Triển khai ứng dụng mô hình ecomsed tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển hải phòng

Triển khai ứng dụng mô hình Ecomsed tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng Abstract: Nghiên cứu hình thái địa hình độ sâu địa hình, khí tượng nhiệt,

Triển khai ứng dụng mô hình Ecomsed tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông

ven biển Hải Phòng

Abstract: Nghiên cứu hình thái địa hình (độ sâu địa hình), khí tượng (nhiệt, bức xạ, mưa,

gió), thủy hải văn (lưu lượng sông, thủy triều, dòng chảy, sóng), hiện trạng môi trường trầm tích trong khu vực Mô hình Ecomsed đối với bài toán mô phỏng lan truyền trầm tích lơ lửng (TSS) Tính toán lan truyền trầm tích lơ lửng TSS khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng: kết quả tính toán, phân tích trường thủy lực và lan truyền trầm tích lơ lửng

cửa sông ven biển Hải Phòng

Keywords: Hải dương học; Trầm tích; Hải Phòng

Content

MỞ ĐẦU

Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng là một trong những khu vực thuộc vùng trọng điểm phát triển kinh tế phía Bắc, có cảng biển lớn Hải Phòng và nằm cạnh các khu vực có nhu cầu bảo vệ môi trường rất cấp bách như Khu di sản thiên nhiên Thế giới - vịnh Hạ Long; Khu dự trữ sinh quyển Cát Bà, khu du lịch biển Đồ Sơn Bởi vậy mà bất cứ tương tác nào xảy ra trong phạm vi này đều có thể gây ảnh hưởng ở mức Quốc gia và Quốc tế đối với nội tại khu vực cũng như các khu vực kế cạnh Bên cạnh đó, vấn đề trên còn nảy sinh và làm liên quan đến các quá trình hoạt động dân sinh - kinh tế của các tỉnh trên lưu vực hệ thống sông Thái Bình và sông Hồng

Do đặc tính nằm ở vùng hạ lưu của hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có mạng lưới sông ngòi dày đặc với mật độ khoảng 0,6-0,8 km/km2

Trong đó có các cửa sông chính đổ ra biển là cửa Lạch Huyện, Nam Triệu, Cấm, Lạch Tray, Văn

Úc và Thái Bình Cùng với vị trí địa lý thuận lợi, các sông ở khu vực này góp phần quan trọng trong việc phát triển một số ngành kinh tế như giao thông - vận tải, nuôi trồng khai thác thuỷ hải sản cũng như sự phát triển kinh tế xã hội của thành phố Hải Phòng Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng cũng có một vị trí quan trọng về sinh thái và môi trường đối với hệ thống ven bờ phía bắc với các hệ sinh thái đặc thù như vùng triều cửa sông, rừng ngập mặn, thảm cỏ biển .v.v Tuy nhiên, trong những năm gần đây do sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế xã hội ở nước ta nói chung và thành phố Hải Phòng nói riêng đã làm gia tăng lượng chất gây ô nhiễm (một phần từ nơi khác theo nước của các sông từ thượng nguồn đưa về, một phần do chính các hoạt động kinh

tế - xã hội ở tại địa phương) đưa vào khu vực cửa sông ven biển của Hải Phòng biến khu vực này trở thành nơi tập trung một lượng khá lớn các chất gây ô nhiễm, gây ô nhiễm và vẩn đục môi trường nước Ngoài ra, việc nạo vét luồng tàu vào cảng Hải Phòng diễn ra hằng năm cũng làm cho các chất gây ô nhiễm tích tụ theo thời gian trong trầm tích có điều kiện phát tán trở lại môi trường nước Các chất gây ô nhiễm này đã gây ra những ảnh hưởng lớn đến môi trường nước ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng Sự ảnh hưởng tiêu cực đó được đưa ra qua các kết quả điều tra nghiên cứu gần đây, cho thấy môi trường nước ở khu vực này đã có dấu hiệu ô nhiễm

nghiêm trọng với một số biểu hiện như: hàm lượng các chất lơ lửng gây vẩn đục cao, chất dinh dưỡng trong nước tăng; lượng ôxy hoà tan trong nước ở một số nơi khá thấp, xuất hiện một số độc tố trong cơ thể sinh vật với hàm lượng cao v.v Sự ô nhiễm môi trường ở khu vực này

không chỉ tác động lớn đến các hệ sinh thái, làm suy giảm sự đa dạng và trữ lượng của nguồn lợi thuỷ sản ở khu vực cửa sông ven biển, giảm sức hấp dẫn của các khu du lịch (Đồ Sơn, Cát Bà), ảnh hưỏng đến sức khoẻ của con người mà còn gián tiếp ảnh hưởng tới sự phát triển kinh tế - xã hội của thành phố

