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 Ô 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 , mô hìn h toán dã dần được xem là công cụ có hiệu quả để tính vận chuyển
bùn cát và diễn biến lòng sông nhò 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 mô hìn h sô' mô phỏng dòng chảy nước và bùn c á t trong

các sông bồi tích do Yang v à cộng sự nâng cao từ mô 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
mô phỏng các điểu kiện dòng chảy theo kiêu bán h ai chiều v à các thay đổi hình học lòng dẫn
theo kiểu bán b a chiều.
Vối mục tiêu cuối cùng là nghiên cửu ứng dụng thử nghiệm lần đầu tiên mô hình
GSTARS2.1 để mô phỏng và dự báo quy lu ật thay đổi hìn h th á i lòng sông Việt Nam vói
đoạn sông thử nghiệm là đoạn sông Hồng từ Hoà Bình đến H à Nội, bài báo này công bô kết
quả bưốc đầu tìm hiểu mô hình GSTARS2.1 và ứng dụng m ôđun nưốc vật trong nó để tính
trắc diện dọc m ặt nước cho đoạn sông nói trên. Các k ết quả nghiên cứu tiếp theo cũng sẽ
được công bô.


ổn định bờ kênh cho phép.

3. Cơ sở lý th u y ế t của mô 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 mô hình
dòng 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 toán bằng cách lựa
chọn sủ dụng phương trìn h năng lượng
hoác động lượng.
G STARS 2.1 sử dụng phương
pháp bậc th an g thông dụng đế tính toán
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 không dổi (Q,) và thời (loạn hữu
hạn At, )

Khi không có sự thay đổi kiểu chế
độ dòng chảy, th u ậ t toán sử dụng
phương trìn h năng lượng
Z + Y + a^ -= H
2g



Kèi quà bước dău ùn) luóu mô 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 dòng đôi vói các dòng chảy
êm và xuôi dòng đối vói các đòng chảy xiết.
3 .2 . M iê u t ả m ô h ì n h

Trong GSTARS 2.1,
khu

nguồn

nước

mô

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

m ật

nưốc


(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. Thông tin nàv
được sử dụng để tính các tham
số th ủ y lực cần th iế t cho các
tính toán nước v ặt như diện tích
dòng chảy, chu vi ướt, b án kính
thùy lực, độ rộng sông, 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 lòng 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 dòng
đểu để tính các tổn th ấ t do m a sát. Công thức này được sử dụng để tính số vận chuyên tông
cộng K và từ đó xác định dộ dốc m a s á t Sf đối với một lưu lượng đã cho:

Q

này nhằm hướng cho hìn h dạng hìn h học m ật c ắ t ngang sông ăn kháp vâi các tỷ số độ
rộng/độ sâu và nó có th ê đư a ra các sai sô 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 sô' 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 hoà:

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)

n gả ba H ồng-Đ uống.

sông Đà từ Hoà 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

Mô hình GSTARS 2.1 được h ạn ch ế cho nhửng sông 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 hoá.
Bởi vậy, có th ể xem như trên đoạn sông nghiên cửu từ Hòa 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 môdun nước v ật trong mô 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 sông nghiên
cứu:
* S ố liệu địa hình: do Đoàn khảo sá t sông Hồng đo đạc năm 1992, bao gồm:
• 38 m ặt cắt ngang (từ sô 10 đến số 47) trê n sông Đà đoạn từ Hoà 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 sông từ Hoà 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:


10 M

Hòa Bình

I

o

ỉ
Irung Hà-

'Sồng Lô
A
Vụ Quang
C h ú s ià i

Sô” liệu thủy lực yêu cầu gồm
số liệu hình học lòng dẫn và sô' liệu
thủy văn. Sô liệu hìn h học lòng dẫn
được trìn h bày đầu tiên gồm hình
dạng hình học m ật cắt ngang, độ
nhám lòng đẫn và các h ệ sô tổn
thất. Tiếp theo trìn h bày đến sô
liệu thủy văn gồm lưu lượng nước
và mực nước.


theo dòng chảy, được tính bằng hiệu giữa các sô 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 xuôi theo dòng.
Mồi một m ặt cắt ngang có th ể dược ph ân chia th àn h một số phàn khu lòng dẫn có độ
nhám không 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 sô 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 sô
điếm cần đê xác định mỗi m ặt cắt ngang, sô chì m ặt cắt ngang có phái là m ặt cắt kiếm soát
hay không, hệ sô 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 dôé 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

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 sông nghiên cứu được sử dụng làm điếu kiện địa hình ban đầu. T ại thời điểm ban đầu
(t=0, chưa tính toán), 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 Hoà 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 mô 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. Sô' liệu địa hìn h này bao gồm số liệu đo đạc
m ật cắt dọc sông từ Hoà 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 sô liệu quá trìn h lưu lượng bình quân ngày nám 1992 tạ i các trạm Hoà 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 sô mô hình nước v ật cần tối ưu là các hệ sô nhám M anning của lòng dẫn
(gồm hai bải sông và lòng chính) v à phương pháp tính tổn th ấ t do m a sát.
4.5.1. Hiệu chỉnh các hệ sô nhám M anning của lòng dẫn
Q uá trìn h hiệu chỉnh mô hìn h nhằm tìm bộ h ệ số nhám M anning củ a lòng dẫn (gồm
hai bãi sông và lòng 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

4.5.2.

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

Mô 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
sông 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 sô' 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 hoà.
Phương pháp tính ton th ấ t do m a sát từ độ dốc m a sát tru n g bình cùa các đoạn sông
kề liền đã được sử dụng khi tối ưu hoá bộ h ệ sô nhám lòng dẫn củ a mô hình. Vối bộ h ệ sô
nh ám lòng dẫn đ ã tối ưu được, lần lượt chạy mô hình cho từ n g phương pháp trong ba
phương pháp còn 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 quá 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 toán 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 sông 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 sô' nh ám đã
tối ưu để tín h toán th ù y lực cho đoạn sông nghiên cứu.
4.6. K ỉern n g h iệ m m ô h ìn h
Đe kiểm tr a độ ổn định của mô hìn h nước v ật vối bộ thông s ố đã tối ư u được (hệ sô'
nhám lòng 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 mô hìn h với sô' 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.




2.

Trần Tuất và cộng sự, Đặc trưng hình thái lưu vực sông 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