Tính toán vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển tại vùng lân cận công trình dưới tác động của sóng và dòng chảy

27) Trong đó θm là hàm tỉ trọng tính như sau: (28) Phân bố gió theo độ cao: Phân bố tốc độ gió theo chiều cao đ ược tính theo công thức của Charnock 1955 và Hsu 1988. (29) Với Wz – tốc độ gió tại độ cao z so với mặt biển , Z0 – độ cao của mặt biển , 13 W* - tốc độ gió ma sát, К – hằng số Von karman , Tốc độ gió ma sát có thể coi như một thành phần của ứng suất gió tại bề mặt. theo Hsu 1988 ta có: (30) Km – hệ số nhớt xoáy, Z là chiều cao. Giả thiết rằng lớp khí quyển sát mặt n ước là ổn định, khi đó ứng suất gió tại độ cao 10 m trên mặt biển có thể tính theo Hsu 1988 nh ư sau: . (31) W10 – tốc độ gió tại độ cao 10 m trên mặt biển. Theo thực nghiệm có thể áp dụng công thức tính tốc độ gió tại độ cao 10 m như sau: / (32) Phương trình tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển: Trong CMS-flow các hệ phương trình tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển được tính toán theo ba công thức : - Công thức của Wantanabe (1987), tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng bao gồm: tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy - Công thức tính vận chuyển trầm tích của Lund-CIRP (Camenen và Larson 2006). Công thức tính lượng trầm tích tổng cộng kết hợp từ công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng và công thức tính vận chuyển trầm tích di đáy. - Tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng dựa theo công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng của VanRijn kết hợp công thức tính vận chuyển trầm tích di đáy của Lund-CIRP. Trong báo cáo này các tác giả sử dụng công thức tính toán vận chuyển trầm tích của Lund-CIRP. Công thức Lund – CIRP sử dụng trong CMS-flow theo hai phương thức: Thứ nhất, tính toán lượng vận chuyển tổng cộng dựa vào sự kết hợp của vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy. Cách thức thứ hai sử dụng phương trình bình lưu khuyếch tán. Trong phần tiếp theo nhân tố độ nhám v à ma sát đáy áp dụng trong CMS-flow sẽ được giới thiệu, tiếp đó là vận chuyển trầm tích dạng lơ lửng và di đáy. Độ nhám và hệ số ma sát: Độ nhám của đáy được xem như tổng hợp của ba thành phần, tính chất của trầm tích ksd, hình dạng ksf và kích thước kss (Soulsby 1997). Độ nhám tổng cộng được xem như là tổng của ba thành phần trên: 14 (33) Hệ số nhám gây ra do tính chất của trầm tích được xác định như sau:2.5 (34) Hệ số nhám gây ra do hình dạng được tính theo công thức của Soulsby 1997.7.5 (35) Trong đó Hr độ cao gồ ghề của hạt cát. L r độ dài gồ ghề của hạt cát.1000 (36) (37) Với dòng chảy Soulsby 1997 đưa ra công thức0.22 (38)1.25 102.8. 10 2501.4. 10 250 . 10 25000 250 Với sóng VanRijn 1993 đưa ra với tham số: (39) Trong đó s là tỉ số của mật độ trầm tích và nước. (40) Nhám liên quan tới kích thước hạt được Wilson (1966, 1989) đưa ra như sau:5 (41) θi – tham số Shields ứng với sóng hoặc d òng chảy. Ứng với dòng chảy, ta có: (42) Ứng với sóng (43) Dựa trên hệ số nhám ta có thể tính toán đ ược hệ số ma sát tương ứng với sóng và dòng chảy. Theo công thức của Soulsby(1994) v à Swart (1997) ta có.2 /exp 5.21 . 6.0 1.57 (44)0.3 1.57 15 Ứng suất trượt gây ra do dòng chảy được tính là. (45) Ứng suất trượt cực đại do sóng được tính như sau: (46) ứng suất trung bình được xác định là0.5 (47) Công thức tính vận chuyển trầm tích đáy Công thức tính toán vận chuyển trầm tích đáy qb dưới tác động của sóng và dòng chảy được Camenen và Larson (2005) đưa ra như sau: 1 ,, (48) Trong đó chỉ số w và n tương ứng theo hướng của sóng và hướng vuông góc với hướng truyền sóng, a và b là các hệ số, θcw,m và θcw là các giá trị của tham số Shield trung bình và cực đại dưới tác động đồng thời của sóng v à dòng chảy chưa kể đến độ nhám của đáy. Hệ số an được lấy bằng 12 cho thành phần vận chuyển vuông góc với h ướng sóng. Hệ số b được xem như điều kiện ban đầu của chuyển động, được lấy giá trị là 4.5. Các giá trị θnet và θcn được xác định theo công thức:, , (49) trong đó: , 1 12 1 , (50) và (51) Trong đó Twc – chu kỳ dòng chảy theo hướng dương, Twt – chu kỳ dòng chảy theo hướng âm (T=Twc+Twt). Ma sát đáy trong trường hợp có mặt cả sóng và dòng chảy được tính theo công thức của Madsen và Grant (1976) như sau:1 (52) 16 Với | |/ | | và fc , fw là hệ số ma sát trong trường hợp chỉ có dòng chảy và sóng. Vận chuyển trầm tích lơ lửng: Công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng qs dựa trên giả thiết sự phân bố nồng độ trầm tích theo hàm mũ dọc theo mặt cắt theo phương thẳng đứng và tốc độ dòng chảy là đồng nhất. Công thức của Camenem v à Larson (2006) đưa ra như sau:1 (53) Trong đó: Wf – tốc độ lắng đọng của trầm tích , CR – nồng độ trầm tích và ε- hệ số xáo trộn. Hướng của vận chuyển trầm tích lơ lửng được xem như trùng với hướng dòng chảy, bởi vì trong một chu kỳ sóng lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng là bằng 0. Công thức phân bố của CR được đưa ra là., (54) Trong đó AcR là hệ số.3.5. 10 exp 0.3 (55) Và d* là kích thước hạt.1 / / (56) Hệ số khuyếch tán tính theo công thức ./ (57) Trong đó De là hệ số thực nghiệm, xác định bằng . (58) Trong đó kc,kw,kb là các hệ số. Phương trình bình lưu khuyếch tán Vận chuyển trầm tích tổng cộng gồm hai thành phần, vận chuyển trầm tích lơ lửng và vận chuyển trầm tích di đáy. Các công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy dựa trên ứng suất trượt tại từng vị trí. Tuy nhiên trong một số trường hợp lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng biến đổi mạnh như tại các cửa sông, lạch triều, luồng tàu và tại các chân công tr ình, khi đó không thể tính vận chuyển trầm tích dựa vào các lực tác động tại chỗ. Trong tr ường hợp này phương trình bình lưu khuyếch tán được sử dụng. Trong CMS -flow, phương trình bình lưu khuyếch tán thu được từ tích phân liên tục trung bình theo độ sâu của thành phần vận chuyển trầm tích lơ lửng. (59) 17 Trong đó: C – nồng độ trầm tích trung bình theo độ sâu, d – độ sâu nước tổng cộng d=h+η, h – độ sâu mực