Đánh giá tác động của tổ hợp công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng tỉnh Quảng Trị

t3D WAVE) - Mô đun tính chất lượng nước (Delft3D-WAQ) - Mô đun tính lan truyền quỹ đạo hạt (Delft3D-PART) - Mô đun sinh thái học (Delft3D-ECO) - Mô đun tính vận chuyển trầm tích (Delft3D-SED) - Mô đun tính biến đổi hình thái (Delft3D-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: mô đun tạo lưới Delft3D-RGFGRID, mô đun nội suy độ sâu và gán vào các ô lưới tương ứng Delft3D-QUICKIN và hai mô đun trình diễn kết quả Delft3D-GPP và Delft3D-QUICKPLOT. Mô hình Delft3D FLOW: Mô hình ba chiều Delft3D-FLOW tính toán các quá trình không ổn định của hoàn lưu, các quá trình vận chuyển được tạo ra bởi thuỷ triều và 31 tác động của các yếu tố khí tượng. Mục đích cơ bản của mô hình 2 chiều (2D – trung bình độ sâu) và 3 chiều (3D) là mô phỏng quá trình lan truyền thuỷ triều và dòng chảy gió bao gồm sự 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 Delft3D-FLOW Mô hình Delft3D-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 toạ độ đề các và hệ toạ 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 Delft3D-FLOW được thiết lập trên cơ sở các quá trình vật lý sau: - Lực tạo triều - Chính áp - Tác động của lực Coriolis - Phương trình trạng thái - Sự biến đổi mật độ (tà áp) - Mô hình rối - Quá trình vận chuyển nhiệt muối 32 - Các quá trình biến đổi của ứng suất gió trên mặt nước theo không gian - Ứng suất đáy - Sự biến đổi của áp suất khí quyển theo không gian và thời gian - Sự biến đổi các nguồn lan truyền theo thời gian - Quá trình truyền nhiệt từ khí quyển qua bề mặt tự do - Tác động của sóng 2.2.1.5. Mô hình ISIS Mô hình iSIS là một bộ mô hình thuỷ động lực được xây dựng bởi tập đoàn công ty Halcrow và HR Wallingford, với nhiều mô đun tính toán khác nhau: thủy lực, chất lượng nước, bùn cát... Trong đó, mô đun ISIS flow là mô đun 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 thuỷ 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 thuỷ 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 tả bởi 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 và các đường tràn. Các ô chứa được giả định như sau: mực nước trong ô chứa là nằm ngang có giá trị bằng mực nước tại tâm ô. Ô chứa được mô phỏng bởi đường quan hệ 33 cao trình và diện tích bề mặt thoáng theo từng cấp mực nước (Z ~ A). ISIS có phần 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 thay đổi dòng chảy dọc sông, qua từng mặt cắt và qua công trình....Phần mềm ISIS đã được sử dụng cho đồng bằng sông Cửu Long ở dạng mạng kênh sông được đơn giản hóa. 2.2.2. Lựa chọn mô hình 2.2.2.1. Phân tích bài toán Vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng là một hệ thống thuỷ văn, thuỷ lực thống nhất chịu tác động đồng thời của các nhân tố tự nhiên và nhân tạo. Các nhân tố tự nhiên: dòng chảy sông, thuỷ triều, sóng chi phối chế độ dòng chảy theo thời gian; các công trình nhân tạo: cảng cá Cửa Tùng, cầu Tùng Luật, kè Cửa Tùng ảnh hưởng lên trường thủy động lực. Nhiệm vụ của bài toán cần giải quyết là mô phỏng được tác động của tổ hợp công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng. Khu vực nghiên cứu là một vùng nhỏ, nhưng trường thủy động lực trong vùng lại chịu ảnh hưởng tác động đồng thời của sông, biển và tổ hợp công trình. Do vậy, thích hợp nhất nên dùng mô hình thủy lực hai chiều để tính toán và mô phỏng trường thủy động lực cho khu vực. 2.2.2.2. Phân tích lựa chọn mô hình mô phỏng Trong những năm gần đây, cùng 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 nhiều hơn. 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, vv... đang trở thành là một công cụ mạnh, phục vụ đắc lực trong nhiều lĩnh vực. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều mô hình toán đang được sử dụng, các mô hình này hiện cũng đang được nhiều cơ quan trong nước áp dụng cho 34 nhiều mục đích khai thác khác nhau như nghiên cứu, quy hoạch và thiết kế hệ thống quản lý tài nguyên nước và phòng lũ. [8] Trong những năm qua, nhiều mô hình đã đáp ứng được những yêu cầu cấp bách của thực tế như tính toán và dự báo lũ, quy hoạch hệ thống phòng lũ sông Hồng - Thái Bình (VRSAP, MIKE 11, ISIS, HEC-RAS), quy hoạch phòng lũ đồng bằng sông Cửu Long (VRSAP, HYDROGIS, KOD1, ISIS), tính toán, dự báo lũ Miền Trung (MIKE 11, VRSAP)... . Tuy nhiên, cho đến nay cũng chưa có một đánh giá, so sánh về khả năng áp dụng của các mô hình nói trên. Lựa chọn mô hình là khâu đầu tiên rất quan trọng trong phương pháp mô hình toán, nó phụ thuộc vào yêu cầu công việc, điều kiện số liệu. Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán ảnh hưởng của các công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng – Quảng Trị, chúng tôi đã lựa chọn áp dụng bộ phần mềm MIKE 21/3 FM couple, bởi nó đáp ứng được những tiêu chí sau: - Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng; - Là bộ phần mềm đã được kiểm nghiệm thực tế ở nhiều quốc gia trên thế giới; - Cho phép tính toán thủy lực với độ chính xác cao; - Đáp ứng mục đích nghiên cứu; - Giao diện thân thiện, dễ sử dụng. 2.3. Cơ sở lý thuyết mô hình Mike 21/3 FM [20, 21] Mô hình kết hợp MIKE 21/3 FM couple là một hệ thống mô hình thủy động lực áp dụng cho vùng cửa sông, ven biển và trong sông. Mô hình bao gồm các mô đun sau: - Mô đun dòng chảy - Mô đun tải khuếch tán - Mô đun chất lượng nước và sinh thái học - Mô đun vận chuyển bùn 35 - Mô đun vận chuyển cát (chỉ áp dụng cho tính toán 2D) - Mô đun phổ sóng Mô đun dòng chảy và phổ sóng là hai thành phần cơ bản của mô hình kết hợp Mike 21/3 FM. Mô hình này được sử dụng để tính toán tương tác lẫn nhau giữa sóng và dòng chảy. Mô hình cũng bao gồm tính toán kết hợp động lực học giữa mô đun vận chuyển bùn, mô đun vận chuyển cát, mô đun dòng chảy và mô đun sóng. Do đó, sự tương tác qua lại đầy đủ của những thay đổi về độ sâu đến tính toán sóng và dòng chảy cũng được xem xét. 2.3.1. Mô đun dòng chảy MIKE 21 FM Mô đun dòng chảy được phát triển bởi phương pháp lưới phần tử hữu hạn. Mô đun