TÍNH TOÁN PHẠM VI NƯỚC DÂNG VÀ BỒI LẮNG, XÓI LỞ THƯỢNG, HẠ LƯU CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI -
II. TÍNH TOÁN SƠ BỘ THỂ TÍCH BỒI LẮNG TRONG HỒ CHỨA
1. TÍNH TOÁN BỒI LẮNG TRONG KHO NƯỚC NÓI CHUNG
A. Phương pháp đơn giản. (Sa-mốp)
Phương pháp đơn giản nhất để tính toán số năm bồi lắng trong kho nước là lấy dung tích kho (dung tích chết) chia cho lượng bùn cát bồi lắng mỗi năm.
0 S
T W
=W [3-33]
T - thời gian tính bồi lắng hằng năm.
W0 - dung lượng chết.
WS - lượng bùn cát bồi lắng mỗi năm.
B. Phương pháp tính toán cải tiến.
Căn cứ vào tài liệu thực tế về bồi lắng trong kho nước để xây dựng công thức kinh nghiệm. Orơtom đề ra công thức tính toán, về sau Antunin cải tiến thêm, công thức có dạng:
0 t
Wt =W a [3-34]
W0 – dung tích bồi lắng tối đa của kho nước, sau khi bồi đầy dung tích này thì bùn cát không bồi lắng trong kho nữa mà mang xuống hạ lưu.
Wt – dung tích còn lại chưa bị bồi lắng của kho nước sau khi thời gian làm việc t naêm.
a – tham số có quan hệ như sau:
0 0
1 R
a= - W [3-35]
Với R0 – dung tích bùn cát bồi lắng năm thứ nhất;
t – thời gian tính bằng năm.
Tác giả đã đề nghị dùng công thức sau để tính gần đúng R0 và W0 :
0
0
1 1
n
b m
b
R R
W W
ộ ổWử ự ờ ỗ ữữ ỳ
= ờờở- ỗỗỗWố ữữứ ỳỳỷ
ộ ổWử ự ờ ỗ ữữ ỳ
= ờờở- ỗỗỗWố ữữứ ỳỳỷ
[3-36]
Trong đó:
R – lượng bùn cát của năm thiết kế;
W – toồng dung tớch kho;
Ω - diện tớch mặt cắt ngang lũng sụng trong trường hợp cú ắ Qmax
Ωb- diện tích mặt cắt ướt ở thượng lưu sát thân đập.
m – chỉ số có thể lấy m ≅1,7.
n – chỉ số có quan hệ với độ dốc đáy sông và chiều dài kho nước, thay đổi trong phạm vi từ 0,33 đến 1,00.
Khi i < 0,0001 thì n = 1 → 0,8
i = 0,001→ 0,0001 thì n = 0,8 → 0,5 i = 0,01 → 0,001 thì n = 0,5 → 0,33
Sau khi tính được R0 và W0 , dùng công thức [3-35] [3-36] sẽ tính được dung tích khi chưa bị bồi lắng W1 hoặc dung tích kho đã bị bồi Wbồi = W0 – Wt , Công thức Samốp có thể dùng để tính cho kho nước có dung tích lớn.
Ví dụ: Tính toán bồi lắng cho kho nước X trên sông Y.
