(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Vận Chuyển Bùn Cát Khu Vực Cảng Lạch Huyện.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN THANH TÂM NGHIÊN CỨU VẬN CHUYỂN BÙN CÁT KHU VỰC CẢNG LẠCH HUYỆN Chuyên ngành Xây dựng công trình biển Mã số 60 58 02 03 LUẬ[.]

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUY ỄN THANH TÂM

NGHIÊN C ỨU VẬN CHUYỂN BÙN CÁT KHU VỰC CẢNG LẠCH

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

NGUY ỄN THANH TÂM

NGHIÊN C ỨU VẬN CHUYỂN BÙN CÁT KHU VỰC CẢNG LẠCH

L ỜI CẢM ƠN

Trước tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Kỹ thuật Biển, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian học tạp, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn TS Nghiêm Tiến Lam đã luôn tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đi đầu tiên xây dựng ý tưởng nghiên cứu, cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận văn Thầy đã luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt

nhất để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong khoa Kỹ Thuật Bờ Biển, các bạn cùng lớp cao học 20BB đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bố, mẹ, các anh chị và các em, những người thân yêu trong gia đình đã luôn ở bên cạnh tác giả, động viên tác giả về vật

chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành luận văn của mình

TÁC GIẢ…

Nguyễn Thanh Tâm

B ẢN CAM KẾT

Họ và tên học viên: Nguyễn Thanh Tâm

Tên đề tài luận văn: “ Nghiên cứu vận chuyển bùn cát khu vực cảng Lạch Huy ện”

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm Những kết

quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu bất kỳ hình thức

kỷ luật nào cảu Khoa và Nhà trường

TÁC GIẢ…

Nguyễn Thanh Tâm

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH 3

DANH MỤC BẢNG 5

MỞ ĐẦU 6

Tính cấp thiết của đề tài 6

Mục tiêu của đề tài 7

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

Phương pháp nghiên cứu 7

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 9

1.1 Điều kiện tự nhiên 9

1.1.1 Vị trí địa lý, địa hình và địa chất 9

1.1.2 Mạng lưới sông chính 10

1.1.3 Đặc điểm khí tượng 12

1.1.4 Đặc điểm thủy văn 12

1.1.5 Đặc điểm hải văn 13

1.1.6 Sự phân bố trầm tích đáy 14

1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 16

1.3 Mạng lưới quan trắc 17

1.4 Hiện trạng sa bồi luồng cửa Lạch Huyện 18

1.5 Kết Luận 20

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN 21

2.1 Tổng quan về mô hình thủy động lực 21

2.2 Tổng quan về mô hình sóng 22

2.3 Tổng quan về mô hình vận chuyển bùn cát 24

2.4 Mô hình EFDC 27

2.4.1 Giới thiệu chung 27

2.4.2 Cấu trúc mô hình EFDC 28

2.4.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình thủy động lực EFDC 29

2.4.4 Cơ sở lý thuyết vận chuyển bùn cát mô hình EFDC 30

2.4.5 Cách giải quyết bài toán trong mô hình EFDC 37

2.4.6 Một số đặc điểm tính năng của phần mềm 42

Chương 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH EFDC MÔ PHỎNG BIẾN ĐỔI ĐỊA HÌNH KHU VỰC CẢNG LẠCH HUYỆN 47

3.1 Tính hình số liệu 47

3.1.1 Tài liệu địa hình 47

3.1.2 Số liệu thủy văn 48

3.1.3 Số liệu bùn cát 48

2

3.2 Thiết lập mô hình thủy lực 48

3.2.1 Thiết lập miền tính toán 48

3.2.2 Thiết lập địa hình 51

3.2.3 Thiết lập điều kiện biên 52

3.2.4 Thiết lập điều kiên ban đầu 53

3.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực 53

3.3.1 Thời kỳ tính toán 54

3.3.2 Thiết lập thông số mô hình thủy lực 54

3.3.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực 55

3.3.4 Kết quả kiểm định mô hình thủy lực 57

3.4 Mô hình tính toán bùn cát 58

3.4.1 Các kịch bản tính toán 58

3.4.2 Thiết lập mô hình bùn cát trên mô hình EFDC 59

3.5 Kết luận 62

Chương 4 PHÂN TÍCH CÁC KỊCH BẢN VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ 64