Để tìm hiểu cơ chế và đề xuất các phương hướng khắc phục, nhằm ổn định môi trường nước một cách bền vững, đã có nhiều đề tài nghiên cứu được tiến hành liên quan đến môi trường

nước của khu vực Điển hình như các đề tài “Đánh giá mức độ ô nhiễm do nguồn thải lục địa, đề xuất giải pháp kiểm soát, quản lý ô nhiễm vùng biển ven bờ phía bắc” năm 2001 [3]; đề tài:

“Điều tra hiện trạng môi trường sông Rế, sông Giá và đề xuất các giải pháp bảo vệ” năm 2003 [4]; đề tài: “Điều tra, đánh giá tình trạng ô nhiễm và suy thoái môi trường khu vực cửa sông Cấm - Bạch Đằng và đề xuất các giải pháp bảo vệ”, Trần Đức Thạnh và cộng sự thực hiện năm

2006 [5] Tuy nhiên, việc đánh giá các quá trình lan truyền chất gây ô nhiễm cho toàn bộ khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng vẫn còn rất hạn chế Bởi trong phạm vi nghiên cứu nhỏ ở một vùng cửa sông (phần lớn ở cửa sông Bạch Đằng), số lượng mẫu thu thập tại nhiều điểm song chỉ lấy tức thời, không thể hiện được sự mô phỏng và biến đổi hàm lượng của chất ô nhiễm do dòng chảy sông đưa ra, do dao động mực nước Do vậy rất cần thiết phải có đánh giá toàn diện và đồng bộ các nguồn, số lượng các chất gây ô nhiễm như trầm tích lơ lửng, hữu cơ, dinh dưỡng đi

vào các cửa sông chính ở Hải Phòng trước khi ra biển (gồm nguồn từ thượng nguồn và từ các nguồn thải bên bờ sông) Đồng thời, xem xét đánh giá sự lan truyền các quá trình biến đổi của chúng trong nước vùng cửa sông ven biển Hải Phòng để mô phỏng các quá trình biến đổi,

chuyển hoá, vận chuyển và lan truyền vật chất trong đó có các chất gây ô nhiễm như: “Ứng dụng

mô hình 3 chiều để nghiên cứu lan truyền trầm tích lơ lửng ở vùng biển ven bờ Quảng Ninh” Đinh Văn Ưu và nnk năm 2005 [8]; “Nghiên cứu quá trình động lực học, dự báo vận chuyển bồi lắng bùn cát tại Lạch Huyện Nam Đồ Sơn trước và sau khi xây dựng cảng nước sâu và giải pháp khắc phục” Nguyễn Văn Cư và nnk năm 2008 [2]; Vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng”, Đinh Văn Ưu năm 2009 [7]; “Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững khu vực Vịnh Hạ Long - Vịnh Bái Tử Long”, Trần Đức Thạnh [6]

Nhờ đó mà các kết quả mô phỏng cũng như các kịch bản dự báo nói trên về diễn biến lan truyền các chất gây ô nhiễm và ảnh hưởng của chúng tới môi trường nước sẽ đạt độ chính xác cao hơn; là nguồn thông tin tham khảo bổ ích cho các nhà chuyên môn, giúp các nhà quản lý hoạch định chính sách trong việc quản lý nguồn gây ô nhiễm, hạn chế tác động của chúng đến môi trường sinh thái vùng cửa sông ven biển Hải Phòng vì các mục tiêu phát triển bền vững

Trước thực trạng đó, trong khuôn khổ của một Luận văn Thạc sĩ, học viên được Thầy

hướng dẫn giao thực hiện đề tài mang tên: Triển khai ứng dụng mô hình Ecomsed tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng với mục tiêu: đánh giá được lan

truyền trầm tích lơ lửng ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng Qua đó, học viên xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn - TS Nguyễn Thọ Sáo, cùng các thầy cô trong khoa Khí Tượng Thủy văn Hải dương học và Viện Tài nguyên và Môi trường biển - cơ quan nơi học viên công tác, đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho học viên hoàn thành đúng nhiệm vụ của bản thân trong suốt khóa học Thạc sĩ

Nội dung chinh của Luận văn được trình bày theo bố cục sau:

Phần mở đầu: Sơ lược về nội dung, phương pháp nghiên cứu và mục tiêu

Chương 1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: cách thức tiếp cận và lựa chọn phương pháp; tình hình nghiên cứu trong nước, ngoài nước

Chương 2 Tổng quan điều kiện tự nhiên trong khu vực nghiên cứu: hình thái địa

hình (độ sâu địa hình), khí tượng (nhiệt, bức xạ, mưa, gió), thủy hải văn (lưu lượng sông, thủy triều, dòng chảy, sóng), hiện trạng môi trường trầm tích trong khu vực nghiên cứu

Chương 3 Mô hình Ecomsed đối với bài toán mô phỏng lan truyền trầm tích lơ lửng: tổng quan về mô hình Ecomsed; cơ sở toán học của mô hình(thủy lực, sóng,

trầm tích); cách thức triển khai và hiệu chỉnh mô hình tính toán, mô phỏng trầm tích

