nghiên cứu cơ sở động lực sóng,dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện quảng trạch i tỉnh quảng bình

Vấn đề diễn biến và các yếu tố động lực vùng cửa sông, bờ biển đã được thế giới quan tâm từ lâu, song những nghiên cứu có tính chất phương pháp luận đánh giá chế độ động lực vùng cửa sôn

ƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Bùi Minh Hạnh

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐỘNG LỰC SÓNG, DÒNG CHẢY

PHỤC VỤ XÂY DỰNG CẢNG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

QUẢNG TRẠCH I – TỈNH QUẢNG BÌNH

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Trương Văn Bốn

2 PGS.TS Nguyễn Trung Việt

Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện với tất cả sự nỗ lực của bản thân tác

giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy

đóng góp một phần nhỏ của mình vào công tác nghiên cứu, đánh giá, tính toán về động lực sóng, dòng chảy khu vực dự án xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I thuộc vùng phía nam Mũi Độc Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng của bản thân còn có sự giúp đỡ

lớn lao của các thầy cô, bạn bè và gia đình

Tác giả Luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Trung

Việt, TS Trương Văn Bốn; các thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình tác giả trong quá trình thực

hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới Phòng Đào tạo đại học và Sau đại học, các thầy cô giáo đã giảng dạy trong quá trình học tập; tạo điều kiện giúp đỡ, cung cấp tài liệu cho tác giả hoàn thành luận văn

Tác xin xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm Quy hoạch, Điều tra, Đánh giá tài nguyên – môi trường biển và hải đảo – Tổng cục Biển và hải đảo Việt Nam , các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã tạo điều kiện giúp đỡ và động viên tác giả hoàn thành luận văn

Tuy nhiên trong khuôn khổ một Luận văn thạc sỹ, do điều kiện thời gian hạn chế và trình độ có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Qua Luận văn tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Hà N ội, tháng 11 năm 2011

Tác giả

Luận văn Thạc sĩ i Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

3.1.2.110T 10TĐiều kiện khí hậu 10T29

Chế độ gió, nước dâng cho bão

Luận văn Thạc sĩ iii Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

10TU

Hình 3.1 Khu vực nghiên cứu xây dựng cảng nhập nguyên vật liệu phục vụ nhà

máy Nhiệt diện Quảng Trạch IU 29

10TU

Hình 3.2 Hàm tương quan mực nước giữa Mũi Độc (thực đo) và Cửa Gianh (dự

tính theo bảng thủy triều) từ 11h ngày 09/09/2009 đến 19 h ngày 11/09/2009.U 34

Hình 3.5 So sánh mực nước từng giờ giữa dự tính trong bảng thủy triều và mô

hình tính từ 5h ngày 10/01/2009 đến 5h ngày 15/01/2009 tại Cửa Gianh.U 41

10TU

Hình 3.6 So sánh mực nước từng giờ giữa dự tính trong bảng thủy triều và mô

hình tính từ 5h ngày 10/01/2009 đến 5h ngày 15/01/2009 tại Ròn.U 41

10TU

Hình 3.7 So sánh mực nước từng giờ giữa thực đo và mô hình tính từ 11h ngày

09/09/2009 đến 17h ngày 11/09/2009 tại Mũi Độc.U 42

Bảng 3.4 Mực nước cực đại thủy triều (tại Tân Mỹ) và nước dâng do bão (khu

vực ven bờ Quảng Bình) với các chu kỳ lặp khác nhau.U 33

10TU

Bảng 3.5 Tần suất và suất bảo đảm mực nước tại Cửa Gianh theo chuỗi chu kỳ

19 năm (Hệ cao độ Quốc gia).U 35

10TU

Bảng 3.6 Tần suất mực nước P% giờ tại Cửa Gianh (Hệ Hải đồ) và Mũi Độc

(tính qua hàm tương quan – hình 3.2).U 36

Bảng 3.9 Bảng tổng hợp vận tốc dòng triều lớn nhất trong một chu kỳ với các

phương án công trình khác nhau.U 48

10TU

Bảng 3.10 Hoa gió trạm Cồn Cỏ (1992-2001).U 49

Luận văn Thạc sĩ 1 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trước khi xây dựng bất kì công trình cảng nào ngoài biển người ta đều phải nghiên cứu đến chế độ sóng, dòng chảy, vận chuyển bùn cát các yếu tố này ảnh hưởng đến luồng lạch ra vào cảng, ảnh hưởng đến việc bồi lắng trước cửa và trong

cảng, ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy trong cảng, ảnh hưởng đến chiều cao sóng phía trong cảng đặc biệt là trong điều kiện thời tiết bất lợi có sóng lớn Việc tính toán chế độ sóng từ ngoài khơi lan truyền vào trong cảng là yếu tố quan trọng nhất

vì nó sẽ quyết định đến việc xây dựng các đê chắn sóng phía ngoài sao cho hợp lý

nhất tức là sóng ngoài biển ảnh hưởng vào phía trong cảng là ít nhất Để làm được

việc này ta cần tính toán mô phỏng với nhiều trường hợp cửa vào cảng khác nhau và

chế độ sóng khác nhau, đặc biệt quan tâm đến hướng sóng chính có chiều cao sóng

lớn thường xuyên tác dụng vào khu vực cảng Từ trường sóng tính toán lan truyền vào trong cảng, ta có thể biết được khu vực nào trong cảng chịu tác động của sóng

là lớn nhất để từ đó ta có các biện pháp bảo vệ cũng như gia cố khu vực này

Vai trò quan trọng của hệ thống cảng biển đối với phát triển kinh tế nói chung và phát triển công nghệ nói riêng là vô cùng to lớn nên trong 10 năm qua Nhà nước đã tập trung vốn đầu tư cho một số cảng biển trọng điểm trên toàn quốc và đã ban hành nhiều chính sách để thu hút nguồn vốn nước ngoài vào đầu tư xây dựng, nâng cấp cảng biển nước ta Khu vực cảng Hòn La (Quảng Bình) được quy hoạch

để xây dựng cầu cảng gần Mũi Độc với vai trò chung là phát triển kinh tế và mục tiêu chủ đạo là phục vụ việc vận chuyển nguyên vật liệu cho sản xuất của nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I Với vai trò quan trọng như vậy nên việc xây dựng cảng

phải được tính toán kỹ lưỡng để làm việc an toàn, hợp lý về vị trí và kích thước cầu

cảng, hạn chế những ảnh hưởng của các điều kiện bất lợi do thiên nhiên (thủy triều, sóng, v.v…); muốn vậy thì việc phân tích các quá trình động lực: triều, sóng, bùn cát khu vực Mũi Độc phải được thực hiện tính toán cẩn thận và chính xác

Do vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ chế động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây

d ựng cảng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình” là cấp thiết và

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Xác lập được cơ sở khoa học về động lực sóng, dòng chảy xung quanh khu

vực nghiên cứu; từ đó đề xuất được các giải pháp hợp lý xây dựng cảng

3 Đối tượng nghiên cứu

Động lực sóng, dòng chảy tại khu vực nghiên cứu xây dựng cầu cảng nhập nguyên vật liệu phục vụ nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình trong điều kiện có và không có công trình cầu cảng

4 Phương pháp nghiên cứu

− Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, khảo sát bổ sung các số liệu địa hình, thủy văn, dòng chảy, chế độ thủy triều

− Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có;

khu vực Mũi Độc, tỉnh Quảng Bình

5 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn bao gồm các phần sau đây:

Phần mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài, mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan nghiên cứu về cơ chế động lực sóng, dòng chảy vùng

