Preliminary data of the biodiversity in the area

Bản ghi

1 Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ T p 30 4S (2014) Nghiên cứu tác động của kết cấu đảo chiều hoàn lưu đến trường dòng chảy trong trường hợp dòng chảy ng p Nguyễn Đức Hạnh* Trần Ngọc Anh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nh n ngày 12 tháng 8 năm 2014 Chỉnh sửa ngày 25 tháng 9 năm 2014; Chấp nh n đăng ngày 22 tháng 10 năm 2014 Tóm tắt: Kết cấu đảo chiều hoàn lưu là sáng kiến của G. T. Lương Phương H u với mục đích bảo vệ ch ng xói lở bờ sông ở các đoạn sông cong đã được cấp bằng độc quyền sáng chế năm Trong quá trình nghiên cứu kết cấu đảo chiều hoàn lưu G. T. Lương Phương H u và các cộng sự đã có những thử nghiệm trong thực tiễn cũng như tiến hành những thí nghiệm v t lý tuy nhiên chưa có một nghiên cứu nào khảo sát tính ba chiều đầy đủ của trường thủy động lực xung quanh các công trình này cho dù tính chất của trường thủy động lực chính là yếu t căn bản quyết định khả năng bồi xói xung quanh công trình cũng như hiệu quả bảo vệ bờ của công trình. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng thí nghiệm v t lý có khảo sát trường dòng chảy ba chiều đầy đủ để nghiên cứu tác động của kết cấu đảo chiều hoàn lưu đến trường dòng chảy trong trường hợp dòng chảy ng p. Các kết quả đo đạc đã làm sáng tỏ các tác động của các công trình kết cấu đảo chiều hoàn lưu đến trường dòng chảy và cung cấp các s liệu về trường dòng chảy ba chiều xung quanh các công trình phục vụ hiệu chỉnh/kiểm định các mô hình thủy thạch động lực trong điều kiện tương tự. Từ khóa: Chỉnh trị sông kết cấu đảo chiều hoàn lưu chảy ng p. 1. Đặt vấn đề * ông ngòi đem lại cho con người nhiều lợi ích nên hai bên bờ sông thường là nơi t p trung dân cư các thành ph thị trấn làng mạc; các trung tâm chính trị kinh tế văn hóa xã hội. Nhưng lòng sông cũng thường diễn biến phức tạp các hiện tượng xói lở bờ sông (đặc biệt là ở bờ lõm của các đoạn sông cong) gây nên mất đất tài sản công trình ven sông th m chí có thể là nguyên nhân dẫn tới vỡ đê gây tổn thất * Tác giả liên hệ. ĐT.: hanhnd@vnu.edu.vn 73 nặng nề về người và của. Để chế ngự các dòng sông bảo vệ bờ ch ng xói lở phục vụ cho công cuộc phát triển kinh tế xã hội cần phải tiến hành chỉnh trị sông [1]. Trong đoạn sông cong dòng chảy có kết cấu thứ cấp được gọi là hoàn lưu vì hình chiếu trên mặt cắt ngang của đường dòng là đường tròn khép kín [2]. Trong thiên nhiên hoàn lưu ở khúc sông cong làm cho dòng chảy mặt có hướng từ bờ lồi thúc xô vào bờ lõm dòng chảy đáy lại từ bờ lõm chuyển sang bờ lồi. Bờ lõm bị sạt lở vì dòng chảy mặt có v n t c cao lực xung kích lớn có thể phá hoại kết cấu đất bờ

