Nghiên cứu ứng dụng mô hình mike 21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sông hồng đoạn từ cầu vĩnh tuy đến trường bắn yên sở tại hà nội

THÔNG TIN LUẬN VĂN - Họ và tên học viên: Phạm Thị Hoa - Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Kiên Dũng - Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sô

PHẠM THỊ HOA

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21

FM ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN HÌNH LÒNG DẪN SÔNG HỒNG ĐOẠN TỪ CẦU VĨNH TUY ĐẾN

TRƯỜNG BẮN YÊN SỞ TẠI HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ THỦY VĂN HỌC

HÀ NỘI, NĂM 2019

PHẠM THỊ HOA

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21

FM ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN HÌNH LÒNG DẪN SÔNG HỒNG ĐOẠN TỪ CẦU VĨNH TUY ĐẾN

TRƯỜNG BẮN YÊN SỞ TẠI HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

MÃ SỐ: 8440224

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS.NGUYỄN KIÊN DŨNG

HÀ NỘI, NĂM 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ

và pháp luật Việt Nam

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Thị Hoa

Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học, cùng tập thể các thầy cô giáo khoa Khí tượng – Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ học viên trong quá trình học tập tại trường

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các anh, chị cán bộ thuộc Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình thu thập số liệu, nghiên cứu thực hiện Luận văn

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên, hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình học tập và tiến hành nghiên cứu luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Tác giả Luận văn

Phạm Thị Hoa

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

THÔNG TIN LUẬN VĂN v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết 1

2.Mục tiêu nghiên cứu 2

3.Phạm vi nghiên cứu 2

4.Phương pháp nghiên cứu 2

5.Bố cục của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN LÒNG DẪN 4

1.1 Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn trong và ngoài nước 4

1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước 4

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 8

1.2 Kết luận Chương I 11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

2.1 Cơ sở định lượng bài toán biến hình lòng sông 13

2.1.1Cân bằng bùn cát của đoạn sông 13

2.1.2 Các loại diễn biến lòng dẫn 13

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến lòng dẫn sông ngòi 14

2.2 Phương pháp xác định biến hình lòng sông 15

2.3 Một số phần mềm được ứng dụng nghiên cứu chế độ thủy lực, bùn cát sông ngòi 16

2.3.1 EFDC (Environmental Fruid Dynamics Code) 16

2.3.2 Mô hình DELF-3D 18

2.3.3 Mô hình HEC -6 19

2.3.4 Mike 21C 21

2.3.5 Mike 21FM 22

2.3.6 Phân tích lựa mô hình nghiên cứu 32

2.4 Kết luận Chương II 33

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21FM ĐÁNH GIÁ BIẾN HÌNH LÒNG DẪN ĐOẠN SÔNG NGHIÊN CỨU 34

3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 34

3.1.1 Vị trí địa lý 34

3.1.2 Địa hình 35

3.1.3 Mạng lưới sông ngòi 36

3.1.4 Mạng quan trắc khí tượng thủy văn 36

3.2 Xác định các điều kiện biên mô phỏng cho bài toán 36

3.3 Mô phỏng thủy động lực mạng sông 1 chiều 37

3.3.1 Sơ đồ tính toán 37

3.3.2 Tài liệu đầu vào cho mô hình 38

3.3.3 Biên của mô hình 39

3.3.4 Hiệu chỉnh và kiểm định xác định bộ thông số mô hình 42

3.4 Mô phỏng biến hình lòng sông bằng mô hình thủy động lực 2 chiều 43

3.4.1 Phạm vi miền tính toán 43

3.4.2 Thiết lập lưới và địa hình tính toán 44

3.4.3 Thiết lập điều kiện biên tính toán 47

3.4.4 Thiết lập các thông số mô hình 49

3.4.5 Mô phỏng và đánh giá theo các kịch bản 51

3.4.6 Kết quả tính toán kịch bản 1 51

3.4.7 Kết quả tính toán kịch bản 2 55

3.5 Kết luận chương III 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

THÔNG TIN LUẬN VĂN

- Họ và tên học viên: Phạm Thị Hoa

- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Kiên Dũng

- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trường bắn Yên Sở tại Hà Nội

- Các nội dung chính:

Chương I: Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn

Nội dung đề cập đến các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến diễn biến lòng dẫn

Chương II: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Nội dung chương trình bày cơ sở khoa học trong nghiên cứu biến hình lòng dẫn sông ngòi, đánh giá lựa chọn mô hình toán phù hợp để nghiên cứu giải quyết bài toán, đồng thời đưa ra hướng tiếp cận của luận văn

Chương III: Ứng dụng mô hình MIKE 21FM đánh giá biến hình lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu

-Kết quả đạt được:

+ Đã thu thập các tài liệu địa hình, biên tính toán để mô hình hóa đoạn sông nghiên cứu, trên cơ sở đó phân tích các diễn biến về tốc độ dòng chảy, nồng độ bùn cát và sự biến động địa hình lòng sông trong thời gian mô phỏng

+ Đã tiến hành phân tích kịch bản hiện trạng dòng sông và kịch bản khai thác cát tại bãi bồi khu vực Xuân Quan với các quy mô bãi khai thác khác nhau

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 KTTV Khí tượng thủy văn

3 TNMT Tài nguyên môi trường

3 EFDC Phần mềm mô phỏng mặt nước tổng hợp

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Mặt cắt dọc sông 13

Hình 3.1 Vị trí địa lý khu vực đoạn sông nghiên cứu 35

Hình 3.2 Sơ đồ thủy lực đoạn sông Hồng từ trạm Hà Nội đến trạm Hưng Yên 38

Hình 3.3 Quá trình lưu lượng tại biên trên từ năm 2006-2010 40

Hình 3.4 Nhu cầu nước cho tưới vào mùa khô cống Xuân Quan 40

Hình 3.5 Quá trình mực nước tại biên dưới Hưng Yên từ năm 2006-2010 41

Hình 3.6 Quá trình mực nước tại biên biên kiểm tra Xuân Quan từ năm 2006-2010 41

Hình 3.7 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tính toán và thực đo tại Xuân Quan năm 2008 43

Hình 3.8 Kết quả kiểm định mực nước tính toán và thực đo tại Xuân Quan năm 2010 43

Hình 3.9 Lưới tính toán sông Hồng đoạn nghiên cứu 45

Hình 3.10 Địa hình tính toán và phân bố các vùng chia lưới địa hình 46

Hình 3.11 Mô phỏng địa hình dạng 3D trong Mike 21FM 46

Hình 3.12 Phạm vi các biên tính toán của mô hình 48

Hình 3.13 Quá trình lưu lượng tại biên trên và mực nước tại biên dưới năm 2008 48

Hình 3.14 Lưới phân bố hệ số nhám thiết lập trong mô hình MIKE 21ST 49

Hình 3.15 Mực nước và trường lưu tốc toàn đoạn sông trong mùa kiệt 53

Hình 3.16 Trường lưu tốc tại các đoạn sông trong mùa kiệt 53

Hình 3.17 Phân bố nồng độ bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt 54

Hình 3.18 Địa hình lòng dẫn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3 tháng mô

phỏng 54

Hình 3.19 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng mùa kiệt 55

Hình 3.20 Vị trí bãi khai thác cát dự kiến 56

Hình 3.21 Mực nước và trường lưu tốc trong đoạn sông Hồng thời kỳ mùa kiệt KB2.1 57

Hình 3.22 Khả năng mang bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt KB2.1 57

Hình 3.23 Địa hình lòng dẫn đoạn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3 tháng KB2.1 58

Hình 3.24 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng mùa kiệt KB2.1 58

Hình 3.25 Khả năng bồi lấp bãi khai thác cát sau 3 tháng KB2.1 59

Hình 3.26 Mực nước và trường lưu tốc trong đoạn sông Hồng thời kỳ mùa kiệt KB2.2 59

Hình 3.27 Khả năng mang bùn cát của đoạn sông vào thời điểm lưu lượng nhỏ nhất và lớn nhất mùa kiệt KB2.2 60

Hình 3.28 Địa hình lòng dẫn đoạn sông Hồng thời điểm bắt đầu và sau 3 tháng KB2.2 61

Hình 3.29 Mức độ xói, bồi lòng dẫn đoạn sông sau 1 tháng và sau 3 tháng mùa kiệt KB2.2 61

Hình 3.30 Khả năng bồi lấp bãi khai thác cát sau 3 tháng KB2.2 62

Hình 3.31 Diễn biến mặt cắt ngang tại MC1, MC2 và MC3 sau 3 tháng 63

Hình 3.32 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB1 64

Hình 3.33 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB2.1 64

Hình 3.34 Biến động địa hình khu vực bãi bồi theo KB2.2 64

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết

Hình thái dòng sông là sản phẩm của quá trình tương tác giữa dòng chảy và lòng dẫn, với yếu tố trung gian là các quá trình vận chuyển và phân

bố bùn cát trong sông Nếu một trong những yếu tố trên thay đổi thì sẽ gây hiệu ứng làm thay đổi các yếu tố khác Nguyên nhân cơ bản gây nên sự thay đổi về hình thái lòng sông chính là do mất cân bằng bùn cát

Cho đến nay, những nghiên cứu mang tính kết hợp giữa việc đánh giá tác động của dòng chảy, địa chất, khai thác cát sỏi lòng sông đến quá trình diễn biến hình thái lòng sông còn chưa nhiều Đặc biệt ở Việt Nam, việc khai thác cát trên sông, nhất là khai thác cát ở các đoạn sông đang là vấn đề nan giải, song đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu chuyên sâu nào về chế độ thủy động lực dòng chảy, bùn cát ở đoạn sông để đánh giá sự biến đổi của lòng sông và phục vụ cho việc quản lý khai thác cát sỏi

Với tính cấp thiết của thực tiễn về yêu cầu chỉnh trị để ổn định các đoạn sông, cũng như nhu cầu về khai thác cát để phục vụ các ngành kinh tế xã hội

Học viên đã lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21FM để tính toán biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trường bắn Yên Sở” Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là cơ sở khoa

học cho việc xác định được diễn biến hình thái lòng sông trong các điều kiện thủy lực, khai thác cát của đoạn sông, hoặc các giải pháp chỉnh trị nhằm điều hòa dòng chảy, ổn định lòng dẫn cho đoạn sông

Đề tài nghiên cứu đề cập tới vấn đề khai thác tài nguyên thiên nhiên (cát sông) kết hợp nạo vét, tạo lòng dẫn thông thoáng, đáp ứng yêu cầu thoát

lũ, giao thông thủy, Đồng thời giữ ổn định cho đoạn sông là hết sức có

ý nghĩa về mặt khoa học và mang tính ứng dụng thực tiễn cao

2.Mục tiêu nghiên cứu

- Ứng dụng mô hình Mike 21 xác định được phạm vi và vị trí các khu vực bãi bồi, khu vực xói lở lòng sông trong điều kiện hiện trạng và khai thác cát từ các bãi bồi với quy mô khác nhau

3.Phạm vi nghiên cứu

-Nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Hồng đoạn tự hạ lưu cầu Vĩnh Tuy đến Yên Sở đoạn qua Hà Nội

4.Phương pháp nghiên cứu

a) Thu thập bổ sung các số liệu

-Thu thập các số liệu về về khí tượng, thủy văn, bùn cát, địa hình, địa chất lòng sông, các bản đồ phục vụ cho tính toán của đề tài;

-Thu thập các tài liệu về các công trình trên sông, các số liệu có liên quan khác phục vụ cho bài toán mô phỏng và đánh giá biến hình lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu

b) Phương pháp tổng hợp, phân tích, thống kê:

-Thống kê các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung của đề tài làm cơ sở đánh giá, xác định các phương pháp tính toán;

-Thu thập xử lý và phân tích số liệu, tài liệu phục vụ luận văn;

c) Phương pháp, kế thừa:

-Kế thừa các tài liệu, các công trình khoa học đã được công nhận có liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài từ đó định hướng, ứng dụng các phương pháp, công cụ tính toán phù hợp với điều kiện bài toán

d) Phương pháp viễn thám và GIS:

Sử dụng công nghệ viễn thám, các sản phẩm bản đồ để đánh giá sự biến động hình thái lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu và phục vụ các nội dung tính toán trên mô hình

e) Phương pháp sử dụng mô hình toán:

Mô hình hóa đoạn sông nghiên cứu bằng mô hình toán để tính toán mô phỏng thủy lực và dự báo diễn biến hình thái sông Đây là phương pháp hiện đại được sử dụng khá rộng rãi ở trong và ngoài nước hiện nay dưới sự trợ giúp đắc lực của máy tính Đề tài sử dụng mô hình thủy lực 2 chiều Mike 21FM là một trong số các mô hình có khả năng tính toán diễn biến hình thái lòng dẫn cho đoạn sông cho kết quả khá tốt ở nước ta

5.Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn có bố cục gồm 3 chương chính:

Chương I: Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn

Nội dung đề cập đến các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến diễn biến lòng dẫn

Chương II: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Nội dung chương trình bày cơ sở khoa học trong nghiên cứu biến hình lòng dẫn sông ngòi, đánh giá lựa chọn mô hình toán phù hợp để nghiên cứu giải quyết bài toán, đồng thời đưa ra hướng tiếp cận của luận văn

Chương III: Ứng dụng mô hình MIKE 21FM đánh giá biến hình lòng dẫn đoạn sông nghiên cứu

Trên cơ sở các tài liệu, số liệu thu thập tiến hành thiết lập mô hình 2 chiều Mike 21FM để nghiên cứu các kịch bản hiện trạng và khai thác, từ đó phân tích diễn biến lòng dẫn và đưa ra các kiến nghị trong khai thác tài nguyên cát lòng sông phù hợp với quy luật diễn biến lòng sông

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN LÒNG DẪN 1.1 Tổng quan về nghiên cứu diễn biến lòng dẫn trong và ngoài nước