này được dựa trên nghiệm số của hệ các phương trình Navier- Stokes cho chất lỏng không nén được 2 hoặc 3 chiều kết hợp với giả thiết Boussinesq và giả thiết về áp suất thuỷ tĩnh. Do đó, mô đun bao gồm các phương trình: phương trình liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ muối và mật độ và chúng khép kín bởi sơ đồ khép kín rối. Với trường hợp ba chiều sử dụng hệ toạ độ sigma. Việc rời rạc hoá không gian của các phương trình cơ bản được thực hiện bằng việc sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn trung tâm. Miền không gian được rời rạc hoá bằng việc chia nhỏ miền liên tục thành các ô lưới/phần tử không trùng nhau. Theo phương ngang thì lưới phi cấu trúc được sử dụng còn theo phương thẳng đứng trong trường hợp 3 chiều thì sử dụng lưới có cấu trúc. Trong trường hợp hai chiều các phần tử có thể là phần tử tam giác hoặc tứ giác. Trong trường hợp ba chiều các phần tử có thể là hình lăng trụ tam giác hoặc lăng trụ tứ giác với các phần tử trên mặt có dạng tam giác hoặc tứ giác. 36 Phương trình cơ bản Phương trình liên tục (2.1) Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng (2.2) (2.3) trong đó t là thời gian; x, y và z là toạ độ Đề các; η là dao động mực nước; d là độ sâu; h=η+d là độ sâu tổng cộng; u, v và w là thành phần vận tốc theo phương x, y và z; f=2Ωsinφ là tham số Coriolis; g là gia tốc trọng trường; ρ là mật độ nước; νt là nhớt rối thẳng đứng; pa là áp suất khí quyển; ρo là mật độ chuẩn; S là độ lớn của lưu lượng do các điểm nguồn và (us,vs) là vận tốc của dòng lưu lượng đi vào miền tính. Fu, Fv là các số hạng ứng suất theo phương ngang. Phương trình tải cho nhiệt và muối (2.4) (2.5) trong đó Dv là hệ số khuếch tán rối thẳng đứng; H ) là số hạng nguồn do trao đổi nhiệt với khí quyển. Ts và ss là nhiệt độ và độ muối của nguồn; FT và Fs là các số hạng khuếch tán theo phương ngang. 37 Phương trình tải cho đại lượng vô hướng (2.6) trong đó C là nồng độ của đại lượng vô hướng; kp là tốc độ phân huỷ của đại lượng đó; Cs là nồng độ của đại lượng vô hướng tại điểm nguồn; Dv là hệ số khuếch tán thẳng đứng; và FC là số hạng khuếch tán ngang. Điều kiện biên Biên đất Dọc theo biên đất thông lượng được gán bằng không đối với tất cả các giá trị. Biên mở Điều kiện biên mở có thể được xác định dưới cả dạng lưu lượng hoặc mực nước cho các phương trình thuỷ động lực. 2.3.2. Mô đun sóng MIKE 21 SW MIKE 21 SW là mô đun tính phổ sóng gió được tính toán dựa trên lưới phi cấu trúc. Mô đun này tính toán sự phát triển, suy giảm và truyền sóng được tạo ra bởi gió và sóng lừng ở ngoài khơi và khu vực ven bờ. MIKE 21 SW bao gồm hai công thức khác nhau: - Công thức tham số tách hướng - Công thức phổ toàn phần Công thức tham số tách hướng dựa trên việc tham số hoá phương trình bảo toàn tác động sóng. Việc tham số hoá được thực hiện theo miền tần số bằng cách đưa vào mô men bậc không và bậc một của phổ hoạt động sóng giống như các giá trị không phụ thuộc (theo Holtuijsen 1989). Xấp xỉ tương tự được sử dụng trong mô đun phổ sóng gió ven bờ MIKE 21 NSW. Công thức phổ toàn phần được dựa trên phương trình bảo toàn tác động sóng, như được mô tả bởi Komen và cộng sự (1994) và Young (1999), tại đó phổ hướng 38 sóng của sóng hoạt động là giá trị phụ thuộc. Các phương trình cơ bản được xây dựng trong cả hệ toạ độ Đề các với những áp dụng trong phạm vi nhỏ và hệ toạ độ cầu cho những áp dụng trong phạm vi lớn hơn. MIKE 21 SW bao gồm các hiện tượng vật lý sau: - Sóng được phát triển bởi hoạt động của gió; - Tương tác sóng – sóng là phi tuyến; - Tiêu tán sóng là do sự bạc đầu; - Tiêu tán sóng do ma sát đáy; - Tiêu tán sóng do sóng vỡ; - Khúc xạ và hiệu ứng nước nông do thay đổi độ sâu; - Tương tác sóng- dòng chảy. Việc rời rạc hoá phương trình trong không gian địa lý và không gian phổ được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn lưới trung tâm. Sử dụng kỹ thuật lưới phi cấu trúc trong miền tính địa lý. Việc tích phân theo thời gian được thực hiện bằng cách sử dụng xấp xỉ chia đoạn trong đó phương pháp hiện đa chuỗi được áp dụng để tính truyền sóng. Phương trình cơ bản chính là phương trình cân bằng tác động sóng được xây dựng cho cả hệ toạ độ Đề các và toạ độ cầu (xem Komen và cộng sự (1994) và Young (1999)). Phương trình cho hoạt động sóng được viết như sau: (2.7) trong đó ( )txN ,,, θσ là mật độ tác động; t là thời gian; ( yxx ,= ) là toạ độ Đề các đối với hệ toạ độ Đề các ( )yxx ,= và ( )λφ,=x là toạ độ cầu trong toạ độ cầu với φ là vĩ độ và λ là kinh độ; ( )θσ ccccv yx ,,,= là vận tốc truyền nhóm sóng trong không gian bốn chiề u v , σ và θ; và S là số hạng nguồn cho 39 phương trình cân bằng năng lượng. ∇ là toán tử sai phân bốn chiều trong không gian v , σ và θ. Điều kiện biên Ở biên đất trong không gian địa lý, điều kiện biên trượt toàn phần được áp dụng. Các thành phần thông lượng đi vào được gán bằng không. Ở biên mở, thông lượng đi vào cần được biết. Do đó, phổ năng lượng phải được xác định ở biên mở. 2.3.3. Mô đun vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST MIKE 21 ST là mô đun tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích (cát) không kết dính dưới tác động của cả sóng và dòng chảy. Các thành phần vận chuyển trầm tích có thể gây ra biến đổi đáy. Việc tính toán được thực hiện dưới điều kiện thuỷ động lực cơ bản tương ứng với độ sâu đã cho. Kết quả cung cấp bởi MIKE 21 ST có thể sử dụng để xác định khu vực có khả năng xói hoặc bồi và chỉ ra tốc độ biến đổi đáy. Đặc trưng chính của mô đun vận chuyển trầm tích không kết dính MIKE 21 ST được mô tả như sau: - Các đặc trưng của vật chất đáy có thể không đổi hoặc biến đổi theo không gian (ví dụ tỉ lệ và cỡ hạt trung bình) - Năm lý thuyết vận chuyển trầm tích khác nhau đều có giá trị cho việc tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích trong điều kiện chỉ có dòng chảy: + Lý thuyết vận chuyển tổng tải Engelund và Hansen + Lý thuyết vận chuyển tổng tải (được xác định như tải đáy + tải lơ lửng) Engelund và Fredsoe + Công thức vận chuyển