nước tĩnh, η – độ cao dao động mực nước, t – thời gian, qx – thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục x , qy – thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục y, u – tốc độ dòng chảy trung bình theo độ sâu theo hướng x, v – tốc độ dòng chảy trung bình theo độ sâu theo hướng y, Kx – hệ số khuyếch tán của trầm tích theo hướng x, Ky – hệ số khuyếch tán của trầm tích theo hướng y, P – lượng trầm tích đến, D – lượng trầm tích bị mất đi. Phương trình thay đổi đáy được viết như sau: (60) Ở đây: qbx – Suất vận chuyển trầm tích di đáy theo hướng trục x, qby – Suất vận chuyển trầm tích di đáy theo hướng trục y, p – độ xốp của trầm tích . Lượng trầm tích bị nhấc lên và lắng đọng được tính như sau: (61) ở đây: c là nộng độ trầm tích cân bằng tại một độ sâu cho trước, z là phương thẳng đứng. Lưới tính: Để tăng tối đa hiệu quả của bộ nhớ cho máy tính có thể áp dụng đ ược trong các vùng bờ phức tạp, lưới tính trong CMS- flow được lập dưới dạng các mảng một chiều.Trong CMS-flow lưới tính cho dưới dạng lưới thẳng, các ô lưới có thể đều hoặc không đều. Mỗi một ô lưới gồm có chỉ số i và j tương ứng với trục x và y của miền lưới tính. Mực nước được tính tại trung tâm ô lưới, các thành phần tốc độ x và y được tính tại trung tâm cạnh phía b ên trái và cạnh dưới đáy, các giá trị thông lượng cũng được tính tại các vị trí giống nh ư các thành phần tốc độ. Điều kiện ổn định: Để đảm bảo sự ổn định của s ơ đồ hiện, bước thời gian cực đại được tính theo hệ số Courant do Richtmyer và Morton đưa ra ( Δs Δt uξ  )<1. Thông thường ngoài 18 thuỷ triều còn có nhiều tác động khác, các thành phần của dòng chảy có thể được tạo ra do gió, các sóng, và lưu lượng của sông đổ ra. Mỗi tác động sẽ sinh ra một tốc độ tương ứng vì vậy số Courant được xác định chính xác hơn bằng: Δs Δt)uuu(uξ tributarywaveswindtide  (62) với tideu là vận tốc dòng chảy do thủy triều, windu là tốc độ dòng chảy do tác động của gió wavesu là vận tốc dòng chảy sinh ra do sóng, tributaryu là tốc độ dòng chảy do sông đổ ra. Trong các vùng có dòng chảy mạnh, như là tại vùng thuỷ triều dâng, rút mạnh (lạch triều) dòng triều chiếm ưu thế còn trong vùng sóng đổ, dòng chảy sinh ra do sóng có thể mạnh hơn đáng kể so với dòng triều. Tại các vùng này thông thường cần chia độ phân giải b ước lưới theo không gian nhỏ hơn. Sự kết hợp của các dòng chảy mạnh và các ô lưới nhỏ giới hạn kích thước bước thời gian cho phép. Điều kiện biên: Mô hình CMS-flow sử dụng sáu loại điều kiện biên, và có thể chỉ ra cụ thể biên tác động và không tác động. Nguồn số liệu CMS -flow sử dụng làm điều kiện biên là các số liệu quan trắc đo đạc (do ng ười sử dụng cung cấp dạng các file), số liệu từ các mô hình có miền tính lớn hơn như ADCIR (thông qua các mô đun t ự động) và các mô hình khác (dạng các file đầu vào). Các điều kiện biên gồm có. + Đều kiện biên mực nước cho dưới dạng các sóng triều : trong mô hình CMS-flow có thể cho phép tính toán với tám sóng triều khác nhau gồm có (M 2, S2, N2, K2, K1, O1, M4, và M6). + Điều kiện biên mực nước cho dưới dạng chuỗi mực nước theo thời gian: loại điều kiện này được cho bằng file các giá trị mực n ước. + Điều kiện biên mực nước và tốc độ dòng chảy theo thời gian: loại điều kiện biên này áp đặt các giá trị mực nước và tốc độ dòng chảy theo thời gian tại các ô lưới trên biên. + Điều kiện biên lưu lượng theo thời gian: theo cách này, tại các ô trên biên sẽ được gán giá trị lưu lượng. + Điều kiện biên phản xạ, không thấm: loại biên này thường gặp tại nơi giao nhau giữa đất và nước được coi như mặt tường. Tại các ô lưới biên kiểu này, nước chỉ có thể chảy theo hướng song song với mặt tiếp giáp đất v à nước mà không thấm qua nó. + Điều kiện biên thích ứng theo trường sóng và trường tốc độ: điều kiện bên này cho phép tính đến các hiệu ứng của trường sóng đến mực nước ở vùng sát bờ (các hiệu ứng nước dâng, nước rút do sự biến đổi của th ành phần ứng suất bức xạ sóng vuông góc với bờ). Đây được coi là một điểm mới đối với các mô h ình tính toán dòng chảy khu vực sát bờ. +Tính toán khô ướt: Trong CMS-flow đã sử dụng các kỹ thuật khác nhau để mô phỏng hiện tượng khô ướt như phương trình bar cát, đập nước (Reid và Bodine 1968) và các bài toán biên di đ ộng (Yeh và Chou 1978). 19 Mỗi ô ướt sẽ được kiểm tra sau mỗi bước tính xem nó có trở thành khô không sau khi tính được các giá trị mực nước và tốc độ của bước tính đó cho toàn bộ lưới tính. Chỉ tiêu để ô tính nà trở thành khô là: crji,ji,ji, DηdD  (63) Với jiD , là độ sâu nước tổng cộng, crD là độ sâu nước mà dưới đó các ô được coi là khô và ngược lại mỗi ô khô sẽ được kiểm tra sau mỗi bước tính xem nó có trở thành ướt không khi độ sâu nước tổng cộng vượt quá crD và nước chuyển động về phía ô khô. 3.2 Cơ sở lý thuyết CMS-wave Mô hình CMS-wave là mô hình tính toán lan truyền phổ sóng dựa trên việc giải phương trình cân bằng tác động sóng dạng ổn định tr ên lưới không đồng nhất trong hệ tọa độ Đề các. Mô h ình có khả năng tính toán quá trình phát triển và lan truyền sóng do gió, hiệu ứng khúc xạ, phản xạ, mất mát năng l ượng do ma sát đáy, sóng bạc đầu và sóng đổ. Ngoài ra các quá trình tương tác giữa các sóng, sóng với dòng chảy, sóng leo, nước dâng do sóng và sóng truyền qua các công tr ình cũng được tính toán. Công thức sử dụng theo Mase 2001 nh ư sau: (64) Trong đó, , (65) Là mật độ tác động sóng, E(σ,θ) là năng lượng sóng, σ tần số sóng, θ hướng sóng. Nhiễu xạ sóng: Thành phần nhiễu xạ sóng trong phương trình là. (66) Trong dó κ là hệ số nhiễu xạ , hệ số này cần được hiệu chỉnh kỹ lưỡng khi sóng truyền vào khu vực có các công trình. Nếu trong tính toán có sử dụng tính nhiễu xạ sóng hệ số κ được lấy >0 và không tính đến nhiễu xạ sóng κ = 0. Trong CMS-wave hệ số κ được lấy giá trị mặc định =4. Tương tác sóng và dòng chảy Các thành phần vận tốc Cx, Cy và Cθ được viết như sau: (67) (68) 20 (69) ở đây U và V là thành phần vận tốc dòng chảy theo hướng x và y. k là số sóng và h là độ sâu nước. Mối liên hệ giữa tần số góc tương đối σ, tần số góc tuyệt đốiv ω, số sóng k và vận tốc dòng chảy | | √ theo Jonsson 1990 là được mô tả theo công thức. . (70) Và σ2 = gktanh(kh) Trong đó . được gọi là thành phần Doppler-shifting. Sự khác biệt chính khi tính toán sự truyền sóng khi có v à không có mặt dòng chảy chính là tìm ra tần số thực sự của sóng. Xem xét sự phân tán của th ành phần Doppler-shifting cho thấy rằng sẽ không giải được khi các sóng bị chặn hoàn toàn bởi dòng chảy, theo Smith 1998, Larson và Kraus 2002, nếu tốc độ nhóm sóng C g nhỏ hơn dòng chảy ngược hướng sẽ là.. / (71) Như vậy sóng không thể tiếp tục truyền khi bị d òng chảy đủ mạnh ngược hướng chặn lại. Khi đó hầu hết năng lượng sẽ bị mất đi do sóng đổ, một phần nhỏ bị phản xạ hoặc chuyển xuống các sóng có tần số nhỏ h ơn. Trong CMS-wave khi sóng bị chặn, khi đó mật độ tác động sóng được coi bằng 0. Phản xạ sóng: Năng lượng của sóng bị phản xạ khi sóng truyền vào bờ biển hoặc công trình. Năng lượng này được tính toán dựa trên góc của sóng đến và sóng phản xạ. Mật độ năng lượng tác động của sóng phản xạ biểu thị bằng một h àm tuyến tính của mật độ tác động của sóng đến. (72) Trong đó K là hệ số phản xạ của sóng. K=0 – không tính đến phản xạ sóng. K=1 – tính đến phản xạ sóng. Sóng đổ do địa hình đáy: Khi sóng truyền vào vùng nước nông, độ cao của sóng bị giới hạn bởi độ sâ u của cột nước. Với mỗi chiều cao của sóng tới độ sâu n ước giới hạn sẽ là (theo Smith 1999). 0.64 (73) Trong đó Hb là độ cao sóng đổ. Độ cao sóng đổ trong CMS -wave tính theo công thức dựa trên độ dốc tới hạn của sóng được Miche (1951) đưa ra là: 21 . tanh (74) Sóng đổ do gió và dòng chảy ngược: Năng lượng sóng mất mát do sóng vỡ, trong đó bao gồm cả sóng vỡ do d òng chảy và nhớt rối được Lin và Lin (2006) đưa ra như sau:. , , , 5 (75) Với , , (76) Và 5 (77) Trong đó cds là hệ số, ν là hệ số nhớt rối, , là biên độ sóng. Ảnh hưởng của ma sát đáy Mất mát năng lượng do ma sát đáy được tính toán theo mô h ình lực kéo của Collins (1972) được mô tả như sau: (78) Với, (79) Trong đó là vận tốc quỹ đạo sóng trung b ình, Etotal là mặt độ năng lượng sóng tổng cộng và cf là hệ số ma sát. / (80) Với n là hệ số nhám Manning Sóng leo Hệ phương trình tính toán sóng leo sử dụng trong CMS-wave như sau: (81) (82) Các thành phần ứng suất bức xạ sóng S xx, Sxy và Syy được tính toán theo lý thuyết sóng tuyến tính theo Dean và Dalrymple (1984) như sau:, 1, 1 (83) 22 2 2 Với (84) 3.3 Kết nối giữa CMS-flow và CMS-wave Để giải quyết đồng thời các yếu tố động lực sóng, d òng chảy, và mực nước, mô hình CMS-flow có thể kết nối với mô h ình tính sóng CMS-wave. Việc kết kết nối được thực hiện thông qua mô đun điều khiển trong hệ thống SMS. Nhờ khả năng kết nối này mà hai mô hình có thể trao đổi các dữ liệu cho nhau. Trong khi kết nối, hai mô hình được đặt trên hai hệ trục toạ độ khác nhau hoặc trùng nhau trong miền tính phụ thuộc vào sự định hướng của đường bờ với hệ trục toạ độ. Hệ thống SMS tự động tính toán các phép quay cần thiết của các hệ trục toạ độ khi trao đổi các trường kết quả tính giữa hai mô h ình. Thông qua mô đun điều khiển, có sáu cách lựa chọn tương tác cho việc kết nối giữa hai mô h ình như sau: + Trao đổi một chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow. + Trao đổi một chiều: Dòng chảy từ mô hình CMS-flow cung cấp cho mô hình CMS-wave.. + Trao đổi một chiều: Độ sâu tổng cộng và dòng chảy từ mô hình CMS-flow cung cấp cho mô hình CMS-wave. + Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và tham số sóng từ mô hình CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và dòng chảy, mực nước từ mô hình CMS-flow cung cấp cho mô hình CMS-wave. + Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và độ sâu tổng cộng từ mô hình CMS-flow cung cấp cho mô hình CMS-wave. + Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và độ sâu tổng cộng và dòng chảy từ mô hình CMS-flow cung cấp cho mô hình CMS-wave. Đây là dạng trao đổi hai chiều đầy đủ nhất và chúng tôi đã sử dụng dạng này để tính toán. 3.4 Thiết lập lưới tính, điều kiện biên, điều kiện ban đầu Để phục vụ trong việc thiết lập và chia lưới tính toán sóng, dòng chảy và biến đổi đáy các số liệu về địa h ình và đường bờ được sử dụng. Về địa h ình, số liệu địa hình trên toàn vùng Biển Đông tỉ lệ 1/100.000 (bản đồ địa hình Hải quân Việt Nam), bản đồ địa hình chi tiết đo đạc các vùng cửa sông ven bờ 1/25.000, 1/5.000 (dự án đo đạc thiết kế công tr ình ) năm 1999 cập nhật năm 2001, 2005 và số liệu đo sâu hồi âm năm 2007 (dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển VS\RDE-03). Số liệu đường bờ được sử dụng làm ranh giới biên đất và biển, các số liệu được số hóa từ 23 ảnh vệ tinh Landsat 2005 v à chi tiết tại khu vực cửa Thuận An từ số liệu đo đạc bằng GPS năm 2007. 3.4.1 Lưới tính CMS-wave CMS-wave có thể tính toán trên các dạng lưới vuông và chữ nhật. Trong nghiên cứu này tác giả tính toán CMS-wave trên lưới chữ nhật. Khu vực chia l ưới gồm cửa Thuận An và vùng lận cận (xem trong hình 5). Vùng tính có kích thước 15.000m (300 ô lưới) theo hướng song song với đường bờ, 12000m (480 ô lưới) theo hướng vuông góc với bờ. Mỗi ô l ưới có kích thước là 25m x 50m tương ứng với các hướng ngang bờ và dọc bờ. Với kích thước ô lưới này đáp ứng đủ điều kiện có thể tính toán được ứng suất bức xạ sóng trong v ùng sóng đổ. Vùng tính được xoay một góc 240 độ so với trục hướng bắc sao cho biên sóng nước sâu tương đối song song với các đường đẳng sâu. Ô lưới có độ sâu lớn nhất xấp xỉ 30m. Phần phía trong miền tính bao phủ một phần của phá Tam Giang v à sông Hương. Hình 5. Lưới tính CMS-wave với biên sóng nước sâu và vị trí của kè biển 24 3.4.2 Lưới tính CMS-flow CMS-flow tính toán trên lưới chữ nhật, trên lưới chữ nhật này kích thước các ô lưới có thể linh động thay đổi với các kích th ước khác nhau. Để tăng hiệu quả trong việc tính toán cũng như tiết kiệm thời gian tính toán tác giả sử dụng l ưới tính chữ nhật không đều. Để đảm bảo tính thông nhất, trao đổi qua lại giữa hai mô h ình sóng (CMS-wave) và dòng chảy, biến động đáy biển (CMS -flow), hai mô hình sử dụng kích thước vùng tính giồng nhau và tránh những sai số trong