Luận văn Thạc sĩ 3 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

LỰC SÓNG, DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VEN BỜ

1.1 Các nghiên c ứu trên thế giới

Các hoạt động của con người nói chung có tác động làm biến đổi nhất định đến môi trường Một điều dễ dàng nhận thấy rằng, các hoạt động của con người mang những thay đổi có lợi đến môi trường trong nhiều trường hợp môi trường đang phải chịu đựng bị tàn phá Tuy nhiên, về mặt nào đó, con người cũng tổn hại đến môi trường tự nhiên (French, 1997)

Vấn đề diễn biến và các yếu tố động lực vùng cửa sông, bờ biển đã được thế

giới quan tâm từ lâu, song những nghiên cứu có tính chất phương pháp luận đánh giá chế độ động lực vùng cửa sông, bờ biển mới xuất hiện hơn 01 thế kỷ qua và chủ

yếu đi sâu đánh giá đặc điểm thủy, động lực vùng cửa sông, ven biển có xét đến

hoạt động của con người

Những biện pháp chỉnh trị cửa sông bằng công trình hoặc kết hợp nạo vét với công trình chỉnh trị mới xuất hiện giữa thế kỷ XIX Phải đến đầu thế kỷ XX, một số nước phát triển đã tiến hành việc nghiên cứu chỉnh trị cửa sông trên mô hình vật lý Escoffier(1940)(http://beach10.beaches.fsu.edu/Todd's%20Web%5CEscofCurve%5

thiệu một đường cong ổn định thuỷ lực, được gọi là biểu đồ Escoffier, trong đó vận

tốc dòng chảy lớn nhất được vẽ quan hệ với diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy

Tiếp sau đó là một loạt các nghiên cứu sâu về phân loại cửa sông, nguyên nhân và

cơ chế gây bồi lấp các cửa sông Tiêu biểu là các nghiên cứu về phân loại cửa và ổn định cửa sông

củaHayes(1979);Niemeyer(1990)(http://users.coastal.ufl.edu/~arnoldo/ftp/papers/valleetalestuaries2007reloncavi.pdf), các nghiên cứu về ổn định cửa bằng phương pháp phân tích hệ thống của Escoffier (1940, 1977) của Kreeke (1990),

bằng các mô hình nhận thức của De Vriend (1994) cho tới các mô hình toán mô

phỏng hình thái theo không gian 3 chiều của De Vriend, Wang, … (1995, 2004)

Gần đây, trên thế giới đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về động lực bùn cát, sự di chuyển bùn cát lơ lửng và di đáy ở vùng cửa sông, đáng lưu ý là Bijker E.W, Engelund & Fredsoe, Engelund & Hansen, Meyer Peter & MiFller, Bogardi J.L, Coleman J.M, Graf W.H, V.N.Mikhalov Nhiều nhà nghiên cứu đã đi sâu phân loại cửa sông, có đề cập đến nguyên nhân hình thành như Vamodi V.A Bên cạnh đó, các thành tựu mới có được từ những nghiên cứu lý thuyết các quá trình phát triển Delta và động lực ven bờ như Ven Techow, GA.Skrintunov, V.N.Mikhalov, I.V.Popov Tuy nhiên, đó là các phương pháp luận nên chưa làm sáng tỏ cơ chế của quá trình hình thành mạng lưới sông gắn liền với quá trình hình thành và phát triển Delta, do đó, việc áp dụng vào thực tiễn nghiên cứu, dự báo diễn

biến lòng dẫn vùng cửa sông còn nhiều hạn chế

Cùng với nghiên cứu chế độ động lực và bùn cát, việc nghiên cứu diễn biến

cửa sông, bờ biển cũng được phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như Hà Lan, Mỹ, Anh, Bỉ, Nhật Bản, Trung Quốc trong đó, việc nghiên cứu, tính toán vận chuyển bùn cát và biến động đường bờ đã được hoàn thiện ở mức độ cao

Thực tế diễn biến bồi lấp và xói lở các cửa sông trên thế giới cho thấy hiện tượng bồi, xói xảy ra có thể trong một khoảng thời gian ngắn như trong một cơn bão Katrina (Mỹ) và cũng có thể xảy ra với chu kỳ dài tại Caliornia do hiện tượng El Nino (http://oceanworld.tamu.edu/resources/oceanography-book/coastalerosion.htm) Một số vùng ven bờ liên tục bị xói lở với cường độ lớn như vùng Mississippi (Mỹ) Có những nơi như ở Ocean City (Mỹ) công trình kè (groin) tuy giải quyết được việc ngăn chặn dòng bùn cát từ trái sang phải (cửa sông)

đã làm cho bãi (beach) bên trái phát triển nhưng làm cho bãi phía bên phải liên tục

bị xói mòn Ở Mỹ đã có chương trình Quốc gia về cửa sông từ năm 1987 để phục

hồi và duy trì các cửa sông

(http://www.estuaries.gov/estuaries101/About/Default.aspx?ID=321),

chương trình cho đến nay đã phát huy hiệu quả rõ rệt

Ở những nước phát triển, việc phòng tránh xói lở, bồi tụ cửa sông, bờ biển

chủ động hơn, nhiều giải pháp, nhiều công trình xây dựng đã tỏ ra có hiệu quả lớn

Luận văn Thạc sĩ 5 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

dụng công nghệ mới, vật liệu mới như ở các nước Mỹ, Hà Lan, Trung Quốc, Nhật

Bản v.v… có hiệu quả cao Xu thế chính trong nghiên cứu diễn biến cửa sông, bờ

biển trên thế giới hiện nay là:

- Hiện đại hóa các phương tiện khảo sát nhằm thu được tài liệu đo đạc tin cậy giúp cho việc cung cấp các tham số chính xác cho các mô hình toán học và việc đánh giá hiện nay

- Hoàn thiện việc mô tả toán học các quá trình và phương pháp giải tạo ra

phần mềm ứng dụng tiện ích

-3D của Viện nghiên cứu thủy lực Hà lan (WL_Delft-Hydraulic), nhóm mô hình

Đại học Queensland-Australia), nhóm mô hình SWTEAD, DynaLet (Hiệp hội Kỹ thuật của Quân đội Mỹ -US Corp of Engineering) Các mô hình sau này đều được tích hợp với công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS), cho phép biểu thị, mô phỏng quá trình diễn biến các cửa sông trực quan và sinh động hơn

- Tiến hành nghiên cứu hiện trường đồng thời với trong phòng thí nghiệm Các phương pháp chủ yếu trong nghiên cứu, tính toán diễn biến bờ biển, cửa sông là:

- Phân tích, chỉnh lý số liệu thực đo

- Giải đoán ảnh viễn thám

- Ứng dụng các mô hình toán hiện đại

- Nghiên cứu trên mô hình vật lý

- Phương pháp đánh dấu bùn cát (Phương pháp phóng xạ hạt nhân, phương pháp nhuộm cát)

Song song với việc nghiên cứu về diễn biến cửa sông, bờ biển, nhiều công trình bờ biển, cửa sông cũng được xây dựng: biện pháp ổn định luồng tàu, chống

bồi lấp cửa sông thường được sử dụng hệ thống đê hướng dòng, ngăn cát, giảm

cát, giảm sóng Ở Nhật, 72 cửa sông trong số 139 cửa được xây dựng đê ngăn cát,

giảm sóng Ngoài ra, có thể kể thêm những cửa sông lớn điển hình như sông Missisippi (Mỹ), Sein (Pháp), Đu Nai (chảy qua 08 nước châu Âu đổ ra biển Đen), sông Trường Giang (Trung Quốc) Việc ổn định luồng tàu cửa sông nhờ vào hệ

thống công trình đê ngăn cát, giảm sóng Chức năng của đê ngăn cát, giảm sóng là:

− Đưa dòng chảy sông tiếp tục theo đê, mang bùn cát đẩy ra vùng biển xa hơn, để bar chắn cửa không ảnh hưởng đến luồng, lạch

