Xác định hệ số nhám trong sông từ tài liệu đo lưu tốc - TS. Nguyễn Thu Hiền

6 4 0

Vn Doc 2 Gửi tin nhắn Báo tài liệu vi phạm

Tải lên: 57,242 tài liệu

  • Loading ...
1/6 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 11/02/2020, 12:36

Bài viết Xác định hệ số nhám trong sông từ tài liệu đo lưu tốc giới thiệu đến các bạn công thức tính hệ số nhám sử dụng tài liệu đo lưu tốc trên các sông dựa vào qui luật phân bố lưu tốc logarit. Với các bạn chuyên ngành Kiến trúc - Xây dựng thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM TRONG SÔNG TỪ TÀI LIỆU ĐO LƯU TỐC TS Nguyễn Thu Hiền Bộ môn Thủy lực - ĐHTL Tóm tắt: Việc xác định hệ số nhám Manning n có ý nghĩa quan trọng tính tốn thủy lực lòng dẫn hở Hiện nay, có nhiều cơng thức kinh nghiệm để xác định hệ số nhám sơng ngòi Tuy nhiên, cơng thức áp dụng điều kiện định Hiện nay, nhiều sơng có tài liệu đo lưu tốc (đo vận tốc hai điểm nhiều điểm thủy trực) mặt cắt ngang Đối với sông rộng (tỉ số chiều rộng/chiều sâu xấp xỉ lớn 10), tài liêu sử dụng để xác định hệ số nhám dựa qui luật phân bố lưu tốc lôgarit Bài báo nghiên cứu mở rộng phương pháp sử dụng tài liệu đo lưu tốc hai điểm để xác định hệ số nhám cho lòng dẫn Công thức xây dựng đánh giá việc áp dụng để tính tốn hệ số nhám cho 14 sơng Newzealand Australia mà hệ số nhám xác định Các kết tính tốn hệ số nhám từ tài liệu đo lưu tốc so sánh với hệ số nhám thực đo Ngoài ra, kết so sánh với hệ số nhám tính từ cơng thức kinh nghiệm Kết so sánh cho thấy, phương pháp tốt để xác định hệ số nhám với sơng rộng mà có tài liệu đo vận tốc Đặt vấn đề Việc xác định hệ số nhám Maning n có ý nghĩa quan trọng tính tốn thủy lực Là hệ số thực nghiêm, hệ số nhám Maning phụ thuộc vào nhiều yếu tố độ nhám bề mặt, cỏ xung quanh mặt cắt lòng dẫn, hình dạng lòng dẫn v.v Vì vậy, khó để xác định xác giá trị hệ số Hiện nay, có nhiều phương pháp để xác định hệ số nhám Manning n Phương pháp trực tiếp xác định hệ số tốn tốn nhiều thời gian đỏi hỏi phải đo độ dốc thủy lực, lưu lượng số mặt cắt ngang dọc theo đoạn sông (Barnes, 1967, Hicks and Mason, 1991) Vì vậy, thực tế người ta thường sử dụng sử dụng bảng tra hệ số nhám đối chiếu với ảnh chụp đoạn sơng mà hệ số nhám xác định phương pháp trực tiếp (Chow, 1959; French, 1985; Barnes, 1967; Hicks and Mason, 1991) sử dụng số công thức kinh nghiệm để xác định hệ số nhám Các công thức kinh nghiệm để xác định hệ số nhám thường xây dựng dựa vào kích thước cấp phối cuội sỏi bề mặt lòng dẫn (French, 1985, Henderson, 1966) Bên cạnh đó, có số cơng thức kinh nghiệm rút từ quan hệ diện tích độ dốc kết hợp với phương trình Manning để xác định hệ số nhám (Sauer 1990; Dingman and Sharma, 1997) Tuy nhiên, công thức áp dụng cho điều kiện định độ xác hạn chế Tại trạm thủy văn, việc đo lưu lượng thường tiến hành mặt cắt ngang, độ dốc không xác định ta tính trực tiếp hệ số nhám Tuy nhiên, lòng sơng rộng (tỉ số chiều rộng/độ sâu xấp xỉ 10) qui luật phân bố lưu tốc mặt cắt tuân theo qui luật logarit, phân bố vận tốc phụ thuộc vào độ nhám liên quan đến hệ số Manning’s n (Keulegan, 1938) Vì vậy, mặt cắt lưu lượng đo phương pháp đo lưu tốc điểm (tại 0.2 0.8 lần độ sâu) thủy trực ta sử dụng tài liệu để xác