnh triều thấp, một chân triều cao và một chân triều thấp (xem hình 7-1)

4) Biên độ triều và chu kỳ triều

Biên độ mực nước triều là chênh lệch mực nước giữa đỉnh triều so với chân triều kế tiếp, thường ký hiệu là AP Chu kỳ triều là khoảnh thời gian giữa hai đỉnh triều đặc trưng

kế tiếp nhau, thường ký hiệu là T Có nhiều loại chu kỳ khác nhau

- Trong một ngày đêm có chu kỳ nửa ngày đối với loại chế độ bán nhật triều, tức là trong một ngày đêm có hai lần triều lên và hai lần triều xuống với chu kỳ xấp xỉ 12 giờ

25 phút

- Trong một ngày đêm có chu kỳ ngày, là khoảng thời gian giữa hai đỉnh triều hoặc hai chân triều kế tiếp đối với chế độ nhật triều, hoặc là khoảng thời gian giữa hai đỉnh triều cao (hoặc thấp), chân triều cao (hoặc thấp) trong trường hợp bán nhật triều

- Nếu ta vẽ đường bao chân triều và đỉnh triều (hình 7-2), sẽ tồn các chu kỳ triều nửa tháng, một tháng, tức là khoảng cách giữa hai lần triều cường hoặc kém kế tiếp nhau

Ngoài ra còn tồn tại các loại chu kỳ lớn hơn, chẳng hạn chu kỳ 4 tháng, chu kỳ năm, chu kỳ 4 năm v.v

Hình 7-1: Đường quá trình mực nước triều Z~t trong 1 ngày đêm

-100 -50 0 50 100 150 200

Hình 7 -2 - Đường quá trình triều trong một tháng (từ ngày 130/11/2001) tại Cửa Ba lạt

5) Triều cường, triều kém

Trong một tháng thường có hai thời kỳ triều hoạt động mạnh đó là thời kỳ triều

Thời gian Chu kỳ triều

Chân triều thấp

Đỉnh triều thấp Đỉnh triều cao

Chân triều cao

triều hoạt động yếu gọi là thời kỳ triều kém (thời kỳ nước ròng), khi đó biên độ triều nhỏ, đỉnh triều thấp, còn chân triều lại cao so với những ngày khác

7.1.1.3 Phân loại thuỷ triều

Chu kỳ triều trong một ngày đêm đặc trưng cho chế độ triều tại một vị trí quan trắc Bởi vậy người ta phân loại thuỷ triều theo chu kỳ triều trong một ngày đêm Có hai loại chế độ triều sau đây:

a/ Chế độ bán nhật triều đều: là hiện tượng xảy ra trong một ngày mặt trăng (24 giờ

50 phút) có hai lần triều lên và hai lần triều xuống, đỉnh và chân triều của hai lần đó xấp

xỉ bằng nhau, chu kỳ triều gần bằng 12 giờ 25 phút

b/ Nhât triều đều: là hiện tượng xảy ra trong một ngày mặt trăng có một lần triều lên một lần triều xuống, chu kỳ triều xấp xỉ 24 giờ 50 phút

c/ Bán nhật triều không đều: là hiện tượng xảy ra tương tự như (a), song đỉnh và chân triều trong hai lần triều liên tiếp có sự chênh lệch khá lớn

d/ Nhật triều không đều: là hiện tượng mà trong chu kỳ nửa tháng, số ngày nhật triều không quá 7 ngày, những ngày còn lại là bán nhật triều

7.1.1.4 Phân loại thủy triều dọc bở biển Việt Nam

Ở nước ta, dọc theo bờ biển từ Bắc đến Nam thuỷ triều có chế độ rất khác nhau Theo chế độ triều có thể chia làm 8 vùng, thống kê ở bảng 7 -1

cường (m)

3 Nam Quảng Bình - Thuận An Bán nhật triều không đều 1,1  0,6

4 Cửa Thuận An và vùng phụ cận Nhật triều không đều 0,4  0,5

5 Nam Thừa Thiên đến Q Nam Bán nhật triều không đều 0,8  1,2

7 Hàm Tân - Cà Mau Bán nhật triều không đều 2,0  3,5

8 Cà Mau - Hà Tiên Nhật triều đều hoặc không đều < 1,0

Theo thống kê ở bảng (6-1), biên độ triều giảm dần từ Quảng Bình đến Cửa Thuận

An (Huế), sau đó lại tăng dần đến mũi Cà Mau Từ Cà Mau đến Hà Tiên biên độ triều lại giảm xuống rõ rệt Bờ biển Việt Nam không dài (3200 km), nhưng có chế độ triều của hầu hết các bờ biển trên thế giới Tính đa dạng của chế độ triều dọc bờ biển việt Nam phản ánh sự phức tạp của nó Đặc biệt là tại bờ biển đồng bằng sông Cửu Long, phía đông và phía tây có chế độ triều khác biệt nhau, gây ra sự phức tạp của cơ chế chuyển động của thuỷ triều ở kênh rạch thuộc châu thổ này

7.1.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến chế độ thủy triều ngoài biển

7.1.2.1 Ảnh hưởng của các lực gây triều

Trong các lực gây triều thì 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 trên trái đất

Trong một ngày, do trái đất quay quanh trục của nó, 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 đó mặt trăng sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ thuỷ triều trong ngày Mặt trăng chuyển động xung quanh trái đất 28 ngày đêm, do đó vị trí tương đối giữa mặt trăng, mặt trời và trái đất cũng có sự thay đổi theo chu kỳ một tháng dẫn đễn sự thay đổi theo chu kỳ của chế độ triều trong một tháng Tương tự vậy, sự thay đổi theo chu kỳ giữa 3 thiên thể trong một năm và nhiều năm sẽ kéo theo sự thay đổi có chu kỳ của chế độ triều trong một năm và nhiều năm

a Ảnh hưởng của Mặt trăng đến chế dộ triều trong ngày

Sự thay đổi mức nước biển trong một ngày tại vị trí quan sát phụ thuộc vào vị trí tương đối của trái đất và mặt trăng trong một ngày Trên hình 7- 3 sơ hoạ các lực gây triều tại các điểm đặc trưng trên Trái đất trong một ngày Mặt trăng

Hình 7- 3: Các lực gây triều dưới tác động của mặt trăng

Trái đất và Mặt trăng có khối lượng khác nhau, bởi các lực tác dụng tương hỗ giữa chúng tạo nên hệ thống chuyển động quay của hệ Mặt trăng - Trái đất xung quanh trục chung cách tâm trái đất một khoảng bằng 0,73 bán kính Trái đất Kết cục của hiện tượng này phát sinh các lực tác dụng lên chất điểm trên Trái đất như sau:

* Lực ly tâm có giá trị như nhau đối với mọi chất điểm trên trái đất kể cả ở tâm trái đất Lực ly tâm có phương song song với phương của đường thẳng nối tâm trái đất với tâm mặt trăng, hướng của lực ngược với hướng từ tâm trái đất đến mặt trăng

* Lực hấp dẫn của mặt trăng lên các chất điểm trên trái đất khác với lực ly tâm Phương của lực trùng với phương nối chất điểm đó với tâm mặt trăng, hướng của lực đi

từ chất điểm đến mặt trăng Giá trị của lực hấp dẫn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng

từ chất điểm đến tâm của mặt trăng

* Tổng hợp của hai lực này sẽ tạo nên lực gây triều có phương, hướng và giá trị phụ thuộc vào điểm quan sát trên trái đất (xem hình 7-3) Ta xét hai điểm C và D nằm trên phương nối trục trái đất với mặt trăng Nếu chất điểm nước trên mặt biển nằm về phía mặt trăng (điểm C) thì lực hấp sẽ dẫn lớn hơn so với các chất điểm nước nằm ở phía bên kia (điểm D) trong khi đó lực ly tâm của các chất điểm là như nhau, do đó tổng hợp lực

chất điểm nằm về phía mặt trăng (điểm C) sẽ hướng về phía mặt trăng, còn tại điểm D hướng của tổng hợp lực sẽ có chiều ngược lại Ta xem xét các vị trí đặc trưng trên hình 7-