tổng tải (tải đáy + tải lơ lửng) Zyserman và Fredsoe + Lý thuyết vận chuyển tải đáy Meyer-Peter + Công thức vận chuyển tổng tải Ackers và White 40 - Hai phương pháp có giá trị để tính toán tốc độ vận chuyển trầm tích kết hợp giữa sóng và dòng chảy + Áp dụng mô đun vận chuyển trầm tích STP của DHI + Phương pháp vận chuyển tổng tải của Bijker - Phương pháp vận chuyển cát do người sử dụng xác định (2 chiều hoặc tựa 3 chiều) trong tính toán kết hợp sóng và dòng chảy khi mô đun STP được sử dụng. Tính toán tốc độ vận chuyển được đẩy mạnh thông qua việc sử dụng bảng vận chuyển trầm tích được tạo ra trước đó. - Sử dụng STP cho phép tính toán ảnh hưởng của hiện tượng sau đến tốc độ vận chuyển trầm tích: + Hướng truyền sóng bất kỳ tác động đến dòng chảy + Sóng vỡ hoặc sóng không vỡ + Đặc tính hình học của vật chất đáy được mô tả thông qua một cỡ hạt hoặc đường cong phân bố cỡ hạt + Đáy phẳng hoặc đáy gợn cát - Tính ổn định chuẩn Courant-Friedrich-Lewy. Phân bố thẳng đứng của trầm tích lơ lửng trong tính toán sóng kết hợp với dòng chảy dùng để đánh giá vận chuyển trầm tích trong biển. Cách thông thường để mô tả phân bố thẳng đứng của trầm tích lơ lửng đó là áp dụng phương trình khuếch tán: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂+∂ ∂= y c yy cw dt dc sε (2.8) trong đó c là nồng độ trầm tích; t là thời gian; w là tốc độ chìm lắng của trầm tích lơ lửng; y là toạ độ thẳng đứng; εs là hệ số trao đổi rối. 41 CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21 ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA TỔ HỢP CÔNG TRÌNH LÊN TRƯỜNG THỦY ĐỘNG LỰC VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN CỬA TÙNG, TỈNH QUẢNG TRỊ 3.1. Cơ sở dữ liệu Số liệu khí tượng, thủy hải văn trong khu vực nghiên cứu đã được thu thập và cập nhật đến năm 2008 cùng các nguồn số liệu khác như tài liệu khảo sát địa hình năm 2000, ảnh hàng không chụp năm 2003, ảnh vệ tinh Google... Số liệu hai đợt khảo sát và đo đạc vào tháng 8/2009 và 4/2010 trong đó gồm số liệu địa hình khu vực nghiên cứu phần dưới nước, phần trên cạn, dòng chảy, sóng, gió, trầm tích đáy và lơ lửng kết hợp với các điều tra thu thập thông tin xã hội. Số liệu khảo sát sau đó được xử lý và đưa về các dạng tương thích phục vụ công tác thiết lập mô hình ở bước tiếp theo. 3.1.1. Số liệu điều tra, thu thập Thu thập và cập nhật số liệu khí tượng, thủy hải văn trong khu vực nghiên cứu đến năm 2008; số liệu khảo sát địa hình năm 2000 của TEDI; ảnh hàng không chụp năm 2003, ảnh vệ tinh Google.... Từ nguồn số liệu này đã được xử lý, phân tích. Bảng 3.1: Gió và sóng tại trạm Cồn Cỏ TẦN SUẤT(%) CỦA CÁC HƯỚNG GIÓ VÀ LẶNG GIÓ Tháng N NE E SE S SW W NW LẶNG I 16.9 4.8 23.7 8.1 0 0 0.8 30.1 15.6 IV 10.3 2.2 4.7 21.4 1.1 0.8 0.3 30.6 28.6 VII 2.7 3.2 7.5 22.6 7 30.6 3 3 20.4 X 24.2 19.6 19.8 12.7 1.2 1.4 1.2 11.3 8.7 Năm 15.4 9 15.4 17 2.4 1.5 1.4 19.3 18.7 42 SÓNG XI – I II – IV V – VII VIII –X Năm Hướng e p e p e p e p e p N 0 0.63 0.015 NE 45 1.54 2.34 0.43 3.27 0.23 1.25 0.87 5.74 1.13 9.86 E 90 0.86 76.44 0.42 41.23 0.23 17.2 0.78 71.27 0.64 52.93 SE 135 0.54 21.22 0.23 55.1 1.26 64.7 0.57 22.8 0.26 33.64 S 180 0.14 3.38 0.09 8.96 1.89 0.18 0.13 1.55 SW 225 0.08 5.13 0.1 0.31 W 270 0.08 1.97 0.09 0.46 NW 315 0.14 0.18 0.06 0.074 ∑ 0.81 100 0.31 100 0.87 100 0.74 100 0.55 98.83 43 Hình 3.1: Hoa sóng tại trạm Cửa Tùng và Cồn Cỏ 3.1.2. Số liệu điều tra, khảo sát trong 2 đợt điều tra khảo sát thực địa * Đợt 1: Thời gian khảo sát từ ngày 12/8 đến 18/8/2009 - Các số liệu thu thập: địa hình, dòng chảy, mực nước, sóng. - Điều tra, thu thập thông tin xã hội. Bảng 3.2: Thống kê số liệu thời gian và địa điểm đo sóng, dòng chảy và mực mước tại khu vực nghiên cứu tháng 8 năm 2009 Thời gian Vị trí TT Tên trạm Yếu tố đo Bắt đầu Kết thúc Kinh độ Vĩ độ 1 Cầu Hiền Lương Dòng chảy Mực nước 7h00-12/8/2009 10h00-18/8/2009 107o04' 17o00' 2 K1 Dòng chảy 7h00-12/8/2009 10h00-18/8/2009 107o12' 17o02' 3 K2 Dòng chảy Mực nước Sóng 7h00-12/8/2009 10h00-18/8/2009 107o11' 17o01' 4 B1 Dòng chảy Sóng 7h00-12/8/2009 10h00-18/8/2009 107o13' 17o06' 44 * Đợt 2: Thời gian khảo sát từ ngày 21/4 đến 28/4/2010 - Các số liệu thu thập: địa hình, dòng chảy, mực nước, sóng. - Điều tra, thu thập thông tin xã hội. Bảng 3.3: Thống kê số liệu thời gian và địa điểm đo sóng, dòng chảy và mực mước tại khu vực nghiên cứu tháng 4 năm 2010 Thời gian Vị trí TT Tên trạm Yếu tố đo Bắt đầu Kết thúc Kinh độ Vĩ độ 1 Cầu Hiền Lương Dòng chảy Mực nước 7h00-21/4/2010 7h00-28/4/2010 107o04' 17o00' 2 K1 Dòng chảy 7h00-21/4/2010 7h00-28/4/2010 107o12' 17o02' 3 K2 Dòng chảy Mực nước Sóng 7h00-21/4/2010 7h00-28/4/2010 107o11' 17o01' 4 B1 Dòng chảy Sóng 7h00-21/4/2010 7h00-28/4/2010 107o13' 17o06' 3.2. Thiết lập miền tính và điều kiện biên [12] 3.2.1. Địa hình khu vực tính toán - Thu thập số liệu khảo sát địa hình năm 2000 của TEDI - Số liệu địa hình của 2 đợt khảo sát tháng 8/2009 và tháng 4/2010 Khu vực khảo sát địa hình: Trong sông (khoảng 10 km) từ cầu Hiền Lương đến Cửa Tùng và từ bờ ra ngoài biển (khoảng 3,5 km). Hình 3.2: Bình đồ đáy biển khu vực khảo sát 45 Tiến hành xử lý và phân tích số liệu đo đạc cho thấy đây là khu vực nông chỗ sâu nhất 16m, không có sự biến đổi mạnh về độ sâu. Tuy vậy, bức tranh về các đường đẳng sâu tương đối dích dắc(xem Hình 3.3). Với một địa hình như vậy thì các quá trình thủy động lực học tại đây sẽ tương đối phức tạp. Kết quả địa hình này được chuyển đổi sang phần mềm chuyên dụng của Đan Mạch và tiến hành chia lưới tính chi tiết với các bước lưới khác nhau tùy theo các kịch bản. Hình 3.3: Địa hình khu vực tính toán 3.2.2. Miền tính và lưới tính Việc xây dựng miền tính và lưới tính cho mô hình Mike 21FM dựa trên các dữ liệu về ô lưới tính, độ sâu nước, các công trình và biên tính phục vụ mục tiêu nghiên cứu đặt ra. * Miền tính Miền tính được xác định từ khoảng vĩ độ 16º58’N – 17º07’N , kinh độ 107º04’E – 107º16’E (từ cầu Hiền Lương đến cầu Tùng Luật và ra biển cách bờ khoảng 3,5 km) 46 Hình 3.4: Miền tính toán * Lưới tính Để tính toán các trường thủy động lực và sau đó đánh giá tác động công trình đến bức tranh thủy động lực khu vực cửa sông ven bờ Bến Hải, Quảng Trị trên cơ sở các tài liệu địa hình đã có, nghiên cứu này đã lựa chọn lưới phần tử hữu hạn với độ phân giải thay đổi tăng dần từ ngoài biển vào sát bờ và cao nhất xung quanh các công trình. Trong toàn miền, diện tích của phần tử lớn nhất là 100000 m2, nhỏ nhất là 450 m2, góc nhỏ nhất 23º; vùng tính toán được rời rạc hóa thành các phần tử và nút lưới cho các kịch bản ứng với các tổ hợp công trình như sau: - Cảng: Số phần tử 10997; Số nút lưới 5083 - Cảng – cầu: Số phần tử 10846; Số nút lưới 5728 - Cảng – kè: Số phần tử 10766; Số nút lưới 5707 - Cảng – Cầu – kè: Số phần tử 10746; Số nút lưới 5699 - Cảng – cầu – 2 kè: Số phần tử 10767; Số nút lưới 5717 Độ phân giải thô nhất ở vùng ngoài khơi khoảng 400m, mịn nhất vùng gần bờ và các công trình khoảng 20 m. Với kích thước ô lưới đã chọn đáp ứng được các yêu cầu về thời gian tính toán trong mô hình hai chiều MIKE 21. 47 Mỗi kịch bản tính toán về sự tồn tại hay không tồn tại công trình sử dụng một lưới tính khác nhau và hình 3.5 minh họa một ví dụ về lưới tính với trường hợp hiện trạng (có tổ hợp công trình cảng – cầu – kè). Hình 3.5: Lưới phần tử hữu hạn dùng trong mô hình MIKE 21FM 3.2.3. Điều kiện biên - Đối với tính toán sóng, sử dụng điều kiện biên là độ cao, chu kỳ và hướng sóng tại biên phía biển, tại biên phía bắc và nam là điều kiện đối xứng. - Trong tính toán mực nước và dòng chảy sử dụng điều kiện biên tại Bến Hải là mực nước hoặc lưu lượng, tại phía biển là các hằng số điều hòa thủy triều của 8 sóng theo bản đồ đồng triều toàn cầu. - Điều kiện biên đối với trầm tích lơ lửng là cân bằng nồng độ, tham số trầm tích đáy lựa chọn là d50 = 0.27mm, độ chọn lọc cát là 1.4 [11]. Theo kết quả thống kê cho thấy vùng biển Cửa Tùng có 3 hướng sóng chính, các hướng sóng có tần suất xuất hiện lớn. Tác động của các công trình lên các hướng sóng này là phổ biến (xem Hình 3.1). Do vậy, 3 hướng sóng chính bao gồm hướng Đông Bắc(NE), Đông Nam(NE) và Đông (E) sẽ được chọn để nghiên cứu sự tác động của tổ hợp công trình lên trường sóng trong khu vực. 48 3.3. Hiểu chỉnh và kiểm định mô hình [12] Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với tài liệu đo đạc dòng chảy và mực nước tại hai điểm trong vùng nghiên cứu (1 điểm trong vùng biển ven bờ K1 và 1 điểm trong vùng cửa sông K2, gần khu cảng cá) với chuỗi số liệu từ ngày 12-18/8/2009 và từ ngày 21-28/4/2010. Kết quả tính toán mô phỏng khá tốt đối với mực nước, nhưng chưa tốt lắm đối với vận tốc. Mặc dù vậy xu thế, dáng điệu và sự trùng pha tương đối phù hợp với thực đo cho phép đánh giá mô hình được thiết lập với bộ thông số đã hiệu chỉnh là đáng tin cậy và có thể sử dụng cho tính toán các kịch bản tiếp theo. Các kết quả tính toán với trường hợp 12-18/8/2009 (xem các Hình 3.6, 3.7 và 3.8), trường hợp 21-28/4/2010 (xem Hình 3.9). Hình 3.6: So sánh vận tốc thực đo và tính toán tại K2 Hình 3.7: So sánh vận tốc thực đo và tính toán tại K1 49 Hình 3.8: So sánh mực nước thực đo và tính toán tại K2 21/4/2010 22/4/2010 23/4/2010 24/4/2010 25/4/2010 26/4/2010 27/4/2010 28/4/2010 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Thời gian H (m ) Cal Osb Hình 3.9: So sánh mực nước thực đo và tính toán tại K1 Bảng 3.4: Kết quả bộ thông số của mô hình thủy lực MIKE21 TT Tên thông số Đơn vị Giá trị 1 Hệ số Manning m1/3s-1 0.025 2 Hệ số nhớt rối theo công thức Smagorinsky m²s-1 0.28 3.4. Mô phỏng theo các tổ hợp công trình 3.4.1. Xây dựng các nhóm kịch bản Trước đây trong tình trạng tự nhiên, khu vực cảng cá là một eo biển kín gió, được một cồn cát lớn nằm phía ngoài che chắn sóng biển. Trên cơ 50 sở các tài liệu về địa hình hiện trạng và kích thước, hình dạng các công trình, 5 nhóm kịch bản tính toán đươc thiết lập bao gồm: Kịch bản 1: địa hình 2010 + cảng cá; Kịch bản 2: địa hình 2010 + cảng + cầu; Kịch bản 3: địa hình 2010 + cảng + kè; Kịch bản 4: địa hình 2010 + cảng + cầu + kè; Kịch bản 5: địa hình 2010 + cảng + cầu + 02kè. Mỗi kịch bản tính toán được thực hiện đầy đủ cả 3 mô đun HD, SW và ST, ứng với các hướng sóng thịnh hành là Đông Bắc, Đông và Đông Nam. 3.4.2. Đánh giá, nhận xét kết quả mô phỏng theo các kịch bản Đặc trưng hình thái của một cửa biển được xét như một hàm của các yếu tố tác động bao gồm chế độ thủy động lực học và thủy thạch động lực học ở vùng ven bờ và khu vực cửa sông. Cụ thể là chế độ dòng chảy từ thượng nguồn, lượng và tính chất của phù sa do sông tải ra biển qua cửa, độ lớn và chu kỳ triều, thể tích lăng trụ triều, năng lượng sóng, dòng chảy ven bờ do ảnh hưởng đồng thời của sóng và gió. Khu vực cửa sông, nơi chịu tác động đồng thời của các yếu tố động lực và thuỷ thạch động lực biển và sông, nơi đây các yếu tố trên thường có sự biến động mạnh mẽ nhất. Các yếu tố động lực và thuỷ thạch động lực có ảnh hưởng quyết định tới hình thái vùng cửa sông là dòng chảy và lượng bùn cát từ thượng nguồn sông cũng như sóng, dòng ven, dòng triều từ biển vào. Các quá trình động lực biển như sóng, dòng ven và dòng triều sẽ gây ra quá trình vận chuyển bùn cát dọc bờ và ngang bờ, cũng như nạo vét lòng sông. Do đó, việc nghiên cứu các yếu tố động lực sông biển tại khu vực cửa sông có ý nghĩa quyết định đối với độ chính xác của việc dự đoán biến động hình thái tại đây và dải ven biển lân cận, đóng góp cho công tác quy hoạch và chỉnh trị vùng cửa sông và ven biển, giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây ra. Các quá trình tự nhiên liên quan đến vận chuyển vật chất trong môi trường biển thường hết sức phức tạp bao gồm bình lưu, đối lưu, khuếch tán và 51 xáo trộn trong nước cũng như động lực học của các lớp biên đáy và mặt. Ứng suất đáy có vai trò quan trọng đối với các quá trình vận chuyển di đáy, bồi tụ và bứt xói trầm tích đáy. Bản thân ứng suất đáy lại phụ thuộc vào điều kiện của lớp biên đáy được hình thành dưới tác động của thủy triều, gió và sóng trên mặt biển. Các giá trị tới hạn đối với dòng vận chuyển di đáy, bồi tụ và bứt xói còn phụ thuộc vào các đặc trưng khác trong đó có kích thước, độ liên kết của trầm tích, v.v. Dòng chảy ven bờ hình thành dưới sự tác động tổng hợp của dòng chảy do sóng, do gió và dòng triều. Quá trình vận chuyển bùn cát ven bờ là do sóng và dòng chảy gây ra. Dòng chảy khi sóng đổ vỡ, vỗ bờ đóng vai trò chính trong quá trình tuyển chọn vật liệu đáy và vận chuyển bồi tích ven bờ. Tác dụng của sóng lên quá trình vận chuyển bùn cát bao gồm hai mặt. Một mặt, sóng trực tiếp tác động lên các hạt bùn cát và làm cho chúng chuyển động. Mặt khác, sóng khuấy động bùn cát, nâng chúng lên để dòng chảy ven bờ vận chuyển chúng đi. Trong đới sóng vỡ, hướng vận chuyển bùn cát sẽ trùng với hướng lan truyền sóng. [7, 10] Các kết quả tính toán trình bày dưới đây thể hiện sự biến đổi của các yếu tố động lực và thủy thạch động lực và đặc trưng hình thái khu vực Cửa Tùng dưới ảnh hưởng của các công trình biển và công trình chỉnh trị trong điều kiện khí tượng, Thủy-Hải văn của khu vực. Trước hết cần nhận định rằng trong khu vực nghiên cứu, trường thủy động lực do sông và thủy triều không đáng kể so với trường sóng. Biên độ thủy triều chỉ khoảng 45cm, dòng chảy sông trung bình khoảng 20m3/s, trong khi độ cao sóng có nghĩa xấp xỉ 3m tại ranh giới phía đông khu vực nghiên cứu. 3.4.2.1. Kịch bản 1(KB1) Kịch bản 1 mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực học trong khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự ảnh hưởng của cảng biển trong 52 trường sóng Đông, Đông Bắc và Đông Nam. Trước khi xây dựng cảng cá Cửa Tùng, nơi đây là khu vực tương đối rộng, nông và được chắn bời bar cát ngoài cửa sông. Việc xây dựng cảng cá với các tác động trực tiếp đến bar cát chắn cửa sông chắc chắn sẽ mang lại nhiều thay đổi bức tranh thủy động lực. Các phân tích dựa trên kết quả tính toán cho thấy, cảng cá đã làm tăng đáng kể bề rộng mặt cắt ngang cửa, nhưng cũng làm thu hẹp một phần phía thượng lưu, dẫn đến thay đổi rõ nét về dòng chảy trong khu vực, đặc biệt, trục động lực cửa sông lệch dần sang phải nếu nhìn ra biển. Cửa sông được mở rộng và tiến xa ra phía biển nên tạo cơ hội thuận lợi hơn cho các trao đổi giữa hai thủy vực sông – biển đồng thời tạo nên các xoáy cục bộ vùng lân cận cửa làm tăng khả năng lắng đọng các hạt trầm tích lơ lửng (xem Hình 3.11, 3.13 và 3.15). Sự xuất hiện của xoáy nhỏ ở khu vực gần bờ phía nam cửa sông giải thích sự hình thành bar phía nam cửa (xem Hình 1-3 ở phụ lục). Trong hình thế trường sóng Đông và Đông Nam luôn tồn tại dòng chảy ven bờ theo hướng song song bờ từ nam lên bắc trong cả hai pha triều lên và triều xuống. Khu vực ven biển giữa xã Vĩnh Quang, nơi mũi đất nhô ra và khu vực nằm giữa hai xã Vĩnh Quang và Vĩnh Thạch xuất hiện dòng chảy ngược lại (từ nam xuống bắc) hình thành xoáy tạo nên dòng chảy có hướng từ bờ ra ngoài khơi đây cũng là một trong những nguyên nhân gây ra xói lở trên các khu vực này (xem Hình 3.11 và 3.15). Ngược lại, với trường sóng Đông Bắc dòng chảy ven bờ luôn theo hướng song song với bờ từ bắc xuống nam (xem Hình 3.13). Trường sóng của khu vực phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa hình, khi địa hình càng phức tạp thì trường sóng từ ngoài vào dưới tác dụng của các hiện tượng nhiễu xạ, khúc xạ,… làm cho hướng và độ cao sóng bị thay đổi tại mỗi vị trí. Với kết quả tính toán mô hình có thể thấy cảng đã tác động đáng kể tới trường sóng, làm giảm độ cao sóng phía trong sông sau khi xây dựng cảng. 53 Hình 3.10: Trường sóng Đông trong kịch bản 1 Hình 3.11: Trường dòng chảy trong sóng Đông theo kịch bản 1 54 Hình 3.12: Trường sóng Đông Bắc trong kịch bản 1 Hình 3.13: Trường dòng chảy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 1 55 Hình 3.14: Trường sóng Đông Nam trong kịch bản 1 Hình 3.15: Trường dòng chảy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 1 56 3.4.2.2. Kịch bản 2 (KB2) Kịch bản 2 mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực học ở khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự ảnh hưởng của cảng biển và cầu Tùng Luật trong hình thế trường sóng Đông, Đông Bắc và Đông Nam. Với trường sóng Đông, kết quả tính toán thu được khá tương đồng với kết quả của KB1, dòng chảy doc bờ từ phía Nam lên phía Bắc chiếm ưu thế trong cả pha triều lên và triều xuống, các xoáy cục bộ tại các khu vực xã Vĩnh Quang và Vĩnh Thạch vẫn tồn tại. Riêng khu vực phía trên và phía dưới cầu Tùng Luật xuất hiện các xoáy cục bộ, các xoáy này mạnh lên trong thời gian ngắn xảy ra sự tranh trấp giữa dòng triều và dòng chảy sông từ thượng lưu xuống. Đây là một trong những nguyên nhân tạo ra các bar quanh khu vực chân cầu ở bờ phía nam. Các hình 3.16 và 3.17 thể hiện kết quả tính toán trong trường sóng Đông. Trong trường sóng Đông Bắc, kết quả tính toán thu được cho thấy luôn tồn tại dòng chảy dọc bờ từ phía Bắc xuống phía Nam. Phía trên, phía dưới cầu Tùng Luật và hai bên cửa sông xuất hiện các xoáy, điều này giải thích sự hình thành của các bar ở cả hai bờ khu vực cửa sông và các bar quanh khu vực chân cầu ở bờ phía nam (xem Hình 3.19 và Hình 5 ở phụ lục). Dòng chảy dọc bờ trong trường sóng Đông Nam tương tự trong trường sóng Đông nhưng với cường độ yếu hơn. Kết quả tính toán biến đổi đáy và trường sóng, dòng chảy trong trường sóng Đông Nam được trình bày trong hình 3.20, 3.21 và Hình 6 ở phụ lục. Kết quả tính toán trường sóng, dòng chảy với KB2 khá tương đồng với kết quả của KB1 ở pha triều lên; Pha triều xuống tại khu vực phía sau cầu Tùng Luật (phía ngoài biển) tồn tại các xoáy ở vị trí xa cầu hơn và vận tốc cũng lớn hơn so với với KB1. 57 Qua kết quả mô phỏng của KB2 cho thấy sau khi xây dựng cầu đã làm cho mặt cắt sông bị thu hẹp lai, kết hợp với các trụ cầu đã làm thay đổi hướng của dòng chảy và tạo lên các xoáy cục bộ phía sau trụ cầu. Mặc dầu vậy không quan sát thấy sự gia tăng đáng kể về vận tốc giữa các trụ cầu do ảnh hưởng của dòng chảy sông trong khu vực không lớn và do vậy các trụ cầu cũng không gây hiện tượng bồi lắng hay xói lở sau cầu. Ngược lại đối với trường sóng, sự xuất hiện các trụ cầu và mố cầu đã cản trở sự lan truyền của sóng vào phía trong sông, sóng gần như tắt hẳn ngay phía thượng lưu cầu Tùng Luật, khu vực này thuận lợi cho tàu, thuyền neo đậu là khi có bão xảy ra. Hình 3.16: Trường sóng Đông trong kịch bản 2 58 Hình 3.17: Trường dòng chảy trong sóng Đông theo kịch bản 2 Hình 3.18: Trường sóng Đông Bắc trong kịch bản 2 59 Hình 3.19: Trường dòng chảy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 2 Hình 3.20: Trường sóng Đông Nam trong kịch bản 2 60 Hình 3.21: Trường dòng chảy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 2 3.4.2.3. Kịch bản 3 (KB3) Kịch bản 3 mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực học trong khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự ảnh hưởng của cảng biển và kè biển ở phía nam cửa sông ứng với các trường sóng Đông, Đông Bắc và Đông Nam. Kết quả mô phỏng cho thấy dòng chảy ven bờ trong trường sóng Đông và Đông Nam có hướng từ phía Nam lên phía Bắc trong cả hai pha triều (xem Hình 3.23 và 3.27). Dưới tác động của kè làm cho dòng chảy ven bờ thay đổi cả hướng và độ lớn: vận tốc dòng chảy giảm đáng kể khu vực phía nam chân kè và tăng lên tại vị trí đầu của kè. Kết quả mô phòng cũng cho thấy, ở khu vực cửa sông giữa kè phía Nam và bờ phía 61 Bắc hình thành xoáy lớn bao kín cửa sông, ở pha triều lên xoáy này lớn và mạnh hơn, vận tốc dòng chảy phía bờ bắc lớn hơn phía bờ nam. Trong trường sóng Đông Bắc, hình thành các xoáy nhỏ hai bên kè và khu vực ven bờ sông phía Nam (xem Hình 3.25). Với kịch bản này kè có tác dụng ngăn dòng chảy do sóng dọc bờ hướng từ phía Bắc xuống phía Nam và kết quả phân tích cho thấy kè đã giữ lại một lượng cát ở cửa sông, do đó có thể gây ra hiện tượng bồi lấp ở phía Bắc chân kè. Ngược lại, kè lại có tác dụng làm tăng mức độ tác động của dòng chảy sông từ thượng nguồn qua cửa ra biển đẩy dòng bùn cát di chuyển từ phía Bắc xuống ra xa cửa vượt qua kè tiếp tục di chuyển xuống phía Nam, hạn chế sự bồi lắng bùn cát ở khu vực cửa sông. Trong trường hợp này kết quả tính toán mô hình cho thấy: hướng sóng trùng với hướng của kè do đó kè ít có ảnh hưởng tới hướng sóng (xem hình 3.24); ngược lại công trình cảng có ảnh hưởng lớn tới hướng sóng này, làm cho sóng khi lan truyền vào phía trong sông bị cản lại phần lớn. Với trường sóng hướng Đông và Đông Nam, kết quả mô hình cho thấy kè phía nam có ảnh hưởng mạnh tới hai hướng sóng này, có tác dụng chắn sóng làm cho độ cao sóng giảm đáng kể khi truyền vào trong sông (xem hình 3.22 và 3.26). Trường sóng Đông độ cao sóng phía nam kè khoảng từ 1,8 ÷ 2,0 m, trong khi đó phía bắc kè chỉ khoảng từ 0,75÷ 1,0 m; đặc biệt hướng sóng Đông Nam kè tác động rõ rệt nhất, độ cao sóng phía nam kè khoảng từ 1,5 ÷ 1,8 m, trong khi đó phía bắc kè chỉ khoảng từ 0,25 ÷ 0,50 m. Do bị ảnh hưởng của hệ thống công trình cảng, kè nên khi sóng truyền vào phía trong sông đã giảm đi nhiều. Tóm lại các kết quả tính toán trong KB3 cho thấy sự ảnh hưởng mạnh mẽ của kè ở bờ phía nam tới hướng sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong khu vực cửa sông và hai bên bờ bắc nam. Do 62 hướng vuông góc với bờ, kè phía Nam đã có tác dụng chắn toàn bộ sóng Đông và Đông Nam, tạo nên vùng khuất sóng phía trong cửa. Đồng thời với việc chắn sóng, kè cũng có tác dụng ngăn dòng chảy do sóng dọc bờ hướng từ phía Nam lên phía Bắc và kết quả phân tích cho thấy kè đã giữ lại một lượng lớn cát ở phía Nam và do đó đã hạn chế hiện tượng bồi lấp luồng trong mùa sóng Đông và Đông Nam. Mặt khác, kè cũng có tác dụng đẩy dòng chảy sóng dọc bờ ra xa hơn, khiến cho nguồn bùn cát phía Nam ít có cơ hội tiếp cận cửa và bãi biển phía bắc Cửa Tùng. Đó cũng là một phần nguyên nhân của hiện tượng thiếu hụt nguồn trầm tích bãi biển phía Bắc, làm mất cân bằng cán cân bùn cát. Hình 3.22: Trường sóng Đông trong kịch bản 3 63 Hình 3.23: Trường dòng chảy trong sóng Đông theo kịch bản 3 Hình 3.24: Trường sóng Đông Bắc trong kịch bản 3 64 Hình 3.25: Trường dòng chảy trong Đông Bắc theo kịch bản 3 Hình 3.26: Trường sóng Đông nam trong kịch bản 3 65 Hình 3.27: Trường dòng chảy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 3 3.4.2.4 Kịch bản 4(KB4) Kịch bản 4 mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực học trong khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự tác động của 3 công trình cảng biển, cầu Tùng Luật và kè biển ở phía nam cửa sông trong các hình thế trường sóng Đông, Đông Bắc và Đông Nam. Với kịch bản KB4 các kết quả thu được cho thấy trường dòng chảy khá tường đồng với các kết quả trong kịch bản BK3. Chứng tỏ rằng ảnh hưởng của cầu tới trường dòng chảy trong khu vực Cửa Tùng là không đáng kể. Tuy nhiên sau khi xây dựng cầu đã làm cho mặt cắt sông bị thu hẹp lai và kết hợp với các trụ cầu đã làm thay đổi hướng của dòng chảy và tạo lên các xoáy cục bộ phía sau trụ cầu (xem Hình 3.29, 3.31 và 3.33). Mặc dầu vậy không quan sát thấy sự gia tăng đáng kể về vận tốc giữa các trụ cầu do ảnh hưởng của dòng chảy sông trong khu vực không lớn và do vậy các trụ cầu cũng không gây hiện tượng bồi lắng hay xói lở 66 sau cầu. Ngược lại, đối với trường sóng sự xuất hiện các trụ cầu và mố cầu đã cản trở sự lan truyền của sóng vào phía trong sông, sóng gần như tắt hẳn ngay phía thượng lưu cầu Tùng Luật (xem Hình 3.28, 3.30 và 3.32). Trong kịch bản này, kết quả mô phỏng cũng cho thấy kè làm xuất hiện một số xoáy cục bộ và làm tán xạ sóng khiến cho sóng đi thẳng vào mố cầu phía Nam, có thể gây hiện tượng sạt lở mố cầu trong mùa sóng Đông Bắc (xem Hình 3.31). Hình 3.28: Trường sóng Đông trong kịch bản 4 67 Hình 3.29: Trường dòng chảy trong sóng Đông theo kịch bản 4 Hình 3.30: Trường sóng Đông Bắc trong kịch bản 4 68 Hình 3.31: Trường dòng chảy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 4 Hình 3.32: Trường sóng Đông Nam trong kịch bản 4 69 Hình 3.33: Trường dòng chảy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 4 3.4.2.5. Kịch bản 5 (KB5) Kịch