Luận văn thạc sĩ " ỨNG DỤNG MÔ HÌNH (VNU/MDEC) TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

154
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển là một quá trình động lực phức tạp, đa chiều, nhiều quy mô. Mô hình hóa mô tả cả trầm tích và các chuyển động của môi trường xung quanh (nước) và tương tác giữa chúng. Nhiều vấn đề phát sinh từ bản chất đa quy mô tự nhiên của những vấn đề được nghiên cứu: mô hình ven biển thường được phát triển với quy mô ít nhất hàng chục mét, lớn hơn nhiều so với các quá trình vật lý xảy ra như rối, tương tác trầm tích-trầm tích và tướng tác trầm tích với...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ " ỨNG DỤNG MÔ HÌNH (VNU/MDEC) TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG "

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN TIẾN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH (VNU/MDEC) TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Văn Tiến ỨNG DỤNG MÔ HÌNH (VNU/MDEC) TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60 44 97 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Đinh Văn Ưu HÀ NỘI – 2012
Lời cảm ơn Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS. TS. Đinh Văn Ưu. Bên cạnh đó còn có sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cô trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, các anh chị cùng lớp và các đồng nghiệp trong Trung tâm Nghiên cứu Biển và Tương Tác Biển -Khí quyển. Trước tiên em xin chân thành cảm ơn GS. TS. Đinh Văn Ưu người trực tiếp chỉ dạy, giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã dạy và giúp đỡ em hoàn thành khóa học. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu Biển và Tương tác Biển – Khí quyển, lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa học, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian tôi học tập. Luận văn được hoàn thành trong khuôn khổ tham gia đề tài QGTĐ 04-11. Tác giả cảm ơn vì sự hỗ trợ này. Phạm Văn Tiến
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... 4 DANH MỤC BẢNG .......................................................................................... 7 ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 8 Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 10 1.1. Tổng quan về mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích ............. 10 1.1.1. Các nghiên của nước ngoài .......................................................... 10 1.1.2. Các nghiên cứu trong nước .......................................................... 15 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu ........................................................ 17 2.2.1. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 17 2.2.2. Đặc điểm khí tượng, thủy - hải văn............................................... 17 2.2.3. Đặc điểm trầm tích ....................................................................... 24 Chương 2. MÔ HÌNH VNU/MDEC................................................................. 26 2.1. Mô hình thủy động lực ......................................................................... 26 2.1.1. Hệ các phương trình động lực biển nguyên thủy........................... 26 2.1.2. Phương pháp biến đổi tọa độ cong σ ............................................ 30 2.1.3. Điều kiện biên trong mô hình........................................................ 32 2.1.4. Điều kiện biên hở cửa sông có triều áp đảo.................................. 34 2.2. Mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng.................................................... 35 2.2.1. Hệ phương trình lan truyền và khuếch tán vật chất ...................... 35 2.2.2. Mô hình biến đổi độ dày lớp trầm tích đáy lỏng ........................... 39 2.3. Các phương pháp tham số hóa của mô hình ......................................... 40 2.3.1. Phương pháp thể tích hữu hạn...................................................... 40 2.3.2. Sơ đồ lưới tính Arakawa C rời rạc hóa theo không gian............... 41 2
