CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH RANH GIỚI ĐÊ SÔNG VÀ ĐÊ CỬA SÔNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI Một công trình thủy lợi được đầu tư xây dựng sẽ trải qua rất nhiều giai đoạn triển khai thực hiện, trong đó khâu tư vấn thiết kế đóng vai trò chủ chốt, quyết định phần lớn tới hiệu quả làm việc của công trình. Tư vấn thiết kế phải lựa chọn đưa ra tổ hợp tải trọng bất lợi nhất có thể xảy ra trong thời gian khai thác, sử dụng công trình để tính toán, mà việc tổ hợp tải trọng chỉ có thể được thực hiện khi đã xác định được đúng phạm vi cụ thể của công trình tức là phạm vi được đặc trưng bởi đầy đủ các tải trọng của khu vực đó. Ví dụ như đối với đê sông thì tải trọng đặc trưng là mực nước trong sông. Đối với đê biển, ngoài mực nước thì tải trọng đặc trưng còn bao gồm các yếu tố sóng, triều và nước dâng do bão; Còn đối với đê cửa sông, nơi có sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố dòng chảy từ sông ra biển, thủy triều, nước dâng do bão thì tải trọng đặc trưng sẽ là tổ hợp tải trọng của cả yếu tố sông và biển.
Nội dung chương này sẽ trình bày một số phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông trên thế giới và tại Việt Nam dựa trên quan điểm về tương tác thủy động lực học giữa sông và biển. Giới thiệu về phương pháp xác định ranh giới đê sông và đê cửa sông trên thế giới 1. Phương pháp giải tích Phương pháp giải tích sẽ giải phương trình truyền sóng triều vào trong sông trong trường hợp đơn giản hóa hệ phương trình chuyển động, bỏ qua sự ảnh hưởng của các thành phần ma sát, phản xạ sóng và bỏ qua sự tác động của nước sông tới sóng triều. 5 Sóng triều truyền vào trong sông về cơ bản được cân bằng bởi lực ma sát (theo định luật Chézy).
Hệ phương trình mô phỏng bài toán này gồm: ∂Q ∂η Phương trình liên tục: +b =0 (1. 1) ∂x ∂t 1 ∂Q ∂η Q|Q| Phương trình chuyển động: +g - gI + g 2 2 = 0 (1. 2) A ∂t ∂x C A R Giả thiết rằng độ lệch của mực nước trung bình là nhỏ, điều này dẫn đến C, A, R có thể được xem như là các hằng số. Do lực ma sát là phi tuyến nên rất khó giải hệ phương trình để có nghiệm giải tích.
Do đó thành phần này được tuyến tính hoá: Q|Q| g |Q| g 2 2 = 2 2 xQ = mQ (1. 3) C A R C A R g |Q| Trong đó: m = 2 2 C A R Vì: g, C, A, R được xét như là các hằng số, m là trung bình lưu lượng |Q| trong một chu kỳ triều. Nên m là giá trị trung bình của ma sát trong một chu kỳ triều. Do kết quả tuyến tính hoá nên nghiệm sẽ không thấy sự biến dạng của sóng triều do ma sát bậc hai.
Phương trình tuyến tính hoá trở thành: ∂Q ∂η +b =0 ∂x ∂t (1. 5) Chuyển hoá hệ phương trình này sang hệ phương trình theo mực nước η, và gA 2 thaytốc độ truyền sóng = co , được phương trình: b 6 ∂ η 2∂ η ∂η 2 2 - co 2 + mA = 0 , đây là phương trình sóng. ∂t 2 ∂x ∂t Nghiệm dao động của phương trình sóng tuyến tính có dạng: η = a~0 e± λx cos( ωt ± kx) (1. 6) Trong đó: - a~ o : Biên độ sóng tại x=0 a~ o e : biên độ sóng, hàm phụ thuộc vào x ± λx - - ω, k: là biến chưa biết.
Không bao giờ có sóng với biên độ rất cao xảy ra với x = - ∞ (lên phía thượng lưu sông), nên chỉ có e+λx thoả mãn. Sóng trên sông là sóng tiến theo phương x là âm, nên chỉ xét đến cos( ωt + kx). Nghiệm của phương trình là: η = a~0 eλx cos( ωt + kx) (1. 7) Đây là sóng tiến đơn, truyền theo hướng thượng lưu với biên độ giảm dần.
Các yếu tố λ và k có thể tìm được bằng cách thay nghiệm vào phương trình truyền sóng. Kết quả được tính theo công thức 2 2 ω - 1+ 1 + m A ω2 λ= (1. 9) co 2 • Sự tắt dần của sóng triều 7 Sóng triều trong sông Biên độ sóng tắt dần theo hướng về thượng lưu Hình 1.1 Quá trình lan truyền và tắt dần của sóng triều trong sông Sự tắt dần của sóng triều được xác định bằng yếu tố eλx trong nghiệm tổng quát: η = a~0 eλx cos( ωt + kx) (*) Thay các giá trị: G = 10 m /s2; |u| = 1 m/s; C = 50 m1/2/s; R = 5 m; ω M = 0.00014 - 1 + 33 = 32 λ= = 3 × 10-5 m-1 ω 2 ; co = gh = 50 ; 100 vào (*) ta được: Tại x = 0 (ở cửa sông), biên độ là a~o Sự giảm biên độ theo hướng thượng lưu có thể được xác định như sau: * x = - 33 km λ x x = -1, nên e-1 = 0.05 Như vậy sau 100 km chỉ còn lại 5% biên độ. 8 Từ việc tính toán sự giảm dần của biên độ sóng triều sẽ xác định được vị trí mà có độ lớn triều bằng với độ lớn triều cho phép.