− Ngăn chặn bùn cát dọc bờ

− Bảo đảm giữ ổn định cửa sông và luồng tàu

Ngày nay do biến đổi khí hậu toàn cầu ngoài những hiệu ứng như mực nước

biển ngày càng dâng cao kéo theo những thay đổi về cơ chế động lực ven bờ và cửa sông như sóng, dòng chảy, thiên tai như bão, lũ cũng đang ngày một gia tăng cả về cường độ và tần số nên các hiện tượng xói lở và bồi lấp cũng xảy ra với các mức độ

ta nhận được trường phân bố các yếu tố thủy động lực theo không gian và thời gian

1.2 Các nghiên c ứu trong nước

Trong nghiên cứu diễn biến đường bờ cửa sông – ven biển, hiện tượng xói lở

và bồi tụ là 2 mặt của một vấn đề Hiện tượng này là kết quả tương tác các quá trình

phức tạp giữa các yếu tố thủy thạch động lực do các tác động nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh Đây là những quá trình thuộc loại phức tạp nhất mà cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và thấu đáo như những nghành khoa học

Luận văn Thạc sĩ 7 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

đó (có thể do xói lở bờ biển hay bồi lấp các cửa sông hoặc luồng tàu) có thể là do tác dụng tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng từ ngoại sinh, nội sinh hay nhân sinh và nhiều khi rất khó có thể định lượng một cách chính xác

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nhất là lĩnh vực kỹ thuật bờ biển mà các phương pháp nghiên cứu diễn biến đường bờ cửa sông hay ven

biển ngày càng được nâng cao về mức độ chính xác và bước đầu cho thấy tính khả thi của nó trong việc dự báo diễn biến đường bờ, quy hoạch quản lý và khai thác

bền vững và phát triển các nguồn lợi ven bờ

Bồi lấp cửa sông nói chung và luồng lạch vào các cảng đặt ở cửa sông nói riêng là một qui luật tự nhiên khách quan của quá trình tương tác giữa các yếu tố động lực sông, động lực biển với lòng dẫn thông qua quá trình vận chuyển bùn cát Trong đó các yếu tố động lực sông biển là nhân tố chủ động còn lòng dẫn là nhân tố

bị động Vì thế rất khó giải quyết triệt để được hiện tượng bồi lấp luồng lạch mà chỉ

có thể cải tạo để giảm thiểu qúa trình trên Bồi lấp luồng vào các cảng và cửa sông

là vấn đề luôn được quan tâm, đầu tư hàng đầu của Chính phủ và của các địa phương có cảng Quá trình bồi lấp diễn ra rất phức tạp, tác động tới hiệu quả kinh tế

của cảng và an toàn của tàu thuyền, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định dân sinh, phát triển kinh tế và xã hội Từ rất nhiều năm nay, các cơ quan nghiên cứu và nhiều nhà khoa học đã tiến hành những nghiên cứu đặc điểm chế độ thuỷ, hải văn, thuỷ

lực và diễn biến bùn cát liên quan đến vấn đề bồi lấp luồng lạch vào các cảng lớn

Từ các nghiên cứu trên đã đưa ra các phương án qui hoạch, biện pháp chỉnh trị với

mục đích bảo vệ và giảm thiểu khối lượng nạo vét duy tu luồng lạch hàng năm Song vì thiếu tài liệu cơ bản, kinh phí hạn chế và phải đương đầu với vấn đề rất

phức tạp nên kết quả nghiên cứu của các đề tài và dự án cũng còn hạn chế và các nghiên cứu mới chỉ tập trung ở những cảng lớn như cảng Hải Phòng, cảng Sài gòn,

Cửa Định An v.v., còn các cửa sông khác chưa được nghiên cứu đánh giá đúng

mức

Do sa bồi, luồng vào cảng Hải Phòng trước đây cho phép tàu trên vạn tấn cập

bến, nay chỉ là tàu 5-7 nghìn tấn, mặc dù khối lượng nạo vét tăng lên nhiều Cảng

ửa Lò bị sa bồi nghiêm trọng ngay sau khi xây dựng và tải trọng tàu cập cảng thấp

hơn nhiều so với dự kiến Cảng Sài Gòn cũng đang phải đối mặt với những biến động sa bồi phức tạp ở luồng cửa Soài Rạp Sa bồi trưc tiếp tại cửa luồng vào như

Ngọc Hải, Diêm Điền ở phía Bắc Ở nhiều cửa sông và cửa đầm phá miền Trung, sa

bồi gây lấp kín cửa với thời khoảng kéo dài có khi đến trên chục năm Đó là các trường hợp đối với cửa Tư Hiền ở đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (Thừa Thiên -

Loan (Phú Yên) v.v Dọc bờ Việt Nam có tới 243 đoạn với chiều dài 469 km bờ

biển bị xói lở Trong đó, có 96 đoạn dài trên 1 km và hơn 60 đoạn có tốc độ xói lở

10 - 39 m/năm (Đề tài KT.03.14) Xói lở có xu hướng dài lâu trên diện rộng gặp ở hai vùng cửa sông hình phễu (châu thổ âm) Bạch Đằng và Đồng Nai

Một số phương pháp nghiên cứu, tính toán diễn biến đường bờ đã và đang được

áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới cũng như Việt Nam hiện nay như:

1) Phương pháp điều tra khảo sát hiện trường

2) Phương pháp phân tích sử dụng công nghê viễn thám GIS

3) Phương pháp phóng xạ hạt nhân

4) Phương pháp mô hình vật lý

5) Phương pháp mô hình toán

Thực tế cho thấy, cho dù sử dụng phương pháp nào cũng đều có yêu cầu số

liệu thực đo đủ nhiều và chất lượng tốt Nhưng đây lại là vấn đề khó khăn của nước

ta trong điều kiện hiện nay khi mà ngân hàng cơ sở dữ liệu về bản đồ biển còn nghèo nàn, chưa được hệ thống hóa, lại tồn tại rải rác, thuộc quyền sở hữu của nhiều đơn vị, cá nhân Tình hình trên sẽ được cải thiện dần dần và chúng ta phải chấp

nhận tiến hành mọi việc trong điều kiện có thể có được với những định hướng đúng đắn

Phương pháp nghiên cứu diễn biến đường bờ bằng kỹ thuật viễn thám nhờ sự

tổ hợp các tài liệu thủy triều và tư liệu viễn thám để xác định mực nước triều tại thời điểm thu nhận ảnh Kết hợp với tài liệu động lực bờ, việc xác định đường bờ từ tư

liệu viễn thám sẽ cho độ tin cậy cao Nhờ có khả năng thu nhận nhanh các thông tin

Luận văn Thạc sĩ 9 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

của ảnh viễn thám và việc cập nhật có hệ thống tài liệu bản đồ địa hình cũ của nhiều

thời kỳ đó là các lớp thông tin đa dạng về các đối tượng trong đó có các thông tin về

sự biến đổi đường bờ và đường bờ biển qua các thời kỳ là những cơ sở quan trọng

để đánh giá sự thay đổi của các cửa sông cửa biển

Các mô hình vật lý mô phỏng các đường bờ tuy đòi hỏi kỹ thuật và trang bị

hiện đại nhưng có độ tin cậy cao Là phương pháp xây dựng mô hình nguyên mẫu ngoài thực tế cho công trình hoặc khu vực cửa sông theo tỷ lệ thu nhỏ thích hợp nào

đó Các ngoại lực tác động được tạo ra trong phòng thí nghiệm với các tỷ lệ tương ứng trong mô hình Các kết quả thu được được ghi lại qua các thiết bị tự động và lưu giữ để tính toán và phân tích sau này

