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 Ơ 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 , mơ hìn h tốn dã dần được xem là cơng cụ có hiệu quả để tính vận chuyển
bùn cát và diễn biến lịng sơng nhị 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 mơ hìn h sơ' mơ phỏng dịng chảy nước và bùn c á t trong

các sơng bồi tích do Yang v à cộng sự nâng cao từ mơ 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
mơ phỏng các điểu kiện dịng chảy theo kiêu bán h ai chiều v à các thay đổi hình học lịng dẫn
theo kiểu bán b a chiều.
Vối mục tiêu cuối cùng là nghiên cửu ứng dụng thử nghiệm lần đầu tiên mơ hình
GSTARS2.1 để mơ phỏng và dự báo quy lu ật thay đổi hìn h th á i lịng sơng Việt Nam vói
đoạn sơng thử nghiệm là đoạn sơng Hồng từ Hồ Bình đến H à Nội, bài báo này cơng bơ kết
quả bưốc đầu tìm hiểu mơ hình GSTARS2.1 và ứng dụng m ơđun nưốc vật trong nó để tính
trắc diện dọc m ặt nước cho đoạn sơng 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 mơ h ình GSTARS2.1 [4]
GSTARS2.1 bao gồm bơn phần chính. Phần đ ầu tiên sù dụng cả h ai phương trình
năng lượng và động lượng để tính tốn nước vật. Phần thử h ai sử dụng khái niệm ống dòng
chảy để tính tốn diễn tốn bùn cát. Các tham số thùy lực và diễn toán bùn c á t được tính
cho mỗi ống dịng 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 dịng 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
khơng 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, khơng 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 dịng chảy được lựa chọn, mơ 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 mơ phỏng); cung cấp một mơ phỏng q trìn h hố thơ lịng sơng nhờ sử
dụng th u ậ t tốn ph ân tuyển và hố thó lịng sơng dựa theo các ph ần kích thước bù n cát; mơ
phỏng các thay đổi hìn h dạng hình học lịng 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 mơ 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 mơ hình
dịng 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 tốn bằng cách lựa
chọn sủ dụng phương trìn h năng lượng
hốc động lượng.
G STARS 2.1 sử dụng phương
pháp bậc th an g thơng dụng đế tính tốn
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 khơng dổi (Q,) và thời (loạn hữu
hạn At, )

Khi khơng có sự thay đổi kiểu chế
độ dịng chảy, th u ậ t tốn 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 sơ phân bố tốc độ; H là cao trình
cúa đường n ăn g lượng so vối mốc tín h
tốn v à g là gia tốc trọ n g lực.

H ình 3 £ . Xác (lịnh ('ác biến

Khi có sự thay đối kiểu dịng cháy
tìt êm sang xiết hoặc ngUỢc lại, th u ậ t tốn 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 q bước dău ùn) lu mơ 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 dịng đơi vói các dịng chảy
êm và xi dịng đối vói các đòng chảy xiết.
3 .2 . M iê u t ả m ơ h ì n h

Trong GSTARS 2.1,
khu

nguồn

nước

mơ

h ình hố được mô tả
bằng các m ật c ắ t ngang
rời rạc (hình 3.3). Cao
trìn h

m ật

nưốc

được

tính tốn tạ i m ỗi m ặt

Hi

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

cắt ngang.
3.2.1.

M ơ tả các m ặ t cắt ngang

Mỗi m ật c ắ t ngang được
nh ận dạng bởi m ột số mơ tả vị
t r í cù a nó biểu diễn bằng
khống 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 rịi rạc hố

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. Thơng tin nàv
được sử dụng để tính các tham
số th ủ y lực cần th iế t cho các
tính tốn nước v ặt như diện tích
dịng chảy, chu vi ướt, b án kính
thùy lực, độ rộng sơng, 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 lịng 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 dịng
đểu để tính các tổn th ấ t do m a sát. Công thức này được sử dụng để tính số vận chun tơng
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;
-cơng 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 , lịng 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 sơng ăn kháp vâi các tỷ số độ
rộng/độ sâu và nó có th ê đư a ra các sai sơ 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 sơ' 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 hồ:

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 mị lùiứi GSTARS2.1

Tổn th ấ t cục bộ gây bởi sự mở rộng và thu hẹp lịng dẫn h R được tính theo cơng 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 cơng trìn h xây
dựng bởi con người được tính theo cơng 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 ơ 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 ồ 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
sơng 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.

sơng Đà từ Hồ 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

Mơ hình GSTARS 2.1 được h ạn ch ế cho nhửng sơng 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 hố.
Bởi vậy, có th ể xem như trên đoạn sơng nghiên cửu từ Hịa 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 mơdun nước v ật trong mơ 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 sơng nghiên
cứu:
* S ố liệu địa hình: do Đồn khảo sá t sơng Hồng đo đạc năm 1992, bao gồm:
• 38 m ặt cắt ngang (từ sô 10 đến số 47) trê n sơng Đà đoạn từ Hồ 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 sơng từ Hồ 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 Hồ Bình ti ên sơng Đà, n Bái trên
sơng Thao, Vụ Q uang trê n sông Lô và Thượng C át trê n sơng Đuống.
- Mực nước bình qn 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 sơng nghiên cứu
đã được sơ đồ hố nh ư trê n hìn h 3.6. Biên trên (biên thượng lưu) là trạm thủy vãn Hồ 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 Ilị a B in h