3

- Tại A và B lực gây triều có hướng đi từ chất điểm về phía tâm trái đất, kết quả là tại những điểm này lực gây triều là nhỏ nhất, do đó mực nước triều tại các điểm này là nhỏ nhất

- Tại C và D, lực gây triều có giá trị lớn nhất, và hướng ra phía ngoài kể từ tâm trái đất Do đó, tại những điểm này sẽ có mực nước triều lớn nhất

- Tại các điểm còn lại sẽ có giá trị trung gian phụ thuộc vào vị trí của nó trên trái đất

Trái đất quay xung quanh trục của nó mất một ngày, bởi vậy trong một ngày tại điểm quan trắc sẽ có hai lần xuất hiện mực nước triều lớn nhất, hai lần mực nước triều nhỏ nhất (bán nhật triều) Tuy nhiên chế độ thuỷ triều còn phụ thuộc vào các nhân tố khác nữa mà ta sẽ xem xét ở các mục sau, do đó tồn tại nhiều chế độ triều khác nhau

b Ảnh hưởng của mặt trời đến chế độ thuỷ triều

Trái đất quay xung quanh trục của nó mất 1 ngày, do đó hiện tượng dao động của mực nước triều trong một ngày tại vị trí quan trắc cũng tương tự như tác động của lực gây triều của mặt trăng Tuy nhiên lực gây triều do mặt trời yếu hơn mặt trăng Trong chu kỳ một tháng của mặt trăng, vị trí tương đối của ba thiên thể ở những khác nhau nên sẽ có ảnh hưởng đến mức độ mạnh yếu của thuỷ triều trên trái đất

Hình 7-4a: Vị trí tương đối của mặt trời (S), mặt trăng (L) và trái đất (T) trong chu kỳ 1

- Trong những ngày thượng huyền và hạ huyền tương ứng với trạng thái I và III trên hình (7-4a), vị trí mặt trăng và mặt trời sẽ nằm trên hai đường thẳng vuông góc nhau, qua tâm của trái đất Do vậy, tại một điểm quan trắc trên trái đất, khi mà mặt trăng có giá tri gây triều lớn nhất thì mặt trời lại có lực gây triều nhỏ nhất và ngược lại Kết quả là, mực nước triều dao động trong các ngày này rất ít, đó là những ngày triều kém trong tháng

- Những ngày còn lại sẽ có trạng thái trung gian

L

T

S

Hình 7- 4b Đường quá trình mực nước triều trong một tháng: a) Bán nhật triều; b) Nhât

triều

c Ảnh hưởng của tổng hợp các lực gây triều đến chế độ thuỷ triều

Như đã trình bày ở trên, mặt trăng, mặt trời là hai thiên thể gây ra lực gâ triều lớn nhất Các lực gây triều có chu kỳ ngày và nửa ngày của các tác động riêng rẽ hoặc tổ hợp giữa chúng trong một tháng mặt trăng (tức là một vòng quay của mặt trăng xung quanh trái đất) sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ triều trong tháng đối với các vị trí khác nhau trên trái đất Với mỗi vị trí trên trái đất chế độ thuỷ triều trong một tháng bị chi phối chủ yếu bởi bốn loại thành phần lực gây triều sau:

1) Thành phần lực gây triều có chu kỳ nửa ngày của mặt trăng ký hiệu là M2

2) Thành phần lực gây triều có chu kỳ nửa ngày của mặt trời ký hiệu là S2

3) Thành phần lực gây triều có chu kỳ ngày của mặt trăng ký hiệu là K1

4) Thành phần lực gây triều có chu kỳ ngày của hệ thống mặt trăng - mặt trời ký hiệu là O1

Defant đã thiết lập biểu thức tính hằng số F ở vị trí bất kỳ trên trái đất có dạng:

2 2

1 1

M S

K O F

Hằng số F bằng tỉ số giữa các thành phần lực có chu kỳ ngày với các thành phần lực

có chu kỳ nửa ngày Theo sự thay đổi của hằng số F, người ta rút ra các kết luận sau đây:

- Khi F < 1, trong một tháng chế độ bán nhật triều sẽ chiếm ưu thế Khi F càng nhỏ ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều càng mạnh Trên hình 7-5 cho thấy khi F = 0,05, tại điểm quan trắc có chế độ bán nhật triều đều, khi F = 0,08 tại điểm quan trắc có chế độ bán nhật triều không đều

- Khi F  1, chế độ nhật triều chiềm ưu thế trong chu kỳ một tháng Trên hình 7-5 khi F = 2,5 trong tháng tồn tại nhiều ngày bán nhật triều xen kẽ với những ngày có chế

độ bán nhật triều (nhật triều không đều) Khi F = 7,5 chế độ nhật triều trong tháng là nhật triều đều

Hình 7 - 5 - Đường quá trình triều với sự phụ thuộc vào hằng số F

a) F = 0,05; b)F = 0,88; c) F = 2,5; d) F = 7,5

Phân tích trên đây giải thích hiện tượng đa dạng của chế độ triều ở các vị trí khác nhau trên đại dương

7.1.2.2 Ảnh hưởng của địa hình và các nhiễu động khí tượng thuỷ văn vùng ven bờ

a) Ảnh hưởng của địa hình

Các sóng triều di chuyển trên đại dương có cao độ sóng không lớn lắm, thường vào khoảng 1m, trong khi đó độ dài của sóng rất lớn, (hàng nghìn km) Khi sóng triều di chuyển vào các vịnh, do ảnh hưởng của điều kiện địa hình, sóng bị biến dạng đáng kể, chiều cao sóng ở vùng ven bờ thường tăng lên so với ngoài đại dương, có khi đạt từ 3m đến 5m

Do ảnh hưởng điều tiết của các vùng vịnh, đường quá trình mực nước triều cũng bị biến dạng Độ sâu nước biển vùng ven bờ ảnh hưởng lớn đến tốc độ di chuyển của sóng triều và biên độ của nó

b) Ảnh hưởng của các nhiễu động khí tượng

Gió là yếu tố chủ yếu gây ra sự biến động của các đằc trưng mực nước triều Với tác động của gió, chiều cao sóng triều bị tăng lên ở các vùng ven bờ, khi có gio bão còn xảy

ra hiện tượng sóng dềnh và do đó biên độ và mực nước triều thay đổi đáng kể so với trường hợp lặng gió Tác động của gió là rất ngẫu nhiên kéo theo sự thay đổi ngẫu nhiên của đặc trưng triều vùng ven bờ

c) Ảnh hưởng của các nhiễu động khác

Ngoài gió, các dòng hải lưu cũng chi phố đáng kể chế độ và các đặc trưng thuỷ triều vùng ven bờ

Chế độ triều vùng ven bờ còn phụ thuộc vào vị trí của vùng bờ so với vùng cửa sông Càng gần cửa sông, chế độ thuỷ triều càng bị ảnh hưởng của chế độ dòng chảy trong sông Phạm vi ảnh hưởng của dòng chảy trong sông đến chế độ vùng ven bờ còn phụ thuộc vào đặc điểm địa hình vùng cửa sông và ven bờ nữa

7.2 Chế độ thuỷ văn vùng sông ảnh hưởng triều

7.2.1 Khái niệm về vùng sông ảnh hưởng triều

Cửa sông là đoạn sông nối tiếp giữa một dòng sông với biển, với một hồ chứa nước hoặc một dòng sông khác.Trong chương này chỉ đề cập đến cửa sông thông ra biển Các sông có cửa thông ra biển bị ảnh hưởng mạnh của thuỷ triều gọi là vùng sông ảnh hưởng triều

Vùng sông ảnh hưởng thuỷ triều có thể chia ra làm 3 vùng sau:

Hình 7-6: Khu vực sông ảnh hưởng triều

1) Vùng cửa và vùng ven biển ngoài sông, đoạn này dòng chảy sông ngòi có tình thế biển là chủ yếu, dòng chảy trong sông ảnh hưởng rất mạnh triều biển