Phương pháp mô hình toán tuy còn những bất cập kể cả trên phạm vi thế

giới, nhưng nó đã chứng minh được tính hiệu quả của nó và càng có ý nghĩa lớn trong điều kiện ở nước ta Hiện nay nhờ sự phát triển vượt bậc về công nghệ tính toán và cơ sở lý thuyết chuyển động bùn cát, việc tính toán biến đổi đường bờ, dịch chuyển và bồi lấp luồng lạch được mô phỏng qua các công nghệ tính toán hiện đại Phương pháp này có ưu điểm cho ta tính toán nhiều kịch bản, thí nghiệm số trị nhanh và giá thành rẻ hơn so với các phương pháp khác

Bằng cách kết hợp các phương pháp nêu trên sẽ đưa ra được những thông tin đầy đủ và có độ tin cậy cao trong quá trình đề xuất giải pháp công trình theo quy trình cụ thể dưới đây:

− Thu thập, chỉnh lý, phân tích các số liệu thực có

− Phân tích diễn biến hình thái và biến đổi đường bờ, dịch chuyển và bồi

lấp luồng lạch theo các mặt cắt ngang, dọc, mặt bằng theo không gian và thời gian

− Phân tích sự biến đổi đường bờ, dịch chuyển luồng lạch theo không gian

và thời gian qua phân tích ảnh viễn thám

quá trình động lực và vận chuyển bùn cát khu vực, dự báo biến đổi đường bờ,

đề xuất phương án công trình và phi công trình Mô hình toán phải được hiệu

chỉnh và kiểm định kỹ lưỡng

− Lựa chọn tỷ lệ thích hợp và vấn đề nghiên cứu trên mô hình vật lý trong điều kiện cho phép

Mô hình toán MIKE 21 đã có rất nhiều ứng dụng ở khắp nơi trên thế giới; ở

Việt Nam mô hình đã được TEDI &NEDECO áp dụng nghiên cứu sa bồi trên luồng tàu vào cảng Cái Lân năm 1995 Những năm 1998 trở lại đây TEDI port đã áp dụng

để nghiên cứu một số công trình tiêu biểu sau:

− Nghiên cứu chế độ thủy lực trên luồng của đoạn sông Bạch Đằng từ kênh Đình Vũ đến kênh Tráp,1998

− Nghiên cứu và tính toán lan truyền sóng khu vực đảo Lý Sơn- Quảng Ngãi để phục vụ nghiên cứu khu đậu tàu chống bão,1999

− Nghiên cứu mô hình dòng chảy, tính toán lan truyền sóng, tính toán vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu "Giảm thiểu sa bồi bể cảng Bình Trị"

− Nghiên cứu chế độ thủy lực đoạn sông Hồng Hà Nội, trong nghiên cứu

"Qui hoạch và phát triển thành phố Hà Nội năm 2010",2000

− Nghiên cứu và tính toán lan truyền sóng để phục vụ nghiên cứu " Kè bờ

container Phú Long Vũng Tàu

Luận văn Thạc sĩ 11 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG CƠ CHẾ ĐỘNG LỰC SÓNG, DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VEN BỜ

2.1 Các mô hình tính toán th ủy động lực

2.1.1 Gi ới thiệu chung

Các quá trình thủy động lực học trong biển như sóng, dòng chảy, nước dâng ảnh hưởng rất lớn tới đời sống con người, nhất là dân cư vùng ven biển

Việc dự báo trước những biến động của các hiện tượng ấy có ý nghĩa rất quan trọng

Nhờ sự phát triển của khoa học, ngày nay công việc nghiên cứu các hiện tượng thủy động lực trở nên thuận lợi hơn thông qua việc sử dụng các mô hình mô phỏng

Vai trò của mô hình trong nghiên cứu khoa học là vô cùng quan trọng, nó là công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học ngày nay và ngày càng phát triển

Trước đây, các nhà khoa học thường sử dụng các mô hình vật lý để tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng như trên hiện trường để nghiên cứu các quy luật, mối quan hệ của đối tượng mà người ta quan tâm Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ máy tính và công nghệ thông tin, mô hình số trị đã được sử

dụng rộng rãi

Trên thế giới, có nhiều các mô hình số trị thủy động lực học có thể sử dụng

để mô phỏng các yếu tố động lực học trong đại dương và biển Trong đó có thể kể đến như mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), mô hình SMS, mô hình DELFT của Hà Lan, mô hình POM của Đại học Priceton Hoa Kỳ

Với mục đích nghiên cứu phát hiện các quy luật phân bố và biến động của các quá trình thủy động lực biển tiến tới dự báo chúng, các nhà nghiên cứu biển

Việt Nam và quốc tế đã sử dụng phương pháp mô hình hóa đối với toàn biển hoặc

từng khu vực trên cơ sở sử dụng các nguồn số liệu đã thu thập được và các phương pháp mô hình phân tích và mô phỏng ngày một hoàn thiện hơn

Mô hình toán học là tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic

thể hiện các quan hệ giữa các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ

Có nhiều loại mô hình toán khác nhau:

− Mô hình toán mô phỏng cơ chế chảy trong sông, biển

− Mô hình toán mô phỏng nước mặt

− Mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát

− Mô hình toán mô phỏng chất lượng nước

− Mô hình toán mô phỏng quản lý hệ thống lưu vực

Mô hình toán cho phép mô phỏng các quá trình, hiện tượng thủy văn, sự vận động rất phức tạp của nước tự nhiên dưới dạng các phương trình toán học, các mệnh

đề logic và giải chúng trên máy tính điện tử Phương pháp này có nhiều khả năng xem xét những diễn biến của hiện tượng thủy văn từ vi mô đến vĩ mô Đây là một trong những hướng nghiên cứu thủy văn hiện đại Nó cho phép cung cấp những thông tin cần thiết cho những đối tượng sử dụng nguồn nước khác nhau trong quy

hoạch, thiết kế và khai thác tối ưu tài nguyên nước

Hiện nay, mô hình toán đang phát triển rất nhanh chóng vì một số ưu điểm sau đây:

− Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng với nhiều loại mô hình Mô hình toán rất phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn như quy hoạch thoát lũ cho lưu vực sông, hệ thống sông, điều hành hệ thống công trình thủy lợi, quản

lý khai thác nguồn nước lưu vực sông

− Ứng dụng mô hình toán với chi phí thấp hơn và cho kết quả nhanh hơn

so với mô hình vật lý

− Việc thay đổi phương án trong mô hình toán thực hiện rất nhanh

Hiện nay, trên thế giới đã có những mô hình và phần mềm khá mạnh có thể ứng dụng rất tốt để tính toán diễn biến lòng dẫn cho vùng cửa sông, ven biển ảnh hưởng sóng, triều, dòng chảy ven bờ, như mô hình DELFT – 3D của Trường Đại

học công nghệ Delft (Hà Lan), MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch DHI …

Luận văn Thạc sĩ 13 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

Ở Việt Nam, ứng dụng phương pháp mô hình toán vào nghiên cứu, tính toán

thủy văn bắt đầu vào cuối những năm 60 của thế kỷ trước Qua việc Ủy ban sông

hình DELTA của Pháp (Ban thư ký sông Mekong 1980) và mô hình tính toán triều vào tính toán, dự báo dòng chảy sông Mekong

Từ năm 1975, đất nước thống nhất, phương pháp mô hình toán càng thực sự

trở thành công cụ quan trọng trong tính toán, dự báo thủy văn nước ta Ngoài các

ứng dụng nhiều trong nghiên cứu và tính toán thiết kế công trình

2.1.2 M ột số mô hình tính toán thủy động lực cơ bản

2.1.2.1 Mô hình VRSAP

và nhóm mô hình của Phân viện Khảo sát Quy hoạch thủy lợi Nam Bộ xây dựng Đây là mô hình thủy động lực học tiêu biểu của Việt Nam đã được ứng dụng rộng rãi và thành công trong nước VRSAP là mô hình toán thủy lực cho dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác Dòng

chảy trong các đoạn sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint – Venant đầy đủ Các khu chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông qua cống điều tiết

Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô đồng ruộng thành hai loại chính Loại kín trao đổi nước với sông qua cống điều tiết Loại hở trao đổi nước với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông như các khu chứa thông thường Mô hình VRSAP có chương trình nguồn, có thể chủ động sửa chữa, thay đổi VRSAP liên

tục được cập nhật nhiều chức năng mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người

sử dụng như chạy trong môi trường Windows, kết nối với GIS

Các số liệu đầu vào bao gồm:

− Sơ đồ hệ thống sông và ruộng

− Hình dạng mặt cắt và đặc trưng thủy lực của lòng sông

− Một số đặc trưng hình học của ruộng

− Các biên lưu lượng, biên mực nước, biên độ mặn

− Lượng mưa rơi trên mặt ruộng

Kết quả tính toán bao gồm:

− Quá trình mực nước và lưu lượng tại các vị trí khác nhau trên sông

− Diễn biến của mực nước trên các khu ruộng

− Lượng nước trao đổi giữa sông và ruộng

− Quá trình biến đổi độ mặn tại các vị trí khác nhau trên sông

2.1.2.2 Mô hình SMS

và Phát triển Công trình thuộc quân đội Mỹ; Phòng Nghiên cứu Đường thủy và Phòng nghiên cứu thủy động lực Phần mềm có thể tính toán dòng chảy một chiều, hai chiều và ba chiều ổn định và không ổn định SMS được áp dụng rộng rãi trên

khắp thế giới với các modun khác nhau:

chiều cho các khu vực trong sông và vùng cửa sông

khu vực trong sông và cửa sông;

đại dương;

nhiễm và vận chuyển trầm tích;

Luận văn Thạc sĩ 15 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

2.1.2.3 Mô hình M2D:

M2D là mô hình hoàn lưu vùng ven bờ và thủy triều, được phát triển trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu vịnh ven bờ CIRP (Coastal Inlets Research Program) do Phòng thí nghiệm Động lực và ven bờ CHL (Coastal and Hydraulics Laboratory) của Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ

trình động lượng và liên tục bằng phương pháp sai phân hữu hạn

2.1.2.4 Mô hình HEC – RAS:

Mô hình toán thủy lực HEC – RAS (HEC – River Analysis System) của hiệp

hội các kỹ sư quân sự Hoa Kỳ là thế hệ phần mềm kế tiếp về mô hình phân tích hệ

thống sông

Mô hình được xây dựng dựa trên sự kết hợp của mô hình HEC – 2 và hệ

thống thông tin địa lý (GIS) với những cải tiến đáng kể so với HEC – 2 về kỹ thuật tính toán và khoa học thủy văn

Mô hình thủy lực HEC – RAS là công cụ có khả năng mô phỏng sự vận chuyển nước và diễn biến mực nước trong sông trên cơ sở giải hệ phương trình Saint – Venant 1 chiều Phiên bản mới hiện nay đã được bổ sung thêm Modun vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán Mô hình HEC – RAS được xây dựng để tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông

và dòng chảy vùng đồng bằng lũ Khi mực nước trong sông dâng cao, nước sẽ tràn qua bãi gây ngập lụt vùng đồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp sẽ chảy lại vào trong sông

HEC – RAS là phần mềm tập hợp của ba modun chính: gồm modun tính cho dòng chảy ổn định, modun tính cho dòng chảy không ổn định và modun tính vận chuyển bùn cát

Các ứng dụng của mô hình bao gồm:

− Mô hình có khả năng tính toán ngập lụt và vận chuyển bùn cát trong

mạng lưới sông cũng như bồi lấp hồ chứa;

− Mô phỏng xu thế dài hạn của hiện tượng bồi hoặc xói lòng sông do kết

quả của sự thay đổi có tính thường xuyên và tính chu kỳ của lưu lượng hoặc

do sự thay đổi hình dạng kênh;

− Tính toán bồi lắng hồ chứa;

− Tính toán khối lượng nạo vét và dự đoán ảnh hưởng của việc nạo vét đối

− MIKE 11 – Mô hình 1 chiều cho sông và kênh;

− MIKE 21 – Mô hình 2 chiều cho cửa sông, vùng nước ven bờ và biển;

− MIKE 3 – Mô hình 3 chiều cho biển sâu, vùng cửa sông và vùng nước ven bờ;

− LITPACK – Mô hình cho các quá trình ở vùng ven biển và động học đường bờ;

Mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng

dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận c huyển bùn cát vùng

cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác

đun mưa dòng chảy (RR), modun thủy động lực(HD), Modun tải – khuếch tán(AD), modun sinh thái(Ecolab) và một số modun khác Trong đó, modun thủy lực (HD)

Luận văn Thạc sĩ 17 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

được coi là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên tùy theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô dun khác một cách hợp lý và khoa học

Modun mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập

mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các modun bao gồm Dự báo lũ,

Tải khuếch tán, Chất lượng nước và các moodun vận chuyển bùn cát không kết dính Modun MIKE 11HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (Phương trình Saint Venant)

Cơ sở lý thuyết modun thủy lực mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11HD là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint Venant, với các giả thiết cơ bản sau đây:

− Chất lỏng (nước) là không nén được và đồng nhất (xem như không có sự khác biệt về trọng lượng riêng của nước)

− Độ dốc đáy sông (kênh) là tương đối nhỏ

− Giả thiết áp suất thủy tĩnh

− Dòng chảy trong hệ thống là dòng chảy êm

− Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

− Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt

− Thiết kế các hệ thống kênh dẫn

− Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông

Qua nghiên cứu, mô hình MIKE 11 đã thể hiện nhiều tính năng ưu việt như:

hình mưa rào – dòng chảy NAM, mô hình thủy động lực học 2 chiều MIKE

21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE)

− Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng

2.1.2.6 Mô hình Delft 3D

Phần mềm Delft – 3D là một hệ thống tổng hợp các modun thành phần của

Viện Thủy lực Delft – Hà Lan Nó bao gồm nhiều modun khác nhau và thể hiện được mối quan hệ giữa các modun đó Ngoài ra, còn có các công cụ hỗ trợ như phần

mềm biểu diễn kết quả tính toán, tạo lưới tính toán, nhập và xử lý các số liệu đầu vào

Một số đặc trưng chính của Delft 3D là:

Delft 3D sử dụng chủ yếu để mô hình hóa các khu vực ven bờ, trong sông và

cửa sông Delft 3D bao gồm một số các modun đã được kiểm định và áp dụng tốt trong thực tế, mỗi modun có thể liên kết với các modun khác thành một thể thống

nhất Các modun đó bao gồm:

− Modun tính chất lượng nước (Delft 3D - WAQ)

− Modun tính lan truyền quỹ đạo hạt (Delft 3D – PART)

− Modun sinh thái học (Delft 3D - ECO)

− Modun tính vận chuyển trầm tích (Delft 3D - SED)

− Modun tính biến đổi hình thái (Delft 3D – MOR)

Ngoài ra còn có các công cụ hữu ích khác để chuẩn bị số liệu đầu vào và trình diễn các kết quả tính toán: modun tạo lưới Delft 3D – RGFGRID, modun nội suy độ sâu và gán cho các ô lưới tương ứng Delft 3D – QUICKIN và hai modun trình diễn kết quả Delft 3D – GPP và Delft 3D – QUICKPLOT

Mô hình Delft 3D FLOW tính toán các quá trình không ổn định của hoàn lưu, các quá trình vận chuyển được tạo ra bởi thủy triều và tác động của các yếu tố

khí tượng Mục đích cơ bản của mô hình 2 chiều (2D – trung bình độ sâu) và 3

Luận văn Thạc sĩ 19 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

ảnh hưởng của mật độ do tác động không ổn định của phân bố nhiệt độ muối trong vùng biển nông, vùng ven bờ, vùng cửa sông