4.1 Phân tích diễn biến bùn cát trong điều kiện tự nhiên 64

4.1.1 Thủy động lực 64

4.1.2 Vận chuyển bùn cát 70

4.2 Phân tích diễn biến bùn cát khi có công trình 72

4.3 Kết luận 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

Kết luận 75

Kiến nghị 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH M ỤC HÌNH

Hình 0.1: Mặt bằng Tổng thể cảng Lạch Huyện 6

Hình 1.1: Vị trí khu vực nghiên cứu trên bản đồ địa chất 9

Hình 1.2: Sự phân bố trầm tích đáy 15

Hình 1.3: Phân tích các hạt qua sang của mẫu trầm tích đáy ở luồng Nam Triệu 16

Hình 1.4: Phân tích các hạt qua sang của mẫu trầm tích đáy ở luồng Lạch Huyện 16

Hình 1.5: Sơ đồ Vị trí các trạm quan trắc 18

Hình 1.6: Khối lượng sa bồi lũy kế hàng năm tại các vị trí dọc luồng 19

Hình 1.7: Khối lượng sa bồi lũy kế trong 5 năm 19

Hình 1.8: Biến thiên độ sâu tại đường tim luồng 20

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản mô hình EFDC 28

Hình 2.2: Cấu trúc mô hình thủy động lực học EFDC 28

Hình 2.3: Sơ đồ vận chuyển bùn cát do dòng chảy 36

Hình 2.4: Miền lưới dạng Uniform Grid 43

Hình 2.5: Miền mô hình tạo dạng Expanding Grid 44

Hình 2.6: Miền mô hình tạo dạng Centerline Dominant 44

Hình 2.7: Lưới cong được tạo theo tùy chọn Equi-Distance Widths 45

Hình 2.8: Bảng tính thời gian sử dụng mô hình 46

Hình 3.1 : Địa hình khu vực tính toán 47

Hình 3.2 Sơ họa miền tính toán 49

Hình 3.3 Mô Hình Delft3D 50

Hình 3.4 Giao diện làm việc chính của Delft 3D 50

Hình 3.5 Đưa Lưới vào mô hình EFDC 51

Hình 3.6 Lưới tính toán trong mô hình EFDC 51

Hình 3.7 Địa hình miền tính toán trong EFDC 52

4

Hình 3.8: Vị trí các biên tính toán 52

Hình 3.9: Vị trí hiệu chỉnh mô hình 54

Hình 3.10: Giá trị độ nhám 55

Hình 3.11: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Cửa Cấm 56

Hình 3.12: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Do Nghi 56

Hình 3.13: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Cửa Cấm 57

Hình 3.14: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Do Nghi 57

Hình 3.15 Bố trí công trình cảng Lạch Huyện 59

Hình 3.16 Vị trí các hố khoan trắc bùn cát 61

Hình 3.17 Dữ liệu bùn cát đáy tại một hố khoan trong mô hình EFDC 62

Hình 4.1 Vị trí các điểm và mặt cắt tính toán 64

Hình 4.2 Kết quả mực nước vào mùa khô tại khu vực Lạch Huyện 65

Hình 4.3 Kết quả giá trị mực nước vào mừa mưa tại khu vực Lạch Huyện 65

Hình 4.4 Kết quả trường dòng chảy vào mùa khô tại Lạch Huyện (triều lên) 67

Hình 4.5 Kết quả trường dòng chảy vào mùa khô tại Lạch Huyện (triều rút) 67

Hình 4.6 Kết quả trường dòng chảy vào mùa mưa tại Lạch Huyện (triều lên) 68

Hình 4.7 Kết quả trường dòng chảy vào mùa mưa tại Lạch Huyện (triều rút) 68

Hình 4.8 Phân bố nồng độ bùn cát vào mùa mưa (g/ml) 70

Hình 4.9 Phân bố nồng độ bùn cát vào mùa khô (g/ml) 70

Hình 4.10 Kết quả tính toán bồi xói 71

Hình 4.11 MC 1 tại thời điểm ban đầu 71

Hình 4.12 MC 1 sau một năm tính toán 71

Hình 4.13 MC 2 tại thời điểm ban đầu 71

Hình 4.14 MC 2 sau một năm tính toán 71

Hình 4.15 Kết quả tính toán bồi xói khi có công trình 72

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 3.1 Danh sách các trạm sử dụng 48

Bảng 3.2 Bảng chỉ giá trị đánh giá sai số hiệu chỉnh mô hình 57

Bảng 3.3 Bảng giá trị đánh giá sai số kiểm định mô hình 58

Bảng 3.4 Bảng tham số mô hình cho các lớp bùn cát 61

Bảng 4.1 Số liệu trích xuất độ đục (mg/l) 72

6

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, việc mở rộng và phát triển các vùng kinh tế ven

biển đang là một trong những ưu tiên hàng đầu của nước ta

Hải Phòng là thành phố có nền kinh tế biển phát triển nhất trong khu vực Bắc

Bộ Tuy nhiên hiện nay với lưu lượng hàng hóa ngày một tăng vào khu vực kinh tế

Bắc Bộ, cảng Hải Phòng đang có dấu hiệu quá tải Điều này làm ảnh hưởng đến tốc

độ phát triển của khu vực trong tương lai Hơn nữa luồng tàu vào cảng Hải Phòng

hiện nay đang bị bồi lấp nhanh chóng do sự vận chuyển bùn cát trên sông Bạch Đằng Chính vì vậy, dự án xây dựng cảng Lạch Huyện ra đời như là giải pháp nhằm

giảm tải cho cảng Hải Phòng và giúp tăng cường sự phát triển cho vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ

Hình 0.1: Mặt bằng Tổng thể cảng Lạch Huyện

Tuy nhiên, Khu vực Hải Phòng là nơi tập trung nhiều cửa sông đổ ra biển mang theo hàm lượng phù sa rất lớn, tốc độ bồi lắng nhanh Dẫn đến một câu hỏi là sau khi xây dựng cảng thì chế độ thủy văn, quá trình vận chuyển bùn cát, đặc biệt là

sự biến đổi địa hình tại vùng cửa sông Lạch Huyện sẽ bị tác động ra sao Cùng với đó

là mức độ tác động của nó đến sự thay đổi hệ sinh thái, và ảnh hưởng tới môi trường

cửa sông Lạch Huyện

Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá biến đổi địa hình vùng cửa sông và khu vực

cảng Lạch Huyện theo các phương án bố trí công trình là rất cần thiết

Mục tiêu của đề tài

Định hướng được hiện trạng và thay đổi của các yếu tố thủy động lực, vận chuyển bùn cát khi bố trí công trình

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: thủy động lực, vận chuyển bùn cát, biến đổi địa hình

Phạm vi nghiên cứu: Khu vực cảng Lạch Huyện

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp

Kế thừa các kết quả nghiên cứu về khu vực đã được thực hiện trước đây Kế

thừa, áp dụng có chọn lọc các kiến thức và công cụ mô hình về thủy động lực học,

vận chuyển bùn cát hiện có trên thế giới và trong nước

Sử dụng các phương pháp phân tích số liệu và phương pháp mô hình hóa để phân tích, đánh giá và tổng hợp so sánh

 Thu thập và phân tích số liệu

Các s ố liệu cần thiết phải thu thập:

- Hệ thống sông ngòi, cửa sông, bờ biển và hải đảo

- Số liệu địa hình

- Hệ thống các trạm đo

- Số liệu khí tượng và thủy văn (mực nước, vận tốc dòng chảy…)

- Số liệu hải văn (sóng, thủy triều)

- Số liệu bùn cát (bùn cát lơ lửng, đường cấp phối hạt …)

Phân tích s ố liệu đã thu thập: mục đích là để đánh giá thông tin sơ bộ về bộ số liệu

đã thu thập, có bức tranh ban đầu về quá trình diễn biến của khu vực, đồng thời xác định được những vấn đề và yếu tố còn chưa rõ và cần mô phỏng và xác định bằng

mô hình toán

 Ứng dụng mô hình toán để mô phỏng, phân tích và đánh giá thủy động lực,

vận chuyển bùn cát theo hiện trạng và các phương án bố trí công trình

Căn cứ vào số liệu thu thập và mục đích nghiên cứu ta xác định:

