TẠP CHI khoa học OHQGHN. KHTN & CN. T.xx. sỏ 3PT . 2004

K Ế T Q U Ả B Ư Ớ C Đ Ẩ U T ÌM H l Ể u M Ỏ H ÌN H G S T A R S 2.1 VÀ ỨNG

D Ụ N G M Ô Đ U N N Ư Ớ C V Ậ T CỦ A M Ô H ÌN H T ÍN H T R A C d i ệ n d ọ c

M ẶT 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 HÀ NỘ I

Nguyễn Thị Nga Khoa K hí tượng - Thủy văn và H ải dương học

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG H à Nội

1. Đ ặ t v ân đề

Cùng vâi sự phát triển mau lẹ của công nghệ tin học, cùa lý thuyêt hệ thống và của phương pháp tính , mô hình toán dã dần được xem là công cụ có hiệu quả để tính vận chuyển bùn cát và diễn biến lòng sông nhò tính khoa học và kinh tế của nó.

GSTARS2.1 (Generalized S tream Tube model for Alluvial River Simulation version 2 .1) là th ế hệ gần đây n h ất của một mô hình sô' mô phỏng dòng chảy nước và bùn cá t trong các sông bồi tích do Yang và cộng sự nâng cao từ mô hình GSTARS2.0 vào năm 1998. Thế hệ đầu tiên của nó là GSTARS do Molinas và Yang (Cục khai hoang Mỹ, 1956) phát triển để mô phỏng các điểu kiện dòng chảy theo kiêu bán hai chiều và các thay đổi hình học lòng dẫn theo kiểu bán ba chiều.

Vối mục tiêu cuối cùng là nghiên cửu ứng dụng thử nghiệm lần đầu tiên mô hình GSTARS2.1 để mô phỏng và dự báo quy luật thay đổi hình thá i lòng sông Việt Nam vói đoạn sông thử nghiệm là đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội, bài báo này công bô kết quả bưốc đầu tìm hiểu mô hình GSTARS2.1 và ứng dụng môđun nưốc vật trong nó để tính trắc diện dọc m ặt nước cho đoạn sông nói trên. Các kết quả nghiên cứu tiếp theo cũng sẽ được công bô.

2. Các khả năng ứ ng dụng của mô h ình GSTARS2.1 [4]

GSTARS2.1 bao gồm bôn phần chính. Phần đầu tiên sù dụng cả hai phương trình năng lượng và động lượng để tính toán nước vật. Phần thử hai sử dụng khái niệm ống dòng chảy để tính toán diễn toán bùn cát. Các tham số thùy lực và diễn toán bùn cá t được tính cho mỗi ống dòng chảy, theo cách đó cung cấp một sự thay đổi ngang trong m ặt cắt theo kiểu bán h ai chiều. P hần thứ ba sử dụng lý thuyết mức tiêu hao năng lượng nhả nhất (Yang, 1971, 1976; Yang và Song, 1979, 1986) trong th ế hệ đã đơn giản hoá của nó vê tổng năng lượng dòng chảy nhỏ nhất để tính điều chình độ rộng và độ sâu kênh. Phần thứ tư gồm vào một tiêu chuẩn ổn định mép bờ kênh cán cứ vào góc nghỉ cùa vật liệu bờ và tính liên tục của bùn cát.

GSTARS 2.1 có k h ả năng được ứng dụng để: tính trắc diện dọc m ặt nưóc có hoặc không có vận chuyển bùn cát; tính trắc diện dọc m ật nước qua các điều kiện dòng chảy êm và xiết, bao gồm các bước nhảy thủy lực, không bị gián đoạn; tính các thay đổi dọc và ngang của dòng chảy và các điểu kiện bùn cá t theo kiểu tự a h a i chiều dựa trên khái niệm ống dòng chảy (nếu chỉ có một ống dòng chảy được lựa chọn, mô hình trở thành một chiều; nếu nhiều

17

i l Nguyẻn Thị Nga

ống dòng chảy được lựa chọn, cả các thay đối cao trình đáy theo chiều ngang và thắng đửng đều có thể đưọtc mô phỏng); cung cấp một mô phỏng quá trìn h hoá thô lòng sông nhờ sử dụng th u ậ t toán phân tuyển và hoá thó lòng sông dựa theo các phần kích thước bùn cát; mô phỏng các thay đổi hình dạng hình học lòng dẫn đồng thời cả theo chiều rộng và chiểu sâu d ự a th eo tổ n g n ă n g lượng đòn g c h ả y n h ỏ n h ấ t; m ô phỏ n g các th a y đổi h ìn h d ạ n g h ìn h học k ê n h d ự a t r ê n góc 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 lự a c h ọ n đ ộ

ổn định bờ kênh cho phép.