Với phần ứng dụng của mô hình ba chiều, quá trình này được sinh ra do tác động của gió, ứng suất đáy, lực Coriolis, sự phân tầng Những ứng dụng của mô hình ba chiều dùng để mô phỏng quá trình như sự xâm nhập mặn và vùng nước trồi

Các khía cạnh vật lý của mô hình Delft 3D FLOW:

Mô hình Delft 3D FLOW được thiết lập trên việc giải hệ phương trình nước nông không ổn định Hệ thống của hệ các phương trình bao gồm: Các phương trình động lượng, phương trình liên tục và các phương trình vận chuyển Các phương trình được thiết lập trong hệ tọa độ Đề các và hệ tọa độ cầu

Các quá trình lan truyền, phân bố nhiệt độ và độ muối được mô phỏng bởi phương trình bảo toàn vận chuyển Các đại lượng nguồn được kết hợp trong mô hình

Hệ mô hình Delft 3D FLOW được thiết lập trên cơ sở các quá trình vật lý sau:

− Quá trình vận chuyển nhiệt muối

− Các quá trình biến đổi của ứng suất gió trên mặt nước theo không gian

− Sự biến đổi của áp suất khí quyển theo không gian và thời gian

− ự biến đổi các nguồn lan truyền theo thời gian

− Quá trình truyền nhiệt từ khí quyển qua bề mặt tự do

2.1.2.7 Mô hình ISIS

Mô hình ISIS là một bộ mô hình thủy động lực được xây dựng bởi tập đoàn công ty Halcrow và HR Wallingford, với nhiều modun tính toán khác nhau: thủy

lực, chất lượng nước, bùn cát Trong đó, modun ISIS FLOW là modun thủy lực

mô phỏng: dòng chảy ổn định, dòng chảy không ổn định một chiều biến đổi chậm trong lòng dẫn hở, dòng chảy qua công trình thủy lực, chảy qua hồ chứa, chảy tràn

bờ, chảy trên những vùng ngập lũ, mô phỏng quy trình hoạt động của các cống, mô

phỏng các biên thủy văn bằng mô hình mưa – dòng chảy Thuật toán của mô hình

dựa theo cách giải hệ phương trình Saint Venant theo phương pháp sai phân hữu

hạn với sơ đồ ẩn 4 điểm

Dòng chảy trong sông được phân thành dòng chảy của các đoạn sông nối tiếp nhau Các đoạn sông này tương đối ngắn và được giả thiết là không thay đổi về mặt

thủy lực, ổn định trong suốt thời gian tính toán và được mô phỏng bỏi 1 mặt cắt đại

diện cho cả đoạn Sự thay đổi dòng chảy trong đoạn được mô tả bởi hệ Phương trình Saint Venant

Việc tràn nước vào ruộng khi mực nước trong sông lên cao và chảy ra sông khi mực nước trong sông hạ thấp cũng như tràn nước từ ô ruộng này sang ô ruộng khác được mô phỏng bởi các ô chứa là nằm ngang có giá trị bằng mực nước tại tâm

ô Ô chứa được mô phỏng bởi đường quan hệ cao trình và diện tích bề mặt thoáng theo từng cấp mực nước (Z~ A)

Mô hình ISIS có giao diện khá đẹp và tiện dụng,ứng dụng công nghệ GIS để

tổ chức mạng thủy lực, trình bày kết quả tính toán trực quan thông qua biểu, bảng

và mô tả được quá trình dòng chảy dọc sông, qua từng mặt cắt và công trình Phần

mềm ISIS đã được sử dụng cho đồng bằng sông Cửu Long ở dạng kênh sông được đơn giản hóa

Luận văn Thạc sĩ 21 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

2.2 Mô hình MIKE 21

2.2.1 Gi ới thiệu tổng quan mô hình toán MIKE 21FM

Mike 21 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan

Mạch (DHI) xây dựng và phát triển, được ứng dụng để mô phỏng các biến động 2 chiều của mực nước và dòng chảy trong hồ, cửa sông, vịnh, khu vực ven và ngoài

biển Bộ phần mềm Mike 21 bao gồm trong đó rất nhiều các modul thành phần, phù

hợp với những mục đích tính toán khác nhau như:

Hiện nay mô hình Mike 21 đã được chuyển giao, đào tạo và ứng dụng có

hiệu quả tại một số cơ quan trong Bộ Nông nghiệp và PTNT Mô hình cũng được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về Hệ thống mô hình dự báo dòng chảy tại các nước trên thế giới như Anh, Ba Lan, Đức, Ấn Độ, Bangladest, Trung Phi, Thái Lan, Trung Quốc, Indonesia

Mô hình Mike 21FM đã có mặ t tại Việt Nam vào tháng 11 năm 2005, "FM" được viết tắt của từ tiếng Anh “flexible mesh” (nghĩa là lư ới linh hoạt), cho thấy điểm nổi bật và khác biệt với những mô hình hai chiều khác về việc tạo lưới tính toán mà thường l à lưới chữ nhật ho ặc lưới cong Đối với những mô hình dựa trên lưới tính toán hình chữ nhật cho lời giải có độ chính xác vừa đủ trong việc mô

phỏng vùng bãi sông Đối với những đoạn sông có địa hình phức tạp, đặc biệt là ở

những đoạn sông cong và các đoạn sông tồn tại bãi bồi dòng ch ảy mở rộng và co

hẹp đột ngột, yêu cầu phải có sự mô phỏng chính xác đường biên và điều đó đỏi hỏi việc sử dụng lưới linh hoạt Và đây chính là điểm mạnh của Mike 21FM khi nghiên

Mike 21FM tạo lưới linh ho ạt trong các mô phỏng vùng tính toán Việc sử dụng lưới linh hoạt so với việc sử dụng lưới chữ nhật là số điểm lưới ít hơn vì có thể thay đổi kích thước ô lưới theo địa hình vùng tính toán , mô phỏng đường bao tốt hơn và do đó kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn Trong mô hình lưới linh

hoạt, bước thời gian dài hơn có thể được sử dụng và độ phân giải của đường dòng chảy đượ c cải thiện nhiều hơn bởi vì đường lưới luôn bám sát theo đường dòng chảy Khi chạy mô hình lưới linh ho ạt, do số điểm được định nghĩa và lưu trữ ít hơn nên hạn chế được dung lượng trữ

2.2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình toán MIKE 21FM

Mô hình Mike 21 Flow Model FM bao gồm các modul sau:

− Modul thuỷ động lực học (HD);

− Modul truyền tải (ST);

− Modul sinh thái (EL)

Modul thủy động lực học là modul tính toán cơ bản của toàn bộ mô hình MIKE 21FM, đưa ra cơ sở thủy động lực học cho các modul còn lại, dựa trên cơ sở

số hóa các phương trình nước nông hai chiều

Mô hình Mike 21 Flow Model được xây dựng dựa trên phương pháp tìm nghiệm số của hệ phương trình Navier-Stock với chuyển động trung bình viết cho

chất lỏng không nén được, trong đó hệ số nhớt phân tử được thay bằng các hệ số

nhớt rối Reynold và dựa trên các giả thiết của Boussines và áp lực thuỷ tĩnh Do đó,

mô hình bao gồm phương trình liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ mặn và mật độ

- Phương trình liên tục:

S z

w y

v x

u

=

∂

∂+

∂

∂+

u v z F dz x

g x

p x

g fv z

wu y

vu x

u t

u

s t

u z

∂

∂+

η

0 0

2

1

Luận văn Thạc sĩ 23 Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy

S v z

v v z F dz y

g y

p y

g fu z

wv x

uv y

v t

v

s t

v z

∂

∂+

η

0 0

u,v và w: Các thành phần tốc độ theo phương x, y và z

f: Thông số Coriolis: f=2Ω sinφ

Với Ω là tốc độ góc quay và φ là vĩ độ địa phương

g: Gia tốc trọng trường

ρ: Mật độ

vt: Tốc độ nhiễu theo phương thẳng đứng

pa: Áp suất khí quyển

ρo: Mật độ tham chiếu

S: Độ lớn lưu lượng nguồn

∂

∂

∂

∂+

u A y x

A x

v y

u A x

Với A là xoáy nhớt theo phương nằm ngang

Phương pháp giải tìm nghiệm:

Hiện nay, hệ phương trình Navie - Stock vẫn chưa có nghiệm giải tích, nghiệm

của chúng chủ yếu được xác định thông qua các phương pháp gần đúng Ở đây, hệ phương trình này được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn, miền không gian tính toán được phân chia rời rạc thành các ô phần tử liên tục và không giao nhau Trong tính toán 2 chiều, các phần tử lưới có thể có hình dạng đa giác bất kỳ, tuy nhiên, trong

mô hình Mike 21 chỉ sử dụng các lưới tứ giác và tam giác Hệ phương trình sóng nước nông 2 chiều dạng đầy đủ có thể biểu diễn dưới dạng như sau:

h U

V I

F F

01

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy 25

Số mũ I và V thứ tự biểu diễn thông lượng nhớt không dính và dính

Tích phân phương trình tại phần tử thứ i theo định lý Gauss thu được phương trình các thông lượng dưới dạng tổng quát sau :

Ai: Diện tích phần tử thứ i

Ω: Biến là tích phân xác định theo Ai

i

Γ : Chu vi của phần tử thứ i

Ds: Biến tích phân dọc theo chu vi

Thông lượng đối lưu theo phương ngang được xác định theo phương pháp gần đúng Riemann của Roe (1981) Phương pháp này sử dụng sơ đồ giải tuyến tính tích phân theo không gian và sơ đồ hiện Euler tích phân theo thời gian để tìm nghiệm của

hệ phương trình

Như vậy, số liệu đầu vào cho mô hình Mike 21 FM gồm có:

- Số liệu địa hình: độ sâu và địa hình khu vực tính toán

- Số liệu thuỷ văn, thuỷ lực: lưu lượng, độ nhám đáy, hệ số nhớt xoáy, hệ số ma sát gió…

- Số liệu khí tượng : mưa, bốc hơi và gió (hướng và độ lớn)

ρ η

2.2.3 Ưu điểm và ứng dụng mô hình toán

2.2.3.1 Ưu điểm của mô hình

Trong nghiên cứu tìm giải pháp chỉnh trị sông, đặc biệt với các sông chịu ảnh hưởng của chế độ thủy triều, các công cụ nghiên cứu như mô hình toán, mô hình vật

lý, thường được áp dụng để nghiên cứu quá trình động lực học và các kết quả nghiên

cứu của nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc đưa ra và quyết định lựa chọn quy mô và giải pháp kỹ thuật Nhờ khả năng mô phỏng các quá trình động lực dòng

chảy phức tạp, tốc độ tính toán, độ chính xác và tính linh hoạt cao cho nên ngày nay

mô hình toán đã trở thành một công cụ được sử dụng nhiều trong nghiên cứu và thiết

kế các công trình thủy công Trong một số trường hợp đặc biệt, mô hình toán còn là

giải pháp có thể khắc phục được ở mức độ nhất định tình trạng thiếu số liệu biên cho đầu vào của mô hình

Ngoài việc mô phỏng và xác định các điều kiện biên thủy lực môi trường, chế

độ dòng chảy, các thông số thiết kế và dự báo xu thế diễn biến trong tương lai, mô hình toán đặc biệt hiệu dụng trong việc so sánh lựa chọn giải pháp công trình và phương án mặt bằng bố trí hợp lý thông qua việc tính toán, xem xét các tác động ảnh hưởng của chúng lên chế độ thủy lực

Một số ưu điểm chính của mô hình Mike 21FM:

− Giá thành rẻ hơn mô hình vật lý, tính toán nhanh cho nhiều phương án

phần tử hữu hạn nên có độ chính xác cao hơn hẳn những mô hình mô phỏng qua lưới tính hình vuông Điều này rất hữu ích đối với những đoạn sông cong, những đoạn có bãi bồi

thông dụng hiệu quả đó là kỹ thuật ADI (Alternating Direction Implicit) để giải các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong miền không gian và

thời gian, các ma trận phương trình kết quả đối với mỗi hướng và bước tính toán đựơc giải bằng thuật giải quét đúp (Double sweep)

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy 27

2.2.3.2 Ứng dụng

Với những ưu điểm về việ c tạo lưới linh ho ạt và những cơ sở khoa học của Mike 21FM đã trình bày ở trên cho thấy mô hình có khả năng ứng dụng đối với các bài toán nghiên cứu sau:

− Nghiên cứu chế độ thuỷ lực tổng thể trên toàn đoạn sông và chi tiết tại từng

vị trí Bao gồm những đặc trưng về mực nước , lưu lượng, vận tốc dòng chảy và phân bố của chúng theo phương ngang Đặc biệt là khả năng tính toán dòng chảy

ở những đoạn sông đổi hướng lớn, thành phần quan trọng trong nghiên cứu xói lở

và bồi đắp bờ sông;

− Tính toán biến hình lòng dẫn (xói, bồi lòng sông ) và xói lở bờ sông trong trạng thái tự nhiên cũng như các phương án khai thác đoạn sông trong tương lai

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĐỘNG LỰC SÓNG, DÒNG

CHẢY KHU VỰC MŨI ĐỘC, TỈNH QUẢNG BÌNH

3.1 Gi ới thiệu tổng quan về khu vực nghiên cứu

Quảng Bình là một tỉnh ven biển Bắc Trung Bộ, là nơi giao thoa các điều kiện

tự nhiên, kinh tế, xã hội giữa hai miền Nam Bắc của đất nước Phía Bắc giáp tỉnh Hà Tĩnh, phía Nam giáp tỉnh Quảng Trị, phía Đông giáp biển Đông và phía Tây giáp nước

Cộng hoà dân chủ nhân dân Lào Nằm trên nhiều đầu mối giao thông quan trọng nên

Quảng Bình có nhiều thuận lợi cho việc phát triển kinh tế - xã hội, giao lưu hợp tác với các tỉnh, thành phố trong cả nước và các quốc gia trong khu vực

Khu kinh tế Hòn La có một vị trí hết sức quan trọng, nằm ở trung tâm trên các tuyến giao lưu quốc tế và liên vùng, tuyến trục Bắc Nam và Đông Tây của miền Trung; trên hành lang của tuyến đường hàng hải quốc tế, là cửa ngõ hướng biển của các nước trong tiểu khu vực Mê Kông mở rộng, đặc biệt là với các nước Lào, Thái Lan Từ KKT Hòn La theo quốc lộ 12A tới cửa khẩu quốc tế Cha Lo khoảng 120 km, đến sân bay Đồng Hới khoảng 40 km, đến Di sản thiên nhiên thế giới vườn quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng khoảng 70 km Vị trí địa lý như trên rất thuận lợi để KKT Hòn

