Ly

Chương 6: Tính toán thủy văn vùng sông ảnh hưởng thủy triều
I. Một số kiến thức về thủy triều
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
1. Khái niệm
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.
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 triều
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
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
Đỉnh triều
Chân triều
Pha triều lên
Pha triều xuống
Mực nước Z (cm)
t
Biên độ triều
Thời kỳ liên tục dZ/dt > 0: pha triều lên
Thời kỳ liên tục dZ/dt <0: pha triều xuống
Đỉnh triều là điểm chuyển tiếp giữa pha triều lên và pha triều xuống
Chân triều là điểm chuyển tiếp giữa pha triều xuống và pha triều lên
Tại đỉnh và chân triều dZ/dt=0
Các đặc trưng cơ bản của thủy triều (tiếp)
Các đặc trưng cơ bản của thủy triều (tiếp)
Mực nước đỉnh triều và chân triều là mực nước tương ứng với đỉnh và chân triều
Biên độ triều là chênh lệch mực nước giữa đỉnh triều so với chân triều kế tiếp
Chu kỳ triều là khoảng thời gian giữa 2 đỉnh triều đặc trưng kế tiếp nhau. K/h: T
3. Phân loại thủy triều theo chu kỳ
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.
Nhật triều đều: Trong một ngày mặt trăng có một lần triều lên và một lần triều xuống, chu kỳ triều xấp xỉ 24 giờ 50 phút
3. Phân loại thủy triều theo chu kỳ (tiếp)
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.
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.
4. Thủy triều vùng biển Việt Nam
thuỷ triều Việt Nam diễn biến khá đa dạng: với chiều dài trên 3.200 km bờ biển có đủ các chế độ thuỷ triều của thế giới như nhật triều, nhật triều không đều, bán nhật triều và bán nhật triều không đều phân bố xen kẽ, kế tiếp nhau. Đặc biệt, nhật triều ở đảo Hòn Dấu (Đồ Sơn) là điển hình trên thế giới.
4. Thủy triều vùng biển Việt Nam
1) Vùng bờ biển Bắc Bộ và Thanh Hoá: nhật triều. Hòn Gai, Hải Phòng thuộc nhật triều rất thuần nhất với số ngày nhật triều hầu hết trong tháng. Độ lớn triều khoảng 3,6 - 2,6 m. Ở phía nam Thanh Hoá có 18 - 22 ngày nhật triều.
2) Vùng bờ biển Trung Bộ từ Nghệ An đến Cửa Gianh: nhật triều không đều, số ngày nhật triều chiếm hơn nửa tháng. Độ lớn triều khoảng 2,5 - 1,2 m.
3) Vùng biển phía nam Cửa Gianh đến cửa Thuận An: bán nhật triều không đều. Độ lớn triều khoảng 1,0 - 0,6 m.
4. Thủy triều vùng biển Việt Nam

