Triển khai ứng dụng mô hình ecomsed tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng

ết dính (d50<75µm) và không kết dính (75µm<d50<500 µm). Ck là nồng độ vật chất loại k; AH, KH là hệ số khuyếch tán ngang và nhớt rối [9,10,11]. 46 Hình 26. Tiến trình lan truyền trầm tích nhỏ và mịn Điều kiện biên đối với vận chuyển trầm tích Tại mặt tự do: 0,kH C K z z η∂ = → ∂ (44) Tại đáy: , k H K K C K E D z H z ∂ = − → − ∂ (45) Hình 27. Tương tác Khí - Nước - Trầm tích Tại biên mở: Cho giá trị hàm lượng vật chất tại các tầng chuẩn tại các điểm lưới tính. Với : Ek và Dk thể hiện phần lơ lửng trở lại của các hạt ở đáy và sự lắng đọng xuống đáy của các hạt sát đáy [9,11,12]. Tương tác Khí - Nước Tương tác Trầm tích - Nước Không kết dính Kết dính Cột nước Lắng Dòng chảy Sóng Rối Lắng Xói Trầm tích đáy Kết Cứng hóa Di đáy Tốc độ lắng Tốc độ lắng Kết bông Phân lớp Sự cuốn 47 Thành phần ứng suất trượt tại đáy và tốc độ trượt: 2 * uτ ρ= * ln o ku u z z =       (46) Trong đó: k là hằng số Karman ≅ 0.04, u tốc đô trượt tương ứng tại lớp z. Hình 28. Ứng suất trượt tại đáy do sóng - dòng chảy Công thức xác định sự tái lơ lửng của trầm tích kết dính (Gailani và các cộng sự, 1991): n ≅ 2-3; m ≅ ½ (sông) - 3 (hồ) n o b c m cd a T τ τ ε τ  − =     (47) Hình 29. Tiềm năng xói phân lớp theo ngày Theo Tsai, Lick (1987) và MacIntyre (1990): 36000.sectot E onds ε = ; k k totE f E= (48) Trong đó: Phân lớp đáy 48 Thành phần ε là khả năng tái lơ lửng (mg cm-2), ao hằng số phụ thuộc vào đặc tính đáy, Td thời gian sau khi lắng đọng (ngày), τb ứng suất trượt tại đáy, τc tiêu chuẩn ứng suất trượt do xói mòn (dynes cm-2), m và n là hai hằng số môi trường lắng đọng. Etot được giả định là hằng số cho tới khi trầm tích bị xói. Etot = 0 khi trầm tích lắng đọng, tái lơ lửng hay khi ứng suất trượt tăng. Ek là tỷ lệ tái lơ lửng tại lớp k, fk là thành phần cỡ hạt tương ứng. Hình 30. Khả năng tái lơ lửng như một hàm của ứng suất trượt đáy (Tsai, Lick (1987) Bảng 6. Bảng tham số cho khả năng tái lơ lửng Năm Nghiên cứu τce Td,max m n ao Ứng suất trượt đáy Trung bình Trung vị Độ lệch chuẩn 49 Công thức xác định sự lắng đọng của trầm tích kết dính (Krone, 1962): 1 ,1 1 1sD W C P= , ( ),1 1sW C G βα= (49) 1/22 2 M u vG K z z ρ  ∂ ∂    = +     ∂ ∂     (50) 1 0, b dP τ τ= > (51) 1 1 , b b d d P τ τ τ τ = − ≤ (52) Theo Partheniades (1993): 2 2 1 11 2 Y P e d ω ω pi − −∞ = − ∫ ; ,min 127 ,min 204log 0.25 1 bb b Y e τ τ τ    = −        (53) Trong đó: D1 thông lượng lắng đọng (g cm-2 s-1), Ws,1 tốc độ lắng đọng của trầm tích kết dính (cm s-1), C1 nồng độ trầm tích kết dính lơ lửng (g cm-3) tại mặt tương tác giữa lớp và trầm tích, P1 khẳ năng lắng đọng, G ứng suất trượt cột nước (dynes cm-2) tính toán từ đầu ra của mô hình thủy động lực từ vận tốc dòng chảy và nhớt động lực theo phương thẳng đứng KM. Tương tự, τb là ứng suất trượt tại đáy (dynes cm-2), τd tiêu chuẩn ứng suất trượt do lắng đọng (dynes cm-2), ω là biến giả. Khi P1 = 1 (dynes cm-2) thì có τb,min Hình 31. Lắng đọng của trầm tích kết dính Ứng suất trượt đáy 50 Công thức xác định sự tái lơ lửng của trầm tích không kết dính: Tái lơ lửng trầm tích từ trầm tích không kết dính đã được tính toán theo những nghiên cứu phát triển bởi Van Rijn (1984). Phương pháp này đã cho kết quả khá tốt khi mô phỏng đối với các cấp hạt trầm tích mịn và nhỏ (Van Rijn, 1984; Garcia và Parker, 1991; Van Rijn và cộng sự, 1993; Ziegler và Nisbet, 1994). Các nghiên cứu này đã được đưa ra thành một bản tóm tắt. Ban đầu sẽ tiến hành so sánh tốc độ trượt đáy u* với tốc độ trượt đáy tiêu chuẩn u*,crbed đối với cấp hạt D50 (cấp hạt có đường kính 50 µm). Lan truyền trầm tích lơ lửng chỉ có thể xảy ra nếu vận tốc trượt đáy vượt qua cả tiêu chuẩn Shields và u*,crs (tiêu chuẩn vận tốc trượt đáy cho lơ lửng). Nếu tái lơ lửng xảy ra, D50 và u* được xác định tham khảo cho z = a above the sediment bed Ca. Cuối cùng, giá trị u*, D50, Ca được tính toán cho tỷ tốc độ lan truyền trầm tích lơ lửng. Hình 32. Biểu đồ cho mô hình trầm tích đáy Tương tác Khí – Nước Độ sâu nước Trầm tích - Nước Ứng suất trượt đáy Số lớp Trầm tích đáy 51 Tính toán vận tốc trượt đáy tiêu chuẩn cho chuyển động ban đầu: ( )( )1/2*, 501crbed cru s gD θ= − ; ( ) 1/3 * 502 1s g D D υ −  =     (54) Trong đó: g là gia tốc trọng trường, s là gia tốc của hạt, υ nhớt động học, D50 đường kính cấp hạt 50µm và θcr là tham số hoạt tính tiêu chuẩn - được định nghĩa như sau: 1 * 0.64 * 0.10 * 0.29 * 0.24 0.14 0.04 0.013 0.055 cr cr cr cr D D D D θ θ θ θ θ − − − − = = = = = → * * * * * 4 40 10 10 20 20 150 150 D D D D D ≤ < ≤ < ≤ < ≤ > (55) Tính toán tốc độ trượt tiêu chuẩn cho tái lơ lửng: *, ,2crbed su W= ; ( )( )1.50.52,2 *25 1.2 5s k W D D υ = + − (56) Hình 33. Tốc độ lắng đọng như hàm của đường kính cấp hạt trầm tích không kết dính (Cheng, 1977) Đường kính cấp hạt 52 Trong đó: Ws,2 là tốc độ lắng đọng của trầm tích lơ lửng không kết dính, Dk là đường kính cấp hạt hiệu dụng với 75<Dk<500µm. Tính toán vận tốc trượt đáy. Vận tốc trượt gần đáy được tính theo công thức * ln o ku u z z =       (57) Lan truyền trầm tích lơ lửng: Nếu như tốc độ trượt đáy u* nhỏ hơn ngưỡng u*,crbed và nhỏ hơn tốc độ trượt tiêu chuẩn của tái lơ lửng thì sẽ xảy ra lắng đọng. Nhưng nếu u* vượt quá u*,crbed và u*,crsus thì thông lượng trầm tích từ đáy sẽ tới lớp thấp hơn trong cột nước. Khi đó lan truyền trầm tích xác định bởi các công thức sau: 2 * 2 *, 1 crbed u T u = − (58) ( )max 0.01 , sa h k= (59) 1.5 0.3 * 0.015 k a D TC aD = (60) s aq FzuC= (61) Trong đó: T là tham số mức độ lan truyền, a =za cấp tham khảo trên đáy, h độ sâu nước, ks là độ nhám Nikuradse, f nhân tố = f(a,h.z’,Z’), còn z là độ sâu thấp nhất của lớp σ. Thông lượng tái lơ lửng được tính dựa trên sự khác nhau giữa tổng lan truyền lơ lửng và thông lượng trầm tích tồn tại theo phương ngang trong lớp σ. Nếu sự khác nhau này lớn hơn 0, quá trình xói sẽ xảy ra. Trong trường hợp ngược lại, sẽ xảy ra quá trình lắng đọng khi u* vượt quá u*,crbed và u*,crsus Như vậy thông lượng tái lơ lửng được tính như sau: ( )s zsq qzC tE x y − ∆ = ∆ ∆ (62) Trong đó: Cz nồng độ trầm tích lơ lửng tại lớp thấp nhất σ, ∆t là bước thời gian, ∆x∆y là diện tích khu vực của đáy. 53 Công thức xác định lắng đọng của trầm tích không kết dính: Khi tốc độ trượt đáy u* < u*,crbed và u*,crsus trầm tích trong cột nước sẽ lắng đọng xuống đáy theo công thức: 2 ,2 2sD W C= (63) Trong đó: D2 thông lượng lắng đọng của trầm tích không kết dính, Ws,2 tốc độ lắng đọng, C2 nồng độ trầm tích lơ lửng gần đáy. Cứng hóa trầm tích không kết dính đáy: Một giả thiết quan trọng nữa mà Van Rijn đưa ra: đó là coi trầm tích đáy là đồng nhất. Ở đây, trầm tích không kết dính thông thưởng bao gồm các cấp hạt có kích thước như cát mịn (lơ lửng) và đá, sỏi (có thể di chuyển ở đáy). Cứng hóa đáy xảy ra khi cát mịn bị xói từ trầm tích đáy đồng nhất và vật liệu cát thô còn lại trên bề mặt đáy (không thể tái lơ lửng). Trong quá trình xói, trầm tích lơ lửng gần lớp mặt bị thiếu hụt và một lớp trầm tích thô, không tái lơ lửng hình thành. Sự thiếu hụt của trầm tích lơ lửng trong lớp hoạt động tiếp tục làm giảm tỷ lệ xói tới không. Khi đó theo các nghiên cứu của Shen và Lu (1983); Karim và Holly (1986); Van Niekerk và cộng sự (1992) trầm tích đáy trở thành cứng hóa. Tái lơ lửng trầm tích đáy được giả thiết chỉ xảy ra trong lớp hoạt động như là: 2 aE f E= (64) Trong đó: fa là thành phần trầm tích trong lớp hoạt động (có thể tái lơ lửng), E tỷ lệ tái lơ lửng cho lớp đồng nhất đáy tính toán theo phương pháp của Van Rijn. Bên cạnh việc phối kết hợp giữa các thành phần về động lực, sóng và trầm tích, mô hình ECOMSED còn sử dụng thành phần thông lượng nhiệt tại bề mặt như: A&BFLX (Ahsan và Blumberg, 1999; Cole và Buchak, 1994), R&BFLX (Rosati và Miyakoda, 1988), L&PFLX (Large và Pond, 1982) và thành phần hoạt động đánh dấu phần tử - chất điểm, hạt (Thompson và Gelhar, 1990; Dimou và Adams, 1993). 