Số liệu này bao gồm: - Lưu lượng nưốc bìn h quân ngày tại các trạm Hoà B ình ti ên sông Đà, Yên Bái trên sông Thao, Vụ Q uang trê n sông Lô và Thượng C át trê n sông Đuống.. Tiếp theo tr
Trang 1K Ế T Q U Ả B Ư Ớ C Đ Ẩ U T ÌM H l Ể u M Ỏ H Ì N H G S T A R S 2 1 V À Ứ N G
D Ụ N G M Ô Đ U N N Ư Ớ C V Ậ T C Ủ A M Ô H Ì N H T Í N H T R A C d i ệ n d ọ c
M Ặ T N Ư Ớ C C H O Đ O Ạ N S Ô N G H O N G T Ừ H O À B ÌN H Đ Ế N H À N Ộ I
N guyễn T hị Nga
K hoa K h í tượng - T h ủ y văn và H ải dư ơng học
Trường Đại học K hoa học T ự nhiên, Đ HQ G H à Nội
1 Đ ặ t v â n đ ề
C ùng vâi sự p h á t triển m au lẹ của công nghệ tin học, cùa lý th uyêt hệ thống và của phương pháp tín h , mô hìn h toán dã dần được xem là công cụ có h iệu q u ả để tín h v ận chuyển bùn cát và diễn biến lòng sông nhò tín h khoa học và k inh t ế củ a nó
GSTARS2.1 (G eneralized S tream T ube model for A lluvial R iver S im ulation version 2.1) là t h ế h ệ gần đây n h ấ t của m ột mô h ìn h sô' mô phỏng dòng chảy nước và b ùn c á t trong các sông bồi tích do Y ang v à cộng sự n âng cao từ mô h ìn h GSTARS2.0 vào năm 1998 T hế
h ệ đầu tiên của nó là GSTARS do Molinas v à Yang (Cục k h ai hoang Mỹ, 1956) p h á t triển để
mô phỏng các điểu k iện dòng chảy theo kiêu bán h a i chiều v à các th ay đổi h ình học lòng dẫn theo kiểu bán b a chiều
Vối mục tiêu cuối cùng là nghiên cửu ứng dụng th ử nghiệm lần đ ầu tiên mô hình GSTARS2.1 để mô phỏng và dự báo quy lu ật th ay đổi h ìn h th á i lòng sông Việt Nam vói đoạn sông th ử nghiệm là đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến H à Nội, bài báo này công bô kết
qu ả bưốc đầu tìm hiểu mô hìn h GSTARS2.1 và ứng dụng m ôđun nưốc v ật trong nó để tính trắ c diện dọc m ặt nước cho đoạn sông nói trên Các k ế t quả nghiên cứu tiếp theo cũng sẽ được công bô
2 Các k h ả n ă n g ứ n g d ụ n g của mô h ìn h GSTARS2.1 [4]
GSTARS2.1 bao gồm bôn p hần chính P hần đ ầ u tiê n sù dụng cả h a i phương trìn h
năn g lượng và động lượng để tính toán nước vật P hần th ử h a i sử dụng k h ái niệm ống dòng chảy để tín h to án diễn toán bùn cát Các tham s ố thùy lực và diễn to án bùn c á t được tính cho mỗi ống dòng chảy, theo cách đó cung cấp m ột sự th ay đổi ng an g trong m ặt cắt theo kiểu bán h a i chiều P h ầ n th ứ ba sử dụng lý th u y ết mức tiêu h ao năn g lượng n h ả n h ấ t (Yang, 1971, 1976; Y ang v à Song, 1979, 1986) trong th ế h ệ đã đơn giản hoá của nó vê tổng năn g lượng dòng chảy n hỏ n h ất để tín h điều chình độ rộng và độ s â u kênh P h ần th ứ tư gồm vào m ột tiê u c h u ẩ n ổn định mép bờ kênh cán cứ vào góc nghỉ cù a vật liệu bờ và tính liên tục củ a b ù n cát
GSTARS 2.1 có k h ả n ăn g được ứng dụng để: tín h trắ c diện dọc m ặt nưóc có hoặc không có vận chuyển b ùn cát; tín h trắc diện dọc m ật nước q u a các điều kiện dòng chảy êm
và xiết, bao gồm các bước nhảy thủy lực, không bị gián đoạn; tín h các thay đổi dọc v à ngang
củ a dòng chảy và các điểu kiện bùn c á t th eo kiểu tự a h a i chiều dựa trê n khái niệm ống dòng chảy (nếu chỉ có m ột ống dòng chảy được lự a chọn, mô hìn h trở th à n h một chiều; nếu nhiều
