Bài giảng Công trình trên hệ thống thủy lợi - Chương 6: Tính toán thủy văn vùng sông ảnh hưởng thủy triều

Chương 6: Tính toán thủy văn vùng sông ảnh hưởng thủy triều I. Một số kiến thức về thủy triều1. Khái niệmThủy 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, 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 dươngCác sóng nước tạo ra do hiện tượng trên gọi là sóng triều1. Khái niệmSự di chuyển có chu kỳ của 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 thủy triều là hiện tượng dao động có chu kỳ của mực nước biển tại vị trí quan trắc 2. Các đặc trưng cơ bản của thủy triềuMực nước triều: là cao trình mực nước biển hoặc sông có ảnh hưởng thủy triều so với mặt chuẩn tại một vị trí quan trắc nào đó, thường ký hiệu là ZQuá 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). Chu kỳ triềuĐỉnh triềuChân triềuPha triều lênPha triều xuốngMực nước Z (cm)tBiên độ triềuChu kỳ triềuĐỉnh triềuChân triềuPha triều lênPha triều xuốngMực nước Z (cm)tBiên độ triềuThời kỳ liên tục dZ/dt > 0: pha triều lênThời kỳ liên tục dZ/dt 0: dòng triều lênNếu Q<0: dòng triều xuốngNếu Q=0: điểm ngưng triềuCác đặc trưng của dòng triều (tiếp)Tốc độ dòng triều: được đặc trưng bởi phân bố tốc độ tại một mặt cắt ngang và giá trị bình quân của nó tại mặt cắt đóTốc độ bình quân của mặt cắt ngang tại một thời điểm nào đó tính bởi công thức:V=Q/ATrong đó A là diện tích mặt cắt ngang sông.V+ : khi chảy xuôi dòngV-: khi chảy ngược dòngQuá trình dòng triều: là sự thay đổi lưu lượng hoặc tốc độ dòng triều theo thời gian Q(t) hoặc V(t).Tổng lượng triều: là lượng nước chảy qua mặt cắt nào đó tại đoạn sông ảnh hưởng triều trong một khoảng thời gian nhất định. K/h: WIII. Các biện pháp khai thác vùng cửa sông ven biển và nhiệm vụ tính toán thủy văn1. Các biện pháp khai thác vùng ven biểnQuy hoạch đê biển nhằm bảo vệ vùng đất thấpBảo vệ bờ biển không bị sạt lở dưới tác dụng của sóng và dòng ven bờCải tạo và quy hoạch các công trình giao thông ngoài biểnKhai thác thủy sản vùng ven bờCác mục tiêu khai thác tổng hợp2. Các biện pháp khai thác vùng sông ảnh hưởng triềuQuy hoạch và thiết kế cống ngăn triều với mục đích làm tăng khả năng tiêu tự chảy cho vùng ven sông và ngăn mặn xâm nhập vào vùng cửa sôngThiết kế và quy hoạch hệ thống đê ven sông vùng ảnh hưởng triềuThiết kế và quy hoạch hệ thống tiêu úng cho các khu vực canh tác nội đồngQuy hoạch, cải tạo giao thông thủy Quy hoạch và thiết kế các công trình điều tiết ngăn mặn phục vụ nuôi trồng thủy sản3. Nhiệm vụ tính toán thủy vănPhụ thuộc vào mục đích, phương thức khai thác và biện pháp công trìnhTính toán mực nước triều thiết kế hoặc mực nước lớn nhất, mực nước nhỏ nhất, hoặc tính mực nước bình quân trong thời đoạn thiết kế nào đóTính toán đường quá trình mực nước triều thiết kế trong thời đoạn tính toán TTính toán đường quá trình mặt nước trong sông theo trạng thái thiết kế của hệ thống3. Nhiệm vụ tính toán thủy văn (tiếp)Tính toán quá trình mực nước trong cả một vùng ven bờ, diễn biến mặn vùng ven bờTính toán xác định đường duy trì mực nước trong thời đoạn TTính toán diễn biến mặn vùng cửa sông và ven biển trong điều kiện tự nhiên hoặc có công trìnhTính toán điều tiết mặn cho vùng nuôi hải sảnTính toán ảnh hưởng của các hoạt động ở thượng lưu đến sự thay đổi chế độ thủy văn vùng sông ven biển v.vIV. Tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế vùng cửa sông ven biển1. Tính toán các đặc trưng mực nước triều thiết kếCó 3 phương pháp:Phương pháp phân tích điều hòaPhương pháp thống kê xác suấtPhương pháp mô hình toána) Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp có nhiều tài liệu thực đoTùy thuộc vào nhiệm vụ thiết kế công trình cần tính toán: mực nước đỉnh triều, chân triều, hày mực nước bình quân trong thời đoạn TPhương pháp tính toán: tương tự như khi tính toán xác định các đặc trưng thủy văn khácZp = f(Z,Cv,Cs,P)* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nướcMốc cốt địa hình của hệ thống sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sai số của đường tần suất. Giả sử có chuỗi số liệu thực đo Z1Thêm vào mỗi số hạng của chuỗi một giá trị a, được chuỗi mới Z2Z2i =Z1i+aXác định lại các tham số thống kê* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)Trị số trung bìnhKhoảng lệch quân phươngHệ số thiên lệch* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)Hệ số phân tánNhư vậy, khiZ càng lớn thì Cv càng nhỏ và ngược lại. Điều này dẫn đến sai số khi xây dựng đường tần suất.* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)Trong thực tế, người ta thay đổi mốc cốt cho hệ thống và xác định đặc trưng mực nước thiết kế. Sau đó sẽ chuyển giá trị mực nước tính toán về mốc cốt cũ của nó.Mực nước thiết kế theo mốc mới là:* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)Khi tính toán chuyển về mốc cốt cũ:Trong thực tế, cần chọn a sao cho sai số vẽ đường tần suất nhỏ.b) Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp có ít tài liệu Phương pháp phân tích tương quan:Xây dựng quan hệ tương quan mực nước cùng thời gian giữa 2 tuyến đoVẽ đường tần suất mực nước của trạm tương tự và xác định mực nước thiết kế của trạm tương tựTheo quan hệ tương quan đã xây dựng, xác định mực nước thiết kế của trạm nghiên cứuPhương pháp mô hình toán: sử dụng mô hình dòng không ổn định để diễn toán mực nước trên hệ thống sông.c) Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp không có tài liệuPhương pháp nội suy: tiến hành trên cơ sở tài liệu đo đạc ở tuyến trên và tuyến dưới. Điều kiện: 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 toán2. Xác định đường quá trình mực nước triều thiết kếTrường hợp có đủ tài liệu đo đạcTrường hợp có ít tài liệu đo đạcTrường hợp không có tài liệu đo đạca) Trường hợp có đủ tài liệu đo đạcXác định thời đoạn tính toán T.VD: đối với bài toán tiêu úng từ đồng ra sông, thời đoạn T có thể là 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày hoặc 15 ngày.Tính giá trị bình quân của mực nước đặc trưng trong thời đoạn TTương ứng với n năm quan trắc sẽ xác định được n giá trị ZVẽ đường tần suất (Zp~P), từ đó xác định mực nước triều bình quân thời đoạn thiết kế Zpa) Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc (tiếp)Lựa chọn trong chuỗi số liệu thực đo một con triều (quá trình triều) điển hình, với điều kiện dạng triều điển hình phải bất lợi và có trị số bình quân của mực nước đặc trưng gần bằng giá trị mực nước bình quân thiết kế trong thời đoạn tính toán TThu phóng đường quá trình triều điển hình thành đường quá trình triều thiết kếVD: tính toán quá trình triều thiết kế cho bài toán tiêu thoát nước cho thời đoạn T = 5 ngàyTH a: chọn thời kỳ triều kémTH b: chọn thời kỳ triều cườngVD: tính toán quá trình triều thiết kế cho bài toán tiêu thoát nước cho thời đoạn T = 5 ngàyb) Trường hợp có ít tài liệu đo đạcXác định quan hệ tương quan mực nước triều giữa hai trạm đoVẽ đường tần suất và xác định mực nước triều bình quân thiết kế thời đoạn T của trạm tương tựTheo quan hệ tương quan xác định mực nước triều bình quân thiết kế thời đoạn T của trạm tính toánChọn dạng điển hình từ các quá trình mực nước triều thực đo trạm tính toánXác định hệ số thu phóngThu phóng quá trình mực nước triều điển hình thành đường quá trình mực nước triều thiết kế. Cách làm tương tự như trường hợp có nhiều tài liệuc) Trường hợp không có tài liệu đo đạcSử dụng mô hình thủy lực dòng không ổn định trong sông thiên nhiênThiết lập sơ đồ mạng sôngLựa chọn thời đoạn tính toán Xác định quá trình lưu lượng tại các nút biên trên ứng với thời đoạn đã chọnXác định quá trình mực nước triều tại các biên dưới ứng với thời đoạn đã chọnXác định và kiểm định bộ thông số mô hìnhMô phỏng phương án thiết kế:Biên trên là quá trình lưu lượng thiết kếKết quả biên dưới chính là đường quá trình mực nước triều thiết kế