quá tr ình nội suy kích thước ô lưới tại khu vực cửa sông, vùng lận cận công trình được lấy có kích thước tương đối giống nhau. Trong đó kích th ước ô lưới nhỏ nhất tại điểm trung tâm là vùng cửa sông gần chân công tr ình là 25m x 25m. Các ô lưới ở phạm vi phía ngoài được lấy kích thước tăng theo hệ số bias 1.01, ô lưới có kích thước lớn nhất là 100m x 100m. Lưới tính CMS-flow được mô tả như trong hình 6, chi tiết tại khu vực cửa Thuận An như trong hình 7. Hình 6. Lưới tính CMS-flow với biên mực nước và vị trí các kè biển 25 Hình 7. Lưới tính CMS-flow tại khu vực cửa Thuận An vớ i địa hình đáy biển 3.4.3 Thông số của công trình kè biển sử dụng trong tính toán Các thông số của hệ thống kè biển nêu trên phần trước được sử dụng trong miền tính bao gồm kè biển dạng đê chắn sóng bờ phía bắc và kè mỏ hàn tại bờ phía nam Tại bờ phía bắc cửa Thuận An: Các kè biển dạng đê chắn sóng kiên cố bao gồm hai kè sếp thành tam giác cân tạo thành hệ thống khép kín ngăn cách ho àn toàn khu bờ biển bên trong với biển phía ngoài. Do vậy mọi tác động của các yếu tố động lực lên vùng bờ biển khu vực bên trong là không còn. Do không có s ự trao đổi nước với bên ngoài, cho nên trong tính toán các kè được cho là biên cứng và vùng phía trong được coi là biên cứng – không tính toán các yếu tố thủy động lực cũng như biến đổi đáy tại khu vực này. Tại bờ phía nam cửa Thuận An: K è biển được thiết kế dạng mỏ hàn, xây dựng theo hướng vuông góc với đường bờ. Trong tính toán các ô l ưới dọc theo vị trí xây dựng kè được thiết lập là dạng công trình. Với thiết lập như vậy kè có tính năng ngăn dòng chảy dọc bờ truyền qua thân k è cũng như ngăn sóng truyền qua, cho phép sóng phản xạ trên thân và nhiễu xạ tại đầu kè. Chi tiết thiết lập các kè trong miền tính xem hình vẽ 8. 26 Hình 8. Vị trí các kè trong miền tính 3.4.4 Điều kiện biên Trong mọi tính toán với mô h ình số, các điều kiện cho trên biên quyết định tới độ chính xác của kết quả tính. Các số liệu cho trên biên cần có độ chính xác cao và được lựa chọn một cách hợp lý sao cho có hiệu quả cao nhất. Các vị trí đ ược xác định để cho điều kiện biên phụ thuộc vào tính chất của các yếu tố trên biên cũng như nó có mang tính đại diện cho vùng tính đến đâu. Điều kiện biên trong mô hình CMS-wave yêu cầu là phổ sóng trên biên nước sâu. Điều kiện biên trong mô hình CMS-flow sử dụng dao động mực nước trên biên nước sâu và lưu lượng tại các biển trong sông, tuy nhiên biên lưu lư ợng không được sử dụng trong nghiên cứu này. Điều kiện biên sóng: Biên sóng được lấy tại biên nước sâu dưới dạng phổ sóng. Các phổ sóng được tính thông quá các tham số sóng: độ cao Hs, chu kỳ Tp v à hướng sóng. Phổ tham số sóng đ ược sử dụng trong nghiên cứu này là phổ TMA. Trong tính toán cặp với mô hình CMS-flow các tham số sóng trên biên được cho theo từng bước thời gian 3 giờ (bằng bước thời gian trao đổi giữa hai mô h ình). Điều kiện biên mực nước: Dao động mực nước được cho trên biên nước sâu. Dao động mực nước được lấy từ chuỗi số liệu mực nước trong một chu kỳ triều đặc trưng trong vùng cửa Thuận An. Các giá trị mực n ước cho trên biên với bước thới gian 1 giờ/obs. 27 Hình 9. Dao động mực nước trong một chu kỳ triều tại Thuận An 3.4.5 Điều kiện ban đầu Địa hình đáy: Địa hình đáy trong các trường hợp tính toán được lấy là địa hình năm 2005. Sau mỗi bước tính toán biến động đáy biển địa h ình mới sẽ được cập nhật làm điều kiện ban đầu cho các bước tính tiếp theo. Địa h ình luôn được cập nhật mới trong từng bước tính toán trong cả mô h ình CMS-wave và CMS-flow. Trước khi tiến hành tính toán mô hình CMS-wave tính toán trước trường sóng trên toàn miền tính làm điều kiện sóng ban đầu cho mô hình CMS-flow. Ứng suất bức xạ sóng được sử dụng tính toán dòng chảy do sóng trong mô h ình CMS-flow. Trường dòng chảy do biến đổi mực nước ban đầu được cho bằng 0. Các tham số thủy động lực ban đầu tính toán đ ược lấy bằng 0, do vậy để mô h ình nhanh đạt được trạng thái ổn định, hệ số khuyếch đại các đặc trưng động lực được sử dụng trong khoảng thời gian 24 giờ đầu tiên. Dao động mực nước và dòng chảy tại từng thời điểm trao đổ i (thời gian 3 giờ) sẽ được cập nhật vào CMS-wave. Ngược lại ứng suất bức xạ và các tham số sóng được cập nhật tại mỗi bước thời gian kết nối. 3.5 Phân tích số liệu, xây dựng kịch bản tính toán 3.5.1 Chuỗi số liệu sóng nước sâu Các tham số sóng nước sâu được tính toán bằng mô h ình SWAN từ trường gió của NCEP. Lưới tính sóng SWAN có độ phân giải 0.25 x 0.25 độ tr ên toàn vùng biển Việt Nam và vùng lận cận có tọa độ từ 99 oE đến 121oE và từ 1.25oS đến 24oN trong khoảng thời gian 20 năm. Số liệu trường gió của NCEP được sử dụng có độ phân giải 0.5 x 0.5 độ với bước thời gian 3 giờ/obs. Khoảng thời gian lấy các tham số sóng là 3 giờ. Trong quá trình tính toán, các tham số sóng đã được hiệu chỉnh rất kỹ lưỡng với các tham số sóng nước sâu tại gian khoan Bạch Hổ (trạm MSP -1) và đồng thời các tham số sóng cũng được kiểm chứng trong điều kiện sóng bão. -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Dao động mực nước tại Thuận an 28 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 7/ 20 /1 99 6 0: 00 7/ 20 /1 99 6 6: 00 7/ 20 /1 99 6 12 :0 0 7/ 20 /1 99 6 18 :0 0 7/ 21 /1 99 6 0: 00 7/ 21 /1 99 6 6: 00 7/ 21 /1 99 6 12 :0 0 7/ 21 /1 99 6 18 :0 0 7/ 22 /1 99 6 0: 00 7/ 22 /1 99 6 6: 00 7/ 22 /1 99 6 12 :0 0 7/ 22 /1 99 6 18 :0 0 7/ 23 /1 99 6 0: 00 7/ 23 /1 99 6 6: 00 7/ 23 /1 99 6 12 :0 0 7/ 23 /1 99 6 18 :0 0 7/ 24 /1 99 6 0: 00 7/ 24 /1 99 6 6: 00 7/ 24 /1 99 6 12 :0 0 7/ 24 /1 99 6 18 :0 0 7/ 25 /1 99 6 0: 00 7/ 25 /1 99 6 6: 00 7/ 25 /1 99 6 12 :0 0 7/ 25 /1 99 6 18 :0 0 7/ 26 /1 99 6 0: 00 Date (GMT) H si g [m ] SWAN VN01A 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 9/ 2/ 20 00 0 :0 0 9/ 2/ 20 00 6 :0 0 9/ 2/ 20 00 1 2: 00 9/ 2/ 20 00 1 8: 00 9/ 3/ 20 00 0 :0 0 9/ 3/ 20 00 6 :0 0 9/ 3/ 20 00 1 2: 00 9/ 3/ 20 00 1 8: 00 9/ 4/ 20 00 0 :0 0 9/ 4/ 20 00 6 :0 0 9/ 4/ 20 00 1 2: 00 9/ 4/ 20 00 1 8: 00 9/ 5/ 20 00 0 :0 0 9/ 5/ 20 00 6 :0 0 9/ 5/ 20 00 1 2: 00 9/ 5/ 20 00 1 8: 00 9/ 6/ 20 00 0 :0 0 9/ 6/ 20 00 6 :0 0 9/ 6/ 20 00 1 2: 00 9/ 6/ 20 00 1 8: 00 9/ 7/ 20 00 0 :0 0 9/ 7/ 20 00 6 :0 0 9/ 7/ 20 00 1 2: 00 9/ 7/ 20 00 1 8: 00 9/ 8/ 20 00 0 :0 0 9/ 8/ 20 00 6 :0 0 9/ 8/ 20 00 1 2: 00 9/ 8/ 20 00 1 8: 00 9/ 9/ 20 00 0 :0 0 9/ 9/ 20 00 6 :0 0 9/ 9/ 20 00 1 2: 00 9/ 9/ 20 00 1 8: 00 9/ 10 /2 00 0 0: 00 9/ 10 /2 00 0 6: 00 9/ 10 /2 00 0 12 :0 0 9/ 10 /2 00 0 18 :0 0 9/ 11 /2 00 0 0: 00 9/ 11 /2 00 0 6: 00 9/ 11 /2 00 0 12 :0 0 9/ 11 /2 00 0 18 :0 0 9/ 12 /2 00 0 0: 00 9/ 12 /2 00 0 6: 00 9/ 12 /2 00 0 12 :0 0 9/ 12 /2 00 0 18 :0 0 9/ 13 /2 00 0 0: 00 Date (GMT) H si g [m ] SW AN Buoy 4001 Hình 10. So sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc tại trạm MSP-1 thời gian: 10- 12/2002 Hình 11. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc trong cơn bão Frankie 7/1996 Hình 12. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc trong cơn bão Wukong 9/2000 29 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 11 /1 /9 7 0: 00 11 /1 /9 7 6: 00 11 /1 /9 7 12 :0 0 11 /1 /9 7 18 :0 0 11 /2 /9 7 0: 00 11 /2 /9 7 6: 00 11 /2 /9 7 12 :0 0 11 /2 /9 7 18 :0 0 11 /3 /9 7 0: 00 11 /3 /9 7 6: 00 11 /3 /9 7 12 :0 0 11 /3 /9 7 18 :0 0 11 /4 /9 7 0: 00 11 /4 /9 7 6: 00 11 /4 /9 7 12 :0 0 11 /4 /9 7 18 :0 0 11 /5 /9 7 0: 00 11 /5 /9 7 6: 00 11 /5 /9 7 12 :0 0 11 /5 /9 7 18 :0 0 11 /6 /9 7 0: 00 11 /6 /9 7 6: 00 11 /6 /9 7 12 :0 0 11 /6 /9 7 18 :0 0 11 /7 /9 7 0: 00 11 /7 /9 7 6: 00 11 /7 /9 7 12 :0 0 Date (GMT) Si gn ifi ca nt w av e he ig ht H s[ m ] SWAN Hua-Hin buoy Hình 13. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc trong cơn bão Linda 11/1997 Trong điều kiện bão và gió mùa các tham số sóng tính toán là khá chính xác. Đây là nguồn số liệu đủ dài để có thể làm các tính toán thống kê các đực trưng sóng. [1,2] 3.5.2 Kết quả phân tích sóng nước sâu Các tham số sóng nước sâu phục vụ trong phân tích số liệu đầu v ào được lấy tại vi trí H01 (tọa độ 16.75 oN, 107.75oE) như trong hình (14). Các tham số sóng sử dụng trong thống k ê phân tích được lấy trong khoảng thời gian 21 năm bắt đầu từ năm 19 91 đến hết năm 2011. Đây là chuỗi số liệu sóng tương đối dài và đầy đủ để có thể phân tích ra các yếu tố sóng đặc tr ưng trong khu vực tính toán. Hình14. Vị trí điểm lấy các tham số sóng n ước sâu 30 Các kết quả phân tích đặc trưng sóng gồm có: Thông kê tần suất sóng nhiều năm, tần suất trung bình theo từng tháng, tần suất trung bình trong mùa gió đông bắc (các tháng 1, 2, 11 và 12) và tần suất trung bình trong mùa gió tây nam (các tháng 6, 7, 8 và 9) Dưới đây là kết quả phân tích sóng: Trong các hình 15 và 16 là kết quả phân tích chế độ sóng trong nhiều năm, trong mùa gió đông bắc và mùa gió tây nam, được trình bày dưới dạng các hoa sóng. Bảng 2. Bảng tần suất sóng trung b ình nhiều năm Hs range N NE E SE S SW W NW 0.0-0.5 0.92 4.11 22.54 0.77 0.02 0.02 0.16 0.64 0.5-1.0 1.38 6.25 24.68 0.42 0.00 0.00 0.20 0.45 1.0-1.5 1.01 5.76 9.15 0.04 0.00 0.00 0.04 0.08 1.5-2.0 0.43 5.82 4.62 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 2.0-2.5 0.24 4.30 1.88 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 2.5-3.0 0.12 2.20 0.47 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 3.0-3.5 0.07 0.79 0.07 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3.5-4.0 0.02 0.18 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4.0-4.5 0.00 0.04 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4.5-5.0 0.01 0.02 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5.0-5.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5.5-6.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.0-6.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.5-7.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 7.0-7.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 >7.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Tổng % 4.21 29.47 63.43 1.24 0.02 0.02 0.40 1.21 Hình 15. Hoa sóng tại trạm ngoài khơi trong nhiều năm 31 Hình 16. Hoa sóng tại trạm ngoài khơi trong mùa gió đông bắc và mùa gió Tây nam Trong tính toán vận chuyển trầm tích các yếu tố sóng đóng vai trò quan trọng, sóng là tác nhân chính trong việc khuấy động trầm tích và gây ra dòng chảy trong vùng nước nông ven bờ đặc biệt l à trong vùng sóng đổ. Trong các vùng biển như tại cửa Thuận An, dao động mực nước khá nhỏ (trung b ình 0.25m), gây ra dòng chảy thủy triều không lớn, khi đó các yếu tố sóng đóng vai tr ò chính trong quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển. Do vậy các kết quả phân tích chế độ các yếu tố sóng cho chúng ta thấy được bức tranh khái quát về chế độ vận chuyển trầm tích dưới sự tác động của sóng . Từ các kết quả phân tích chế độ sóng là cơ sở hình thành các kịch bản tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy trên mô hình số. Theo như các kết quả trong bảng 2 ta có thể thấy tại khu vực Thuận An các sóng có tần suất lớn nhất có hướng đông (E) và đông bắc (NE) và đồng thời cũng là các sóng có độ cao khá lớn. Các hướng sóng khác nhỏ hơn cả về tần suất cũng như độ lớn của các tham số sóng . Quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy là quá trình liên tục, kết quả tại thời điểm sau có sự ảnh h ưởng và kế thừa từ các thời điểm tr ước đó. Cho nên phương pháp tính toán cho k ết quả tốt nhất là mô phỏng với các tham số đầu vào trong thời gian thực, các kết quả tính toán li ên tục được so sánh và hiệu chỉnh. Tuy nhiên việc tính toán như trên không thể tiến hành cho một thời gian dài, bởi lẽ các tính toán tiêu tốn khá nhiều thời gian cũng nh ư tài nguyên máy tính. Trong các trường hợp yêu cầu có một chế độ về vận chuyển trầm tích , khi đó đòi hỏi cần có chuỗi số liệu đủ dài để làm các phân tích thống kê, phương pháp tính toán liên t ục hoàn toàn không khả thi. Do vậy cần thiết phải nghiên cứu sử dụng phương pháp tính toán trầm tích và biến đổi đáy biển dựa trên các số liệu thông kê các tham số sóng. Các kết quả tính toán của phương pháp này đòi hỏi có độ chính xác giống như các tính toán liên tục. Một phương pháp được Roelvink J. A (2001) và các c ộng sự 32 đưa ra đó là sử dụng