Biết W = 253×106 m3 R = 25,3×106 m3 (lượng bùn cát năm thiết kế) Ω= 540m2 Ωb = 3.800m2
Với lũ bình thường: i = 0,0007, chỉ số n = 0,65, thì số m = 1,7 Dung tích bồi lắng của bùn cát trong năm thứ nhất:
0,65
6 6 3
0 25,3.10 1 540 20,4.10 R = ộờờờở- ổỗỗỗố3800ửữữữứ ựỳỳỳỷ= m Dung tích bồi lắng tối đa của kho nước là:
1,7
6 6 3
0
25,3.10 1 540 243.10 W = ộờờờở- ổỗỗỗố3800ửữữữứ ựỳỳỳỷ= m
Tham số a sẽ là:
1 20,4 0,48 a= - 243=
Dung tích còn lại chưa bồi lắng sau thời gian t năm:
(243 10 ) (0,84)6 t
Wt= ´ ´
Ta lập được biểu tính Wt từng với thời gian cụ thể:
Thời gian t
naêm
Tham soá a
W0
(m3)
at Wt
106m3
Wboài
106m3
Wboài % (đã bồi) 2
4 6 8 12 16
0,84 0,84 0,84 0,84 0,84 0,84
234 243 243 243 243 243
0,71 0,50 0,35 0,25 0,125 0,0635
172 121 85 61 30 15
71 121 158 182 213 228
29 50 65 75 87 94 Nhược điểm của phương pháp Sa-mốp chỉ cho phép chúng ta tìm được tổng số năm bồi lắng mà không tìm được quá trình bồi lắng.
Bò chuù : Dung tích bò boài Wb = W0 – Wt Dung tích boài theo %
0 0
% t
b
W W W W
= -
C. Tính toán bồi lắng trong kho nước loại vừa và nhỏ
Xuất phát điểm của phương pháp là: Do dung tích kho nước nhỏ, thời gian làm việc ít, các yếu tố thủy lực không có sự thay đổi lớn, do đó có thể dùng các công thức của dòng ổn định đều, công thức tính sức tải cát của dòng nước và các công thức quan hệ hình dạng sông cho cả khu vực nước dâng.
Từ đó có thể diễn toán từ công thức cơ bản của thủy lực là công thức Chezi-Maning cho dòng đều ổn định:
2 1
3 2
V 1R J
= n [3-37]
Để tìm ra công thức tính các yếu tố thủy lực và lòng sông chủ yếu là J, B, h (độ dốc mặt nước, chiều rộng lòng sông và chiều sâu dòng nước) sau từng thời đoạn nhất định.
Sau khi ta tìm được J, B, h, bằng các quan hệ hình học ta có thể tìm được các độ dài của đoạn nước dâng ở cuối các thời đoạn, xem hình 3.
0
L H
J J
= D
- [3-38]
Trong đó:
∆H – độ cao dâng nước ở sát đập của cuối thời đoạn J0 – độ dốc mặt nước ở trạng thái tự nhiên
J – độ dốc mặt nước ở cuối thời đoạn tính toán.
a)
b)
Hình 3: Sơ đồ tính toán bồi lắng trong kho nước vừa và nhỏ a) Mặt cắt dọc b) Mặt cắt ngang
Ở khu nước dâng, do ảnh hưởng của bồi lắng làm cho mực nước bị dâng lên, có thể tính gần đúng trị số ∆h như sau:
∆h = JL0 [3-39]
Trong đó : L0 – độ dài của đoạn nước dâng trước khi bồi lắng.
0 0
L H J
=D Do đó:
0
h J H
D =J D H0 H B0
B
Thời gian tính toán của mỗi thời đoạn có thể tính theo công thức:
1 1 1
t W G D =D
D [3-40]
Trong đó : ∆W1 - thể tích bùn cát bồi lắng trong thời đoạn từ ti-1 đến tI , thể tích này phải bằng hiệu số tổng thể tích bồi lắng ở cuối thời đoạn t1 và cuối thời đoạn tI-1 tức là:
1 1 i 1
W W W-
D = -
Tổng thể tích bùn cát bồi lắng ở cuối mỗi thời đoạn có thể tính theo diện tích mặt cắt ngang như sau:
' 2 3 ' ' '
1 2 1
1 1 2 ... 1
2 2 n 2 n n n
W = ổỗỗỗốW+ Wl + W + Wl + W + W- i - ửữữữứ- WL [3-41]
Ω1, Ω2, …,Ωn - là diện tích các mặt cắt ngang từ sát đập lên thượng lưu. Các trị số Ω1, Ω2,…, Ωn-1 có thể tra trên quan hệ giữa mực nước và diện tích (H- Ω ) thực đo trong kho nước. Còn Ωn có thể tính gần đúng bằng:
n B hi i
W=
Bi , hi – chiều rộng, chiều sâu dòng nước ở đoạn thứ nhất P1 , P2 ,…,Pn – khoảng cách giữa các mặt cắt
Trường hợp mặt cắt thay đổi theo dọc kho rất ít thì công thức tính W1 có thể viết đơn giản hơn:
1 1 ' '
2 i
n n
t t
W L L
=
ổW+ W ửữ
=ỗỗỗố - W ữữứ [3-42]
Trong công thức [3-41] ∆G1 là lượng bùn cát bồi lắng trong một đơn vị thời gian.