2 74 N.Đ. Hạnh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T p 30, 4S (2014) làm cho đất bờ sạt xu ng. Đất bờ sạt xu ng đáy bị dòng chảy mang sang bờ lồi vì v y gây ra bồi lắng ở bờ lồi. Công trình phòng ch ng sạt lở bảo vệ bờ có kết cấu đảo chiều hoàn lưu dựa trên nguyên tắc làm việc và tác động vào dòng chảy theo chiều ngược lại: Đón dòng nước mặt có động năng lớn đẩy ra xa bờ lõm hướng nó chuyển sang phía bờ đ i diện loại trừ nguyên nhân trực tiếp gây sạt lở; ngược lại dòng chảy đáy mang nhiều bùn cát theo quy lu t hoàn lưu sẽ tự động đi vào phía bờ lõm để chân bờ không những không bị kéo ra mà còn được bồi đắp thêm bùn cát và như v y hoàn lưu đã được đảo chiều [3]. Ý tưởng về kết cấu đảo chiều hoàn lưu đã được G. T Lương Phương H u đề xuất và thử nghiệm thành công trên sông Dinh (Ninh Thu n) [4] tiếp theo đó được nghiên cứu thử nghiệm bằng mô hình v t lý trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước KC.08.14/06-10 [3] và được cấp bằng độc quyền sáng chế vào tháng 6 năm Kết cấu đảo chiều hoàn lưu cũng đã tiếp tục được thử nghiệm thành công với công trình hoàn lưu sông Vu Gia. Trong lu n án tiến sĩ kỹ thu t của mình [5] Nguyễn Đăng Giáp thông qua một loạt các thí nghiệm v t lý cũng đã tiến hành những nghiên cứu về một s thông s thiết kế b trí không gian hệ th ng công trình hoàn lưu. Tuy nhiên trong tất cả các nghiên cứu thí nghiệm v t lý kể trên đều chỉ t p trung quan tâm đến đánh giá về khả năng hình thành nên các kh i bồi nhờ kết cấu đảo chiều hoàn lưu mà chưa có nghiên cứu thí nghiệm nào khảo sát ba chiều đầy đủ của trường dòng chảy xung quanh các công trình này. Chính vì v y chưa đưa ra được những lý giải diễn biến quá trình thủy thạch động lực một cách đầy đủ xung quanh kết cấu đảo chiều hoàn lưu này. Mặt khác do điều kiện thực tế mực nước các sông ngòi ở Việt Nam thường dâng rất cao vào mùa lũ và hạ thấp vào mùa kiệt nên khi xây dựng các công trình đảo chiều hoàn lưu thường có thể xảy ra trường hợp có dòng chảy tràn qua đỉnh của công trình (chảy ng p) vào thời điểm nước lũ hoặc không có dòng chảy tràn qua đỉnh của công trình (chảy không ng p) vào thời điểm nước thấp. Trong khuôn khổ bài báo này nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết đặt một thí nghiệm v t lý về một chuỗi gồm 3 kết cấu đảo chiều hoàn lưu đặt liên tiếp nhau trong trong một đoạn kênh cong hình chữ U trong trường hợp chảy ng p đồng thời sử dụng máy đo lưu t c Vectrino II Velocimeter Profilling của hãng Nortek (Na Uy) hoạt động dựa vào nguyên lý hiệu ứng Doppler có khả năng xác định theo cả ba chiều không gian của véc tơ v n t c dòng chảy. Trên cơ sở khảo sát trường dòng chảy này có thể đánh giá được tác động của chuỗi kết cấu đảo chiều hoàn lưu đến trường dòng chảy từ đó làm cơ sở phân tích đánh giá quá trình thủy thạch động lực học xung quanh các công trình trong trường hợp dòng chảy tràn qua đỉnh của các công trình.. 2. Thiết đặt mô hình vật lý 2.1. Thiết kế mô hình Mô hình v t lý được xây dựng trong một máng thí nghiệm hình chữ U độ dài hai đoạn thẳng là 3.0 m và bán kính cong của bờ lõm trong đoạn kênh cong là 1.6 m (Hình 1). Mặt cắt ngang của máng thí nghiệm là hình chữ nh t có chiều rộng 0.6 m. Độ d c máng thí nghiệm (slp) bằng 1/2000. Một chuỗi 3 kè đảo chiều hoàn lưu được đặt ở bên thành lõm của đoạn máng cong (xem Hình 1). Mỗi kè đảo chiều hoàn lưu có kích thước L 1 = 20 cm, L 2 = 20 cm, h = 10 cm và a (khoảng cách tính từ đáy máng đến đáy công trình) = 10 cm (xem Hình 2).