định hệ số nhám Chow (1959) French (1985) áp dụng phương pháp cho lòng dẫn rộng Tuy nhiên, phân bố lưu tốc thủy trực phản ánh độ nhám cục vị trí giá trị chúng điểm chu vi ướt mặt cắt ngang thay đổi Vì vậy, cần phải rút cơng thức tổng qt để tính tốn hệ số nhám toàn chu vi ướt mặt cắt ngang Trong báo này, công thức xác định hệ số nhám sử dụng tài liệu đo lưu tốc điểm xây dựng lại áp dụng cho lòng dẫn sông thực tế Phần giới thiệu số phương pháp áp dụng xây dựng cơng thức tính hệ số nhám sử dụng tài liệu đo lưu tốc điểm để xác đÞnh hệ số nhám sông 89 Các phương pháp xác định hệ số nhám sông 2.1 Phương pháp trực tiếp xác định hệ số nhám Manning Phương pháp trực tiếp để tính hệ số nhám Manning n phương pháp mô tả Barnes (1967) Hicks and Mason (1991) Giá trị hệ số nhám tính từ phương pháp coi hệ số nhám thực đo: m   hm  h1   hv  hv    k(i1),i hv m i1,i 1 i2 n  m Li1,i Q    i2 Zi1Zi           1 Q lưu lượng (m3/s), m số mặt cắt ngang (với mặt cắt thứ m mặt cắt nằm đầu thượng lưu đoạn sông), Z = AR2/3 , A diện tích mặt cắt ướt (m2), R bán kính thủy lực (m), L chiều dài đoạn sông, hi cao tr×nh mực nước mặt cắt thứ I và, hvi cột nước lưu tốc mặt cắt i, hv chênh lệch cột nước lưu tốc hai mặt cắt k(hv) xấp xỉ tổn thất lượng lòng dẫn thu hẹp mở rộng, k giả thiết đoạn thu hẹp 0.5 đoạn mở rộng 2.2 Phương pháp áp dụng công thức kinh nghiệm Nhiều công thức xây dựng để xác định hệ số nhám dựa vào đường cong cấp phối hạt cuội sỏi bề mặt lòng dẫn (French, 1985; Henderson, 1966; Lang et al (2004)) công thức kinh nghiệm quan hệ độ dốcdiện tích kết hợp với phương trình Manning để rút hệ số nhám (Sauer 1990; Dingman and Sharma, 1997) (xem Bảng 1) Bảng 1: Một số công thức kinh nghiệm xác định hệ số nhám Manning n Số TT Tác giả Strickler (1923) (trong Yen (1991)) Công thức* n  0.0747d 50 1/ 1/ Henderson (1966) Limerinos (1970) Riggs (1976) Bray (1979) Bray (1982) Bray (1982)  d  n  0.031 75   0.3048  0.113R / n  R   1.16  2.03 log  d 84  0.45 0.056 log S w n A  0.33 R / S w 1.55 0.113R / n  R   0.248  2.36 log   d 50  0.067 0.21 n R Sw 8.0 0.177 n  0.104S w Griffiths (1981) 0.113R / n  R 0.76  1.98 log  d 50 Sauer (1990) (cited in Coon (1998)) n  0.11S w 10 Dingman and Sharma (1997)    0.08  R     0.3048   0.0543 log S w n A  0.173 R 0.267 S w 564 0.18 * n hệ số nhám, dx đường kính cấp phối x % (m), A diện tích mặt cắt ướt (m2), R bán kính thủy lực (m); Sw độ dốc mặt thoáng B chiều rộng mặt thoáng lòng sơng 90 2.3 Xây dựng cơng thức xác định hệ số nhám Manning n sử dụng tài liệu đo lưu tốc điểm Phân bố lưu tốc lòng dẫn nhám (Keulegan, 1938) biểu thị theo công thức sau: u u* 30 z ln  ks u lưu tốc điểm (m/s), u* lưu tốc động lực (m/s),  hệ số von Kármán  0.4 , z khoảng cách tính từ đáy (m), ks độ nhám tương đương (m) Thế lưu tốc u0.2 u0.8 cách đáy khoảng cách 0.2d 0.8d tương ứng, d độ sâu dòng chảy thủy trực, kết hợp lại khử u* ta được: d 3.178  1.792 x ln  ks x 1 x  u 0.2 / u 0.8 V R  6.25  2.5 ln V* ks V vận tốc trung bình, V* vận tốc động lực, R  A / P bán kính thủy lực, P chu vi ướt tồn mặt cắt Kết hợp với cơng thức Manning V  1/ n  R / S V*  gRS vận tốc động lực ta có: V R  V* gn g gia tốc trọng lực Cân vế phải phương trình (6) (7), giải ta tìm cơng thức tính n, Trên mặt cắt có nhiều thủy trực đo lưu tố Ta có độ nhám tương đương trung bình cho tồn mặt cắt:  k s i Pi ks   Pi k si , Pi hệ số nhám chu vi ướt thuộc phạm vi thủy trực thứ i Công thức phân bố Keulegan (Chow, 1959) cho lòng dẫn nhám sau: 1/ n Biến đổi phương trình (3) ta có thủy trực: d ks   3.178  1.792 x  exp  x 1   R1 /  R g  6.25  2.5 ln  ks      Áp dụng tính tốn cho sông thực tế Công thức (8) áp dụng cho 14 sông (xem Bảng 2) Các sông lựa chọn chúng vừa có tài liệu đo lưu tốc vừa có giá trị hệ số nhám thực đo Số liệu đo lưu tốc bao gồm 68 bảng đo lưu tốc National Institute of Water and Atmosphere, New Zealand Thiess Environmental Services Pty Ltd., VIC, Australia cung cấp Các khoảng giá trị thực đo tính tốn theo cơng thức (8) hệ số Manning n cho sông Bảng Trong bảng đưa sai số trung bình tương đối (ARE) hệ số nhám tính tốn so với giá trị thực đo 14 sơng Từ Bảng thấy tránh khỏi sai số đo đạc lưu tốc qui luật phân bố lưu tốc dạng logarit chưa hồn tồn sát, nhìn chung giá trị tính tốn thực đo gần Bảng Tóm tắt đặc trưng thủy lực hệ số nhám thực đo 14 sông TT Tên sông Số tài Số giá liệu lưu trị đo n tốc Acheron1 11 Merriman Creek1 4 Q m3/s V m/s A m2 R m Sf Sw 3.1772.9 8.5636.5 0.110.91 0.280.53 28.281.9 30.468.8 2.145.88 1.602.31 0.000030.00090 0.000270.00060 0.000025 -0.00085 0.0002730.000585 B m B/D Re 103 19.6143>10.6 24 1331 16.5453>9.2 26 1231 T/liệu Giá trị cấp n đo phối 0.030.033√ 0.24 0.047 0.070.076No 0.11 0.080 Fr 91 28144 129701 731110 4.920.5 10.5241 2.316.36 2.9336 47.5144 3.557.4 0.721.51 1.392.15 0.782.22 0.140.53 0.500.97 1.481.32 0.251.13 0.700.96 0.602.50 40.196.1 93.2329 101501 35.539.9 25.8144 2.255.0 11.831.9 68.6150 6.3123.9 1.262.55 2.154.49 0.672.33 1.771.89 0.873.03 0.280.36 0.881.58 1.712.73 0.330.96 0.000760.00194 0.001210.00131 0.000670.00122 0.000010.00008 0.000320.00081 0.001450.00306 0.000180.00060 0.000460.00057 0.006320.00906 0.000733 -0.00202 0.001250.00134 0.000690.00107 0.000010.0001 0.000270.00116 0.000670.00103 0.000180.00063 0.000460.00062 0.006860.00911 29105 63109 129198 19.322.3 35.447 7.1510.3 10.914.2 48.561.5 18.318.5 9175155 298712790 52213340 3481002 4352030 414475 2201785 11972621 198240 0.200.37 0.280.32 0.300.54 0.030.12 0.170.26 0.700.89 0.090.29 0.170.19 0.330.81 0.0390.047 0.0410.045 0.0250.031 0.0370.027 0.0220.050 0.0150.017 0.0270.049 0.0420.050 0.0270.055 Mitta Mitta1 15 Tambo1 3 Grey2 6 Oakden Canal2 4 Ongarue2 8 Poutu2 Tahunatara2 10 Rangitaiki2 11 Waipapa2 6 6.75- 0.40- 16.2- 0.81- 0.00009- 0.00009- 20.2340>20.0 13.5 0.60 22.7 1.04 0.00013 0.00011 21.5 624 0.140.19 √ 0.0190.022 6.15- 0.61- 10.1- 0.83- 0.00027- 0.00029- 11.8>9.6 31.9 1.32 24.2 1.5 0.00059 0.00069 14.3 0.210.35 √ 0.0220.025 14 Whirinaki2 Total/Range 96 68 Wanganui2 (1) 12 at Te Whaiau Canal Wanganui2 (2) 13 at Wairehu Canal 6.5964 2.311110 0.571.97 0.112.22 11.732.8 2.25501 0.551.18 0.285.88 0.004420.00471 0.000010.00906 0.004410.00474 0.000010.00911 >10.6 >13.2 >76.2 >13.0 >14.9 >9.1 >10.9 >25.2 >23.1 5061980 18.8314>22.3 27.5 2325 7.15143>9 198 13340 0.240.58 0.030.81 √ √ √ √ √ √ √ √ No √ 0.0370.047 0.0150.080 Ghi chú: sông Australia, sông New