Tác giả

Đặng Trường An 1*

Đơn vị công tác

1 Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên–Đại học Quốc gia Tp. HCM, 227 Nguyễn Văn Cừ, Quận 5, Tp.HCM, dtan@hcmus.edu.vn

*Tác giả liên hệ: dtan@hcmus.edu.vn; Tel.: +84–909719878

Tóm tắt

Các nghiên cứu về chuyển vận bùn cát trong sông có độ dốc đáy lớn gặp rất nhiều trở ngại so với sông vùng đồng bằng do địa hình đáy sông thay đổi đột ngột và chế độ dòng chảy thay đổi rất nhanh,... Vận chuyển bùn cát ở các sông có độ dốc đáy lớn là một vấn đề phức tạp vì vật liệu đáy sông thường không đồng nhất và chứa nhiều loại hạt có kích thước khác nhau như đất, sỏi, cuội và đá tảng,... Nghiên cứu này bước đầu phát triển một chương trình mô phỏng quá trình bồi xói địa hình đáy của các con kênh dốc dựa trên tiếp cận cấp phối thành phần hạt và xem xét chuyển động của hạt bùn cát theo phương ngang đến quá trình duy trì sự ổn định đáy kênh. Các phương trình thủy động lực hai chiều (2D) và vận chuyển bùn cát đáy được rời rạc bởi phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) và viết trên nền tảng ngôn ngữ phần mềm Fortran 90. Chương trình phát triển được áp dụng mô phỏng diễn biến bồi xói đáy của một đoạn sông Teabeak, Hàn Quốc. Khả năng thực hiện của mô hình được đánh giá thông qua các chỉ số thống kê NASH và RMSE. Kết các quả với NASH = 0,79–0,83 và RMSE = 13%–19% thể hiện sự phù hợp của mô hình đã áp dụng, qua đó cho thấy triển vọng triển khai mô hình cho các nghiên cứu thực tế trong tương lai.

Từ khóa

Hình thái; Đáy kênh dốc; Sai phân hữu hạn; Mô hình số; Bùn cát đáy.

Trích dẫn bài báo

An, T.Đ. Xây dựng mô hình số mô phỏng biến đổi hình thái sông có địa hình đáy dốc. Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2021, 727, 82-94.

Tài liệu tham khảo

1. Bunte, K.; Abt, S.R.; Swingle, K.W.; Cenderelli, D.A.; Schneider, J.M. Critical Shields values in coarse–bedded steep streams. Water Resour. Res. 2013, 49, 7427–7447, doi:10.1002/2012WR012672.

2. Camenen, B. Discussion of “Understanding the influence of slope on the threshold of coarse grain motion: Revisiting critical stream power” by C. Parker, N.J. Clifford, and C.R. Thorne Geomorphology 2012, 126, 51–65.

3. Nitsche, M.; Rickenmann, D.; Turowski, J.M.; Badoux, A.; Kirchner, J.W. Evaluation of bedload transport predictions using flow resistance equations to account for macro–roughness in steep mountain streams. Water Resour. Res. 2011, 47, W08513.

4. Wyss, C.R.; Rickenmann, D.; Fritschi, B.; Turowski, J.; Weitbrecht, V.; Boes, R. Measuring bed load transport rates by grain–size fraction using the Swiss Plate Geophone Signal at the Erlenbach. J. Hydraul. Eng. 2016, 142, 04016003.

5. Chiari, M. Numerical modelling of beb–load transport in torrents and mountain streams. Dissertation, University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna. 2008.

6. Biyun, F.; Xudong, F.; Zhengfeng, Z. Relationship between the topography, riverbed evolution and the secondary geological disasters after the earthquake in the Longxi River Basin. J. Basic Sci. Eng. 2013, 21, 1005–1017.

7. Mueller, E.R.; Pitlick, J. Sediment supply and channel morphology in mountain river systems: 1. Relative importance of lithology, topography, and climate. J. Geophys. Res. Earth Surf. 2013, 118, 2325–2342.

8. Van Emelen, S. Erosion modeling over a steep slope: application to a dike overtopping test case. Proceeding of 2013 IAHR World Congress, Chengdu, China. 2013.

9. Wu, W.; Marsooli, R.; He, Z. Depth–averaged two–dimensional model of unsteady flow and sediment transport due to non–cohesive embankment break/breaching. J. Hydraul. Eng. ASCE 2012, 138, 503–516.

10. Schneider, J.M.; Rickenmann, D.; Turowski, J.M.; Bunte, K.; Kirchner, J.W. Applicability of bed load transport models for mixed size sediments in steep streams considering macro–roughness. Water Resour. Res. 2015, 51, 5260–5283.

11. Yager, E.M.; Kirchner, J.W.; Dietrich, W.E. Calculating bed load transport in steep boulder bed channels. Water Resour. Res. 2007, 43, W07418.