1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Động lực học dòng sông đã được nghiên cứu và phát triển từ cuối thế

kỷ XIX do đòi hỏi của thực tế sản xuất, đặc biệt ở những nước tư bản chủ nghĩa nhằm phục vụ cho vận tải thủy Những năm 60 của thế kỷ XX là thời

kỳ sôi nổi nhất của ĐLHDS, với sự tham gia tích cực của các nhà khoa học Liên Xô cũ Trong thời gian đầu đã xảy ra những cuộc tranh luận gay gắt giữa

lý thuyết khuyếch tán và lý thuyết động lực, là hai trường phái có quan điểm trái ngược nhau khi đánh giá tổn thất năng lượng trong dòng chảy có và không có bùn cát, các chỉ tiêu ổn định lòng dẫn và khởi động của bùn cát

-Về chuyển động của bùn cát đáy, quan trọng nhất là các nghiên cứu về

sự khởi động của bùn cát, sóng cát và suất tải cát Có hai trường phái đánh giá

sự khởi động của bùn cát: trường phái lấy ứng suất tiếp làm chỉ tiêu khởi động thịnh hành ở các nước phương tây mà các tác giả điển hình là A.Shields, I.Borgadi, E.Meyer-Peter và Muller, Engelund-Hansen,…Trường phái lấy vận tốc trung bình thủy trực làm chỉ tiêu khởi động đặc biệt phát triển ở Liên

Xô cũ, Trung Quốc với các tác giả Lêvi, Samốp ,Gôntrarốp, Mirkhulava, Trương Thụy Cẩn, Đậu Quốc Nhân, Vi kỳ Vĩ Suất tải cát đáy được đánh giá tương ứng theo các trường phái về sự khởi động của bùn cát, ngoài ra đặc biệt

có nghiên cứu của H.A Eistein , sử dụng lý thuyết xác suất thống kê

-Về bùn cát lơ lửng cũng có nhiều thành tựu như các công trình của Glusơkốp(1911), Stốc(1951), về độ thô thủy lực đặc biệt là mối quan hệ giữa quá trình nổi lơ lửng của bùn cát và lưu tốc mạch động, nhất là mạch động theo phương thẳng đứng Sự phân bố bùn cát theo phương thẳng đúng có hai trường phái tiêu biểu là khuyến tán của Makaveep và trọng lực của

Velicannop Về diễn biến của đoạn sông cong đã có rất nhiều nghiên cứu và đạt được những kết quả mang tính đột phá

-Về chiều sâu trung bình của đoạn sông cong có các công thức kinh nghiệm của Fargue, Atxmun, và Boussinesque

-Về chiều sâu các lạch trũng ở các đoạn sông cong chưa được nghiên cứu nhiều, Leliavsky(1955) và Bagnold (1960) cho rằng độ sâu của hố xói tại khúc sông cong tỷ lệ nghịch với bán kính khúc cong sông Năm 1977 chỉnh lý

số liệu trên mô hình vật lí, Abđurapốp đã đề xuất ra công thức tính chiều sâu lớn nhất của đoạn sông gấp khúc Thorne(1988) dựa trên số liệu của 256 đoạn sông cong ở Mỹ thành lập công thức không thứ nguyên tính toán chiều sâu tương đối tại hố xói, phục thuộc vào tỷ lệ giữa bán kính cong và chiều rộng của sông Gần đây nhất là kết quả nghiên cứu của Thorne và Abt (1993), Maynord(1996) đã đưa ra công thức thực nghiệm với các thông số tương tự như công thức thành lập năm 1988 của Thorne và đường biểu diễn công thức này là đường bao an toàn nhằm đáp ứng cho thiết kế công trình

-Về dòng chảy hướng ngang trên đoạn sông cong chảy ổn định có các nghiên cứu bán thực nghiệm của Rozovskii (1957), Yen(1972), Falcon-Ascanio và kennedy (1983), Chang (1984)

-Về các hố xói cục bộ ở trụ cầu hay mỏ hàn trên sông được nghiên cứu nhiều nhất như các công trình của C.L.N Sastry, G.Tixon(1962), M.A Gill (1968), và trên mô hình vật lý của V.L Da Cunha(1971), Hancu(1976), S.C.Jain(1981) và cũng chỉ dừng lại ở các công thức kinh nghiệm

Ở những nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Hà Lan, Đức, Nhật, Canada…Môn khoa học diễn biến lòng dẫn dược coi là môn khoa học bản lề giữa động lực học dòng sông và địa mạo dòng sông nhiều nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu về, thủy lực sông ngòi, về vận chuyển bùn cát, về diễn biến lòng sông, về hình thái sông, về loại lòng dẫn, và công trình chỉnh

trị….các công trình nghiên cứu đã đạt được những kết quả xuất sắc về mặt lý thuyết cũng như về thực nghiệm

Từ những năm 1960 đến nay, việc tính toán động lực học dòng sông đã

có những bước phát triển mới, tiến bộ mới trong kỹ thuật tính toán, đặc biệt trong việc hoàn thiện mô hình hóa các hiện tượng thủy lực phức tạp Một số

mô hình toán mô phỏng quá trình diễn biến lòng dẫn như mô hình MIKE11, MIKE21, và MIKE21C, EFDC, MD- SWMS, CCHE1D, CCHE2D, GSTARS 2.0/2.1, GSTARS3, SED2D, SOBEK cho kết quả tính toán dòng chảy, dự báo biến hình lòng dẫn khá chính xác

Một số nghiên cứu điển hình liên quan đến vấn đề nghiên cứu:

+ Trung tâm nghiên cứu về tính toán khoa học thủy văn thủy lực ASCE của Hoa kỳ đã nghiên cứu diễn biến lòng dẫn sông Ole thuộc hệ thống Mississippi bằng mô hình CCHE3D Trên đoạn sông có dự kiến xây dựng đập thủy điện Kết quả tính toán bằng mô hình cho thấy, sau đoạn nhà máy thủy điện, chế độ dòng chảy phức tạp, có hiện tượng xói sâu, lưu tốc dòng chảy tại đây lớn Kết quả mô hình toán cũng cho ta được phân bố vận tốc, sự thay đổi cao trình đáy và dòng chảy thứ cấp tại đoạn sông phức hợp [4]

+ Stephen H Scott và Yafei Jia (2002) đã sử dụng mô hình CCHE2D nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và đề xuất giải pháp công trình kè mỏ hàn bảo

vệ bờ và ổn định lòng dẫn trên sông Mississippi Kết quả cho giá trị về diễn biến cao độ đáy sông và phân bố vận tốc trên toàn tuyến [25]

+ Stoschek et al (2003), Viện Franzius của Đại học Hannover đã ứng dụng mô hình MIKE21 và MIKE3D mô tả ảnh hưởng của công trình đến diễn biến vùng cửa sông Ems, trong đó tập trung vào cảng Emden và đường thủy Emdener Kết quả mô phỏng bằng mô hình cho thấy phù hợp với số liệu đo đạc thủy triều tại Emden, chênh lệch so với lưu tốc dòng chảy đo đạc là không lớn, chênh nhau trung bình khoảng 10 cm/s và 5 cm/s Dòng chảy hạ lưu và

thượng lưu công trình thay đổi, dẫn đến có sự biến đổi lòng dẫn cả ở phía thượng và hạ lưu [4]