Trang 2ống dòng chảy được lự a chọn, cả các th ay đối cao trìn h đáy theo chiều ngang và th ắ n g đửng đều có th ể đưọtc mô phỏng); cung cấp một mô phỏng quá trìn h hoá th ô lòng sông nhờ sử dụng th u ậ t toán p h ân tu yển và hoá thó lòng sông dựa theo các p h ần kích thước b ù n cát; mô phỏng các th ay đổi hìn h dạng h ình học lòng dẫn đồng thời cả theo chiều rộng và chiểu sâu
d ự a th e o tổ n g n ă n g lư ợ n g đ ò n g c h ả y n h ỏ n h ấ t; m ô p h ỏ n g các t h a y đổi h ì n h d ạ n g h ì n h học
k ê n h d ự a t r ê n g ó c n g h ỉ c ù a c á c v ậ t l i ệ u b ờ k ê n h v à s ự l i ê n t ụ c c ủ a b ù n c á t n h ờ l ự a c h ọ n đ ộ
ổn định bờ kênh cho phép
3 Cơ sở lý th u y ế t c ủ a mô h ìn h nước vật tro n g GSTARS2.1 [4]
3.1 C ác p h ư ơ n g t r ì n h c ơ b ả n
Các tín h toán th ủ y lực trong
GSTARS 2.1 d ự a trê n cơ sở mô h ình
dòng chảy thay đổi dần Các chê độ dòng
c h ả y h ỗ n h ợ p v à c á c bư ốc n h ả y th ủ y lực
có th ể được tín h toán b ằng cách lựa
chọn sủ dụng phương trìn h năn g lượng
hoác động lượng
G STARS 2.1 sử dụng phương
pháp bậc th a n g thông dụ n g đế tín h toán
nước vật Các thủy đồ lưu lượng được
xấp xi bởi các xu ất h iện đột ngột củ a các
lưu lượng không đổi (hình 3.1)
Khi không có sự th ay đổi kiểu chế
độ dòng chảy, th u ậ t to án sử dụng
phương trìn h năn g lượng
Z + Y + a ^ - = H (3.1)
2g
trong đó: z là cao trìn h đáy; Y là chiều
sâu dòng nưốc; V là tốc độ dòng chảy;
a là hệ sô phân b ố tốc độ; H là cao trìn h
cúa đường n ă n g lượng so vối mốc tín h
to án v à g là gia tốc trọ n g lực
Khi có sự th ay đối kiểu dòng cháy
tìt êm sang xiết hoặc ngUỢc lại, th u ậ t toán sử dụng phương trìn h động lượng:
S ï f e V ï - p , V 1) = p , - p ! + W , 8 i n e - F , 8 (3.2) trong đó: y là trọng lượng riên g của nước; p là h ệ số động lượng; p là áp s u ấ t tác động lên
m ật cất ngang đã cho; w „ là trọng lượng nước chứ a giữa m ặt c ắ t 1 và 2; 0 là góc dốc của kênl: và Ff là lực ngoại m a sát tổng cộng tác động dọc theo biên kênh Nếu giá trị của 0 nhó (sinG = 0) và n ếu p, = p , =1 th ì phương trìn h trở thành:
Q2 - Q -
H ình 3.1 Xấp xì thủy dồ lưu lượn ự bằng dày cốc bước có lưu lượng không dổi (Q,) và thời (loạn hữu
hạn At, )
H ìn h 3 £ Xác (lịnh ('ác biến
Trang 3trong đó: V là chiều sâu đo từ m ặt nưốc đến trọng tâm của m ặ t cắ t ngang chử a dòng chảy Phương trìn h (3.1) và (3.3) được giải bằn g th ủ tục lặp th ử sai
C ác tín h to á n nước v ậ t được tiến h àn h theo chiểu ngược dòng đôi vói các dòng chảy
êm và xuôi dòng đối vói các đòng chảy xiết
3 2 M i ê u t ả m ô h ì n h
Trong GSTARS 2.1,
k hu nguồn nước mô
h ình h o á được mô tả
bằng các m ật c ắ t ngang
rời rạc (hình 3.3) Cao
trìn h m ật nưốc được
tín h toán tạ i m ỗi m ặt Hi
c ắt ngang
Mỗi m ậ t c ắ t ngang được
n h ận d ạng bởi m ột số mô tả vị
t r í cù a nó biểu diễn bằng
khoáng cách tín h từ m ột trạm
th am k hảo p h ía h ạ lưu đế máy
tín h có th ể tín h chiểu dài đoạn
sông (A s tro n g h ìn h 3.3) Hình
d ạng h ìn h học lòng dẫn của mỗi
