** CƠ SỞ TÍNH TOÁN BÙN CÁT CỦA MÔ HÌNH HECRAS **
Tính toán vận chuyển bùn cát là một viêc khó cực kì. Thông số sử dụng để
dự đoán sự thay đổi đáy sông không có cơ sở chắc chắn và nếu ta dùng một lí
thuyết để tính thì thường theo kinh nghiệm và có kết quả nằm trong vùng rất rộng.
Tuy nhiên, nếu số liệu đưa vào là số liệu tốt, người làm có kĩ năng có thể sử dụng
modul bùn cát đã được hiệu chỉnh để đoán đúng miền kết quả tính toán, có xu
hướng lâu dài thì có thể dự báo được và có thể sử dụng để đánh giá được các lựa
chọn cho dự án. Hec Ras bây giờ bao gồm các hệ để biểu diễn các điều kiện biên
di động, modul của vận chuyển bùn cát. Trong chương này người ta mô tả lí
thuyết và giả thuyết được dùng để tính toán.
Tương tự dòng không ổn định(quasi unsteady flow)
Trước khi Hec ras có thể tính được lượng vận chuyển bùn cát, thủy lực học
dòng sông phải được tính trước. Hec ras dùng một phép đơn giản hóa thủy động
học, để dùng chung cho các modul vận chuyển bùn cát. Giả thuyết dòng chảy
tương tự dòng không ổn định (quasi unsteady flow) xấp xỉ với đường thủy văn liên
tục có các dòng chảy ổn định bị gián đoạn. Cho mỗi cấp dòng chảy ổn định nào
đó, thì mất một khoảng thời gian nhất định để vân chuyển. Với các mẫu dòng ổn
định này thì dễ hơn để phát triển so với toàn bộ modul dòng không ổn định, và
chương trình tính nhanh hơn. (một phiên bản chạy dòng không ổn định để vận
chuyển bùn cát sẽ được công bố trong tương lai)
Mỗi bản tính gián đoạn của dòng ổn định được chia ra thành các phần nhỏ
hơn, thành các khoảng ngắn hơn về thời gian để máy tính tính toán sự vận chuyển
bùn cát. Hec ras sử dụng 3 bước thời gian, đó là thời đoạn dòng chảy ổn định, thời
đoạn tính toán (computation increment) và bước thời gian xáo trộn (mixing time
step)
Khoảng thời gian chảy ổn định (flow duration)
Một khoảng chảy ổn định là bước thời gian. Nó để trình bày khoảng thời
gian mà có cùng chung lưu lượng, nhiệt độ, vị trí, hoặc lượng bùn cát. Chẳng hạn
như nếu dữ liệu dòng chảy được thu thập từng ngày, thì khoảng thời gian này sẽ là
24 giờ. Để xác định đúng về vị trí, dòng chảy, thời gian, hay bùn cát đầu vào thì
giá trị riêng biệt phải thể hiện cho cả thời đoạn đó mà đủ lớn để đặt thông số cho

Tổng lượng bùn lớn nhất có thể rời khỏi thể tích khống chế, tuy nhiên thì chức
năng của lượng bùn cát này là nước có thể di chuyển nó đi. Cái đó gọi là năng lực
vận chuyển bùn cát, và được tính toán cho mỗi thể tích khống chế của từng bước
thời gian bed mixing.
Các lớp hạt
Hec ras chia vật liệu bùn cát ra thành nhiều phần. Vật liệu vận chuyển được
nằm trong 0.002mm và 2048 mm, được chia thành 20 thành phần hạt theo kích cỡ.