3 N.Đ. Hạnh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T p 30, 4S (2014) Lưu lượng nước ở thượng lưu và độ sâu dòng chảy ở phía hạ lưu được giữ không đổi tương ứng là Q = 32.1 l/s và H = 35 cm. a) Nhìn tổng thể trên mặt bằng 2.2. Đo đạc và thiết bị đo a) B trí mặt cắt và thủy trực đo đạc: Trên máng thí nghiệm nghiên cứu xung quanh mỗi công trình b trí 6 mặt cắt đo đạc mỗi mặt cắt b trí 4 hoặc 5 thủy trực (xem Hình 3). Tại mỗi một thủy trực tiến hành đo tại 5 lớp độ sâu trong đó mỗi lớp xác định được kết quả tại 35 cell khác nhau theo độ sâu mỗi cell cách nhau 1 mm. Như v y tại mỗi thủy trực có thể xác định được các véc tơ v n t c dòng chảy ba chiều đầy đủ tại các độ sâu khác nhau trong khoảng từ 0 đến 23 cm cách so với đáy. Các thủy trực được b trí như trên nhằm mục đích xác định các đặc tính của trường dòng chảy xung quanh các công trình cũng như xác định ảnh hưởng của công trình đến trường dòng chảy. b) Mô phỏng ba chiều Hình 1. Mô tả mô hình v t lý. Hình 2. Kết cấu đảo chiều hoàn lưu. Hình 3. Vị trí các thủy trực đo đạc. b)thiết bị đo Để có thể xác định được các véc tơ v n t c 3 chiều không gian đầy đủ, trong nghiên cứu này đã sử dụng máy micro-adv Vectrino II của hãng Nortek (Na Uy) với độ chính xác của đo v n t c trong các điều kiện lý tưởng là 0.01 m/s. Trên Hình 4 là máy đo v n t c và toàn bộ các phụ kiện đi kèm theo máy.

4 76 N.Đ. Hạnh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T p 30, 4S (2014) b) Xung quanh Kè 2. Hình 4. Máy đo v n t c dòng chảy [Nguồn: User Guide (2011) của máy Vectrino-II]3. Kết quả và thảo lu n Kết quả đo đạc Hình 5 biểu thị các kết quả đo đạc xung quanh các kè trong đó (a) là xung quanh kè 1 (b) là xung quanh kè 2 và (c) là xung quanh kè 3. c) Xung quanh Kè 3 Hình 5. Trường dòng chảy quan các công trình Phân tích kết quả đo đạc a) Xung quanh Kè 1. Kết quả đo đạc (xem Hình 5) cho thấy tác động rõ ràng của các kè đến trường dòng chảy. Dòng chảy phía bên ngoài của các kè có xu hướng chuyển dịch về phía bờ lồi thay vì chuyển dịch về phía bờ lõm theo quy lu t của hoàn lưu trong đoạn sông cong không có tác động của công trình. Trong khi đó dòng chảy phía bên trong của các kè giảm xu ng và trở nên hoàn toàn r i loạn. Các xoáy được hình thành nhất là ở các lớp nằm trên khoảng mở của công trình.

