Tính toán vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển tại vùng lân cận công trình dưới tác động của sóng và dòng chảy

Tính toán vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển tại vùng lân cận công trình dưới tác động của sóng và dòng chảy Dương Công Điển Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS chuyê

Tính toán vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển tại vùng lân cận công trình dưới tác

động của sóng và dòng chảy

Dương Công Điển

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS chuyên ngành: Hải dương học; Mã số: 60 44 97

Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Minh Huấn

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Nghiên cứu phân tích các quá trình động lực (sóng và dòng chảy) tác động đến

quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An Nghiên cứu ứng dụng mô hình SMS (các mô đun CMS-flow và CMS-wave) trong việc tính toán vận chuyển trầm tích khu vực cửa Thuận An dưới tác động của công trình Các thông số của công trình cũng được đưa vào mô hình tính nhằm mục đích mô phỏng được các tác động của nó tới

sự vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển

Keywords: Hải dương học; Biến động đáy; Trầm tích

Content

MỞ ĐẦU

Sự biến động bãi biển trong vùng nước nông ven bờ là kết qủa tác động của các quá trình

tự nhiên như gió, sóng, dòng chảy, sóng thần và biến động của mực nước biển Tuy nhiên sự tác động của con người cũng có ảnh hưởng đáng kể thông qua các công trình nhân tạo như xây dựng

kè, đê chắn sóng, tường đứng ven biển và các quá trình nạo vét luồng cũng như nuôi bãi Do vậy nghiên cứu sự biến động bãi biển trong vùng ven bờ là hết sức cần thiết và quan trọng đối với các công trình ven bờ như: xây dựng cảng, thiết kế luồng tầu và các công trình bảo vệ bờ

Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành các phân tích số liệu thủy động lực học có tác động tới các quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy trong vùng nước nông ven bờ Áp dụng

mô hình số (CMS) tính toán mô phỏng sự biến động bãi biển tại vùng cửa Thuận An sau khi xây dựng công trình kè biển Trong quá trình tính toán kiểm chứng mô hình, Các tham số sóng và dòng chảy được hiệu chỉnh và kiểm chứng kỹ lưỡng Ngoài ra bộ số liệu đo đạc biến động đường

bờ trong khuôn khổ dự án VS\RDE-03 được sử kiểm chứng với các kết quả biến động bãi biển của mô hình

Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, bước đầu các công trình xây dựng kè biển với mục đích bảo vệ, ngăn chặn xói lở bờ biển ở khu vực Hải Dương – Thuận An – Hòa Duân đã có những kết quả nhất định Khu vực bờ biển Hải Dương đã được bảo vệ khỏi các tác động gây xói

lở, khu vực phía nam cửa Thuận An chuyển từ trạng thái xói lở sang bồi tụ Các kết quả tính toán đưa ra được bức tranh khá phù hợp với các kết quả đo đạc thực tế

Để hoàn thành bài luận văn này tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới: Ban giám hiệu trường Đại học Khoa học tự nhiên, Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học, phòng sau đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Viện Cơ học, Viện KH và CN Việt Nam (địa chỉ; 18 Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô Cầu Giấy, Hà Nội), cơ quan nơi tôi công tác đã cử đi đào tạo cũng như tạo điều kiện về mặt thời gian, kinh phí và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập

Ban giám đốc, các đồng nghiệp của Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu Tư vấn Môi trường Biển và dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển VS\RDE-03 góp ý, cung cấp số liệu, tạo điều kiện

đi khảo sát đo đạc tại khu vực cửa biển Thuận An

PGS TS Nguyễn Minh Huấn - người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Khí tượng – Thủy văn và Hải dương Học đã tận tính dạy dỗ và truyền thụ kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây dưới sự phát triển mạnh của nền kinh tế cũng như sự phát triển nhanh của ngành du lịch và dịch vụ, nhiều các công trình ven bờ như đê biển, kè chắn sóng, mỏ hàn được xây dựng với mục đích chỉnh trị nhằm đạt được mục tiêu phục vụ phát triển kinh tế, bảo vệ các vùng dân cư khỏi sự xâm thực từ phía biển