Tuy nhiên đây là trường hợp lý tưởng, trên thực tế, lưu lượng sông luôn thay đổi theo không gian và thời gian, do lượng nước từ thượng nguồn đổ về và do địa hình lòng sông không đồng đều. Đồng thời thủy triều ngoài biển không phải là một sóng đơn mà là tổng hòa của rất nhiều các con sóng đơn. Chính vì vậy cần phải giải hệ phương trình mô phỏng chuyển động của chất lỏng đầy đủ hơn, xem xét được hầu hết các yếu tố ảnh hưởng đến xâm nhập của thủy triều dọc theo chiều dài sông. Phương pháp thống kê Theo phương pháp này, một số yếu tố tự nhiên có ảnh hưởngđến chế độ thủy động lực ở vùng cửa sông sẽ được phân tích bằng phương pháp thống kế nhằm xác định ra quy luật tác động cũng như diễn biến của chế độ thủy động lực, từ đó áp dụng vào việc xác định ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông.
Việc áp dụng phương pháp thống kê để nghiên cứu bài toán đặt ra đòi hỏi phải có một bộ số liệu đo đạc liên tục và chi tiết chế độ thủy động lực (bao gồm mực nước, dòng chảy) dọc theo vùng cửa sông. Bộ số liệu này cũng phải đảm bảo đủ dài (với chuỗi số liệu từ 20 năm trở lên) để đủ tin cậy khi tiến hành các phân tích thống kê. Khi đó việc xác định ranh giới được thực hiện như sau: + Xác định biến thiên độ lớn triều theo thời gian tại các vị trí dọc sông trong mùa lũ; + Vẽ đường bao độ lớn triều dọc theo sông và đưa ra vị trí có độ lớn triều lớn nhất trên sông bằng với độ lớn triều cho phép [a]. 9 + Độ lớn triều cho phép [a] được xác định phụ thuộc vào cấp độ quan trọng của từng tuyến đê và giá trị giới hạn trong khoảng: [a] ≤ 0,5m.
Cấp công trình càng quan trọng thì giá trị giới hạn [a] càng lớn.2 Sơ họa bước tính xác định ranh giới đê sông - đê cửa sông theo phương pháp thống kê Đây là trường hợp lý tưởng nhất, nhưng trên thực tế, việc đo đạc các đặc trưng thủy văn liên tục và đặt nhiều trạm thủy văn ở khu vực cửa sông khá tốn kém và khó thực hiện đặc biệt là ở những nước đang phát triển. Do vậy, trên thế giới chỉ một số nước phát triển như Mỹ, Trung Quốc, Hà Lan. mới sử dụng phương pháp này để tính toán kiểm tra so với các kết quả tính toán hiện đại như sử dụng mô hình toán. Phương pháp mô hình hóa Phương pháp mô hình hóa sẽ mô phỏng các quá trình, hiện tượng thủy văn - thủy lực dưới dạng các phương trình toán học, trên các máy tính cá nhân (PC) nhằm tìm ra các quy luật diễn biến mực nước và dòng chảy ở vùng cửa sông.
Hiện nay có rất nhiều phần mềm thủy động lực có thể ứng dụng được trong tính toán thủy văn, thủy lực ở vùng cửa sông, ven biển như mô hình như 10 Krsal, Hec-Ras, Sobek, Duflow, Mike 11…Ngoài ra, phải kể tới các bộ phần mềm thương mại cho phép tích hợp giữa mô hình thủy lực 1 chiều trong sông với mô hình thủy lực 2 chiều ngoài biển đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới như bộ phần mềm MIKE do Viện nghiên cứu Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển, bộ phần mềm Delft 3D do Viện nghiên cứu thủy lực Delft (Delft Hydraulics), nay là Deltares, Hà Lan phát triển và bộ phần mềm TELEMAC do Phòng thí nghiệm quốc gia về thủy lực và môi trường của Pháp (LNHE) phát triển. Các bộ phần mềm thương mại trên có thể tính toán tương tác của dòng chảy lũ trong sông với các trường hợp sóng và nước dâng thực tế ngoài biển cho các năm khác nhau. Dựa trên các kết quả mô phỏng từ các mô hình thủy lực để phân tích đường quá trình mực nước triều dọc theo sông và tìm ra ranh giới giữa đê sông và đê cửa sông theo các tiêu chí đề ra. Cửa sông là vùng rất phức tạp chịu ảnh hưởng của cả các yếu tố phía sông và phía biển.Việc giải quyết bài toán thủy động lực học vùng cửa sông từ quan điểm tiếp cận hoặc chủ yếu từ phía sông, hoặc chủ yếu từ phía biển sẽ không phản ảnh đầy đủ bản chất vật lý của vấn đề.
Do đó việc tích hợp các quá trình thủy động lực học từ phía sông với các quá trình thủy động lực học từ phía biển là xu thế phù hợp. Năm 2007, hai tác giả người Trung Quốc - Ding và Yang đã tiến hành một nghiên cứu sử dụng một mô hình tích hợp để mô phỏng sự biến dạng của sóng trong những vùng cửa sông trong mối tương tác với các dòng chảy khác như dòng triều và dòng chảy từ sông ra biển. Mô hình này được tích hợp giữa mô hình tác động của sóng với mô hình thủy động lực học 2 chiều, CCHE2D (Mô hình được xây dựng và phát triển bởi Trung tâm quốc gia về mô phỏng các bài toán kỹ thuật và nguồn nước thuộc trường Đại học Mississippi (NCCHE).