2.2.3. Phương pháp tách mod ( mode- splitting)..................................... 44 2.3. Số liệu đầu vào ..................................................................................... 46 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................. 47 3.1. Triển khai mô hình ............................................................................... 47 3.1.1. Các phương án tính toán .............................................................. 47 3.1.2. Điều kiện tính toán ....................................................................... 50 3.1.3. Kết quả hiệu chỉnh mô hình .......................................................... 51 3.2. Kết quả tính toán chế độ thủy động lực ................................................ 52 3.2.1. Trường dòng chảy và mực nước triều ........................................... 52 3.2.2. Trường dòng chảy và mực nước tổng hợp 1 (khi tính đến thủy triều và lưu lượng sông) .............................................................................. 55 3.2.3. Trường dòng chảy và mực nước tổng hợp 2 (khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông và gió theo 2 mùa) ..................................................... 59 3.3. Kết quả tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng .................................... 63 3.3.1. Vận chuyển trầm tích lơ lửng dưới tác động của thủy triều .......... 63 3.3.2. Vận chuyển trầm tích lơ lửng dưới tác động của dòng chảy tổng hợp 1 ........................................................................................................... 67 3.3.3. Vận chuyển trầm tích lơ lửng dưới tác động của dòng chảy tổng hợp 2 ........................................................................................................... 70 3.4. Ảnh hưởng của các cửa sông Lạch Tray, Nam Triệu đến chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích trong khu vực .............................................. 74 KẾT LUẬN...................................................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 78 3
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Hoa gió trạm Hòn Dáu tháng 1 (a) và tháng 7 (b).................. 18 Hình 2.2. Sơ đồ lới 3D Arakawa C ....................................................... 42 Hình 2.3. Địa hình khu vực nghiên cứu ................................................ 46 Hình 3.1. Vị trí các điểm, các mặt cắt ................................................... 51 Hình 3.2. Biến trình mực nước tính toán và thực đo tại điểm P5........... 52 Hình 3.3. Trường mực nước tại thời điểm 35h khi chỉ tính đến thủy triều ..................................................................................................................... 52 Hình 3.4. Trường mực nước và hoàn lưu tầng mặt tại thời điểm 102h khi chỉ tính đến thủy triều................................................................................... 53 Hình 3.5. Trường mực nước và hoàn lưu tầng mặt tại thời điểm 115h khi chỉ tính đến thủy triều................................................................................... 53 Hình 3.6. Biến trình mực nước vận tốc dòng chảy tại cửa Nam Triệu và Lạch Huyện khi chỉ tính đến thủy triều......................................................... 54 Hình 3.7. Trường mực nước và hoàn lưu tầng mặt tại thời điểm 44h khi chỉ tính đến thủy triều................................................................................... 55 Hình 3.8. Trường mực nước và hoàn lưu tầng mặt tại thời điểm 50h khi tính đến thủy triều và lưu lượng sông cực tiểu.............................................. 57 Hình 3.9. Trường mực nước và hoàn lưu tầng mặt tại thời điểm 66h khi tính đến thủy triều và lưu lượng sông cực đại ............................................... 57 Hình 3.10. Biến thiên vận tốc dòng chảy tầng mặt tại điểm P2 gần cửa Lạch Tray khi chỉ tính đến triều (HP01), khi tính đến thủy triều và lưu lượng sông cực tiểu (HP02) và khi tính đến thủy triều và lưu lượng sông cực đại (HP03) ......................................................................................................... 58 4