8

- Thiết lập được miền tính toán, lưới tính, các trạm kiểm tra

- Thiết lập điều kiện ban đầu, điều kiện biên (biên trên, biên dưới)

- Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

 Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng

- Phân tích hiện trạng chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và diễn

biến của khu vực nghiên cứu

- Xác lập các phương án bố trí công trình và các trường hợp tính toán Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các phương án bố trí công trình tới thủy động

lực, vận chuyển bùn cát tại khu vực cảng Lạch Huyện

 Công cụ sử dụng

Khai thác, sử dụng bộ phần mềm EFDC mô phỏng thủy động lực học, vận chuyển bùn cát và các công cụ xử lý số liệu khác

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Điều kiện tự nhiên

1.1.1 Vị trí địa lý, địa hình và địa chất

Khu vực nghiên cứu nằm trong khoảng tọa độ 20.5 – 20.9 độ vĩ Bắc và 106.5 – 107.1 độ kinh Đông, vùng biển ven bờ vùng tây vịnh Bắc Bộ, rìa Đông Bắc của châu thổ sông Hồng thuộc thành phố Hải Phòng, cách Hà Nội 120 km về phía đông Khu vực khảo sát thuộc đảo Cát Hải, cách trung tâm thành phố Hải Phòng 13 km về hướng Đông

Hình 1.1: Vị trí khu vực nghiên cứu trên bản đồ địa chất

(Trích t ừ bản đồ địa hình Việt Nam – Lào – Campuchia 1971)

Cảng Lạch Huyện nằm ở phía bờ Nam của đảo Cát Hải – là phía cuối của khu

vực đồng bằng châu thổ Sông Hồng Có khối lượng lớn đất và cát di chuyển vào khu

vực từ phía Nam Triệu và sông Lạch Huyện tạo thành lớp sa bồi sét dẻo Trên đất

liền, cát phân bố chủ yếu ở đảo Cát Hải và khu vực lân cận và động vật nhuyễn

thể/giáp xác sống dưới lớp cát đáy thường dạt vào bến Bến Gót của đảo Cát Hải Địa hình đáy của Vịnh Hải Phòng từ Bến Gót đến Km 37 + 500, có các doi cát rộng và

10

cao hơn khu vực phía Tây Độ dốc đáy biển là khá thoải, khu vực có độ sâu trên – 10.0 m thì độ dốc đáy là 1/1500 và từ độ sâu -10 m trở xuống độ dốc là 1/600 Độ

dốc đáy ngoài khơi có thể sẽ chặn dòng bùn cát nồng độ cao ở lại ngoài khơi

Khu vực này được tạo thành bởi các quá trình động lực sông, biển và sông

biển hỗn hợp Đây là vùng biển có chế độn nhật triều đều với biên độ triều lớn, lại

nằm trong vành đai khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, nên vai trò động lực thủy triều và

thực vật ưa mặn đóng vai trò quan trọng cho sự thành tạo và sự phát triển ở đây Mặt khác, do hoạt động giao thông thủy, quai đê lấn biển, khai thác tài nguyên thiên nhiên ở vùng cửa sông của con người cũng làm cho động lực phát triển của địa hình khu vực nghiên cứu thêm phức tạp Bờ biển ven biển Hải Phòng có dạng đường cong lõm của bờ tây vịnh Bắc Bộ, thấp và khá bằng phẳng, cấu tạo chủ yếu là bùn cát do các cửa sông đổ ra Địa hình vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có độ sâu không lớn,

độ dốc nhỏ

Tầng đá gốc của đảo Cát Bà là đá vôi phong hóa Tuy nhiên, theo các kết quả

khảo sát trước đây thì khu vực khảo sát Lạch Huyện là có tầng đá gốc là sét/bột kết Như vậy nghĩa là sông Lạch Huyện chảy dọc theo ranh giới đại tầng hoặc đại chất

giữa đảo Cát Bà và đảo Cát Hải

1.1.2 Mạng lưới sông chính

Các sông chính nằm trên địa bàn thành phố Hải Phòng đều là phần hạ lưu của

hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình sau khi đã qua địa phận tỉnh Hải Dương Sông chính của Hải Phòng là những sông nhánh cấp I, cấp II của hệ thống sông chung Tổng số sông của toàn vùng là hơn 50; theo thống kê có 13 con sông có chiều dài trên 10 km, còn lại phần lớn là các sông nhỏ ngắn và dốc, được phân bố chủ yếu

ở rìa phía Đông Nam và ở phần giữa và rìa của phía Tây Nam

Có thể nói, mạng lưới sông chính của Hải Phòng bao gồm 6 sông chính: Thái Bình, Văn Úc, Kinh Thầy, Bạch Đằng, Lạch Tray, Luộc

- Sông Thái Bình: thuộc loại sông lớn của thành phố, sau khi chảy qua tỉnh

Hải Dương vào Hải Phòng, sông hợp lưu với sông Luộc tại Quý Cao và đổ ra biển tại

xã Vinh Quang, huyện Tiên Lãng, có chiều dài 30 km Ở phía hạ lưu độ dốc đáy sông

nhỏ nên tốc độ chảy yếu, sông uốn khúc quanh co, nhưng nhìn chung vẫn chảy theo

hướng Tây Bắc – Đông Nam Phần lớn lượng nước của sông Thái Bình được phân lưu vào sông Văn Úc qua sông Mới – một sông có đặc điểm là khá thẳng, độ dốc lớn

Do vậy, ở phía hạ lưu sông Thái Bình, sau phân lưu sông Mới, tốc độ chảy càng nhỏ,

sự bồi lắng cũng tăng lên, độ sâu trung bình chỉ còn 2 m, chỗ rộng nhất 200 m, chỗ

hẹp nhất 50m

- Sông Văn Úc: là sông nhánh cấp II của sông Thái Bình qua Hải Dương vào

Hải Phòng tại ngã ba Kênh Đồng (ngã ba Văn Úc – Lạch Tray), có độ dốc đáy sông trung bình, độ sâu tương đối lớn, chỗ sâu nhất có thể tới 45 m (vụng La), sông uốn khúc, có nơi tạo thành vụng xoáy nước như vụng Ông ở khu vực Câu Thượng Trong sông cũng hình thành các doi bãi lớn như bãi Kênh Đồng, bãi phà Khuyển Hướng

chảy chủ yếu là Tây Bắc – Đông Nam, đổ ra biển tại xã Vinh Quang huyện Tiên Lãng dài 41 km