2) Đoạn cửa sông là phần kể từ mép biển đến chỗ phân nhánh (còn gọi là vùng tam giác châu) Trong đoạn này bao gồm cả tình thế biển và sông lẫn lộn

3) Đoạn gần cửa sông là đoạn sông từ chỗ phân nhánh đến chỗ giới hạn ảnh hưởng triều về mùa nước kiệt Trong đoạn này tình thế sông trội hơ tình thế biển

Ngoài ra người ta còn chia ra hai vùng sông đặc trưng: vùng sông bị ảnh hưởng triều

là vùng sông có giới hạn từ cửa sông đến giới hạn thuỷ triều (là vị trí trên cùng bị ảnh hưởng thuỷ triều về mùa kiệt) và vùng sông bị nhiễm mặn là vùng sông từ mép biển đến

Đoạn cửa sông Đoạn trên cửa sông

Đoạn cửa sông bị xâm nhập mặn

Vùng sông ảnh hưởng triều

Bờ biển ngoài cửa sông

Hệ thống sông

giới hạn trên của xâm nhập mặn về mùa kiệt Giới hạn xâm nhập mặn nằm ở phía dưới giới hạn thuỷ triều (xem hình 7-6)

7.2.2 Hiện tượng truyền triều vào vùng cửa sông

Thuỷ triều vào cửa sông, không những bị ảnh hưởng của địa hình lòng sông cao dần

và khi bờ thu hẹp lại, mà còn vì nước sông chảy ra làm cho sóng triều khi dâng lên bị mất dần năng lượng Triều càng vào sâu trong sông càng yếu dần, hiện tượng triều vùng cửa sông càng phức tạp hơn vùng cửa biển

Quá trình truyền sóng triều vào trong sông có thể mô tả như sau Trong thời gian triều bắt đầu lên, tốc độ nước sông mạnh hơn tốc độ dòng triều cho nên đỉnh sóng triều không thể tiến ngay vào sông, tuy vậy sức mạnh của nước sông cũng không đủ sức để đẩy sóng triều ra ngoài biển, kết quả là sóng triều nằm tại nơi tiếp giáp giữa sông và biển, đồng thời nước sông bị ứ lại ở phía trước của sóng triều và dần dần phát triển về phía

thượng lưu (xem hình 7-7), trong đó

sự thay đổi sóng triều lúc triều lên là các đường 1, 2, 3 Đỉnh sóng triều S1, S2, S3, vẫn dừng lại tại chỗ ở nơi tiếp giáp giữa sông và biển

Triều tiếp tục lên cao cho đến khi sóng triều có năng lượng đủ lớn đỉnh sóng triều mới di chuyển vào sông như S4, S5, S6, v.v

Trong quá trình truyền triều vào sông, do ảnh hưởng của địa hình lòng sông, năng lượng triều bị tiêu hao, biên độ bị nhỏ dần Khi triều tiến tương đối sâu vào lòng sông thì

ở của sông nước biển bắt đầu rút, do đó sóng triều không thể tiến sâu được nữa và bắt đầu một thời kỳ rút nước trong sông ra biển Trong quá trình truyền triều vào sông, biên độ triều sẽ giảm dần, tại nơi có biên độ sóng triều bằng không (0) gọi là giới hạn triều

Hình 7-7

7.2.3 Đặc điểm chế độ dòng chảy vùng sông ảnh hưởng thuỷ triều

7.2.3.1 Đặc điểm chế độ mực nước

Về chế độ mực nước, sự dao động mực nước trong sông sẽ có dạng tương tự với dạng của triều ngoài biển khi lưu lượng nước từ nguồn ít thay đổi Về mùa lũ, dạng của đường quá trình mực nước bị thay đổi nhiều tuỳ thuộc vào vị trí quan trắc kể từ cửa sông

Nói chung, khi có lũ đỉnh triều và chân triều bị nâng lên, chu kỳ triều trong sông thay đổi, trong một số trường hợp quá trình mực nước triều không còn có dạng hình “sin’’nữa Hình (7-8) là quá trình mực nước triều tại trạm thủy văn Trực Phương (sông Ninh Cơ) từ ngày 9 đến ngày 29 tháng 8 năm 1969 khi thuỷ triều gặp lũ

Ngoài ra, gió cũng là một tác động mạnh vào sự thay đổi quá trình mực nước triều trong sộng Gió thổi từ biển vào làm cho mực nước triều cao thêm còn nếu gió thổi từ đất liền ra phía biển, thì mực nước sẽ bị giảm xuống so với trường hợp lặng gió

Tác động của các hoạt động kinh tế của con người ở thượng và hạ lưu sông sẽ cũng ảnh hưởng rất lớn đến chế độ thuỷ triều vùng cửa sông, đặc biệt là khi trên thượng nguồn

Hình 7-8: Đường quá trình mực nước triều tại trạm thủy văn Trực Phương trên sông

Ninh Cơ từ ngày 9 đến ngày 29 tháng 8 năm 1969

7.2.3.2 Sự phân lớp của dòng chảy

Do tỷ trọng của nước biển lớn hơn nước ngọt ở trong sông nên sóng triều di chuyển vào cửa sông có dạng hình nêm thường gọi là nêm mặn Khi nêm mặn di chuyển vào song sẽ xuất hiện hiện tượng dồn ép dòng chảy ngọt từ nguồn chảy về, còn khi nêm mặn

di chuyển về phía biển (khi triều xuống) nước ngọt sẽ đẩy ngược lại làm cho nêm mặn di chuyển nhanh hơn về phía biển Tuỳ thuộc vào tương tác giữa năng lượng triều và dòng chảy ngọt mà nêm mặn sẽ có hình dạng khác nhau

Khi năng lượng triều không lớn lắm so với dòng chảy ngọt, nêm mặn sẽ không đủ năng lượng dồn ép hoàn toàn dòng chảy ngọt lên phía thượng lưu Khi đó sẽ xuất hiện hiện tượng phân lớp dòng chảy, tức là nêm mặn di chuyển phía dưới, còn nước ngọt bị đẩy lên và chảy ra biển ở phía trên của nêm mặn Trong trường hợp này, nêm mặn có dạnh hình tam giác, đường phân chia nước mặn và ngọt xuất phát đáy sông nhưng không kéo dài đến mặt thoáng của nước (hình 7-9b) Ta gọi hiện tượng này là hiện tượng phân lớp của dòng chảy vùng cửa sông, loại thuỷ triều có cấu trúc như vậy gọi là triều phân lớp Đặc điểm của loại triều phân lớp là tồn tại dòng chảy hai chiều theo phương của trục lòng sông) Hiện tượng dòng chảy theo hai chiều có thể xuất hiện ở cả pha lên và pha xuống của thuỷ triều (hình 7-9) Tuy nhiên, ở pha xuống ít xảy ra dòng hai chiều Hình ảnh dòng chảy theo hai chiều thấy rõ rệt trên biểu đồ phân bố tốc độ theo chiều sâu trên hình 7-9a và 7-9b Cần nói thêm rằng, lớp nước ngọt chảy phía trên của nêm mặn không còn “ngọt “ nữa mà đã bị nhiễm mặn do hiện tượng khuếch tán và đối lưu của dòng chảy

Trong trường hợp năng lượng triều rất lớn đủ khả năng dồn ép hoàn toàn nước ngọt

về phía đát liền sẽ không xuất hiện tượng phân lớp chảy, tức là phía trên của nêm mặn không tồn tại lớp dòng chảy ngọt về phía biển, cả khi triều lên lẫn triều xuống Ta gọi là triều không phân lớp (hình 7-9c, 7-9d) Trong trường hợp này nêm mặn có dạng hình thang, đường phân chia giữa nêm mặn và ngọt kéo dài đến mặt thoáng của nước ở phía đầu của nêm mặn do hiện tượng dồn ép có thể xuất hiện khu vực chảy hai chiều, nhưng đoạn này rất hẹp Hiện tượng này cũng chỉ xuất hiện đối pha triều lên