3.6 Tiêu chuẩn ổn định của mô hình Trong mô hình ECOMSED, độ phân giải được làm trơn xác định bởi công thức sau (Asselin, 1972): ( )1 122n n n n ns sF F F F F α + − = + − + (65) 54 Với α = 0.05 Độ ổn định của mô hình được đánh giá qua số Courant (Courant Friedrichs Levy), lan truyền được giới hạn bởi bước thời gian (Blumberg và Mellor, 1981): 1/2 2 2 1 1 1 t t C x y −  ∆ ≤ + ∆ ∆  (66) Ở đây: ( )1/2 max2tC gH U= + (67) Trong đó: Umax là tốc độ trung bình lớn nhất có thể có. Khi đó, tiêu chuẩn cho bước tời gian có thể được đưa ra như sau: 1/2 2 2 1 1 1 T T C x y −  ∆ ≤ + ∆ ∆  (68) CT = 2C + Umax (69) Với C tốc độ sóng nội trọng trường lớn nhất, thông thường hơn 2m/s và Umax tốc độ bình lưu lớn nhất. Thường thì ∆T/∆t là 80/100. Sự khuếch tán rất là quan trọng nhưng không phải ảnh hưởng toàn diên đến cách chọn bước thời gian, khi đó cần sử dụng điều kiện: 1 2 2 1 1 1 4 H T A x y −  ∆ ≤ + ∆ ∆  (70) 1 1 2 sin t f θ∆ ≤ = Ω (71) Với ω vận tốc góc của trái đất và θ là vĩ độ. 3.7 Hiệu chỉnh mô hình và phân tích số liệu Hiệu chỉnh, đánh giá độ chính xác của mô hình là công việc cần thiết và quan trọng trong việc áp dụng mô hình toán của khu vực. Kết quả đầu ra của mô hình sẽ được so sánh với số liệu quan trắc để đánh giá sự sai khác giữa tính toán và thực tế. Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ tin cậy của mô hình. Trong báo cáo, hiệu chỉnh mô hình có sử dụng kết hợp các phương pháp đánh giá sai số sau: 55 Sai số trung bình ME (Mean Error) hay BIAS Giá trị ME nằm trong khoảng (-∞,+∞). ME cho biết xu hướng lệch trung bình của giá trị dự báo so với giá trị quan trắc, nhưng không phản ánh độ lớn sai số. ME dương cho biết giá trị dự báo vượt quá giá trị quan trắc và ngược lại. ( ) 1 1 N i i i ME BIAS F O N =   = = −    ∑ (72) ME có thể được biểu diễn khi lấy giá trị trung bình của dự báo trừ đi giá trị trung bình của quan trắc. ∑∑ == −=−= N i i N i i ON F N OFME 11 11 (73) Như vậy ta có thể tính ME cho tháng, năm bằng cách lấy trung bình các yếu tố theo tháng, năm tương ứng sau đó mới thực hiện phép trừ. Sai số trung bình tuyệt đối MAE (Mean Absolute Error) ∑ = −= N i ii OFN MAE 1 1 (74) Với giá trị MAE nằm trong khoảng (0,+∞). MAE biểu thị độ lớn trung bình của sai số nhưng không nói lên xu hướng lệch của giá trị dự báo và quan trắc. Điểm số này thường kết hợp với sai số trung bình ME giúp ta hiệu chỉnh sai số. Sai số căn phương trung bình bình phương RMSE - Root Mean Square Error ( )2 1 N i i i F O RMSE N = − = ∑ (75) Với giá trị RMSE nằm trong khoảng (0,+∞). Giống như MAE, RMSE không chỉ ra độ lệch giữa giá trị dự báo và giá trị quan trắc. Khi so sánh sai số trung bình tuyệt đối MAE và sai số căn phương trung bình bình phương RMSE ta có: RMSE >> MAE thì sai số lớn RMSE = MAE khi và chỉ khi tất cả các sai số có độ lớn như nhau. Trong đó: Chỉ số i = 1 đến N (tổng số số liệu); Fi và Oi lần lượt là giá trị dự báo của mô hình và giá trị quan trắc tại thời điểm i. 56 Tóm lại việc kiểm chứng mô hình dựa trên cơ sở biên cứng và biên lỏng bên cạnh việc điều chỉnh các trị số nhám, độ dốc mực nước hay hệ số nhớt... để số liệu tính toán đầu ra từ mô hình so với số liệu thực đo có mức độ phù hợp càng cao càng tốt. Điều chỉnh và kiểm chứng mô hình toán là bước quan trọng và tốn nhiều công sức nhất trong việc chạy mô hình. Độ tin cậy của mô hình hay nói cách khác độ tin cậy của các kết quả tính toán trong bước nghiên cứu tiếp phụ thuộc chủ yếu vào khâu kiểm định này. Mô hình được điều chỉnh