Tính toán thủy văn vùng sông ảnh hưởng thủy triều: Bài giảng chi tiết

Chương 6: Tính toán thủy văn vùng sông ảnh hưởng thủy triều

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

Chương 6:

6.1. Khái niệm chung về thủy triều

Hiện tượng thủy triều Phân loại thủy triều Nguyên nhân sinh ra thủy triều Đặc trưng của thủy triều

6.2. Tính toán mực nước thủy triều thiết kế

Tính toán mực nước triều khi có số liệu thực đo Tính toán mực nước triều thiết kế theo phương pháp Mariutin

6.3. Tính toán dạng triều thiết kế

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

6.1 Khái niệm chung về thủy triều

6.1.1. Khái niệm

Thủy 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 dương

Các sóng nước tạo ra do hiện tượng trên gọi là sóng triều

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

6.1.1. Khái niệm

(cid:1) Sự 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.

chu kỳ của mực nước biển tại vị trí quan trắc

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Bởi vậy, có thể coi thủy triều là hiện tượng dao động có

6.1.2. Các đặc trưng cơ bản của thủy triều

(cid:1) Mực 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 Z

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Quá 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 triều Chu kỳ triều

) )

P P

h h

a a

t t

r r i i

ề ề

u u

m m c c ( ( Z Z c c ớ ớ ư ư n n

x x

u u

i i

ố ố

n n lê lê u u triề triề a a h h P P

u u ề ề i i r r t t ộ ộ đ đ n n ê ê B B

n n

g g

c c ự ự M M

Đỉnh triều Đỉnh triều

Chân triều Chân triều

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

t t

6.1.2. Các đặc trưng cơ bản của thủy triều (tiếp)

triều xuống

(cid:1) Thời kỳ liên tục dZ/dt > 0: pha triều lên (cid:1) Thời kỳ liên tục dZ/dt <0: pha triều xuống (cid:1) Đỉnh triều là điểm chuyển tiếp giữa pha triều lên và pha

pha triều lên

(cid:1) Chân triều là điểm chuyển tiếp giữa pha triều xuống và

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Tại đỉnh và chân triều dZ/dt=0

6.1.2. Các đặc trưng cơ bản của thủy triều (tiếp)

ứng với đỉnh và chân triều

(cid:1) Mực nước đỉnh triều và chân triều là mực nước tương

với chân triều kế tiếp

(cid:1) Biên độ triều là chênh lệch mực nước giữa đỉnh triều so

trưng kế tiếp nhau. K/h: T

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Chu kỳ triều là khoảng thời gian giữa 2 đỉnh triều đặc

6.1.3. Phân loại thủy triều theo chu kỳ

(cid:1) Bán nhật triều đều: Trong một ngày mặt trăng (24 giờ 50 phút) có hai lần triều lên và hai lần triều xuống, đỉnh và chân triều của hai lần đó xấp xỉ bằng nhau, chu kỳ triều gần bằng 12 giờ 25 phút.

triều lên và một lần triều xuống, chu kỳ triều xấp xỉ 24 giờ 50 phút

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Nhật triều đều: Trong một ngày mặt trăng có một lần

6.1.3. Phân loại thủy triều theo chu kỳ (tiếp)

(cid:1) Bán nhật triều không đều: trong một ngày mặt trăng, có hai lần triều lên và hai lần triều xuống. Song đỉnh và chân triều trong hai lần liên tiếp có sự chênh lệch khá lớn.

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Nhật triều không đều: trong chu kỳ nửa tháng, số ngày nhật triều không quá 7 ngày, những ngày còn lại là bán nhật triều.

6.1.4.Nguyên nhân sinh ra thủy triều

trời đến các chất điểm nước trên trái đất là chủ yếu

(cid:1) Trong các lực gây triều thì lực hấp dẫn của mặt trăng, mặt

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Lực hấp dẫn của Mặt trời đối với Trái đất gấp 179 lần lực hấp dẫn của Mặt trăng đối với Trái đất. Tuy nhiên khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất xa hơn khoảng 389 lần so với khoảng cách Mặt trăng và Trái đất. Vì vậy, lực gây triều của Mặt trời chỉ xấp xỉ 46% lực gây triều của Mặt trăng.

