DSpace at VNU: Kết quả bước đầu tìm hiểu mô hình GSTARS2.1 và ứng dụng môđun nước vật của mô hình tính trắc diện dọc mặt nước cho đoạn sông Hồng từ Hòa Bình đến Hà Nội

TẠPCHI k h o a h ọ c 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 V À Ứ N G
D Ụ N G M Ô Đ U N N Ư Ớ C V Ậ T C Ủ A M Ô H ÌN H T Í N H T R A C d i ệ n d ọ c
M Ặ T 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 H À N Ộ I
Nguyễn T hị Nga
K hoa K hí tượng - T hủy văn và H ải dương học
Trường Đại học Khoa học T ự nhiên, ĐHQG H à Nội
1. Đ ặ t v â n đ ề
C ùng vâi sự p h át triển m au lẹ của công nghệ tin học, cùa lý thuyêt hệ thống và của
phương pháp tín h , mô hìn h 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 củ a nó.

2 .1)

GSTARS2.1 (G eneralized S tream Tube model for Alluvial River Sim ulation version
là th ế h ệ gần đây n h ấ t của một mô hìn h sô' mô phỏng dòng chảy nước và bùn c á t trong

các sông bồi tích do Yang v à cộng sự nâng cao từ mô hìn h GSTARS2.0 vào năm 1998. Thế
h ệ đầu tiên của nó là GSTARS do Molinas v à Yang (Cục khai hoang Mỹ, 1956) p h át triển để
mô phỏng các điểu kiện dòng chảy theo kiêu bán h ai chiều v à các thay đổi hình học lòng dẫn
theo kiểu bán b a 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 lu ật thay đổi hìn h th á i lòng sông Việt Nam vói
đoạn sông thử nghiệm là đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến H à Nội, bài báo này công bô kết
quả bưốc đầu tìm hiểu mô hình GSTARS2.1 và ứng dụng m ôđun nưốc vật trong nó để tính
trắc diện dọc m ặt nước cho đoạn sông nói trên. Các k ết quả nghiên cứu tiếp theo cũng sẽ
được công bô.

2. Các k h ả năn g ứ ng d ụ n g của mô h ình GSTARS2.1 [4]
GSTARS2.1 bao gồm bôn phần chính. Phần đ ầu tiên sù dụng cả h ai phương trình
năng lượng và động lượng để tính toán nước vật. Phần thử h ai sử dụng khái niệm ống dòng
chảy để tính toán diễn toán bùn cát. Các tham số thùy lực và diễn toán bùn c á 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 a i chiều. P h ần thứ ba sử dụng lý thuyết mức tiêu hao năng lượng nhả n h ất
(Yang, 1971, 1976; Yang v à Song, 1979, 1986) trong th ế h ệ đã đơn giản hoá của nó vê tổng
năng lượng dòng chảy nhỏ nhất để tính điều chình độ rộng và độ sâu kênh. P hần thứ tư
gồm vào một tiêu c h u ẩ n ổn định mép bờ kênh cán cứ vào góc nghỉ cù a vật liệu bờ và tính
liên tục củ a bù n cát.
GSTARS 2.1 có k h ả năn g được ứng dụng để: tính trắc diện dọc m ặt nưóc có hoặc
không có vận chuyển bùn cát; tín h 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; tín h các thay đổi dọc v à ngang
củ a dòng chảy và các điểu kiện bùn cá t theo kiểu tự a h a i chiều dựa trê n khái niệm ống dòng
chảy (nếu chỉ có một ống dòng chảy được lựa chọn, mô hìn h trở th àn h một chiều; nếu nhiều

17


Nguyẻn Thị Nga

il

ống dòng chảy được lựa chọn, cả các thay đối cao trìn h đáy theo chiều ngang và th ắn g đửng
đều có th ể đưọtc mô phỏng); cung cấp một mô phỏng quá trìn h hoá thô lòng sông nhờ sử
dụng th u ậ t toán ph ân tuyển và hoá thó lòng sông dựa theo các ph ần kích thước bù n cát; mô
phỏng các thay đổi hìn h dạng hình học lòng dẫn đồng thời cả theo chiều rộng và chiểu sâu
d ự a th e o tổ n g n ă n g lư ợ n g đ ò n g c h ả y n h ỏ n h ấ t; m ô p h ỏ n g các t h a y đổi h ìn h d ạ n g h ìn h học
k ê n h d ự a tr ê n góc n g h ỉ c ù a c á c v ậ t liệ u b ờ k ê n h v à s ự liê n tụ 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 th u y ế t của mô hình nước vật tro n g GSTARS2.1 [4]
3.1.