    : Đường phân chia nước mặn và nước ngọt

Hình 7-9: Nêm mặn và hiện tượng phân của dòng triều

Như vậy đối với loại triều không phân lớp, hầu như không có sự xáo trộn giữa hai khối nước mặn và ngọt, chúng cùng di chuyển lên phía đất liền (khi triều lên) hoặc về phía biển (khi triều xuống) Trong khi đó đối với loại triều phân lớp thì sự xáo trộn giữa hai khối nước lớn hơn nhiều, và do đó chế độ triều cũng có sự khác biệt đối với triều không phân lớp

Hiện tượng phân lớp của dòng triều thường xảy ra trong thời kỳ có lũ ở thường nguồn khi mà lượng nước trong sông khá lớn Về mùa kiệt có thể xuất hiện triều phân lớp, chẳng hạn như thời kỳ triều kém, cũng có thể hoàn toàn không có triều phân lớp hoặc ngược lại, nó tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể ở các đoạn sông ảnh hưởng triều, trong

đó điều kiện địa hình lòng sông đóng vai trò quan trọng

7.2.3.3 Dòng triều

a Khái niệm về dòng triều

Đặc điểm cơ bản của dòng chảy vùng sông ảnh hưởng triều là sự tồn tại chế độ chảy hai chiều Nếu ta quy ước chiều dòng chảy theo hướng từ sông ra biển là chiều dương thì, lưu lượng nước hoặc tốc độ dòng chảy sẽ có giá trị âm khi có nước chảy theo triều ngược lại Do hiện tượng triều phân lớp, có thể cùng một lúc tồn tại cả hai hướng chảy tại một

mặt cắt sông, tức là ở lớp nước phía dưới có nước chảy ngược, còn ở lớp trên vẫn có nước chảy xuôi

Dòng triều là quá trình trao đổi nước tại một mặt cắt sông ở vùng sông có ảnh hưởng triều Dòng triều được đánh giá bởi các đặc trưng sau đây:

(1) Lưu lượng triều: là lưu lượng nước đi qua một mặt cắt sông trong khoảng thời gian bằng một giây (m3/s), thường được ký hiệu là Q Lưu lượng Q có thể nhận các giá trị dương hoặc âm và được tính bằng tổng của phần lưu lượng âm hoặc dương Tức là:

Trong đó Q+ là thành phần lưu lượng có giá trị dương; Q- là thành phần lưu lượng có giá trị âm tại thời điểm đó Ta có:

- Nếu Q > 0 gọi là dòng triều lên

- Nếu Q < 0 gọi là dòng triều xuống

- Nếu Q = 0 gọi là điểm ngưng triều

Thực ra tại điểm ngưng triều vẫn có thể tồn tại dòng chảy theo cả hai triều nhưng tổng của các thành phần lưu lượng bằng không

Tốc độ bình quân của mặt cắt ngang tại một thời điểm nào đó tính bởi công thức:

Hình 7-10: Biểu đồ phân bố tốc độ theo chiều sâu

a) Nước chảy hai chiều khi triều xuống

b) Nước chảy một chiều có tốc độ dương khi triều xuống

c) Nước chảy một chiều có tốc độ âm khi triều lên

d) Nước chảy hai chiều khi triều lên

(4) Tổng lượng triều: là lượng nước chảy qua một mặt cắt nào đó tại đoạn sông ảnh

hưởng triều trong một khoảng thời gian nhất định, ký hiệu là W Do tồn tại dòng chảy theo hai chiều nên tổng lượng nước trong một khoảng thời gian nhất định có thể âm hoặc dương

Ta có : t c

t Qdt W

Trong đó to, tc là thời điểm đầu và cuối của thời đoạn tính toán

b Ảnh hưởng điều tiết của dòng triều

Sự hoạt động có chu kỳ của thuỷ triều và dòng triều kéo theo sự điều tiết có chu kỳ ở các đoạn sông có ảnh hưởng thuỷ triều Khi triều lên xuất hiện dòng chảy ngược từ hạ lưu sông, trong khi đó nước nguồn vẫn tiếp tục bổ sung cho đoạn sông ở khu vực sông ảnh hưởng triều Kết quả là, tại đoạn sông này có một lượng nước khá lớn được tích lại và sẽ được thoát đi sau khi triều rút Tổng lượng nước trữ lại đồng thời làm tăng mực nước trong sông Nếu đoạn sông đang xét không bị nhiễm mặn, thì lượng nước trữ lại sẽ làm tăng khả năng lấy nước cho tưới hoặc các mục tiêu cấp nước khác Về mùa lũ, sự thay đổi mực nước do ảnh hưởng thuỷ triều sẽ làm giảm khả năng tiêu của các hệ thống tiêu tự chảy Tính toán quá trình thay đổi mực nước và chu kỳ của nó sẽ là cơ sở cho việc lấy nước tưới ruộng hoặc các giải pháp thoát lũ hợp lý trong thời kỳ mùa lũ

Hình 7-11a: Đường quá trình mực nước và lưu lượng thực đo tại trạm thủy văn Trực

Phương (Ninh Cơ) từ ngày 12-3 đến ngày 22-3 năm 1974

7.3 Biện pháp khai thác vùng cửa sông ven biển và nhiệm vụ tính toán thủy văn

Sử dụng tài nguyên nước vùng cửa sông ven biển có những đặc thù riêng so với các vùng thượng và trung lưu sông Tính đa dạng và phức tạp của các biện pháp khai thác

cơ bản khi tính toán cho một số loại đặc trưng quan trọng và phổ biến trong các bài toán thực tế

7.3.1 Các biện pháp khai thác vùng ven biển

Đối với vùng ven biển và vùng vịnh, các biện pháp công 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 không bị sạt lở dưới tác dụng của sóng tác dụng của dòng ven bờ

+ Cải tạo và quy hoạch các công trình giao thông ngoài biển

+ Khai thác thuỷ sản vùng ven bờ: quy hoạch nuôi tôm và hải sản khác

+ Các mục tiêu khai thác tổng hợp khác

7.3.2 Các biện pháp khai thác vùng sông ảnh hưởng triều

Vấn đề khai thác vùng cửa sông cũng rất đa dạng, có thể liệt kê một số yêu cầu và loại hình khai thác chính 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 sông và ngăn mặn xâm nhập vào vùng cửa sông

+ Thiết kế và quy hoạch hệ thống đê ven sông vùng sông 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 thông thuỷ

+ Quy hoạch và thiết kế các công trình lấy nước tưới cho các vùng canh tác, quy hoạch cấp nước cho công nghiệp và dân sinh

+ Quy hoạch các công trình điều tiết mặn phục vụ nuôi trồng thuỷ sản

Ngoài ra còn những biện pháp khai thác khác, chẳng hạn như chống nhiễm mặn cho các vùng canh tác ven sông, cải tạo phèn mặn v v

7.3.3 Nhiệm vụ tính toán thuỷ văn

Yêu cầu và nhiệm vụ tính toán thuỷ văn phụ thuộc vào mục đích, phương thức khai thác và biện pháp công trình Chẳng hạn khi làm các cống ngăn triều, cần tính toán quá trình mực nước triều trong một thời kỳ nhất định, ngoài ra cần tính toán quá trình mực

nước triều đối với triều cường để thiết kế các công trình tiêu năng Đối với quy hoạch giao thông thuỷ cần xác định không những quá trình mực nước, mà còn cần xác định đường duy trì mực nước trong một thời kỳ khai thác nào đó

Có thể phân loại một số yêu cầu tính toán thuỷ văn chính như sau:

1) Tính toán 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 đó

2) Tính toán đường quá trình mực nước triều thiết kế trong thời đoạn tính toán T

3) Tính toán đường quá trình mặt nước trong sông theo trạng thái thiết kế của hệ thống

4) Tính toán quá trình mực nước trong cả một vùng biển ven bờ, diễn biến mặn ở vùng ven bờ

5) Tính toán xác định đường duy trì mực nước trong thời đoạn tính toán T nào đó

6) Tính toán diễn biến mặn vùng cửa sông và ven biển trong điều kiện tự nhiên hoặc

có công trình

7) Tính toán điều tiết mặn cho các vùng nuôi hải sản

8) Tính toán ảnh hưởng của các hoạt động ở thượng lưu đến sự thay đổi chế độ thuỷ văn vùng cửa sông ven biển v v