Khu vực cửa biển Thuận An – Thừa Thiên Huế là một trong những cửa ngõ quan trọng của giao thông đường thủy kết nối hầu hết các con sông của tỉnh Thừa Thiên Huế và trong khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai trong đó có cảng Thuận An với Biển Đông Đây cũng là cửa chính tiêu thoát lũ trong mùa mưa và là kênh trao đổi nước giữa đầm phá và biển Thêm vào đó phía bắc cửa là khu dân cư thuộc xã Hải Dương với số lượng dân cư lớn và phía nam cửa là khu

du lịch bãi tắm biển Thuận An Đây là hai khu vực đang có hiện tượng xói lở mạnh gây ra tình trạng nguy hiểm tới đời sống dân cư cũng như phát triển du lịch trong khu vực [3]

Với chủ trương ngăn chặn sự bồi lấp luồng tàu tại Thuận An và bảo vệ bờ hai phía bắc và phía nam, đầu năm 2005 Ủy ban nhân dân Tỉnh Thừa Thiên Huế đã ra quyết định phê duyệt dự

án xây dựng “xử lý khẩn cấp khắc phục xói lở bờ biển Hải Dương và chỉnh trị luồng cảng Thuận

An, tỉnh Thừa Thiên Huế” Giai đoạn 1 xây dựng công trình chống xói lở bờ biển Hải Dương –

Thuận An – Hòa Duân Công trình đã được xây dựng vào đầu năm 2008 và hoàn thành vào cuối năm 2010

Với mục tiêu bảo vệ các vùng bị xói lở, công trình bước đầu đã có một số hiệu quả nhất định Khu vực phía bắc (khu bờ biển xã Hải Dương) có các kè S1, S2 và B bảo vệ cách ly khu vực

bờ khỏi các tác động của sóng và dòng chảy nên quá trình xói lở bờ biển tại đây không còn diễn ra Khu vực phía nam gần cửa (khu bờ biển Thuận An – Hòa Duân) hiện tượng xói lở không còn (đặc biệt là bãi biển phía nam kè) và thay vào đó là quá trình bồi diễn ra mạnh mẽ dưới sự che chắn của các công trình Khu vực phía trong cửa Thuận An, quá trình bồi xói và biến động bãi biển và đường bờ diễn ra phức tạp Khu vực phía nam xa công trình quá trình bồi và xói diễn ra theo mùa dưới tác động của các hướng sóng khác nhau trong gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam

Như vậy kết quả sau khi xây dựng các kè biển trong giai đoạn 1 của dự án đã có các tác động đến các quá trình thủy động lực và kết quả là tác động đến sự tiến triển của đường bờ và bãi biển khu vực cửa Thuận An và vùng lận cận như sau:

- Quá trình sóng và dòng chảy khu vực gần công trình và cửa Thuận An có sự thay đổi

- Các công trình cách ly hoặc ngăn cản dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ, làm thay đổi bức tranh vận chuyển trầm tích

- Với mục tiêu bước đầu là ngăn cản sự xói lở tại các bờ biển Hải Dương – Thuận An – Hòa Duân, Các công trình kè đã phát huy được tính hiệu quả tại các vùng bờ biển lận cận công trình, tuy nhiên chưa giải quyết được sự bồi lấp luồng tàu và xói lở tại các khu vực bờ phía trong cửa

1.2 Mục tiêu nghiên cứu:

Để hiểu rõ quy luật các quá trình vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển, cần có sự nghiên cứu chi tiết về các quá trình động lực gây ra quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An, đặc biệt là các tác động của công trình Có các nghiên cứu định lượng mô phỏng, đưa ra bức tranh vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển, từ đó có các giải pháp khắc phục các yếu điểm trong giai đoạn 1 của công trình cũng như đưa ra hướng giải quyết trong giai đoạn tiếp theo Các mục tiêu chính của nghiên cứu gồm có:

- Nghiên cứu phân tích các quá trình động lực (sóng và dòng chảy) tác động đến quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An

- Nghiên cứu ứng dụng mô hình SMS (các mô đun CMS-flow và CMS-wave) trong việc tính toán vận chuyển trầm tích khu vực cửa Thuận An dưới tác động của công trình

1.3 Giới hạn của nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung nghiên cứu vận chuyển trầm tích tại khu vực của Thuận An, đặc biệt là khu vực lận cận công trình, dưới tác động chủ yếu của hai yếu tố sóng và dòng chảy Các thông số của công trình cũng được đưa vào mô hình tính nhằm mục đích mô phỏng được các tác động của nó tới sự vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển

Do việc sử dụng mô hình hai chiều trung bình theo độ sâu để mô phỏng các quá trình thủy động lực và biến đổi đáy, cho nên các kết quả chỉ mô phỏng được quá trình biến đổi đáy biển, sự biến đổi đường bờ không được mô phỏng ở đây Tuy nhiên các kết quả đo đạc biến động đường bờ vẫn được sử dụng để so sánh sự tương quan giữa kết quả tính biến động đáy biển với

sự biến động của đường bờ

Các kịch bản tính toán sử dụng các kết quả phân tích sóng theo các hướng tác động khác nhau, mỗi hướng tác động tiến hành lấy trung bình các tham số sóng theo một khoảng thời gian Dao động mực nước áp dụng tại biên được lấy bằng sự biến động mực nước trong một chu kỳ triều đặc trưng Lưu lượng trong các sông không được sử dụng trong các nghiên cứu tính toán

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các đặc điểm khu vực nghiên cứu vùng đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và vùng cửa sông lạch triều Thuận An, cho nên phương pháp nghiên cứu được hình thành trên cơ sở:

- Nghiên cứu các tài liệu liên quan tới vùng đầm phá, cửa sông và công trình Dựa vào các thông tin phù hợp với vùng nghiên cứu Dựa trên thông tin, số liệu và các kết quả của các nghiên cứu, công trình khoa học và các đề tài, dự án đã tiến hành tại khu vực Xem xét phân tích các số liệu, văn bản có liên quan

- Thu thập các số liệu cơ bản về địa hình, đường bờ, thông số của công trình, các số liệu về mực nước, chế độ sóng và tính chất trầm tích

- Phân tích số liệu làm cơ sở thiết lập mô hình và xây dựng các kịch bản tính toán

- Xác định mô hình phù hợp với nguồn số liệu và khu vực nghiên cứu

- Thiết lập mô hình dựa trên các số liệu cơ bản, lựa chọn điều kiện trên biên và điều kiện ban đầu

- Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình

- Mô phỏng mô hình theo các kịch bản tính toán

- Phân tích kết quả tính toán

Chương 2 – HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BIỂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU

2.1 Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng, thủy văn khu vực cửa Thuận An

Về đặc điểm tự nhiên: Cửa Thuận An cùng với cửa Tư Hiền là một trong hai cửa biển nối

hệ thống đầm phá Tam Giang – Cầu Hai với Biển Đông Cửa Thuận An là cửa chính nằm ở phía bắc của hệ đầm phá Phía bắc cửa Thuận An là xã Hải Dương và phía nam là thị trấn Thuận An Cửa Thuận An có hình dạng không đối xứng có hệ thống bãi ngầm ở phía ngoài tại vị trí trung tâm của cửa Hệ thống luồng chủ yếu có 2 hướng chính: thứ nhất theo hướng đông bắc và thứ hai

có hướng đông nam, nguyên nhân là do các tác động của các yếu tố thủy động lực có tính chất mùa và không đều nhau [6] Cửa có độ rộng vào khoảng 350m và chiều dài khoảng 600m, chỗ sâu nhất lên đến trên 15m Cửa Thuận An giữ một vai trò điều hòa về sinh thái và môi trường cho đầm phá Tam Giang Trong mùa mưa nó còn đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu thoát lũ

Về kinh tế xã hội đây là cửa biển và là tuyến luồng chính đi vào cảng Thuận An – cảng nằm sâu trong đầm phá – và vào hầu hết các nhánh sông của tỉnh Thừa Thiên Huế Bản đồ khu vực cửa Thuận An và vùng lận cận được mô tả trên hình 1[4]

Về đặc điểm khí tượng: Khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa Hai mùa gió chính đó là mùa gió đông bắc xảy ra vào các tháng 11,

12, 1 và 2 và mùa gió tây nam xảy ra vào các tháng 6, 7, 8 và 9 Ngoài ra khu vực này còn chịu tác động của một số cơn bão nhiệt đới, đặc biệt nhiều cơn bão có cường độ mạnh đi thẳng trực tiếp vào từ biển Đông

Về đặc điểm thủy văn: Đây là khu vực có các đặc điểm về thủy, hải văn phức tạp Về chế

độ thủy văn, cửa Thuận An là nơi tiêu thoát nước của hầu hết các con sông đổ vào đầm phá Tam Giang Trong thời gian mùa lũ (tháng 10 đến tháng 1 năm sau) lưu lượng trong các sông tăng rất cao do địa hình khu vực phía sau là núi rất dốc Cá biệt trong một số năm lượng nước lớn làm vỡ đoạn bờ biển Hòa Duân tạo ra cửa thứ 2 thông ra biển Độ cao mực nước thủy triều tại đây khá nhỏ (biên độ dao động khoảng 0.25m [3]) và là khu vực bán nhật triều đều Chế độ sóng chịu tác động của chế độ gió mùa Các sóng có hướng E và NE chiếm tới trên 90% trong tổng phần trăm của năm