và kiểm chứng tốt có nghĩa là mô hình có khả năng mô phỏng chính xác hơn ở mức độ nhất định đi kèm với hệ số tương quan, các chỉ tiêu đánh giá sai số đối với các quá trình thuỷ động lực trong các điều kiện khác nhau. 3.8 Triển khai mô hình thủy động lực và sóng Phạm vi vùng tính của mô hình bao gồm các vùng nước của các cửa sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình và phía ngoài các cửa sông hướng mở rộng ra phía biển. Hình 34. Ảnh vệ tinh ALOS chụp ngày 01/3/2008 57 Hình 35. Phạm vi luới tính (Trạm liên tục B1, B2, B3) Thông tin phần thiết lập Thủy động lực: - Hướng mô hình: trục OX hợp với hướng Bắc một góc 900, trục OY trùng với hướng Bắc. - Diện tích miền tích: khoảng 48km theo chiều đông bắc - tây nam và 53km theo chiều tây bắc- đông nam, với diện tích mặt nước khoảng 1624km2 - Phân lớp và lưới: hai lớp (mặt + đáy), sử dụng lưới cong trực giao - Số điểm tính: 297x485 điểm tính - Kích thước ô lưới: biến đổi từ 25.4m đến 318.5m - Địa hình: khu cửa sông ven biển UTM-VN 2000 tỷ lệ 1:50000 và 1:25000 Cục Bản đồ (2005), bổ xung các số liệu đo sâu đã hiệu chỉnh của các Đề tài, Dự án của Viện Tài nguyên và Môi trường biển; khu vực phía biển tham khảo từ GEBCO-1/8. - Số liệu gió: 3/2009; 8/2009 tần xuất 6h/lần (theo các obs quan trắc: 1h, 7h, 13h, 19h) tại Hòn Dấu. - Thủy triều: biên gần bờ O1, K1, M2, S2 tính toán từ số liệu thu thập (IMER); biên biển O1, K1, M2, S2. 58 - Biên lỏng: Mực nước thực đo tại Do Nghi trên sông Bạch Đằng và Quang Phục trên sông Văn Úc, Hòn Gai. - Lưu lượng: lưu lượng thực đo trên sông sông Cấm (tần xuất đo 1h/lần), các cửa sông khác lấy giá trị lưu lượng trung bình theo mùa. - Nhiệt Muối: khu vực vùng cửa sông sử dụng số liệu tham khảo đặc trưng trung bình tháng (IMER, HMDC). - Sóng: tham khảo số liệu quan trắc tại Hòn Dấu theo giờ 7h, 13h, 19h, sử dụng kiểu ma sát đáy qua phổ Jonswap. - Thông số nhám Nikuradse Kn =0,002 - Thời gian tính toán: mùa khô 3/2009 ; mùa mưa 8/2009 - Bước thời gian: 1 phút Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm các kết quả của mô hình: - Số liệu hiệu chỉnh: sử dụng số liệu mực nước Hòn Dấu, tần xuất 1 giờ/lần năm 2009 (MHDC) - Số liệu hải văn: dòng chảy 3/2009; 8/2009 thuộc Đề tài: ĐT500 cấp TP. Hải Phòng (IMER, 2009) và Đề tài: Công trình hồ chứa thượng nguồn đến diễn biến hình thái và tài nguyên môi trường vùng cửa sông ven biển Đồng bằng Bắc Bộ (IMER, 2009-2011). - Ngày lấy số liệu hiệu chỉnh: 30/8/2009 tại trạm B3 và ngày 18-19/3/2009 tại trạm B2 (ĐT500) Để đánh giá và hiệu chỉnh cho mô hình thuỷ động lực khu vực của sông ven biển Hải Phòng, chúng tôi đã sử dụng kết quả tính toán mực nước của mô hình tại Hòn Dáu so sánh với mực nước trong Bảng thủy triều trong tháng 8 và tháng 3 (năm 2009). 59 Sau lần hiệu chỉnh cuối, các kết quả so sánh được đưa ra trên các hình 36 và hình 37 với các hệ số tương quan tương ứng lần lượt là 0.98141 (8/2012) và 0.97148 (3/2012). Trong tháng 8: sai số căn phương trung bình bình phương RMSE = 0.14139 và sai số MAE = 0.13769 là gần nhau, như vậy kết quả tính toán từ mô hình thủy động lực là chấp nhận được. Phân tích qua sai số BIAS (ME) = -0.0101 mang giá trị âm, cho thấy xu thế trung bình các giá trị mực nước tính toán từ mô hình thấp hơn các giá trị quan trắc tại trạm Hòn Dấu. 0 100 200 300 400 500 600 700 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 100 200 300 400 500 600 700 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 m uc n uo c (m ) 0 gio 2/3 den 23 gio 30/3 (gio) obs model 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 model = 0.86 obs + 0.24 N = 696 Rvalue = 0.98141 Rsquare = 0.96316 ME = - 0.0101 MAE = 0.13769 RMSE = 0.14139 m u c n u o c m od e l (m ) muc nuoc obs (m) Hình 36. So sánh kết quả tính toán dao động mực từ mô hình với số liệu quan