+ Zuwen và cộng sự (2003) đã ứng dụng thành công mô hình SOBEK 1D – MOR, do viện thủy lực Delf - Hà Lan phát triển, để nghiên cứu bài toán diễn biến lòng dẫn cửa sông Hoàng Hà (Yellow River) – Trung Quốc Sông Hoàng Hà là sông đứng hàng đầu thế giới về vận chuyển bùn cát, hàng năm

có khoảng 1,6 tỷ tấn bùn cát vận chuyển ra cửa biển Từ những năm 1967, các cửa sông Hoàng Hà bị bồi lấp, gây ngập lụt vùng đồng bằng, do vậy việc chỉnh trị cửa sông là một yêu cấu cấp thiết đối với cửa sông Hoàng Hà Các giải pháp truyền thống như nắn dòng sẽ gây ra tổn thất lớn do gây ngập lụt vùng Gudong, do vậy giải pháp nạo vét có thể trở thành một biện pháp chính

để duy trì cửa sông Hoàng Hà Thông qua việc nạo vét lòng dẫn, lượng bùn cát có thể thoát nhanh hơn, do vậy một số vấn đề đưa ra là liệu những nỗ lực nạo vét có giải quyết được vấn đề này không để trước khi quyết định các biện pháp chỉnh trị sông Zuwem và các cộng sự đã sử dụng mô hình SOBEK để nghiên cứu hình thái cửa sông Hoàng Hà để đánh giá hiệu của các

dự án nạo vét [26]

+ Henrik Garsdal, Carsten Staub and Hans Enggrob (1997) đã ứng dụng

mô hình toán MIKE 21C ở Bangladesh, nghiên cứu đã ứng dụng mô hình toán nghiên cứu chế độ thủy lực vùng ngã ba sông Gorai trong dự án “Khôi phục dòng sông Gorai ở Bangladesh Vấn đề thực tế đặt ra là trong vòng một thập kỷ, dòng chảy sông bị suy thoái một cách đáng kể và gần như khô cạn trong mùa khô Nguyên nhân là do một lượng bùn cát lớn từ sông chính vận chuyển vào và lắng đọng tại cửa sông Gorai, gây nên sự thiếu nước sinh hoạt trong lưu vực của sông và làm cho quá trình xâm nhập mặn ở cửa sông tăng lên Chính quyền địa phương đã phải chi rất nhiều tiền của để nạo vét hàng năm nhưng vẫn chưa có hiệu quả Để giải quyết vấn đề đó, Henrik Garsdal và

nnk đã sử dụng mô hình MIKE 21C mô phỏng diễn biến thuỷ lực, bùn cát và hình thái sông trước và sau khi nạo vét dưới nhiều kịch bản khác nhau về dòng chảy và phạm vi nạo vét Từ đó đề xuất những vị trí cần nạo vét thường xuyên và thời điểm thích hợp để bắt đầu nạo vét [20]

+ Từ năm 1995-1998, Hans G Enggrob & Soren Tjery đã áp dụng MIKE 21C cho đoạn sông phân nhánh Brahmaputra-Jamuna, Banglades Sông Brahmaputra-Jamuna là một trong những con sông có lưu lượng bùn cát lớn nhất thế giới và luôn có sự vận động rất lớn của lòng sông Quá trình dự báo được mô phỏng với kịch bản ngắn hạn trong một mùa lũ và kịch bản dài hạn 30 năm với một cấp lưu lượng tạo lòng Cũng trong nghiên cứu này, để phục vụ cho dự án xây dựng cầu cảng kéo dài 3 năm, hình thái đoạn sông lân cận khu vực xây dựng được tính với nhiều kịch bản lũ khác nhau và sau mỗi mùa lũ địa hình tính toán lại được so sánh với địa hình thực đo, sửa đổi cho phù hợp và được dùng làm điều kiện địa hình ban đầu cho tính toán tiếp theo Kết quả tính toán đã mô tả được diễn biến lòng sông quanh khu vực cầu Jamuna trong quá trình xây dựng [20]

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước

Những năm của nửa cuối thế kỷ XX ở nước ta đã bắt đầu có những công trình nghiên cứu chống bồi lắng các cửa lấy và những công trình nghiên cứu thời gian này tập trung ở một số cơ sở nghiên cứu khoa học như: Viện Khoa học Thủy lợi, trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học Thủy lợi, Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu Tuy nhiên, những nghiên cứu mới tập trung vào nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp luận dựa trên các phương pháp, công nghệ của các nhà khoa học trên thế giới

Một số nhà khoa học Việt Nam đã và đang nghiên cứu vấn đề diễn biến lòng dẫn, cửa sông như: Lưu Công Đào, Lê Ngọc Bích, Hoàng Hữu Huân,

Trịnh Việt An, Nguyễn Bá Quỳ, Đỗ Tất Túc, Phạm Thị Hương Lan, Nguyễn Thanh Hùng, Lương Phương Hậu, Nguyễn n Niên…

Một số nghiên cứu gần đây liên quan đến vấn đề nghiên cứu:

+ Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu ảnh hưởng hoạt động khai thác cát đến thay đổi lòng dẫn sông Cửu Long (sông Tiền, sông Hậu) và đề xuất giải pháp quản lý, quy hoạch khai thác hợp lý” do PGS,TS Lê Mạnh Hùng làm chủ nhiệm đề tài Đề tài đã tiến hành tính toán lượng cát từ thượng nguồn về sông Cửu Long bằng mô hình SWAT và mô hình MIKE21C cho từng đoạn sông khác nhau, ứng với 4 kịch bản phát triển thủy lợi thượng nguồn sông Mekong, tính toán độ sâu ổn định lòng dẫn phục vụ cho việc điều chỉnh quy hoạch và dự báo, điều chỉnh khối lượng có thể khai thác theo các kịch bản khác nhau Kết quả của đề tài đã dựa trên kết quả khảo sát, điều tra, báo cáo của các tỉnh ở ĐBSCL và trên cơ sở thống kê, tổng hợp, phân tích, đề tài đã đánh giá được thực trạng và những bất cập trong khai thác cát trên sông Cửu Long Đề tài đã xây dựng bản đồ vị trí, trữ lượng cát dọc sông Tiền, sông Hậu theo 3 kịch bản phát triển thủy lợi ở thượng nguồn sông Mekong; lập quy trình khai thác cát cho toàn tuyến sông Cửu Long và 4 vùng trọng điểm

+ Phạm Đình, 2010: đã tổng hợp, phân tích các đặc trưng thủy văn, thủy lực và nghiên cứu các quy luật biến động lòng dẫn sông Hồng khu vực cửa lấy nước vào sông Đáy Đề tài đã sử dụng mô hình Mike 21 FM-ST để xây dựng mô hình toán mô phỏng thủy lực và hình thái sông cho khu vực nghiên cứu và đề xuất được giải pháp ổn định cho đoạn sông nghiên cứu [6]