1.1 Đối tượng và mục tiêu

Đặc điểm lan truyền các chất ô nhiễm khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng liên quan chặt chẽ đến chế độ thủy động lực, và hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước Tìm hiểu liên quan đến vấn đề trên, trong khuôn khổ của một báo cáo Luận văn Thạc sĩ, học viên lựa chọn đối tượng: trầm tich lơ lửng cho nghiên cứu của mình với sự tác động của các điều kiện thủy động lực khu vực với hai mục tiêu chính như sau:

- Hiểu được phương pháp ứng dụng mô hình Ecomsed trong việc tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng

- Mô phỏng quá trính vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng

1.2 Tiếp cận và lựa chọn phương pháp

Phương pháp tiếp cận hệ thống coi khu vực nghiên cứu như một hệ thống tương đối độc lập, có dòng vật chất vào, dòng ra và dòng tích tụ Đối với khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng, dòng vào xuất phát từ mặt cắt (biên) phía trong cửa sông, các điểm nguồn thải dọc bờ sông, còn dòng ra là phía cửa sông tiếp giáp với biển (biên phía ngoài) Các quá trình trao đổi chuyển hoá của chất gây ô nhiễm có thể diển ra ở trong khu vực hoặc trên biên và chịu tác động chi phối của các yếu tố động lực (sóng, dòng chảy sông, thuỷ triều), các yếu tố môi trường (nhiệt

độ, độ mặn) và các yếu tố khác Trong Luận văn: việc mô hình hóa các quá trình thuỷ động lực, lan truyền chất ô nhiễm dựa trên cơ sở áp dụng mô hình ECOMSED kết hợp với phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: địa hình, đường bờ, khí hậu, khí tượng thủy văn, nguồn thải v.v; phương pháp điều tra khảo sát; phân tích mẫu tại hiện trường và phòng thí nghiệm phục vụ thiết lập và chạy mô hình thủy động lực, lan truyền trầm tích lơ lửng hiện trạng (mùa mưa, khô năm 2009) khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng, tiến tới tiến hành đánh giá lượng chất gây ô nhiễm trầm tích lơ lửng vào môi trường nước của khu vực nghiên cứu

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi khu vực nghiên cứu là toàn bộ vùng cửa sông ven biển Hải Phòng gồm các sông chính đổ ra biển như Thái Bình, Văn Úc, Lạch Tray, Cấm và Bạch Đằng, vùng biển ven bờ phía ngoài các cửa sông đó Các nguồn ô nhiễm vào vùng ven biển sẽ được xác định qua các kết quả khảo sát 2 mùa trên các mặt cắt gần các cửa sông và các điểm nguồn thải Vùng tính toán của đề tài cũng được mở rộng đến khu vực phía đông và đông nam quần đảo Cát Bà Trong đó chủ yếu tập trung phân tích kết quả lan truyền trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông Bạch Đằng, khu vực cửa Lạch Tray, ảnh hưởng đến khu vực Đồ Sơn, Cát Hải và đảo Cát Bà

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Ngoài nước: Dựa trên những nghiên cứu lý thuyết về trầm tích đáng kể như các công

trình của H.A Einstein (1950), Krone và Partheniades (1962, 1968), E.W BijJker (1967, 1971), Leo C Van Rijn (1993), J.W Vander Meer (1990), Richard Soulsby (1997) đã được khái quát

hóa mang tính phương pháp luận, viết thành cẩm nang sử dụng như: Động lực gần bờ và các quá trình bờ - Lý thuyết, đo đạc và các mô hình dự báo của Horikawa K., 1978, Động lực cát biển: Sách hướng dẫn cho các ứng dụng thực tiễn, các nguyên lý vận chuyển trầm tích trong sông, cửa sông hình phễu và biển ven bờ của Richard S., 1997, hay Các nguyên lý vận chuyển trầm tích ở sông, cửa sông và ven biển của Leo C Van Rijn, 1993 Ngày nay, vấn đề trên còn được giải

quyêt trên phương diện mô hình Sự phát triển mô hình một chiều - nghiêng nhiều về tính lý thuyết Trong khi đó, sự phát triển của mô hình hai chiều - thường được lấy trung bình theo độ sâu khi giải quyết các vấn đề trong hệ thống thủy động lực, có lợi thế cho kiểu phân tích các kiểu hoàn lưu phức tạp và dòng chảy không ổn định Mô phỏng tốt phải nhắc tới một số mô hình sau:

mô hình Delft3D phát triển bởi Viện Thủy lực Delft; mô hình SED2, CH3D-SED (Chapman,

1996); (Resource Management Associates); mô hình mã nguồn mở đại dương POM (Princeton Ocean Model) và mô hình ROMS (Regional Ocean Modeling System); mô hình mã nguồn mở COHERENS (Coupled Hydrodynamical Ecological model for Regional Shelf) bao gồm thủy