2.2 Hiện trạng xây dựng công trình bảo vệ bờ tại cửa Thuận An

Từ năm 1980, tình hình xói lở ở ven bờ biển tỉnh Thừa Thiên Huế, dọc theo đoạn bờ biển

từ Hải Dương đến Hòa Duân trở thành một vấn đề nguy kịch Xói lở chủ yếu tác động đến bờ biển tại hai vị trí: xã Hải Dương (phía bắc cửa Thuận An) với cường độ xói lở 10m/năm và xã Thuận An – Phú Thuận (phía nam cửa Thuận An) với cường độ xói lở 5-6m/năm Xói lở gây tác hại trầm trọng đến bãi biển du lịch Thuận An, đe dọa sự phát triển du lịch trong khu vực Do vậy đầu năm 2006 Ủy ban nhân dân tỉnh Thừa Thiên Huế đã phê duyệt dự án xây dựng công trình

“xử lý khẩn cấp khắc phục xói lở bờ biển Hải Dương và chỉnh trị luồng cảng Thuận An” Trong giai đoạn 1 xây dựng hai hệ thống kè biển chống xói lở tại bờ phía bắc (xã Hải Dương) và phía nam

(xã Thuận An) Hệ thống kè đã được khởi công xây dựng vào đầu năm 2008 Kết cấu hệ thống

kè tại Thuận An được mô tả trong hình vẽ :

Hình 1 Hệ thống kè biển tại cửa Thuận An

Sau thời gian xây dựng hệ thống kè, hiện tượng xói lở và bồi tụ tại các vùng bờ biển có

sự thay đổi mạnh mẽ Trong thời gian từ tháng 1/2007 đến nay, trong khuôn khổ dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển về phát triển bền vững các vùng ven biển Việt Nam, Viện Cơ học đã tiến hành đo đạc và quan trắc các yếu tố thủy động lực, biến động bãi biển và đường bờ tại khu vực cửa Thuận An Các số liệu đo đạc góp phần quan trọng trong việc đánh giá, hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình tính toán Trong bảng 1 đưa ra thống kê các đợt khảo sát đo đạc tại cửa Thuận An trong thời gian từ tháng 1/2007 đến nay

Chương 3 - MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

Hệ thống mô hình ven bờ là tổ hợp của các mô hình tính toán sóng, dòng chảy, vận chuyển trầm tích và biến động bãi biển trong khu vực ven bờ Hệ thống được xây dựng nhằm áp dụng tính toán trong các luồng tầu và vận chuyển trầm tích tại các cửa sông và biến động của bãi biển Các môdun là một phần trong hệ thông mô hình SMS, được xây dựng và phát triển tính toán với nhiều công cụ hỗ trợ về công nghệ GIS và được triển khai trên hệ thống máy tính cá nhân cũng như hệ máy tính song song [7,8,9,10,11]

3.1 Cơ sở lý thuyết CMS-flow

Phương trình chuyển động

CMS-flow sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải hệ phương trình chuyển động và phương trình liên tục dưới dạng tích phân hai chiều trung bình theo độ sâu Các thành phần vận

tốc được tính theo hai thành phần phương ngang Dưới đây là hệ phương trình được sử dụng trong CMS-flow

h – độ sâu cột nước trong trạng thái tĩnh,

η – độ cao của dao động mực nước,

t – thời gian,

qx – thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương x,

qy – thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương y,

u – thành phần vận tốc theo hướng x,

v – thành phần vận tốc theo hướng y,

g – gia tốc trọng trường,

Dx – hệ số khuyếch tán theo hướng x,

Dy – hệ số khuyếch tán theo hướng y,

f - Tham số Coriolis,

τbx- ứng suất đáy theo phương x,

τby- ứng suất đáy theo phương y,

τwx- ứng suất gió theo phương x,

τwy- ứng suất gió theo phương y,

τSx- ứng suất sóng theo phương x,

τSx- ứng suất sóng theo phương y

Các thành phần vận tốc được tính toán từ thông lượng như sau:

Phương trình tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển:

Trong CMS-flow các hệ phương trình tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển được tính toán theo ba công thức:

- Công thức của Wantanabe (1987), tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng bao gồm: tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy

- Công thức tính vận chuyển trầm tích của Lund-CIRP (Camenen và Larson 2006) Công thức tính lượng trầm tích tổng cộng kết hợp từ công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng và công thức tính vận chuyển trầm tích di đáy

- Tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng dựa theo công thức tính vận chuyển trầm tích

lơ lửng của VanRijn kết hợp công thức tính vận chuyển trầm tích di đáy của Lund-CIRP Trong báo cáo này các tác giả sử dụng công thức tính toán vận chuyển trầm tích của Lund-CIRP

Công thức Lund – CIRP sử dụng trong CMS-flow theo hai phương thức:

Thứ nhất, tính toán lượng vận chuyển tổng cộng dựa vào sự kết hợp của vận chuyển trầm tích

lơ lửng và di đáy Cách thức thứ hai sử dụng phương trình bình lưu khuyếch tán Trong phần tiếp theo nhân tố độ nhám và ma sát đáy áp dụng trong CMS-flow sẽ được giới thiệu, tiếp đó là vận chuyển trầm tích dạng lơ lửng và di đáy

Độ nhám và hệ số ma sát:

Độ nhám của đáy được xem như tổng hợp của ba thành phần, tính chất của trầm tích ksd, hình dạng ksf và kích thước kss (Soulsby 1997) Độ nhám tổng cộng được xem như là tổng của ba thành phần trên:

Hệ số nhám gây ra do tính chất của trầm tích được xác định như sau:

Công thức tính vận chuyển trầm tích đáy

Công thức tính toán vận chuyển trầm tích đáy qb dưới tác động của sóng và dòng chảy được Camenen và Larson (2005) đưa ra như sau:

𝑞𝑏𝑤 (𝑠 − 1)𝑔𝑑503 = 𝑎𝑤 𝜃𝑛𝑒𝑡𝜃𝑐𝑤,𝑚𝑒𝑥𝑝 −𝑏𝜃𝑐𝑟

𝜃𝑐𝑤

𝑞𝑏𝑛 (𝑠−1)𝑔𝑑503 = 𝑎𝑛 𝜃𝑐𝑛𝜃𝑐𝑤 ,𝑚𝑒𝑥𝑝 −𝑏𝜃𝑐𝑟

Trong đó chỉ số w và n tương ứng theo hướng của sóng và hướng vuông góc với hướng truyền sóng, a và b là các hệ số, θcw,m và θcw là các giá trị của tham số Shield trung bình và cực đại dưới tác động đồng thời của sóng và dòng chảy chưa kể đến độ nhám của đáy

Vận chuyển trầm tích lơ lửng:

Công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng qs dựa trên giả thiết sự phân bố nồng độ trầm tích theo hàm mũ dọc theo mặt cắt theo phương thẳng đứng và tốc độ dòng chảy là đồng nhất Công thức của Camenem và Larson (2006) đưa ra như sau:

Phương trình bình lưu khuyếch tán

Vận chuyển trầm tích tổng cộng gồm hai thành phần, vận chuyển trầm tích lơ lửng và vận chuyển trầm tích di đáy Các công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy dựa trên ứng suất trượt tại từng vị trí Tuy nhiên trong một số trường hợp lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng biến đổi mạnh như tại các cửa sông, lạch triều, luồng tàu và tại các chân công trình, khi đó không thể tính vận chuyển trầm tích dựa vào các lực tác động tại chỗ Trong trường hợp này phương trình bình lưu khuyếch tán được sử dụng Trong CMS-flow, phương trình bình lưu khuyếch tán thu được từ tích phân liên tục trung bình theo độ sâu của thành phần vận chuyển trầm tích lơ lửng

𝜕(𝐶𝑑)

𝜕𝑡 +𝜕(𝐶𝑞𝑥 )

𝜕𝑥 +𝜕(𝐶𝑞𝑦 )

𝜕𝑦 = 𝜕𝑥𝜕 𝐾𝑥𝑑𝜕𝐶𝜕𝑥 +𝜕𝑦𝜕 𝐾𝑦𝑑𝜕𝐶𝜕𝑦 + 𝑃 − 𝐷 (12) Trong đó:

C – nồng độ trầm tích trung bình theo độ sâu,

d – độ sâu nước tổng cộng d=h+η,

h – độ sâu mực nước tĩnh,

η – độ cao dao động mực nước,

t – thời gian,

qx – thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục x,

qy – thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục y,

u – tốc độ dòng chảy trung bình theo độ sâu theo hướng x,

v – tốc độ dòng chảy trung bình theo độ sâu theo hướng y,

Kx – hệ số khuyếch tán của trầm tích theo hướng x,

Ky – hệ số khuyếch tán của trầm tích theo hướng y,

Ở đây: qbx – Suất vận chuyển trầm tích di đáy theo hướng trục x,

qby – Suất vận chuyển trầm tích di đáy theo hướng trục y,

chỉ số i và j tương ứng với trục x và y của miền lưới tính Mực nước được tính tại trung tâm ô lưới, các thành phần tốc độ x và y được tính tại trung tâm cạnh phía bên trái và cạnh dưới đáy,

các giá trị thông lượng cũng được tính tại các vị trí giống như các thành phần tốc độ

