MỞ ĐẦU Khai thác các nguồn lợi sông ngòi liên quan đến việc kiểm soát và sử dụng các dòng sông vì lợi ích của loài người. Về nghĩa rộng, nó bao gồm chỉnh trị sông, thiết kế kênh, kiểm soát lũ, cấp nước, cải thiện giao thông, thiết kế công trình thuỷ lợi, giảm thiệt hại, và bảo vệ và cải tạo môi trường. Khi khai thác các nguồn lợi của sông ngòi bằng các biện pháp công trình (như là xây đập, kênh mương hoá, phân dòng, xây dựng cầu, khai thác cát sỏi .), cần xem xét các phản ứng của sông ngòi xảy trong thời gian ngắn hoặc có thể tồn tại trong một thời gian dài, sự thay đổi bản chất về kiểm soát và sử dụng. Đánh giá sự phản ứng của sông ngòi là cần thiết cho các giai đoạn quy hoạch và thiết kế công trình.
Sử dụng các nguyên tắc cơ bản về kỹ thuật công trình và đánh giá chế độ diễn biến bùn cát trong sông là yêu cầu bắt buộc trong việc phân tích các điều kiện cụ thể của mỗi công trình trên sông. Nghiên cứu các quy luật về chuyển động dòng chảy trong lòng dẫn hở trong đó có dòng chảy trong sông thiên nhiên là cơ sở cho việc thiết kế, quy hoạch các công trình thuỷ lợi và kiểm soát lũ lụt. Lịch sử phát triển kỹ thuật sông ngòi đã có từ rất lâu. ở Ai- cập đã sử dụng đập trữ nước trên sông Nile sau đó phân phối nước qua kênh dẫn dòng.
Người Trung quốc đã biết sử dụng hệ thống đê chống lũ từ hàng nghìn năm trước. Các đường ống cấp nước và kênh thoát nước được xây dựng 3000 năm trước công nguyên được tìm thấy trong lưu vực sông Indus. Cống dẫn nước đã được sử dụng từ thời La mã cổ đại, chuyển nước từ các suối vào các bể chứa. Các cống có hình chữ nhật phù hợp với điều kiện tự nhiên về địa hình và độ dốc.
Lưu lượng dòng chảy trong cống thời đó xác định như diện tích mặt cắt ngang mà không đề cập đến vận tốc hay độ dốc. ở Việt nam các kênh đào đã được hình thành từ thời phong kiến, điển hình là việc mở rộng sông Đuống và kênh Nhà Lê. Tuy nhiên, tất cả các ứng dụng thành công đó hầu hết dựa vào kết quả từ các kinh nghiệm trong xây dựng các công trình thuỷ lợi mà chưa có các nghiên cứu lý thuyết một cách bài bản. Quy luật vận chuyển của dòng chảy trong kênh hở được nghiên cứu khá kỹ đặc biệt là sự thực hiện các mô hình thí nghiệm có tính cơ bản trong các phòng thí nghiệm.
Trong sông thiên nhiên các quy luật vận chuyển nước trong lòng dẫn rất phức tạp và có sự khác biệt so với điều kiện lý tưởng, bởi vậy những nghiên cứu về dòng chảy hở vẫn tiếp tục được nghiên cứu nhằm là chính xác hơn những tính toán thuỷ lực trong sông thiên nhiên. Thuỷ lực kênh hở nghiên cứu các hiện tượng vật lý của dòng chảy với mặt thoáng tự do và hình thành do lực trọng trường. Kênh hở tự nhiên bao gồm các sông suối và cửa sông, các kênh nhân tạo gồm các đường cống thoát nước mưa (không áp), nước thải, rãnh thoát nước, kênh tưới và các kênh phân lũ. ứng dụng thuỷ lực kênh hở trong việc thiết kế các kênh nhân tạo như tưới, tiêu, cấp nước và vận chuyển chất thải; phân tích lũ trong các sông suối tự nhiên; mô tả các vùng ngập lụt và đánh giá các thiệt hại 7 do lũ lụt với một tần suất nào đó gây ra.