La trở thành một trung tâm đặc biệt quan trọng trong quan hệ hợp tác, giao lưu, trao đổi hàng hoá, dịch vụ giữa miền Trung Việt Nam với vùng Trung Lào và Đông Bắc Thái Lan; vừa là cửa ngõ ra biển thuận lợi nhất cho nước bạn Lào, vùng Đông - Bắc Thái Lan và trở thành một điểm trung chuyển để khu vực này tham gia vào quá trình phân công lao động quốc tế; đầu mối giao lưu hợp tác của khu vực Bắc Miền Trung

với các khu vực khác trong nước và với nước ngoài Cảng Hòn La đáp ứng nhu cầu

xuất, nhập khẩu hàng hóa của tỉnh Quảng Bình và các tỉnh trong vùng, Lào và vùng Đông - Bắc Thái Lan Với vai trò quan trọng về kinh tế - xã hội như vậy, việc xây

dựng cầu cảng phục vụ nhập nguyên vật liệu phục vụ nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch

I – tỉnh Quảng Bình trở thành vấn đề quan trọng và cấp bách hiện nay

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy 29

3.1.1 V ị trí nghiên cứu

phía Nam Có thể thấy từ khu vực nghiên cứu được che chắn từ phía Bắc bởi Mũi Độc, phía Nam bởi Hòn Cỏ và Hòn La Mũi Độc được nối tiếp từ đèo Ngang nhô ra biển và

nằm ở phía Bắc tỉnh Quảng Bình thuận tiện cho việc xây dựng cầu cảng để phục vụ nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I (hình 3.1)

Hình 3.1 Khu vực nghiên cứu xây dựng cảng nhập nguyên vật liệu phục vụ

nhà máy Nhiệt diện Quảng Trạch I 3.1.2 Điều kiện khí tượng thủy văn

3.1.2.1 Điều kiện khí hậu

Khí hậu vùng Mũi Độc tuân theo quy luật chung các yếu tố khí tượng vùng ven

bờ Bắc Trung Bộ, đó là đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm và có mùa đông

lạnh Nằm ở phía Đông Trường Sơn trên dải đồng bằng ven biển hẹp, nhiều cồn cát cùng với quá trình tương tác biển và các vùng ven bờ, tạo ra các nét đặc trưng riêng

biệt trong miền khí hậu vùng

3.1.2.2 Ch ế độ gió, nước dâng cho bão

Chế độ gió là nhân tố khí tượng chủ yếu ảnh hưởng đến đặc điểm của các yếu

tố thuỷ động lực ven bờ như : Sóng, dòng chảy, vận chuyển bùn cát

Khu vực nghiên cứu nằm giữa hai trạm khí tượng hải văn ngoài biển là trạm khí tượng hải văn Cồn Cỏ và trạm khí tượng hải văn Hòn Ngư

Theo số liệu quan trắc (1992-2001), gió tại trạm Cồn Cỏ và Hòn Ngư được phân biệt thành hai mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc từ tháng X đến tháng III năm sau và gió Tây Nam từ tháng V đến tháng VIII Hai tháng có chế độ gió chuyển tiếp là tháng IV

và tháng IX

Mùa Đông hướng gió thịnh hành vùng ven bờ là hướng NW đến hướng N Gió mùa hè có hướng thịnh hành là SW Gió mùa Tây Nam khi đi qua dãy Trường Sơn gây mưa ở phía Tây và do vậy mất hàm lượng hơi nước Để tính toán sóng và dòng chảy

có thể sử dụng các số liệu gió tại trạm Cồn Cỏ và Hòn Ngư là các số liệu đo tại đảo ít

bị biến đổi về tốc độ và hướng do ảnh hưởng của đường bờ

Mùa bão: Bắt đầu vào tháng VII và kết thúc vào tháng XI Trung bình một năm

có khoảng 1 hoặc 2 cơn bão và thường tập trung vào tháng VIII đến tháng X (tần suất khoảng 43%) Trong bão, vận tốc gió có thể đạt 28-32 m/s (10 - 11 theo thang độ bô pho) và chiếm 67% của toàn bộ cơn bão Bảng 3.1 dưới đây thống kê các cơn bão xuất

hiện trong thời gian 10 năm

B ảng 3.1 Bão và áp thấp xuất hiện từ 1992-2001 khu vực tính toán

bộ Địa điểm đổ bộ Vận tốc gió max Áp tâm Cấp Vgió (m/s)

1996

Nghệ An – Hà Tĩnh

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy 31

Nước dâng do bão lớn nhất xảy ra trong cơn bão Ceicil – 1985 (đổ bộ vào Huế -

Đà Nẵng) là 2,50m Phân bố tần suất nước dâng cho dải ven bờ vĩ độ 17P

cửa Tùng đến đèo Ngang) được trình bày tại bảng 3.2

B ảng 3.2 Phân bố tần suất nước dâng ven bờ từ 17P

Tại khu vực trạm Cồn Cỏ, chiều cao sóng trung bình tháng thay đổi từ 0,4m đến 1,7m Sóng quan trắc cực đại là 6m vào tháng XII Sóng mạnh nhất thường xuất hiện

từ tháng X đến tháng II năm sau Trong thời gian này hướng sóng thịnh hành là Đông

Bắc Từ tháng V đến tháng VIII hướng thịnh hành là Tây Nam Cũng như gió, tháng

IV và tháng IX là hai tháng chuyển tiếp nên sóng không cao lắm Tại trạm Hòn Ngư, chiều cao sóng trung bình chỉ vào khoảng 0,3m Sóng lớn nhất quan trắc được là 6.4m

3.1.2.4 Ch ế độ triều

Thuỷ triều ở đây mang tính chất bán nhật triều không đều (chỉ số phân loại là 2.37) Đại đa số các ngày trong tháng có 2 lần nước lớn và 2 lần nước ròng Thời gian triều rút của hai lần nước lớn và hai lần nước ròng cũng khác nhau Biên độ triều tại khu vực này khá lớn, biên độ cực đại không vượt quá 2m Theo [1], quan hệ mực nước

giữa trạm Hòn La và trạm Tân Mỹ khá tốt và chúng có chung một chế độ triều

Để nghiên cứu chế độ mực nước của một vùng người ta thường dựa vào chế độ

mực nước tại các trạm hải văn gần vùng đó nhất Đối với khu vực Mũi Độc đã sử dụng

số liệu mực nước tại trạm Tân Mỹ xã Quảng Phúc, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình từ 1963 đến 1999 Các giá trị mực nước thống kê được ghi trong bảng 3.3 Cũng

cần thấy rằng số đo mực nước tại trạm Tân Mỹ chịu ảnh hưởng của lũ trong sông và nước dâng từ biển Tuy nhiên trong khu vực do chỉ có số liệu đo đạc duy nhất tại đây nên những số liệu này có thể sử dụng để tham khảo

B ảng 3.3 Giá trị mực nước đo đạc tại trạm Tân Mỹ, Quảng Phúc, Quảng Trạch,

Qu ảng Bình từ 1963 đến 1999

Năm Giá trị mực nước đo đạc cm (tính trên số 0 hải đồ)

Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy 33

Năm Giá trị mực nước đo đạc cm (tính trên số 0 hải đồ)

có số liệu đo đạc mực nước tại Mũi Độc, song Mũi Độc chỉ cách Ròn 10m về phía Bắc

dọc theo dải ven biển nên có thể xem chế độ triều tại Mũi Độc và Ròn là gần như nhau Để đưa về hệ cao độ Quốc gia, từ cao độ số “0” hải đồ cần trừ đi 1.07m Mực nước thủy triều tại Ròn được tính theo mực nước tại cửa Gianh với hệ số 1.01 và thời gian cộng thêm 30’

Sử dụng phương pháp tính mực nước cực trị tuân theo hàm phân bố Gumbell

loại 1 thu được các giá trị cực trị mực nước thủy triều với các chu kỳ lặp khác nhau như bảng 3.4 dưới đây

B ảng 3.4 Mực nước cực đại thủy triều (tại Tân Mỹ) và nước dâng do bão (khu

v ực ven bờ Quảng Bình) với các chu kỳ lặp khác nhau

Nguồn: [5]