các thành phần hạt được mặc định dựa vào tiêu chuẩn là lớp trên gấp 2 lần lớp
dưới nó. Hec ras sử dụng ý nghĩa hình học của thành phần hạt (căn bậc hai của cận
trên và cận dưới của hạt) để biễu diễn kích thước của hạt.không hiểu
Ví dụ
Năng lực vận chuyển bồi tích là việc đo đạt bao nhiêu vật liệu của một lớp
hạt nào đó dưới điều kiện thủy động học có thể vận chuyển được. Khả năng vận
chuyển này được tính với các phương trình vận chuyển bùn cát có trong chương
trình. Từ đó, hầu hết các phương trình này dùng cho mỗi loại hạt, như d
50
(hay
hầu hết có 2 loại kích thước hạt như d
50
và d
90
) , phương trình này dùng độc lập
nhau cho mỗi loại hạt. Giá trị này, được tính riêng lẽ cho mỗi thành phần hạt mà
không quan tâm đến việc nó nằm đâu trong đáy sông, được gọi là năng lực vận
chuyển. Có 7 năng lực vận chuyển bồi tích trong Hec ras.
Có hàng tá hàm vận chuyển được phát triển. Vì vận chuyển bùn cát rất dễ
thay đổi khi có chút sai khác, và xu hướng tính của máy tính bởi những phương
trình khác nhau thay đổi bởi thứ tự của độ lớn, phụ thuộc vào vật liệu vận chuyển
như thế nào và động lực học so sánh các thông số này trong suốt quá trình vận
chuyển bùn các. Khả năng lớn nhất, một hàm vận chuyển nên được chọn phải gần

Phương trình này là một trong những pt được sử dụng rộng rãi nhất. nó đơn
giản là sử dụng quan hệ ứng suất tiếp đáy đơn giản(excess shear relationship). nó
giới hạn phương trình bùn cát đáy từ công thức thực nghiệm của máng nước với
cát và sỏi dưới điều kiện đáy bằng phẳng. hầu hết số liệu dùng cho nền đồng nhất
bằng sỏi (tương đối) -MPM là ứng dụng thành công nhất cho lớp đá sỏi. nó có xu
hướng nằm dưới về dự đoán sự vận chuyển vật liệu mịn.
Mới đây, Wong và Parker (2007) đã chứng minh được rằng hàm này vượt
qua sự chẩn đoán về vận chuyển bùn cát, một cách xấp xỉ, cả hai yếu tố. Kết luận
này không dựa trên số liệu mới nhưng trên sự phân tích lại của kết quả gốc MPM.
Để chứng tỏ cho hàm nay, họ viết lại một phương trình sau:
Toffaleti
Là hàm vận chuyển bùn cát tổng cộng của các thành phần hạt cát. Tuy
nhiên là hàm này được xem là hàm của sông lớn, vì thế rất nhiều số liệu thường rất
lớn, cho hệ thống bùn cát lơ lửng. Hàm này không phụ thuộc nhiều vào vân tốc
(shear velocity) hay lực ma sát đáy. Tuy nhiên thì nó được tạo thành từ sự hội tụ
của nhiệt độ và kinh nghiêm mà mô tả được mối quan hệ giữa bùn cát và đặt trưng
thủy lực.
Đường đi rất khác biệt của hàm này đã chia cột nước xuống thành 2 vùng
và máy tính tập trung vào mỗi vùng với phép gần đúng đơn giản. Vận chuyển của
mỗi vùng được máy tách riêng biệt. Thật rõ ràng rằng vận chuyển bùn cát lơ lửng
rất quan trọng mà việc phân phối theo phương thẳng đứng chú trọng vào cột nước.
Hàm này được sử dụng thành công trong hệ thống rộng như Mississpi,…
Thêm vào đó, pt này dùng 2 kích thước hạt khác nhau d
50
và d
65
, trong sự cố
gắng xác định số lượng vận chuyển phụ thuộc vào sự chênh lệch từ từ của bùn cát.
