Bài báo trình bày kết quả ứng dụng mô hình toán để mô phỏng, đánh giá cơ chế lan truyền sóng trong điều kiện địa hình bãi tự nhiên và hiệu quả làm suy giảm sóng của các công trình chỉnh trị tại khu vực. Mô hình đã được kiểm định với số liệu sóng đo đạc tại hiện trường, các kết quả kiểm định cho thấy có thể ứng dụng mô hình để tính toán thực tế với độ tin cậy đảm bảo.
Trang 1NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH
VÀ CÁC CÔNG TRÌNH CHỈNH TRỊ TRÊN BÃI TẠI MỘT SỐ CỬA SÔNG, VEN BIỂN TỈNH NAM ĐỊNH
ĐẾN CƠ CHẾ LAN TRUYỀN VÀ SUY GIẢM CHIỀU CAO SÓNG
ThS Doãn Tiến Hà
Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Động lực học sông biển
Tóm tắt: Bờ biển Nam Định đoạn cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang trong nhiều năm qua luôn
diễn ra hiện tượng xói và xâm thực bãi dẫn đến sạt lở bờ, đê biển Một trong những nguyên nhân chính là sóng biển Do đó, nghiên cứu quá trình lan truyền sóng dưới ảnh hưởng của địa hình khu vực và các công trình chỉnh trị bố trí trên bãi có ý nghĩa thực tiễn cao Bài báo trình bày kết quả ứng dụng m ô hình toán để mô phỏng, đánh giá cơ chế lan truyền sóng trong điều kiện địa hình bãi tự nhiên và hiệu quả làm suy giảm sóng của các công trình chỉnh trị tại khu vực Mô hình đã được kiểm định với số liệu sóng đo đạc tại hiện trường, các kết quả kiểm định cho thấy
có thể ứng dụng mô hình để tính toán thực tế với độ tin cậy đảm bảo
Từ khóa: Lan truyền sóng, Suy giảm sóng
Summary: The Nam Dinh coastline from Ba Lat estuary to Lach Giang estuary for many years
always going developments of the coastline, beaches, mainly erosion and cavitation phenomena beach leading to erosion shore, sea dykes One of the main causes affecting the process of erosion, destructive in this region is sea wave Therefore, the study of wave propagation under the influence of regional topography and regulation structures on the yard layout is very practical significance This paper presents the results of a m athem atical m odel applied to the sim ulation and evaluation m echanism in the propagation conditions and natural terrain park to wave attenuation effect schemes of regulation structures in the area The model has been verified with m easured wave data in the field, the test results show that the m odel can be applied to actual calculations with guaranteed reliability
Key words: Propagation wave, Decay wave
I GIỚI THIỆU CHUNG
Hình 1 Vị trí địa lý ven bờ từ Ba Lạt đến
cửa Lạch Giang
Dải bờ biển từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang có chiều dài khoảng 65 km Đây là một vùng trọng điểm sạt lở bãi, đê biển, cần có các giải pháp khoa học công nghệ ổn định bờ biển [4]
Khi nghiên cứu các giải pháp công trình cần xem xét đến hiệu quả của các giải pháp đó Công trình phải phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội của địa phương, không gây tác động tiêu cực đến môi trường và tai biến cho các khu vực lân cận [3] Bài báo trình bày những kết quả nghiên cứu và tính toán quá trình lan truyền sóng và sự suy giảm sóng dưới ảnh hưởng của điều kiện địa hình bãi, công trình chỉnh trị tại khu vực này Mô hình được kiểm chứng qua số liệu thực đo về sóng, mực nước và các số liệu thu thập về địa hình bờ, bãi
Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Khắc Nghĩa
Ngày nhận bài: 14/6/2013 - Ngày thông qua phản biện: 31/7/2013 - Ngày duyệt đăng: 25/9/2013
Trang 2II CÁC KẾT Q UẢ TÍNH TOÁN
2.1 Thiết lập mô hình Mike21 SW
Trong tính toán mô hình sóng nói chung, việc
thiết lập mô hình, lựa chọn miền tính, lưới tính
là bước quan trọng quyết định đến toàn bộ các
vấn đề liên quan cũng như chất lượng của mô
hình Việc lựa chọn và thiết lập miền tính, lưới
tính cho khu vực ven bờ từ cửa Ba Lạt đến cửa
Lạch Giang được trình bày trên Hình 2 Miền
tính toán bao gồm biên ngoài khơi tại độ sâu
20m (có điểm đo sóng thực tế), biên phía Bắc
và biên phía Nam bao toàn bộ khu vực cửa Ba
Lạt và cửa Lạch Giang Trong miền tính này có
02 mặt cắt có số liệu dùng để tính toán sóng
thiết kế đê biển (Giao Xuân và Hải Hòa) theo
Tiêu chuẩn thiết kế đê biển năm 2012 [5] Lưới
tính toán gồm 23039 nút và 64431 phần tử
Hình 2 Miền tính, địa hình và lưới tính khu vực nghiên cứu từ cửa Ba Lạt
đến cửa Lạch Giang
2.2 Kết quả kiểm định mô hình về mực nước
Đã tính toán kiểm chứng với 02 chuỗi mực
nước đo đạc thực tế tại khu vực cửa Ba Lạt và
cửa Lạch Giang [2], thời gian từ 5-13/11/2009 Kết quả kiểm định mực nước được thể hiện trong hình 3 và hình 4
Hình 3 So sánh giữa m ực nước thực đo và
tính toán tại cửa Ba Lạt Hình 4 So sánh giữa m ực nước thực đo và tính toán tại cửa Lạch Giang
Dùng chỉ tiêu Nash (Nash and Sutcliffe 1970) để
kiểm định sai số của mô hình Hệ số
Nash-Sutcliffe có thể từ - ∞ đến 1 Hệ số = 1 là kết quả
hoàn hảo của mô hình và các dữ liệu quan trắc
[1] Trị số Nash đánh giá sai số mực nước tại
Lạch Giang và Ba Lạt như sau: Tham số Nash ở
cửa Lạch Giang là 0,84; cửa Ba Lạt là 0,91
Đây là kết quả rất tốt, có thể áp dụng để tính
toán thực tế
2.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô
hình với chuỗi số liệu sóng
Kết quả kiểm định với chuỗi số liệu thực đo từ 15h ngày 6/8/2006 đến 21h ngày 13/8/2006 với OBS đo 3h/1 lần tại hai trạm ở vùng biển Hải Hậu-Nam Định [3]: Trạm T1 có tọa độ
20002.0'N-106021.15'E tại độ sâu 20.0m; Trạm T2 có tọa độ 20005.548'N-106020.794'E tại độ sâu 10m
Trạm T1 được lấy làm số liệu biên đầu vào cho mô hình Kết quả tính toán hiệu chỉnh được trích tại vị trí trạm T2 để so sánh với số liệu thực đo (xem trên Hình 2)
Trang 3Sau khi đã tính toán hiệu chỉnh, các tác giả đã
tiến hành tính kiểm định mô hình với số liệu
thực đo tại khu vực Kết quả kiểm định (Hình
5) cho giá trị khá tốt Sai số nhỏ nhất giữa tính
toán và thực đo là 1.9%, lớn nhất là 21.2%, trung bình là 8.5% Các giá trị tính kiểm định
là nhỏ hơn so với số liệu thực đo bởi vì ở đây tác giả không tính đến yếu tố gió, dòng chảy
Hình 5 Kết quả tính toán kiểm định chiều cao sóng
Có thể thấy mô hình hoàn toàn có khả năng phản
ánh khá tốt bức tranh động lực về sóng Do đó
hoàn toàn có cơ sở để sử dụng mô hình để
nghiên cứu và tính toán các quá trình sóng tại
khu vực ven bờ với các điều kiện khác nhau
2.4 Các kịch bản và điều kiện biên phục vụ tính toán
2.4.1 Các kịch bản tính toán:
Bảng 1 Kịch bản và các phương án tính toán tại khu vực nghiên cứu
1 Tính toán đối với khu vực cửa Ba Lạt
2 Tính toán đối với khu vực cửa Lạch Giang
3 Tính toán đối với khu vực cống Thanh Niên
2.4.2 Điều kiện biên phục vụ tính toán:
Điều kiện biên về mực nước và sóng phục vụ cho cả quá trình tính toán được trích xuất từ số liệu
trong Tiêu chuẩn thiết kế đê biển mới ban hành năm 2012 [5], cụ thể số liệu đầu vào như sau:
Bảng 2 Số liệu đầu vào phục vụ tính toán sóng khu vực nghiên cứu
s (m) T (s) Hướng (độ) H w (m)
45
3.482
90
135
45
2.214
90
135
Trang 4Mỗi cấp tần suất sóng và mực nước tính toán
cho khu vực được tính theo 03 hướng lan
truyền khác nhau đó là hướng Đông Bắc
(NE=450), hướng Đông (E=900) và hướng
Đông Nam (SE=1350)
2.5 Kết quả tính toán sự lan truyền sóng
vào khu vực nghiên cứu
2.5.1 Đối với khu vực cửa Ba Lạt:
- Với các phương án bãi hiện trạng và bãi bồi tại khu vực cửa Ba Lạt theo các tần suất và hướng khác nhau cho thấy sóng có sự suy giảm khi tiến vào vùng nước nông do ảnh hưởng của địa hình đáy
Hình 6 Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt năm 1990 Hình 7 Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt với địa hình
hiện trạng năm 2010
Hình 8 Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt năm 2025 Hình 9 Tỷ lệ suy giảm chiều cao sóng theo hướng NE so với hướng E khi lan truyền vào khu vực
cống Thanh Niên với các kịch bản phát triển bãi
bồi (trường hợp tính P=1%)
- Kết quả tính toán tại khu vực cửa Ba Lạt cho
thấy, khi bãi bồi phát triển ở cửa Ba Lạt như
một mỏ hàn tự nhiên (theo tài liệu thu thập và
phân tích ảnh viễn thám qua nhiều thời kỳ tại
khu vực nghiên cứu) tương ứng với chiều dài:
11.5 km năm 1990; 12.5 Km năm 2010 và dự
báo cho 2015 là: 13,5÷14.0km (xem hình 6÷8)
che chắn cho khu vực lân cận, điều này có tác
dụng làm giảm sóng đối với khu vực xung
quanh, nhất là đối với khu vực cống Thanh
Niên (Bảng 3)
2.5.2 Kết quả tính toán đối với khu vực cửa Lạch Giang:
- Kết quả tính toán với bãi hiện trạng năm
2010 theo tần suất P=1% và P=5% cho thấy hướng sóng bất lợi nhất khi truyền vào khu vực cửa Lạch Giang là hướng SE Tuy nhiên,
sự suy giảm chiều cao sóng khi truyền vào trong cửa cũng không chênh lệch nhiều theo các hướng truyền khác nhau Trường sóng tính toán đại diện cho hướng NE, cấp tần suất P=1% được thể hiện trong hình 10
Bảng 3 Tỷ lệ suy giảm chiều cao sóng tại khu vực cống Thanh Niên khi lan truyền theo hướng
NE so với các hướng E và SE
TT Phương án tính toán
1 Trường hợp với bãi bồi năm 1990
2 Trường hợp với bãi bồi năm 2010
3 Trường hợp với bãi bồi năm 2025
Trang 5Hình 10 Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang hướng NE, tần suất P=1% (Địa hình năm 2010)
- Khu vực cửa Lạch Giang trong những năm
gần đây đã bị biến đổi rất nhiều, bãi ở hai bên
cửa xói mạnh, luồng lạch biến đổi, một trong
những nguyên nhân chính là tác động của
sóng Để giảm thiểu, ngăn chặn tình trạng trên
và có phương án chỉnh trị hợp lý, nhóm nghiên cứu đã đưa ra 02 phương án bố trí công trình chỉnh trị (xem hình 11 và hình 12)
Bảng 4 Các thông số kỹ thuật về các phương án công trình chỉnh trị tại cửa Lạch Giang
1 Phương án công trình 1
2 Phương án công trình 2
+ Đê ngăn cát, giảm sóng H1 400 cánh; 380 thân +3.5
+ Đê ngăn cát, giảm sóng H2 400 cánh; 460 thân +3.5
Đây là các phương án công trình đa năng, vừa
có tác dụng ngăn cát, ổn định tuyến luồng lạch
đảm bảo thoát lũ và giao thông thủy, vừa có
khả năng giảm sóng tác động đến khu vực cửa
sông Trong nghiên cứu này chủ yếu quan tâm
đến hiệu quả làm suy giảm sóng để giúp các
nhà quản lý có cơ sở lựa chọn phương án chỉnh trị hợp lý nhất
Kết quả tính toán trường sóng đại diện theo hướng NE, cấp tần suất P=1% đối với hai phương án công trình được thể hiện trong các hình 13 và hình 14 dưới đây
Trang 6Hình 11 Bố trí phương án công trình chỉnh trị tại
cửa Lạch Giang (PA1)
Hình 12 Bố trí phương án công trình chỉnh trị tại
cửa Lạch Giang (PA2)
Hình 13 Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang
hướng NE, tần suất P=1% (PA1) Hình 14 Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang
hướng NE, tần suất P=1% (PA2)
- Kết quả của sự suy giảm chiều cao sóng khi có công trình chỉnh trị đối với khu vực cửa Lạch Giang được thể hiện trong các bảng 5 và bảng 6 dưới đây:
Bảng 5 Suy giảm chiều cao sóng khi truyền vào khu vực cửa Lạch Giang theo các hướng khác nhau (tính
toán với công trình PA1, tần suất P=1% )
giảm so với khi chưa có công trình
3 SE 79.0
Bảng 6 Suy giảm chiều cao sóng khi truyền vào khu vực cửa Lạch Giang theo các hướng khác nhau (tính
toán với công trình PA2, tần suất P=1% )
giảm so với khi chưa có công trình
3 SE 91.6
Cả hai phương án chỉnh trị đối với khu vực
cửa Lạch Giang đều cho hiệu quả suy giảm
chiều cao sóng khá tốt và không có sự chênh
lệch đáng kể về giá trị Tuy nhiên, đối với PA1
sẽ cho không gian lưu thông tốt ở khu vực cửa,
tạo khả năng thoát lũ, hoạt động giao thông
thủy Bên cạnh đó, với khoảng không phía
trong rộng sẽ là điều kiện rất tốt để có thể neo đậu, trú ngụ của tàu thuyền
2.5.3 Kết quả tính toán đối với khu vực cống Thanh Niên:
- Bãi biển khu vực cống Thanh Niên trong những năm gần đây bị xói lở rất nghiêm trọng, biển đã tiến sát vào chân đê, sóng vỗ trực diện
Trang 7vào đê biển Do đó, cần phải có các phương án
công trình trên bãi nhằm làm suy giảm sóng ở
bên ngoài trước khi tiến vào khu vực đê biển
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã
đưa ra 02 phương án bố trí công trình chỉnh trị
tại khu vực cống Thanh Niên, bao gồm:
+ Phương án bố trí 05 mỏ hàn chữ T đặt vuông
góc với bờ, mỗi mỏ hàn cách nhau một khoảng 150m;
+ Phương án bố trí 05 đê phá sóng song song với bờ, mỗi đê phá sóng đặt cách nhau một khoảng là 150m
Các thông số kỹ thuật của từng phương án được đưa ra trong bảng 7 dưới đây
Bảng 7 Các thông số kỹ thuật về các phương án công trình chỉnh trị tại khu vực cống Thanh
Niên
TT Tên công trình Dài (m) Rộng (m) C /trình đỉnh (m )
1 05 mỏ hàn chữ T vuông góc với
- Trường sóng tính toán đại diện cho hướng NE, tần suất P=1% tại khu vực nghiên cứu đối với
cả hai phương án được thể hiện trong các hình 16 và 17 dưới đây
Hình 15 Trường sóng khu vực cống Thanh Niên theo
hướng NE, tần suất P=1% (Phương án mỏ hàn chữ T)
Hình 16 Trường sóng khu vực cống Thanh Niên theo hướng NE, tần suất P=1% (Phương án đê
phá sóng song song với bờ)
- Kết quả tính toán độ suy giảm chiều cao sóng
đối với hai phương án công trình được thể hiện
trong các bảng 8 và bảng 9 dưới đây Các điểm
trích xuất tại 03 điểm ở phía trước và phía sau của 03 công trình nằm ở giữa
Bảng 8 Kết quả suy giảm chiều cao sóng khi đi qua hệ thống m ỏ hàn chữ T, với P=1%
T1 T2 T3
giảm so với khi chưa có công trình
Hướng Đông (E) 71.10 71.47 71.29
Bảng 9 Kết quả suy giảm chiều cao sóng khi đi qua hệ thống đê phá sóng, với P=1%
giảm so với khi chưa có công trình
Hướng Đông Nam (SE) 64.05 60.67 61.15
III KẾT LUẬN
- Mô hình tính toán quá trình lan truyền sóng
đối với khu vực cửa sông, ven biển tại một số
trọng điểm từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang
đã được kiểm định qua các số liệu đo đạc khảo sát về mực nước, sóng cho kết quả đảm bảo
Trang 8làm cơ sở để nghiên cứu, tính toán các phương
án khác
- Tính toán tại khu vực cửa Ba Lạt cho thấy,
khi bãi bồi phát triển ở cửa Ba Lạt như một mỏ
hàn tự nhiên (hình 6÷8) che chắn cho khu vực
lân cận, có tác dụng làm giảm sóng đối với
khu vực xung quanh, nhất là đối với khu vực
cống Thanh Niên (Bảng 3)
- Kết quả tính toán tại khu vực cửa Lạch Giang
trong điều kiện bãi tự nhiên và khi có bố trí 02
phương án công trình chỉnh trị nhằm đánh giá
hiệu quả của công trình trong việc làm suy
giảm sóng khi tiến vào vùng cửa sông, đây
cũng là cơ sở để lựa chọn phương án chỉnh trị
tốt nhất tại khu vực
- Việc phải có công trình chỉnh trị nhằm bảo
vệ bờ, đê biển và chống xói bãi do tác động của sóng biển tại khu vực cống Thanh Niên là rất cần thiết Từ 02 phương án công trình nêu trên sẽ là cơ sở để giúp các nhà quản lý có những lựa chọn phương án tốt nhất đối với khu vực cần chỉnh trị
Trong nghiên cứu này mới chỉ tính đến một số phương án công trình tại các trọng điểm nghiên cứu, cần phải tính toán nhiều hơn nữa các phương án công trình chỉnh trị để có những đánh giá tốt, từ đó sẽ lựa chọn được phương án
bố trí công trình chỉnh trị hợp lý nhằm giảm thiểu tác động của sóng, ổn định bờ, đê bãi và các tuyến luồng lạch đảm bảo giao thông thủy
và thoát lũ cho vùng nghiên cứu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trương Văn Bốn, 2006 Dự tính mực nước thủy triều ven bờ vịnh Bắc Bộ bằng phần mềm Mike 21
HD Tạp chí khoa học công nghệ Thủy Lợi số 3/10, 2006
[2] Nguyễn Văn Hùng và nnk Viện KHTLVN “ Điều tra hiện trạng các cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng (Ba Lạt, Trà Lý, Đáy, Ninh Cơ) kiến nghị các giải pháp khai thác một cách hoàn thiện phục vụ
phát triển kinh tế”, Kết quả dự án ĐTCB năm 2009
[3] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk Viện KHTLVN “ Xác định chiều cao sóng trong tính toán thiết kế đê
biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam”, Kết quả Đề tài trọng điểm cấp Bộ NN&PTNT 2007-2008
[4] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk Viện KHTLVN ”Theo dõi diễn biến sạt lở vùng cửa sông, ven biển Nam
Định”, Kết quả dự án ĐTCB giai đoạn 2005-2011
[5] Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển, Bộ NN&PTNT năm 2012