Hình 3.11. Biến thiên vận tốc dòng chảy tầng mặt tại điểm P5 gần cửa Nam Triệu khi chỉ tính đến triều (HP01), khi tính đến thủy triều và lưu lượng sông cực tiểu (HP02) và khi tính đến thủy triều và lưu lượng sông cực đại (HP03) ......................................................................................................... 58 Hình 3.12. Trường mực nước và hoàn lưu tầng mặt tại thời điểm 102h khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực tiểu và gió hướng Đông ............ 60 Hình 3.13. Trường mực nước và hoàn lưu tầng mặt tại thời điểm 122h khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông mùa kiệt và gió hướng Bắc.............. 60 Hình 3.14. Trường mực nước và hoàn lưu tầng mặt tại thời điểm 141h khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông mùa lũ và gió hướng Đông Nam...... 61 Hình 3.15. Trường mực nước và dòng chảy tầng mặt tại thời điểm 341h khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông mùa lũ và gió hướngNam ................ 61 Hình 3.16. Biến thiên vận tốc dòng chảy tầng mặt tại điểm P2 khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực tiểu và gió hướng Đông (HP04); khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực và gió hướng Bắc (HP05); khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực đại và gió hướng Đông Nam (HP06); khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực đại và gió hướng Nam........................... 62 Hình 3.17. Biến thiên vận tốc dòng chảy tầng mặt tại điểm P5 khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực tiểu và gió hướng Đông (HP04); khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực tiểu và gió hướng Bắc (HP05); khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực đại và gió hướng Đông Nam (HP06); khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông cực đại và gió hướng Nam (HP07) ........ 62 Hình 3.18. Nồng độ trầm tích lơ lửng khi tính đến thủy triều và nồng độ trầm tích trên biên nhỏ nhất trong mùa kiệt .................................................. 64 Hình 3.19. Nồng độ trầm tích lơ lửng lửng khi tính đến thủy triều và nồng độ trầm tích trên biên lớn nhất trong mùa lũ ........................................ 65 Hình 3.20. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán tại điểm P4 khi tính đến thủy triều và nồng độ trầm tích trên biên lớn nhất trong mùa lũ.................... 66 5
Hình 3.21. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán dọc các mặt cắt khi tính đến thủy triều và nồng độ trầm tích trên biên lớn nhất trong mùa lũ ............. 67 Hình 3.22. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông nhỏ nhất và nồng độ trầm tích trên biên nhỏ nhất trong mùa kiệt ............................................................................................................... 68 Hình 3.23. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông lớn nhất và nồng độ trầm tích trên biên lớn nhất trong mùa lũ ..................................................................................................................... 68 Hình 3.24. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán dọc các mặt cắt khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông lớn nhất và nồng độ trầm tích trên biên lớn nhất trong mùa lũ ......................................................................................... 69 Hình 3.25. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông nhỏ nhất, nồng độ trầm tích trên biên nhỏ nhất trong mùa kiệt và gió hướng Đông....................................................................................... 70 Hình 3.26. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông nhỏ nhất, nồng độ trầm tích trên biên nhỏ nhất trong mùa kiệt và gió hướng Bắc ......................................................................................... 71 Hình 3.27. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông lớn nhất, nồng độ trầm tích trên biên lớn nhất trong mùa lũ và gió hướng Đông Nam................................................................................... 72 Hình 3.28. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông lớn nhất, nồng độ trầm tích trên biên lớn nhất trong mùa kiệt và gió hướng Nam........................................................................................ 73 Hình 3.29. Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán dọc các mặt cắt khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông lớn nhất, nồng độ trầm tích trên biên lớn nhất trong mùa kiệt và gió hướng Nam ................................................................ 73 6