Khi tính ∆G cần tính riêng chất tạo lòng và chất không tạo lòng. Phần chất không tạo lòng chỉ bồi lắng rất ít còn lại được dòng nước đưa xuống hạ lưu.
Thời gian bồi lắng trong kho nước sẽ bằng tổng các thời đoạn, tính theo công thức:
1 n
n i
t = ồ D t [3-43]
D. Tính toán đối với kho loại lớn.
Theo phương pháp ở trên có thể tính bồi lắng cho kho nước có dung tích lớn. Chỉ lưu ý rằng ở từng thời đoạn cần xác định lại các yếu tố thủy lực cho thích hợp và nói chung không được dùng các công thức của dòng chảy ổn định, đều để tính toán nữa.
Mặt khác, khi tính lượng bùn cát bồi lắng phải xác định hình thức bồi lắng cho thích hợp (bồi đều trên lòng kho hay bồi theo dạng tam giác châu). Sau khi đã tính toán được các đặc trưng thủy lực và lòng sông cơ bản, thì tiến hành tính toán chiều cao và chiều dài bồi lắng, tương tự như phân tích cho kho vừa và nhỏ ở trên.
Phương pháp này cho phép chúng ta vẽ được mặt cắt dọc lòng sông ở cuối mỗi thời đoạn, tức là xác định được quá trình biến hình ở trong kho nước.
Tuy vậy trong nhiều trường hợp vẫn phải dùng các công thức của dòng chảy đều, ổn định và coi rằng bùn cát được bồi đều trong lòng kho, nên hạn chế phần nào kết quả thực tế của bài toán.
** Phương pháp giản đơn xác định mức độ bồi lắng
Theo tài liệu tham khảo “Water Resources and Environment Technical Note, C.1, Environmental Flows, 2005” lượng bùn cát lắng đọng của kho nước phụ thuộc vào tỷ số:
wo k k
β = V [3-44]
Trong đó: W0 : Tổng lượng dòng chảy trung bình nhiều năm
Vk : Dung tích kho nước ứng với mức nước dâng bình thường (Hbt) Khi β > 0.6 khả năng lắng đọng là 100%
0.15 < βk < 0.6 khả năng lắng đọng từ 70 ÷ 100%
βk < 0.15 Cường độ lắng đọng giảm đi đáng kể
Ví dụ: Áp dụng cho các hồ chứa trên sông Srêpok như sau:
Bảng Bùn cát lắng đọng trong hồ chứa
(tài liệu tớnh Vk cho hồ khụng chuyển nước, ủộc lập, bậc thang)
Tuyến Vk (106 m3) Wo (106 m3) βk Khả năng lắng ủọng của bựn
cát ðộc
lập
Bậc thang
ðộc lập Bậc thang
ðộc lập
Bậc thang
ðức Xuyên 463.1 424.8 1204.7 1113.22 0.38 0.3816 > 70%
Buon Tou Srah 461.5 461.56 3216.67 2999.07 0.14 0.15 Giảm ủỏng kể Chu Pong Krong 243.7 243.7 4225.82 3919.93 0.06 0.062 Giảm ủỏng kể Buon Kuop 14.98 14.98 6874.84 6348.20 0.002 0.0023 Giảm ủỏng kể Dray H’ling 1.53 1.53 7600.17 7057.76 0.0002 0.0002 Giảm ủỏng kể Srepok 3 30.69 30.69 7884.00 7319.51 0.0039 0.004 Giảm ủỏng kể Srepok 4 25.24 25.24 8609.33 8013.30 0.0029 0.0029 Giảm ủỏng kể