12. Xu, R.; Zhong, D.; Wu, B.; Fu, X.; Miao, R. A large time step Godunov scheme for free–surface shallow water equations. Chin. Sci. Bull. 2014, 59, 2534–2540.

13. Andharia, B.R.; Patel, P.L.; Manekar, V.L.; Porey, P.D. Prediction of bed level variations in nonuniform sediment bed channel. Sådhanå 2018, 43, 55.

14. Cheng, N.S.; Chen, X. Slope Correction for calculation of bedload sediment transport rates in steep channels. J. Hydraul. Eng. ASCE 2014, 140, 4001–4018.

15. Chiari, M. Numerical modelling of beb–load transport in torrents and mountain streams. Dissertation, University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna. 2008.

16. Horritt, M. Development and testing of a simple 2D finite volume model of sub critical shallow water flow. J. Numer. Math. 2004, 44(11), 1231–1255.

17. Recking, A. Influence of sediment supply on mountain streams bedload transport. Geomorphology 2012, 175–176, 139–150.

18. Ferreira, R.M.L.; Leal, J.G.A.B.; Cardoso, A.H. Conceptual model for the bedload layer of gravel bed stream based on laboratory observations. Proc. Int. Conf. on Fluvial Hydraul. River Flow Lisbon, Portugal, 2006, 1.

19. Bathurst, J.C. Effect of coarse surface layer on bed–load transport. J. Hydraul. Eng. 2007, 133, 1192–1205.

20. Bravo–Espinosa, M.; Osterkamp, W.; Lopes, V. Bedload transport in alluvial channels. J. Hydraul. Eng. 2003, 10, 783–795.

21. Hassan, A.; Church, M.; Lisle, T.E.; Brardinoni, F.; Benda, L,; Grant, G.E. Sediment transport and channel morphology of small, forested streams. J. Am. Water Resour. Assoc. 2005, 41(4), 853–876.

22. Pianese, D.; Rossi, F. Morphological changes and grain sorting in mountain gravel–bed streams. Fluvial Hydraul. of Mountain Reg. 2005, 37, 361–381.

23. Rahuel, J.L.; Holly, F.M.; Chollet, J.P.; Belludy, P.; Yang, G. Modelling of riverbed evolution for bed load sediment mixtures. J. Hydraul. Eng. ASCE 1989, 115, 1521–1542.

24. Chiari, M.; Friedl, K.; Rickenmann, D. A one–dimensional bedload transport model for steep slopes. J. Hydraul. Res. 2010, 48, 152–160.

25. Goutière, L.; Soares–Frazão, S.; Savary, C.; Laraichi, T.; Zech, Y. One–dimensional model for transient flows involving bedload sediment transport and changes in flow regimes. J. Hydraul. Eng. ASCE 2008, 134, 726–735.

26. Dang, T.A.; Park, S.D.; Woo, T.Y.; Nam, A.R. Numerical modeling of riverbed variation in open channels. Proceeding of 2013 IAHR World Congress. 2013.

27. Papanicolaou, A.N.; Bdoura, A.; Wickleinb, E. One–dimensional hydrodynamic/sediment transport model applicable to steep mountain streams. J. Hydraul. Res. 2004, 42, 357–375.

28. Riaz, M.Z.B.; Shakir, A.S.; Masood, M. One dimensional numerical simulation of aggradation–degradation in a channel using finite difference method case study Chashma right bank canal (CRBC). Fluid Mech Open Acc. 2007, 4, 178.

29. Hou, J.; Zhang, C.; Wang, D.; Li, F.; Yu, Z.; Zhou, Q. Fixed–bed and mobile–bed resistance of channels with steep gradients in mountainous areas. Water 2019, 11, 681.

30. Luo, M.; Yu, H.; Huang, E.; Ding, R.; Lu, X. Two–Dimensional Numerical Simulation Study on Bed–Load Transport in the Fluctuating Backwater Area: A Case–Study Reservoir in China. Water 2018, 10, 1425.

31. An, Đ.T. Khả năng áp dụng các công thức bán thực nghiệm bùn cát đáy cho lưu vực sông có địa hình đáy dốc. Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2021, 726, 30–40.

32. Park, S.D.; Lee, S.W.; Han, K.D. Development of technique estimating sediment load in mountain river. MOLIT Final report, Land Transport R&D Report R&D/ B–01, 2013, 275–278.

33. Turowski, J.M.; Badoux, A.; Rickenmann, D. Start and end of bedload transport in gravel–bed streams. Geophys. Res. Lett. 2011, 38, L04401.

34. McKee, S.; Tom, M.F.; Cuminato, J.A.; Castelo, A.; Ferreira, V.G. Recent advances in the Marker and Cell method. Archives Comp. Methods Eng. 2004, 11, 107–142.

35. Paulo, G.S.; Tom, M.F.; McKee, S. A marker–and–cell approach to viscoelastic free surface flows using the PTT model. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2007, 147, 149–174.