Sau đây sẽ trình bày những nội dung chủ yếu trong tính toán các đặc trưng thuỷ văn vùng sông ảnh hưởng triều

7.4 Tính toán các đặc trưng thuỷ văn thiết kế vùng cửa sông ven biển

7.4.1 Tính toán các đặc trưng mực nước triều thiết kế

Tính toán quá trình mực nước triều được tiến hành theo ba loại phương pháp sau đây:

- Đối với các vùng ven biển, chế độ mực nước ít bị chi phối bởi dòng chảy trong sông có thể sử dụng phương pháp phân tích điều hoà để tính các đặc trưng mực nước thiết kế

- Dùng phương pháp thống kê xác suất xác định các đặc trưng mực nước thiết kế

- Sử dụng các mô hình toán tính toán xác định quá trình mực nước trên toàn đoạn sông vùng ảnh hưởng thuỷ triều

Loại thứ nhất có nhược điểm là không đánh giá các nhiễu động ngẫu nhiên: gió bão, ảnh hưởng địa hình v v , nên chỉ được dùng trong dự báo và lập các bảng thuỷ triều với mục đích sử dụng cho công tác quản lý trong thời gian vận hành hệ thống Trong giáo trình này sẽ không trình bày phương pháp này

7.4.1.1 Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp có nhiều tài liệu thực đo

Mực nước triều thiết kế là mực nước triều ứng với tần số thiết kế công trình Tuỳ theo yêu cầu thiết kế công trình mà tính toán mực nước nào đó: Có thể là mực nước đỉnh triều, chân triều, mực nước bình quân đỉnh hoặc chân triều tương ứng với thời gian tính toán T Có thể chia ra ba trường hợp tính toán: có nhiều tài liệu, không có tài liệu và ít tài liệu

Trường hợp có nhiều tài liệu là trường hợp mà tại vị trí xây dựng công trình có trạm

đo mực nước và có tài liệu quan trắc trong nhiều năm đủ dài để vẽ đường tần suất mực nước Nếu tài liệu đo mực nước tại vị trí xây dựng công trình không đủ dài để vẽ đường tần suất mực nước, ta gọi là trường hợp có ít tài liệu Trường hợp không có tài liệu là trường hợp mà tại tuyến xây dựng công trình không có tài liệu quan trắc mực nước

a Phương pháp tính toán

Khi có đủ tài liệu, ta chọn ra mỗi năm 1 mẫu, tiến hành vẽ đường tần suất tương tự như tính toán các đặc trưng thuỷ văn khác, tức là cần tìm mực nước thiết kế Zp mà :

Zp = f(Z t , Cv,Cs) (7-5) Trong đó Z t là giá trị bình quân của mực nước đặc trưng, Cv, Cs là hệ số phân tán và

hệ số thiên lệch của đặc trưng mực nước Mực nước đặc trưng Zt được thống kê để vẽ đường tần suất tùy theo nhiệm vụ tính toán thiết kế Dưới đây là một số mực nước đặc trưng thường sử dụng trong tính toán thiết kế:

- Mực nước chân triều nhỏ nhất: là mực nước chân triều có giá trị nhỏ nhất trong thời kỳ nào đó (1 tháng, năm, một chu kỳ triều v v)

- Mực nước đỉnh triều lớn nhất: là mực nước triều lớn nhất xuất hiện trong một khoảng thời gian nào đó (tháng, năm hoặc thời gian một chu kỳ triều)

- Mực nước bình quân chân triều: là mực nước bình quân của các giá trị chân triều trong một khoảng thời gian nào đó (một chu kỳ triều nửa tháng, thời kỳ triều kém v v)

- Mực nước bình quân đỉnh triều: là mực nước bình quân của các giá trị đỉnh triều trong một khoảng thời gian nào đó (một chu kỳ triều nửa tháng, thời kỳ triều kém v v)

Trên hình (7-12) là quá trình mực nước triều tháng 3 tại một trạm đo thủy văn Trị số bình quân đỉnh triều trong thời gian triều cường T (xem hình 7-12) bằng trung bình cộng của các giá trị đỉnh triều nằm trên đường cong nối các đỉnh triều thuộc khoảng thời gian tính toán T Trị số bình quân chân triều bằng trung bình cộng của các giá trị chân triều nằm trên đường cong nối các điểm chân triều thuộc khoảng thời gian tính toán T Như vậy, mỗi tháng 3 hàng năm thống kê một thời kỳ triều cường và có một giá trị bình quân chân triều hoặc đỉnh triều, với n năm quan trắc sẽ tính được n giá tị của mỗi đặc trưng và dùng số liệu đó để vẽ đường tần suất

) Đường cong nối các điểm đỉnh triều

(2) Đường cong nối các điểm chân triều

T

Hình 7-12: Đường quá trình mực nước triều tháng 3 của một năm quan trắc

tại một trạm thủy văn

Ví dụ 1: Xác định mực nước triều nhỏ nhất tháng 1 ứng với tần suất thiết kế P tại

một vị trí xây dựng công trình lấy nước tưới (cống tự chảy hoặc trạm bơm tưới) trong trường hợp có nhiều tài liệu đo đạc mực nước Quá trình tính toán được thực hiện theo trình tự như sau:

1) Thống kê tất cả số liệu thực đo tại vị trí quan trắc, mỗi năm chọn 1 giá trị mực nước nhỏ nhất trong tháng 1 hàng năm Nếu có n năm quan trắc sẽ có n trị số mực nước nhỏ nhất của tháng 1 hàng năm (Z )

2) Vẽ đường tần suất Z min ~P theo các phương pháp đã trình bày trong chương IV và xác định được các tham số thống kê của mực nước nhỏ nhất tháng 1 là: mực nước nhỏ nhất bình quân Zmin, hệ số phân tán Cv và hệ số thiên lệch Cs

3) Từ 3 đặc trưng thống kê trên xác định được mực nước nhỏ nhất tháng 1 thiết kế:

Z minP = Zmin(  Cv+1) (7-6)

b Vấn đề chọn mốc côt khi vẽ đường tần suất mực nước

Khi vẽ đường tần suất mực nước thì mốc cốt địa hình của hệ thống sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sai số của đường tần suất Như ta đã biết hệ số phân tán của đặc trưng thống kê

mực nước được tính theo công thức

Sự thay đổi của trị số bình quân

Giả sử có chuỗi số liệu thực đo, ký hiệu là Z1 Ta thêm vào một số hạng của chuỗi một giá trị bằng a ta được chuỗi mới là Z2 Như vậy chuỗi số liệu cũ đã được chuyển về

hệ thống mốc cốt mới, chênh với mốc cũ một đại lượng bằng a Ta có giá trị bình quân của Z2 là :

n

a Z n

Z Z

n

i i n

i i

1 1

2

2

)(

Như vậy trị số bình quân đã thay đổi một đại lượng là a

Sự thay đổi của trị số thiên lệch Cs

Vì rằng:

Z Z a

Z a Z Z

Z

C v  ;

a Z



mà 2 = 1 nên

1 1

1

a Z

Z C



Như vậy, khi thay đổi mốc cột địa hình, hệ số Cs không thay đổi, còn hệ số phân tấn

Cv2 thay đổi theo công thức (6-8)

Sự thay đổi của mực nước thiết kế khi thay đổi mốc cốt

Mực nước thiết kế theo mốc mới sẽ thay đổi như thế nào? Ta có:

2 2 2

a Z

Z C a Z C

Trong thực tế cần chọn a sao cho sai số vẽ đường tần suất nhỏ

Theo sự trình bày trên đây, việc xác định mực nước thiết kế được tiến hành theo các bước như sau:

- Thống kê chuỗi tài liệu mực nước thực đo

được chọn một cách hợp lý để sai số vẽ đường tần suất ít bị sai số và có thể âm hoặc dương)

- Vẽ đường tần suất lý luận của đặc trưng mực nước theo hệ thống cao độ mới, xác định các tham số thống kê Z t là giá trị bình quân, Cv, Cs và xác định mực nước thiết kế theo dạng công thức (7-5)