ξ  )<1 Thông thường ngoài thuỷ triều còn có nhiều tác động khác, các thành phần của dòng chảy có thể được tạo ra do gió, các sóng, và lưu lượng của sông đổ ra Mỗi tác động sẽ sinh ra một tốc độ tương ứng vì vậy số Courant được xác định chính xác hơn bằng:

Δs

Δt ) u u

u (u

với u tide là vận tốc dòng chảy do thủy triều, u wind là tốc độ dòng chảy do tác động của gió u waves

là vận tốc dòng chảy sinh ra do sóng, u tributary là tốc độ dòng chảy do sông đổ ra Trong các vùng

có dòng chảy mạnh, như là tại vùng thuỷ triều dâng, rút mạnh (lạch triều) dòng triều chiếm ưu thế còn trong vùng sóng đổ, dòng chảy sinh ra do sóng có thể mạnh hơn đáng kể so với dòng triều Tại các vùng này thông thường cần chia độ phân giải bước lưới theo không gian nhỏ hơn

Sự kết hợp của các dòng chảy mạnh và các ô lưới nhỏ giới hạn kích thước bước thời gian cho phép

Điều kiện biên:

Mô hình CMS-flow sử dụng sáu loại điều kiện biên, và có thể chỉ ra cụ thể biên tác động và không tác động Nguồn số liệu CMS-flow sử dụng làm điều kiện biên là các số liệu quan trắc đo đạc (do người sử dụng cung cấp dạng các file), số liệu từ các mô hình có miền tính lớn hơn như ADCIR (thông qua các mô đun tự động) và các mô hình khác (dạng các file đầu vào) Các điều kiện biên gồm có

+ Đều kiện biên mực nước cho dưới dạng các sóng triều: trong mô hình CMS-flow có

thể cho phép tính toán với tám sóng triều khác nhau gồm có (M2, S2, N2, K2, K1, O1, M4, và M6)

+ Điều kiện biên mực nước cho dưới dạng chuỗi mực nước theo thời gian: loại điều kiện

này được cho bằng file các giá trị mực nước

+ Điều kiện biên mực nước và tốc độ dòng chảy theo thời gian: loại điều kiện biên này áp

đặt các giá trị mực nước và tốc độ dòng chảy theo thời gian tại các ô lưới trên biên

+ Điều kiện biên lưu lượng theo thời gian: theo cách này, tại các ô trên biên sẽ được gán

giá trị lưu lượng

+ Điều kiện biên phản xạ, không thấm: loại biên này thường gặp tại nơi giao nhau giữa

đất và nước được coi như mặt tường Tại các ô lưới biên kiểu này, nước chỉ có thể chảy theo hướng song song với mặt tiếp giáp đất và nước mà không thấm qua nó

+ Điều kiện biên thích ứng theo trường sóng và trường tốc độ: điều kiện bên này cho

phép tính đến các hiệu ứng của trường sóng đến mực nước ở vùng sát bờ (các hiệu ứng nước dâng, nước rút do sự biến đổi của thành phần ứng suất bức xạ sóng vuông góc với bờ) Đây được coi là một điểm mới đối với các mô hình tính toán dòng chảy khu vực sát bờ

+Tính toán khô ướt: Trong CMS-flow đã sử dụng các kỹ thuật khác nhau để mô phỏng

hiện tượng khô ướt như phương trình bar cát, đập nước (Reid và Bodine 1968) và các bài toán biên di động (Yeh và Chou 1978)

Mỗi ô ướt sẽ được kiểm tra sau mỗi bước tính xem nó có trở thành khô không sau khi tính được các giá trị mực nước và tốc độ của bước tính đó cho toàn bộ lưới tính Chỉ tiêu để ô tính nà trở thành khô là:

cr j i, j i, j

Với D,j là độ sâu nước tổng cộng, D cr là độ sâu nước mà dưới đó các ô được coi là khô và

ngược lại mỗi ô khô sẽ được kiểm tra sau mỗi bước tính xem nó có trở thành ướt không khi độ sâu nước tổng cộng vượt quá D cr và nước chuyển động về phía ô khô