+ Lê Văn Hùng, 2015: đã đánh giá diễn biến lòng dẫn sông Hồng về mùa kiệt những năm gần đây, đồng thời phân tích bản chất hiện tượng hạ thấp mực nước sông và đặt vấn đề cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm tìm ra nguyên nhân và giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp [12]

+ Vũ Thanh Te, 2012: đã ứng dụng mô hình MIKE 11ST và MIKE 21FM dự báo diễn biến lòng dẫn trường hợp sau khi xây dựng công trình ngăn triều chống ngập cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh Bên cạnh đó, đề tài đã đề xuất được phương án quy hoạch chỉnh trị sông vùng hạ du sông Đồng Nai Sài Gòn cũng như xây dựng được ngân hàng dữ liệu đầy đủ và đồng bộ về điều kiện tự nhiên, hiện trạng và dự báo vận chuyển bùn cát….sau khi xây dựng hệ thống công trình ngăn triều chống ngập cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh [24]

+ Nguyễn Ngọc Quỳnh, 2007: đã nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và khả năng thoát lũ khi xây dựng cầu qua sông Hồng khu vực Hà Nội bằng mô hình Mike 21C và đã đạt được các kết quả như: đã đánh giá ảnh hưởng của các cầu Thanh Trì, Vĩnh Tuy, Nhật Tân… tới thoát lũ và chế độ thủy lực đoạn sông Hồng qua Hà Nội, đã đánh giá ảnh hưởng của cầu tới lưu lượng trên bãi sông

và lòng chính, đã đánh giá ảnh hưởng của cầu tới ổn định lòng dẫn, dự báo được diễn biến tổng thể lòng dẫn đoạn sông Hồng qua Hà Nội [20]

+ Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, 2001-2004: đã nghiên cứu dự báo xói lở, bồi lắng và các giải pháp phòng chống trên hệ thống sông ở ĐBSCL và đã đạt được những kết quả như: xác định vị trí, quy mô, tốc độ xói

lở bờ sông và xác định các vùng trọng điểm xói lở cho toàn tuyến sông Tiền, sông Hậu bằng phương pháp viễn thám và GIS; định lượng nguyên nhân, cơ chế xói lở và các nhân tố ảnh hưởng đến xói lở cho sông Cửu Long tại các khu vực trọng điểm; Nghiên cứu sử dụng mô hình toán 1D và 2D trong nghiên cứu xói lở, bồi lắng đoạn sông Tiền khu vực Tân Châu, đoạn sông Hậu khu vực Long Xuyên bằng các mô hình toán MIKE11, MIKE 21C, đề xuất một số công thức kinh nghiệm tính dự báo, sạt lở bờ theo thời gian [21

+ Hoàng Văn Huân, 2010: đã nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ để ổn định lòng dẫn hạ du hệ thống sông Đồng Nai- Sài Gòn phục vụ

phát triển kinh tế xã hội vùng Đông Nam Bộ đã đạt được những kết quả như ứng dụng MIKE 11, MIKE 21C để dự báo sạt lở định kỳ phục vụ cho công tác phòng tránh giảm nhẹ thiên tai các năm 2004, 2005, 2006, 2010; đề xuất quy hoạch chỉnh trị sông Đồng Nai khu vực thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai đã được UBND tỉnh ra quyết định phê duyệt số 1194 ngày 25 tháng 3 năm 2005; kiến nghị và giải pháp KHCN để ổn định lòng dẫn hạ du sông Đồng Nai - Sài Gòn

1.2 Kết luận Chương I

Hiện nay, việc ứng dụng mô hình để mô phỏng diễn biến lòng sông

đã trở nên phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới Các mô hình mô phỏng được xem là một trong những công cụ hỗ trợ đắc lực cho đánh giá, dự tính,

dự báo cũng như mô phỏng đánh giá mức độ ảnh hưởng, các sự cố về sói lở lòng sông

Mô hình toán, một phương pháp hiện đại, được phát triển mạnh trong mấy chục năm trở lại đây ở nước ta cũng như trên thế giới Việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi kiến thức liên ngành của nhiều chuyên gia và phải qua nhiều bước như lựa chọn, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh xác định thông

số của mô hình và cuối cùng là ứng dụng mô hình để đánh giá, dự báo Các

mô hình toán ngày càng chứng tỏ là một công cụ mạnh và đắc lực bởi khả năng cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, phạm vi ứng dụng rộng, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán, nhất là trong việc tính toán, mô phỏng các hệ thống lớn Ở Việt Nam, mô hình hóa đã và đang được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn nghiên cứu và tính toán dự báo thủy động lực và môi trường Trong đó, bộ mô hình MIKE 21( đặc biệt Mike 21FM với lưới tam giám mô phỏng khá tốt lòng bờ sông) của Viện Thủy Lợi Đan Mạch là một trong những mô hình cho kết quả khá chính xác và đang được sử dụng rộng rãi cả trong và ngoài nước, được ứng dụng trong việc tính toán về thuỷ lực, mô

phỏng diễn biến lòng sông, tính toán vận chuyển bùn cát, tài nguyên và môi trường nước, bao gồm cả trong sông, vùng cửa sông, ven biển và biển

Theo các nghiên cứu trên cho thấy hiện nay với sự phát triển của công nghệ thông tin, các mô hình số kết hợp với các phân tích số liệu lịch sử là các phương pháp chủ yếu được dùng trong các nghiên cứu gần đây mà các đơn vị đầu ngành, cũng như các chuyên gia về động lực học sông biển sử dụng Cho thấy sự cần thiết của đề tài về “ Ứng dụng mô hình MIKE 21FM tính toán biến hình lòng dẫn sông Hồng đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến trường bắn Yên Sở”

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở định lượng bài toán biến hình lòng sông

2.1.1Cân bằng bùn cát của đoạn sông

Nguyên nhân cơ bản của diễn biến lòng sông là sự mất cân bằng trong

tải cát Trong bất kỳ một đoạn sông nào, hoặc trong bất kỳ một vùng cục bộ nào đó của đoạn sông, dưới một điều kiện nhất định, dòng chảy có một sức tải cát nhất định Nếu lượng bùn cát đến tương ứng với sức tải cát, thì dòng chảy

ở trạng thái tải cát cân bằng, lòng dẫn sẽ không xói cũng không bồi Khi lượng bùn cát đến lớn hơn sức tải cát của dòng chảy, số bùn cát mà dòng chảy không thể mang thêm sẽ được bồi lắng dần xuống làm cho lòng dẫn nâng cao Khi lượng bùn cát đến nhỏ hơn sức tải cát của dòng chảy, số bùn cát thiếu hụt

sẽ được dòng chảy bao xói lòng dẫn để bổ sung, làm cho lòng dẫn hạ thấp

G1 – G2 > 0 Bồi

G1 – G2 < 0 Xói

G: suất chuyển lưu lượng bùn cát trung

bình trong bước thời gian Δt

Hình 2.1 Mặt cắt dọc sông

2.1.2 Các loại diễn biến lòng dẫn

Diễn biến lòng sông thường chia ra diễn biến trên mặt bằng, diễn biến trên mặt cắt dọc, diễn biến trên mặt cắt ngang, nhưng thực chất ba loại này đan xen nhau, ảnh hưởng lẫn nhau, khống chế lẫn nhau:

+ Diễn biến trên mặt cắt ngang: là do sự mất cân bằng tải cát phương

ngang gây nên Sự mất cân bằng tải cát trên phương ngang chính là do hoàn lưu Khi trong dòng chảy tồn tại hoàn lưu, dòng nước mặt không đi theo

phương chuyển động chung mà chảy xiên sang một bờ, còn dòng nước đáy thì chuyển động sang một bờ khác, ngược với dòng nước mặt Bờ có dòng nước mặt xô vào thì bị xói, bờ tiếp nhận dòng nước đáy thì được bồi Ngoài hoàn lưu ra, sóng cát cũng tạo ra chuyển dịch bùn cát theo phương ngang

+ Diễn biến mặt bằng: chủ yếu là sự dịch chuyển trên mặt bằng, đường

bờ,của lạch sâu, của các khối bồi lắng, có khi là liên tục, có khi là đột biến, có khi là có chu kỳ do chịu tác động tổng hợp rất nhiều yếu tố

+ Diễn biến mặt cắt dọc: là do sự mất cân bằng trong tải cát phương

dọc, cónguyên nhân từ thiên nhiên như sự thay đổi theo thời gian và theo dọc đường củalượng bùn cát, sự thay đổi dọc đường của độ dốc và chiều rộng thung lũng sông, sựnâng lên hạ xuống của vỏ trái đất, của mực nước biển v.v cũng có nguyên nhân từ con người như xây dựng các đập ngăn sông, các công trình chỉnh trị

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến lòng dẫn sông ngòi

Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến lòng sông rất phức tạp, có thể nêu lên các yếu tố chủ yếu sau:

+ Ảnh hưởng đến quá trình lịch sử hình thành lòng sông bao gồm:

Vận động cấu tạo của vỏ trái đất, tác dụng của dòng chảy, tác dụng của khí hậu, thời tiết Trong đó, tác dụng của dòng chảy là chủ yếu Các yếu tố khác không thể tác dụng riêng rẽ để hình thμnh dòng sông, mà chỉ phối hợp

hỗ trợ cho dòng chảy

+Ảnh hưởng đến diễn biến lòng sông hiện tại bao gồm:

- Lượng nước đến và chế độ phân phối của nó;

- Lượng cát đến và chế độ phân phối của nó;

- Độ dốc thung lũng sông;

- Tình hình địa chất;

- Các hoạt động của con người

2.2 Phương pháp xác định biến hình lòng sông

Để dự báo diễn biến lòng sông có nhiều phương pháp nhưng thông thường, phân tích, dự báo diễn biến lòng sông được tiến hành theo 4 phương pháp sau:

-Phương pháp phân tích các tài liệu thực đo: Dựa vào các số liệu đo

đạc địa hình, địa chất, thủy văn nhiều năm, phân tích vị trí, tóc đọ xói, bồi trên mặt bằng, trên mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, tìm ra quy luật thống kê và xu thế phát triển của đoạn sông nghiên cứu Phương pháp này không bị hạn chế bởi điều kiện biến đổi dần của dòng chảy và có thể nghiên cứu nó theo không gian 3 chiều Nhưng nó chỉ thích hợp cho việc nghiên cứu các quá trình diễn biễn trong điều kiện đã có tiền lệ trong quá khứ, dựa vào nó để dự báo tác động của công trình trong tương lai Hơn nữa, trong điều kiện số liệu thực đo hoặc quá ít, hoặc không đồng bộ thì sử dụng phương pháp này sẽ không đủ tin cậy.

-Phương pháp mô hình vật lý: Thu nhỏ đoạn sông nghiên cứu lại trong

một khu vực có trang thiết bị thí nghiệm, tái diễn dòng chảy trong sông thiên nhiên theo định luật tương tự, để quan sát đo đạc, và từ các số liệu do đạc tìm

ra quy luật diễn biến của đoạn sông Hạn chế phương pháp là rất khó thỏa mãn các điều kiện tương tự, nhất là các điều kiện tương tự về bùn cát nên có thể có những sai lệch nhất định giữa mô hình và nguyên hình

- Phương pháp phân tích ảnh viễn thám: Dựa vào ảnh viễn thám thu

thập các thời kỳ khác nhau, có thể đánh giá về sự diến biến xói lởi bờ, sự tồn tại hay mất đi của các cồn trên sông, sự di chuyển của lòng sông

- Phương pháp mô hình toán: Dựa vào các hệ phương trình thích hợp

cho donhf chảy và bùn cát tại đoạn sông nghiên cứu, xác định các điều kiện biên, điều kiện ban đầu thích hợp, tìm lời giải giải tích hoặc lời giả số trị cho các vân đề nghiên cứu

Phương pháp mô hình toán với sự giúp đỡ của máy tính điện tử đã cho phép

mô tả những gì xảy ra trong quá khứ, những gì xảy ra trong tương lai với những

điều kiện thay đổi tùy ý, nhưng phương pháp này chỉ có độ tin cậy khi số liệu đầu vào phải có đủ số liệu tin cậy

2.3 Một số phần mềm đƣợc ứng dụng nghiên cứu chế độ thủy lực, bùn cát sông ngòi

Trong những năm gần đây, việc sử dụng công cụ mô hình toán một chiều, hai chiều trong nghiên cứu giải quyết các bài toán phức tạp về thủy lực

và hình thái sông, cửa sông đã được các chuyên gia trong và ngoài nước chú

ý, trong đó chú ý tới việc mô phỏng tối ưu hình dạng mặt bằng tuyến sông,

mô phỏng các công trình trên sông như cầu, cống, nghiên cứu diễn biến sông

và cửa sông Do đó, kết quả tính toán có độ tin cậy cao hơn trong việc nghiên cứu dự báo diễn biến lòng dẫn Một số mô hình hiện nay đang được dùng và cho kết quả khá tin cậy là mô hình MIKE 11, HEC-6, MIKE 21C, DELF-3D, MIKE 21FM và mô hình EFDC, Luận văn xin giới thiệu một số mô hình cụ thể dưới đây:

2.3.1 EFDC (Environmental Fruid Dynamics Code)

EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) là một phần mềm mô phỏng nước mặt tổng hợp, có khả năng dự báo tính toán và mô phỏng các quá trình dòng chảy, lan truyền có tính đến các quá trình sinh-địa-hóa trong sông,

hồ tự nhiên, kho nước (hồ chứa), các vùng cửa sông, vùng đất ngập mặn hoặc đới bờ Mô hình được cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ US EPA phát triển từ những năm 1980 và đến năm 1994 được các nhà khoa học của viện khoa học biển Virgina tiếp tục xây dựng Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình động lực, nguyên tắc bảo toàn khối lượng và bảo toàn thể tích Mô hình

là mô hình đa chiều (2 chiều, 3 chiều) nên có khả năng đạt độ chính xác cao trong việc mô hình hóa các hệ thống đầm lầy, đất ngập nước; kiểm soát dòng chảy, các dòng sinh sóng gần bờ và các quá trình vận chuyển trầm tích