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Vận tốc gió và độ cao sóng trung bình nhiều năm tại trạm Hòn Dáu .............................................................................................................. 23 Bảng 1.2. Kích thước các loại hạt trầm tích [8]..................................... 25 Bảng 3.1. Các phương án tích toán ....................................................... 47 7
ĐẶT VẤN ĐỀ Vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển là một quá trình động lực phức tạp, đa chiều, nhiều quy mô. Mô hình hóa mô tả cả trầm tích và các chuyển động của môi trường xung quanh (nước) và tương tác giữa chúng. Nhiều vấn đề phát sinh từ bản chất đa quy mô tự nhiên của những vấn đề được nghiên cứu: mô hình ven biển thường được phát triển với quy mô ít nhất hàng chục mét, lớn hơn nhiều so với các quá trình vật lý xảy ra như rối, tương tác trầm tích-trầm tích và tướng tác trầm tích với chất lỏng. Các hiệu ứng 3D quan trọng xuất hiện ở các vùng với độ nghiêng lớn, tạo ra dòng chảy thứ cấp giữ vai trò quan trọng cho sự tích tụ trầm tích dọc cửa sông. Trong thực tế, khi không có gradient mật độ lớn, vận tốc chìm lắng và sự tương tác đáy-nước tạo ra gradient thẳng đứng của trầm tích lơ lửng. Vì vậy, phương pháp tiếp cận mô hình 3D là phương pháp đầy đủ nhất cho các mục đích mô tả vận chuyển trầm tích. Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học máy tính đã đem lại nhiều thuận lợi trong các tính toán khoa học nói chung và ngành khoa học biển nói riêng. Việc ứng dụng các mô hình chạy trên các máy tính trong nghiên cứu, tính toán đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Các mô hình được ứng dụng phổ biến trong hải dương học có thể kể đến như: MIKE, SMS, DELFT, ROM, POM, GHER, ECOMSED… Việt Nam là quốc gia có vùng biển lớn ở khu vực Đông Nam Á. Nhiều ngành, nhiều lĩnh vực kinh tế mũi nhọn của Việt Nam đều gắn với biển như dầu khí, nuôi trồng, khai thác và chế biến thủy sản, hàng hải và du lịch biển… Việt Nam có vùng biển đặc quyền kinh tế rộng hơn 1.000.000 km2, gấp 3 lần diện tích đất liền, có hơn 3000 đảo lớn, nhỏ. Việt Nam có vị trí địa - kinh tế và địa - chiến lược đặc biệt, nằm trên các tuyến giao thông hàng hải quốc tế chủ yếu của thế giới. Nước ta có trên 3.260 km bờ biển, với nhiều hệ thống cảng biển như: Của ông, Cái Lân, Hải Phòng, Đình Vũ, Nghi Sơn, Hòn La, Vũng Áng, Chân Mây, Dung Quất, Vân Phong, Thị Vải... đủ điều kiện vận chuyển hàng trăm triệu tấn hàng hóa thông quan mỗi năm, đồng thời đảm bảo cho ngành sửa chữa, đóng mới phương tiện thủy và 8
các ngành dịch vụ biển phát triển cả trong hiện tại và tương lai. Dọc bờ biển Việt Nam, trung bình cứ 20 km đường bờ biển sẽ có 1 cửa sông, với nhiều vũng, vịnh ven biển. Đây là những điều kiện thuận lợi cho việc phát triển hàng hải và kinh tế biển nói chung. Hải Phòng là thành phố ven biển trực thuộc trung ương, là trung tâm kinh tế của khu vực Đông Bắc Bộ. Cho đến nay, kinh tế cảng vẫn là ngành kinh tế đóng vai trò chính trong nền kinh tế. Hải Phòng có 2 cảng biển lớn là cảng Hải Phòng và cảng Đình Vũ. Vùng biển Hải Phòng có 5 cửa sông đổ ra là cửa Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình. Chế độ thủy thạch động lực học ở đây rất phức tạp do chịu tác động đồng thời của cả sông và biển. Việc nghiên cứu, tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển trậm tích trong khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng là rất cần thiết. Nghiên cứu sẽ cung cấp bức tranh chung về trường dòng chảy, những đặc điểm cơ bản của quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực giúp công tác quản lý, quy hoạch tuyến luồng tàu, tính toán sa bồi luồng nhằm đóng góp một phẩn nhỏ cho các yêu cầu thực tế đặt ra. Mô hình số trị hoàn toàn có thể đáp ứng được các mục đích trên, mô tả chi tiết của trường thủy động lực và diễn biến quá trình lan truyền trầm tích trong khu vực. Với những lý do trên học viên đã lựa chọn đề tài luận văn là: “Ứng dụng mô hình (VNU/MDEC) tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng”. Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Mô hình VNU/MDEC Chương 3: Kết quả nghiên cứu 9