động lực và sinh thái (dòng chảy, nhiệt độ, độ muối, sinh vật phù du, quá trình sinh địa hóa, trầm tích lơ lửng và phát tán vật chất theo công thức của Eulerian và Lagrangian cho vùng thềm lục địa, được phát triển bởi Luyten P (1996, 1999); mô hình ECOMSED tính toán vận chuyển

trầm tích (HydroQual, 2003); mô hình IPX-MT (In-Place Pollutant Export-Modified Transport),

mô hình SEDZL (Sediment / Contaminant Transport Model, EPA)

Trong nước:

Đối với khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng, các nghiên cứu liên quan đến vận chuyển, lan truyền trầm tích cho kết quả khá tốt bao gồm: Mô phỏng quá trình vận chuyển và phân bố trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3D (Đỗ Đình Chiến,

2005); Đánh giá khả năng tích tụ và phân tán các chất ô nhiễm vùng cửa sông ven biển Việt Nam (Cao Thu Trang, 2007); Nạo vét ở cảng Hải Phòng và một số ảnh hưởng của nó đến môi trường

và hệ sinh thái biển (Bùi Văn Vượng và nnk, 2007); Đánh giá tình trạng ô nhiễm và suy thoái môi trường khu vực cửa sông Cấm - Bạch Đằng và đề xuất các giải pháp bảo vệ (Trần Đức Thạnh 2008); Đánh giá sức tải môi trường đảo Cát Bà và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững (Cao Thu Trang, 2009); Thử nghiệm đánh giá sức tải môi trường của sông Bạch Đằng và

đề xuất các giải pháp bảo vệ môi trường, phát triển bền vững (Cao Thu Trang, 2009); Mô hình vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng (Đinh Văn Ưu 2009); Đánh giá lan truyền các chất gây ô nhiễm khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng bằng mô hình toán học (Đỗ Trọng Bình, 2010), Hiện trạng môi trường và xác định các vấn đề ưu tiên phục vụ quản lý tổng hợp vùng bờ biển Hải Phòng (Trần Đình Lân, 2010); Đánh giá tác động thủy thạch - động lực của hệ thống đê quai lấn biển phục vụ xây dựng Sân bay quốc

tế tại khu vực ven bờ Tiên Lãng (Nguyễn Đức Cự 2011)

Tuy nhiên, thể hiện rõ được mối tương quan giữa các yếu tố động lực với quá trình vận chuyển trầm tích phải kể đến các nghiên cứu: Nghiên cứu về thủy động lực, vận chuyển trầm tích, biến dạng bờ và xói lở bờ đảo Cát Hải (Trần Đức Thạnh, 1998); Nghiên cứu điều kiện địa chất- thủy động lực- vận chuyển trầm tích xác định nguyên nhân đục nước ở bãi biển Đồ Sơn (Nguyễn Văn Cư, 1995); Vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng (Đinh Văn Ưu, 2009); Nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE21 để đánh giá điều kiện động lực, dự báo vận chuyển trầm tích khu vực cửa Văn Úc và Lạch Huyện (Nguyễn Văn Cư, 2010) Bởi vậy, ngày nay với hệ thống máy tính tính toán song song hiệu năng cao, việc áp dụng

và phát triển các mô hình mã nguồn mở ngày càng trở lên thân thiện và đem lại kết quả hữu hiệu, ngay cả trong sử dụng cũng như chia sẻ số liệu Việc áp dụng và tiếp cận phải kể đến các mô hình nổi tiếng như mô hình POM, ROMS và mô hình ECOMSED

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU

2.1 Đặc điểm hình thái địa hình

Khu vực nghiên cứu nằm trong khoảng tọa độ 20030’39”-21001’15” độ vĩ bắc và

106023’39”-107008’39” độ kinh đông thuộc vùng biển ven bờ tây vịnh Bắc Bộ, phía đông bắc Việt Nam thuộc thành phố Hải Phòng, nằm ở rìa Đông Bắc của châu thổ sông Hồng Địa hình vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có độ sâu không lớn, độ dốc nhỏ Bề mặt đáy biển được cấu tạo bởi các thành phần hạt mịn, có nhiều lạch sâu vốn là những lòng sông cũ nay dùng làm luồng lạch ra vào của tàu thuyền (Trần Đức Thạnh, 2001)

Đối với hình thái địa hình ven bờ: thì trường độ sâu ven bờ là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các điều kiện thủy động lực khu vực Trong Luận văn, học viên đã số hóa số liệu độ sâu và đường bờ của khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng từ các từ các bản đồ địa hình UTM VN 2000 tỷ lệ 1:50000 và 1:25 000 do Cục Đo đạc Bản đồ xuấtt bản năm 2005 và

bổ xung thêm một số số liệu độ sâu đo đạc trong những năm gần đây Đối với hình thái địa hình hướng ra biển phía ngoài, sử dụng cơ sở dữ liệu Etopo (Noaa-National Oceanic and Atmospheric Administration) và số liệu địa hình với độ phân dải 0.5 phút Gebco-1/8 (General Bathymetric Chart of the Ocean) cung cấp bởi Trung tâm tư liệu Hải dương học Vương quốc Anh (British Oceanographic Data Centre-BODC) được xử lý từ ảnh vệ tinh kết hợp với các số liệu đo sâu

2.2 Đặc điểm khí hậu, khí tƣợng

2.2.1 Nhiệt độ không khí

Chế độ nhiệt trong vùng nghiên cứu chịu ảnh hưởng rõ rệt của hai hệ thống gió mùa: gió mùa đông bắc khô lạnh, gió mùa tây nam nóng ẩm Nhiệt độ không khí trung bình năm dao động trong khoảng 22,5-23,5oC Mùa hạ nóng, nền nhiệt độ trung bình đạt trên 25oC kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9, nhiệt độ cao nhất có thể đạt 35o

C-40oC, thường xuất hiện vào tháng 7 Mùa đông lạnh, nền nhiệt độ hạ xuống dưới 20oC kéo dài từ tháng 11 năm trước đến tháng 3 năm sau Trong mùa đông, khu vực này chịu ảnh hưởng của các đợt gió mùa đông bắc, nhiệt độ trung bình 18-20oC, nhiệt độ thấp nhất có thể xuống dưới 10oC

2.2.4 Chế độ gió

Đối với Hải phòng, ngoài 2 hướng gió chính là Đông Nam 18,33% và Đông Bắc 12,70% thì một vài hướng gió khác cũng xuất hiện với tần xuất đáng kể như gió Nam 12,59% và gió

Đông 9,09% Điều này có thể giải thích được do Hải phòng là thành phố ven biển nên thường xuyên có gió Đất-Biển Gió biển thổi vào đất liền từ 9-10 giờ đến 20-24 giờ, sau nửa đêm gió thổi từ đất liền ra biển Chính các hệ thống gió Biển - Đất này là nguyên nhân dẫn đến sự phân tán các hướng gió ở Hải Phòng hơn so với các thành phố khác Đây là sự khác biệt rõ nét giữa chế độ gió vùng ven biển nói chung và Hải phòng nói riêng Một mặt khác do cạnh biển nên tốc

độ gió ở Hải phòng cũng lớn hơn, đặc biệt là gió Đông Nam Mùa đông (T11 đến T3 năm sau) khu vực chịu ảnh hưởng chủ yếu của khối không khí cực đới biến tính được hình thành từ vùng Siberia (Nga) tràn về phía nam Hướng gió thịnh hành là đông bắc, bắc và đông, các hướng khác chiếm tần suất rất nhỏ Vận tốc gió trung bình đạt 3,2-3,7 m/s Hàng tháng trung bình có 3-4 đợt gió mùa đông bắc, kéo dài từ 5-7 ngày, gây ra mưa nhỏ, vận tốc gió những ngày đầu đạt đến cấp 5-6 (tương đương 8-13 m/s), vận tốc gió lớn nhất ở các đảo có thể đạt tới 25-30 m/s, sau đó giảm dần Mùa hè (tháng 5 đến tháng 9), khu vực nghiên cứu chịu ảnh hưởng của các luồng không khí nóng và ẩm từ phía tây và nam tràn qua Hướng gió thịnh hành chủ yếu là đông, đông nam và nam

2.3 Đặc điểm thủy văn sông

Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng chịu tác động trực tiếp từ nguồn cung cấp nước và trầm tích của 5 sông chính (Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình) nằm ở phần hạ lưu cuối cùng trước khi đổ ra biển của hệ thống sông Thái Bình Nhìn chung các sông có hướng chảy chủ yếu là Tây Bắc-Đông Nam, độ uốn khúc lớn, bãi sông rộng, phù sa bồi đắp ngày càng nhiều, nhất là ở vùng cửa sông, vài đoạn hình thành các doi bãi hay cồn cát Các sông lớn có cửa trực tiếp đổ ra biển vừa chịu ảnh hưởng của chế độ dòng chảy thượng nguồn, vừa chịu ảnh hưởng của chế độ thủy triều vịnh của khu vực Càng gần cửa sông, lòng sông càng mở rộng, hai

bờ được bồi đắp nhiều Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, một số vùng cửa sông lắng đọng phù

sa có chiều hướng bị thu hẹp, gây khó khăn cho giao thông thủy và thay đổi cấu trúc dòng chảy sông Khiến cho nguồn cung cấp nước cho hệ thống sông ngòi Hải Phòng chủ yếu là nước từ thượng nguồn, nước mưa trên lưu vực Dòng chảy sông có sự biến đổi rất lớn theo mùa, tương ứng với mùa mưa và mùa khô có mùa lũ và mùa cạn Mùa lũ bắt đầu chậm hơn mùa mưa một tháng (vào tháng 6-10), mùa cạn từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau Khi đó lưu lượng nước chiếm 75-85% cả năm, đặc biệt trong 3 tháng 7, 8, 9 lưu lượng nước chiếm 50-70% Lũ lớn nhất thường vào tháng 7 hoặc tháng 8, chiếm 20-27%, có khi tới 35% lưu lượng nước cả năm Các sông ở phía bắc Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray chịu ảnh hưởng của chế độ lũ từ sông Thái Bình mạnh hơn, trong khi ở phía nam sông Văn Úc, Thái Bình lại chịu ảnh hưởng chế độ lũ của sông Hồng Mùa cạn, lượng nước từ thượng lưu về ít, nguồn nước trong sông chủ yếu do nước ngầm

và thủy triều, lưu lượng nước chiếm 15-20% cả năm Hàng năm lưu lượng nước nhỏ nhất thường xuất hiện vào tháng 3 Sông Kinh Thầy (trạm Cửa Cấm) lưu lượng trung bình mùa cạn 115m3/s,

lưu lượng kiệt nhất trung bình 47.2m3/s, trong đó lưu lượng kiệt nhất là 0.1m3/s; sông Văn Úc (trạm Trung Trang) có lưu lượng trung bình mùa cạn là 193m3/s, lưu lượng kiệt nhất trung bình 63.2m3/s, lưu lượng nhỏ nhất 52.5m3

/s; sông Mới (trạm sông Mới) lưu lượng trung bình mùa cạn

là 82.6m3/s, lưu lượng kiệt nhất trung bình 53.0m3/s, lưu lượng kiệt nhất là 48.2m3/s; sông Thái Bình (trạm Cống Rỗ) lưu lượng trung bình mùa cạn là 16.4m3/s, lưu lượng kiệt nhất trung bình đạt 1.1m3/s, lưu lượng kiệt nhất xấp xỉ bằng 0 Tham khảo các kết quả khảo sát liên quan gần đây cho thấy sông Văn Úc và sông Cấm vẫn chiếm tỷ lệ khá lớn, trên 80% trong việc cung cấp lượng nước ngọt cho vùng cửa sông ven biển Hải Phòng

2.4 Đặc điểm hải văn cửa sông ven biển

Đặc trưng thủy triều: thủy triều vùng ven biển và đảo Hải Phòng là nhật triều thuần nhất với biên độ dao động lớn Thông thường trong ngày xuất hiện 1 đỉnh triều (nước lớn) và một chân triều (nước ròng) Trung bình trong một tháng có 2 kỳ triều cường (spring tide), mỗi chu kỳ kéo dài 11-13 ngày với biên độ dao động mực nước từ 2,0-4,0 m Trong kỳ triều kém (neap tide) tính chất nhật triều giảm đi rõ rệt, tính chất bán nhật triều tăng lên: trong ngày xuất hiện 2 đỉnh triều (cao, thấp) Xu thế biến thiên mực nước trên các địa điểm của vùng biển Hải Phòng khá giống nhau; thời gian triều rút lớn hơn triều dâng trung bình ở Hòn Dáu và mũi Đồ Sơn là 2giờ16’, Bạch Long Vĩ - 1giờ43’, cửa Nam Triệu - 1giờ15’, cảng Hải Phòng - 1giờ 05’ Hằng năm thủy triều có biên độ lớn vào các tháng 5, 6, 7 và 10, 11, 12, biên độ nhỏ vào các tháng 3, 4

và 8, 9 Mùa đông triều thấp vào ban ngày, mùa hè triều thấp vào ban đêm

Đặc điểm về dòng chảy: Dòng chảy ven bờ khu vực là dòng tổng hợp, có các thành phần dòng chảy triều, gió và sóng Trong đó, dòng chảy triều và thành phần nhật triều có vai trò quyết định Dòng nhật triều có độ lớn áp đảo gấp 5-20 lần dòng bán nhật và lớn hơn nhiều lần dòng 1/4 ngày Vì vậy, dòng chảy có tính thuận nghịch và phụ thuộc nhiều vào địa hình bờ, định hướng theo luồng lạch, cửa sông hoặc song song với đường bờ Dòng chảy chủ yếu do dòng triều, mạnh vào các tháng 6, 7, 12 và 1, yếu vào các tháng 3, 4, 8 và 9 trong năm

Đặc điểm về sóng biển: Do ảnh hưởng của địa hình và hướng bờ, sóng biển khu vực Cát

Bà nói chung không lớn, trừ vào những dịp đặc biệt có sóng bão Trên toàn vùng ven biển, chủ yếu các sóng hướng bắc, đông bắc thống trị vào mùa đông, còn các sóng hướng đông, đông nam

và nam thống trị vào mùa hè Phân tích tính toán với chuỗi số liệu quan trắc sóng tại Hòn Dấu trong giai đoạn 2000-2011 cho thấy hướng sóng thịnh hành chủ yếu là hướng đông E với tân suất xuất hiện 25%, hướng bắc N với tần suất xuất hiện 35%, hướng đông nam SE với tần suất 15%, hướng đông bắc 4,5%, hướng nam S 4,5% Tuy nhiên, sóng hướng bắc chủ yếu dưới 0.2 mét, trong khi đó theo hướng sóng đông, đông nam lại đa số dao động trong khoảng 0.2-1.0 mét Trong đó sóng lớn hơn 1.0 mét chiếm khoảng 13%

Đặc điểm nhiệt độ nước: Nhiệt độ nước trung bình tháng khu vực nằm trong khoảng

19oC đến 31o

C Sự biến đổi nhiệt độ nước được thể hiện qua số liệu trung bình tháng từ năm

1993 kéo dài đến năm 2007 Biến trình nhiệt tuân theo quá trình nhiệt nước, đạt các giá trị lớn rơi vào các: tháng 6 (30.1o

C), tháng 7 (30oC ), tháng 8 (30oC) Thấp hơn vào các tháng cuối năm

Thời kỳ mùa đông: cấp độ hạt thay đổi từ 0.001 mm đến 1 mm, trong đó hàm lượng cấp hạt 10.5 mm chiếm dưới 10%, cấp hạt từ 0.250.01 mm chiếm 500%, cấp hạt nhỏ hơn 0.01

mm chiếm từ 1040% Các giá trị của đường kính trung bình (Md), hệ số chọn lọc (S0), hệ số độ lệch (SK), hàm lượng phần trăm cấp hạt (%) có mối quan hệ với nhau khá phức tạp Tổng hợp đặc điểm cấp hạt trầm tích tầng mặt cho trong bảng 5

Trầm tích lơ lửng: trong nước ven bờ chủ yếu do sông cung cấp, ngoài ra còn do sóng khuấy đục Nước ở các cửa sông từ cửa Thái Bình, Văn Úc đến cửa Cấm, Bạch Đằng, trầm tích

lơ lửng có hàm lượng trung bình 300500 g/m3 vào mùa mưa, 50100 g/m3 vào mùa khô Hàm lượng trầm tích lơ lửng của các cửa sông đưa ra đạt giá trị cao nhất vào lúc mực nước thấp trung bình từ 1.51.86 m (so với 0 m Hải đồ) Khi triều cường, trầm tích lơ lửng các cửa sông đưa ra biển đã bị trung hoà điện tích hạt keo được dòng triều đưa trở lại vùng ven bờ biển Hải Phòng, bồi tụ cho trầm tích bãi triều Trung bình hàm lượng trầm tích lơ lửng của nước ven bờ biển vào lúc triều cường mùa mưa là 70100 g/m3, mùa kiệt là 2050 g/m3 Hàm lượng trầm tích lơ lửng nước ven bờ các cửa sông Văn Úc, Thái Bình cao gấp hai, ba lần cửa Bạch Đằng Nhìn chung, trầm tích lơ lửng từ cửa sông đưa ra khá cao, nhờ thuỷ triều trầm tích lơ lửng được ngưng keo, bồi tụ duy trì, mở rộng diện tích bãi triều (Nguyễn Văn Cư, 2008 [2])

CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH ECOMSED ĐỐI VỚI BÀI TOÁN MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN TRẦM TÍCH

LƠ LỬNG

3.1 Mô hình ECOMSED

Mô hình ECOMSED được phát triển từ những năm 1980 với tên gọi là ECOM đối với phần tính toán thủy lực - một trong các mô hình thủy động lực áp dụng cho vùng cửa sông, vũng vịnh và vùng ven bờ Ngày nay ECOMSED là một mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích 3 chiều, được xây dựng trên mã nguồn FORTRAN Lưới tính theo phương ngang có thể là lưới chữ nhật hoặc lưới cong Theo phương thẳng đứng, mô hình sử dụng lưới cong sigma Trong đó modun vận chuyển trầm tích được xây dựng dựa trên các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của Van Rijn (1984)

Sơ đồ khối mô hình ECOMSED

3.2 Cơ sở hình thành mô hình ECOMSED

Mô tả thủy động lực: ECOM được mô tả như là một mô hình thủy động lực ba chiều, phụ thuộc vào thời gian được phát triển bởi Blumberg (1980) và Mellor (1987) Nó là một thành phần trong mô hình ECOMSED với một lịch sử lâu dài sau những ứng dụng thành công đối với khu vực ven biển, vùng nước cửa sông và đại dương Hệ phương trình thủy động lực mô tả trong ECOM dựa trên phương trình chuyển động và phương trình bảo toàn nhiệt muối khi chấp nhận

hai phép xấp xỉ: xấp xỉ thủy tính và xấp xỉ boussinesq (Bryan, 1969) kết hợp với phương trình đóng kín rối dựa trên lý thuyết của Mellor và Yamaha (1974) Trong đó, các hệ số khuyếch tán bình lưu được xác định theo đề nghị của Smagorinsky (1963) còn thành phần nhớt thẳng đứng được xác định theo Mellor và Yamaha năm 1982 [9,10]

Mô tả sóng: Dự đoán về động lực sóng được quyết định bởi mô hình GLERL trong một

hệ thống tọa độ cong trực giao do Donelan phát triển năm 1977 và sửa đổi bởi Schwab năm