- Chuyển giá trị mực nước thiết kế tính theo mốc cốt mới về hệ thống cao độ cũ theo công thức (7-10)

7.4.1.2 Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp có ít tài liệu

Trong trường hợp có ít tài liệu đo đạc, có thể sử dụng một trong hai phương pháp: Phương pháp phân tích tương quan và phương pháp mô hình toán

a Phương pháp tích phân tương quan: Nếu mực nước cùng thời gian giữa trạm tương tự và trạm nghiên cứu có quan hệ tương quan chặt chẽ thì có thể sử dụng phương pháp phân tích tương quan để phân tích và xác định mực nước thiết kế Cách làm như sau:

Bước 1: Xây dựng quan hệ tương quan mực nước cùng thời gian giữa hai tuyến đo

Bước 2: Vẽ đường tần suất mực nước của trạm tương tự (trạm đo có nhiều tài liệu)

và xác định mực nước thiết kế của trạm tương tự

Bước 3: Theo quan hệ tương quan giữa mực nước hai trạm, khi có mực nước thiết kế của trạm tương tự (đã xác định ở bước 2), tra được mực nước thiết kế của trạm nghiên cứu

Phương pháp này ứng dụng khi trạm mực nước tương tự nằm trên cùng một dòng sông hoặc ở một con sông lân cận có chế độ thay đổi mực nước tương tự nhau

b Phương pháp mô hình toán: Phương pháp mô hình toán được ứng dụng khi

không chọn được trạm tương tự Trong trường hợp này phải sử dụng mô hình dòng không ổn định trong sông để diễn toán mực nước trên hệ thống sông (xem mục 7.4.2.3.)

7.4.1.3 Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp không có tài liệu

Trong trường hợp không có tài liệu thực đo, khi cần tính toán các đặc trưng thiết kế tại một tuyến nào đó bắt buộc phải sử dụng hai phương pháp sau đây

+ Phương pháp nội suy được tiến hành trên cơ sở tài liệu đo đạc ở tuyến trên và tuyến dưới Các giá trị nội suy có 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 toán có khoảng cách không lớn đến các tuyến có tài liệu; nhập lưu khu giữa nhỏ; điều kiện địa hình lòng sông biến đổi đều

+ Phương pháp mô hình toán: là sự ứng dụng các mô hình dòng không ổn định đã trình bày trong các giáo trình thuỷ lực và được tóm tắt trong mục 7.4.2.3

7.4.2 Xác định đường quá trình mực nước triều thiết kế

Đường quá trình triều thiết kế là đường quá trình mực nước triều trong thời đoạn tính toán T ứng với một tần suất thiết kế P

Thời đoạn tính toán T được lựa chọn tuỳ thuộc vào nhiệm vụ của bài toán qui hoạch hay thiết kế công trình

Trình tự tính toán quá trình triều thiết kế tương tự như tính toán đường quá trình lũ thiết kế Ta cũng xem xét 3 trường hợp tính toán: có nhiều tài liệu, có ít tài liệu và không

có tài liệu thực đo mực nước

7.4.2.1 Tính toán quá trình mực nước triều thiết kế trong trường hợp có đủ tài liệu

Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc mực nước việc tính toán quá trình mực nước triều thiết kế được tiến hành theo các bước trình bày dưới đây

Z(m)

t(giờ)

Thời đoạn tính toán T

Quá trình triều thiết kế Quá trình triều điển hình

Bước1: Xác định thời đoạn tính toán T Việc lựa chọn T phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của bài toán đặt ra Chẳng hạn đối với bài toán tiêu úng từ đồng ra sông cần thiết phải xác định quá trình mực nước thiết kế ngoài sông tại cửa tiêu là nơi xây dựng công trình tiêu nước từ đồng ra sông (trạm bơm tiêu hoặc cống tiêu) Thời đoạn tính toán cho bài toán tiêu úng có thể là 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày có khi lên đến 15 ngày, việc chọn T bằng bao nhiêu phụ thuộc vào thời gian cần tiêu đối với vùng được tiêu úng Việc chọn thời đoạn T cũng tương tự như vậy đối với bài toán thiết kế công trình lấy nước tưới từ sông vào đồng

Bước 2: Tính giá trị bình quân Z của mực nước đặc trưng trong thời đoạn T Việc chọn mực nước đặc trưng tùy theo nhiệm vụ thiết kế công trình Ví dụ, khi thiết kế cống tưới tự chảy lấy nước từ sông vào đồng thì mực nước chân triều là bất lợi cho khả năng lấy nước, khi đó chọn mực nước chân triều làm mực nước đặc trưng:

m

Z Z

m

i i

Bước 5: Thu phóng đường quá trình mực nước triều điển hình thành đường quá trình mực nước triều thiết kế Hệ số thu phóng tính theo công thức (7-12)

Trong đó, Zdh và Zp là giá trị bình quân của mực nước đặc trưng của triều điển hình

và triều thiết kế; Ztdh và Ztp là mực nước triều tại thời điểm t của quá trình triều điển hình

và triều thiết kế (xem hình 7-14)

7.4.2.2 Tính toán quá trình mực nước triều thiết kế trong trường hợp có ít tài liệu

Trong trường hợp có ít tài liệu thực đo, cũng có thể dùng phương pháp phân tích tương quan giữa mực nước tuyến có nhiều tài liệu với tuyến tính toán, nếu sai số của quan hệ tương quan nhỏ hơn giới hạn cho phép Phương pháp này chỉ ứng dụng được trong trường hợp quá trình mực nước triều của hai trạm đo có dạng tương tự nhau Phương pháp tính toán được thực hiện theo trình tự như sau:

- Xác định tương quan mực nước triều giữa hai trạm đo

- Vẽ đường tần suất và xác định mực nước triều bình quân thiết kế thời đoạn T của trạm tương tự

- Theo quan hệ tương quan xác định mực nước triều bình quân thiết kế thời đoạn T của trạm tính toán

- Chọn dạng điển hình từ các quá trình mực nước triều thực đo của trạm tính toán

- Xác định hệ số thu phóng của trạm tính toán

- Thu phóng quá trình mực nước triều điển hình thành quá trình mực nước triều thiết

kế Cách làm tương tự như trường hợp có nhiều tài liệu thực đo

Nếu không chọn được trạm tương tự phải sử dụng phương pháp mô hình toán như

7.4.2.3 Xác định quá trình mực nước triều thiết kế trường hợp không có tài liệu

Trong trường hợp không có tài liệu thực đo, cần thiết tính toán bằng các mô hình thuỷ thuỷ lực dòng không ổn định trong sông thiên nhiên

Giải bài toán dòng không ổn định trong sông thiên nhiên được thực hiện bằng cách hợp giải hệ phương trình Saint – Venant, bao gồm phương trình liên tục (7-14) và

phương trình động lực (7-15) như sau:

t

Ax

vvg

αt

vg

αx

Q : Lưu lượng dòng chảy trong sông (m3/s)

Z : Mực nước tại mặt cắt tính toán (m)

v : Lưu tốc trung bình mặt cắt (m/s)

K : Mô đun lưu lượng

q : Lưu lượng gia nhập trên 1 m chiều dài đoạn sông (m3/s)

x : Toạ độ dài đoạn sông (m)

t : Toạ độ thời gian (giờ)

g : Gia tốc trọng trường

 : Hệ số sửa chữa động năng

o: Hệ số sửa chữa động lượng

Hình 7-14: Điều kiện biên để giải hệ phương trình Saint-Venant

Hiện nay, hệ phương trình Saint – Venant được giải bằng các phương pháp số bao gồm phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn Đối với bài toán một chiều, khi ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn cần chia toàn hệ thống sông thành những đoạn sông nhỏ, tại nút trên và nút dưới của mỗi đoạn sông là các mặt cắt ngang sông có tài liệu đo địa hình mặt cắt Nghiệm của hệ phương trình trên nhận được

từ phương pháp số chính là quá trình mực nước Z(x,t) và lưu lượng Q(x,t) ở bất kỳ mặt cắt nào trên hệ thống sông