EFDC gồm 4 modul chính:

Cơ sở lý thuyết thuỷ động lực học của mô hình dựa trên hệ phương trình thuỷ tĩnh 3 chiều, mô phỏng theo phương thẳng đứng, nằm ngang và trực giao cong

- Mô hình lan truyền, phân huỷ các chất độc trong môi trường nước mặt

2.3.2 Mô hình DELF-3D

Delft3D được phát triển bởi WLDelft hydraulics cùng với sự hợp tác của Đại học công nghê Delft, là hệ thống mô hình bao gồm một số module cho phép mô phỏng dòng chảy thuỷ động lực học, ước tính khả năng vận chuyển bùn cát, sự lan truyền và phát sinh sóng ngắn, sự thay đổi hình thái và

mô phỏng quy trình sinh thái và các thông số chất lượng nước

Cơ sở lý thuyết của mô hình này là giải hệ phương trình nước nông, không ổn định bằng phương pháp sai phân hữu hạn

( )

( ) : áp lực đáy

(

) (

) Thành phần biểu thị tác động của độ nhớt ngang

( ) (

) (

) (

)

2.3.3 Mô hình HEC -6

Mô hình HEC-6 do William Thomas thuộc Trung tâm Kỹ thuật Thuỷ văn Quân đội Mỹ xây dựng từ năm 1973 Đây là mô hình một chiều viết cho dòng chảy ổn định trong kênh hở lòng động, dùng để dự báo sự biến đổi địa hình lòng sông – hồ do bồi lắng hoặc do xói lở trong các thời đoạn dài ngắn khác nhau Đặc biệt là phiên bản 4.1 do Thomas và Prasuhn nâng cấp năm

1993 cho phép mô phỏng quá trình bồi lắng cát bùn hồ chứa cho các hạt có kích thước thay đổi từ sét đến đá tảng HEC-6 là mô hình 1D viết cho dòng

ổn định biến đổi dần Mô phỏng được xu thế dài hạn của quá t nh xói bồi lòng dẫn

Phương trình biến dạng l ng dẫn trong mô hình sử dụng phương trình

cơ bản EXNER

U d

SP SP

l L

G G B

t Y Y

5 0

' ( 2.8 )

Bo : bề rộng lòng sông mà bùn cát có thể chuyển động

t : thời gian

G :lưu lượng bình quân bùn cát chuyển qua trong 1 bước thời gian ∆t

X :khoảng cách dọc theo dòng chảy

Y :chiều sâu lớp bùn cát thuộc thể tích khống chế

HEC-6 sử dụng 11 quan hệ khác nhau để tính suất chuyển cát đáy cho các hạt cát và cuội, đó là các công thức của: Toffaleti(1966), Laussen(1958) được Madden cải tiến năm 1963, Yang(1973), DuBoy được Vanoni cải tiến năm 1975, Acker-White(1973), Colby(1964), Toffaleti(1966) kết hợp với Schoklitsch(1930) Meyer-Peter-Muller(1948), Toffaleti(1966) kết hợp với Meyer-Peter-Muller(1948), Laussen(1958) được Madden cải tiến năm 1985, Laussen(1958) được Copeland và Thomas cải tiến năm 1990

Khả năng ứng dụng của mô hình :

- HEC-6 là mô hình một chiều viết cho dòng chảy ổn định trong kênh

hở lòng động có khả năng phân tích dòng chảy và bùn cát trong mạng lưới sông thời đoạn dài

- HEC-6 cho phép mô tả dòng chảy sát thực hơn bằng việc chia lòng sông thành các phần: bờ trái, lòng chính, bờ phải

- HEC-6 sử dụng 11 quan hệ khác nhau để tính toán sức tải cát cho từng cấp hạt khác nhau

- HEC-6 có khả năng mô phỏng quá trình bồi lắng cát bùn hồ chứa cho các cấp hạt có kích cở thay đổi từ sét đến đá tảng

- HEC-6 cho phép tính đường mặt nước trong sông hồ ứng với các điều kiện lòng cứng và lòng động

- HEC-6 có khả năng mô phỏng quá trình thô hóa đáy sông hạ lưu đập

dựa trên khái niệm về lớp hoạt động và lớp không hoạt động

có sự mô phỏng chính xác đường biên, điều đó đòi hỏi việc sử dụng lưới cong hoặc lưới phi cấu trúc sẽ cho kết quả chính xác hơn Lưới cong có những ưu điểm vượt trội hơn so với lưới phi cấu trúc ở điểm sơ đồ tính toán nhanh hơn,

số điểm lưới ít hơn, số điểm được định nghĩa và lưu trữ ít hơn, tuy nhiên không bám sát đường bờ hơn so với lưới phi cấu trúc

Mike 21C được cấu trúc bởi 2 module:

- Module thuỷ động lực (HD): Mô hình thuỷ động lực học mô phỏng mực nước, dòng chảy trong sông dựa trên các lưới cong bao phủ toàn bộ vùng nghiên cứu Bằng cách giải theo phương pháp tích phân thẳng đứng hệ phương trình Saint Vernant, phương trình liên tục và phương trình cân bằng mômen động lượng

- Module tính toán hình thái: MT

Hệ phương trình đựoc sử dụng trong MIKE 21C như sau:

+ s,n: Các toạ độ trong hệ toạ độ cong

+ p,q: Biến thiên dòng chảy theo phương s và n

+ H: Cao độ mực nước

+ h: Độ sâu

+ g: Gia tốc trọng trường

+ C: Hệ số Chezy

+ Rs, Rn: Bán kính cong theo các trục dọc sông và ngang sông

+ RHS: Quy luật bàn tay phải trong cân bằng lực, bao gồm ứng suất Reynolds, lực Coriolis và áp suất khí quyển

các kỹ thuật mô hình mới sử dụng cách tiếp cận lưới phi cấu trúc(lưới tam giác) Kỹ thuật này đã và đang được phát triển cho các ứng dụng liên quan đến môi trường cửa sông, khu vực ven biển, đại dương và tràn lũ trong đất liền

MIKE 21 Flow Model FM bao gồm các modul sau:

• Modul thuỷ lực (HD);

• Modul truyền tải (ST);

• Modul sinh thái (EL)

Modul thuỷ lực MIKE 21HD là thành phần quan trọng nhất trong toàn kết cấu của mô hình MIKE 21 Flow Model FM, cung cấp các đặc trưng cơ bản về thuỷ động lực cho modul truyền tải (AD) và modul sinh thái (ECOLAB)

Mô đun MIKE 21 ST là mô đun tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích (cát) không kết dính dưới tác động của cả sóng và dòng chảy trên cơ sở mô đun MIKE 21

HD Các thành phần vận chuyển trầm tích có thể gây ra biến đổi đáy Việc tính toán được thực hiện dưới điều kiện thuỷ động lực cơ bản tương ứng với độ sâu đã cho Không có sự tương tác trở lại của thay đổi độ sâu đến sóng và dòng chảy Do đó, kết quả cung cấp bởi MIKE 21 ST có thể được sử dụng để xác định khu vực có khả năng xói hoặc bồi và để chỉ ra tốc độ biến đổi đáy nhưng không xác định được việc cập nhật độ sâu ở cuối mỗi chu kỳ tính toán

Mô hình MIKE 21 Flow Model được xây dựng dựa trên phương pháp tìm nghiệm số của hệ phương trình Navier-Stock với chuyển động trung bình viết cho chất lỏng không nén được, trong đó hệ số nhớt phân tử được thay bằng các hệ số nhớt rối Reynold và dựa trên các giả thiết của Boussinesq và

áp lực thuỷ tĩnh Do đó, mô hình bao gồm phương trình liên tục, động lượng, nhiệt, muối và phương trình trạng thái

Phương trình liên tục

S z

w y

v x

u v z F dz x

g x

p x

g fv z

wu y

vu x

u

t

u

s t

u z

2

1

(2.32)

S v z

v v z F dz y

g y

p y

g fu z

wv x

v z

Trong đó: A: là xoáy nhớt theo phương nằm ngang

Trạng thái biên mặt và đáy đối với u,v và w được tính theo:

u A y x

A x

v y

u A x

At z=

At z=-d

Trong đó: và là thành phần ứng suất gió bề mặt và ứng suất đáy

Tổng độ sâu, h có thể nhận được từ trạng thái biên động học ở mặt Một

trường tốc độ được xác định từ phương trình mô men và phương trình liên tục Tuy nhiên, một công thức đầy đủ hơn nhận được bằng cách tích phân theo phương thẳng đứng của phương trình liên tục

Trong đó: và là tốc độ bốc hơi và mưa, đặc biệt và là tốc độ trung bình theo độ sâu

Chất lỏng được xem là không nén được Vì vậy mật độ  không phụ

thuộc vào áp suất mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T và độ mặn s qua công thức trạng thái: =(T,s)

Ứng suất nội tại Tij (nhớt phần tử và nhớt rối) bao gồm ma sát do nhớt,

do xoáy và bình lưu vi phân Các giá trị này được xác định bằng công thức nhớt rối dựa trên gradient vận tốc trung bình tính theo độ sâu

v x t

v z

1 ,

d v

v z

1 ,

v h x

u t

Phương pháp giải tìm nghiệm:

Hiện nay, hệ phương trình Navie-Stock vẫn chưa có nghiệm giải tích, nghiệm của chúng chủ yếu được xác định thông qua các phương pháp gần đúng Ở đây, hệ phương trình này được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn, miền không gian tính toán được phân chia rời rạc thành các ô phần tử liên tục và không giao nhau Trong tính toán 2 chiều, các phần tử lưới có thể

có hình dạng đa giác bất kỳ, tuy nhiên, trong mô hình MIKE 21 chỉ sử dụng các lưới tứ giác và tam giác Hệ phương trình sóng nước nông 2 chiều dạng đầy đủ có thể biểu diễn dưới dạng như sau:

(2.35) Trong đó: U là vectơ các biến trạng thái được bảo toàn, là hàm vectơ thông lượng và S là vectơ số hạng nguồn

(2.36)

U

F U S U t

Số mũ I và V thứ tự biểu diễn thông lượng nhớt không dính và dính Tích phân phương trình (2.15) tại phần tử thứ i theo định lý Gauss thu được phương trình các thông lượng dưới dạng tổng quát sau :

(2.37) Trong đó : Ai : Diện tích phần tử thứ i, là biến là tích phân xác định theo Ai , là chu vi của phần tử thứ i và ds là biến tích phân dọc theo chu vi

Thông lượng đối lưu theo phương ngang được xác định theo phương pháp gần đúng Riemann của Roe (1981) Phương pháp này sử dụng sơ đồ giải tuyến tính tích phân theo không gian và sơ đồ hiện Euler tích phân theo thời gian để tìm nghiệm của hệ phương trình

Công thức vận chuyển bùn cát:

Phương trình cơ bản giải trong mô hình vận chuyển bùn cát tính toán sự phân bố của mỗi thành phần bùn cát theo không gian và theo thời gian, mô tả các quá trình vận chuyển và bồi lắng của các hạt bùn cát Phương trình được thiết lập dựa trên nguyên lý cân bằng bùn cát sau:

+u

+v

=Kx + Ky + (2.38) Trong đó:

C: nồng độ trung bình độ sâu của bùn cát lơ lửng

U và v là các thành phần x và y của vận tốc hiện tại bắt nguồn từ mô hình thủy lực

Kx và Ky là hệ số tán sắc trung bình chiều sâu theo hướng x và y

Vận chuyển trầm tích được tính theo hai chế độ: Bùn cát đáy và bùn cát

lơ lửng, các công thức có sẵn trong mô hình là:

(1) Công thức Engelund – Hansen (Tính toán bùn cát tổng cộng)

Engelund & Hannen (1972) đã ứng dụng khái niệm năng lượng dòng của Bagnold và nguyên lí tương tự để nhận được hàm vận chuyển bùn cát Phương trình được viết dưới dạng sau:

5 20.1

 : Tổng ứng suất trượt đáy không thứ nguyên

f=2 trong đó, và u là tốc độ ma sát và tốc độ dòng chảy tương ứng

(2) Công thức Engelund – Fredsoe (Tính toán bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy)

Phương pháp vận chuyển bùn của Engelund & Fredoe (1976) trình bày chi tiết sự vận chuyển bùn cát với mối quan hệ với độ nhám dòng chảy Ông cũng phân biệt bùn cát thành bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng:

Vận chuyển bùn cát đáy:

Tốc độ khởi động của bùn cát được tính trong phương pháp theo công thức sau:

bs 10U 1 0.7.U

(2 40)

Trong đó:

Ubs: Tốc độ khởi động của hạt bùn cát đáy

U’f: Lưu tốc ma sát

 : Ứng suất kéo tại đáy

c: Ứng suất kéo tới hạn

Phương trình tính toán lượng vận chuyển bùn cát đáy là:

1

b b

D: độ sâu của dòng chảy;

a: chiều dày lớp hoạt động của bùn cát có thể xác định xấp xỉ bằng 2d với d là đường kính hạt bùn cát;

c: Hệ số tập trung lưu lượng bùn cát lơ lửng tại khoảng cách y tính từ đáy sông

u: vận tốc tức thời tại khoảng cách y so với đáy, được xác định bằng công thức:

u=2.5 ln( )

Trong đó:

: vận tốc ma sát và độ nhám cát tương đương,

y: khoảng cách so với đáy,

k: không vượt quá 2.5d

c: Hệ số tập trung lưu lượng bùn cát lơ lửng tại khoảng cách y so với đáy c=ca(

) với z là số Rouse, z=

w: là vận tốc lắng của chất lơ lửng, phụ thuộc vào đường kính hạt

(3)Công thức Van Rijn (Tính toán bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy)

Vận chuyển bùn cát đáy:

Công thức VanRijn vận chuyển bùn cát đáy được tính như sau :

2.1 0.3 0

0,053

b

T d

( )