Sông Kinh Thầy: phần hạ lưu từ ngã ba Xi Măng ra đến cửa sông Cấm, thuộc địa phận Hải Phòng từ ngã ba Kinh Thầy – sông Hàn, đổ ra biển tại cửa Cấm với chiều dài 37 km Sông có chiều rộng tương đối lớn, trung bình là 400 m, độ sâu trung bình 0.7 m So với các sông khác ở Hải Phòng thì sông Kinh Thầy có độ uốn khúc

nhỏ nhất (1.19) Hướng chảy chủ yếu Tây Bắc – Đông Nam Dọc theo đoạn sông từ phà Kiền trở xuống có cảng lớn và nhiều bến bãi phụ; sự hoạt động tấp nập của tầu thuyền phần nào có ảnh hưởng tới chế độ dòng chảy trong sông

- Sông Bạch Đằng: đoạn thượng lưu còn được gọi là sông Đá Bạc, vào địa

phận Hải Phòng tại Dầm Dê, đổ ra biển tại cửa Nam Triệu dài 42 km Hướng chảy

chủ yếu là Tây Bắc – Đông Nam, đoạn giữa từ trên phà Rừng 4 km đến ngã ba sông

Ruột lớn có hướng chảy Bắc-Nam Chiều rộng vào loại lớn nhất của sông Hải Phòng, trung bình 1.000 m, chỗ rộng nhất đến 1.800 m, độ sâu trung bình 10 m sông có rất nhiều nhánh phụ đổ vào, nhánh lớn nhất là sông Giá Hai bên bờ phía thượng lưu thường có nhiều dãy núi đá vôi, phía hạ lưu lại có bãi triều rất rộng, có nơi thành

12

Hải Phòng Hướng chảy chủ yếu là Tây Bắc – Đông Nam, hai bên bờ có bãi triều

rộng Sông Lạch Tray là tuyến đường giao thông thủy quan trọng của thành phố

- Sông Luộc: Nối liền sông Hồng với sông Thái Bình-hai hệ thống sông lớn ở

miền Bắc Hằng năm, sông Luộc chuyển một lượng nước đáng kể từ hệ thống sông

Hồng sang hệ thống sông Thái Bình Sông Luộc đi vào địa phận Hải Phòng từ Chanh Chử, nhập lưu với sông Thái Bình tại Quý Cao, dài 18 km, chiều rộng trung bình 4.0 m Sông uốn khúc và bồi lắng mạnh mẽ

1.1.3 Đặc điểm khí tượng

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 biển – đất 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 (tháng 11 đến tháng 3 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

1.1.4 Đặc điểm thủy văn

Lượng nước của vùng châu thổ sông Hồng ảnh hưởng bởi gió mùa Tây Nam (mùa hè), xoáy thuận nhiệt đới (mùa thu) Thời kỳ dòng chảy lớn nhất trên sông xuất

hiện vào tháng VIII, dòng chảy nhỏ nhất xuất hiện vào tháng III

Hàng năm, hệ thống sông Hồng – sông Thái Bình cung cấp khoảng 120 tỷ m3

nước và 114 triệu tấn phù sa cho vùng ven bờ Lượng vật chất này chủ yếu qua 9 cửa sông chính: Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình, Trà Lý, Ba Lạt, Ninh

Cơ và Đáy Trong đó vùng cửa sông Lạch Huyện chịu tác động trực tiếp của các sông Bạch Đằng, Cấm Chế độ dòng chảy ở các sông này cũng như các sông khác thuộc hệ thống sông Hồng – Thái Bình có đặc điểm là biến động mạnh theo mùa Phân tích từ các chuỗi số liệu nhiều năm cho thấy lượng nước hằng năm tập trung

chủ yếu vào các tháng mùa mưa (từ tháng 6 – 9) hằng năm Trong khi đó các tháng còn lại lượng chảy hầu như rất nhỏ Trong mùa mưa Lưu lượng chảy trung bình của các sông ra biển biến đổi trong khoảng 300 – 2200 m3/s, trong khi các tháng mùa khô, lưu lượng nước trung bình chỉ dao động quanh giá trị 50 – 300 m3

/s

1.1.5 Đặc điểm hải văn

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

14

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 m Trong đó sóng lớn hơn 1.0 m chiếm khoảng 13%

1.1.6 Sự phân bố trầm tích đáy

Từ những năm 1990 đến nay, trầm tích đáy đã được lấy mẫu nhiều lần, như

vậy là có đủ thong tin cần thiết để nghiên cứu thành phần trầm tích đáy của Vịnh Hải Phòng

Tổng hợp về các cỡ hạt, tức là về tỷ lệ phần trăm bột phù sa/sét (<63 micromet BS) tạo lên sa bồi đáy năm 2000, được trình bày trong Hình 1.2 Trong khu

vực luồng Lạch Huyện, tỷ lệ này thể hiện điều kiện của khu vực ban đầu trước khi

nạo vét luồng Lạch Huyện để chỉ ra hình dạng các doi cát ban đầu

Hình 1.2: Sự phân bố trầm tích đáy (khảo sát trong dự án nâng cấp cảng Hải Phòng 2)

Vịnh Hải Phòng và các khu vực sông lớn khác bị bồi tụ bởi sét, bột phù sa, cát min và các trầm tích khác Hiếm có hạt bùn cát với đường kính lớn hơn 250 micromet

Theo kết quả lấy mẫu trầm tích đáy tại khu vực Nam Triệu ngay tại cửa Sông

Cấm, trầm tích đáy ở đây có nồng độ bùn cao và chủ yếu có cỡ hạt < 63 micromet Hình 1.3 cho thấy kết quả của phân tích cỡ hạt qua sàng tại khu vực này Kết quả phân tích cỡ hạt qua sàng tại khu vực Lạch Huyện được thể hiện trong Hình 1.4 D50

là khoảng 0.01 mm, lớn hơn cỡ hạt trầm tích đáy luồng Nam Triệu

16

Hình 1.3: Phân tích các hạt qua sang của mẫu trầm tích đáy ở luồng Nam Triệu

Hình 1.4: Phân tích các hạt qua sang của mẫu trầm tích đáy ở luồng Lạch Huyện

1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

Ước tính dân số của 6 xã có ảnh hưởng nhiều nhất bởi dự án xây dựng cảng

Lạch Huyện là 15993 người (4045 hộ), trên tổng số 29797 người của Huyện Cát Hải (tính đến năm 2010) Tỷ lệ hộ nghèo của 6 xã là từ 7.4% (xã Phù Long) đến 10% (thị

trấn Cát Hải)