3.2 Cơ sở lý thuyết CMS-wave

Mô hình CMS-wave là mô hình tính toán lan truyền phổ sóng dựa trên việc giải phương trình cân bằng tác động sóng dạng ổn định trên lưới không đồng nhất trong hệ tọa độ Đề các Mô hình có khả năng tính toán quá trình phát triển và lan truyền sóng do gió, hiệu ứng khúc xạ, phản

xạ, mất mát năng lượng do ma sát đáy, sóng bạc đầu và sóng đổ Ngoài ra các quá trình tương tác giữa các sóng, sóng với dòng chảy, sóng leo, nước dâng do sóng và sóng truyền qua các công trình cũng được tính toán

Công thức sử dụng theo Mase 2001 như sau:

Là mật độ tác động sóng, E(σ,θ) là năng lượng sóng, σ tần số sóng, θ hướng sóng

Và

σ2

= gktanh(kh)

Trong đó 𝑘 𝑈 được gọi là thành phần Doppler-shifting

Sự khác biệt chính khi tính toán sự truyền sóng khi có và không có mặt dòng chảy chính

là tìm ra tần số thực sự của sóng Xem xét sự phân tán của thành phần Doppler-shifting cho thấy rằng sẽ không giải được khi các sóng bị chặn hoàn toàn bởi dòng chảy, theo Smith 1998, Larson

và Kraus 2002, nếu tốc độ nhóm sóng Cg nhỏ hơn dòng chảy ngược hướng sẽ là

Như vậy sóng không thể tiếp tục truyền khi bị dòng chảy đủ mạnh ngược hướng chặn lại Khi đó hầu hết năng lượng sẽ bị mất đi do sóng đổ, một phần nhỏ bị phản xạ hoặc chuyển xuống các sóng có tần số nhỏ hơn Trong CMS-wave khi sóng bị chặn, khi đó mật độ tác động sóng được coi bằng 0

3.3 Kết nối giữa CMS-flow và CMS-wave

Để giải quyết đồng thời các yếu tố động lực sóng, dòng chảy, và mực nước, mô hình flow có thể kết nối với mô hình tính sóng CMS-wave Việc kết kết nối được thực hiện thông qua

CMS-mô đun điều khiển trong hệ thống SMS Nhờ khả năng kết nối này mà hai CMS-mô hình có thể trao đổi các dữ liệu cho nhau Trong khi kết nối, hai mô hình được đặt trên hai hệ trục toạ độ khác nhau hoặc trùng nhau trong miền tính phụ thuộc vào sự định hướng của đường bờ với hệ trục toạ

độ Hệ thống SMS tự động tính toán các phép quay cần thiết của các hệ trục toạ độ khi trao đổi các trường kết quả tính giữa hai mô hình Thông qua mô đun điều khiển, có sáu cách lựa chọn tương tác cho việc kết nối giữa hai mô hình như sau:

+ Trao đổi một chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình

CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow

+ Trao đổi một chiều: Dòng chảy từ mô hình flow cung cấp cho mô hình

CMS-wave

+ Trao đổi một chiều: Độ sâu tổng cộng và dòng chảy từ mô hình CMS-flow cung cấp

cho mô hình CMS-wave

+ Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và tham số sóng từ mô hình

CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và dòng chảy, mực nước từ mô hình CMS-flow cung cấp cho mô hình CMS-wave

+ Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình

CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và độ sâu tổng cộng từ mô hình CMS-flow cung cấp cho

mô hình CMS-wave

+ Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình

CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và độ sâu tổng cộng và dòng chảy từ mô hình CMS-flow cung cấp cho mô hình CMS-wave Đây là dạng trao đổi hai chiều đầy đủ nhất và chúng tôi đã sử dụng dạng này để tính toán

3.4 Thiết lập lưới tính, điều kiện biên, điều kiện ban đầu

Để phục vụ trong việc thiết lập và chia lưới tính toán sóng, dòng chảy và biến đổi đáy các

số liệu về địa hình và đường bờ được sử dụng Về địa hình, số liệu địa hình trên toàn vùng Biển Đông tỉ lệ 1/100.000 (bản đồ địa hình Hải quân Việt Nam), bản đồ địa hình chi tiết đo đạc các vùng cửa sông ven bờ 1/25.000, 1/5.000 (dự án đo đạc thiết kế công trình ) năm 1999 cập nhật năm 2001, 2005 và số liệu đo sâu hồi âm năm 2007 (dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển VS\RDE-03) Số liệu đường bờ được sử dụng làm ranh giới biên đất và biển, các số liệu được số hóa từ ảnh vệ tinh Landsat 2005 và chi tiết tại khu vực cửa Thuận An từ số liệu đo đạc bằng GPS năm 2007