Ở nước ta hiện nay các mô hình thuỷ lực thường được ứng dụng rộng rãi trong tính toán thiết kế và quy hoạch xây dựng: mô hình VRSAP, mô hình KOD01; mô hình MIKE11, ISIS v v Khi sử dụng các mô hình trên sẽ xác định được quá trình mực nước

và quá trình lưu lượng ở bất kỳ mặt cắt nào trên hệ thống sông, trong đó có vị trí cần xây dựng công trình

1

Biên trên (Q~t) 1

Biên trên (Q~t) 2

Biên trên

(Q~t) 3

3 1

1

7

9

Tuyến công trình

8

Biên dưới (Z~t)

Biên dưới (Z~t)

Biên dưới (Z~t)

2

8

Biên dưới (Z~t)

2

3 3 2

2

3

4 3

7 1

6 1

4

5

3 3

2

4

2 2

2 1

3 1

2

Biên trên (Q~t) 4

2

Để giải hệ phương trình (7-14) và (7-15) cần phải có các điều kiện biên: Các biên trên là các quá trình lưu lượng và biên dưới là các quá trình mực nước (xem hình 7-14) Các quá trình mực nước hoặc lưu lượng ở các nút biên cần phải xác định và được coi là

đã biết

Trong thực tế, người ta coi rằng quá trình mực nước triều thiết kế ZP(x1,t) tại tuyến công trình có toạ độ x1 nào đó trên hệ thống sông chính là nghiệm của bài toán dòng không ổn định với các biên trên Q(t)P và biên dưới Z(t)P được chọn tương ứng với tần suất thiết kế P

Như vậy, quá trình mực nước thiết kế tại tuyến công trình (xem hình 7-14) được xác định theo các bước như sau:

Bước 1: Theo nhiệm vụ thiết kế cần thiết lập sơ đồ hệ thống của bài toán dòng không

ổn định đối với hệ thống sông đồng thời xác thiết lập sơ đồ tính toán thuỷ lực, lựa chọn các nút biên của sơ đồ tính

Bước 2: Xác định quá trình lưu lượng tại các nút biên ứng với tần suất thiết kế là

QP(t)

Bước 3: Xác định quá trình triều thiết kế ứng với tần suất thiết kế tại các nút biên

ZP(t) Tại các nút biên đã có tài liệu đo đạc mực nước (đối với biên dưới) và lưu lượng (đối với biên trên) nên phương pháp xác định ZP(t) tương ứng với trường hợp có nhiều tài liệu

Bước 4: Xác định bộ thông số của mô hình thuỷ lực, chính là bộ thông số hệ số nhám trên toàn mạng sông

Bước 5: Tính toán thuỷ lực theo mô hình đã chọn và lưu trữ kết quả tính toán

Bước 6: Trích kết quả tính toán mực nước Z~t tại mặt cắt tuyến công trình, đó chính

là quá trình mực nước thiết kế tại tuyến công trình

CHƯƠNG VIII: HỒ CHỨA VÀ ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY BẰNG HỒ CHỨA

8.1 Khái niệm về điều tiết dòng chảy và phân loại

8.1.1 Khái niệm về điều tiết dòng chảy

Sự tác động của yếu tố mặt đệm làm biến dạng quá trình dòng chảy theo thời gian trong quá trình vận chuyển của nó trên sườn dốc và mạng lưới sông được gọi là điều tiết dòng chảy Yếu tố mặt đệm có tác dụng điều tiết dòng chảy bao gồm lớp phủ thực vật, địa hình lòng sông, các hố trữ nước bao gồm cả những chỗ trũng và những khe nứt và cả những hồ ao, đầm lầy và hồ chứa có quy mô khác nhau

Điều tiết tự nhiên là sự điều tiết của mặt đệm đối với dòng chảy sông ngòi trong điều kiện tự nhiên không có sự tác động của con người Sự điều tiết nhân tạo xẩy ra khi con người xây dụng các công trình hồ chứa, đập dâng hoặc các công trình điều tiết khác

Trên hình (8-1) mô tả sự biến dạng của quá trình lưu lượng lũ Q ~ t khi lũ chuyển

Hình 8-1: Sự biến dạng của quá trình lưu lượng lũ Q ~t tại mặt

cắt đầu (I – I) và mặt cắt cuối (II – II) của một đoạn sông a) Tại mặt cắt I – I b) Tại mặt cắt II – II

- Tổng lượng dòng chảy W1 = W2

- Lưu lượng đỉnh lũ Qmax1 > Qmax2

- Thời gian lũ T1 < T2

lòng sông Tại mặt cắt cuối II – II thời gian lũ kéo dài hơn nhưng đỉnh lũ lại thấp hơn, tuy nhiên tổng lượng lũ vẫn không thay đổi Rõ ràng, tổng lượng dòng chảy không thay đổi nhưng đã có sự phân phối lại lượng dòng chảy theo thời gian trong một trận lũ khi nó chuyển động qua đoạn sông đang xét Mức độ biến dạng của quá trình lũ phụ thuộc vào đặc điểm địa hình của lòng sông, lòng sông không có bãi tràn mức độ điều tiết kém nên đường quá trình lũ ít biến dạng, lòng sông có nhiều bãi tràn hai bên bờ sông thì ảnh hưởng điều tiết của lòng sông lớn hơn và đường quá trình lũ có sự biến dạng mạnh hơn Điều tiết của lòng sông nói chung phần chỉ ảnh hưởng đến quá trình dòng chảy trong thời gian lũ Các hồ chứa tự nhiên hoặc nhân tạo có sự điều tiết mạnh mẽ hơn, tùy theo quy mô của hồ chứa có thể gây ra hiện tượng phân phối lại lượng dòng chảy trong cả năm hoặc nhiều năm, về mùa lũ một phần lượng dòng chảy được chứa vào các hồ chứa làm giảm lưu lượng mùa lũ và làm tăng lưu lượng dòng chảy về mùa kiệt

Sự phát triển của xã hội loài người gây ra hiện tượng mất cân bằng về trạng thái tự nhiên trong đó có nước Các trạng thái tự nhiên của dòng chảy sông ngòi không đáp ứng được các yêu cầu về nước, và con người đã tìm biện pháp làm thay đổi trạng thái tự nhiên của nó cho phù hợp với yêu cầu mà họ cần có Một trong những biện pháp đó là tạo ra các hồ chứa nhằm khống chế sự thay đổi tự nhiên của dòng chảy sông ngòi Như vậy, điều tiết dòng chảy nhân tạo là sự khống chế sự thay đổi tự nhiên của dòng chảy sông ngòi cho phù hợp với các yêu cầu về nước của con người

Hồ chứa là biện pháp quan trọng nhất trong hệ thống các công trình điều tiết, nó có khả năng làm thay đổi sâu sắc về nước theo thời gian và không gian Ngoài ra hồ chứa còn làm thay đổi thế năng và động năng ở những vị trí cục bộ Sự tích luỹ năng lượng bằng hồ chứa để chuyển thành năng lượng điện do động năng sinh ra là cơ bản cho việc xây dựng các nhà máy thuỷ điện

8.1.3 Phân loại điều tiết dòng chảy

Sự phân loại điều tiết dòng chảy trình bày dưới đây liên quan đến các hồ chứa nhân tạo được xây dựng với mục đích khai thác tài nguyên nước theo yêu cầu sử dụng của con người

Dựa vào chu kỳ, mục đích điều tiết, mức độ sử dụng dòng chảy v.v , người ta phân loại điều tiết như sau

a Phân cấp theo mục đích điều tiết

1) Điều tiết phục vụ tưới ruộng

Điều tiết phục vụ tưới ruộng nhằm thoả mãn yêu cầu tưới của cây trồng trong thời kỳ thiếu nước Yêu cầu về nước bao gồm biểu đồ lượng nước cần cho tưới theo thời gian trong năm, chất lượng nước và đầu nước cần thiết cho tưới Hồ chứa điều tiết phục vụ tưới gọi là hồ chứa điều tiết cho tưới