trắc tại trạm Hòn Dáu, tháng 8.2009 60 Trong tháng 3: hệ số tương quan Rvalue = 0.97148 gần 1 lên thể hiện khá tốt mối tương quan giữa mực nước tính toán từ mô hình khi so sánh với mực nước quan trắc tại Hòn Dấu. Sai số căn phương trung bình bình phương RMSE = 0.15897 và sai số MAE = 0.15172 gần nhau chỉ ra phương sai nhỏ, do đó đây là kết quả chấp nhận được trong mô hình thủy lực. Mặt khác sai số BIAS (ME) = 0.15471 dương, trái với xu thế phân tích trong tháng 8, xu thế này cho thấy trung bình các giá trị mực nước tính toán từ mô hình cao hơn các giá trị quan trắc tại Hòn Dấu. 0 100 200 300 400 500 600 700 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 100 200 300 400 500 600 700 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 m uc n uo c (m ) 0 gio 2/3 den 23 gio 30/3 (gio) obs model 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 N = 696 Rvalue = 0.97148 Rsquare = 0.94378 ME = 0.15471 MAE = 0.15172 RMSE = 0.15897 m u c n u o c m od e l (m ) muc nuoc obs (m) model = 0.85 obs + 0.31 Hình 37. So sánh kết quả tính toán dao động mực từ mô hình với số liệu quan trắc tại trạm Hòn Dáu, tháng 3.2009 61 0 5 10 15 20 25 0.8 1.2 1.6 2 m ua m ua quan trac tinh toan 8/30/09 8/30/09 8/30/09 8/31/09 0 0.1 0.2 0.3 0.4 van toc m/s quan trac tinh toan Hình 38. So sánh kết quả dòng chảy giữa quan trắc và tính toán trong mùa mưa tại trạm B3 (trên: hướng, dưới: độ lớn vận tốc m/s) 0 5 10 15 20 25 0.8 1.2 1.6 2 m ua k ho quan trac tinh toan 3/18/09 3/18/09 3/19/09 3/19/09 3/19/09 3/19/09 0 0.4 0.8 1.2 van toc m/s quan trac tinh toan Hình 39. So sánh kết quả dòng chảy giữa quan trắc và tính toán trong mùa khô tại trạm B2 (trên: hướng, dưới: độ lớn vận tốc m/s) 62 3.9 Triển khai mô hình lan truyển trầm tích Mô hình vận chuyển và lan truyền trầm tích lơ lửng được xây dựng trên cơ sở các kết quả tính toán từ mô hình thuỷ động lực. Thông tin thiết lập tính trầm tích: hàm lượng TTS tại sông Cấm và Văn Úc sử dụng chuỗi trung bình ngày, các sông còn lại dung đặc trưng trung bình. Tiêu chuẩn ứng suất cho quá trình xói của trầm tích: 2,7 dyn/cm2. Tiêu chuẩn ứng suất cho quá trình bồi của trầm tích: 1,4 dyn/cm2. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm các kết quả của mô hình: sử dụng số liệu đo đạc TSS vào các đợt 18-19/3/2009 và 30/8/2009. Trong điều kiện khu vực nghiên cứu có chế độ động lực phức tạp, đầu vào còn có số liệu trung bình thì các kết quả tính toán đó có thể được chấp nhận. Hình 40. So sánh TSS (mg/l) giữa quan trắc và tính toán trong mùa khô tại trạm B3 Hình 41. So sánh TSS (mg/l) giữa quan trắc và tính toán trong mùa mưa tại trạm B3 63 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG Trầm tích ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng do nhiều nguồn cung cấp khác nhau nhưng nguồn chủ yếu là từ các sông đưa ra. Hàm lượng trầm tích lơ lửng trong các sông khu vực Hải Phòng biến thiên trong khoảng rất rộng, từ 10 đến 1000g/m3 trong một năm. Hàm lượng bùn cát thay đổi theo khu vực và theo mùa. Về mùa mưa hàm lượng trầm tích lơ lửng ở các vị trí khác nhau thay đổi trong khoảng 53 đến 215g/m3, trên sông Bạch Đằng và phía ngoài cửa Nam Triệu có giá trị khá nhỏ, khoảng 80-100g/m3, cực đại đạt tới 700-964g/m3 trên luồng Cửa Cấm. Mùa khô, hàm lượng trầm tích lơ lửng trung bình biến đổi trong khoảng 42-94g/m3, cực đại đạt khoảng 252-860g/m3 tập trung ở vùng cửa sông phía ngoài do ảnh hưởng khuấy đục đáy của sóng và dòng triều. Bảng 7. Hàm lượng trầm tích lơ lửng các sông Hải Phòng năm 2009 STT Sông Mùa mưa (mg/l) Mùa khô(mg/l) Tầng mặt Tầng đáy Tầng mặt Tầng đáy 1 Bạch Đằng 113.7 140.3 50.0 69.4 2 Cấm 176.3 247.8 79.5 94.8 3 Lạch Tray 144.5 195.7 65.4 98.0 4 Văn Úc 121.1 209.8 69.1 93.3 5 Thái Bình 120 200 87.4 95.5 Các kết quả khảo sát tại 5 sông chính cung cấp trầm tích cho vùng ven biển Hải Phòng (Đỗ Trọng Bình, 2008) cho thấy hàm lượng trầm tích lơ lửng ở sông Cấm có giá trị lớn nhất, sau đó đến các sông là Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình và Bạch Đằng. Hàm lượng trầm tích lơ lửng trong mùa khô có giá trị khá nhỏ, vào khoảng 50%. 