3. Cơ sở lý thuyết của mô hình nước vật trong GSTARS2.1 [4]3.1. Các p h ư ơ n g tr ìn h cơ b ản

Các tính toán thủy lực trong GSTARS 2.1 dựa trên cơ sở mô hình dòng chảy thay đổi dần. Các chê độ dòng ch ảy h ỗ n hợp v à các bưốc n h ả y th ủ y lực có thể được tính toán bằng cách lựa chọn sủ dụng phương trình năng lượng hoác động lượng.

G STARS 2.1 sử dụng phương pháp bậc thang thông dụng đế tính toán nước vật. Các thủy đồ lưu lượng được xấp xi bởi các xuất hiện đột ngột của các lưu lượng không đổi (hình 3.1).

Khi không có sự thay đổi kiểu chế độ dòng chảy, thuật toán sử dụng phương trình năng lượng

Z + Y + a ^ - = H (3.1)2g

trong đó: z là cao trình đáy; Y là chiều sâu dòng nưốc; V là tốc độ dòng chảy; a là hệ sô phân bố tốc độ; H là cao trình cúa đường năng lượng so vối mốc tính toán và g là gia tốc trọng lực.

Khi có sự thay đối kiểu dòng cháy tìt êm sang xiết hoặc ngUỢc lại, th u ậ t toán sử dụng phương trình động lượng:

S ï . f e V ï - p ,V 1) = p , - p ! + W ,8 i n e - F , (3.2)8trong đó: y là trọng lượng riêng của nước; p là hệ số động lượng; p là áp su ấ t tác động lên mật cất ngang đã cho; w„ là trọng lượng nước chứa giữa m ặt cắ 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 nếu p, = p , =1 th ì phương trình trở thành:

Q2 . - Q - . -- ~ - + A ,y 1 = - f - + A2 y 2 (3.3)A |g Avg

Hình 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 ình 3£ . Xác (lịnh ('ác biến

Kèi quà bước dău ùn) luóu mô liìiili GSTARS21 l i

trong đó: V là chiều sâu đo từ m ặt nưốc đến trọng tâm của m ặt cắt ngang chửa dòng chảy.

Phương trình (3.1) và (3.3) được giải bằng thủ tục lặp thử sai.

Các tính toán nước vật được tiến hành theo chiểu ngược dòng đôi vói các dòng chảy êm và xuôi dòng đối vói các đòng chảy xiết.

3 .2 . M iê u t ả m ô h ì n h

Trong GSTARS 2.1,

khu nguồn nước mô

h ình hoá được mô tả

bằng các m ật cắ t ngang

rời rạc (hình 3.3). Cao

trình m ật nưốc được

tính toán tạ i mỗi m ặt Hi

cắt ngang.

3.2.1. M ô tả các m ặ t cắt ngang

Mỗi m ật cắ t ngang được nhận dạng bởi một số mô tả vị t r í cùa nó biểu diễn bằng khoáng cách tính từ một trạm tham khảo phía h ạ lưu đế máy tính có thể tín h chiểu dài đoạn sông (A s trong h ình 3.3). Hình dạng hình học lòng dẫn của mỗi mặt cắ t ngang được ròi rạc hoá bởi một bộ điểm xác định cao trình đáy và v ị tr í m ặt cắt ngang theo phương ngang (khoảng cách từ một điểm tham kháo tạ i một vị tr í ỗ bờ trái). Việc nội suy tuyến tính được sử dụng giữa các điểm này như trong hình 3.4. Thông tin nàv được sử dụng để tính các tham số thủy lực cần th iế t cho các tính toán nước vặt như diện tích dòng chảy, chu vi ướt, bán kính thùy lực, độ rộng sông, trọng tâm

lả cồ tính nhận thức một đoạn sông bằng c it ngang rời rạc trong (ÎSTARS 2.1

H ình 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

a m ật cắ t ngang,...

Nguyen Thị Nga

Vị tr í của các m ặt cắt ngang cần được lựa chọn đê miêu tả tố t n h ất h ình dạng hình học của đoạn lòng dẫn nghiên cửu. ơ gần khu vực có khả năng xuất hiện bưóc nhảy thủy lực, các m ặt cắ t ngang nên bố tr í sá t nhau hơn. Hình 3.5 thể hiện dưái dạng sơ đồ cách dịnh vị các m ặt cắt ngang ở gần các bước nhảy thủy lực và các vùng có sự thay đổi độ dốc đột ngột.