Lực gây triều của Mặt trăng (hoặc Mặt trời)

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

Triều cường

(cid:1) Khoảng 2 tuần một lần, vào những ngày trăng non (ngày sóc) và trăng tròn (ngày vọng), Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất nằm trên một đường thẳng. Khi đó lực gây triều tổng hợp là lớn nhất: biên độ triều lớn nhất, chân triều thấp còn đỉnh triều cao. Đây là thời kỳ triều cường.

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

Triều kém

(cid:1) Trong những ngày thượng huyền hoặc hạ huyền, vị trí Mặt trăng và Mặt trời vuông góc với nhau qua tâm của Trái đất. Do vậy, tại một điểm quan trắc trên Trái đất, khi Mặt trăng có lực gây triều lớn nhất thì Mặt trời lại có lực gây triều nhỏ nhất và ngược lại. Kết quả, mực nước triều dao động ít, đó là những ngày triều kém trong tháng

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

Vịnh Fundy, Canada là một nơi ghi nhận được là có triều thay đổi nhiều nhất thế giới: 16m.

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

Triều cường Triều kém

6.2. Tính toán các đặc trưng mực nước triều thiết kế

(cid:1) Có 3 phương pháp:

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Phương pháp phân tích điều hòa (cid:1) Phương pháp thống kê xác suất (cid:1) Phương pháp mô hình toán

a) Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp có nhiều tài liệu thực đo

(cid:1) Tùy 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 T

(cid:1) Phương pháp tính toán: tương tự như khi tính toán xác định các đặc trưng thủy văn khác

Zp = f(Z,Cv,Cs,P)

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước

(cid:1) Mốc cốt địa hình của hệ thống sẽ ảnh hưởng rất

lớn đến sai số của đường tần suất.

(cid:1) Giả sử có chuỗi số liệu thực đo Z1 (cid:1) Thêm vào mỗi số hạng của chuỗi một giá trị a,

được chuỗi mới Z2

Z2i =Z1i+a

(cid:1) Xác định lại các tham số thống kê

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)

Z 1i

∑

1i =

aZ + 1

(cid:1) Trị số trung bình

−

−+

−

( Z

)

( Z

)

( Z

)

σ 2

i 1

σ 1

∑

1 n

1 =

(cid:1) Khoảng lệch quân phương

−

−+

−

( Z

)

( Z

)

( Z

)

∑

1 =

s 1

1 = (

(

1 = (

−

3 σ 2

3 σ 1

3 σ 1 GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Hệ số thiên lệch

* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)

(cid:1) Hệ số phân tán

v 1

σ 2 Z

σ 1 Za

σ 1 +

Z 1 +

(cid:1) Như vậy, khiZ càng lớn thì Cv càng nhỏ và ngược lại. Điều này dẫn đến sai số khi xây dựng đường tần suất.

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)

(cid:1) 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.

(cid:1) Mực nước thiết kế theo mốc mới là:

( Φ

)1

) 1

( Z 1

Z 1

Za 1

ZC 11 v

( CZa =++Φ=+ 1 1 v

Z 1 +

Z 1

 )  Ca Φ+ 1 v 

 Φ= 1 

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)

(cid:1) Khi tính toán chuyển về mốc cốt cũ:

Z

a

−

Z = 2

(cid:1) Trong thực tế, cần chọn a sao cho sai số vẽ

đường tần suất nhỏ.

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

b) Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp có ít tài liệu

(cid:1) Xây dựng quan hệ tương quan mực nước cùng thời gian giữa 2

tuyến đo

(cid:1) Vẽ đường tần suất mực nước của trạm tương tự và xác định

mực nước thiết kế của trạm tương tự

(cid:1) Theo quan hệ tương quan đã xây dựng, xác định mực nước

thiết kế của trạm nghiên cứu

(cid:1) Phương pháp phân tích tương quan:

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Phương 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 liệu

(cid:1) Phương 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.