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích 1.1.1. Các nghiên của nước ngoài Vận chuyển trầm tích được nghiên cứu từ rất sớm như ở Trung Quốc cổ đại, Lương Hà, Hy Lạp và Đế quốc La Mã. Nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm sớm nhất được thực hiện bởi nhà khoa học DuBuat (1738-1809) người Pháp. Ông xác định vận tốc dòng chảy gây ra xói mòn đáy, trong đó có xem xét đến sự khác nhau của vật liệu đáy. DuBuat đã phát triển khái niệm ma sát trượt. Hagen (1797-1884) người Đức và Dupuit (1804-1866) người Pháp mô tả về chuyển động dọc theo đáy và chuyển động lơ lửng của trầm tích. Brahms (1753) đề xuất một công thức tính vận tốc tới hạn trên đáy với vật liệu là đá. Công thức vận tải đáy đầu tiên dựa vào độ dốc và độ sâu được DuBoys (1847-1924) người Pháp đề xuất, Ông khái quát quá trình vận chuyển như chuyển động của các hạt trầm tích trong một loạt các lớp. Đến khoảng năm 1900, mô hình biến đổi đáy đầu tiên được Fargue (1827- 1910) người Pháp và Reynolds (1892-1912) người Anh xây dựng. Cơ sở nghiên cứu vận chuyển trầm tích trong các máng thí nghiệm được bắt đầu bởi Engels (1854- 1945) người Đức và Gilbert (1843-1918) người Mỹ. Lý thuyết vận chuyển trầm tích được viết bởi Forchheimer (1852-1933) và Schoklitsch (1888-1969) người Đức. Đến năm 1914, phát triển phương trình tích ứng suất trượt đáy tới hạn (bắt đầu chuyển động của một hạt) theo chiều dọc của đáy dốc. Phương trình tương tự cho một hạt dừng chuyển động theo chiều ngang một đáy dốc được Leiner đề xuất năm 1912. Năm 1936, Shields có một đóng góp quan trọng liên quan đến ứng suất trượt đáy tới hạn cho sự khởi đầu chuyển động của các hạt trầm tích. Các đường cong được đề xuất gọi là đường cong “Shislds”. Các nghiên cứu đầu tiên liên quan đến động lực học chất lỏng và vận chuyển bùn cát được thực hiện bởi Bagnold năm 1936, 1937. Đến năm 1950, Einstein và 10
các cộng sự nhờ vào sự phát triển của năng lực tính toán, biến các mô hình toán vận chuyển bùn cát thành một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực khoa học ven biển. Năm 1967, Robert P. Apmann và Ralph R. Rumer nghiên cứu quá trình phát tán các hạt trầm tính do khuếch tán rối trong dòng chảy bất đồng nhất dựa trên mô hình toán. Thí nghiệm được tiến hành trong một máng dài với 3 lớp trầm tích. Hệ số khuếch tán được xác định là một hàm của đặc trưng trầm tích và vận tốc dòng chảy. Một trong những nghiên cứu đầu tiên liên quan đến điều kiện bùn lỏng được thực hiện bởi Einstein và Chien năm 1955, hai quá trình kết bông và cố kết đáy đã được nghiên cứu. Tác giả đã nhận định rằng độ mặn tối thiểu 1‰ là giới hạn khởi đầu cho quá trình kết bông. Odd và Owen, 1972 sử dụng mô hình 1D xem xét tốc độ xói mòn và lắng đọng dựa trên công thức đề xuất của Krone 1962 và Partheniades 1965. Smith và Kirby, 1989 đã ứng dụng các mô hình 1D để mô phỏng vận chuyển bùn cát và thay đổi hình thái quy mô lớn ở các sông De Vries, trong kênh thủy triều Dyer và Evans, mô phỏng quá trình hình thành “lutocline” ở các cửa sông Ross và Mehta. Năm 1971, O'Connor trình bày mô hình 2D tích phân theo độ sâu. Ariathurai và Krone, 1976 đã trình bày một mô hình phần tử hữu hạn áp dụng các yếu tố hình tam giác với một xấp xỉ bậc hai cho nồng độ và phương pháp trọng số thặng dư Galerkian. Mô hình sử dụng các công thức cổ điển xác định quá trình xói mòn và lắng đọng trầm tích. Quá trình keo tụ được tính toán bằng cách xác định vận tốc chìm lắng trên mỗi phần tử lưới là một hàm của thời gian. Mulder và Udink 1991 áp dụng mô hình 2D cho cửa sông Western Scheldt có tính đến thủy triều và sóng gió. Mô hình giải một phương trình cân bằng tác động phổ, nội suy độ cao và chu kỳ sóng tính toán theo các thời kỳ triều khác nhau để xác định vận tốc quỹ đạo và thành phần ứng suất trượt đáy do sóng. Sử dụng các công thức thực nghiệm để tính toán xói mòn và lắng đọng trầm tích và sử dụng các giá trị đồng nhất cho ứng suất trượt tới hạn của quá trình xói mòn, lắng đọng và vận tốc chìm lắng. 11
Li và cộng sự, 1994 phát triển mô hình 2DV tích hợp giữa mô hình thủy động lực học và mô hình vận chuyển bùn cát cho cửa sông Gironde nước Pháp, trong đó có sử dụng mô hình khép kín rối để tính hệ số nhớt rối và hệ số khuếch tán, mô hình có tính đến quá trình trao đổi trầm tính đáy. Năm 2002, Wen-Cheng Liu, Ming-Hsi Hsu và Albert Y. Kuo áp dụng mô hình hai chiều trung bình độ sâu nghiên cứu đặc điểm thủy động lực và vận chuyển bùn cát lơ lửng trong cửa sông của hệ thống sông Tanshui Rivers, Đài Loan. Beckers, 1991, trong một nghiên cứu dòng chảy tổng hợp vùng biển Tây Địa Trung Hải trong điều kiện mùa đông điển hình bằng mô hình GHER-3D, cho rằng mô hình có thể khôi phục các quá trình vật lý và xu hướng chính của dòng chảy tổng hợp trong khu vực. Năm 1994, Beckers và cộng sự nghiên cứu thủy động lực học vùng biển Tây Địa Trung Hải bằng mô hình 3D. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng 2 mô hình: mô hình “metagnostic” (định hướng hệ thống) và mô hình chuẩn đoán (định hướng quá trình), được chạy đồng thời và có tính đến tương tác. Nghiên cứu chỉ ra quá cấu trúc và sự bất ổn định của dòng Algeria. O'Connor và Nicholson, 1988 cung cấp một mô hình 3D đầy đủ, bao gồm một mô hình vận chuyển bùn lỏng, có tính đến sự kết bông và cố kết. Katopodi và Ribberink 1992 đã phát triển một mô hình tựa 3D cho vận chuyển bùn cát lơ lửng trên cơ sở của phương trình bình lưu khuếch tán cho dòng chảy và sóng, phân tích độ nhạy của các tham số sóng và dòng chảy. Các mô hình (nghiêng áp) thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích đã được phát triển và áp dụng cho các vùng ven biển (De Kok và cộng sự, 1995). Năm 1994, Leonor Cancino và Ramiro Neves mô tả và ứng dụng hệ thống mô hình thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích 3D (dạng nghiêng áp, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn). Mô hình thủy động lực dựa trên xấp xỉ thuỷ tĩnh và xấp xỉ Boussinesq, sử dụng tọa độ sigma kép cho chiều thẳng đứng với lưới so le và sơ đồ bán ẩn bậc hai. Ngoài phương trình động lượng và phương trình liên tục, mô hình giải hai phương trình vận chuyển nhiệt độ, độ muối và một phương trình trạng 12
thái có tính đến hiệu ứng nghiêng áp. Mô phỏng quá trình vận chuyển trầm tích gắn kết được thực hiện bằng cách giải các phương trình bảo toàn, bình lưu - khuếch tán 3D, trong cùng một lưới sử dụng trong mô hình thủy động lực. Qúa trình cố kết, xói mòn và lắng đọng của trầm tích được biểu diễn bằng các công thức thực nghiệm. Các mô hình đã được thử nghiệm và hiệu chỉnh bằng cách mô phỏng dòng triều và vận chuyển bùn cát lơ lửng ở các cửa sông. Hai ứng dụng ở cửa sông Western Scheldt (Hà Lan) và Gironde (Pháp) cho thấy sự phù hợp tốt giữa kết quả tính toán và đo đạc thực địa. Năm 2003, Changsheng Chen và Hedong Liu phát triển mô hình 3D tính hoàn lưu khu vực ven biển và cửa sông. Mô hình dựa trên hệ phương trình nguyên thủy 3 chiều gồm các phương trình động lượng, liên tục, nhiệt, muối, mật độ và sử dụng mô hình khép kín rối bậc 2,5 của Mellor và Yamada. Mô hình sử dụng hệ tọa độ chuyển đổi sigma cho phương thẳng đứng, phương ngang sử dụng lưới cấu trúc hình tam giác. Mô hình toán sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, thể tích hữu hạn và phần tử hữu hạn. Mô hình đã được áp dụng cho biển Bột Hải, cửa sông Satilla River. Năm 2004, Wahyu W. Pandoe và Billy L. Edge ứng dụng mô hình ADCIRC-3D tính toán dòng chảy và vận chuyển bùn cát dọc bờ biển vịnh Mexico và dọc bờ biển Texas, kết quả cho thấy mô hình cho kết quả tốt khi áp dụng cho các khu vực cửa sông có độ dốc nhỏ. Năm 2005, C.H. Wang, Onyx W.H. Wai và C.H. Hu phát triển mô hình tính toán vận chuyển trầm tích cho vùng cửa sông Pearl River (vịnh Lingding). Mô hình sử dụng kỹ thuật tách để giải các phương trình chủ đạo: giải các số hạng bình lưu bằng phương pháp Eulerian-Lagrangian, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho các số hạng khuếch tán theo phương ngang và phương pháp sai phân hữu hạn cho số hạng khuếch tán theo phương thẳng đứng. Sơ đồ khép kín rối bậc 2,5 của Mellor- Yamada được sử dụng kết hợp để xác định tham số nhớt rối thẳng đứng. 13
Guy Simpsona, Sebastien Castelltort, 2005 trình bày mô hình coupled giữa mô hình dòng chảy mặt, vận chuyển trầm tích và diễn biến hình thái. Mô hình sử dụng các phương trình nước nông cho dòng chảy, bảo toàn nồng độ trầm tích, hàm thực nghiệm cho ma sát đáy, xói mòn và lắng đọng. Quá trình xói mòn và lắng đọng được xử lý độc lập và tác động đến thông lượng trầm tích thông qua trao đổi vuông góc với biên đáy của dòng chảy. Năm 2008, John C. Warner, Christopher R. Sherwooda, Richard P. Signel, Courtney K. Harris và Hernan G. Arangoc phát triển mô hình 3D couple sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát bằng công cụ MCT (Model Coupling Toolkit) và áp dụng tính toán cho vịnh Massachusetts. Mô hình là sự kết hợp giữa mô hình hoàn lưu ven biển ROM v3.0 và mô hình tính sóng vùng nước nông SWAN. Ứng suất sóng 2 chiều được đưa vào phương trình động