2) Điều tiết phục vụ phát điện

Nhiệm vụ của điều tiết của hồ chứa phục vụ phát điện là tạo đầu nước cần thiết cho phát điện và điều hoà lượng dòng chảy vào nhà máy thuỷ điện Hiệu ích mang lại cho nhà máy thuỷ điện là công suất phát ra của nhà máy và điện năng thu được Hồ chứa điều tiết phục vụ phát điện gọi là hồ chứa điều tiết phát điện

3) Điều tiết cấp nước kể cấp nước tưới

Điều tiết cấp nước là điều tiết nhằm thoả mãn yêu cầu về nước cho các ngành kinh tế quốc dân bao gồm công nghiệp chế biến, các nhà máy, các khu công nghiệp, nông nghiệp, nước sinh hoạt cho các khu dân cư, các trại chăn nuôi v.v

4) Điều tiết phục vụ vận tải thuỷ

Nhiệm vụ của điều tiết loại này nhằm tăng độ sâu nước ở thượng lưu và hạ lưu công trình nhằm thoả mãn yêu cầu giao thông thuỷ

5) Điều tiết phòng lũ: nhằm làm giảm mức nước lũ ở vùng hạ du bảo đảm an toàn

cho các khu kinh tế và dân sinh khi gặp lũ lớn Hồ chứa điều tiết loại này gọi là hồ chứa điều tiết phòng lũ

6) Hồ chứa diều tiết lợi dụng tổng hợp

Hồ chứa lợi dụng tổng hợp là hồ chứa điều tiết phục vụ nhiều yêu cầu về nước Nguyên tắc lợi dụng tổng hợp là nguyên tắc cao nhất khi lập các quy hoạch khai thác nguồn nước

7) Các loại điều tiết khác

Ngoài các loại điều tiết trên, còn có những loại điều tiết khác nữa, chẳng hạn như điều tiết dẫn dòng thi công, các hồ chứa điều tiết cho tiêu úng v.v

Hồ chứa điều tiết dẫn dòng thi công có nhiệm vụ điều tiết nước qua công trình dẫn dòng nhằm đảm bảo an toàn cho công trình đang thi công và đáp ứng tiến độ thi công các công trình đầu mối

Hồ chứa điều tiết cho tiêu có nhiệm vụ tích nước khi có mưa lớn nhằm giảm nhỏ quy

mô kích thước của các công trình tiêu úng

b Phân loại theo chu kỳ điều tiết

Chu kỳ điều tiết bao gồm hai thời kỳ: thời kỳ tích nước là thời kỳ nước đến lớn hơn lượng nước dùng nước được tích vào hồ; thời kỳ cấp nước là thời kỳ lấy nước từ hồ chứa

bù cho lượng nước thiếu của thời kỳ thiếu nước Dựa vào chu kỳ điều tiết, có thể chia thành các hình thức sau đây:

1) Điều tiết ngày đêm: là loại điều tiết mà chu kỳ của nó bằng một ngày Loại này

thường phục vụ nước cho sinh hoạt, phát điện khi mà yêu cầu về nước cho một ngày không đồng đều Hồ chứa có hình thức điều tiết ngày gọi là hồ chứa điều tiết ngày

2) Điều tiết tuần: nhằm giải quyết tình trạng thiếu nước trong những ngày nghỉ trong

tuần, chu kỳ điều tiết bằng một tuần

3) Điều tiết năm (còn gọi là điều tiết mùa)

Điều tiết năm là loại điều tiết có chu kỳ bằng một năm Mục đích điều tiết năm là trữ lại lượng nước thừa trong mùa lũ để cung cấp cho thời kỳ mùa kiệt

4) Hồ chứa điều tiết nhiều năm

Điều tiết nhiều năm có chu kỳ điều tiết bằng một số năm Điều tiết nhiều năm nhằm khắc phục tình trạng thiếu nước trong thời kỳ nhiều năm của các hộ dùng nước có mức sử dụng nước rất lớn so với trạng thái tự nhiên của dòng chảy sông ngòi

Một hồ chứa có thể làm việc với nhiều chu kỳ điều tiết khác nhau Tên gọi của hồ chứa loại này lấy theo hình thức điều tiết có chu kỳ điều tiết lớn nhất.Ví dụ hồ chứa điều tiết nhiều năm vừa có nhiệm vụ điều tiết năm, vừa có nhiệm vụ điều tiết năm

8.2 Hồ chứa và công trình đầu mối

a) Kho nước

Kho nước là nơi trữ nước với dung tích lớn nhỏ khác nhau Kho nước được phân thành các loại sau đây:

(1) Bể chứa nước kín: Bể chứa nước kín bằng kim loại, bằng đá xây hoặc bê tông Loại này có thể đặt trên cao (các tháp nước), trên mặt đất hoặc ở dưới nước

(2) Bể chứa nước hở: loại này được xây dựng ngay trên mặt đất hoặc vừa đào vừa đắp

(3) Kiểu hồ chứa: loại này được xây dựng ngay trên các khe suối, trên sông bằng các đập chắn ngang sông

Loại kho nước kiểu hồ thường có kích thước rất lớn Ví dụ hồ chứa Hoà Bình có tổng dung tích là 9,5 tỉ m3 Vì rằng, kho nước kiểu hồ chứa là đối tượng chủ yếu được nghiên cứu trong quy hoạch, thiết kế hệ thống thuỷ lợi, nên từ “hồ chứa” được sử dụng khá phổ biến hơn

Hình 8-2: Kho nước kiểu hồ chứa

(1) và (2): Trắc dọc và mặt bằng đập ngăn sông tạo kho nước kiểu hồ chứa cấp nước và

phát điện

Hình 8-3: Hồ chứa phát điện

b) Các công trình đầu mối chủ yếu

Các công trình chủ yếu của hồ chứa gồm: đập chắn, cống lấy nước, công trình tháo lũ

(1) Đập chắn được xây dựng với mục đích tích nước vào hồ

(2) Công trình lấy nước: là các cống lấy nước được xây dựng với mục đích lấy nước vào kênh dẫn đến các vùng sử dụng nước: Các khu tưới, các vùng dân cư, nhà máy thuỷ điện v.v Cống lấy nước thường được xây dựng ngay trong thân đập theo hình thức chảy

hạ du, công trình tháo lũ sẽ điều tiết quá trình lưu lượng xả xuống hạ lưu đập để đảm bảo

hạ du không bị ngập lụt khi xảy ra lũ lớn Công trình tháo lũ có nhiều loại: loại đập tràn chảy tự do, loại cống ngầm, xi phông hoặc hình thức kết hợp: các công trình tháo lũ có hai hình thức: loại có cửa đóng mở hoặc loại không có cửa đóng mở (xem hình 8-4)

Ghi chú: (1)

Đập đất; (2) Đập tràn bê tông; (3) Các trụ pin; (4) Hạ lưu đập; (5) Nhà máy thủy điện; (6) Đường dẫn nước qua các tổ máy; (7) Tuyec bin;

(8) Máy phát; (9) Cầu trục; (10) thượng lưu; (11) Các cửa van xả lũ; (12) Cầu công tác

Hình 8-4: Các công trình tháo lũ

1 Đập tràn tự do; 2-Giếng đứng; 3- Đập tràn bên; 4-Xi phông

8.3 Các thành phần dung tích và mực nước của hồ chứa - Nguyên tắc lựa chọn 8.3.1 Dung tích chết, mực nước chết

Dung tích chết thường ký hiệu là Vc, là phần dung tích không tham gia vào quá trình điều tiết dòng chảy Đó là phần dung tích nằm ở phần cuối cùng của hồ chứa gọi là dung tích lót đáy

Mực nước chết ký hiệu là Hc, là mực nước tương ứng với dung tích chết Vc (hình 5) Mực nước chết và dung tích chết có quan hệ với nhau theo đường quan hệ địa hình hồ chứa Z ~ V

8-Hình 8-5: Các mực nước đặc trưng và các thành phần dung tích của hồ chứa

Dung tích chết và mực nước chết có những nhiệm vụ chính sau đây:

(1) Phải chứa được hết phần bùn cát lắng đọng trong hồ chứa trong thời gian hoạt động của công trình, tức là :