Thủy văn học - Chương 11

Hiện tượng lũ lụt, khô hạn, vấn đề điều khiển hệ thống thoát lũ và cung cấp nước, vấn đề chất lượng nước và môi trường là các vấn đề có ý nghĩa quan trọng trong thuỷ văn học hiện đại

CHƯƠNG 11

TÍNH MẶT NƯỚC CAO NHẤT VÀ THẤP NHẤT LÝ LUẬN

11.1 Lý luận chung

Trong việc nghiên cứu và tính toán thuỷ triều thì một công việc rất quan trọng là tính mặt nước cao nhất và thấp nhất lý luận Ở nước ta và một số nước khác, mặt nước thấp nhất lý luận được dùng làm mặt chuẩn độ sâu

Việc tính mực nước cao nhất, thấp nhất lý luận được thực hiện khi biết hằng số điều hoà của các sóng theo phương pháp của Vlađizirxki

Dùng hằng số điều hoà thuỷ triều của một cảng nào đó, kết hợp với các yếu tố thiên văn, có thể tính được mặt nước cao nhất và mặt nước thấp nhất có thể xảy ra ở nơi đó

Theo công thức cơ bản ở chương 10, độ cao thuỷ triều tổng hợp hồi t giờ tính từ mặt nước trung bình, tính bằng:

f= ; qO1t+(v0+u)O1−gO1=ϕO1Khi đó (11.1) viết gọn lại thành:

(11.2) Mục đích ở đây không phải là tính độ cao thuỷ triều vào một thời điểm nào đó mà là

tìm ra một thời điểm đặc biệt, ở đó mực nước triều đạt giá trị cao nhất hoặc thấp nhất, đồng thời cũng xác định luôn giá trị mực nước cao nhất và thấp nhất đó Giá

trị mực nước cao nhất và thấp nhất đó thu được qua tính toán, và có thể xảy ra hoặc chưa

chắc đã xảy ra trong thực tế nên được gọi là mực nước cao nhất và thấp nhất lý luận

Vì tìm thời điểm và gi nhất có thể, nên ta tính các góc pha theo

p - kinh độ trung bình điểm gần trái đất của quĩ đạo mặt trăng;

i lượng , các đại

nào đó (khi N = 0 hay 1800) thì các đại ng đó đều bằng 0 Biến đổi các góc pha, được các quan hệ như sau:

á trị cao nhất, thấp văn ở những trường hợp đặc b

O =t+h−2s+270 −gϕ

M =2t+2h−2s−gϕ

P =t−h+270 −gϕ

K =t+h+90 −gϕ

K =2t+ h−gϕ

Trong các công thức trên: h - kinh độ mặt trời trung bình; s - kinh độ mặt trăng trung bình;

t - thời gian tính từ 0 giờ (giờ mặt trời trung bình), đơn vị tính bằng độ (1 giờ là 15 độ)

đạThực tế thì trong các góc pha của các sóng còn có các

này biến đổi rất chậm theo chu kỳ 18,6 năm, nên có

"2,',,ξ ν νν

lượ

( K1O1M2)

( K1P1S2)

( K1Q1N2)

ϕ 2ϕ + g −180 −g

Đặt:

K =t+h+90 −g

và τ1=ϕK1+a12

a = + − τ3 =ϕK1+a32

Vậy quan hệ giữa các pha sóng được viết lại như sau:

K =2ϕ +aϕ

Vậy độ cao thuỷ triều được viết lại dướ

Trong công thức trên c có pha của các sóng M2, S2, N2, K1 và các góc bổ trợ τ1, τ2, τ3 và ời các sóng cũng tạo thành từng cặp (M2-O1), (S2-P1), (N2-Q1), các cặp biểu g thức chung:

ủa sóng BNT; B và φ - τ là biên độ và góc pha của sóng NT

(11.3)

hỉφK1 Đồng th

thị bằng côn

+ϕ B.coscos

.Arong đó:

A và φ - biên độ và góc pha cBiến đổi lượng giác thu được:

Chứng minh được tồn tại giá trị R và ε thoả mãn:

Vậy (11.4) biến đổi thành:

(11.5) Và:

= A B 2AB.cos

ε B.sintg

Ở đây R luôn dương, trị số lớn nhất là A+B, trị số nhỏ nhất là A-B, góc ε dương hay âm là do trị số tgε quyết định

Đưa (11.5) vào (11.3), thu được:

(11.6) 2

2−ε

Trong đó:

2S2 P2 2SP.cos

Trong (11.6), trị s của ố φK1 có thể từ 0 ÷ 360 , vì 0 các trị số K

0 đã biết HSĐH của K1 nên tính được +a4, R1, R2, R3, ε1, ε2,ε3 đều có thể tính đ ác trị số t ng ứng củ K1 lần lượ

Tiế giá trị giới hạn của ht: giá trị K1cosφ 1, sẽ có các trư ng hợp: -

= A B 2AB.cos

ng tam giác như hình vẽ, cósin

ạnh A và B là 1800-τ (thuộc trường hợp τ < 1800), R sẽ là cạnh thứ 3 trong tam giác

- Góc đối cạnh B là ε, góc đối cạnh A là σ - 2 cạnh là A và B

- Góc kẹp giữa hai c

Trong tam giác sẽ có:

Vậy quan hệ giữa ε và σ là: ε+σ=τTrong khi tính, xảy ra 2 trường hợp1 Nếu A > B: đặ

A > B hoặc B > A t

δ , R và ε tính theo công thức:

(11.7)

2 Nếu A < B: đặt BA=

δ , R và ε tính theo công thức:

δ+ cos.1

ABnếu A > B hoặc

B nếu A < B) A

- Có δ, từ giao điểm của đường cong đồng tâm δ và tia góc τ, dóng xuống trục ngang được giá trị góc, dóng lên trục đứng được giá trị m

- Nếu A > B, được R = m.A, góc tra được trên biểu đồ là góc ε

ếu A < B, được R = m.B, góc tra trên biểu là góc σ, và

ng tra để tính m và ε Trong bảng tra, k định đượ m Sau đó tính tgε theo (11.7) hoặc (11.8), từ đó tính được ε

Ví dụ

2 Nếu không dùng biểu đồ, cũng có thể dùng bả

hi biết δ và τ, tra bảng xác c :

1 Tính R và ε khi cho A = 150, B = 30, τ = 1500 > B g

Vì A nên dùn 0,2150A

Tra biểu đồ 4 với δ = 0,2 và τ =150, được m = 0,83 và góc = +70

à ε khi cho A = 4,5; B = 90; τ = 100Vì A < B

Khi đó: R = m.A = 0,83 x 150 = 125 ε = + 70

2 Tính R v

nên dùng 0,0590

Vì δ < 0,1 nên dùng biểc = +0,40

Khi đó: R = m.B = 1,049 x 90 = 94,9 ε = τ - σ = 1

khi N = 180 thì f là nhỏ nhất Vì vậy, nếu là cảng BNT thì trị số lớn nhất phải lấy

sóng

-Nếu cảng NT lấy các trị số f khi N = 0

= 00 thì f có giá trị nhỏ nhất Ngược lại với sóng K1, O1 và Q1, khi N = 0 thì f lớn

các sóng BNT, khi N = 180 thì biên độ thuỷ ên độ ở đó lớn nhất khi N = 00 Trường hợp làNT và BNT rồi so sánh kết quả thu được

Vậy khi tính toán thực tế chọn hệ số f để tính H cao nhất và L thấp nhất lý luận như sau:

-Nếu cảng BNT lấy các trị số f khi N = 1800

0

-Cảng tạp triều: đầu tiên lấy f =1 đối với các sóng thành phần để tính H cao nhất và L thấp nhất, từ đó xác định φK1 ứng với H cao nhất và φK1 ứng với L thấp nhất Sau đó dựa v

òn biết thêm hằng số điều hoà của đối đến mực nước thuỷ triều thì

cải chính sóng cạn (sóng nước nông)

i chính sóng nước nông Từ trị số φK1 lớn nhất và φK1 nhỏ nhất của H cao nhất và L thấp nhất, theo các biểu thức tương ứng của nó tính các pha φ của các sóng phụ, tiếp tục tính các trị số f.H.cosφ của các sóng, cuối cùng tính tổng của nó

Pha của các sóng cạn tính như sau:

ào các φK1 đó tính H cao nhất và L thấp nhất với f trong cả 2 trường hợp N = 1800và N = 00 Cuối cùng lấy trị số tuyệt đối lớn nhất của chúng

11.4 Tính cải chính sóng nước nông và sóng chu kỳ dài đối với mực nước cao nhất và thấp nhất lý luận

Nếu như 1 cảng nào đó ngoài 8 sóng chính ra ta cmột số sóng khác mà những sóng đó có ảnh hưởng tương

hải cải hính m vào mặt nước cao nhất thấp nhất lý luận đã tính được từ 8 sóng chính trên Thông thường, các sóng nước nông và các sóng chu kỳ dài thường hay được cải chính vào mực nước cao nhất và thấp nhất lý luận