Nó thêm ý nghĩa khi pt này được dùng tính toán vận chuyển khối vật liệu tăng
dần. Khi nó được ứng dụng cho lớp đất riêng, nó sẽ dùng d

năng lực vận chuyển, bởi việc nhân khả năng vận chuyển (transport potential) với
phần trăm kích cở hạt (cái này thì dựa vào sự phân phối thành phần hạt này trong
lớp hoạt động)
Exner 5
Là thuật toán pha trộn 3 lớp đáy sông, được thiết kế để tính cho việc ảnh
hưởng của sự bao bọc ổn định. Thuật toán này được phát triển bởi Tony Thomas
và là phương pháp mặc định trong Hec 6. Nó chia nhỏ lớp hoạt động thành lớp
bọc và lớp ở dưới mặt đất. Sự bồi tích và xói mòn thay chỗ cho lớp bọc này. Một
lần nữa nhấn mạnh rằng tính toán năng lực bồi tích dựa vào việc kết hợp lớp bọc
lẫn lớp dưới mặt (đều là lớp hoạt động). Khái niệm này được biều diễn tử bức ảnh
sau:
Nếu lớp bọc này bị làm thô đi, thì thể tích bùn cát của vật liêu mịn hơn sẽ
giảm đi vì nó sẽ tạo thành lượng nhỏ hơn trong lớp hoạt động. Thêm vào đó, nếu
cân nặng của tầng này (của lớp hoạt động) giảm xuống còn 2d (2 lần chiều sâu của
một lớp bọc thì qui luật sắp xếp và bao bọc (sorting and armoring rule) yêu cầu
giảm sự ảnh hưởng của lớp hoạt động lên khả năng vận chuyển. Theo qui luật mới
này người ta sẽ kiểm tra độ dày của lớp bọc và khi nó đạt 50% của 1d thì lớp bọc
này bị hoản toàn hòa trộn với lớp mặt dưới. Giá trị này, 50 %, từ giả thiết của
Harrison khi ông tìm ra sự cân bằng của vận chuyển bùn cát bị ảnh hưởng với
40% lớp bề mặt bị bao phủ trong thí nghiệm của ông. Một lớp phủ mới được tạo
ra ngay lập tức.
Các lớp đáy sông lớp bọc này là lớp tạm thời. Tuy nhiên, lớp dưới thì
không. Lúc đầu của trạng thái xáo trộn, lớp dưới được tạo thành từ vật liệu của lớp
không hoạt động. Vật liệu nào nằm trong vùng dưới lớp phủ vào thời điểm cuối
của trạng thái xáo trôn thì được trả về cho lớp không hoạt động. Nếu lớp bọc chứa
bất kì bùn hay vật liệu sét mà đến từ vùng sâu hơn lớp đó (nghĩa là vật liệu mịn
không phải là lớp bồi lắng mà được thêm vào lớp phủ khi lớp dưới hòa vào lớp
bọc), các hạt này cũng sẽ trả về cho lớp không hoạt động. Thêm vào đó, nếu lớp
bọc vào thời điểm cuối của sự xáo trộn nâng lên hơn 0.6 m, thì vật chất đó chuyển
từ lớp bọc thành lớp không hoạt động để lớp bọc đó giảm đi 0.06m. Tất cả các vật

loại đập gì , tràn đỉnh rộng, tràn thực dụng hay thành mỏng. Phần mềm có khả
nẳng tỉnh toán ngập cho mực nước dềnh ở hạ lưu. Thêm vào đó, nếu tràn có hình
dạng đập thực dụng, thì chương trình có thể tính toán được thông số thủy lực
được cho chiều cao tính toán. các thông số này sẽ tự động giảm xuống hay tang
lên khi chiều cao thực cao hơn hay hạ thấp so với chiều cao tính toán.