5 N.Đ. Hạnh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T p 30, 4S (2014) Để phân tích thêm về ảnh hưởng của các công trình đến trường dòng chảy sau đây ta sẽ xét phân b v n t c theo chiều thẳng đứng tại các thủy trực. Phân tích ảnh hưởng dọc theo chiều dòng chảy ta xét profile v n t c tại các nhóm thủy trực ( ) ( ) và ( ) (vị trí các thủy trực như trong Hình 6). Trên Hình 7 lần lượt biểu thị các profile v n t c theo chiều dòng chảy tại các thủy trực này. Hình 6. Vị trí các thủy trực (xét ảnh hưởng của công trình dọc theo chiều dòng chảy). Từ Hình 7 ta có thể có một s nh n xét về ảnh hưởng của các kết cấu đảo chiều hoàn lưu đến trường dòng chảy như sau: Phần phía trước của các công trình (các thủy trực ): Dòng chảy phía trước Kè s 1 vẫn phản ánh đúng quy lu t phân b v n t c bình thường trong trường hợp không có kè (phân b có dạng parabol giảm dần từ mặt xu ng đáy) chứng tỏ ít bị ảnh hưởng của công trình. Phần phía trước của các kè s 2 và 3 phân b v n t c có phần nhiễu loạn hơn điều này là do ảnh hưởng của các công trình phía trước. Tuy nhiên tất cả v n t c dòng chảy đều mang dấu dương (xuôi dòng). Phần phía sau của các công trình: Phía ngay sau của kè s 1 và kè s 3 (các thủy trực 3 4 và 15 16) do ảnh hưởng của công trình tại các lớp nước có sự xuất hiện của công trình dòng chảy bị giảm mạnh th m chí có những lớp dòng chảy nh n giá trị âm hình thành xoáy ngược chiều dòng chảy. Hình ảnh của những ảnh hưởng này vẫn được duy trì tại các thủy trực tiếp theo về hạ lưu ( 5 6 hay 17 18) tuy nhiên mức độ ảnh hưởng giảm dần đi và đến thủy trực 6 hay S18 thì không còn thấy xuất hiện dòng ngược chiều nữa. Phần phía hạ lưu của kè s 2 cũng cho thấy rõ tác động của các công trình lên trường dòng chảy làm giảm rõ rệt dòng chảy xuôi dòng xuất hiện dòng chảy âm (xoáy ngược chiều dòng chảy) và đặc biệt là tại các thủy trực cho thấy sự tác động mạnh mẽ nhất của công trình đến dòng chảy. Hướng dòng chảy a) Xét ảnh hưởng của Kè 1

6 78 N.Đ. Hạnh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T p 30, 4S (2014) Hướng dòng chảy b) Xét ảnh hưởng của Kè 2 Hướng dòng chảy c) Xét ảnh hưởng của Kè 3 Hình 7. Profile v n t c theo chiều dòng chảy tại các thủy trực. Để xét ảnh hưởng theo phương ngang sông ta xét profile v n t c tại các nhóm thủy trực (C11, C12, C13, C14), (C21, C22, C23, C24) và (C31 C32 C33 C34). Vị trí các thủy trực như trong Hình 8. Ta có thể thấy rõ rằng phần lớn tại các lớp nước phía dưới (tương ứng với phần tr ng phía dưới chân của các công trình) tại tất cả các thủy trực đều mang dấu âm (hướng từ bờ lồi sang bờ lõm) trái ngược với quy lu t của dòng chảy thứ cấp trong đoạn sông cong khi không có tác động của công trình. Điều này chứng tỏ rõ ràng tác động đảo chiều hoàn lưu của kết cấu công trình này. Ở phần phía trong của các kè (các thủy trực C11 C12 C21 C22 C31 C32) ta có thể thấy hình thành các lớp dòng chảy hướng ngang mang dấu âm dương xen kẽ nhau khả năng hình thành nên các xoáy hình móng ngựa (các xoáy ngược chiều nhau). Đặc biệt tại lớp giữa của các kè (z 0.15 m) tại các thủy trực sát bờ lõm (C11 C21 C31) giá trị v n t c dòng chảy hướng ngang đều xấp xỉ bằng 0 (khả năng là do có sự triệt tiêu nhau của các xoáy ngược chiều). Đây chính là điều kiện thu n lợi cho bùn cát chìm lắng phần nào giải thích cho khả năng gây bồi bảo vệ bờ của kết cấu công trình này. Vị trí các thủy trực Hình 8. Vị trí các thủy trực (xét ảnh hưởng của công trình nhìn theo mặt cắt ngang).

7 N.Đ. Hạnh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T p 30, 4S (2014) a) Xét ảnh hưởng của Kè 1 b) Xét ảnh hưởng của Kè 2 c) Xét ảnh hưởng của Kè 3 Hình 9. Profile v n t c theo phương ngang sông tại các thủy trực. 4. Kết luận Trong nghiên cứu này đã xây dựng một thí nghiệm v t lý để phân tích đánh giá tác động của chuỗi 3 công trình đảo chiều hoàn lưu đến trường dòng chảy ở đoạn sông cong trong trường hợp chảy ng p. Trong đo đạc thí nghiệm v n t c dòng chảy theo cả ba chiều không gian đều được xác định nên đã phần nào phản ánh được rõ trường dòng chảy xung quanh các kè đảo chiều hoàn lưu v n mang tính ba chiều đặc trưng do có tác động của công trình. Tuy nhiên do điều kiện của thí nghiệm v t lý không thể tiến hành khảo sát chi tiết hơn nữa nên để có thể có được bức tranh đầy đủ về trường dòng chảy xung quanh các công trình