lượng, cùng với hiệu ứng của sóng mặt. Vận chuyển trầm tích được xem xét trong nhiều lớp, mỗi lớp có các đặc điểm riêng như đường kính hạt, mật độ, vận tốc lắng đọng, ứng suất tới hạn cho quá trình xói mòn. Vận chuyển trầm tích lơ lửng trong cột nước được tính giống thuật toán bình lưu khếch tán và bổ sung thuận toán giải theo chiều thẳng đứng mà không phụ thuộc vào tiêu chuển CFL. Ngoài ra, còn có mô hình lớp biên đáy tính toán tương tác sóng - dòng chảy, làm tăng ứng suất đáy, tạo điều kiện thuận lợi cho vận chuyển trầm tích và làm tăng ma sát đáy, tạo ra tác động ngược trở lại dòng chảy. Năm 2008, Idris Mandang và Tetsuo Yanagi áp dụng mô hình 3D ECOMSED được phát triển bởi HydroQual (2002) vào tính toán vận chuyển trầm tích khu vực cửa sông Mahakam, phía Đông Kalimantan, Indonesia. Mô hình có sử dụng phép xấp xỉ Bousinesq và xấp xỉ thủy tĩnh. Mô phỏng qúa trình vận chuyển trầm tích dựa trên cơ sở giải đồng thời các phương trình bình lưu – khuếch tán – bảo toàn 3 chiều. Năm 2009, M. Radjawane và F. Riandini sử dụng mô hình 3D vào mô phỏng hoàn lưu và vận chuyển bùn cát gắn kết từ 3 cửa sông Angke, Karang và Ancol vào trong vịnh Jakarta, Indonesia. Đánh giá ảnh hưởng của thủy triều, gió và dòng chảy 14
sông đến quá trình lan truyền trầm tích trong vinh. 1.1.2. Các nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến vấn đề thủy động lực và vận chuyển bùn cát bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước. Cho đến nay các vấn đề liên quan đến thủy động lực và vận chuyển trầm tích tại các vùng ven biển Việt Nam đang là mối quan tâm của nhiều nhà khoa học và các cơ quan nghiên cứu. Một số cơ quan nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này như Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, ĐHKHTN-ĐHQGHN, Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Cơ học, Viện Hải dương Học Nha Trang, Viện Tài nguyên và Môi trường biển Hải Phòng, ... Các khu vực xói lở và bồi tụ tiêu biểu có thể kể đến như Cát Hải (Hải Phòng) Văn Lý, Hải Triều, Hải Hậu (Nam Định), Ngư Lộc, Hậu Lộc (Thanh Hóa ), Cảnh Dương (Quảng Bình), Phan Rí, La Gi, Phan Thiết (Bình Thuận), Cần Thạnh (Thành phố Hồ Chí Minh), Gò Công Đông (Tiền Giang), Hồ Tàu, Đông Hải (Trà Vinh), Cửa Tranh Đề (Sóc Trăng), Ngọc Hiển (Bạc Liêu), ... Quá trình vận chuyển trầm tích được nghiên cứu trong Chương trình Biển KT.03 (1991-1995), KHCN.06 (1996-2000), ngoài ra nó cũng được nghiên cứu trong các đề tài độc lập cấp nhà nước và trong chương trình biển giai đoạn 2001-2005. Ngoài ra nhiều đề tài, dự án liên quan đến trầm tích lơ lửng được thực hiện tại các cấp, cùng nhiều công trình nghiên cứu được công bố trong các tạp chí khoa học trong nước. Đinh Văn Ưu (2003 – 2012), nghiên cứu các quá trình thủy động lực, lan truyền vật chất bằng mô hình 3D (MDEC). Trong thời gian này, tác giả đã phát triển và hoàn thiện dần mô hình cho mục đích nghiên cứu thủy động lực, vận chuyển trầm tích và lan truyền chất gây ô nhiễm môi trường. Mô hình sử dụng hệ phương trình bình lưu khuếch tán đầy đủ đối với các tính toán thủy động lực và nồng độ trầm tích lơ lửng và phương trình bảo toàn khối lượng để tính toán sự biến đổi của độ dày lớp đáy lỏng. Một số kỹ thuật tính toán mới đã được phát triển và áp dụng cho phép linh hoạt hơn trong quá trình thiết lập các điều kiện biên có mực nước và lưu lượng biến đổi phức tạp như các cửa sông. Các công trình tiêu biểu có thể kể 15
đến như năm 2003, Các kết quả phát triển và ứng dụng mô hình ba chiều (3D) thuỷ nhiệt động lực biển ven và nước nông ven bờ Quảng Ninh. Năm 2005, Phát triển mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng đối với vùng biển vịnh Hạ Long và khả năng ứng dụng trong việc xây dựng hệ thống mô hình monitoring và dự báo môi trường biển và Ứng dụng mô hình dòng chảy ba chiều (3D) nghiên cứu quá trình lan truyền chất lơ lửng tại vùng biển ven bờ Quảng Ninh. Năm 2006, Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng và biến động trầm tích đáy cho vùng biển Vịnh Hạ Long. Năm 2009, Mô hình vào tính toán vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng. Năm 2012, Tiến tới hoàn thiện mô hình ba chiều (3D) thủy động lực cửa sông ven biển. Năm 2005, Nguyễn Thị Bảy, Mạnh Quỳnh Trang, ứng dụng mô hình 2 chiều tính toán chuyển tải bùn cát dính vùng ven biển dựa vào lời giải hệ phương