m ặt c ắ t ngang được ròi rạc hoá
bởi m ột bộ điểm xác đ ịnh cao
trìn h đáy v à v ị t r í m ặ t cắt
ngang th eo phương ngang
(khoảng cách từ m ột điểm tham
kháo tạ i m ột vị t r í ỗ bờ trái)
Việc nội suy tu y ến tín h được sử
dụng giữa các điểm này như
trong h ìn h 3.4 Thông tin nàv
được sử d ụ n g để tín h các tham
số th ủ y lực cần th iế t cho các
tín h toán nước v ặ t n hư diện tích
dòng chảy, ch u vi ướt, b á n kính
lả cồ tính nhận thức một đoạn sông bằng c
it ngang rời rạc trong (ÎSTARS 2.1
H ìn h 3.4 Miêu ti
Vị ui ugaup
mặt cắt ngang bằng một bộ điểm ròi rạ
H ìn h 3.5. Ví dụ về việc giảm Ax tại các khu vực có độ đốc lón: a) vũng nước vật; b) Thay đổi về độ dối' đốy và đổi kiểu
chế độ đòng chảv
Trang 4Vị tr í của các m ặt cắt ngang cần được lự a chọn đê m iêu t ả tố t n h ấ t h ìn h d ạng h ình học của đoạn lòng d ẫn nghiên cửu ơ gần khu vực có k h ả n ă n g x u ấ t hiện bưóc n hảy thủy lực, các m ặt c ắ t ngang nên b ố tr í s á t n h a u hơn H ình 3.5 th ể h iệ n dưái d ạng sơ đồ cách dịnh
vị các m ặt cắt ngang ở gần các bước nhảy thủy lực và các vùng có sự th ay đổi độ dốc đột ngột
3.2.2 Sứ c cản dòng chảy
M ột trong những giả th iế t cơ bản trong GSTARS 2.1 là sử d ụ n g m ột công thức dòng đểu để tín h các tổn th ấ t do m a sát Công thức này được sử dụng để tín h số v ận chuyên tông cộng K và từ đó xác định dộ dốc m a s á t Sf đối với một lưu lượng đã cho:
Trong GSTARS 2.1, có th ể lựa chọn sử dụng một công thức b ấ t kỳ sau đây đế tính K;
1.49 -công thức M anning: Q = K S f/2 =
- công thức Chézy: Q = K S f/2 = (cA R 1,2^ f /2
(3.12)
l í ) \
trong đó: n, c , f tương ứng là các h ệ số n hám trong công thửc M anning, chézy v à D arcy- Weisbach; g là gia toc trọng lực; A là diện tích m ặt cắt ngang và R là bán k ính thủy lực Đối vói mỗi m ặt c ắ t ngang; các h ệ s ố nhám yêu cầu được x ác đ ịnh cho các khu khác nhau Sử dụng ví dụ trong hìn h 3.4, bãi trá i có th ể có m ột giá tr ị h ệ số nhám , lòng chính có một giá t r ị khác v à bãi p h ải có một giá t r ị khác Số vận chuyển của mỗi m ặt cắt được tính riêng và số vận chuyển tổng cộng bằng tổng của các số vận chuyến riêng lẻ Phương pháp này nhằm hướng cho h ìn h dạng h ìn h học m ật c ắ t ngang sông ă n k háp vâi các tỷ số độ rộng/độ sâu và nó có th ê đư a ra các sai sô về cao trìn h m ặt nước trong các m ặt cắt ngang hẹp giống như h ình chữ n h ậ t GSTARS 2.1 giả th iết một h ệ sô n h ám cô địn h cho mỗi m ặt cắt ngang
Tổn th ấ t do m a s á t hf q u a mỗi đoạn sóng là tích sô' của độ doc m a s á t và chiểu dài đoạn sông Ax Nó có th ể được xác định từ một trong bốn lự a chọn s a u đây:
• từ độ dốc m a s á t tru n g bìn h củ a các đoạn sông kề liền: h f = ỉ ( s f Ị + s f2 )A x (3.14)
- từ độ dốc m a sát tru n g bình nhân: h f = &XyjSf]S i2 (3.15)
- từ sô' vận chuyển tru n g bình: h f = Ị — — — ỊlA x (3.16)
Ax^Sf]Sf2
í 2Q- ì lKl + K 2 J
r 2s „ s f2 s
- từ tr ị tru n g bình điểu hoà: h f = -L J 1 f2 Ux (3.17)
Trang 5Tổn th ấ t cục bộ gây bởi sự mở rộng và th u hẹp lòng dẫn h R được tín h theo công thức:
Ịv.2 V.? I