3.2.2. Sức cản dòng chảy

Một trong những giả th iết cơ bản trong GSTARS 2.1 là sử dụng một công thức dòng đểu để tính các tổn th ấ t do m a sát. Công thức này được sử dụng để tính số vận chuyên tông cộng K và từ đó xác định dộ dốc ma sá t Sf đối với một lưu lượng đã cho:

Q (3.10)

Trong GSTARS 2.1, có thể lựa chọn sử dụng một công thức bất kỳ sau đây đế tính K;

1.49 .-công thức Manning: Q = KSf/2 =

- công thức Chézy: Q = K Sf/2 = (cAR1,2^ f /2

R2/3jgl/2 (3.11)

(3.12)

í« F aW- (3.13)l í ) \

trong đó: n, c , f tương ứng là các hệ số nhám trong công thửc M anning, chézy và Darcy- Weisbach; g là gia toc trọng lực;. A là diện tích m ặt cắt ngang và R là bán kính thủy lực.

Đối vói mỗi m ặt cắ t ngang; các hệ số nhám yêu cầu được xác định cho các khu khác nhau. Sử dụng ví dụ trong hình 3.4, bãi trá i có th ể có một giá tr ị hệ số nhám , lòng chính có một giá t r ị khác và bãi phải có một giá tr 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 hình dạng hình học m ật cắ t ngang sông ăn kháp vâi các tỷ số độ rộng/độ sâu và nó có thê đưa ra các sai sô về cao trình m ặt nước trong các m ặt cắt ngang hẹp giống như hình chữ nhật. GSTARS 2.1 giả th iết một hệ sô nhám cô định cho mỗi mặt cắt ngang.

Tổn th ấ t do ma sá t hf qua mỗi đoạn sóng là tích sô' của độ doc m a sá t và chiểu dài đoạn sông Ax . Nó có thể được xác định từ một trong bốn lựa chọn sau đây:

• từ độ dốc ma sá t trung bình của các đoạn sông kề liền: h f = ỉ ( s f Ị + s f2 )Ax (3.14)

- từ độ dốc ma sát tru n g bình nhân: hf = &XyjSf]S i2 (3.15)

- từ sô' vận chuyển trung bình: h f = Ị — — — Ị lA x (3.16)

Ax^Sf]Sf2

í 2Q- ìlKl + K 2 Jr 2 s „ s f2 s- từ tr ị tru n g bình điểu hoà: h f = -L J 1 f2.... Ux (3.17)V ®f I + s f2 )

Kél quả bước đàu lìm hiếu mò lùiứi GSTARS2.1

Tổn thất cục bộ gây bởi sự mở rộng và thu hẹp lòng dẫn h R được tính theo công thức:

Ịv.2 V.? Ih . = C KP - - - î - (3.18)

E I2g 2 g Ị

trong đó: CE là hệ số tổn thấ t năng lượng. Trong GSTARS 2.1, CE được đặt đến 0.1 đối với các thu hẹp và 0.3 đối vối các mờ rộng.

Các tốn th ấ t khác như tổn th ấ t do các khúc cong của kênh hoặc do các công trình xây dựng bởi con người được tính theo công thức:

h B = C B S - (3.20)2 g

trong đó: CH là hệ sô ton th ấ t năng lượng do người sử dụng cung cấp. Đôi vối phần lớn các sông tự nhiên, các giá tr ị C1S được giả th iết bằng 0. Tong tổn th ấ t năng lượng giữa hai mặt cắt 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 ìn h nước v ậ t t ro n g GSTARS 2.1 đ ể t ín h t r ắ c d iệ n dọc m ặ t nước c h o đ o ạn sô n g H ồ n g từ H oà B ình đ ế n H à Nội

4.1. M ô tà đ o ạ n sô n g n g h iê n cứu

Đoạn sóng nghiên cứu gồm đoạn sông Đà từ Hoà Bình đến ngã ba Thao-Đà và đoạn sông Hồng từ ngă ba Thao-Đà đến Hà Nội. Trên đoạn sông nghiên cửu này có hai nhánh nhập lưu và một chi lưu. N hánh nhập lưu thử nhất là sông Thao tạ i ngã ba Thao-Đà vànhánh nhập lưu thừ hai là sông Lô tại ngã ba Lô-Hồng. Chi lưu duy n h ất là sông Đuống từngả ba Hồng-Đuống.