4) Vùng biển Thuận An và lân cận: bán nhật triều.
5) Nam Thuận An đến bắc Quảng Nam: bán nhật triều không đều, độ lớn triều khoảng 1,2 - 0,8 m.
6) Giữa Quảng Nam đến Bình Thuận: nhật triều không đều. Độ lớn triều khoảng 2,0 - 1,2 m.
7) Từ Hàm Tân đến gần mũi Cà Mau: bán nhật triều không đều. Độ lớn khoảng 3,5 - 2,0 m.
8) Từ mũi Cà Mau đến Hà Tiên: nhật triều không đều. Độ lớn triều khoảng trên duới 1 m.
5. Các lực gây triều
Trong các lực gây triều thì lực hấp dẫn của mặt trăng, mặt trời đến các chất điểm nước trên trái đất là chủ yếu
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)
Triều cường
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.
Triều kém
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
Vịnh Fundy, Canada là một nơi ghi nhận được là có triều thay đổi nhiều nhất thế giới: 16m.
Triều cường
Triều kém
II. Chế độ thủy văn vùng sông ảnh hưởng triều
Khái niệm vùng sông ảnh hưởng triều
Cửa sông là đoạn sông nối tiếp giữa một dòng sông với biển, với một hồ chứa nước hoặc một dòng sông khác.
Các sông có cửa thông ra biển bị ảnh hưởng mạnh của thủy triều gọi là vùng sông ảnh hưởng triều
2. Vùng sông ảnh hưởng thủy triều được chia ra làm 3 vùng:
Vùng cửa và vùng ven biển ngoài sông, đoạn này dòng chảy sông ngòi có tình thế biển là chủ yếu, dòng chảy trong sông ảnh hưởng rất mạnh bởi triều biển
Đoạn cửa sông là phần kể từ mép biển đến chỗ phân nhánh (còn gọi là vùng tam giác châu). Trong đoạn này gồm cả tình thế biển và sông lẫn lộn
Đoạn gần cửa sông là đoạn sông từ chỗ phân nhánh đến chỗ giới hạn ảnh hưởng triều về mùa kiệt. Trong đoạn này tình thế sông trội hơn tình thế biển.
3. Hiện tượng triều truyền vào cửa sông
Thủy triều vào cửa sông bị ảnh hưởng bởi:
Địa hình lòng sông cao dần khi bờ thu hẹp lại
Lưu lượng dòng chảy trong sông
Quá trình truyền triều vào sông:
Khi triều bắt đầu lên, tốc độ nước sông mạnh hơn tốc độ dòng triều: sóng triều nằm ở nơi tiếp giáp giữa sông và biển
Triều tiếp tục lên cao, năng lượng sóng triều đủ mạnh, sóng triều di chuyển vào sông
Do ảnh hưởng của địa hình lòng sông, năng lượng triều bị tiêu hao, biên độ bị nhỏ dần
Khi triều tiến sâu vào lòng sông thì ở cửa sông nước biển bắt đầu rút, do đó sóng triều không thể tiến sâu được nữa, bắt đầu thời kỳ rút nước trong sông ra biển
Nơi có biên độ sóng triều bằng không gọi là giới hạn triều
4. Đặc điểm chế độ mực nước
Dao động mực nước trong sông sẽ có dạng tương tự với dạng của triều ngoài biển khi lưu lượng nước từ nguồn ít thay đổi
Khi có lũ, dạng của đường quá trình mực nước bị thay đổi tùy thuộc vào vị trí quan trắc tính từ cửa sông:
Đỉnh triều và chân triều bị nâng lên
Chu kỳ triều trong sông thay đổi
Gió có tác động mạnh đến sự thay đổi mực nước triều:
Gió thổi từ biển vào làm mực nước triều cao thêm
Gió thổi từ đất liền ra làm mực nước triều bị giảm đi
Chế độ mực nước triều bị ảnh hưởng bởi hoạt động kinh tế của con người, đặc biệt là việc xây dựng các hồ chứa thượng lưu
5. Sự phân lớp của dòng chảy
Do tỷ trọng nước biển lớn hơn nước ngọt nên sóng triều di chuyển vào cửa sông có dạng hình nêm thường được gọi là nêm mặn
Khi năng lượng triều không lớn lắm xuất hiện hiện tượng phân lớp dòng chảy
Nêm mặn di chuyển phía dưới
Nước ngọt bị đẩy lên và chảy ra biển ở phía trên
Đặc điểm: tồn tại dòng chảy hai chiều theo phương của trục lòng sông
Do hiện tượng khuếch tán và đối lưu của dòng chảy lớp nước ngọt chảy phía trên của nêm mặn không còn “ngọt” nữa
Các cửa sông dạng nêm mặn
Nước ngọt
Nước mặn
Nước ngọt
Nước mặn
Các cửa sông pha trộn một phần
Nước ngọt
Nước mặn
Các cửa sông pha trộn nhiều
Nước ngọt
Nước mặn
Các cửa sông loại vịnh hẹp (Fio, ở Nauy)
Nước ngọt
Nước mặn
6. Dòng triều
Dòng triều là dòng chuyển dịch ngang có tính chất tuần hoàn của các phân tử nước mà tốc độ và hướng biến thiên trong ngày quan hệ với chu kì và biên độ thuỷ triều.
Tốc độ dòng triều thường lớn ở những vùng có biên độ triều lớn (sóng tiến) nhưng cũng có thể lớn ở các vùng có biên độ triều nhỏ (sóng đứng – vùng vô triều) như ở vùng biển Cửa Việt - Cửa Thuận An.
DÒNG TRIỀU THUẬN NGHỊCH: dòng triều có hướng ngược nhau ở những eo biển hẹp. Trong trường hợp này, dòng triều lên luôn luôn hướng theo một phía, còn dòng triều xuống thì có hướng nghịch đối với hướng triều lên. Khi dòng triều lên đổi sang dòng triều xuống và ngược lại, thì tốc độ dòng triều bằng không, nghĩa là trong thời gian đó không có dòng triều.
Các đặc trưng của dòng triều