(cid:1) Phương pháp mô hình toán

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

6.3. Xác định đường quá trình mực nước triều thiết kế

(cid:1) Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc (cid:1) Trường hợp có ít tài liệu đo đạc (cid:1) Trường hợp không có tài liệu đo đạc

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

a) Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc (cid:1) Xác định thời đoạn tính toán T.

(cid:1) 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.

đoạn T

i∑ Z == 1 i m

(cid:1) Tính giá trị bình quân của mực nước đặc trưng trong thời

Z

(cid:1) Tương ứng với n năm quan trắc sẽ xác định được n giá trị

bình quân thời đoạn thiết kế Zp

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Vẽ đường tần suất (Zp~P), từ đó xác định mực nước triều

a) Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc (tiếp)

(cid:1) 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 T

(cid:1) Thu phóng đường quá trình triều điển hình thành

đường quá trình triều thiết kế

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

VD: tính toán quá trình triều thiết kế cho bài toán tiêu thoát nước cho thời đoạn T = 5 ngày

Lựa chọn đường quá trình triều điển hình

200

150

TH a: chọn thời kỳ triều kém

)

100

m c ( c ớ ư n c ự M

-50

-100

3 2

5 4

7 6

9 8

1 1 1

3 3 1

5 5 1

7 7 1

9 9 1

1 2 2

3 4 2

5 6 2

7 8 2

9 0 3

1 3 3

3 5 3

5 7 3

7 9 3

9 1 4

1 4 4

3 6 4

5 8 4

7 0 5

9 2 5

1 5 5

3 7 5

5 9 5

7 1 6

9 3 6

1 6 6

3 8 6

5 0 7

7 2 7

Thời gian (giờ)

Quá trình triều điển hình

Z ruộng (a)

Z ruộng (b)

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

TH b: chọn thời kỳ triều cường

VD: tính toán quá trình triều thiết kế cho bài toán tiêu thoát nước cho thời đoạn T = 5 ngày

Đường quá trình triều tháng 5/2000 tại trạm Ba Lạt

200

150

100

)

m c ( c ớ ư n c ự M

-50

-100

20 39 58 77 96 115 134 153 172 191 210 229 248 267 286 305 324 343 362 381 400 419 438 457 476 495 514 533 552 571 590 609 628 647 666 685 704 723 742

Thời gian

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

b) Trường hợp có ít tài liệu đo đạc

(cid:1) Xác định quan hệ tương quan mực nước triều giữa hai trạm đo (cid:1) Vẽ đường tần suất và xác định mực nước triều bình quân thiết

kế thời đoạn T của trạm tương tự

(cid:1) Theo quan hệ tương quan xác định mực nước triều bình quân

thiết kế thời đoạn T của trạm tính toán

(cid:1) Chọn dạng điển hình từ các quá trình mực nước triều thực đo

trạm tính toán

(cid:1) Xác định hệ số thu phóng (cid:1) Thu 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 liệu

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

c) Trường hợp không có tài liệu đo đạc

thiên nhiên (cid:1) Thiết lập sơ đồ mạng sông (cid:1) Lựa chọn thời đoạn tính toán (cid:1) Xác định quá trình lưu lượng tại các nút biên trên ứng với thời

đoạn đã chọn

(cid:1) Xác định quá trình mực nước triều tại các biên dưới ứng với thời

đoạn đã chọn

(cid:1) Xác định và kiểm định bộ thông số mô hình (cid:1) Mô phỏng phương án thiết kế:

(cid:1) Biên trên là quá trình lưu lượng thiết kế

(cid:1) Kết quả biên dưới chính là đường quá trình mực nước triều thiết kế

GV: PHẠM THÀNH HƯNG-ĐHBK ĐN

(cid:1) Sử dụng mô hình thủy lực dòng không ổn định trong sông