64 4.1 Kết quả mô phỏng trường thủy động lực Mùa mưa - pha triêu lên: Trường dòng chảy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng là tổng hợp của các thành phần dòng triều, dòng chảy gió và dòng chảy do khối nước ngọt từ sông đưa ra. Trong đó, dòng triều tuần hoàn có vai trò quan trọng quyết định đến tính chất chung của dòng chảy tổng hợp. Tuy nhiên sự biến đổi theo mùa của trường gió và lưu lượng sông gây ra sự biến đổi mùa của trường dòng chảy trong khu vực nghiên cứu. Vào mùa mưa do lưu lượng nước sông lớn nên dù pha triều lên, dòng chảy từ biển hưởng vào phía các cửa sông cũng không có vận tốc lớn. Trong pha triều này, hướng dòng chảy chủ yếu là nam - đông nam với giá trị vận tốc biến đổi từ 0.21m/s đến 0.65m/s. Ở khu vực cửa sông Văn Úc, nơi lưu lượng nước từ sông lớn nhất trong các sông đưa ra vùng ven biển Hải Phòng thì hầu như không có dòng chảy ngược từ biển vào, dòng triều và dòng chảy lũ có hướng ngược nhau bị triệt tiêu dần và gây ra hiện tượng nước ứ dồn trong đoạn cửa sông, xuất hiện nhiều vùng nước quẩn giữa hệ thống val bãi bồi ngầm, giữa các cồn và luồng lạch phụ ở cửa sông đưa đến hiện tượng lắng đọng trầm tích (hình 42, hình 43). So sánh trường dòng chảy ở tầng mặt và đáy ở khu vực cửa sông Văn Úc ta thấy rõ ràng ảnh hưởng của dòng chảy sông khá lớn ở lớp nước tầng mặt trong khi ở tầng đáy khối nước mặn đi sâu vào lục địa hơn. Mùa mưa - gần nước lớn: Ảnh hưởng của các khối nước từ biển mạnh dần lên từ pha triều lên đến thời điểm nước lớn (khi phạm vi ảnh hưởng của nước biển là lớn nhất). Ở thời điểm nước lớn, hướng dòng chảy ở khu vực ven biển Hải Phòng phân tán mạnh mẽ với giá trị vận tốc khá nhỏ, đặc biệt là vùng nước giữa Hòn Dáu, Cát Bà và Cát Hải. Cũng tại khu vực cửa Văn Úc do dòng chảy sông vẫn khá mạnh khi mực nước dâng lớn nhất nên dòng chảy ở tầng mặt vào thời điểm đó vẫn có giá trị tương đối lớn và có hướng chảy ra phía ngoài - hướng nam - đông nam và tây nam (phụ lục: hình A1 và A2). Mùa mưa - pha triều xuống: Sự kết hợp giữa dòng chảy sông và dòng triều được thể hiện rõ nét vào pha triều xuống (phụ lục: hình A3, hình A4) tạo ra dòng chảy tổng hợp với vận tốc khá lớn so với các pha triều khác. Hướng dòng chảy trong trường hợp này định hướng theo hướng của các các của sông ra phía biển, và chủ yếu là hướng đông nam, tây nam và nam. Giá trị vận tốc dòng chảy biến đổi trong khoảng từ 0.2-0.8m/s. Một số nơi do lòng dẫn hẹp như khu vực cửa Lạch Huyện, cửa Nam Triệu vận tốc dòng chảy tầng mặt có thể đạt đến giá trị 0.8-1.0m/s. 65 Hình 42. Trường dòng chảy tầng mặt (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (pha triều lên mùa mưa) Hình 43. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (pha triều lên mùa mưa) 66 Trường dòng chảy trong pha triều này có hướng tương đối đồng nhất giữa tầng mặt và đáy do sự đồng hướng chảy của dòng chảy sông và dòng triều. Đặc điểm nổi bật ở cửa sông Văn Úc là bị chi phối mạnh mẽ bởi dòng chảy lũ từ trong sông. Thành phần này có mặt và chiếm hầu như toàn bộ luồng lạch chính và một phần biển nông trước "ngưỡng" cửa sông (trước các bar chắn cửa sông). Tốc độ dòng chảy lũ rất cao, lấn át dòng triều vốn tồn tại không phụ thuộc vào chế độ mùa. Nước lũ chảy mạnh, đẩy khối nước mặn về phía trước đỉnh bar. Tốc độ dòng chảy tổng hợp ở lòng dẫn cửa sông đặc biệt mạnh khi triều rút xuống thấp, có thể đạt và vượt tốc độ 1m/s. Do độ dốc mặt nước trong sông lớn khi triều thấp và nước chảy trong lòng dẫn có thiết diện nhỏ hẹp gây hiện