bản 5 mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực học ở khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự ảnh hưởng của các công trình cảng biển, cầu Tùng Luật và hai kè biển ở phía bắc và phía nam cửa sông trong trường sóng Đông, Đông Bắc và Đông Nam. Với trường sóng Đông Bắc, kết quả tính toán cho thấy khu vưc cửa sông giữa hai kè có xuất hiện các xoáy nhưng không liên tục, chỉ là những xoáy nhỏ ở phía bắc của hai kè khi dòng triều xuống; khi dòng triều lên xuất hiện các xoáy vùng cửa sông ngay sau kè phía bắc, vận tốc dòng chảy ở đây tương đối nhỏ khoảng 18 cm/s, trong khi đó ở bờ đối diện (trước kè phía nam) vận tốc khoảng 58 cm/s (xem Hình 3.37). Trong trường hợp này hai kè không có tác động nhiều đến hướng sóng, do đó khi sóng lan truyền từ ngoài khơi vào tác 70 động hệ thống công trình cảng và cầu còn tương đối lớn. Công trình cảng, cầu đã làm giảm khả năng tryền sóng vào phía trong sông. Trong trường sóng Đông và Đông Nam, kết quả tính toán mô hình cho thấy khu vực cửa sông giữa hai kè hình thành xoáy lớn bao kín vùng cửa sông và các xoáy nhỏ ở hai bên kè phía Bắc, phía trong sông gần với chân kè phía Nam (xem Hình 3.35 và 3.39). Tại vị trí giữa hai kè vận tốc dòng chảy ở phía nam lớn hơn vận tốc dòng chảy ở phía bắc. Trong hai trường sóng này tác động của hai kè đến trường sóng tương đối tương đồng nhau, nhưng tác động của kè phía Nam đến trường sóng rõ dệt hơn kè kè phía Bắc. Kết quả mô phỏng cho thấy tác động của kè phía bắc đến cả hướng sóng và dòng chảy trong vùng cửa sông là đáng kể. Với trường sóng Đông Bắc, kè có tác dụng ngăn dòng chảy do sóng dọc bờ hướng từ phía Bắc xuống phía Nam và kè đã giữ lại một lượng cát ở sau kè phía Bắc và do đó đã hạn chế hiện tượng xói lở vùng ven bờ phía Bắc (xem Hình 14 ở phụ lục). Mặt khác, kè cũng có tác dụng đẩy dòng chảy sóng dọc bờ ra xa hơn, làm giảm sự bồi lấp cửa sông. Tóm lại trong KB5 cho thấy tác động của tổ hợp công trình (cảng, cầu và 2 kè) đến trường thủy động lực vùng cửa sông là đáng kể, làm thay đổi cả về độ lớn và hướng sóng, dòng chảy trong khu vực Cửa Tùng theo hướng tích cực làm giảm sự bồi lấp cửa sông do bùn cát gây ra và đồng thời cũng làm giảm sự xói lở ven bờ phía Bắc. Xong tác dụng này không lớn, điều này có thể là do hướng dòng chảy do sóng dọc bờ từ phía Nam lên phía Bắc duy trì phổ biến trong năm, dẫn đến lượng trầm tích lắng đọng sau kè phía nam sẽ lớn hơn sau kè phía bắc. Hoặc cũng có thể do kích thước hai kè chưa được phù hợp. 71 Hình 3.34: Trường sóng Đông trong kịch bản 5 Hình 3.35: Trường dòng chảy trong sóng Đông theo kịch bản 5 72 Hình 3.36: Trường sóng Đông Bắc trong kịch bản 5 Hình 3.37: Trường dòng chảy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 5 73 Hình 3.38: Trường sóng Đông Nam trong kịch bản 5 Hình 3.39: Trường dòng chảy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 5 74 Như vậy, qua kết quả tính toán của các kịch bản có một số nhận xét sau: Tác động của hệ thống công trình đến trường trường thủy động lực do sông và thủy triều không đáng kể so với trường sóng. Trong trường hợp trường sóng Đông Bắc thì công trình kè có tác động không đáng kể tới hướng sóng, lúc này công trình cảng và cầu sẽ tác động nhiều hơn. Với trường sóng Đông và Đông Nam dòng chảy dọc bờ khu vực ven biển Cửa Tùng luôn có hướng từ phía Nam lên phía Bắc trong cả hai pha triều. Điều đó có nghĩa trong quá trình vận chuyển và bồi tụ dòng bùn cát luôn được vận chuyển từ phía Nam lên phía Bắc dọc theo bờ biển. Trong trường hợp có kè phía Nam sẽ tác động tới vận tốc và hướng dòng chảy gây ra hiện tượng bồi tụ ven bờ phía nam sau kè. Ngược lại, với trường sóng Đông Bắc dòng chảy dọc bờ khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng luôn có hướng từ Bắc xuống Nam trong cả hai pha triều, tức là trong quá trình vận chuyển và bồi tụ dòng bùn cát luôn được vận chuyển từ phía Bắc xuống phía Nam dọc theo bờ biển. Trong khu vực nghiên cứu trường sóng Đông và Đông Nam chiếm ưu thế trong năm. Do đó tổng lượng bùn cát vận chuyển trong hai trường sóng Đông và Đông Nam lớn hơn tổng lượng bùn cát vận chuyển trong trường sóng Đông Bắc. Sự có mặt của hệ thống công trình cảng, cầu và kè, đặc biệt là kè biển phía nam đã làm thay đổi đáng kể trường sóng, dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát khu vực cửa sông gây lên hiện tương xói lở ở bờ phía bắc và bồi tụ ở bờ phía nam. Trong tất cả các kịch bản được mô phỏng, sự có mặt của mỗi công trình đều có tác động tới chế độ động lực và thủy thạch động lực của vùng. Mức độ ảnh hưởng của hai công trình cầu Tùng luật và cảng cá Cửa Tùng là nhỏ hơn so với hai kè biển, ảnh hưởng lớn nhất là kè biển phía nam cửa sông. 75 Tuy các kè đã hạn chế được quá trình bồi lấp cửa sông, làm giảm quá trình xói lở phía bờ bắc, xong còn chưa được tốt. Điều này có thể do vị trí đặt các kè hoặc kích thước các kè chưa phù hợp. Do đó cần tính toán thêm một số kịch bản khác với các vị trí và kích thước kè khác nhau để làm rõ hơn nguyên nhân này. 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự phát triển kinh tế, dân sinh của tỉnh Quảng Trị, đặc biệt là du lịch biển. Trong những năm gần đây, tình hình biến động hình thái vùng cửa sông ven biển tại khu vực trên đang diễn ra theo chiều hướng bất lợi như bồi lắng và xói lở, gây ảnh hưởng và thiệt hại tới đời sống dân sinh kinh tế. Để góp phần giảm thiểu những biến động hình thái vùng cửa sông ven biển nói trên theo chiều hướng bất lợi, hiện đã có một số nghiên cứu trên khu vực này, song chưa có nghiên cứu cụ thể và hoàn chỉnh về ảnh hưởng của các công trình lên trường thủy động lực. Do đó, hướng nghiên cứu của luận văn với việc áp dụng mô hình thủy động lực để đánh giá tác động của tổ hợp công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng, tỉnh Quảng Trị là một hướng tiệm cận hiện đại và cho kết quả khả quan. Luận văn đã thu được một số kết quả như sau: Luận văn đã tổng quan được một số đặc điểm về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội trong