Mô hình GSTARS 2.1 được hạn chế cho nhửng sông đơn nhưng nó có thể bao gồm các đóng góp nưóe và bùn cá t bỏi các nhánh chảy vào hoặc chảy ra khỏi đoạn sông mô hình hoá. Bởi vậy, có thể xem như trên đoạn sông nghiên cửu từ Hòa Bình đến Hà Nội có hai điểm nhập lưu cục bộ và một điểm phân lưu cục bộ. Điểm nhập lưu cục bộ thử n h ấ t là cùa sông Thao vào sông Đà tạ i ngả ba Thao-Đà và điểm nhập lưu thứ hai là của sông Lô vào sông Hồng tạ i Ngã ba Lô-Hồng. Điểm phân lưu cục bộ duy nhất là sông ĐuôYig từ ngã ba Hồng- Đuống.

4.2. Cơ sở s ố liệu

Dựa theo các yêu cầu vê sô liệu đầu vào của môdun nước vật trong mô hình GSTARS 2.1, các số liệu sau đây đã được thu thập để tính trắc diện dọc m ặt nưốc cho đoạn sông nghiên cứu:

* S ố liệu địa hình: do Đoàn khảo sá t sông Hồng đo đạc năm 1992, bao gồm:• 38 m ặt cắt ngang (từ sô 10 đến số 47) trên sông Đà đoạn từ Hoà B ình đến ngã ba

Thao-Đà.- 17 m ật cắt ngang (từ sô 48 đến sô 64) trên sông Hồng đoạn từ ngã ba Thao Đà đến

H à Nội.

- Trắc diện dọc đáy sông từ Hoà Bình đến Hà Nội.

Nguyên llii Nga

* Sô liệu thủy văn: đo đạc năm 1992 và 1993 của T rung tâm Khí tượng Thùy văn Quốc gia. Số liệu này bao gồm:

- Lưu lượng nưốc bình quân ngày tại các trạm Hoà Bình ti ên sông Đà, Yên Bái trên sông Thao, Vụ Q uang trên sông Lô và Thượng Cát trên sông Đuống.

- Mực nước bình quân ngày tạ i hai trạm Sơn Tây và Hà Nội trên sông Hồng.

4.3. S ơ đ ồ ho á đ o ạ n sô n g n g h iê n cứu

Trên cơ sỏ các số liệu địa hình và thủy văn đã thu thập được, đoạn sông nghiên cứu đã được sơ đồ hoá như trên hình 3.6. Biên trên (biên thượng lưu) là trạm thủy vãn Hoà Bình và biên dưới (biên h ạ lưu) là trạm thủy văn H à Nội. Điểm nhập lưu cục bộ thứ n h ất là nhập lưu của sông Thao vào sông Hồng tại ngã ba Thao-Đà. Điếm nhập lưu cục bộ thử hai là nhập lưu của sông Lô vào sông Hồng tại ngã ba Lô-Hồng. Điểm phân lưu cục bộ duy nhất là phân lưu sông Đuấng từ ngà ba Hồng-Đuống.

4.4 F ile s ố liệ u đ ầ u vảo

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 một dòng dài tới 80 ký tự được phân chia thành các trường có độ rộng cô định. Các trường được đánh số từ trái qua phải, bắt đầu từ ký tự bên trái đầu tiên. Trường 0 dài 2 ký tự và được sử dụng để định tên của bản ghi. Các trường từ 1 đến 10 được sử đụng để vào số liệu cho GSTARS 2.1. Trường 1 dài 6 ký tự; trường 2 đến 1 0 dài 8 ký tự.

Sô” liệu thủy lực yêu cầu gồm số liệu hình học lòng dẫn và sô' liệu thủy văn. Sô liệu hình học lòng dẫn được trình bày đầu tiên gồm hình dạng hình học m ật cắt ngang, độ nhám lòng đẫn và các hệ sô tổn thất. Tiếp theo trình bày đến sô liệu thủy văn gồm lưu lượng nước và mực nước.

Đoạn sông nghiên cứu được mô tả bởi 55 m ặt cắ t ngang. Hình dạng hình học của các m ặt cắt ngang được mô tả bởi các cặp toạ độ X-Y (vị tr í ngang và cao trình đáy). Các cao trình đáy (Y) được lấy bằng cách sit dụng các sô’

H ó I lò a Binh

AJLj

10 M Hòa BìnhI o

ỉIrung Hà-

'Sồng Lô AVụ Quang

C h ú s ià i

<[j Trạm thúy văn

I Biên dưới

□ Biôn trôn _ » Điểm phân

lưu cục bộ Điểm nhập lưu cục bộ

1«; Vị tr í mặt cắ t số 62

~E~Thượng Cá!