Thuỷ lực kênh hở cũng được ứng dụng mô tả sự vận chuyển chất bao gồm bùn cát và chất ô nhiễm, ngoài ra còn có thể ứng dụng trong việc dự báo sự ngập lụt do vỡ đập hay lũ lụt do bão. Các vấn đề phức tạp được giải quyết trong dòng chảy kênh hở được kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Các nguyên tắc cơ bản được thoả mãn đối với các phương trình liên tục, bảo toàn năng lượng và cân bằng mô men. Nhưng thường phải sử dụng đến các thí nghiệm để hoàn thành các vấn đề.
Người ta đã sử dụng kết hợp các phương pháp hình học để mô tả các mặt cắt phức tạp khi mô tả các phương trình phi tuyến. Phân tích dòng chảy không ổn định hay sự biến đổi của các vấn đề về ngập lụt đòi hỏi thời gian tính toán dài trên may tính. Ngày nay, với sự phát triển của máy tính cá nhân và các trạm máy chuyên dụng đã cung cấp có hiệu quả và linh hoạt giải quyết các vấn đề đơn giản đến phức tạp của thuỷ lực kênh hở đặc biệt là mạng sông có cấu trúc phức tạp. Ở Việt nam lĩnh vực thuỷ lực sông ngòi đã nghiên cứu trong nhiều năm nay, các mô hình toán đã được ứng dụng và phát triển.
Một số mô hình đã được các nhà khoa học Việt nam thiết lập, điển hình là các mô hình VRSAP (1978) của cố Giáo sư Nguyễn Như Khuê, mô hình KOD01 (1974) và KOD02 (1985) của GS Nguyễn Ân Niên và một số mô hình khác. Các mô hình này đã được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất ở nước ta. Các mô hình của nước ngoài như mô hình SOGREAH (1964) đã được sử dụng nghiên cứu bài toán lũ tràn đồng ở Đồng Bằng Sông Cửu Long và gần đây là một số mô hình khác như MIKE 11 (1996), MIKE Flood (2000) và MIKE 21C đã được sử dụng. Điều đó cho thấy việc ứng dụng các mô hình diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông là rất quan trọng trong thực tế sản xuất ở nước ta, đặc biệt là các bài toán kiểm soát lũ đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long.
Mục đích cuốn sách này trình bày các kỹ thuật mô phỏng số hiện đại giải quyết các vấn đề thuỷ lực trong kênh hở và nhấn mạnh các kết quả thí nghiệm và ứng dụng của chúng trong dòng chảy kênh hở. Các vấn đề thay đổi hình thái trong các sông bồi lắng cũng được nghiên cứu. Tóm lại, tập trung vào ứng dụng các nguyên tắc cơ bản của cơ học chất lỏng trong các vấn đề của dòng chảy trong kênh hở, trong đó các giả thiết và giới hạn của các mô hình số được giải quyết. Kết hợp giữa lý thuyết, thực nghiệm và kỹ thuật số được áp dụng và cung cấp kiến thức tổng hợp về cơ học chất lỏng hiện đại.
Các mô hình thuỷ văn và thuỷ lực sử dụng trong diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông đều được đề cập trong tài liệu này. Ngoài ra các vấn đề về động lực lòng sông và các mô hình truyền chất cũng được trinh bày trong tài liệu này. Hệ thống sông Một con sông nằm trong một hệ thống sông, bao gồm cả khu vực tập trung nước và hồ chứa hạ lưu, hoặc đại dương. Schumm (1977, [8]) đã chia hệ thống sông thành ba phần (xem hình 1-1): 8 - Vùng 1 ở thượng nguồn: là phần lưu vực sinh thuỷ, hầu hết lượng nước trong sông và bùn cát sinh ra ở vùng này.