Nguồn thu nhập chính của các xã của huyện Cát Hải chủ yếu là từ việc sản

xuất muối, nuôi trồng và đánh bắt cá Theo các hộ làm muối thì sản lượng muối bị

giảm dần do số ngày mưa tăng dần Việc giảm sản lượng này có tác động không tốt lên kinh tế của các hộ gia đình, nhất là trong khi chi phí sinh hoạt lại tăng lên Sản

xuất nông nghiệp và chăn nuôi là loại hình kinh tế có thể thấy ở các xã này, tuy nhiên

đây là hình thức tự sản tự tiêu Hầu hết các hoạt động kinh tế chính ở 6 xã này đều

phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và bị tác động bởi sự thay đổi của môi trường như

thời tiết, những công trình xây dựng quy mô lớn, những hoạt động sản xuất kinh doanh quy mô lớn

Ngoại trừ việc chưa có hệ thống cung cấp nước máy, còn lại các công trình hạ

tầng xã hội cơ bản khá đầy đủ Mạng lưới đường bộ được nâng cấp, phát triển, dịch

vụ vận tải bằng phà và tàu cao tốc thường xuyên cho phép người dân ở những xã này

tiếp cận với các dịch vụ xã hội và hoạt động giao thương cần thiết Các cuộc họp

giữa các bên liên quan của 6 xã bị ảnh hưởng từ dự án cho thấy việc cung cấp nước máy từ thành phố Hải Phòng qua cầu Tân Vũ – Lạch Huyện là nhu cầu cấp thiết nhất

của người dân Cát Hải

Mỗi năm có hơn 1300 lượt tàu vào làm hàng tại cảng Hải Phòng Tất cả những tàu này đều phải đi trên luồng tàu đã nạo vét và có phao tiêu báo hiệu Giao thông trên luồng thường tập trung vào thời gian luồng có mực nước cao Ngoài ra, trong số tàu thuyền đi trên luồng có rất nhiều sà lan các cỡ tới vài trăm tấn Đây là các sà lan

tự hành hoặc sà lan có tàu lai dắt Sà lan có thể đi thành từng đội tới 4 chiếc Khi có tàu lớn đi trên luồng đểvào cảng, sà lan có thể chuyển sang sử dụng hệ thống sông

nối với sông Cấm, và do có mớn nông nên sà lan có thể đi trên luồng đã nạo vét hoặc

đi ở ngoài luồng

18

Hình 1.5: Sơ đồ Vị trí các trạm quan trắc

1.4 Hiện trạng sa bồi luồng cửa Lạch Huyện

Đầu tiên, luồng Lạch Huyện hiện tại được đào từ mặt đất tự nhiên xuống cao

độ đáy 7.8 – 8.0 m trong khuôn khổ dự án cải tạo nâng cấp cảng Hải Phòng giai đoạn

2 để sử dụng làm luồng tàu dẫn vào cảng Hải Phòng thay vì luồng Nam Triệu Công tác nạo vét cơ bản đã hoàn thành cuối năm 2005 Theo số liệu khảo sát đo sâu định

kỳ của 5 năm sau khi nạo vét cơ bản, hiện tượng sa bồi luồng Lạch Huyện được tổng

hộp trong Hình 1.6 Đồ thị này cho thấy ở giai đoạn luồng trong có mức độ sa bồi không đáng kể, nhưng ở giai đoạn luồng ngoài, giữa lý trình Km 36 – Km 42 có sa

bồi cục bộ, nơi kết thúc doi cát dọc luồng

Hình 1.6: Khối lượng sa bồi lũy kế hàng năm tại các vị trí dọc luồng

Và Hình 1.7 cho thấy khối lượng sa bồi tích lũy trong 5 năm Có thể thấy rõ,

khối lượng sa bồi của năm đầu tiên là lớn hơn so với rất nhiều so với năm thứ 2 và

sau đó

Hình 1.8 cho thấy sự biến đổi của đường tim luồng theo trắc dọc Theo đó, có thể

thấy rõ tại lý trình Km 33 – Km 41 luồng được nạo vét quá mức so với cao độ thiết

kế là từ 1 đến 2 m

Hình 1.7: Khối lượng sa bồi lũy kế trong 5 năm

20

Hình 1.8: Biến thiên độ sâu tại đường tim luồng

1.5 Kết Luận

Điều kiện tự nhiên và xã hội nơi đây, cùng với nhu cầu về vận tải thủy của đất

nước, thì việc xây dựng cảng nước sâu Lạch Huyện là rất triển vọng khi dự án hoàn

thành sẽ đáp ứng được nhu cầu của đất nước

Tuy nhiên khu vực cảng Lạch Huyện thuộc lưu vực hệ thống sông Hồng nên

hàng năm lượng bùn cát từ thượng lưu đổ ra khu vực cửa sông Cấm – Bạch Đằng là

rất lớn với diến biến khá phực tạp Trong khi đó với các công trình cảng thì việc sa

bồi tại luồng dẫn và khu vực cảng là ảnh hưởng rất nghiêm trọng tới năng suất cảng