Hà Nội

Hình 3.6 So đồ tinh cùrt đoạn sông nghiên e

Kếi quã buỏc dầu tìm Incu 11)1) lùnli CÌSI'ARS2.1.

liệu chung đõì vâi mỗi đoạn sông và luôn luôn dương. Các vị tr í ngang (X) được cho bằng cách sử dụng một điểm tham khảo đối vối mỗi m ặt cắt ngang và các cặp toạ độ được vào theo thít tự tảng toạ độ X, tức là bắt đầu từ bờ trá i sang bờ phải cũa m ặt cắt ngang (nhìn xuôi dòng). Mỗi một m ật cắt ngang được nhận dạng bằng một giá tr ị biểu diễn khoảng cách tính từ điếm tham khão định vị ở h ạ lưu. Khoáng cách giữa các trạm là khoảng cách đo dọc theo dòng chảy, được tính bằng hiệu giữa các sô nhận dạng m ặt cắ t ngang. Các trạm được vào liên tục, bắ t đầu từ m ặt cắt ngang xa nhất phía thượng lưu và tiếp tục xuôi theo dòng.

Mồi một m ặt cắt ngang có thể dược phân chia thành một số phàn khu lòng dẫn có độ nhám không đỏi. Mỗi một phân khu này sẽ có giá tr ị hệ sô độ nhám l iêng. Trong nghiên cứu này, cản cứ vào hình dạng củ a từng mặt cắt ngang, mỗi m ặt cất ngang được chia thành ba phân khu gồm bãi trá i, lòng chính và bãi phải. Như vậy, có ba giá tr ị độ nhám được vào đối với mỗi m ặt cắ t ngang.

Tó chức một m ặt cắt ngang trong bản ghi sô liệu được th ể hiện trong hình 3.7. Mỗi m ặt cắt ngang được định nghĩa bởi một bộ có 4 bán ghi.: ST, ND, x s và RH. Ban ghi ST, ND, x s và RH phải 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 ặt cắt ngang, sô chì m ặt cắt ngang có phái là mặt cắt kiếm soát hay không, hệ sô được sứ dụng đe hiệu chinh cao trình và khoảng cách thắng góc với đường chủ lưu cho mỗi mặt cắt ở nơi cần th iết và hệ số tổn th ấ t năng lượng cục bộ. Ban ghi ND được sử dụng để xác dịnh sô phân khu lòng dẫn tại mặt cắt đã cho và cốc vị tr í theo chiều tương ửng cùa chúng. Bản ghi x s được sử dụng để vào hình dạng hinh học lòng dẫn cùa trạm đã cho bằng cách sử dụng các cặp toạ độ X-Y (hoặc Y-X). Bản ghi RH xác định hệ sô' nhám cùa mỗi phân khu lòng dẫn đã được nhận dạng trên bản ghi ND trước ciia mặt cắt. ngang.

H ìn h 3.7. Tổ chức một mặt cắt ngang trong bản ghi số liệu

GSTARS 2.1 có thề dùng các phương trình M anning, Darcy-Weisbach hoặc Chézy đế tính độ dôé năng lượng và số vặn chuyến. Phương trinh muốn sử dụng được lựa chọn bằng cách dùng một bản ghi RE và trình bày sau số liệu hình dạng hình học lòng dẫn. Bàn ghi

24 Nguyén 'thj Nga

RE cũng được sử dụng để định rõ phương trình dùng để tính độ dốc m a sá t cục bộ. Trong nghiên cứu này đã chọn sử dụng phương trình Manning.

Các sô' liệu thủy lựg cần th iế t để mô phỏng số là mực nước và cao trình m ặt nưâc tương ứng tạ i các biên (các điều kiện biên). Điểu kiện biên trên là đường quá trìn h lưu lượng chảy vào đoạn sông nghiên cứu, tức qua trạm Hoà Bình. Đường quá trình lưu lượng này được xấp xỉ bằng các xuất hiện đột ngột của 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 quá trình lưu lượng. Điều kiện biên dưối là đưòng quá trình mực nước bình quân ngày tạ i trạm h ạ lưu xa n h ất (trạm Hà Nội).

Trong GSTARS 2.1, các đường quá trình lưu lượng được cho dưối dạng bảng vổi các giá trị rời rạc bằng bội sô” của số gia thời gian cố định, tức là của bước thời gian. Các cao trình m ặt nưỏc tương ứng được cho cả bằng dạng bảng hoặc bằng các đường cong mực nước- lưu lượng. Loại đầu vào đối với lưu lượng nước được lựa chọn bằng cách xác định giá trị IOPTQ trong bàn ghi QQ và loại đầu vào đối vói các mực nưóc tương ửng được lựa chọn bằng cách xác định giá tr ị IOPTSTQ trong bản ghi s s . Sau đó, các sô' liệu được vào nhò sử dụng các bản ghi IT, s s , Đ, SQ, TL, TQ, RC và NC. Phụ thuộc vào việc chọn các lựa chọn, một sô' bàn ghi này có thể được bỏ qua. Trong nghiên cửu này đã chọn bảng mực nước-lưu lượng tại trạm kiểm soát. Lựa chọn này được chọn bằng cách dùng lựa chọn STAGE DISCHARGE TABLE trong bản ghi s s và lựa chọn TABLE OF DISCHARGES trong bán ghi QQ. Bảng được vào nhờ sử dụng các bản ghi TL và SQ.