Lưu lượng triều: là lưu lượng nước đi qua một mặt cắt sông trong khoảng thời gian 1s. Kh: Q. Đơn vị: m3/s. Lưu lượng có thể nhận các giá trị dương hoặc âm và được tính bằng tổng của các phần lưu lượng âm hoặc dương.
Q=Q+ + Q-
Trong đó: Q+ là thành phần lưu lượng có giá trị dương; Q- là thành phần lưu lượng có giá trị âm
Nếu Q>0: dòng triều lên
Nếu Q<0: dòng triều xuống
Nếu Q=0: điểm ngưng triều
Các 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 đó
Tốc độ bình quân của mặt cắt ngang tại một thời điểm nào đó tính bởi công thức:
V=Q/A
Trong đó A là diện tích mặt cắt ngang sông.
V+ : khi chảy xuôi dòng
V-: khi chảy ngược dòng
Quá 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: W
III. Các biện pháp khai thác vùng cửa sông ven biển và nhiệm vụ tính toán thủy văn
1. Các biện pháp khai thác vùng ven biển
Quy hoạch đê biển nhằm bảo vệ vùng đất thấp
Bảo vệ bờ biển không bị sạt lở dưới tác dụng của sóng và dòng ven bờ
Cải tạo và quy hoạch các công trình giao thông ngoài biển
Khai thác thủy sản vùng ven bờ
Các mục tiêu khai thác tổng hợp
2. Các biện pháp khai thác vùng sông ảnh hưởng triều
Quy 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 sông
Thiết kế và quy hoạch hệ thống đê ven sông vùng ảnh hưởng triều
Thiết kế và quy hoạch hệ thống tiêu úng cho các khu vực canh tác nội đồng
Quy hoạch, cải tạo giao thông thủy
Quy hoạch và thiết kế các công trình điều tiết ngăn mặn phục vụ nuôi trồng thủy sản
…
3. Nhiệm vụ tính toán thủy văn
Phụ thuộc vào mục đích, phương thức khai thác và biện pháp công trình
Tính 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 đó
Tính toán đường quá trình mực nước triều thiết kế trong thời đoạn tính toán T
Tính toán đường quá trình mặt nước trong sông theo trạng thái thiết kế của hệ thống
3. Nhiệm vụ tính toán thủy văn (tiếp)
Tính toán quá trình mực nước trong cả một vùng ven bờ, diễn biến mặn vùng ven bờ
Tính toán xác định đường duy trì mực nước trong thời đoạn T
Tính toán diễn biến mặn vùng cửa sông và ven biển trong điều kiện tự nhiên hoặc có công trình
Tính toán điều tiết mặn cho vùng nuôi hải sản
Tính toán ảnh hưởng của các hoạt động ở thượng lưu đến sự thay đổi chế độ thủy văn vùng sông ven biển
v.v…
IV. Tính toán các đặc trưng thủy văn thiết kế vùng cửa sông ven biển
1. Tính toán các đặc trưng mực nước triều thiết kế
Có 3 phương pháp:
Phương pháp phân tích điều hòa
Phương pháp thống kê xác suất
Phương pháp mô hình toán
a) Tính toán mực nước triều thiết kế trong trường hợp có nhiều tài liệu thực đo
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
Phương pháp tính toán: tương tự như khi tính toán xác định các đặc trưng thủy văn khác
Zp = f(Z,Cv,Cs,P)
* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước
Mốc 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 Z1
Thêm vào mỗi số hạng của chuỗi một giá trị a, được chuỗi mới Z2
Z2i =Z1i+a
Xác định lại các tham số thống kê
* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)
Trị số trung bình


Khoảng lệch quân phương


Hệ số thiên lệch
* Vấn đề chọn mốc cốt khi vẽ đường tần suất mực nước (tiếp)
Hệ số phân tán


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.
* 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 đo
Vẽ đường tần suất mực nước của trạm tương tự và xác định mực nước thiết kế của trạm tương tự
Theo quan hệ tương quan đã xây dựng, xác định mực nước thiết kế của trạm nghiên cứu
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
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.
Phương pháp mô hình toán
2. Xác định đường quá trình mực nước triều thiết kế
Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc
Trường hợp có ít tài liệu đo đạc
Trường hợp không có tài liệu đo đạc
a) Trường hợp có đủ tài liệu đo đạc
Xác 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 T



Tương ứng với n năm quan trắc sẽ xác định được n giá trị Z
Vẽ đường tần suất (Zp~P), từ đó xác định mực nước triều bình quân thời đoạn thiết kế Zp
a) 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 T
Thu phóng đường quá trình triều điển hình thành đường quá trình triều thiết kế
VD: tính toán quá trình triều thiết kế cho bài toán tiêu thoát nước cho thời đoạn T = 5 ngày
TH a: chọn thời kỳ triều kém
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
b) Trường hợp có ít tài liệu đo đạc
Xác định quan hệ tương quan mực nước triều giữa hai trạm đo
Vẽ đường tần suất và xác định mực nước triều bình quân thiết kế thời đoạn T của trạm tương tự
Theo quan hệ tương quan xác định mực nước triều bình quân thiết kế thời đoạn T của trạm tính toán
Chọn dạng điển hình từ các quá trình mực nước triều thực đo trạm tính toán
Xác định hệ số thu phóng
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
c) Trường hợp không có tài liệu đo đạc
Sử dụng mô hình thủy lực dòng không ổn định trong sông thiên nhiên
Thiết lập sơ đồ mạng sông
Lựa chọn thời đoạn tính toán
Xác định quá trình lưu lượng tại các nút biên trên ứng với thời đoạn đã chọn
Xác định quá trình mực nước triều tại các biên dưới ứng với thời đoạn đã chọn
Xác định và kiểm định bộ thông số mô hình
Mô phỏng phương án thiết kế:
Biên trên là quá trình lưu lượng thiết kế
Kết quả biên dưới chính là đường quá trình mực nước triều thiết kế