trình Reynolds, kết hợp với hệ phương trình chuyển tải bùn cát, lấy trung bình theo chiều sâu, có tính đến hàm số nguồn, mô tả tốc độ bốc lên hay lắng xuống của hạt. Mô hình tính được kiểm tra với nghiệm giải tích, và so sánh với số liệu thực đo đối với vùng biển Cần Giờ. Năm 2009, Nguyễn Kỳ Phùng, Đào Khôi Nguyên, đánh giá biến đổi đáy ven bờ biển Rạch Giá do dòng chảy khi xây dựng đảo nhân tạo Hải Âu. Nghiên cứu dựa trên mô hình 2 chiều, có tính đến ứng suất gió bề mặt và ứng suất dáy do dòng chảy. Năm 2010, Nguyễn Thọ Sáo, Nguyễn Minh Huấn, Ngô Chí Tuấn và Đặng Đình Khá phân tích đánh giá biến động trầm tích lơ lửng, trầm tích đáy và diễn biến hình thái khu vực cửa sông Bến Hải và vùng ven bờ Cửa Tùng trên cơ sở số liệu 2 đợt khảo sát do khoa KT-TV-HDH thực hiện 8/2009 và 4/2010 và thu thập của Công ty Tư vấn GTVT (TEDI) năm 2000. Trần Hồng Thái, Lê Vũ Việt Phong, Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Văn Hải ứng dụng mô hình toán 2 chiều RMA2 và SED2D để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trong sông - biển từ những nguồn ô nhiễm khác nhau do Dự án xây dựng Nhà máy nhiệt điện Mông Dương gây 16
nên. Vũ Thanh Ca, áp dụng mô hình 2 chiều tính toán dòng chảy tổng hợp và vận chuyển bùn cát kết dính vùng ven bờ. Vũ Thanh Ca, Nguyễn Quốc Trinh, áp dụng phương pháp tính sóng có năng lượng tương đương vào tính toán vận chuyển bùn cát dọc bờ khi nghiên cứu về nguyên nhân xói lở bờ biển Nam Định. Năm 2011, Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển, Nguyễn Vũ Thắng tính biến động bờ biển khu vực huyện Hải Hậu tỉnh Nam Định dưới tác động đồng thời của sóng và dòng chảy bằng cách chạy đồng thời các mô hình tính dòng chảy và sóng. Các mô hình được sử dụng gồm ADCIRC, CMS-M2D, SWAN và STWWAVE. Phạm Sỹ Hoàn và Lê Đình Mầu áp dụng mô hình ECOMSED tính toán vận chuyển vật chất lơ lửng tại dải ven biển cửa sông Mê Công. Mô hình sử dụng phương trình liên tục, phương trình cân bằng thỷ tĩnh, các phương trình bảo toàn nhiệt-muối, phương trình vận chuyển vật chất, kỹ thuật phân tách dạng dao động do Simons (1974), Madala và Piacsek (1977) phát triển, so đồ MPDATA cho quá trình bình lưu và sơ đồ khép kín rối bậc 2 do Mellor và Yamada đề xuất năm 1982. 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu 2.2.1. Phạm vi nghiên cứu Khu vực nghiên cứu được giới hạn từ 106.7-107.00E và 20.65-21.850N, vùng cửa sông ven biển được bao bọc bởi đảo Cát Bà, Cát Hải, bán đảo Đồ Sơn, Đình Vũ. Trong vùng có 3 cửa sông là cửa Nam Triệu, Lạch Tray và Lạch Huyện. Chế độ thủy thạch động lực học ở đây rất phức tạp do chịu tác động đồng thời của cả sông và biển. Địa hình khu vực khá phức tạp do bị chia cắt mạnh bởi các cửa sông, đảo và bán đảo, vùng ven bờ tồn tại các khu rừng ngậm mặn và lộ bãi khi triều xuống. 2.2.2. Đặc điểm khí tượng, thủy - hải văn 2.2.2.1. Đặc điểm khí hậu-khí hậu Khí hậu khu vực Hải Phòng mang đặc điểm chung của khí hậu nhiệt đới gió 17
mùa và đặc điểm riêng của vùng ven biển có nhiều hải đảo. TP. Hải Phòng có chế độ nhiệt thuộc loại trung bình của dải ven biển Bắc Bộ, lượng bức xạ đạt giá trị lớn nhất trong mùa hè và đạt giá trị nhỏ nhất trong mùa đông, trung bình mỗi năm có khoảng 1.670-1.680 giờ nắng. Chế độ gió khu vực Hải Phòng chịu sự chi phối của chế độ gió mùa Đông Nam Á, tại đây hoàn lưu tín phong của vùng cận chí tuyến bị nhiễu loạn và thay thế bằng một dạng hoàn lưu phát triển theo mùa. a. b. Hình 1.1. Hoa gió trạm Hòn Dáu tháng 1 (a) và tháng 7 (b) Theo số liệu quan trắc tại trạm Hòn Dáu từ 1960-2002 cho thấy, trong các tháng mùa đông (từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau), thời kỳ hoạt động mạnh của gió mùa cực đới khô - lạnh, các hướng gió thịnh hành bao gồm Bắc, Đông Bắc và Đông, với tần suất mỗi hướng tương ứng khoảng 18%, 12% và 36%; gió các hướng còn lại có tần suất nhỏ dưới 6%. Tốc độ gió trung bình các tháng mùa đông đạt 4,5 m/s, cực đại đạt 24 m/s. Trong các tháng mùa hè (từ tháng 5-10), gió chủ yếu có hướng Nam, Đông Nam và Đông, tần suất tương ứng các hướng đạt 15%, 16% và 15%; các hướng gió còn lại có tần suất nhỏ. Tốc độ gió trung bình các tháng mùa hè đạt 5,1 m/s, cực đại đạt 45 m/s trong điều kiện có bão. Hình 1.1 trình bày hoa gió trạm Hòn Dáu tháng 1 và tháng 7. Chế độ nhiệt của Hải Phòng được phân ra hai mùa nóng, mùa lạnh rõ rệt và 18