Bảng Bùn cát lắng đọng trong hồ chứa
(tài liệu tớnh Vk cho hồ chuyển nước, ủộc lập, bậc thang)
Tuyến Vk (106 m3) Wo (106 m3) βk Khả năng lắng ủọng của bựn
cát ðộc
lập
Bậc thang
ðộc lập Bậc thang
ðộc lập
Bậc thang
ðức Xuyên 484.29 424.80 1248.6 1284.6 0.38 0.33 > 70%
Buon Tou Srah 461.56 461.56 1950.6 1950.6 0.24 0.24 Giảm ủỏng kể Chu Pong Krong 243.67 243.67 2929.1 2869.1 0.084 0.083 Giảm ủỏng kể Buon Kuop 14.98 14.98 5548.8 5305.7 0.003 0.003 Giảm ủỏng kể
Dray H’ling 1.53 1.53 6249.5 6000.1 0.0002 0.0002 Giảm ủỏng kể Srepok 3 30.69 30.69 6555.6 6262.1 0.005 0.005 Giảm ủỏng kể Srepok 4 25.24 25.24 7269.0 6956.5 0.003 0.003 Giảm ủỏng kể Hồ Đức Xuyên sẽ bị bồi lắng nhiều nhất sau đó mức độ bồi lắng giảm dần theo hạ lưu. Sự bồi lắng này sẽ làm hồ Đức Xuyên giảm tuổi thọ công trình nhanh hơn các hồ khác.
Nhận xét: Phương pháp này chỉ cho phép ta ước lượng mức độ bồi lắng của công trình sau khi xây dựng – nhanh hay chậm.
Nó chỉ giúp ích cho chúng ta có được nhận thức nhanh khi tiến hành đánh giá tác động môi trường chứ không thể căn cứ để tính toán cụ thể tuổi thọ công trình cũng như quá trình bồi lắng của hồ chứa…
* Những vấn đề tồn tại khi xác định tuổi thọ công trình:
Trong khi xác định tuổi thọ công trình chúng ta thường giả thiết bồi lắng chỉ diễn ra trong dung tích chết và diễn ra tương đối đều đặn. Qua thực tế khai thác ở nhiều công trình thủy lợi thủy điện ở nước ta như thủy điện Thác Bà, thủy điện Hòa Bình đã chứng minh điều đó.
Ví dụ: Theo tài liệu khảo sát của hồ Hòa Bình thì:
- Từ 1987 đến 1989 hàng năm hồ Hòa Bình bị bồi 42.2 triệu tấn (khoảng 33 trieọu m3)
- Nhưng từ 1990 đến 1993 khi hồ chính thức tích nước điều tiết thì lượng bùn cát bồi lắng đã tăng lên 73 triệu tấn/ năm (khoảng 60 triệu m3)
- Theo số liệu khảo sát được từ 1987 đến 1993 hàng năm hồ Hòa Bình bồi lắng một lượng phù sa dày 0.24m. Nhưng từ 1990 đến 1993 trung bình độ dày bồi lắng là 0.30m.
Khi thiết kế, các nhà thiết kế giả thiết sau 63 năm toàn bộ bùn cát bồi lấp đầy dung tích chết sau đó mới lan dần lên dung tích hữu ích. Song thực tế đã diễn ra không như giả thiết. Ví dụ từ 1989 đến 1992 bồi lắng đã diễn ra cả dung tích chết lẫn dung tích hữu ích…