khu vực nghiên cứu. Luận văn đã tổng quan được một số mô hình thủy động lực cơ bản, từ đó lựa chọn mô hình phù hợp với mục tiêu nghiên cứu. Luận văn cũng đã áp dụng thành công mô hình MIKE 21 để tính toán, mô phỏng tác động của tổ hợp công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng. Mô hình có thể được sử dụng trong thực tế phục vụ công tác quy hoạch, chỉnh trị vùng cửa sông ven biển góp phần phòng chống và giảm nhẹ những thiệt hại do thiên tai gây ra. Luận văn đã xây dựng và mô phỏng được tác động của tổ hợp công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng theo một số kịch bản như: Kịch bản 1: địa hình 2010 + cảng cá; Kịch bản 2: địa hình 77 2010 + cảng + cầu; Kịch bản3: địa hình 2010 + cảng+ kè; Kịch bản 4: địa hình 2010 + cảng+ cầu + kè; Kịch bản 5: địa hình 2010 + cảng+ cầu + 2kè. Luận văn đã có được một số nhận xét, đánh giá tác động của các công trình lên trường thủy động lực ứng với mỗi kịch bản và cũng chỉ ra được thực trạng tình hình xói lở vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng. Sau luận văn này, tác giả cũng có một số kiến nghị như sau: Cần tính toán thêm một số kịch bản khác với các vị trí và kích thước kè khác nhau, từ đó có thể đưa ra những kết luận đáng tin cậy hơn. Đề xuất các giải pháp nhằm ổn định bờ và chỉnh trị vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng nói riêng và cả bờ biển Việt Nam nói chung phải dựa trên cơ sở phân tích tương tác biển và bờ trong vùng ảnh hưởng và mối quan hệ giữa các vùng. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Trần Ngọc Anh, Nguyễn Tiền Giang, Nguyễn Thanh Sơn và nnk (2009). Dự tính xâm nhập mặn trên các sông chính tỉnh Quảng Trị theo các kịch bản phát triển kinh tế xã hội đến 2020. Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội. 2. Vũ Thanh Ca và Phạm Thu Hương. Phân tích một số đặc trưng động lực ảnh hưởng đến diễn biến hình thái cửa sông Đà Rằng, tỉnh Phú Yên. Đại học Thuỷ lợi. 3. Nguyễn Lập Dân (2007), Nghiên cứu hiện trạng, xác định nguyên nhân và đề xuất các giải pháp phòng chống bồi lấp cửa sông nhằm khai thông luồng Nhật Lệ - Quảng Bình, Báo cáo tổng kết đề tài, Hà Nội. 4. Lê Trọng Đào, Nghiên cứu, xây dựng công nghệ dự báo liên hoàn khí tượng thủy văn biển (gồm sóng, dòng chảy và nước dâng bão) vùng Biển Đông và ven biển Việt Nam . 5. Nguyễn Tiền Giang, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Thanh Sơn và nnk (2009). Đánh giá hiện trạng và dự báo nguy cơ ô nhiễm nguồn nước do nuôi trồng thuỷ sản nước mặn, lợ tỉnh Quảng Trị. Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội. 6. Nguyễn Tiền Giang và các cộng sự. Đánh giá hiện trạng ô nhiễm nguồn nước do nuôi trồng thủy sản, vấn đề xâm nhập mặn tỉnh Quảng Trị và đề xuất các giải pháp góp phần phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường. Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội. 7. Lương Phương Hậu. Động lực học và các công trình cửa sông. NXB Xây dựng. 2005. 8. Nguyễn Hữu Khải, Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mô hình toán thủy văn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội. 79 9. Trần Lưu Khanh, Trần Quang Thư. Điều kiện tự nhiên, khí tượng thủy văn, đặc điểm và ảnh hưởng của bão, áp thấp nhiệt đới và các tác động thiên tai khu vực Trung Bộ. Viện nghiến cứu Hải sản. 10. Nguyễn Thị Nga, Trần Thục (2003), Động lực học sông, Nhà xuất bản đại học Quốc gia, Hà Nội. 11. Nguyễn Thọ Sáo, Nguyễn Minh Huấn, Ngô Chí Tuấn, Đặng Đình Khá (2010), Biến động trầm tích và diễn biến hình thái khu vực cửa sông ven bờ Cửa Tùng, Quảng Trị, Tạp chí Khoa học, ĐHQGHN, Khoa học tự nhiên và công nghệ 26, Số 3S (2010). 12. Nguyễn Thọ Sáo, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Thanh Sơn, Đào Văn Giang. Đánh giá tác động công trình đến bức tranh thủy động lực khu vực cửa sông ven bờ Bến Hải, Quảng Trị, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học tự nhiên và công nghệ 26, Số 3S (2010) 435-442. 13. Nguyễn Ngọc Tuấn, Nguyễn Thế Hùng. Ảnh hưởng của công trình thủy lợi Sa Lùng đến xâm nhập mặt hạ lưu sông Bến Hải. Đại học Đà Nẵng. 14. Trần Hữu Thông, Bùi Xuân Thông(2003), Khai thác tài nguyên khí tượng thủy văn và thềm lục địa Việt Nam phục vụ chiến lược phát triển kinh tế Việt Nam đến năm 2020. 15. Báo cáo khảo sát địa hình-thủy văn. Công ty Tư vấn Xây dựng Cảng đường thủy. Hà Nội, 2000. 16. Báo cáo khảo sát địa chất công trình. Công ty Tư vấn Xây dựng Cảng đường thủy. Hà Nội, 2000. 17. Tổng cục thống kê tỉnh Quảng Bình (2009), Niên giám thống kê tỉnh Quảng bình năm 2008. 18. Một số trang WEB: - Cổng thông tin điện tử, UBND tỉnh Quảng Trị: www.quangtri.gov.vn - Cục Kiểm lâm: www.Kiemlam.org.vn 80 - Tổng cục thống kê: www.gso.gov.vn - Viện Khí tượng Thuỷ văn: www.imh.ac.vn Tiếng Anh 19. Delft 3D Manuals. 20. Delft Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE21. User’s Mannual”. 2007 21. DHI MIKE Manuals. DHI Softwares. 2007 81 PHỤ LỤC Hình 1: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông theo kịch bản 1 Hình 2: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 1 Hình 3: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 1 Hình 4: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông theo kịch bản 2 82 Hình 5: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 2 Hình 6: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 2 Hình 7: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông theo kịch bản 3 Hình 8: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 3 83 Hình 9: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 3 Hình 10: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông theo kịch bản 4 Hình 11: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 4 Hình 12: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 4 84 Hình 13: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông theo kịch bản 5 Hình 14: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Bắc theo kịch bản 5 Hình 15: Kết quả biến động đáy trong sóng Đông Nam theo kịch bản 5 85