Mặc dù GSTARS 2.1 được giới hạn cho những sông đơn nhưng nó có thể bao gồm cả các đóng góp nước và bùn cá t bởi các nhánh vào đoạn sông mô h ình hoá. Thông tin cần thiết để mô hình hoá các ảnh hưởng của dòng chảy nhánh là lưu lượng nước của nhánh. Thông tin này dược th iế t lập trong các fUe riêng biệt, một file cho mỗi nhánh. Các tên file cho mỗi nhánh được qua GSTARS 2-1 bằng cách sủ dụng các bản ghi LI. Đối vói mỗi nhánh, sủ dụng một bản ghi LI định vị sau bản ghi RH tương ửng với m ặt cắt ngang ở ngay phía h ạ lưu kê từ nhánh. Thông tin dòng chảy nhánh vào được th iết lập bằng cách sử dụng các bản ghi DD. Đối với đoạn sông nghiên cứu, nhánh chảy vào thứ n h ất là nhánh sông Thao có lưu lượng chảy vào bằng lưu lượng thực đo tạ i trạm Yên Bái; nhánh chảy vào thử hai là sông Lô có lưu lượng chảy vào là lưu lượng thực đo tạ i trạm Vụ Quang. Chi lưu duy nhất là sông Đuống 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 vả đ iê u k iệ n b iên

Sô liệu thực đo m ặt cắ t ngang năm 1992 cùa 55 m ặt cắt ngang trên sơ đồ tín h của đoạn sông nghiên cứu được sử dụng làm điếu kiện địa hình ban đầu. Tại thời điểm ban đầu (t=0, chưa tính toán), lưu lượng và mực nước tại tấ t cả các m ặt cắ t đều bằng 0. Điều kiện biên trên là quá trình lưu lượng bình quân ngày tạ i trạm Hoà Bình. Điểu kiện nội biên là lưu lượng nhập lưu cục bộ cùa nhánh sông Thao (trạm Yên Bái) và sông Lô (trạm Vụ Quang) cùng lưu lượng phân lưu cục bộ là lưu lượng sông Đuống (trạm Thượng Cát). Điều kiện biên dưới là quá trình mực nước bình quân ngày tại trạm H à Nội.

Kết quá buớc dâu ùm hiểu mỏ lùnli GSTARS2 1.

4.5. H iêu c h ỉn h m ó h ìn h

Đe hiệu chỉnh mô hình nưốc vật nhằm tìm bộ thông số tối ưu, nghiên cứu đã sử dụng số liệu địa hình và thủy văn thực đo năm 1992. Sô' liệu địa hình này bao gồm số liệu đo đạc m ật cắt dọc sông từ Hoà Bình đến Hà Nội và sô liệu đo đạc m ặt cắt ngang cùa 55 m ặt cắt trong đó có 38 m ặt cắt trên sông Đà và 17 m ặt cắt trên sông Hồng, s ố liệu thủy văn bao gồm sô liệu quá trình lưu lượng bình quân ngày nám 1992 tạ i các trạm Hoà Bình (biên trên), Yên Bái (nhánh nhập lưu 1), Vụ Quang (nhánh nhập lưu 2), Thượng Cát (chi lưu) và sô liệu quá trình mực nước bình quân ngày năm 1992 tạ i trạm Hà Nội (biên dưối).

Các thông sô mô hình nước vật cần tối ưu là các hệ sô nhám M anning của lòng dẫn (gồm hai bải sông và lòng chính) và phương pháp tính tổn thấ t do m a sát.