Các dòng suối nhỏ trong vùng có đặc điểm không ổn định. Bởi vì các kênh không ổn định, việc nghiên cứu hình thái dòng chảy chỉ có thể thực hiện một cách tổng quát và thường không được nghiên cứu chi tiết. Vùng 2: là đoạn sông có chế độ dòng chảy sông ngòi ổn định nhất. Đối với các sông lớn thì chiều dài của vùng tương đối lớn, nhưng nhập lưu khu giữa của vùng này nhỏ.
Đây là đoạn sông được quan tâm nghiên cứu, các mô hình hoá và mô hình kiểm soát được thực hiện. Mặc dù sự ổn định tương đối, kênh sông, là một hệ thống động lực, vẫn thay đổi nhanh và rõ rệt theo thời gian. Vùng 3 gần cửa sông: Đây là đoạn sông bị ảnh hưởng bởi thuỷ triều, cao trình đáy thường thay đổi, lòng dẫn biến động nhiều. Các sông trong vùng này thường quanh có và có nhiều đoạn có hình xoắn.
Vùng 1 Vùng 2 Vùng 3 (Vùng sinh thuỷ) (Vùng chuyển tiếp) Vùng cửa sông (tam giác châu) Hình 1-1: Phân chia hệ thống sông 1. Các biến của sông bồi tích Sông bồi tích là sông tự hình thành tạo đáy và bờ lòng dẫn bởi quá trình bồi đắp hoặc xói mòn và phù sa được vận chuyển đi bởi nó giống như nó tạo nên bờ và đáy. Sự hình thành và phát triển của hệ thống sông ngòi phụ thuộc vào nhiều yếu tố và được mô tả bằng các tham số đặc trưng gọi là “biến”. Địa hình tự hình thành của sông bồi tích bao gồm nhiều biến.
Sự đa dạng của các biến đã làm cho hình thái sông và cơ chế sông là một chủ đề phức tạp thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Bước khởi đầu nghiên cứu đầy đủ hình dạng sông và sự thay đổi, các biến và mối quan hệ của chúng liên quan đến quá trình dòng chảy cần được xác định rõ. Các biến cho sông bồi tích được phân loại thành các biến độc lập và các 9 biến phụ thuộc, nghĩa là, nguyên nhân và kết quả. Những biến bị áp đặt dựa trên sông bởi bất cứ nguồn nào là các biến độc lập và biến kiểm soát, trong khi những biến còn lại là các biến phụ thuộc.
Các biến này bao gồm đặc điểm chất lỏng, đặc điểm bùn cát, và các đặc điểm của hệ thống dòng chảy như lưu lượng nước, lưu lượng bùn cát, chiều rộng kênh, độ sâu dòng chảy, vận tốc trung bình của nước, bán kính thuỷ lực, độ dốc kênh và hệ số ma sát. Việc lựa chọn các biến độc lập và phụ thuộc cho hệ thống kênh hở là tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và đặc điểm của hiện tượng được nghiên cứu. Bất kỳ biến nào được lựa chọn là biến độc lập. Trong trường hợp sông không ảnh hưởng triều, cần thiết phân biệt trên quan điểm ngắn hạn và dài hạn.
Schumn phân chia tỷ lệ thời gian theo các loại sau: ổn định theo thời gian, thay đổi dần theo thời gian, thời gian địa chất, tương ứng với các trường hợp ngắn hạn, dài hạn, và rất dài hạn. ổn định theo thời gian có thể được đo theo ngày, sự biến đổi dần theo thời gian có thể là hàng trăm năm, và thời gian địa chất có thể là hàng triệu năm. Độ dài của khoảng thời gian có thể biến đổi phụ thuộc vào lưu vực sông có diện tích lớn hay nhỏ. Các biến sông và trạng thái của chúng là các biến độc lập hoặc phụ thuộc trong suốt khoảng thời gian đã định.
Trong thời kỳ ngắn hạn, hoặc ổn định, khoảng thời gian, lưu lượng bùn cát là biến phụ thuộc có thể mô tả bằng hàm của lưu tốc.