Zealand (Nguồn: Hick and Mason (1991) Thiess Environmental Services Pty Ltd, Victoria, Austrlia) Bảng Giá trị Manning n đo đạc tính tốn sai số tương đối 14 sơng n tính tốn ARE * (%) (Eq 8) Mitta Mitta1 0.034-0.049 0.35-0.54 8.49 Tahunatara2 0.029-0.036 0.29-0.49 16.23 Tambo1 0.033-0.048 0.41-0.45 10.18 Whirinaki2 0.037-0.046 0.036-0.051 12.46 Ongarue2 0.022-0.034 0.023-0.032 13.73 Acheron 0.034-0.047 0.027-0.043 19.51 Grey2 0.025-0.031 0.029-0.031 16.67 Rangitaiki 0.042-0.050 0.027-0.044 23.56 Waipapa2 0.027-0.040 0.025-0.046 24.71 10 Merriman Creek 0.056-80 0.054-0.064 24.48 11 Wanganui2 0.022-0.025 0.023-0.036 28.75 12 Oakden Canal 0.027-0.037 0.034-0.042 29.40 13 Poutu2 0.016-0.017 0.020-0.021 24.26 14 Wanganui2 0.018-22 0.020-0.032 36.77 Note: * Sai số tương đối (ARE) xác đinh theo công thức  ncomp  nmeas  / nmeas / N 100% , ncomp nmeas giá trị Manning's n đo đạc tính tốn N số giá trị n tính tốn; sơng Australia sông New Zealand TT 92 Tên sông n đo ARE (%) Để đánh giá phương pháp đưa (theo cơng thức (8) tính hệ số nhám từ tài liệu đo lưu tốc) với công thức kinh nghiệm để xác định hệ số nhám Manning n, sai số trung bình tương đối (ARE) n tính tốn cho cơng thức khác Giá trị biểu diễn Hình Từ hình vẽ thấy cơng thức (8) có giá trị sai số trung bình tương đối nhỏ Điều cho thấy dùng công thức để xác định hệ số nhám sông có tài liệu đo lưu tốc cho kết đáng tin cậy công thức kinh nghiệm Bảng 35 30 25 20 15 10 5 10 11 Formula applied to tính estimate n Cơng thức áp dụng để n Hình Các sai số tương đối trung bình (ARE) n tính từ cơng thức kinh nghiệm Bảng (từ số1 đến số10) từ công thức (8) (số11) Kết luận Bài báo xây dựng lại cơng thức tính hệ số nhám sử dụng tài liệu đo lưu tốc sông dựa vào qui luật phân bố lưu tốc logarit Ưu điểm phương pháp xác định giá trị hệ số nhám từ số liệu đo lưu tốc mặt cắt sông mà không cần phải xác định độ dốc thủy lực hay độ dốc mực nước Công thức xây dựng áp dụng cho 14 sông New Zealand Australia giá trị đo hệ số nhám biết Kết tính tốn từ công thức so sánh với hệ số nhám thực đo số công thức kinh nghiệm Kết so sánh cho thấy sai số đo đạc tránh khỏi phân bố lưu tốc khơng hồn tồn theo qui luật lơgarit giá trị tính tốn n từ cơng thức đề nghị cho kết tốt so với công thức kinh nghiệm Điều cho thấy phương pháp tốt để xác định hệ số nhám sơng rộng có tài liệu đo lưu tốc hai điểm thủy trực mặt cắt sông Tài liệu tham khảo Barnes, H.B (1967) Roughness characteristics of natural channels US Geological Survey Water-Supply Paper 1849 Bray, D.I (1979) Estimating average velocity in gravel-bed rivers Journal of Hydraulic division, 105, 1103-1122 Chow, V.T (1959) Open channel hydraulics New York, McGraw-Hill Coon, W.F (1998) Estimation of roughness coefficients for natural stream channels with vegetated banks U.S Geological Survey Water-Supply Paper 2441 Dingman, S L & Sharma, K.P (1997) Statistical development and validation of discharge equations for natural channels Journal of Hydrology, 199, 13-35 French, R.H (1985) Open channel hydraulics New York, McGraw-Hill Henderson F.M (1966) Open channel flow New York, MacMillan Co Hicks, D.M and Mason, P.D (1991) Roughness characteristics of New Zealand