Vì vậy, tại các nội dung tiếp theo của luận văn, tác giả sẽ đi sâu vào phân tích diễn

biến bùn cát tại khu vực

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN

2.1 Tổng quan về mô hình thủy động lực

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật nói chung, các mô hình toán ứng dụng ngày càng được phát triển nhanh Các

mô hình toán với các ưu điểm như cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán, v.v đang trở thành một công cụ mạnh, phục vụ đắc

lực trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trường

Vấn đề xây dựng mô hình toán học thủy văn không phải là hoàn toàn mới Ngay từ khi bắt đầu phát triển của thủy lực học đã có sự liên hệ chặt chẽ với cơ sở toán - lý trong sự tạo thành những mô hình toán cơ bản của hàng loạt các quá trình

thủy lực Có thể coi mô hình về dòng thấm của Green-Amp (1911), đường đơn vị Sherman (1932) và phương pháp tương quan hợp trục của Linsley (1949) là sự

những bước đi đầu tiên trong mô hình hoá Ngày nay các mô hình tất định và ngẫu nhiên đã thu được rất nhiều thành tựu Các mô hình này đã góp phần đáng kể trong các bài toán tính toán và dự báo thủy văn, thủy lực Tuy nhiên do sự phức tạp của các quá trình thủy văn, do thiêu những tài liệu thực nghiệm và các khái niệm vật lý chuẩn xác cùng với sự phát triển chưa đầy đủ của các công cụ toán học và phương pháp tính nên nhiều bài toán thủy lực thiếu cơ sở vật lý-toán Một hướng khác để mô phỏng các quá trình thủy lực là mô hình hoá hệ thống đã ra đời cho phép mô hình hoá nó mà không cần biết chi tiết các quá trình vật lý xảy ra bên trong hệ thống

Việc ra đời của máy tính và phương pháp tính làm tăng mối quan tâm đến việc xây dựng các mô hình toán thủy văn, thủy lực và đưa nó vào sản xuất Trong những năm gần đây nó đã tạo một hướng nghiên cứu độc lập, có các bài toán và phương pháp riêng Những bài toán trước đây như giải hệ phương trình vi phân chuyển động không ổn định (hệ phương trình Saint Venant) phải đơn giản hoá thì ngày nay có thể

giải đầy đủ bằng các mô hình một chiều, hai chiều, ba chiều Việc giải hệ thống Saint Venant đã thu hút cả các nhà toán học, những người quan tâm đến ứng dụng thực tế

của phương pháp giải bằng số các phương trình vi phân cũng như các nhà thủy văn

22

học, những người muốn đưa các kỹ thuật và phương pháp tính hiện tại vào các tính toán thủy văn, thủy lực

Mô hình toán thủy văn ngày nay được phát triển rộng rãi và ứng dụng trong

tất cả các lĩnh vực liên quan đến thủy văn học Ở Việt Nam, mô hình toán được đưa vào từ cuối những năm 1950 với các mô hình SSARR(1956), Delta(1970) cho đồng

bằng sông Cửu Long Sau đó là việc sử dụng các mô hình Muskingum(1938), Kalinin - Miliucov(1964), Tank(1968) trong những năm 1960 - 1980 Trong những năm gần đây rất nhiều mô hình thủy lực-thủy văn tất định, ngẫu nhiên, 1 chiều đến 3 chiều được sử dụng cho các bài toán dự báo, tính toán thủy văn, tính toán thủy lực,

bảo vệ môi trường và thu được những kết quả cao

đủ có tính đến tất cả các hiểu biết của chúng ta về vật lý của sóng gió và có thể áp

dụng cho tất cả mọi trường hợp là quá đắt Thay vào đó, một loạt các mô hình được đưa ra để áp dụng cho các trường hợp đặc biệt Để chọn một mô hình thích hợp nhất

cần phải hiểu tính quan trọng tương đối của các quá trình vật lý Battjes (1994) đã phân loại các mô hình trong đó miền áp dụng được chia thành 4 như sau:

* Nước sâu, ảnh hưởng của đáy là có thể bỏ qua

* Thềm lục địa – miền giữa nước sâu và nước nông

* Miền nước nông mà tại đó hiệu ứng nước nông là quan trọng

* Cảng mà tại đó cần phải tính đến tương tác giữa sóng và một công trình nào

đó (như đập phá sóng, dàn khoan dầu khí, đảo, dải đá ngầm v.v )

Các mô hình có thể được chia thành hai loại mô hình: mô hình phân giải pha có tính đến biên độ và pha của các sóng thành phần và mô hình trung bình pha chỉ tính được các đại lượng trung bình như phổ hay các đặc trưng tích phân (H , f , v.v.)

Nếu như các đặc trưng trung bình pha thay đổi nhanh (với bậc vài bước sóng) thì nói chung cần phải dùng một mô hình phân giải pha Ngược lại, nếu các tính chất sóng thay đổi chậm, trên kích thước rất nhiều bước sóng thì nói chung là một mô hình trung bình pha là áp dụng được

 Mô hình phân giải pha

Các mô hình phân giải pha được chia thành các loại như sau :

- Mô hình Navier – Stokes 3 chiều khép kín rối

- Mô hình dòng thế 3 chiều

- Mô hình áp suất tính, giả 3D

- Mô hình sóng nước nông

- Mô hình Boussinesq

- Mô hình sóng trên mái dốc thoải

- Đại diện là các mô hình : POM, Delft3D, Mike 21 HD

 Mô hình trung bình pha

- Các mô hình trung bình pha dự báo các tính chất trung bình hay tích phân của trường sóng Dưới dạng đơn giản nhất, các đại lượng này có thể là độ cao sóng có nghĩa hay chu kỳ đỉnh Tuy nhiên, một cách chung hơn, các mô hình trung bình pha

hiện đại dự báo biến đổi không gian và thời gian của phổ hướng

- Các mô hình trung bình pha này giải phương trình cân bằng năng lượng phổ sóng Đầu tiên là các phương trình cân bằng năng lượng phổ được rút ra Sau đó sẽ

mô tả tóm tắt một số mô hình số trị để giải các phương trình này

- Đại diện là các mô hình: WAM, Wave Watch III (nước sâu), SWAN (gần bờ, có tương tác với dòng chảy)

Không có loại mô hình nào là ưu việt hơn và thường là dải áp dụng của chúng

là không trùng lặp Tuy nhiên, Battjes (1994) kết luận rằng: “Các mô hình phân giải

pha cần nhiều thời gian tính toán đến nỗi chỉ nên dùng chúng khi mà có yêu cầu nghiêm ngặt” Trong số các quá trình sóng, chỉ có nhiễu xạ và tương tác phi tuyến

triad yêu cầu được mô phỏng bằng mô hình phân giải pha Do đó, miền áp dụng của các mô hình phân giải pha thường là chỉ giới hạn tại tương tác sóng và công trình (cảng v.v.) và miền gần bờ mà ở đó tương tác triad là quan trọng

( ,θ)