4.5.1. Hiệu chỉnh các hệ sô nhám M anning của lòng dẫn

Quá trình hiệu chỉnh mô hình nhằm tìm bộ hệ số nhám M anning của lòng dẫn (gồm hai bãi sông và lòng chính) được tiến hành theo phương pháp thử sai như sau:

- Lựa chọn sơ bộ một bộ hệ số độ nhám M anning cho tấ t cả các m ặt cắ t ngang trong sơ đồ tính. Việc lựa chọn các hệ số độ nhám này lấy trong khoảng các giá trị hệ 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 hỉnh GSTARS2.1, lần lượt mô phỏng thủy lực vối bộ hệ số nhám đă lựa chọn và một trong bốn phương pháp tính tổn th ấ t cho phép bởi mô hình (ở đây sơ bộ chọn phương pháp tính tổn th ấ t do ma sá t từ độ dốc ma sá t trung bình của các đoạn sông kể liền) trong điều kiện lòng dẫn được xem như cố định (lòng cứng), s ố liệu thủy lực đầu vào là sô' liệu quá trình lưu lượng bình quân ngày năm 1992 tại các trạm Hoà Bình, Yên Bái, Vụ Quang, Thượng Cát và sô' liệu quá trình mực nước bình quân ngày nám 1992 tạ i trạm Hà Nội. Các kết quả mô phỏng thủy lực là mực nước tạ i tấ t cả các m ặt cắ t ngang trong sơ đồ tính.

- Lấy trạm Sơn Tây trên sông Hồng (mặt cắt 54) làm m ặt cắt kiểm tra , từ các kết quả mô phỏng thủy lực bởi mô hình vối bộ hệ sô độ nhám M anning đã lựa chọn, lập chương trình con để trích và vẽ đường quá trình mực nước bình quân ngày tại trạm Sơn Tây năm 1992. So sánh nó với quá trình mực nước bình quân ngày thực đo tạ i trạm Sơn Tây năm 1992 và đánh giá mửc độ phù hợp bằng tiêu chuẩn độ hữu hiệu R2 của Tổ chức Khí tượng T hế giối (WMO). Bộ hệ số độ nhám M anning cho giá tr ị R2 lốn nhất sẽ là bộ hệ sô’ độ nhám tối ưu.

Sau rấ t nhiều lần thử sai vói nhiều bộ hệ sô nhám lòng sông và bãi sông khác nhau, nghiên CÛU đã lựa chọn được một bộ hệ số lòng sông và bãi sông tối ưu: ri|6ní chInh = 0,027 và n bil ring = 0,05. Với bộ hệ số nhám này, mô phỏng thủy lực đ ạ t kết quả tố t nhất: đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tạ i trạm Sơn Tây năm 1992 rấ t phù hợp với nhau (hình 3.8), độ hửu hiệu R2 đạt tới 96,39%, sai sô’ quân phương tương đổi chỉ bằng 0,24%, sai số tương đô’i cùa lưu lượng đỉnh bằng 6,1%. Theo tiêu chuẩn của WMO, mô hình được đánh giá vào loại tốt.

26 Nguy én 'lliỊ Nga

4.5.2. Lựa chọn công thức tính tổn thấ t do m a sát

Mô hình GSTARS 2.1 cho phép lựa chọn một bốn phương pháp để tính tổn th ấ t do ma sát. Đó là: phương pháp tính tổn th ấ t do m a sá t từ độ dôc ma sá t tru n g bình của các đoạn sông kề liền; phương pháp tính tổn th ấ t do ma sá t từ độ dốc m a sát tru n g bình nhân; phương pháp tính tổn thâ't do ma sá t từ sô' vận chuyển trung bình và phương pháp tính tổn th ấ t do m a sá t từ t r ị trung bình điểu hoà.

Phương pháp tính ton th ấ t do ma sát từ độ dốc ma sát tru n g bình cùa các đoạn sông kề liền đã được sử dụng khi tối ưu hoá bộ hệ sô nhám lòng dẫn của mô hình. Vối bộ hệ sô nhám lòng dẫn đ ã tối ưu được, lần lượt chạy mô hình cho từ ng phương pháp trong ba phương pháp còn lại, dùng chương trình con đã thiết lập, từ file đầu ra có phần mở rộng là WPL, tiến hành trích và vẽ đường quá trình mực nưốc bình quân ngày tạ i trạm Sơn Tây năm 1992 cho từng trường hợp. So sánh nó vói quá trình mực nưốc bình quân ngày thực đo tại trạm Sơn Tây năm 1992 và đánh giá mức độ phù Kợp băng tiêu chuẩn độ hữu hiệu R- cùa WMO. Các k ết q u ả tính theo bốn phương pháp trên cho thấy: phương pháp tín h tổn

H ỉn h 3.8. Đưclng quá trình mực nước tính toán và thực đo nâin 1992 tại trạm Srtn Tây

th ấ t do m a sá t từ độ dốc ma sát trung bình cùa các đoạn sông kề liền cho kết quả tốt nhất: độ hữu hiệu R-' đ ạ t kết quả cao nhất, sai sô' quân phương tương đối và sai sô' tương đối của lưu lượng đỉnh đ ạ t giá t r ị nhỏ nhất. Chình vì vậy, nó được chọn cùng vói bộ hệ sô' nhám đã tối ưu để tính toán thùy lực cho đoạn sông nghiên cứu.