Rivers, DSIR Marine and freshwater, Wellington 93 Keulegan, G H (1938) Laws of turbulence flow in open channels Journal of Research of the National Bureau of Standards, 21, 707-741 Lacey, G (1946) A theory of flow in alluvium Journal of the Institution of Civil Engineers, 27, 16-47 Ladson, A R., Lang, S M., Smart, G M., Anderson, B G., and Rutherfurd, I D (2006) "Flow resistance in four Australian rivers", Australian Journal of Water Resources Ladson, A., Anderson, B., Rutherfurd I., and van de Meene, S (2002) An Australian handbook of stream roughness coefficients: How hydrographers can help Proceeding of 11th Australian Hydrographic conference, Sydney, 3-6 July, 2002 Lang, S., Ladson, A and Anderson, B (2004) A review of empirical equations for estimating stream roughness and their application to four streams in Vitoria Australian Journal of Water Resources, 8(1), 69-82 Riggs, H.C (1976) A simplified slope area method for estimating flood discharges in natural channels Journal of Research of the US Geological Survey, 4, 285-291 Abstract ESTIMATION OF ROUGHNESS COEFFICIENTS IN RIVERS FROM FLOW DATA An accurate estimation of Manning’s roughness coefficient is of vital importance in any hydraulic study including open channel flows There are many empirical methods to estimate the values of roughness however these methods are often applicable only to certain conditions In many rivers, the velocities at two-tenths and eight-tenths of the depth at stations across the river are available For wide river (ratios between width and depth is appropriate or greater than 10), these data can be used to estimate Manning’s roughness n based on a logarithmic velocity distribution This paper re-investigates and improves the method of using two-point velocity measurement to estimate rounghness coefficients to wide rivers The proposed formulae are applied to 14 rivers in Newzealand and Australia where their roughness coefficients were measured The results are compared with the measured roughness coefficients and the values computed from some other empirical formulae It is suggested that this method can be used as a means to estimate roughness coefficients for streams where two-point velocity data are available Key Words: rivers, roughness coefficients, two-point velocity method, and logarithm distribution 94 ... thức (8) áp dụng cho 14 sông (xem Bảng 2) Các sơng lựa chọn chúng vừa có tài liệu đo lưu tốc vừa có giá trị hệ số nhám thực đo Số liệu đo lưu tốc bao gồm 68 bảng đo lưu tốc National Institute... tài liệu đo lưu tốc sông dựa vào qui luật phân bố lưu tốc logarit Ưu điểm phương pháp xác định giá trị hệ số nhám từ số liệu đo lưu tốc mặt cắt sông mà không cần phải xác định độ dốc thủy lực... Manning's n đo đạc tính tốn N số giá trị n tính tốn; sông Australia sông New Zealand TT 92 Tên sông n đo ARE (%) Để đánh giá phương pháp đưa (theo công thức (8) tính hệ số nhám từ tài liệu đo lưu tốc)
- Xem thêm -

Xem thêm: Xác định hệ số nhám trong sông từ tài liệu đo lưu tốc - TS. Nguyễn Thu Hiền, Xác định hệ số nhám trong sông từ tài liệu đo lưu tốc - TS. Nguyễn Thu Hiền

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn