Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong – Áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng

Luận án Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong – Áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng sông Cửu Long được hoàn thành với mục tiêu nhằm xây dựng được module thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong - ứng dụng tính toán cho một số vùng thuộc Đồng Bằng sông Cửu Long.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

-o0o -

TRẦN THỊ KIM

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ HÌNH THÁI ĐÁY TRONG HỆ TỌA ĐỘ CONG - ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP Ở ĐỒNG

BẰNG SÔNG CỬU LONG

Ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường

Mã ngành: 9850101

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Tp Hồ Chí Minh, năm 2022

Công trình được hoàn thành tại:

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Địa chỉ: 142 Tô Hiến Thành, Quận 10, TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 028.38651132; Fax: 028.38655670

Người hướng dẫn khoa học 1: GS TS Nguyễn Kỳ Phùng

Người hướng dẫn khoa học 2: GS TS Nguyễn Văn Phước

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp

tại vào lúc giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiều luận án tại thư viện:

- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM

- Thư viện Viện Môi trường và Tài nguyên - ĐHQG-TP.HCM

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện tượng xói lở, bồi tụ là kết quả tương tác các quá trình phức tạp của các yếu tố thủy thạch động lực học do các tác động nội sinh, ngoại sinh

và nhân sinh Đối với việc dự báo diễn biến đáy, phương pháp mô hình toán đã được ứng dụng với độ tin cậy cao và đồng thời cũng đang được sử dụng một cách phổ biến hiện nay, ưu điểm của mô hình toán là cho ta mô phỏng và có tính đến khả năng dự báo Khi giải các bài toán địa vật lý, một trong những khó khăn đã gặp phải là sự hiện hữu của vùng bờ có địa hình phức tạp, và phương pháp giải rộng rãi là chia vùng bờ thành những đoạn nhỏ song song với trục tọa độ vuông góc (x,y), nhược điểm của phương pháp này là lời giải bị sai nhiều ở vùng ven bờ Để giải quyết vấn đề trên, người ta có thể chuyển bài toán sang tọa độ cong (,) để tính Theo phương pháp này, vì trường vận tốc được tính toán trên lưới cong nên kết quả mô phỏng ở những khu vực có địa hình phức tạp tốt hơn Từ các phân

tích trên, đề tài ‘Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và

hình thái đáy trong hệ tọa độ cong – Áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng sông Cửu Long” được đề xuất thực hiện nhằm xây dựng

được mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong, là công cụ phục vụ quản lý rủi ro thiên tai và tìm các giải pháp ngăn ngừa, giảm thiểu do sạt lở

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu tổng quát: Xây dựng được module thủy động lực, vận

chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong - ứng dụng tính toán cho một số vùng thuộc Đồng Bằng sông Cửu Long

2.2 Mục tiêu cụ thể: Đề tài triển khai các mục tiêu cụ thể như sau:

(1) Xây dựng được module thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong; (2) Ứng dụng mô hình để tính toán hình thái đáy

cho đoạn sông Tiền chảy qua thị trấn Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát; (3) Ứng dụng mô hình để tính toán dòng chảy vùng ven biển Sóc Trăng dưới ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều

3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu này được thực hiện với các nội dung như sau: Nội dung

1: Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy

trong hệ tọa độ cong Nội dung 2: Ứng dụng mô hình thủy lực, vận chuyển

bùn cát và hình thái đáy để tính toán hình thái đáy cho đoạn sông Tiền chảy

qua thị trấn Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát Nội dung 3: Ứng

dụng mô hình thủy lực để tính toán dòng chảy vùng ven biển Sóc Trăng dưới ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tƣợng nghiên cứu: Mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát

và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong

Phạm vi nghiên cứu: Mô hình nghiên cứu được giới hạn trong

phạm vi: Khi áp dụng tính toán cho khu vực thượng lưu sông: có tính đến ảnh hưởng của khai thác cát Khi áp dụng tính toán cho khu vực ven biển:

có tính đến ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

5.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc góp phần phát triển

mô hình toán mô phỏng các quá trình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy Khi tính toán trên tọa độ cong, vì trường vận tốc được tính toán trên lưới cong nên kết quả mô phỏng dòng chảy ở những khu vực có địa hình phức tạp tốt hơn

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Mô hình toán xây dựng được có thể triển khai ứng dụng tính toán bồi xói đáy ở các khu vực sông và vùng ven biển Việt Nam phục vụ cho các

nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho quản lý rủi ro, thiên tai Sự hiện diện của nguồn khai thác cát trong mô hình tính toán hình thái đáy sẽ là công cụ đắc lực cho việc mô phỏng diễn biến đáy khi có hoạt động khai thác cát cũng như hoạt động nạo vét bùn thải, từ đó, hỗ trợ tốt cho công tác quy hoạch khai thác cát, quản lý rủi ro thiên tai do sạt lở và quản lý môi trường không chỉ cho ĐBSCL mà những sông ở lưu vực khác

6 Tính mới của luận án

Luận án này tập trung phát triển mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong Trong mô hình hình thái đáy, nguồn khai thác cát đã được phát triển trong phương trình liên tục bùn cát

và diễn biến đáy để kết quả tính toán hình thái đáy phù hợp với thực tế hơn,

mà hiện nay trong phần lớn các mô hình hiện hữu vẫn chưa có nguồn này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Mô hình toán số mô phỏng quá trình thủy lực và hình thái dòng sông phát triển từ những năm 1990, dựa trên lời giải của hệ phương trình chuyển động (phương trình liên tục và phương trình động lượng) kết hợp với phương trình chuyển tải và liên tục bùn cát đáy

Các mô hình 2D hiện có điển hình gồm: MIKE 21: Danish acronym

of the word microcomputer; Danish Hydraulic Institute (1993), Delft 2D; Walstra và cộng sự (1998), TELEMAC: Tập đoàn Điện lực Pháp (EDF) (1987), RMA-2: được phát triển bởi Norton, King and Orlob (1973), CCHE2D: The National Center for Computational Hydroscience and Engineering; Jia and Wang (1999), FLUVIAL 12; Chang (1998), SUTRENCH- 2D: SUspended sediment transport in TRENCHes; Van Rijn

và Tan (1985), TABS-2; Thomas and McAnally (1985), SERATRA: SEdiment and RAdionuclide TRAnsport; UNIBEST- TC: UNIform BEach Sediment Transport—Transport Cross-shore; Bosboom và cộng sự

(1997) Tất cả các mô hình nói trên đều có thể áp dụng cho điều kiện dòng chảy không ổn định, ngoại trừ SUTRENCH-2D của van Rijn và Tan (1985)

[1] và UNIBEST-TC2 của Bosboom và các cộng sự (1997) [2] Các mô hình hiện nay hầu như đều được tích hợp công nghệ GIS cho phép hiển thị,

mô phỏng các quá trình một cách trực quan Tuy nhiên các phần mềm này

là phần mềm thương mại, giá thành cao hoặc các phần mềm khó sử dụng (TELEMAC) Bên cạnh đó, việc sử dụng các phần mềm thương mại sẽ hạn chế tính kết nối hệ thống trong trường hợp ứng dụng các mô hình để kết nối

dữ liệu quan trắc tự động hoặc cảnh báo sớm Một điểm đáng lưu ý là phần lớn các phần mềm vẫn chưa tính toán đến khai thác cát theo thời gian

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

1.2.1 Các mô hình tính toán

Mô hình Delta của Nguyễn Tất Đắc, Mô hình VRSAP (Vietnam River System And Plains) của Nguyễn Như Khuê, Mô hình KOD-01 và KOD-02 của Nguyễn Ân Niên, Mô hình HydroGIS do Nguyễn Hữu Nhân phát triển, Mô hình MK4 và F28 là mô hình do Lê Song Giang, Đại học Bách Khoa TP.HCM phát triển Mô hình TREM: được Nguyễn Tiền Giang

và Izumi phát triển dựa trên mô hình dòng chảy hai chiều tương ứng của cố tác giả Nagata, trường Đại học Kyoto, Nhật Bản Mô hình HYDIST: được phát triển bởi Nguyễn Thị Bảy và cộng sự (2021), HYDIST là mô hình có khả năng tính dòng chảy 2 chiều, chuyển tải bùn cát, diễn biến lòng dẫn sông Mô hình tọa độ cong của Nguyễn Thị Bảy: được phát triển bởi Nguyễn Thị Bảy trong luận án phó tiến sĩ năm 1996

Nhìn chung, hầu hết những mô hình trên tập trung mô phỏng thủy lực, lan truyền chất, lũ, cũng như mô phỏng diễn biến bùn cát và bồi lắng - xói lở, các mô hình này đã được ứng dụng và cho kết quả khá tốt cho các khu vực ở Việt Nam Tuy nhiên, các mô hình vẫn còn những hạn chế sau:

Đối với mô hình tính toán diễn biến đáy, các ảnh hưởng cục bộ như khai thác cát vẫn chưa được tính toán đến trong hầu hết các mô hình này

1.2.2 Các nghiên cứu về thủy động lực và diễn biến bùn cát đáy ở Đồng bằng sông Cửu Long

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là một đồng bằng non trẻ được hình thành cách đây 7000 năm Với quá trình hình thành từ phù sa của sông

và biển nên toàn bộ ĐBSCL đều có nền địa chất yếu, có nguồn gốc trầm tích sông biển và đầm lầy, đây cũng là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng xói lở ở ĐBSCL Bên cạnh tính chất đặc thù của nền địa chất ở ĐBSCL, chế độ dòng chảy trong sông, ảnh hưởng của thủy triều, cùng với tác động của con người cũng là những tác nhân quan trọng gây ra biến đổi lòng dẫn [3] Theo thống kê hiện nay, trên địa bàn An Giang, hiện có 11

mỏ cát đang hoạt động theo Quyết định số 1697/QĐ - UBND ngày 18/7/2018 của UBND tỉnh An Giang Các hố cát đã làm thay đổi trục động lực trong khu vực, từ đó dẫn đến sự thay đổi lòng sông [4] Sông Hậu là một nhánh sông lớn của hệ thống sông Cửu Long, giữ vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế của nhân dân Nam Bộ, nhất là vùng cửa sông Hậu (Định An – Trần Đề), nơi có quá trình phát triển phức tạp do tác động của các yếu tố tự nhiên cũng như hoạt động của con người Những tác động của yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người gây ra hiện tượng xói lở - bồi

tụ, sụt lún, dịch chuyển bãi hoặc những biến động của đường bờ Quy mô

và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên và các hoạt động của con người ở lưu vực sông Mê Kông và sông Hậu, cùng với các tác động của biến đổi khí hậu gây ra hiện tượng xói lở ở vùng cửa sông ven biển [5]

1.3 Nhận xét chung

1.3.1 Những thành tựu đạt được

Lý thuyết về mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy; các công thức thực nghiệm trong tính toán bùn cát lơ lửng và diễn biến

đáy; các phương pháp giải và sơ đồ giải gần như hoàn thiện Các mô hình hiện nay hầu như đều được tích hợp công nghệ GIS cho phép hiển thị, mô phỏng các quá trình một cách trực quan và sinh động hơn Để tối ưu hóa cho khu vực gần bờ cũng như cho những nơi có địa hình phức tạp, một số

mô hình tọa độ cong đã ra đời để tính toán mô phỏng thủy động lực, bùn cát lơ lửng và diễn biến đáy, điển hình như Mike 21C hay CCHE2D

Về diễn biến luồng lạch trong sông và diễn biến đáy ven biển ĐBSCL các nghiên cứu trên cũng đã cung cấp những kiến thức cơ bản về quy luật dòng chảy và hình thái, xác định được những nguyên nhân cơ bản

và cơ chế gây ra biến đổi lòng dẫn của dòng chính sông Mekong cũng như

sơ bộ đánh giá được thực trạng những diễn biến về biến hình lòng sông trong những năm gần đây Diễn biến đáy ở khu vực cửa sông ven biển đã được đánh giá và đưa ra quy luật bồi xói trong năm

1.3.2 Những vấn đề tồn tại

Các mô hình hiện có có thể dự báo tổng tải lượng vận chuyển bùn cát, tính toán vận chuyển bùn cát liên vùng, sự mất đi của tải lượng bùn cát đáy theo thời gian dài với độ chính xác cao, điều này đã được thể hiện qua các nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn Tuy nhiên, một điểm đáng lưu ý là tất cả các phần mềm vẫn chưa tính toán đến yếu tố dân sinh – kinh tế, điển hình như khai thác cát theo thời gian.Các phần mềm hiện có trong tọa độ cong là phần mềm thương mại, giá thành Bên cạnh đó, việc sử dụng các phần mềm thương mại sẽ hạn chế tính kết nối hệ thống trong trường hợp ứng dụng các mô hình để kết nối dữ liệu quan trắc tự động hoặc cảnh báo sớm và thời gian mô phỏng khá lâu

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án

Xây dựng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát trên hệ tọa

độ cong: Trong nghiên cứu này, học viên sẽ xây dựng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát trên hệ tọa độ cong nhằm tối ưu hóa sai số ở

vùng ven bờ Bên cạnh đó, mô hình xây dựng với mã nguồn mở sẽ ưu việt trong kết nối hệ thống khi ứng dụng các mô hình để kết nối dữ liệu quan trắc tự động hoặc cảnh báo sớm Hơn vậy, đối với mô hình vận chuyển bùn cát, yếu tố khai thác cát sẽ được đưa vào mô hình tính, nhờ vậy, sự thay đổi luồng lạch ở những nơi khai thác cát và hạ lưu sẽ được mô phỏng phù hợp với thực tế hơn

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Cơ sở lý thuyết phương trình thủy lực và bùn cát hai chiều trên

hệ tọa độ vuông góc

2.1.1 Hệ phương trình thủy lực

Hệ phương trình động lực học mô tả dòng chảy hai chiều được tác giả sử dụng trong bài toán thủy động lực dòng chảy có xét tới ảnh hưởng thủy triều bao gồm phương trình động lượng được tích phân theo chiều sâu

( ̅) ( )( )

( ̅) ( )( )

( )( ) ̅

(2.2)

) ( ̅

) (2.4) Phương trình liên tục bùn cát đáy như sau:

[( )

(

) (

)

] (2.5) Trong đó: Ssm là nguồn cát (tốc độ khai thác cát m/s)

Điểm mới trong nghiên cứu này là thành phần khai thác cát được tích hợp vào phương trình liên tục liên tục bùn cát đáy Sau khi khai thác cát, cát được đưa ra khỏi khu vực tính toán; do đó Ssm không tham gia vào phương trình vận chuyển bùn cát lơ lửng Việc khai thác cát sẽ dừng lại khi cao trình đáy đạt đến mức cho phép khai thác của chính phủ Với qb = (qbx, qby).

2.2 Chuyển đổi các phương trình cơ bản sang tọa độ cong

2.2.1 Phương trình liên tục trong hệ tọa độ cong

Sau một số phép biến đổi [8], dạng cuối cùng của phương trình liên tục trong tọa độ đường cong là:

2.2.2 Phương trình chuyển động trong hệ tọa độ cong

Dạng cuối cùng của phương trình chuyển động trong tọa độ cong

sẽ như sau:

{p g (g g )

q g (g g ) (2.8) Trong đó:

[

( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ))]

2.2.3 Phương trình chuyển tải bùn cát lơ lửng trong tọa độ cong

Phương trình chuyển tải bùn cát cuối cùng có dạng:

J K S

qC pC H

0 1

1 1

(2.9)

2.2.4 Phương trình liên tục bùn cát đáy

Phương trình liên tục bùn cát đáy trong tọa độ cong có dạng sau:



b Q b Q J C C C

C

HJ

K

) S S

1 0

0 0

2.3 Sơ đồ giải các mô hình

2.3.1 Thuật toán để giải hệ phương trình trong tọa độ cong

Hình 2-1: Trình tự giải mô hình

Phương pháp số áp dụng để tính toán ở đây là sai phân luân hướng trên lưới C-Arakov [9, 10] Trong thuật giải, sử dụng sơ đồ nửa ẩn nửa hiện, biến thiên mực nước được giải theo sơ đồ ẩn, và thành phần phi tuyến

sẽ giải hiện

2.3.2 Thuật toán để giải cho phương trình vận chuyển bùn cát

Thuật giải để cho ra lời giải số cho phương trình vận chuyển bùn cát dựa trên phương pháp sai phân luân hướng Trình tự giải phương trình

vận chuyển bùn cát được trình bày trong Hình 2-2

Hình 2-2: Trình tự giải mô hình vận chuyển bùn cát

2.3.3 Thuật toán tính toán diễn biến đáy

Trình tự giải phương trình bồi xói đáy được trình bày trong Hình 2-3

sau:

Hình 2-3: Trình tự giải mô hình bồi xói đáy