E I2g 2 gỊ trong đó: C E là h ệ số tổn th ấ t năn g lượng Trong GSTARS 2.1, C E được đặt đến 0.1 đối với các th u hẹp và 0.3 đối vối các mờ rộng
Các tốn th ấ t khác n h ư tổn th ấ t do các khúc cong của kên h hoặc do các công trìn h xây dựng bởi con người được tín h theo công thức:
2g trong đó: CH là h ệ sô ton th ấ t n ăng lượng do người sử dụng cung cấp Đôi vối p h ần lớn các sông tự nhiên, các giá tr ị C 1S được giả th iết bằng 0 Tong tổn th ấ t n ăng lượng giữa h ai m ặt
cắ t ngang kể liền bằng tổng các tổn th ấ t do ma sát và các tổn th ấ t cục bộ
4 ứ n g d ụ n g m ô h ì n h n ư ớ c v ậ t t r o n g G STA R S 2.1 đ ể t í n h t r ắ c d i ệ n d ọ c m ặ t n ư ớ c
c h o đ o ạ n s ô n g H ồ n g t ừ H oà B ìn h đ ế n H à Nội
4.1 M ô tà đ o ạ n s ô n g n g h iê n cứ u
Đoạn sóng nghiên cứu gồm đoạn sông Đà từ Hoà Bình đến ngã ba Thao-Đà và đoạn sông Hồng từ ng ă ba Thao-Đà đến Hà Nội T rên đoạn sông nghiên cửu này có h a i nhánh nhập lưu và m ột chi lưu N hánh nh ập lưu thử n h ấ t là sông Thao tạ i ngã ba Thao-Đ à và nhánh n hập lưu th ừ h a i là sông Lô tại ngã ba Lô-Hồng Chi lưu duy n h ấ t là sông Đuống từ
n g ả ba H ồng-Đ uống
Mô hìn h GSTARS 2.1 được h ạ n ch ế cho nhửng sông đơn nhưng nó có th ể bao gồm các đóng góp nưóe v à bùn c á t bỏi các nh án h chảy vào hoặc chảy r a khỏi đoạn sông mô hìn h hoá Bởi vậy, có th ể xem n hư trên đoạn sông nghiên cửu từ Hòa B ình đến Hà Nội có h a i điểm
n h ập lưu cục bộ v à m ột điểm ph ân lưu cục bộ Điểm nhập lưu cục bộ th ử n h ấ t là cùa sông Thao vào sông Đ à tạ i ngả ba Thao-Đ à và điểm n hập lưu th ứ h ai là củ a sông Lô vào sông Hồng tạ i Ngã b a Lô-Hồng Điểm p h ân lưu cục bộ duy n h ấ t là sông ĐuôYig từ ngã b a Hồng- Đuống
4.2 Cơ s ở s ố liệ u
Dựa theo các yêu cầu vê sô liệu đầu vào của môdun nước v ậ t trong mô h ình GSTARS 2.1, các số liệu sau đây đ ã được th u th ậ p để tín h trắc diện dọc m ặt nưốc cho đoạn sông nghiên cứu:
* S ố liệu đ ịa hình: do Đoàn khảo s á t sông Hồng đo đạc năm 1992, bao gồm:
• 38 m ặt cắt ng an g (từ sô 10 đến số 47) trê n sông Đà đoạn từ Hoà B ình đến ngã ba Thao-Đà
- 17 m ật cắt n g an g (từ sô 48 đến sô 64) trê n sông Hồng đoạn từ ngã ba Thao Đ à đến
H à Nội
Trang 6* S ô liệu th ủ y văn: đo đạc n ăm 1992 và 1993 của T ru n g tâm K hí tượ ng Thùy văn
Quốc gia Số liệu này bao gồm:
- Lưu lượng nưốc bìn h quân ngày tại các trạm Hoà B ình ti ên sông Đà, Yên Bái trên sông Thao, Vụ Q uang trê n sông Lô và Thượng C át trê n sông Đuống
- Mực nước bình q uân ngày tạ i h a i trạ m Sơn Tây và H à Nội trên sông Hồng
4.3 S ơ đ ồ h o á đ o ạ n s ô n g n g h i ê n cứ u
T rên cơ sỏ các s ố liệu địa h ình và thủy văn đã th u th ậ p được, đoạn sông nghiên cứu
đ ã được sơ đồ hoá nh ư trê n h ìn h 3.6 Biên trên (biên thượng lưu) là trạ m th ủ y vãn Hoà Bình
và biên dưới (biên h ạ lưu) là trạ m thủy văn H à Nội Điểm n h ập lưu cục bộ th ứ n h ấ t là nhập lưu của sông T hao vào sông Hồng tại ngã ba Thao-Đà Điếm n h ập lưu cục bộ th ử hai là
n h ập lưu của sông Lô vào sông Hồng tại ngã b a Lô-Hồng Đ iểm p h ân lưu cục bộ duy n h ấ t là