A
JLj

10 M

Hịa Bình

I

o

ỉ
Irung Hà-

'Sồng Lơ
A
Vụ Quang
C h ú s ià i

Sơ” liệu thủy lực u cầu gồm
số liệu hình học lịng dẫn và sơ' liệu
thủy văn. Sơ liệu hìn h học lịng dẫn
được trìn h bày đầu tiên gồm hình
dạng hình học m ật cắt ngang, độ
nhám lòng đẫn và các h ệ sơ 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 sơng 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 q buỏc dầu tìm Incu 11)1) lùnli CÌSI'ARS2.1.

liệu chung đõì vâi mỗi đoạn sơng và ln ln 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
xi dịng). 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 dịng chảy, được tính bằng hiệu giữa các sơ 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 xi theo dịng.
Mồi một m ặt cắt ngang có th ể dược ph ân chia th àn h một số phàn khu lịng dẫn có độ
nhám khơng 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 sơ 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 sơ
điếm cần đê xác định mỗi m ặt cắt ngang, sơ chì m ặt cắt ngang có phái là m ặt cắt kiếm sốt
hay khơng, hệ sơ 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 dơé 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 sơ' 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 Hồ 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 hố đường q trìn h
lưu lượng. Điều kiện biên dưối là đưịng q 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 sơ' 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 sơng mơ h ìn h hố. Thơng tin cần thiết
để mơ hìn h hố 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. Thơng tin dịng 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 sơng 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 sơng 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 sơng nghiên cứu được sử dụng làm điếu kiện địa hình ban đầu. T ại thời điểm ban đầu
(t=0, chưa tính tốn), 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 Hồ 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 mơ 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. Sơ' liệu địa hìn h này bao gồm số liệu đo đạc
m ật cắt dọc sơng từ Hồ 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 sơ liệu q trìn h lưu lượng bình qn ngày nám 1992 tạ i các trạm Hồ 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 sơ mơ hình nước v ật cần tối ưu là các hệ sơ nhám M anning của lịng dẫn
(gồm hai bải sơng và lịng chính) v à phương pháp tính tổn th ấ t do m a sát.
4.5.1. Hiệu chỉnh các hệ sơ nhám M anning của lịng dẫn
Q trìn h hiệu chỉnh mơ hìn h nhằm tìm bộ h ệ số nhám M anning củ a lòng dẫn (gồm
hai bãi sơng và lịng 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 sơng và từ 0,02 đến 0,035 đối với lịng
chính.
- Sử dụng mơ hỉnh GSTARS2.1, lần lượt mơ 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 mơ 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 sơng kể liền)
trong điều kiện lòng dẫn được xem như cố định (lòng cứng), s ố liệu thủy lực đầu vào là sơ'
liệu q trìn h lưu lượng bình qn ngày năm 1992 tại các trạm Hồ Bình, n Bái, Vụ
Quang, Thượng C át và sơ' liệu q 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
mơ phỏng thủy lực bởi mơ hình vối bộ hệ sô độ nhám M anning đã lựa chọn, lập chương trình
con để trích v à vẽ đường q trìn h mực nước bình quân ngày tại trạm Sơn Tây năm 1992.
So sánh nó với q 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 sơ nhám lịng sơng v à bãi sơng khác nhau,
nghiên CÛU đ ã lựa chọn được một bộ h ệ số lịng sơng và bãi sơng 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 q
trìn h mực nước tính tốn 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.


Ngun 'lliỊ Nga

26

4.5.2.

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

Mơ 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
sơng 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 sơ' 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 hồ.
Phương pháp tính ton th ấ t do m a sát từ độ dốc m a sát tru n g bình cùa các đoạn sơng
kề liền đã được sử dụng khi tối ưu hố bộ h ệ sơ nhám lịng dẫn củ a mơ hình. Vối bộ h ệ sơ
nh ám lịng dẫn đ ã tối ưu được, lần lượt chạy mơ hình cho từ n g phương pháp trong ba
phương pháp cịn 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 q 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 tốn 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 sơng 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 sơ' nh ám đã
tối ưu để tín h tốn th ù y lực cho đoạn sông nghiên cứu.
4.6. K ỉern n g h iệ m m ơ h ìn h
Đe kiểm tr a độ ổn định của mơ hìn h nước v ật vối bộ thông s ố đã tối ư u được (hệ sơ'
nhám lịng 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 mơ hìn h với sơ' 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 tốn từ
mơ hình với bộ thông sô thủy lực tối ưu đã lựa chọn và đưàng q trìn h mực nưóc bình qn
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
mơ hình tính theo chỉ tiêu R‘ đ ạt tới 97,25%. sai số quân phương tương đơi chì bằng 0,21%,
í

H (cm)

H ìn h 3.9. Đường q trinh mực nước tính lốn 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, mơ 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: mơ 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 sơng Hồng từ Hồ Bình đến Hà Nội, làm cơ sở cho các tín h tốn diễn
tốn bùn cá t và tín h tốn diễn biến lịng sơng 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 sơng 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.