8 80 N.Đ. Hạnh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T p 30, 4S (2014) cũng như khảo sát ảnh hưởng của kết cấu đảo chiều hoàn lưu với các kích thước công trình khác nhau thì cần phải sử dụng một mô hình thủy động lực ba chiều và các kết quả đo đạc thí nghiệm trong nghiên cứu này có thể được sử dụng để kiểm chứng cho mô hình thủy động lực ba chiều. Với trường hợp chảy ng p kết quả khảo sát cho thấy kết cấu đảo chiều hoàn lưu đã có tác động mạnh mẽ đến các lớp dòng chảy ở giữa song dòng chảy ở lớp gần trên mặt không bị ảnh hưởng nhiều do đó vẫn mạnh và hướng tới bờ lõm dẫn đến vẫn có khả năng gây xói lở ở bờ lõm. Vì v y với mô hình v t lý đã được thiết l p trong trường hợp chảy ng p chưa lý giải được hoàn toàn hợp lý sự hình thành các kh i bồi lớn ở phía trong của các kết cấu đảo chiều hoàn lưu. Để tìm hiểu thêm và lý giải các nguyên nhân thực tế dẫn tới hình thành các kh i bồi này cần tiến hành khảo sát cả với các điều kiện dòng chảy không ng p. Lời cảm ơn cứu này thông qua đề tài QGTĐ cấp Đại học Qu c gia Hà Nội. Nhóm tác giả cảm ơn Trường đại học Khoa học và công nghệ Hà Nội (U TH) và đặc biệt là GS. Sylvain Ouillon đã hỗ trợ thiết bị đo đạc dòng chảy ba chiều phục vụ cho nghiên cứu này. Tài liệu tham khảo [1] Lương Phương H u Trần Đình Hợi. Động lực học dòng sông và chỉnh trị sông. NXB Xây dựng [2] Nguyễn Thị Nga Trần Thục. Động lực học sông. NXB Đại học Qu c gia Hà Nội [3] Lương Phương H u Nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ cho hệ th ng công trình chỉnh trị sông trên các đoạn trọng điểm vùng Đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ. Báo cáo tổng kết đề tài KC.08.14/ [4] Nguyễn Đăng Giáp. Ứng dụng kết cấu đảo chiều hoàn lưu trong bảo vệ bờ sông Dinh tỉnh Ninh Thu n. Đặc san KHCN Viện Khoa học thủy lợi [5] Nguyễn Đăng Giáp Nghiên cứu tính toán diễn biến lòng sông dưới tác động của công trình chỉnh trị. Lu n án tiến sĩ chuyên ngành Xây dựng công trình thủy Nhóm tác giả trân trọng cám ơn Đại học Qu c gia Hà Nội đã tài trợ kinh phí cho nghiên Studying Impact of Reverse Circulation Structures on Flow Field in Submerged Flow Case Nguyễn Đức Hạnh Trần Ngọc Anh VNU University of Science, 334 Nguyễn Trãi, Hanoi, Vietnam Abstract: The reverse circulation structure is an patented innovation of professor Lương Phương H u. Its purpose is to protect river bank from erosion at bend segments. In the progress of studying reverse circulation structures, professor Lương Phương H u et. al. had conducted necessary experiments. There have been no study which investigate the fully 3D properties of flow field around these structures although this is the main factor determining potential of erosion or deposition around the structures and the bank protection effectiveness of it. This paper reports the results in setting up an

9 N.Đ. Hạnh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T p 30, 4S (2014) experimental model in which the fully 3D flow field was investigated in order to study the impact of the reverse circulation structures on flow field in submerged flow case. The observed results showed the impacts of the reverse circulation structures on flow field and provided the data for calibrating/valuating hydro-dynamic and sediment transport model in the same conditions. Keywords: River trainning, reverse circulation structures, submerged flow.