p h ân lưu sông Đuấng từ ng à ba Hồng-Đuống
4.4 F ile s ố li ệ u đ ầ u vả o
Trong G STARS 2.1, các số
liệu được lập bảng trong file ASCII
File được tổ chitc theo các bản ghi
liên tiếp Một bản ghi là m ột dòng
dài tới 80 ký tự được p hân chia
th à n h các trường có độ rộng cô
định Các trườ ng được đ án h s ố từ
trá i q u a phải, b ắ t đầu từ ký tự bên
trá i đầu tiên Trường 0 dài 2 ký tự
v à được sử dụng để đ ịnh tê n của
bản ghi Các trườ ng từ 1 đến 10
được sử đụng để vào s ố liệu cho
GSTARS 2.1 Trường 1 dài 6 ký tự;
trường 2 đến 1 0 dài 8 ký tự
Sô” liệu thủy lực y êu cầu gồm
số liệu hìn h học lòng d ẫn và sô' liệu
thủy văn Sô liệu h ìn h học lòng dẫn
được trìn h bày đầu tiên gồm hình
d ạng hình học m ật cắ t ngang, độ
nhám lòng đẫn và các h ệ sô tổn
th ất Tiếp theo trìn h bày đến sô
liệu thủy văn gồm lưu lượng nước
và mực nước
Đ oạn sông nghiên cứ u được
mô tả bởi 55 m ặt c ắ t ngang Hình
dạng h ình học củ a các m ặt cắt
ngang được mô tả bởi các cặp toạ độ
H ó I lò a B in h
A JLj
10 M Hòa Bình
ỉ
Irung
Hà-'Sồng Lô A
Vụ Quang
C h ú s i à i
<[j Trạm thúy văn
I Biên dưới
□ Biôn trôn
_ » Điểm phân
lưu cục bộ Điểm n hập lưu cục bộ 1«; Vị tr í m ặt
c ắ t số 62
~E~
Thượng Cá!
H à Nội
H ình 3.6 So đồ tinh cùrt đoạn sông nghiên e
Trang 7liệu chung đõì vâi mỗi đoạn sông và luôn luôn dương Các vị t r í ngang (X) được cho bằng cách sử dụng m ột điểm th a m khảo đối vối mỗi m ặt cắt ngang và các cặp toạ độ được vào theo thít tự tản g toạ độ X, tức là b ắt đầu từ bờ trá i sang bờ phải cũa m ặt cắt ngang (nhìn xuôi dòng) Mỗi một m ật cắt ngang được n hận dạng bằng m ột giá tr ị biểu diễn khoảng cách tín h từ điếm th am khão đ ịnh vị ở h ạ lưu Khoáng cách giữa các trạ m là khoảng cách đo dọc theo dòng chảy, được tính b ằng hiệu giữa các sô n h ận dạn g m ặ t c ắ t ngang Các trạm được vào liên tục, b ắ t đầu từ m ặt cắ t ngang xa n h ấ t phía thượng lưu v à tiếp tục xuôi theo dòng
Mồi m ột m ặt cắt ng an g có th ể dược p h â n chia th àn h m ột số phàn khu lòng dẫn có độ
n hám không đỏi Mỗi m ột ph ân k hu này sẽ có giá t r ị hệ sô độ n hám l iêng Trong nghiên cứu này, cản cứ vào hình dạng c ủ a từng m ặt cắt ngang, mỗi m ặt cất ngang được chia th àn h ba
p h ân khu gồm bãi trá i, lòng chính và bãi phải Như vậy, có ba giá t r ị độ nhám được vào đối với mỗi m ặt c ắ t ngang
Tó chức một m ặ t cắt ngang trong bản ghi sô liệu được th ể hiện trong h ình 3.7 Mỗi
m ặt cắt ngang được địn h n g hĩa bởi m ột bộ có 4 bán ghi.: ST, ND, x s và RH Ban ghi ST,
ND, x s v à RH p h ải được cung cấp tạ i mỗi m ặt cắt ngang đo đạc dọc theo đoạn sông nghiên cửu Bản ghi ST bao gồm thông tin rõ ràng vê m ặt cắt ngang tương ửng Nó gồm vị tr í và sô điếm cần đê xác định mỗi m ặ t cắt ngang, sô chì m ặt cắ t ngang có phái là m ặt cắt kiếm soát hay không, hệ sô được sứ dụng đe hiệu chinh cao trìn h và khoảng cách th ắng góc với đường chủ lưu cho mỗi m ặt cắt ở nơi cần th iết và hệ số tổn th ấ t n ăn g lượng cục bộ Ban ghi ND được sử dụng để xác d ịnh sô phân khu lòng dẫn tại m ặt cắ t đ ã cho và cốc vị t r í theo chiều tương ửng cùa chúng B ản ghi x s được sử dụng để vào h ình dạn g h inh học lòng dẫn cùa trạm đã cho b ằng cách sử dụng các cặp toạ độ X-Y (hoặc Y-X) Bản ghi RH xác định hệ sô'