4.6. Kỉern n g h iệ m m ô h ìn h

Đe kiểm tra độ ổn định của mô hình nước vật vối bộ thông số đã tối ưu được (hệ sô' nhám lòng dẫn và phương pháp tính tổn th ấ t do m a sát), nghiên cửu đã tiến hành kiểm nghiệm mô hình với sô' liệu địa hình năm 1992 và số liệu thủy văn độc lập năm 1993, lấy m ặt cắt trạm Sơn Tây làm mặt cắt kiểm tra.

Kết quà bước dầu lìm luếu mỏ lùiil) GSTARSĨ. I. H

Kết quả kiểm định cho thấy: đuờng quá trình mực nưốc bình quân ngày tính toán từ mô hình với bộ thông sô thủy lực tối ưu đã lựa chọn và đưàng quá trình mực nưóc bình quân ngày thực đo tạ i trạm Sơn Tây năm 1993 rấ t phù hợp vối n h au (hình 3.9). Độ hìtu hiệu của mô hình tính theo chỉ tiêu R‘ đạt tới 97,25%. sai số quân phương tương đôi chì bằng 0,21%,

í H (cm)

H ìn h 3.9. Đường quá trinh mực nước tính loán và thực đo năm 1993 tại trạm Sơn Tây

sai số tương đối cùa lưu lượng đình chỉ bằng 3,36%. Theo tiêu chuẩn của WMO, mô hình được đánh giá vào loại tốt.

4.7. K ết lu ậ n

Các kết quả hiệu chinh và kiểm nghiệm mô hình đã cho thấy: mô hình nưốc vật trong GSTARS2.1 với bộ thông sô thủy lực đâ tối ưu trên đểu được đánh giá đạt loại tố t theo tiêu chuẩn của WMO. Bỏi vậy, nó có thể được sử dụng vói độ tin cậy cao để tín h trắc diện dọc mặt nước cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội, làm cơ sở cho các tính toán diễn toán bùn cá t và tính toán diễn biến lòng sông trong nghiên cứu tiếp theo của để tài.

Nghiên cửu này được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí của chương trìn h Nghiên cửu Cơ bản • Hội đồng Khoa học Tự nhiên - Bộ Khoa học và Công Nghệ (để tà i 740303, giai đoạn 2003-2005). Tác giả xin chân th àn h cảm ơn sự giúp đỡ nói trên.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Thị Nga và Trần Thục, Động lực học sông, NXB ĐHQOI IN, Hà Nội, 2003.2. Trần Tuất và cộng sự, Đặc trưng hình thái lưu vực sông Việt N am , Viện Khí lượng Thủy

văn, Hà Nội, 1985.3. Chih Ted Yang, Sediment Transport - Theory and Practice, McCiraw - Hill Companies, Inc.

1996.4. Chih Ted Yang and Francisco J.M.SiinJes, Uner's Manual for GSTARS2.1 (Generalized

Stream Tube model for Alluvial River Simulation version 2.1), U.S. Department of the Intertior - Bureau of Reclamation - Technical Service Center - Denver, Colorado, December 2000.

28. Nguyền Thi Nga

VNU. JOURNAL OF SCIENCE. Nat.. SCI.. & Tech.. T XX. N„3AP- 2004

IN ITIA L R E SU L T S O F STU DY IN G GSTARS2.1 M O D E L AND A P PL IC A T IO N BACKW ATER M O D U LE O F T H E M O D E L TO

CALCULATE W ATER SU FA C E P R O FILE FOR R E D R IV E R REACH FROM H O A B IN H TO HA NO I

N guyen T h i N ga D epartm ent o f Hydro-Meteorology & Oceanography

College o f Science, VNU

This sciential artic le introduced initial resu lts of studying GSTARS2.1 model (Generalized Stream Tube model for Alluvial River Simulation version 2.1) and application backwater module of th e model to calculate w ater suface profile for Red river reach from Hoabinh to Hanoi. T he resu lts of model calibration with hydrological d a ta in 1992 and model verification with independent hydrological da ta in 1993 show that: backwater model of GSTARS2.1 with the optimazed param eter set can be use to caculate w ater suface profile for Red river reach from Hoabinh to Hanoi, tha t make basic for sedim ent routing and Red river bed change calculation in following study of th is subject.