11.4.1 Tính

Khi HM4 + HMS4 > 20cm thì phải cả

Tổng trị số cải chính là:

ϕSa K1 2 K1 gS2 180 g2

2 K1 2 K1 S2 gSsa

nh, mà thường dùng số cải chính mặt nước trung bình theo mùa.

yêu cầu số liệu quan trắc thuỷ triều 9 năm hoặc 19 năm Nếu không có đủ số

số cải chính theo mùa trong những trườn

Trong đó trị số của ε2 được tra trong biểu đồ 4 hoặc 5 theo τ và δ Tổng trị số cải chính là:

SsaSsa

-Những cảng mà trong đó mực nước thấp nhất lý luận tính được từ 8 sóng hay 11 ảng mà số cải chính mùa không lớn

h tính MNCN, MNTN lý luận theo phương pháp Vlađ

hành the

u: f lấy với N = 1800 nếu là cảng BNT, f lấy với N n f = nếu là cảng tạp triều

5 Tính các giá trị τ12, τ3 và 2φK1+a4 ác giá trị δ1, δ2, δ3 (chú ý là δ < 1)

1, R2, R3: có thể sử dụng biểu đồ hoặc bảng tra hoặc tính trực tiếp ra giá trị sóng xấp xỉ với mực nước thấp nhất nhiều năm đã quan trắc được

-Những c

-Những nơi mà do yêu cầu đặc biệt về sử dụng, không thể cải chỉnh theo mùa

11.5 Tổng hợp qui trìnizirxki

Tổng hợp lại, việc tính MNCN, MNTN lý luận theo phương pháp Vlađizirxki tiến o qui trình như sau:

1 Xác định tính chất thuỷ triều 2 Chọn f theo tính chất thuỷ triề

= 00 nếu là cảng NT hoặc chọ 13 Tính các giá trị f.H của các sóng, 4 Tính các độ góc a1, a2, a3, a4,

, τ6 Tính c

7 Tính R

+ 2 .cos1 2

8 Tính H=(K1.cosϕK1+K2.cosϕK2)+(R1+R2+R3)

9 Tính L=(K1.cosϕK1+K2.cosϕK2)−(R1+R2+R3)

Vẽ đồ thị quan hệ H~ φ

ương ứng xác định được φK1 làm Hmax

an hệ L~ φK1 được đường biểu diễn Mực nước thấp Giá trị min của 13 chính sóng nước nông:

ch tính trực tiếp từ công thức tgε hoặc tra

K1 được đường biểu diễn Mực nước cao Giá trị mH là mực nước cao nhất lý luận, t

; ϕS2 −ε2 =0; ϕN2 −ε3=0

+giải các điều kiện ϕM2−ε1=0 xác định các trị số ,

+tính các góc pha φM4, φM6, φMS4 theo quan hệ i φM2, φS2, φN2

-Với Lmin: làm tương tự như với trường hợp Hmax, nhưng giải các điều kiện

14 Cuối cùng lập bảng tổng hợp tính MNCN, MNTN lý luận φM2, φS2 φN2 ứng với MNCN lý luận

vớ +tính số cải chính theo (11.9)

M −ε =180

S −ε =180

N −ε =180ϕ

11.6 Một số ví dụ tính toán Ví dụ 1:

Tính mặt chuẩn độ sâu (mực nước thấp nhất) và mực nước cao nhất lý luận của cảng A, biết hằng số điều hoà các sóng cảng A như sau:

g (độ) 8,1 57,7 11,0 58,4 217,0 164,8 216,4 160,5 304,1 346,3 207,2H(cm) 95,5 42,4 15,2 11,5 22,6 15,1 7,6 3,0 14,2 15,4 3,5 1 Xác định tính chất thuỷ triều cảng A:

K + = + = <Vậy cảng A là BNT

Mặt khác nhận thấy H của các sóng nước nông là tương đối lớn, vậy ở cảng A có sóng nước nông rõ rệt Khi tính MNCN và MNTN lý luận cần thêm các số cải chính độ sâu do sóng nước nông

2 Vì thuỷ triều cảng A là BNT nên lấy f ứng với N = 1800 3 Thực hiện tính toán theo qui trình ở mục 11.5

Lập các mẫu tính như sau:

-Mẫu tính 1: Tính các giá trị fH, các độ góc a và các tỷ số δ -Mẫu tính 2: Lập bảng tính MNCN và MNTN lý luận

-Mẫu tính 3: Tính các góc pha và các số cải chính sóng nước nông