n hám cùa mỗi ph ân khu lòng dẫn đã được n h ận dạn g trên bản ghi ND trước ciia m ặt cắt ngang
H ìn h 3.7. Tổ chức một mặt cắt ngang trong bản ghi số liệu
GSTARS 2.1 có th ề dùng các phương trìn h M anning, Darcy-Weisbach hoặc Chézy đế tín h độ dôé n ăn g lượng v à số vặn chuyến Phương trin h m uốn sử dụng được lựa chọn bằng cách dùng m ột bản ghi RE và trìn h bày sau số liệu hìn h d ạng h ình học lòng dẫn Bàn ghi
Trang 8RE cũng được sử dụng để đ ịnh rõ phương trìn h dùng để tín h độ dốc m a s á t cục bộ Trong nghiên cứu này đ ã chọn sử dụng phương trìn h M anning
Các sô' liệu th ủ y lựg cần th iế t để mô phỏng s ố là mực nước v à cao trìn h m ặt nưâc tương ứng tạ i các biên (các điều kiện biên) Điểu kiện biên trê n là đường quá trìn h lưu lượng chảy vào đoạn sông nghiên cứu, tức q u a trạm Hoà Bình Đường q u á trìn h lưu lượng này được xấp xỉ bằng các xu ất hiện đột ngột củ a các lưu lượng và thời đoạn không đổi Trong nghiên cứu này, bưốc thời gian At = 1 ngày được chọn để rời rạc hoá đường q u á trìn h lưu lượng Điều kiện biên dưối là đưòng quá trìn h mực nước b ình q u ân ngày tạ i trạ m h ạ lưu
xa n h ấ t (trạm H à Nội)
Trong GSTARS 2.1, các đường quá trìn h lưu lượng được cho dưối d ạng b ảng vổi các giá trị rời rạc bằn g bội sô” của số gia thời gian cố định, tức là củ a bước thời gian Các cao trìn h m ặt nưỏc tương ứ ng được cho cả bằng dạng b ảng hoặc bằn g các đường cong mực nước- lưu lượng Loại đầu vào đối với lưu lượng nước được lự a chọn b ằn g cách xác định giá trị IOPTQ trong b àn ghi QQ và loại đầu vào đối vói các mực nưóc tương ửng được lựa chọn bằng cách xác định giá t r ị IOPTSTQ trong b ản ghi s s S au đó, các sô' liệu được vào nhò sử dụng các b ản ghi IT, s s , Đ, SQ, TL, TQ, RC và NC P hụ thuộc vào việc chọn các lự a chọn, một sô' bàn ghi này có th ể được bỏ qua Trong nghiên cửu này đ ã chọn bảng mực nước-lưu lượng tại trạ m kiểm soát Lựa chọn này được chọn bằng cách d ù n g lự a chọn STAGE DISCHARGE TABLE trong b ản ghi s s và lự a chọn TABLE O F DISCHARGES tro n g bán ghi QQ B ảng được v ào nhờ sử dụng các bản ghi TL v à SQ
Mặc dù GSTARS 2.1 được giới h ạ n cho những sông đơn nh ư n g nó có th ể bao gồm cả các đóng góp nước và bù n c á t bởi các n h á n h vào đoạn sông mô h ìn h hoá Thông tin cần thiết
để mô h ìn h ho á các ản h hưởng củ a dòng chảy nh án h là lưu lượng nước của nhánh Thông tin này dược th iế t lập tro n g các fUe riêng biệt, m ột file cho mỗi nhán h Các tê n file cho mỗi
nh án h được qua GSTARS 2-1 bằng cách sủ dụng các b ản ghi LI Đối vói mỗi nh án h , sủ dụng
m ột bản ghi LI đ ịnh vị s a u bản ghi RH tương ửng với m ặt cắt n g an g ở ngay phía h ạ lưu kê