S

24

2.3 Tổng quan về mô hình vận chuyển bùn cát

Sự vận chuyển bùn cát là yếu tố quan trọng cho sự thay đổi mái dốc bờ biển 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 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

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 chiều thẳng 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

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

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 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

Năm 2004, Wahyu W Pandoe và Billy L Edge ứng dụng mô hình 3D tính toán dòng chảy và vận chuyển bùn cát dọc bờ biển vịnh Mexico và dọc bờ

ADCIRC-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 Guy Simpsona, Sebastien Castelltort, 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

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 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 chuẩn CFL

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, Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Cơ học, Viện Hải dương

Học Nha Trang Các khu vực xói lở và bồi tụ tiêu biểu có thể kể đến như Cát Hải (Hải Phòng), Hải Hậu (Nam Định), Hậu Lộc (Thanh Hóa ), Gò Công Đông (Tiền Giang), Ngọc Hiển (Bạc Liêu),

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

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

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

2.4 Mô hình EFDC

2.4.1 Giới thiệu chung

Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) là một phần mềm mô hình toán có khả năng dự báo, tính toán và mô phỏng các quá trình dòng chảy, lan truyền có tính đến các quá trình sinh - địa - hóa trong sông, trong hồ chứa, các vùng

cửa sông… Mô hình được cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ US EPA phát triển từ

những năm 1980, đến 1994 được các nhà khoa học Viện Khoa Học Biển Virgina tiếp

tục xây dựng Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình động lực, nguyên

tắc bảo toàn khối lượng và bảo toàn thể tích Mô hình là mô hình đa chiều (1 chiều, 2 chiều, 3 chiều) nên có khả năng đạt độ chính xác cao trong việc mô hình hóa các hệ

28

thống đầm lầy, đất ngập nước, kiểm soát dòng chảy, các dòng sinh sóng gần bờ và các quá trình vận chuyển trầm tích

2.4.2 Cấu trúc mô hình EFDC

Hiện nay mô hình EFDC đã qua nhiều phát triển, cập nhật và gồm 4 modul chính sau (Hình 2.1):

- Mô hình thủy động lực học

- Mô hình chất lượng nước

- Mô hình vận chuyển trầm tích

- Mô hình lan truyền, phân hủy các chất độc trong môi trường nước mặt

Kết quả tính toán từ mô hình thủy động lực học (như độ sâu, vận tốc, tốc độ xáo

trộn…) được kết hợp và sử dụng trực tiếp trong các modul còn lại như mô hình chất lượng nước, mô hình vận chuyển bùn cát và mô hình lan truyền, phân hủy độc chất

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản mô hình EFDC

Mô hình thủy động lực học EFDC gồm 6 modul lan truyền vận chuyển, bao gồm: động lực học, chất tải, nhiệt độ, độ mặn….(Hình 2.2)

Hình 2.2: Cấu trúc mô hình thủy động lực học EFDC

Mô hình EFDC

Mô hình thủy

động lực học MH chất lượng nước MH vận chuyển bùn cát

MH lan truyền chất độc

MH thủy động lực

học Động lực

2.4.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình thủy động lực EFDC

Mô đun thủy động lực của mô hình EFDC dựa trên hệ phương trình thủy tĩnh 3 chiều

viết cho hệ tọa độ theo phương thẳng đứng và tọa độ cong trực giao nằm ngang

m H y x P P atm m y x Z z x H z P

b m

m m H x y x m H y u y m H x v z m m x y t

30

x, y: là tọa độ nằm ngang trực giao;

u, v: tương ứng là vận tốc ngang trong lưới tọa độ cong trực giao x, y;

Q sw : lưu lượng nước đến;

Q GW : lưu lượng nước ngầm chảy vào dưới đáy lớp bùn cát;

B: tổng chiều dày lớp bùn cát đáy (lớp bùn cát có khả năng bị xói);

Q H : gồm lượng trữ ban đầu, lượng nước do mưa rơi xuống, lượng dòng bên gia nhập

và chảy ra khỏi đoạn kênh

Ở đây hệ số nhớt rối liên quan đến ứng suất tiếp, áp suất khí động lực học liên

quan đến mật độ nước Áp suất động lực nước được viết bởi phương trình sau:

η= + (2-8)

Với 𝑍𝑏𝑏∗ là cao trình đáy tính toán vận chuyển bùn cát đáy

Cao trình mặt nước được xác định như sau:

*

Z s H

2.4.4 Cơ sở lý thuyết vận chuyển bùn cát mô hình EFDC

a) Động lực quá trình xói mòn và vận chuyển bùn cát

Xói mòn: Khối lượng dòng bùn cát (g/cm2/s) gồm pha rắn và lỏng (không có không

khí) có thể xác định như sau Giả sử tỷ trọng của hạt vật liệu là r s, tổng thể tích khối

các hạt vật liệu là x s , tỷ trọng của nước làr w, và thể tích nước chiếm chỗ trong khối

hạt vật liệu là x w Dung trọng của khối đất-nước sẽ là:

Trong đó r s= 2.6 g/cm3 và r w = 1.0 g/cm3 Nhờ biết được dung trọng của đất

nên khối lượng dòng xói mòn (g/cm2/s) bằng tích tốc độ xói mòn E (cm/s) và x s p s

Do tốc độ xói mòn biến đổi theo chiều sâu và tính chất đất đáy sông nên trong

mô hình số đất đáy sông được được phân ra các lớp mỏng Do tốc độ xói mòn chỉ

được xác định đối với các giá trị ứng suất cắt nhất định nên nội suy tuyến tính được

sử dụng để xác định tốc độ xói mòn cho các giá trị khác của ứng suất cắt, t b, cụ thể

trong đó m là số liệu đối với ứng suất cắt bé hơn t b

và m+1 đối với ứng suất cắt lớn

trong đó T là chiều dày lớp đất, T o là chiều dày lớp đất ban đầu, L và L+1 tương ứng

chỉ bề mặt trên và đáy của lớp đất ở trạng thái ban đầu Phương trình (2-12) và (2-13)

có thể liên kết để xác định tốc độ xói mòn qua ứng suất cắt và chiều sâu

b) Vật liệu lơ lửng và di đáy:

Khi đất đá đáy lòng sông bị xói mòn, một phần trong chúng tham gia vào vật

liệu lơ lửng, một phần di chuyển trên mặt đáy (di đáy) Các thành phần này phụ

thuộc vào đường kính hạt và ứng suất cắt Người ta lập luận cho rằng, hạt đường kính

nhỏ hơn 200mm thường là thành phần lơ lửng Hạt có đường kính lớn hơn 200mm

tham gia cả thành phần lơ lửng, cả di đáy phụ thuộc vào cả đường kính hạt và ứng

suất cắt Chẳng hạn đối với hạt đường kính nhất định có thể bắt đầu bị đẩy vào trạng

thái lơ lửng hoặc di đáy khi ứng suất cắtt cs (N/m2) theo Van Rijn's (1984b) là:

Với t b >t csvật liệu được chuyển động ở cả hai trạng thái lơ lửng và di đáy với thành

phần di đáy, f, tăng với t b từ f = 0 đến f đạt tới 1 Với t blớn hơn giá trị đó vật liệu vận chuyển hoàn toàn ở trạng thái lơ lửng

Guy và nnk (1966) đã thực hiện thí nghiệm chi tiết vận chuyển bùn cát đối với

vật liệu đường kính hạt trung bình, d50, từ 190mm đến 930mm Các tác giả thu được kết quả về tỷ số giữa vận tốc cắt (u0 = τ ρb w)

và vận tốc chìm lắng tăng theo sự tăng tỷ lệ giữa thành phần lơ lửng và di đáy q s /q t:

khi cs khi

s qs

liệu bị xói mòn chuyển sang trạng thái di đáy, E b, bằng tích của tổng lượng dòng vật

liệu xói mòn có kích thước hạt xác định và (1-q s /q t) Dòng vật liệu có nhóm kích

thước hạt k được tính như sau:

Vật liệu lơ lửng: Phương trình mô tả vận chuyển vật liệu lơ lửng trong không gian hai chiều (trung bình trên toàn thủy trực) theo thời gian được viết như sau:

xuống đáy, D s:

Các phương trình trên áp dụng cho vật liệu mọi cấp hạt k

Cần có các tính toán thêm để tính nồng độ vật liệu lơ lửng gần đáy phục vụ tính toán thành phần lắng đọng-tích tụ Vật liệu lơ lửng không phân bố đồng đều theo chiều sâu cột nước (thủy trực) Nhưng nếu giả sử phương trình ổn định cân bằng một chiều của quá trình chìm lắng và phân tán thẳng đứng của hạt vật liệu thì mặt phân

bố nồng độ vật lơ lửng theo mặt cắt của vật liệu có kích thước cấp hạt cụ thể có thể biểu diễn gần đúng như sau:

34

Trong dòng nước chảy, sự lắng đọng vật liệu ảnh hưởng bởi chế độ chảy rối thể

hiện một cách định lượng qua ứng suất cắt Trong trường hợp này, xác suất P k của

quá trình lắng đọng của vật liệu nhóm kích thước k có thể đưa ra để thể hiện ảnh

hưởng của ứng suất cắt:

bé hơn 200 mm, theo Krone (1962) xác suất lắng đọng thay đổi như sau:

Pk khi τb ≥τcs ; Pk −τ τb cs τb ≤τcs (2-24) Đối với vật liệu không dính có kích thước hạt lớn, kích thước hạt hữu hiệu lớn hơn 200mm, Gessler (1967) cho thấy xác suất lắng đọng có thể tuân thủ quy luật phân bố Gauss hoặc hàm số độ lệch (error function):

τ cs,k là ứng suất cắt tới hạn đối với kích thước hạt k và là độ lệch chuẩn của

ứng suất cắt (theo Gessler là 0.57)

Công thức gần đúng khi Y>0 (sai số nhỏ hơn 0.001%) là:

1 0.4632 0.1202 0.9373

2 exp 0.5

1 0.332Khi 0 : 1

Vật liệu di đáy: Phương trình cân bằng Van Rijn's (1984a) vận chuyển bùn cát di đáy

w

b b b b

Trong đó u b là vận tốc dòng vật liệu di đáy (cm/s) theo hướng đang xem xét, h b là

chiều dày lớp vật liệu di đáy (cm), và w là chiều rộng mặt đáy đang tính toán (cm)

Vận tốc và chiều dày lớp vật liệu di đáy theo công thức Van Rijn's (1984a):

0.6 0.6 0.9

Dòng vật liệu giữa đáy và lớp vật liệu di đáy, Q b, được tính bằng hiệu giữa lượng xói

mòn đáy, E b , và lượng vật liệu lắng đọng xuống đáy, D b:

là f k E b ; từ đó suy ra xác suất lắng đọng của vật liệu kích thước hạt k :

Trong phương trình này có sử dụng giả thiết về cân bằng động lực giữa xói mòn và

lắng đọng đối với vật liệu cấp hạt k

Quá trình thô hóa: Theo thời gian sự giảm tốc độ xói mòn hoặc sự thô hóa có thể xảy

ra Để mô tả được quá trình này giả sử rằng lớp đất mỏng (lớp đất hoạt tính) được hình thành trên bề mặt đáy Sự tồn tại và tính chất của lớp hoạt động này cho phép quá trình xói hoặc lắng đọng vật liệu trong lớp này mà không là xáo động lớp đất bên dưới Van Niekerk và nnk (1992) đã đề xuất chiều dày lớp này có thể tính gần đúng

d50là đường kính hạt chiếm 50% khối lượng và trong mô hình có thể lấy bằng giá trị đường kính trung bình

Bởi vì chiều dày lớp hoạt động này, T a, là hằng số trong mô hình nên có thể có

ba trường hợp xảy ra: 1) Chỉ xảy ra xói mòn trong lớp này và giả sử chiều dày bị xói

mòn là T , thì chiều dày phải thêm cho lớp hoạt động này là T để chiều dày của nó vẫn

là T a và lớp đất bên dưới bị trừ đi T; 2) Chỉ xảy ra lắng đọng trong lớp này và giả sử chiều dày bồi lắng là T, thì chiều dày phải bớt đi của lớp hoạt động này là T để chiều dày của nó vẫn là T a và lớp đất bên dưới có chiều dày cộng thêm T và kích thước hạt

là của lớp hoạt động này; và 3) Không xảy ra xói mòn hoặc bồi lắng ở lớp này

Hình 2.3: Sơ đồ vận chuyển bùn cát do dòng chảy