Các vị trí mặt cắt ( cross section Locations)
Với các tuyến đập và tuyến cửa đập tràn trong HR yêu cầu cùng một lượng
các mặt cắt với các cầu và công. Bốn mặt cắt lân cận công trình được yêu cầu cho
một mô hình hoàn chỉnh, 2 mặt cắt thượng nguồn và 2 mặt cắt ở hạ nguồn. về tổng
quát, luôn nên có thêm một số mặt cắt thêm ở hạ lưu từ công trình đó ( câu, cống,
tràn, ), người sử dụng đưa điều kiện biên ở hạ lưu sẽ không ảnh hưởng đến các
thông số thủy lực của dòng chảy trong công trình. Bốn mặt cắt này bao gồm: một
mặt mà dòng chảy hoàn toàn khếch tán di, một mặt ở cuối hạ lưu của công trình
( như vị trí có mực nước dềnh), một mặt ở cuối thuog lưu ( đại diện là vị trí chiêu
cao thiết kế của đập) và một mạt đủ xa ở thượng lưu mà dòng chảy bắt đầu thay
đổi. Chú ý là mặt cắt xung quanh công trình phải có thể hiện hình dạng địa lí kênh
xung quanh của đập. sau đây là ví dụ minh chứng cho một tuyến công trình đập
tràn kết hợp với cửa van
Mặt cắt 1 mặt cát một cho tràn hay một cửa tràn nên định vị ở điểm mà
dòng chảy hoàn toàn khuêch tán hoàn toàn. Toàn bộ vùng mặt cắt một thì thường
ảnh hưởng đến dòng chảy.
Mặt cắt 2 mặt cát 2 cách một khoảng ngắn so với mặt cắt hạ lưu của đập.
đuong mực nước tính toán ở mặt cắt này sẽ biểu diễn cao trình mực nước dềnh của
đập. mặt cắt này không nên nằm trong đập, nhưng nó trình bày hình dạng vật lý
của kênh chỉ ở hạ lưu công trình. Hình dạng và vị trí của mặt cắt này được đưa vào
riêng lẻ từ dử liệu inline weir and gated spillway data.
Vùng làm việc không bị ảnh hưởng được dùng để giioi hạn vùng nước bị
ảnh hương của mặt cắt 2 đến vùng nước xung quanh hay gần với cạnh của đập.
vùng không bị ảnh hưởng này dùng để thể hiện chính xác khoảng vùng làm việc
hoạt động ở hạ lưu công trình. Thiết lập hính xác khoảng dòng chảy bị ảnh hưởng

Người sử dụng đưa ra thông số thủy lực tổn thất do thu hẹp và mơ rộng ở
thượng và hạ lưu đập. NHững tổn thất này được tính bởi việc nhân các thông số
này với chênh lệch bình phương vận tốc giữa hai mặt cắt trên.
Nếu vận tốc này tăng lên theo hướng hạ lưu, thì sử dụng thông số thu hẹp.
Khi vạn tốc này giảm thì dùng mở rộng. Lưu ý rằng giá trị này trong chương 3 của
manu. Nó nhấn mạnh bởi giá trị rối, sụ mở rộng gây mất năng lượng nhiều hơn là
thu hẹp. Và năng lượng mát đi nhiều nhất ở các vị trí mở rộng và thu hẹp đột ngột.
Các thông số thủy lực dọc theo cửa van của tràn
Như đã nói từ trước, chương trình này có khả năng tính cho cả cửa van
cung và cửa van phẳng. Phương trình sử dụng trong mô hình mở của van có thể
tính với trường hợp ngập hay không ngập. Khi cửa van mở với độ cao van cao hơn
cao trình ở thượng lưu chương trình sẽ coi nó như dòng chay trong cửa cống. Khi
cao trình mưc nước lớn hơn 1.25 lần độ cao mở cổng (ví dụ như tại ngưởng tràn)
thì dùng phương trình chảy qua đập tràn. Khi chiều cao mực nước thượng lưu
nằm trong 1 đến 1.25 so với chiều cao mở van dòng chảy trong vùng chuyển tiếp
giưa dòng chảy qua cống và qua tràn. Chương trình tính với cả hai phương trình
và khi đó dùng phép trung bình tuyến tính của hai giá trị
(dùng một quá trình lặp để chứa kết quả cao trình thượng lưu cuối cùng cho quá
trình chuyển tiếp). Khi chiều cao của mặt nước thượng lưu bằng hoặc nhỏ hơn 1
so với chiều cao mở van, thì dòng chảy sẻ chuyển sang dùng phương trình nước
chảy qua cống
Phương trình tính
Q= C
g2
.W.T
TE
.B
BE
.H
HE