từ nhánh Thông tin dòng chảy n h án h vào được th iết lập bằng cách sử dụ n g các bản ghi DD Đối với đoạn sông nghiên cứu, n h án h chảy vào th ứ n h ấ t là n h á n h sông Thao có lưu lượng chảy vào bằng lưu lượng thực đo tạ i trạm Yên Bái; n h á n h chảy vào th ử h a i là sông Lô có lưu lượng chảy vào là lưu lượng thực đo tạ i trạ m Vụ Quang Chi lưu duy n h ấ t là sông Đ uống có lưu lượng phân đi là lưu lượng thực đo tạ i trạm Thượng C á t
4.4 Đ iều k iê n b a n đ ầ u v ả đ i ê u k iệ n b iê n
Sô liệu thực đo m ặ t c ắ t ngang năm 1992 cù a 55 m ặt cắt ngang trê n sơ đồ tín h của đoạn sông nghiên cứu được sử dụng làm điếu kiện địa hìn h ban đầu T ại thời điểm b an đầu (t=0, chư a tín h toán), lưu lượng và mực nước tại t ấ t cả các m ặt c ắ t đều bằng 0 Điều kiện biên trê n là quá trìn h lưu lượng bình q uân ngày tạ i trạ m Hoà B ình Điểu kiện nội biên là lưu lượng n h ập lưu cục bộ cùa nh án h sông T hao (trạm Yên Bái) và sông Lô (trạ m Vụ Quang) cùng lưu lượng p h ân lưu cục bộ là lưu lượng sông Đ uống (trạ m Thượng Cát) Điều kiện biên dưới là quá trìn h mực nước bình qu ân ngày tại trạ m H à Nội
Trang 94.5 H iêu c h ỉ n h m ó h ìn h
Đe hiệu chỉnh mô hìn h nưốc v ậ t nhằm tìm bộ thông số tối ưu, nghiên cứ u đã sử dụng
số liệu địa hìn h và thủy văn thực đo năm 1992 Sô' liệu địa h ìn h này bao gồm số liệu đo đạc
m ật cắ t dọc sông từ Hoà B ình đến Hà Nội và sô liệu đo đạc m ặt cắt ngang cù a 55 m ặt cắt trong đó có 38 m ặt cắt trên sông Đ à và 17 m ặt cắt trê n sông Hồng, s ố liệu thủy văn bao gồm sô liệu quá trìn h lưu lượng bình q uân ngày n ám 1992 tạ i các trạ m Hoà Bình (biên trên), Yên Bái (nh á n h n hập lưu 1), Vụ Q uang (nh á n h n hập lưu 2), T hượng C át (chi lưu) và
sô liệu quá trìn h mực nước bình qu ân ngày năm 1992 tạ i trạm H à Nội (biên dưối) Các thông sô mô h ình nước v ậ t cần tối ưu là các hệ sô n hám M anning của lòng dẫn (gồm hai bải sông và lòng chính) v à phương pháp tín h tổn th ấ t do m a sát
4.5.1 H iệu ch ỉnh các hệ sô nhám M anning của lòng dẫn
Q uá trìn h hiệu chỉnh mô hìn h nhằm tìm bộ h ệ s ố nhám M anning củ a lòng dẫn (gồm hai bãi sông và lòng chính) được tiến h àn h theo phương pháp th ử sai n hư sau:
- Lựa chọn sơ bộ m ột bộ hệ s ố độ nhám M anning cho tấ t cả các m ặt c ắ t ngang trong sơ
đồ tính Việc lựa chọn các hệ số độ nhám này lấy trong khoảng các giá trị h ệ số nhám
M anning thưòng gặp: từ 0,05 đến 0,10 đối vói bãi sông và từ 0,02 đến 0,035 đối với lòng chính
- Sử dụng mô h ỉnh GSTARS2.1, lần lượt mô phỏng th ủ y lực vối bộ h ệ số nhám đă lựa chọn và m ột trong bốn phương ph áp tín h tổn th ấ t cho phép bởi mô h ìn h (ở đây sơ bộ chọn phương pháp tín h tổn th ấ t do m a s á t từ độ dốc m a s á t tru n g bình của các đoạn sông kể liền) trong điều kiện lòng dẫn được xem n hư cố định (lòng cứng), s ố liệu thủy lực đầu vào là sô' liệu quá trìn h lưu lượng bình q uân ngày năm 1992 tại các trạ m Hoà B ình, Yên Bái, Vụ
Q uang, Thượng C át và sô' liệu quá trìn h mực nước bình quân ngày nám 1992 tạ i trạm Hà Nội Các k ết q u ả mô phỏng th ủ y lực là mực nước tạ i t ấ t cả các m ặt c ắ t ngang trong sơ đồ tính
- Lấy trạ m Sơn Tây trên sông Hồng (m ặt cắt 54) làm m ặt cắt kiểm tra , từ các k ế t quả