C ác p h ư ơ n g t r ìn h cơ b ả n

Các tín h toán th ủ y lực trong
GSTARS 2.1 dự a trê n cơ sở mô hình
dòng chảy thay đổi dần. Các chê độ dòng
c h ả y h ỗ n h ợ p v à c á c bư ốc n h ả y th ủ y lực

có th ể được tín h toán bằng cách lựa
chọn sủ dụng phương trìn h năng lượng
hoác động lượng.
G STARS 2.1 sử dụng phương
pháp bậc th an g thông dụng đế tính toán
nước vật. Các thủy đồ lưu lượng được
xấp xi bởi các xuất hiện đột ngột củ a các
lưu lượng không đổi (hình 3.1).

H ình 3.1. Xấp xì thủy dồ lưu lượnự bằng dày cốc
bước có lưu lượng không dổi (Q,) và thời (loạn hữu
hạn At, )

Khi không có sự thay đổi kiểu chế
độ dòng chảy, th u ậ t toán sử dụng
phương trìn h năng lượng
Z + Y + a^ -= H
2g

(3.1)

trong đó: z là cao trìn h 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 n ăn g lượng so vối mốc tín h
toán v à g là gia tốc trọ n g lực.

H ình 3 £ . Xác (lịnh ('ác biến

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

8

S ï . f e V ï - p ,V 1) = p , - p ! + W , 8 i n e - F ,

(3.2)

trong đó: y là trọng lượng riêng của nước; p là h ệ số động lượng; p là áp s u ấ t tác động lên
m ật cất ngang đã cho; w „ là trọng lượng nước chứa giữa m ặt c ắ 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 trìn h trở thành:
Q2
. Q. - ~ - + A ,y 1 = - f - + A 2 y 2
A |g
Avg

(3.3)

Kèi quà bước dău ùn) luóu mô liìiili GSTARS21

li

trong đó: V là chiều sâu đo từ m ặt nưốc đến trọng tâm của m ặt cắt ngang chửa dòng chảy.
Phương trìn h (3.1) và (3.3) được giải bằng th ủ tục lặp thử sai.
Các tín h to án nước v ật được tiến hàn h 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 c ắ t ngang
rời rạc (hình 3.3). Cao
trìn h

m ật

nưốc

được

tính toán tạ i m ỗi m ặt

Hi

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

cắt ngang.
3.2.1.

M ô tả các m ặ t cắt ngang

Mỗi m ật c ắ t ngang được
nh ận dạng bởi m ột số mô tả vị
t r í cù a nó biểu diễn bằng
khoáng cách tín h từ một trạm
tham khảo p h ía h ạ lưu đế máy
tính có th ể tín h chiểu dài đoạn
sông (A s tro n g h ìn h 3.3). Hình
dạng hìn h học lòng dẫn của mỗi
m ặt c ắ t ngang được ròi rạc hoá

Vị ui ugaup
H ình 3.4. Miêu ti mặt cắt. ngang bằng một bộ điểm ròi rạ

bởi m ột bộ điểm xác định cao
trìn h đáy v à v ị trí m ặt cắt
ngang theo phương ngang

(khoảng cách từ m ột điểm tham
kháo tạ i m ột vị trí ỗ bờ trái).
Việc nội suy tu y ến tính được sử
dụng giữa các điểm này như
trong hìn h 3.4. Thông tin nàv
được sử dụng để tính các tham
số th ủ y lực cần th iế t cho các
tính toán nước v ặt như diện tích
dòng chảy, chu vi ướt, b án kính
thùy lực, độ rộng sông, trọng tâm

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 c ắ t ngang,...


Nguyen Thị Nga

Vị trí của các m ặt cắt ngang cần được lựa chọn đê miêu tả tố t n h ấ t h ìn h dạng hình
học của đoạn lòng dẫn nghiên cửu. ơ gần khu vực có khả n ăn g x u ất hiện bưóc nhảy thủy
lực, các m ặt cắ t ngang nên bố trí sá t n h au hơn. H ình 3.5 th ể 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 m ột 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 m a s á t Sf đối với một lưu lượng đã cho:

Q

(3.10)

Trong GSTARS 2.1, có th ể lựa chọn sử dụng một công thức bất kỳ sau đây đế tính K;
-công thức M anning: Q = K Sf /2 =
- công thức Chézy:

1.49 . R2/3jgl/2

(3.11)

Q = K S f/2 = (cA R 1,2^ f /2

í«

l í

(3.12)

F aW)

(3.13)

\

trong đó: n, c , f tương ứng là các h ệ số nhám trong công thửc M anning, chézy v à D arcyWeisbach; 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 c ắ t ngang; các h ệ s ố nhám yêu cầu được xác định cho các khu khác
nhau. Sử dụng ví dụ trong hìn h 3.4, bãi trá i có th ể có một giá trị h ệ số nhám , lòng chính có
một giá t r ị khác v à bãi phải có một giá trị 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 hìn h dạng hìn h học m ật c ắ t ngang sông ăn kháp vâi các tỷ số độ
rộng/độ sâu và nó có th ê đư a ra các sai sô về cao trìn h m ặt nước trong các m ặt cắt ngang
hẹp giống như hình chữ n h ật. GSTARS 2.1 giả th iết một h ệ sô nh ám cô định cho mỗi m ặt
cắt ngang.
Tổn th ấ t do m a s á t hf q u a mỗi đoạn sóng là tích sô' của độ doc m a s á t và chiểu dài
đoạn sông Ax . Nó có th ể được xác định từ một trong bốn lựa chọn sau đây:
• từ độ dốc m a s á t tru n g bìn h củ a các đoạn sông kề liền: h f = ỉ ( s f Ị + s f2 )A x

(3.14)

- từ độ dốc m a sát tru n g bình nhân: h f = &XyjSf]S
Ax^Sf]Sfi22

(3.15)

- từ sô' vận chuyển tru n g bình:

- từ trị tru n g bình điểu hoà:

ílKl2Q- ìJ

h f = Ị — — — ỊlA x
+K 2
r 2 s „ s f2 s
h f = -L J 1 f2... Ux
V®f I + s f2 )

(3.16)

(3.17)

Kél quả bước đàu lìm hiếu mò lùiứi GSTARS2.1

Tổn th ấ t cục bộ gây bởi sự mở rộng và thu hẹp lòng dẫn h R được tính theo công thức:
Ịv.2 V.? I
h . = C KP - - - î E
I2g
2gỊ

(3.18)

trong đó: CElà h ệ số tổn th ấ t năng lượng. Trong GSTARS 2.1, C E được đặt đến 0.1 đối với
các thu hẹp và 0.3 đối vối các mờ rộng.
Các tốn th ấ t khác nh ư tổn th ấ t do các khúc cong của kênh hoặc do các công trìn h xây
dựng bởi con người được tính theo công thức:
h B =C BS 2g

(3.20)

trong đó: CH là h ệ sô ton th ấ t năng lượng do người sử dụng cung cấp. Đôi vối ph ần lớn các
sông tự nhiên, các giá trị C1Sđược giả th iết bằng 0. Tong tổn th ấ t năng lượng giữa h ai m ặt
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 ì n h nư ớ c v ậ t t r o n g G STA R S 2.1 đ ể tí n h t r ắ c d iệ n d ọ c m ặ t nướ c
c h o đ o ạ n s ô n g H ồ n g t ừ H oà B ìn h đ ế n H à Nội
4.1. M ô tà đ o ạ n s ô n g n g h iê n cứ u
Đoạn sóng nghiên cứu gồm đoạn
sông Hồng từ ngă ba Thao-Đà đến Hà
nhập lưu và m ột chi lưu. N hánh nhập
nhánh nhập lưu thừ h ai là sông Lô tại

n gả ba H ồng-Đ uống.

sông Đà từ Hoà Bình đến ngã ba Thao-Đà và đoạn
Nội. Trên đoạn sông nghiên cửu này có h ai nhánh
lưu thử n h ất là sông Thao tạ i ngã ba Thao-Đà và
ngã ba Lô-Hồng. Chi lưu duy n h ấ t là sông Đuống từ

Mô hình GSTARS 2.1 được h ạn ch ế cho nhửng sông đơn nhưng nó có th ể 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 th ể xem như trên đoạn sông nghiên cửu từ Hòa Bình đến Hà Nội có h ai điểm
nhập lưu cục bộ v à một điểm phân lưu cục bộ. Điểm nhập lưu cục bộ thử n h ấ t là cùa sông
Thao vào sông Đ à tạ i ngả ba Thao-Đà và điểm nhập lưu thứ h ai là củ a sông Lô vào sông
Hồng tạ i Ngã b a Lô-Hồng. Điểm ph ân lưu cục bộ duy n h ất là sông ĐuôYig từ ngã b a HồngĐuống.
4.2. Cơ s ở s ố liệ u
Dựa theo các yêu cầu vê sô liệu đầu vào của môdun nước v ật trong mô hình GSTARS 2.1,
các số liệu sau đây đ ã được thu th ập 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) trê n sông Đà đoạn từ Hoà B ình đến ngã ba
Thao-Đà.
- 17 m ật cắt ngang (từ sô 48 đến sô 64) trê n sông Hồng đoạn từ ngã ba Thao Đ à đến
H à Nội.
- Trắc diện dọc đáy sông từ Hoà Bình đến H à Nội.


Nguyên llii Nga

*
Sô liệu th ủ y văn: đo đạc năm 1992 và 1993 của T ru n g tâm K hí tượng Thùy vă
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 trê n sông Lô và Thượng C át trê n sông Đuống.
- Mực nước bình quân ngày tạ i hai trạm Sơn Tây và H à Nội trên sông Hồng.
4.3. S ơ đ ồ h o á đ o ạ n s ô n g n g h iê n cứ u
T rên cơ sỏ các số liệu địa hình và thủy văn đã th u th ập được, đoạn sông nghiên cứu
đã được sơ đồ hoá nh ư trê n hìn h 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 nh ập lưu cục bộ thứ n h ấ t là nhập
lưu của sông Thao vào sông Hồng tại ngã ba Thao-Đà. Điếm nh ập lưu cục bộ thử hai là
nhập lưu của sông Lô vào sông Hồng tại ngã b a Lô-Hồng. Điểm ph ân lưu cục bộ duy n h ất 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
th àn h các trường có độ rộng cô
định. Các trường được đán h số từ
trái qua phải, b ắt 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 s ố liệu cho
GSTARS 2.1. Trường 1 dài 6 ký tự;
trường 2 đến 1 0 dài 8 ký tự.

H ó Ilò a B in h

A
JLj

10 M

Hòa Bình

I

o

ỉ
Irung Hà-

'Sồng Lô
A
Vụ Quang
C h ú s ià i

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

<[j Trạm thúy văn
I

Biên dưới

□ Biôn trôn
_ » Điểm phân
lưu cục bộ
Điểm nhập
lưu cục bộ
1«; Vị trí m ặt
c ắ t số 62

~E~

Thượng Cá!
H à Nội

Đoạn sông nghiên cứu được
H ình 3.6 So đồ tinh cùrt đoạn sông nghiên e
mô tả bởi 55 m ặt c ắ t ngang. Hình
dạng hình học củ a các m ặt cắt
ngang được mô tả bởi các cặp toạ độ
X-Y (vị trí ngang và cao trìn h đáy). Các cao trìn h đáy (Y) được lấy bằng cách sit dụng các sô’


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 trí ngang (X) được cho bằng
cách sử dụng một điểm th am khảo đối vối mỗi m ặt cắt ngang và các cặp toạ độ được vào
theo thít tự tảng toạ độ X, tức là b ắt 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 m ột giá trị 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 nh ận dạng m ặt c ắ t ngang. Các trạm được
vào liên tục, b ắ t đầu từ m ặt cắt ngang xa n h ất phía thượng lưu và tiếp tục xuôi theo dòng.
Mồi một m ặt cắt ngang có th ể dược ph ân chia th àn h một số phàn khu lòng dẫn có độ
nhám không đỏi. Mỗi một phân khu này sẽ có giá trị hệ sô độ nhám l iêng. Trong nghiên cứu
này, cản cứ vào hình dạng c ủ a từng m ặt cắt ngang, mỗi m ặt cất ngang được chia th àn h ba
ph ân khu gồm bãi trá i, lòng chính và bãi phải. Như vậy, có ba giá trị 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 trí và sô
điếm cần đê xác định mỗi m ặt cắt ngang, sô chì m ặt cắt ngang có phái là m ặt cắt kiếm soát
hay không, hệ sô được sứ dụng đe hiệu chinh cao trìn h và khoảng cách thắng góc với đường
chủ lưu cho mỗi m ặt cắt ở nơi cần th iết và hệ số tổn th ấ t năn g lượng cục bộ. Ban ghi ND
được sử dụng để xác dịnh sô phân khu lòng dẫn tại m ặt cắt đ ã cho và cốc vị trí 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 nh ận dạng trên bản ghi ND trước ciia m ặt cắt.
ngang.

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

GSTARS 2.1 có th ề dùng các phương trìn h M anning, Darcy-Weisbach hoặc Chézy đế
tính độ dôé năn g lượng v à số vặn chuyến. Phương trin h muốn sử dụng được lựa chọn bằng
cách dùng một bản ghi RE và trìn h bày sau số liệu hình dạng hình học lòng dẫn. Bàn ghi


Nguyén 'thj Nga

24

RE cũng được sử dụng để định rõ phương trìn h dùng để tính độ dốc m a s á t cục bộ. Trong
nghiên cứu này đ ã chọn sử dụng phương trìn h M anning.
Các sô' liệu thủy lựg cần th iế t để mô phỏng số là mực nước v à cao trìn h m ặt nưâc
tương ứng tạ i các biên (các điều kiện biên). Điểu kiện biên trê n là đường quá trìn h lưu
lượng chảy vào đoạn sông nghiên cứu, tức qua trạm Hoà Bình. Đường q u á trình lưu lượng
này được xấp xỉ bằng các xuất hiện đột ngột củ a 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 trìn h
lưu lượng. Điều kiện biên dưối là đưòng quá trìn h mực nước bình qu ân ngày tạ i trạm h ạ lưu
xa n h ấ t (trạm H à Nội).
Trong GSTARS 2.1, các đường quá trìn h 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 củ a bước thời gian. Các cao
trìn h m ặt nưỏc tương ứng được cho cả bằng dạng bảng hoặc bằng các đường cong mực nướclưu lượng. Loại đầu vào đối với lưu lượng nước được lựa chọn bằn g 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 trị 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. P hụ thuộc vào việc chọn các lựa chọn,
một sô' bàn ghi này có th ể được bỏ qua. Trong nghiên cửu này đ ã chọn bảng mực nước-lưu
lượng tại trạ m kiểm soát. Lựa chọn này được chọn bằng cách dùng lựa chọn STAGE
DISCHARGE TABLE trong bản ghi s s và lựa chọn TABLE O F DISCHARGES trong bán
ghi QQ. Bảng được vào nhờ sử dụng các bản ghi TL và SQ.
Mặc dù GSTARS 2.1 được giới h ạn cho những sông đơn nhưng nó có th ể bao gồm cả
các đóng góp nước và bù n cá t bởi các nh án h vào đoạn sông mô h ìn h hoá. Thông tin cần thiết
để mô hìn h hoá các ảnh hưởng củ a 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 ấ t là n h án h sông Thao có lưu lượng
chảy vào bằng lưu lượng thực đo tạ i trạm Yên Bái; n h án h chảy vào thử h ai là sông Lô có lưu
lượng chảy vào là lưu lượng thực đo tạ i trạm Vụ Quang. Chi lưu duy n h ất 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 v ả đ iê u k iệ n b iên
Sô liệu thực đo m ặt c ắ t ngang năm 1992 cù a 55 m ặt cắt ngang trê n sơ đồ tín h của
đoạn sông nghiên cứu được sử dụng làm điếu kiện địa hình ban đầu. T ại thời điểm ban đầu
(t=0, chưa tính toán), lưu lượng và mực nước tại tấ t cả các m ặt c ắ t đều bằng 0. Điều kiện
biên trê n là quá trìn h lưu lượng bình quân ngày tạ i trạm Hoà Bình. Điểu kiện nội biên là
lưu lượng nh ập lưu cục bộ cùa nhánh sông Thao (trạm Yên Bái) và sông Lô (trạm Vụ
Quang) cùng lưu lượng ph ân lưu cục bộ là lưu lượng sông Đuống (trạm Thượng Cát). Điều
kiện biên dưới là quá trìn h 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 hìn h nưốc v ật 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 hìn h 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 cù a 55 m ặt cắt
trong đó có 38 m ặt cắt trên sông Đ à và 17 m ặt cắt trê n sông Hồng, s ố liệu thủy văn bao
gồm sô liệu quá trìn h lưu lượng bình quân ngày nám 1992 tạ i các trạm Hoà Bình (biên
trên), Yên Bái (nhánh nhập lưu 1), Vụ Q uang (nhánh nhập lưu 2), Thượng C át (chi lưu) và
sô liệu quá trìn h mực nước bình quân ngày năm 1992 tạ i trạm H à Nội (biên dưối).
Các thông sô mô hình nước v ật cần tối ưu là các hệ sô nhám M anning của lòng dẫn
(gồm hai bải sông và lòng chính) v à phương pháp tính tổn th ấ t do m a sát.
4.5.1. Hiệu chỉnh các hệ sô nhám M anning của lòng dẫn
Q uá trìn h hiệu chỉnh mô hìn h nhằm tìm bộ h ệ số nhám M anning củ a lòng dẫn (gồm
hai bãi sông và lòng chính) được tiến hàn h 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 c ắ t ngang trong sơ

đồ tính. Việc lựa chọn các hệ số độ nhám này lấy trong khoảng các giá trị h ệ 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 th ủ y lực vối bộ h ệ số nhám đă lựa
chọn và một trong bốn phương pháp tính tổn th ấ t cho phép bởi mô hìn h (ở đây sơ bộ chọn
phương pháp tính tổn th ấ t do m a s á t từ độ dốc m a s á 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 trìn h lưu lượng bình quân ngày năm 1992 tại các trạm Hoà Bình, Yên Bái, Vụ
Quang, Thượng C át và sô' liệu quá trìn h mực nước bình quân ngày nám 1992 tạ i trạm Hà
Nội. Các k ết quả mô phỏng th ủ y lực là mực nước tạ i t ấ t cả các m ặt c ắ t ngang trong sơ đồ
tính.
- Lấy trạm Sơn Tây trên sông Hồng (m ặt cắt 54) làm m ặt cắt kiểm tra , từ các k ết 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 v à vẽ đường quá trìn h mực nước bình quân ngày tại trạm Sơn Tây năm 1992.
So sánh nó với quá trìn h 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 trị R2 lốn n h ất sẽ là bộ h ệ sô’ độ nhám tối ưu.
Sau rấ t nhiều lần thử sai vói nhiều bộ h ệ sô nhám lòng sông v à bãi sông khác nhau,
nghiên CÛU đ ã lựa chọn được một bộ h ệ số lòng sông và bãi sông tối ưu: ri|6ní chInh = 0,027 và
n bil ring = 0,05. Với bộ h ệ s ố nhám này, mô phỏng th ủ y lực đ ạ t k ết quả tố t nhất: đường quá
trìn h mực nước tính toán và thực đo tạ i trạm Sơn T ây năm 1992 rấ t ph ù hợp với nh au (hình
3.8), độ hửu hiệu R 2 đ ạt 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 củ a WMO, mô hìn h được đánh giá
vào loại tốt.


Nguyén 'lliỊ Nga

26

4.5.2.

L ự a chọn công thức tính tổn th ấ t do m a sát

Mô hìn h GSTARS 2.1 cho phép lựa chọn một bốn phương p h áp để tính tổn th ấ t do ma
sát. Đó là: phương pháp tính tổn th ấ t do m a s á t từ độ dôc m a s á t tru n g bình củ a các đoạn
sông kề liền; phương ph áp tín h tổn th ấ t do m a s á t từ độ dốc m a sát tru n g bình nhân;
phương pháp tín h tổn thâ't do m a s á t từ sô' vận chuyển tru n g bìn h v à phương ph áp tính tổn
th ấ t do m a s á t từ t r ị tru n g bình điểu hoà.
Phương pháp tính ton th ấ t do m a sát từ độ dốc m a sát tru n g bình cùa các đoạn sông
kề liền đã được sử dụng khi tối ưu hoá bộ h ệ sô nhám lòng dẫn củ a mô hình. Vối bộ h ệ sô
nh ám lòng dẫn đ ã tối ưu được, lần lượt chạy mô hình cho từ n g phương pháp trong ba
phương pháp còn lại, dùng chương trìn h con đ ã thiết lập, từ file đ ầu ra có phần mở rộng là
WPL, tiến h àn h trích và vẽ đường quá trìn h mực nưốc bình q u ân ngày tạ i trạm Sơn Tây
năm 1992 cho từng trường hợp. So sán h nó vói quá trìn h mực nưốc bình quân ngày thực đo
tại trạ m Sơn Tây năm 1992 và đánh giá mức độ phù Kợp băng tiêu chuẩn độ hữu hiệu Rcù a WMO. Các k ế t q u ả tín h theo bốn phương ph áp trê n cho thấy: phương ph áp tín h tổn

H ỉ n 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 s á t từ độ dốc m a sát tru n g bình cùa các đoạn sông k ề 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 n h ất. C hình vì vậy, nó được chọn cùng vói bộ hệ sô' nh ám đã
tối ưu để tín h toán th ù y lực cho đoạn sông nghiên cứu.
4.6. K ỉern n g h iệ m m ô h ìn h
Đe kiểm tr a độ ổn định của mô hìn h nước v ật vối bộ thông s ố đã tối ư u được (hệ sô'
nhám lòng dẫn và phương ph áp tín h tổn th ấ t do m a sát), nghiên cửu đ ã tiến h àn h kiểm
nghiệm mô hìn h với sô' liệu địa hìn h năm 1992 và số liệu thủy văn độc lập năm 1993, lấy
m ặt cắt trạ m Sơn Tây làm m ặt cắt kiểm tra.

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

H

Kết quả kiểm định cho thấy: đuờng quá trìn h mực nưốc bình qu ân ngày tín h toán từ
mô hình với bộ thông sô thủy lực tối ưu đã lựa chọn và đưàng quá trìn h mực nưóc bình quân
ngày thực đo tạ i trạm Sơn Tây năm 1993 r ấ t phù hợp vối n h a u (hình 3.9). Độ hìtu hiệu của
mô hình tính theo chỉ tiêu R‘ đ ạt 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 cù a 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 hìn h đã cho thấy: mô hìn h nưốc v ật trong
GSTARS2.1 với bộ thông sô thủy lực đ â tối ưu trê n đểu được đánh giá đ ạt loại tố t theo tiêu
chuẩn của WMO. Bỏi vậy, nó có th ể được sử dụng vói độ tin cậy cao để tín h trắ c diện dọc
m ặt nước cho đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến Hà Nội, làm cơ sở cho các tín h toán diễn
toán bùn cá t và tín h toán diễn biến lòng sông trong nghiên cứu tiếp theo củ a để tài.
Nghiên cửu này được hoàn th àn h với sự hỗ trợ kinh phí củ a chương trìn h N ghiên 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 à n 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 M anual for GSTARS2.1 (Generalized
Stream Tube model for Alluvial River Sim ulation version 2.1), U.S. Departm ent of the
Intertior - Bureau of Reclamation - Technical Service Center - Denver, Colorado, December
2000.


Nguyền Thi Nga

28.

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

IN IT IA L R E S U L T S O F STU D Y IN G G ST A R S2.1 M O D E L A ND
A P P L IC A T IO N BA CK W A TER M O D U L E O F T H E M O D E L T O
C A LC U LA T E W A T E R S U F A C E P R O F IL E FO R R E D R IV E R R E A C H
FR O M H O A B IN H TO H A N O I
N g u y e n T h i N ga

D epartm ent o f Hydro-Meteorology & Oceanography
College o f Science, VN U
This sciential artic le introduced initial re su lts of studying GSTARS2.1 model
(G eneralized S tream Tube model for Alluvial River S im ulation version 2.1) and application
backw ater m odule of th e model to calculate w ater suface profile for Red river reach from
Hoabinh to Hanoi. T he re su lts of model calibration w ith hydrological d a ta in 1992 and
model verification w ith independent hydrological d a ta in 1993 show th at: backw ater model
of GSTARS2.1 with th e optim azed p aram eter set can be use to caculate w ater suface profile
for Red river reach from H oabinh to Hanoi, th a t m ake basic for sedim ent routing and Red
river bed change calculation in following study of th is subject.