chuỗi tham số sóng từ đó thống kê, phân tích xác định giá trị tham số sóng có tác động tới vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy. Theo phương pháp này, giá trị chiều cao sóng có tác động đến quá tr ình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy được sử dụng trong tính toán thay vì sử dụng giá chiều cao sóng hữu hiệu theo thống kê thông thường. Roevink J. A đã đưa ra công thức xác định chiều cao sóng gây biến đổi đáy từ chiều cao sóng hữu hiệu trong chuỗi sóng như sau:   i ii mor P HP H 5.2 5.2 (85) Trong đó Hmor là chiều cao sóng có tác động đến biến đổi đáy mạnh nhất , Hi chiều cao sóng hữu hiệu i, Pi – là tần suất của sóng thứ i . Trong mô hình CMS-wave chỉ tính toán sóng với phổ truyền tới trong góc từ -90o đến 90o so với đường bờ. Do đó cần lập lại bảng thống kê sóng cho phù hợp với miền tính toán. Góc truyền sóng tính theo giá trị góc tuyệt đối so với đ ường bờ - góc 0 ứng với hướng vuông góc với đường bờ, góc âm là hướng về bên tay phải theo chiều kim đồng hồ, hướng dương theo hướng bên tay trái ngược chiều kim đồng hồ. Quy định về hướng như mô tả trong hình vẽ 17. Hình 17. Quy định về hướng sóng trong mô h ình CMS-wave Thông kế tần suất sóng theo các h ướng sóng có tác động tới khu vực bờ Thuận An, kết quả thu được như trong bảng 3. Bảng 3. Bảng tần suất sóng nước sâu theo các hướng tác động tới đường bờ Hs range ( -90÷ -60 ) ( -60÷-30 ) ( -30÷ 0 ) ( 0 ÷ 30) ( 30÷ 60 ) ( 60÷ 90 ) hướng khác 0.0-0.5 0.20 12.26 12.48 2.19 0.90 0.41 0.75 0.5-1.0 0.03 10.18 17.53 3.20 1.33 0.52 0.59 1.0-1.5 0.00 0.63 11.18 2.90 0.91 0.36 0.10 1.5-2.0 0.00 0.01 7.63 2.65 0.39 0.19 0.02 2.0-2.5 0.00 0.00 3.98 2.06 0.31 0.06 0.00 33 2.5-3.0 0.00 0.01 1.38 1.21 0.17 0.02 0.00 3.0-3.5 0.00 0.01 0.33 0.48 0.09 0.01 0.00 3.5-4.0 0.00 0.00 0.05 0.13 0.03 0.00 0.00 4.0-4.5 0.00 0.00 0.01 0.03 0.00 0.00 0.00 4.5-5.0 0.00 0.00 0.02 0.01 0.01 0.00 0.00 5.0-5.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5.5-6.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.0-6.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.5-7.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 7.0-7.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 >7.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Tổng % 0.23 23.11 54.59 14.88 4.14 1.58 1.47 số số liệu 141 14179 33497 9129 2538 972 904 Hướng khí tượng 150÷120 120 ÷ 90 90 ÷60 60 ÷30 30÷ 0 360 ÷330 Áp dụng công thức (85) tính toán tham các tham số sóng theo từng hướng ta được các kết quả như trong bảng 4. Bảng4. Kết quả phân tích các yếu tố sóng theo hướng tác động Hướng (-90 ÷ -60) (-60 ÷ -30) (-30 ÷ 0) (0 ÷ 30) (30 ÷ 60) (60÷ 90) Hmor 0.86 1.32 2.43 2.34 1.76 1.06 Tp 5.58 6.93 8.90 7.52 6.99 5.81 Dir -67.98 -42.42 -19.11 12.17 42.67 72.57 Tổng % 0.23 23.11 54.59 14.88 4.14 1.58 Hướng khí tượng 150÷120 120 ÷ 90 90 ÷60 60 ÷30 30÷ 0 360 ÷330 Trên bảng 4 là số liệu phân tích thống kê các tham số sóng cho 6 hướng truyền sóng có tác động đến vận chuyển trầm tích và biển đổi đáy. Trong đó hướng truyền sóng có tần suất lớn nhất là sóng có hướng từ 60 đến 90 độ (theo hướng khí tượng) tương ứng với sóng hướng từ đông bắc đến đông . Đây cũng là 6 phương án với các tham số sóng sẽ được sử dụng trong tính toán vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển được trình bày trong phần tiếp theo. 3.6 Thiết lập các thông số và hiệu chỉnh mô hình Trước khi tính toán mô h ình cần được hiệu chỉnh các thông số sao cho kết quả tính phù hợp với thực tế đo đạc. Đây l à bước quan trọng cần được thực hiện kỹ lưỡng trước khi sử dụng bất kỳ một mô h ình số nào. Trong phần nghiên cứu này tác giả tiến hành hiệu chỉnh các thông số thông qua việc so sánh các kết quả tính toán mực nước và dòng chảy trong đợt khảo sát đo đạ c ngày 21/4/2007 tại trạm V1, 34 thuộc dự án VS\RDE-03. Trạm quan trắc dòng chảy nằm phía ngoài cửa Thuận An quan trắc đồng thời dao động mực n ước triều và đo đạc dòng triều tại 3 tầng mặt, giữa và đáy. Hình18. Vị trí các trạm quan trắc dao động mực n ước và dòng chảy V1 3.6.1 Thiết lập các thông số trong mô h ình CMS-wave Hình 19. Thiết lập các thông số chính của CMS -wave 35 Hình 20. Điều kiện phổ sóng tại biên CMS-wave Dạng phổ sóng sử dụng trên biên nước sâu là phổ TMA. Phổ sóng được tính toán từ các tham số sóng: Độ cao Hs, chu kỳ đỉnh phổ Tp v à hướng sóng với các tham số của ԑ =3.3 và n=4 tại độ sâu nước d=25m. 3.6.2 Thiết lập các thông số trong mô hình CMS-flow Hình21. Thiết lập các thông số chính trong mô h ình CMS-flow 36 Hình 22. Các thông số tính toán vận chuyển trầm tích . Hình 23. Điều kiện biên dao động mực nước 3.6.3 Thiết lập thông số kết nối giữa hai mô h ình CMS-flow và CMS-wave Hai mô hình tính toán sóng và dòng chảy được sử dụng tính cặp đồng thời. Phương pháp tính cặp sử dụng dạng trao đổi hai chiều , cho phép tính toán và trao đổi các tham số của sóng và dòng chảy qua lại giữa hai mô h ình theo từng bước thời gian. Theo đó các tham số sóng và ứng suất bức xạ được CMS-flow sử dụng trong mỗi bước tính để tính dòng chảy do sóng và vận chuyển trầm tích . Quá trình song song với nó là CMS-wave sử dụng trường dòng chảy, điều kiện địa h ình đã được 37 cập nhật mực nước và biến đổi đáy vào trong tính toán trường sóng. Hai quá trình tính toán diễn ra song song với bước thời gian trao đổi cập nhật các tham số l à 3 giờ. Tổng lượng thời gian tính toán trong một phương án hướng sóng là 720 giờ (30 ngày). Hình 24. Giao diện điều khiển tính toán cặp đồng thới giữa hai mô h ình Hình 25. So sánh mực nước tính toán và đo đạc tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007 38 Hình 26. So sánh tốc độ dòng chảy tính toán với tốc độ dòng chảy đo đạc tại các tầng Mặt, giữa và đáy tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007 Hình 27. So sánh hướng dòng chảy tính toán với hướng dòng chảy đo đạc tại các tầng Mặt, giữa và đáy tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007 39 Hình 28. Trường dòng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều l ên Hình29. Trường dòng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều xuống Để đánh giá mức độ chính xác của các kết quả tính toán v à đo đạc, độ lệch chuẩn và sai số trung bình quân phương đã được sử dụng. Công thức xác định giá trị của độ lệch chuẩn (hệ số bias) và sai số trung bình quân phương như sau:BIAS ∑ V V (86)RMS ∑ V V / (87) Trong đó N – là tổng số số liệu, Vcomi- giá trị tính toán thứ i, Vobsi – giá trị đo đạc thứ i. Kết quả tính toán sai số của dao động mực n ước đo đạc và tính toán: Bias = 0.065, Rms = 0.177 40 Kết quả tính toán sai số của vận tốc d òng chảy đo đạc tại tầng giữa và vận tốc tính toán: Bias = 0.0352, Rms = 0.0963 Từ các kết quả trên cho thấy kết quả tính toán mực nước, tốc độ và hướng dòng chảy ứng với các thông số cài đặt trong mô hình là khá phù hợp. Các kết quả về giá trị có sự sai khác nhỏ . Các hệ số bias mang giá trị dương chứng tỏ các giá trị tính toán lớn hơn so với các giá trị đo đạc. 3.7. Kết quả tính toán Mô hình tính cặp đồng thời mô phỏng sự vận chuyển trầm tích và biến động bãi biển được thiết lập theo các thông số đ ã được hiệu chỉnh tại phần trên. Tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy được thực hiện theo 6 hướng sóng chính, trong mỗi hướng sóng được tính toán trong 720 giờ (30 ng ày). Kết quả tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển được trình bày theo 3 dạng: Thứ nhất, kết quả được trình bày trên các hình vẽ theo mặt rộng. Thứ hai, chọn ra 5 mặt cắt đặc trưng, biểu thị biến động đáy biển trên hình vẽ của các mặt cắt ngang. Thứ ba, dựa trên số liệu tại các mặt cắt ngang tính toán, lập bảng thố ng kê giá trị tổng lượng trầm tích vận chuyển qua mỗi mặt cắt theo các h ướng sóng khác nhau . 3.7.1 Kết quả tính toán biến động đáy Hướng sóng 1 (120 đến 150 độ): Các tham số sóng tính toán: Hmor=0.86, Tp =5.58, hướng trung bình= -67.98, tần suất=0.23 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow. Hình 30. Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 120 đến 150 độ 41 Hình 31. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 120 đến 150 độ Hướng sóng 2 (90 đến 120 độ): Các tham số sóng tính toán: Hmor=1.32, Tp =6.93, hướng trung bình =-42.42, tần suất= 23.11 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow. Hình 32 Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 90 đến 120 độ 42 Hình 33. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 90 đến 120 độ Hướng sóng 3(60 đến 90 độ): Các tham số sóng tính toán: Hmor=2.43, Tp =8.90, hướng trung bình =-19.11, tần suất=54.59 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow. Hình 34. Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 60 đến 90 độ 43 Hình35. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 60 đến 90 độ Hướng sóng 4(30 đến 60 độ): Các tham số sóng tính toán: Hmor=2.34, Tp =7.53, hướng trung bình =12.17, tần suất=14.88% và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow. Hình 36. Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 30 đến 60 độ 44 Hình 37. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 30 đến 60 độ Hướng sóng 5(0 đến 30 độ): Các tham số sóng tính toán: Hmor=1.76, Tp =6.99, hướng trung bình =42.67, tần suất=4.14 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow. Hình 38. Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 0 đến 30 độ 45 Hình 39. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 0 đến 30 độ Hướng sóng 6 (330 đến 0 độ): Các tham số sóng tính toán: Hmor=1.06, Tp =5.81, hướng trung bình = 72.57, tần suất = 1.58% và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow. Hình 40. Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 330 đến 0 độ 46 Hình 41. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 330 đến 0 độ Như vậy từ các tính trên ta thấy, các hướng sóng có tác động mạnh nhất đến quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy là các hướng sóng trong trường hợp 2, 3 và 4 tương ứng với trường sóng có hướng Đông và Đông bắc. Các hướng sóng này chiếm tới 92.58 % trong chuỗi sóng. Các tác động của sóng tới quá trình vận chuyển trầm tích là đáng kể. Phía trước và sau công trình kè trên bờ phía nam cửa Thuận An có sự biến động rất lớn và có xu thế bồi lắng tại vùng lân cận chân công trình. Quá trình vận chuyển trầm tích cũng làm cho khu vực luồng tàu tại trung tâm cửa có biến động lớn, quá trình bồi lắng ở giữa cửa làm cho tuyến luồng giảm độ sâu đáng kể. Để có sự đánh giá rõ ràng hơn chúng ta xem xét đến sự biến động tại các mặt cắt đặc trưng. 3.7.2 Phân tích kết quả tính toán biến động b ãi đáy biển qua một số mặt cắt đặc trưng Năm mặt cắt được chọn để đánh giá mức độ biến động tr ên đáy biển bao gồm: 3 mặt cắt phía trước công trình kè biển phía nam và 2 mặt cắt phía trong cửa Thuận An. Các mặt cắt từ 1 đến 4 có gốc nằm tr ên bờ biển, mặt cắt số 5 gốc nằm trên bờ phía nam. Sơ đồ các mặt cắt tại khu vực cửa Thuận An đ ược mô tả trong hình 42. 47 Hình 42. vị trí các mặt cắt từ 1 đến 5 Kết quả tính toán cho từng hình thế hướng sóng tại mỗi mặt cắt được trình bày trên hai hình vẽ: Hình vẽ biểu diễn sự biến động đáy biển tại mỗi mặt cắt d ưới sự tác động của từng h ình thế hướng sóng và Hình vẽ so sánh địa hình đáy trước và sau khi tính toán biến động đáy biển dưới tác động tổng hợp của tất cả các h ình thế sóng. Dựa trên sự phân bố tần suất phần trăm của các hình thế hướng sóng theo bảng tần suất (bảng 4) chúng ta tính toán được mức độ biến động tổng cộng củ a từng mặt cắt dưới tác động tổng hợp của các hình thế hướng sóng. Giá trị độ sâu trên mỗi mặt cắt trước và sau khi tính toán cho thấy bức trang về biến động đáy biển trong mỗi mặt cắt. Hình 43. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau 48 Hình 44. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu Hình 45. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau 49 Hình 46. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu Hình 47. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau 50 Hình 48. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu Hình 49. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau 51 Hình 50. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu Hình 51. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau 52 Hình52. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu Từ các hình 44, 46 và 48 ta thấy trên mặt cắt 1, 2 và 3 có sự bồi lắng trầm tích mạnh ở ngay sát đường bờ. Theo thứ tự tự gần đến xa công tr ình kè biển độ bồi lắng gần bờ biển giảm dần, lớn nhất tại mặt cắt số 1 , độ bồi lắng lên tới trên 300m tính từ đường bờ. Tiếp theo trên mặt cắt 2 độ bồi tụ là 200m và trên mặt cắt số 3 là 50 m. Các kết quả tính toán này khá phù hợp với số liệu đo đặc sự biến động đ ường bờ Hình 53. Kết quả đo đạc đường bờ tại Thuận An tháng 6 năm 2012 Tại vị trí mặt cắt số 4 có sự bồi lập khá mạnh ở phía ngo ài và xói lở trong vùng gần bờ. Tại mặt cắt số 5, đây là mặt cắt ngang của luông chính đi v ào cửa Thuận An, có sự bồi lắng khá mạnh tại phía giữa luông t àu. Các kết quả này một lần nữa minh chứng tính sát thực của các kết quả tính toán l à khá phù hợp với thực tế diễn ra trong vùng. Từ hình vẽ 53 ta thấy rằng phần bờ phía bắc công tr ình kè mỏ 53 hàn có sự xâm thực mạnh, bờ biển bị xói lở tiến sâu v ào trong đất liền. Nhưng cũng do hạn chế của mô hình nên không thể mô phỏng sự biến đổi của đường bờ. Các bức ảnh chụp tại hiện trường vào thời gian tháng 6/2012 (xem hình 54, 55 và 56) một lần nữa minh chứng, cho thấy có sự bồi tụ mạnh ở đầu k è mỏ hàn và bồi tụ tạo ra vùng nước khá nông phía trong cửa nằm gần kè phía nam và tạo nên một số bar cát lớn tại vị trí trung tâm luồng ra v ào của cửa. Hình 54. Ảnh chụp khu vực bồi cát phía nam k è tại cửa Thuận An 6/2012 54 Hình 55. Ảnh chụp vị trí các bar cát ngầm tại cửa Thuận An 6/2012 Hình 56. Ảnh chụp các bar cát tại trung tâm luồ ng ra vào tại cửa Thuận An 6/2012. 55 3.7.3 Phân tích đánh giá định lượng Kết quả tính toán lượng trầm tích vận chuyển trên một đơn vị bề rộng bãi biển trong năm mặt cắt được trình bày trong bảng 5. Bảng 5. Lượng trầm tích vận chuyển qua các mặt cắt (m3/năm) Hướn g sóng 150÷12 0 120 ÷ 90 90 ÷60 60 ÷30 30÷ 0 360 ÷330 SW NE Tổng Mặt cắt 1 2.05 -2385.73 -10976.68 - 2638.52 145.91 29.57 -13360.37 - 2463.03 -15823.41 Mặt cắt 2 -1.50 -1757.05 -9141.92 -959.21 -144.29 -17.22 -10900.46 - 1120.72 -12021.18 Mặt cắt 3 1.86 157.88 -6587.12 - 1311.61 53.46 15.94 -6427.39 - 1242.21 -7669.60 Mặt cắt 4 1.66 1106.14 1844.22 5855.86 742.97 45.70 2952.03 6644.53 25430.90 Mặt cắt 5 4.64 1957.34 -54971.25 3983.98 384.63 61.70 -53009.27 4430.30 -48578.97 Theo quy ước về hướng vận chuyển trầm tích , đối với đường bờ tại Thuận An hướng dương là hướng trầm tích đi từ bắc xuống nam, hướng âm là hướng trầm tích đi từ nam lên bắc. Như vậy xu hướng trầm tích nói chung trong các mặt cắt 1, 2, 3 và 5 có hướng từ phía nam lên phía bắc. Mặt cắt số 4 có xu hướng đi ngược lại từ phía bắc xuống phía nam. KẾT LUẬN Đã sử dụng bộ mô hình tính toán sóng, dòng chảy, mực nước vận chuyển trầm tích và biến động đáy để tính toán chế độ động lực v à biến đổi đáy khu vực cửa Thuận An và các khu vực lận cận với sự có mặt của các công tr ình chỉnh trị. Qua phân tích tài liệu và kết quả tính toán, các quá tr ình động lực học, vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển đã có sự thay đổi khi có mặt của công tr ình chỉnh trị tại cửa Thuận An. Trong thời gian đầu công tr ình kè ở bờ nam cửa Thuận An gây biến động rất lớn địa h ình đáy và bờ biển tại khu vực lân cận (bồi tại phía nam và xói tại phía bắc kè). Tuy nhiên theo thời gian do bờ phía nam tiến dần ra biển khả năng ngăn cát của k è giảm dần và tác động mùa của các yếu tố động lực biển đối với bờ biền khu vực Thuận An trở lại trạng thái ban đầu khi ch ưa có công trình. Các công trình bước đầu đã phát huy tác dụng bảo vệ các vùng bờ biển lận cận khỏi trạng thái xói lở, đặc biệt hiệu quả với k è phía nam. Tuy nhiên vấn đề tránh bồi lấp luồng tàu chưa thể khắc phục được. Sự phù hợp giữa các kết quả tính toán v à số liệu đo đạc biến động bãi biển và đường bờ cho thấy khả năng mô phỏng của mô h ình SMS trong khu vực này là khá chính xác. Qua đó có thể sử dụng tính toán các khả năng biến động trong t ương lai, lập các phương án khả thi trong xây dựng kè biển giai đoạn 2 tại khu vực 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KHCN-06-10. “Cơ sở khoa học và các đặc trưng đới bờ phục vụ yêu cầu xây dựng công tr ình biển ven bờ”. Viện Cơ học, Hà Nội, 2000 2. Nguyễn Mạnh Hùng, Phạm Văn Ninh, Dương Công Điển, Mô hình tính cặp đồng thời các yếu tố sóng, dòng chảy và mực nước phục vụ nghiên cứu biến động bờ biển vùng châu thổ sông Hồng, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí Toàn quốc năm 2005 Tiếng Anh 3. Lam Tien Nghiem, “Modelling for Thuan An inlet, Vietnam” . Marcel J. F. Stive, Henk Jan Verhagen and Zheng Bing Wang, 2003. Morphodynamic Modelling for Thuan An inlet, Vietnam 4. Nghiem Tien Lam, A preliminary study on hydrodynamics of the Tam Giang – Cau Hai lagoon and tidal inlet system in Thua Thien Hue province, Vietnam. Master thesis. International Institute for Infrastructural Hydraulic and Environmental Engineering (IHE) Delft, Netherlands, 2002 5. Tran Thanh Tung, Vu Minh Cat, Le Dinh Thanh, 2006, conceptual model of seasonal opening/closure of tidal inlets and estuaries at the Central coast, Viet nam. Proceeding of Vietnam- Japan Extuary Workshop 2006 August 22nd-24th , Hanoi, Vietnam. 6. Tung, T.T., Stive, M.J.F, Graaff J.v.d. (2008): Strategy for stabilization tidal inlets in the Central Coast of Vietnam . Proc. Of the COPEDEC-2008, Dubai, United Arab Emirates 7. CMS User Manual, Envinronment Modeling Research Laboratory 03/2012 8. Coastal Engineering Manual. Chapter 6. Hydrodynamic of tidal inlets. U.S Army Crops. Of Engineers. Washington. DC. 2001 9. SMS Surface Water Modeling System – Tutorials Version 10.1. Brigham Young University – Envinronment Modeling Research Laboratory 03/2011 10. Shore Protection Manual Coastal Engineering Research Center, US Navy, 1984 11. Van Rijn Leo C. Principles of Fluid Flow and Waves in Rives, Estuaries, Seas and Ocean. Aqua Publications, the Netherlands, 1989