1984 Đây là một loại mô hình tham số dựa trên phương pháp bảo tồn động lượng áp dụng cho sóng nước sâu (khi đó tỷ lệ độ sâu tới chiều dài sóng lớn hơn 0.5) Hệ phương trình chủ đạo mô

tả sự cân bằng động lượng địa phương hơn là việc vận chuyển năng lượng Mô tả động lượng đầu vào cho việc tính sóng bởi đà sóng phụ thuộc vào chiều cao sóng và tốc độ khác biệt giữa sóng và gió Một tính năng quan trọng trong tương lai của mô hình này là cung cấp một trường sóng ngay tại thời điểm phía sau gây ra khi có sự thay đổi nhanh chóng thành phần gió (Schwab, 1984) Mô hình này xác định bước thời gian tính toán của nó tự động dựa trên sức gió tối đa cho mỗi giờ Đưa ra các kết quả về việc mô tả độ sâu ven biển và một mảng hai chiều theo thời gian phụ thuộc vào trường gió, dự báo chiều cao sóng có ý nghĩa, chu kỳ sóng và hướng sóng [9]

Mô hình GLERL đã đưa ra các dự đoán chiều cao sóng có nghĩa và cho thấy một phản ứng tốt với một cơn gió mạnh từ biến Như vậy, hiện tại đã có một số cải tiến so với GLERL ban đầu Thứ nhất, mô hình sóng được chuyển thành một hệ thống phối hợp cong tận dụng lợi thế mạng lưới cong trực giao từ mô hình thủy động lực ECOM Sau đó kết hợp với hiệu ứng ma sát trên làn sóng khi nó di chuyển vào vùng nước nông Trong đó, mô phỏng sóng dựa trên giả định năng lượng tiềm năng và động năng có giá trị như nhau, sử dụng sóng tuyến tính với vận tốc nhóm bằng một nửa tốc độ pha trong vùng nước sâu

Mô tả trầm tích:

Tthành phần SED là một phần trong việc mô tả vận chuyển trầm tích ba chiều (3D) được phát triển bởi HydroQual Nó mô phỏng thực tế các quá trình trầm tích ngưng keo, kết bông và không kết bông trong một loạt các hệ thống thuỷ vực trong hồ, trong sông, vùng cửa sông, vũng vịnh ven biển Vào giữa những năm 1990, những khái niệm như tái lơ lửng trầm kết keo, lắng đọng và kết tủa của Lick (1984) đã được đưa vào trong mô hình ECOM để thành lập ra mô hình ECOMSED Chỉ trong khoảng thời gian vài năm sau, mô hình ECOMSED đã có nhiều thay đổi đáng kể Nổi cộm lên là một số vấn đề như: xây dựng các điều kiện biên mở tổng quát, mô tả chất đánh dấu, mô phỏng ứng suất trượt tại đáy tốt hơn thông qua một mô hình con trong lớp biên đáy vật lý, tính đến các tương tác giữa sóng gió bề mặt, mô phỏng quá trình vận chuyển trầm tích không kết keo và hòa tan và ràng buộc khả năng đánh dấu Mở ra khả năng ứng dụng

mô hình ECOMSED trong hoạt động nghiên cứu vận chuyển bùn cát tại nhiều khu vực như: sông Pawtuxet ở Rhode Island (Ziegler 1994), hồ chứa Watts Bar tại Tennessee (Nisbet, 1995),

vịnh Lavaca ở Texas (HydroQual 1998), vịnh Tannery ở Michigan (Cannelton Industries, 1998)

và vịnh Green ở Wisconsin (Shrestha và cộng sự, 2000) Tiếp đến, thành phần SED ngày nay đã được cấu hình để chạy kết hợp với mô hình thủy động lực học và mô hình sóng (nếu mô tả bao gồm sóng) Mô hình SED sử dụng cấu trúc lưới và phạm vi miền tính từ mô hình thủy động lực học ECOM Quá trình động lực trầm tích vốn có trong mô hình bao gồm quá trình tái lơ lửng trầm tích, vận chuyển và lắng đọng trầm tích kết keo (kết dính) và không kết keo (không kết dính) Trầm tích kết keo, như đã đề cập ở đây, đại diện cho các lớp trầm tích hạt mịn và chất thải với kích thước đường kính hạt nhỏ hơn 75m (kiểu loại như đất sét và phù sa) Trong khi lớp trầm tích không kết keo lại là những thô hạt với kích thước đường kính từ 75m đến 500m (kiểu loại cát mịn và cát trung) Cát không mịn và sỏi thô với kích thước đường kính hạt lớn hơn

500m như vận chuyển tại đáy sẽ không được xem xét trong mô hình ECOMSED bởi vì các trầm tích hạt thô thông thường bao gồm một phần nhỏ tại đáy trong hệ thống cửa sông và trên đại dương Sự ảnh hưởng của thành phàn này là không đáng kể đối với kết quả đầu ra của mô hình

Cả hai quá trình tái lơ lửng và cơ chế lắng đọng phụ thuộc vào ứng suất trượt tại lớp tương tác giữa nước và trầm tích Quá trình tính toán ứng suất trượt phía dưới là một phần không thể tách rời của quá trình mô phỏng vận chuyển trầm tích