3.4.1 Lưới tính CMS-wave

CMS-wave có thể tính toán trên các dạng lưới vuông và chữ nhật Trong nghiên cứu này tác giả tính toán CMS-wave trên lưới chữ nhật Khu vực chia lưới gồm cửa Thuận An và vùng lận cận (xem trong hình 5) Vùng tính có kích thước 15.000m (300 ô lưới) theo hướng song song với đường bờ, 12000m (480 ô lưới) theo hướng vuông góc với bờ Mỗi ô lưới có kích thước là 25m x 50m tương ứng với các hướng ngang bờ và dọc bờ Với kích thước ô lưới này đáp ứng đủ điều kiện có thể tính toán được ứng suất bức xạ sóng trong vùng sóng đổ Vùng tính được xoay một góc 240 độ so với trục hướng bắc sao cho biên sóng nước sâu tương đối song song với các đường đẳng sâu Ô lưới có độ sâu lớn nhất xấp xỉ 30m Phần phía trong miền tính bao phủ một phần của phá Tam Giang và sông Hương

3.4.2 Lưới tính CMS-flow

CMS-flow tính toán trên lưới chữ nhật, trên lưới chữ nhật này kích thước các ô lưới có thể linh động thay đổi với các kích thước khác nhau Để tăng hiệu quả trong việc tính toán cũng như tiết kiệm thời gian tính toán tác giả sử dụng lưới tính chữ nhật không đều Để đảm bảo tính thông nhất, trao đổi qua lại giữa hai mô hình sóng (CMS-wave) và dòng chảy, biến động đáy biển (CMS-flow), hai mô hình sử dụng kích thước vùng tính giồng nhau và tránh những sai số trong quá trình nội suy kích thước ô lưới tại khu vực cửa sông, vùng lận cận công trình được lấy

có kích thước tương đối giống nhau Trong đó kích thước ô lưới nhỏ nhất tại điểm trung tâm là vùng cửa sông gần chân công trình là 25m x 25m Các ô lưới ở phạm vi phía ngoài được lấy kích thước tăng theo hệ số bias 1.01, ô lưới có kích thước lớn nhất là 100m x 100m Lưới tính CMS-flow được mô tả như trong hình 6, chi tiết tại khu vực cửa Thuận An như trong hình 7

Hình 2 Lưới tính CMS-flow với biên mực nước và vị trí các kè biển

3.4.3 Thông số của công trình kè biển sử dụng trong tính toán

Các thông số của hệ thống kè biển nêu trên phần trước được sử dụng trong miền tính bao gồm kè biển dạng đê chắn sóng bờ phía bắc và kè mỏ hàn tại bờ phía nam

Tại bờ phía bắc cửa Thuận An: Các kè biển dạng đê chắn sóng kiên cố bao gồm hai kè sếp thành tam giác cân tạo thành hệ thống khép kín ngăn cách hoàn toàn khu bờ biển bên trong với biển phía ngoài Do vậy mọi tác động của các yếu tố động lực lên vùng bờ biển khu vực bên trong là không còn Do không có sự trao đổi nước với bên ngoài, cho nên trong tính toán các kè được cho là biên cứng và vùng phía trong được coi là biên cứng – không tính toán các yếu tố thủy động lực cũng như biến đổi đáy tại khu vực này

Tại bờ phía nam cửa Thuận An: Kè biển được thiết kế dạng mỏ hàn, xây dựng theo hướng vuông góc với đường bờ Trong tính toán các ô lưới dọc theo vị trí xây dựng kè được thiết lập là dạng công trình Với thiết lập như vậy kè có tính năng ngăn dòng chảy dọc bờ truyền qua thân kè cũng như ngăn sóng truyền qua, cho phép sóng phản xạ trên thân và nhiễu xạ tại đầu kè Chi tiết thiết lập các kè trong miền tính xem hình vẽ 8

3.4.4 Điều kiện biên

Trong mọi tính toán với mô hình số, các điều kiện cho trên biên quyết định tới độ chính xác của kết quả tính Các số liệu cho trên biên cần có độ chính xác cao và được lựa chọn một cách hợp lý sao cho có hiệu quả cao nhất Các vị trí được xác định để cho điều kiện biên phụ