mô phỏng thủy lực bởi mô hình vối bộ h ệ sô độ nhám M anning đã lựa chọn, lập chương trìn h con để trích v à vẽ đường quá trìn h mực nước bình qu ân ngày tại trạ m Sơn Tây năm 1992
So s án h nó với quá trìn h mực nước b ình quân ngày thực đo tạ i trạm Sơn Tây năm 1992 và đánh giá mửc độ phù hợp bằng tiê u chuẩn độ h ữ u h iệu R2 của Tổ chức Khí tượng T h ế giối (WMO) Bộ hệ số độ n hám M anning cho giá tr ị R2 lốn n h ấ t sẽ là bộ h ệ sô’ độ n hám tối ưu
Sau rấ t nhiều lần th ử sai vói n h iều bộ h ệ sô n hám lòng sông v à bãi sông khác nhau, nghiên CÛU đ ã lựa chọn được một bộ h ệ số lòng sông và bãi sông tối ưu: ri|6ní chInh = 0,027 và
n bil ring = 0,05 Với bộ h ệ s ố n hám này, mô phỏng th ủ y lực đ ạ t k ế t qu ả tố t nhất: đường quá trìn h mực nước tín h toán và thực đo tạ i trạm Sơn T ây năm 1992 r ấ t p h ù hợp với n h au (hình 3.8), độ hử u hiệu R2 đ ạ t tới 96,39%, sai sô’ quân phương tương đổi chỉ b ằng 0,24%, sai số tương đô’i cùa lưu lượng đỉnh bằng 6,1% Theo tiêu chuẩn củ a WMO, mô h ìn h được đ ánh giá
Trang 104.5.2 L ự a chọn công thức tính tổn th ấ t do m a sát
Mô hìn h GSTARS 2.1 cho phép lựa chọn m ột bốn phương p h á p để tín h tổn th ấ t do ma sát Đó là: phương ph áp tín h tổn th ấ t do m a s á t từ độ dôc m a s á t tru n g bình củ a các đoạn sông kề liền; phương p h áp tín h tổn th ấ t do m a s á t từ độ dốc m a sát tru n g b ình nhân; phương ph áp tín h tổn thâ't do m a s á t từ sô' vận chuyển tru n g b ìn h v à phương p h áp tín h tổn
th ấ t do m a s á t từ t r ị tru n g bình điểu hoà
Phương p háp tín h ton th ấ t do m a sát từ độ dốc m a sá t tru n g bình cùa các đoạn sông
kề liền đã được sử d ụ n g khi tối ưu hoá bộ h ệ sô nhám lòng dẫn củ a mô hình Vối bộ h ệ sô
n h ám lòng d ẫn đ ã tối ưu được, lần lượt chạy mô h ình cho từ n g phương p háp trong ba phương p háp còn lại, dùng chương trìn h con đ ã thiết lập, từ file đ ầ u r a có p hần mở rộng là
W PL, tiế n h à n h trích và vẽ đường q u á trìn h mực nưốc bình q u â n ngày tạ i trạm Sơn Tây
n ăm 1992 cho từ ng trườ ng hợp So s á n h nó vói quá trìn h mực nưốc bình qu ân ngày thực đo tại trạ m Sơn Tây n ăm 1992 và đán h giá mức độ p hù Kợp băng tiêu ch uẩn độ hữ u hiệu R-
cù a WMO C ác k ế t q u ả tín h th eo bốn phương p h áp trê n cho th ấy : phương p h áp tín h tổn
H ỉ n h 3.8. Đưclng quá trình mực nước tính toán và thực đo nâin 1992 tại trạm Srtn Tây
t h ấ t do m a s á t từ độ dốc m a sát tru n g bình cùa các đoạn sông k ề liền cho kết quả tốt nhất:
độ hữ u hiệu R-' đ ạ t kết quả cao n h ất, sa i sô' quân phương tương đối và sai sô' tương đối của lưu lượng đỉnh đ ạ t giá t r ị nhỏ n h ấ t C hình vì vậy, nó được chọn cùng vói bộ hệ sô' n h ám đã tối ưu để tín h to án th ù y lực cho đoạn sông nghiên cứu
4.6 K ỉern n g h i ệ m m ô h ì n h
Đe kiểm t r a độ ổn định của mô h ìn h nước v ậ t vối bộ thông s ố đã tối ư u được (hệ sô'
n hám lòng d ẫn và phương p h á p tín h tổn th ấ t do m a sát), nghiên cửu đ ã tiến h à n h kiểm nghiệm mô h ìn h với sô' liệu địa h ìn h n ăm 1992 và số liệu thủy văn độc lập n ăm 1993, lấy
m ặt cắt trạ m Sơn T ây làm m ặt cắt kiểm tra