tượng xói sâu lòng dẫn ở ngưỡng cửa sông, phá vỡ các bar chắn cửa sông. Mùa mưa - nước ròng: Ở thời điểm nước ròng, khối nước từ sông có điều kiện phát triển ạnh mẽ ra phía biển, tuy nhiên do giới hạn vốn có của lưu lượng nước sông nên dòng chảy có hướng ra phía biển chỉ tồn tại trong phạm vi khoảng 10-20km từ bờ ra phía ngoài (hình 44). Điều này cũng có thể ảnh hưởng đến giới hạn phát tán vật chất từ lục địa ra vùng ven biển Hải Phòng do thời điểm nước ròng chỉ tồn tại trong thời gian khoảng 1-2 giờ và sau đó lại xuất hiện sự di chuyển của khối nước biển hướng vào lục địa. Vận tốc của trường dòng chảy ở vùng ven biển Hải Phòng trong trường hợp này chỉ biến đổi trong khoảng 0.1m/s đến 0.4m/s và có xu hướng giảm dần từ bờ ra phía ngoài. So sánh trường dòng chảy tầng mặt và đáy ta thấy có sự khác biệt rõ rệt: trong khi vận tốc dòng chảy tầng mặt lớn hơn nhiều so với tầng đáy và hướng ra phía ngoài thì dòng chảy tầng đáy khá nhỏ và phân tán về hướng, điều này cho thấy khối nước sông đi ra biển chủ yếu trên tầng mặt và xâm nhập vào khối nước biển từ lớp nước trên. Trong các trường hợp ở trên ta đều thấy xu hướng dịch chuyển về phía nam và tây nam bán đảo Đồ Sơn của các khối nước trong các trạng thái biến đổi khác nhau của pha triều (trừ pha triều lên). Nguyên nhân của hiện tượng này có thể là do sự dồn ép của các khối nước trong khi sự trao đổi nước nên phía bắc rất hạn chế do địa hình phía nam quần đảo Cát Bà khá nông. Chuyển sang mùa khô, ở khu vực nghiên cứu, dòng chảy chung có nét khác biệt lớn so với bức tranh dòng chảy mùa hè, trước hết là ảnh hưởng của dòng chảy sông ngòi giảm xuống thấp và quá trình chuyển đổi hướng thịnh hành cũng như sóng gió ven bờ. Trong đoạn cửa sông dòng triều thống trị và chi phối đều đặn, mặc dù vẫn còn tàn dư của của dòng lũ muộn vào đầu mùa đông 67 Hình 44. Trường dòng chảy tầng mặt (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng mùa mưa) Hình 45. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng mùa mưa) 68 Tuy nhiên ảnh hưởng này càng giảm dần về giữa và cuối mùa đông. Hàng ngày nước chảy vào trong sông và rút ra ngoài biển đều đặn theo chu kỳ triều với khoảng thời gian chảy vào và chảy ra như nhau. Tốc độ dòng chảy cao vào những ngày triều cường. Tại lạch giữa mỏm Đồ Sơn và Hòn Dáu dòng chảy khi triều rút có hướng chảy từ ĐB xuống TN với cường độ mạnh khoảng 0.8m/s và khi triều lên đạt khoảng 0.6 m/s. Mùa khô - cuối pha triều lên: Vào màu khô, sự biến đổi của trường dòng chảy theo thời gian ở vùng cửa sông ven biển cơ bản cũng giống như trong mùa mưa. Tuy nhiên có sự biến đổi mùa của trường gió và suy giảm đáng kể lưu lượng nước từ các sông đưa ra cũng đã tạo ra sự khác biệt tương đối của trường dòng chảy so với mùa mưa. Ở thời kỳ cuối pha triều lên và nước lớn, vận tốc dòng chảy khá nhỏ, sự ảnh hưởng của khối nước sông vào thời điểm này rất hạn chế nên khối nước biển xâm nhập sâu hơn vào phía trong các cửa sông (phụ lục: hình A5, hình A6). Thời gian chuyển pha giữa nước lớn và thời điểm triều xuống khá nhỏ, trong khoảng 2 giờ (phụ lục: hình A7). Đáng chú ý là trong thời điểm nước lớn trường dòng chảy ở vừng của sông ven biển khá đồng nhất về hướng giữa các lớp nước tầng mặt và đáy Mùa khô - pha triều xuống: Vào mùa khô khi lưu lượng nước sông đưa ra giảm đáng kể thì trong pha triều xuống sự kết hợp cộng hưởng giữa dòng chảy sông và dòng triều không còn mạnh như vào thời điểm này của mùa mưa. Điều này thể hiện rất rõ nét ở các cửa sông (phụ lục: hình A9, hình A10). Sự suy giảm của dòng chảy sông thể hiện trên trường thủy động lực vào pha triều xuống sẽ có tác động làm giảm khả năng phát tán vật chất từ lục địa ra vùng ven biển. Mùa khô - nước ròng: Trong thời điểm nước ròng của mùa khô, trường dòng chảy khu vực ven biển Hải Phòng có vận tốc khá nhỏ và phân tán mạnh về hướng chảy (phụ lục: hình A11, hinh A12). Cũng do tải lượng nước của các sông nhỏ nên thời gian dừng chảy vào thời điểm nước ròng ngắn hơn, trường dòng chảy nhanh chóng chuyển trạng thái từ dừng chảy thành chảy lên. Mùa khô - triều lên: dòng chảy trong pha triều lên vào mùa khô cho thấy sự ảnh hưởng sâu hơn vào lục địa của các khối nước biển, đặc biệt là khu vực cửa Văn Úc và Bạch Đằng (hình 46, hình 47). Hướng dòng chảy ở vùng phía ngoài các cửa sông khá đồng nhất và định hướng về phía trong các sông. 69 Hình 46. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (triều lên mùa khô) Hình 47. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (triều lên mùa khô) 70 Cũng giống như vào mùa mưa, trong mùa khô xu hướng di chuyển của các khối nước ở khu vực nghiên cứu vẫn là về phía nam và tây nam bán đảo Đồ Sơn nhiều hơn. Mặc dù tải lượng nước từ sông đưa ra trong mùa khô giảm mạnh nhưng sự tăng cường của dòng chảy tầng mặt do gió đông bắc làm cho xu hướng này trong mùa khô rõ rệt hơn mùa mưa. Trong đó, đáng chú ý là sự biến đổi mạnh theo mùa của trường dòng chảy ở cửa sông vùng ven biển Hải Phòng do lưu lượng nước sông và chế độ gió, cho thấy khả năng phát tán, vận chuyển chất ô nhiễm có thể cũng sẽ biến đổi mạnh theo mùa. Ảnh hưởng của dao động mực nước có thể làm tăng cường phát tán vật chất từ lục địa ra phía ngoài vùng ven biển Hải Phòng nhưng cũng làm hạn chế hay mang vật chất trờ lại vùng cửa sông trong pha triều lên, có thể xuất hiện các vùng front - nơi tập trung của các chất gây ô nhiễm từ lục địa đưa ra và biển đưa vào. Sự dịch chuyển của các khối nước về phía nam-tây nam có thể cho thấy sự di chuyển của các chất gây ô nhiễm về phía nam vùng cửa sông ven biển Hải Phòng nhiều hơn về phía bắc và đông bắc. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế nhưng các kết mô phỏng thuỷ động lực từ mô hình Ecomsed cho khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng đủ tin cậy và là cơ sở trong việc thiết lập các mô phỏng và dự báo lan truyền chất gây ô nhiễm của khu vực. Nhận thấy Ecomsed là mô hình 3 chiều về thuỷ động lực, lan truyền chất ô nhiễm và các quá trình liên quan đến vận chuyển trầm tích, có thể áp dụng rộng rãi cho những vùng cửa sông ven biển, đặc biệt kể cả những vùng có chế độ động lực phức tạp như vùng cửa sông ven biển Hải Phòng. Tuy nhiên chưa có điều kiện đi sâu vào đánh giá và so sánh vai trò của các thành phần dòng chảy khác nhau như dòng chảy gió, dòng nhiệt muối, dòng chảy do nước sông đưa ra đối với dòng chảy tổng hợp và sự vận chuyển vật chất ở khu vực này. Đây cũng là một hạn chế cần được khắc phục trong thời gian tới. 4.2 Kết quả mô phỏng trầm tích lơ lửng vào mùa mưa Đặc điểm vận chuyển và lan truyền của trầm tích lơ lửng (TSS) có liên quan chặt chẽ đến chế độ thủy động lực và nguồn cung cấp trầm tích. Vào mùa mưa hàm lượng TSS của các sông Hải Phòng đều có giá trị lớn hơn 100mg/l. Tuy nhiên giữa các sông khác nhau cũng có sự phân tán lớn, một số sông thường có hàm lượng trầm tích cao hơn các sông còn lại như sông Cấm và Văn Úc. Với những đặc điểm đó các kết quả mô phỏng phân bố TSS trong mùa mưa 2009 cho thấy vùng nước có hàm lượng TSS cao chủ yếu xuất hiện ở khu vực cửa Nam Triệu và của Văn Úc với sự ảnh hưởng lần lượt từ các nguồn trầm tích của sông Cấm và sông Văn Úc. 71 Mùa mưa - pha triều lên: Do ảnh hưởng của trường dòng chảy nên phân bố và biến động TSS ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng chủ yếu theo pha dao động của mực nước triều. Trong pha triều lên trường dòng chảy có hướng từ phía biển vào các cửa sông vì vậy vùng có hàm lượng TSS cao bị đẩy dần về phía lục địa (phụ lục: hình B1, hình B2). Tuy nhiên do lưu lượng nước của sông Văn Úc khá lớn nên vùng có hàm lượng TSS khá cao (lớn hơn 80mg/l) vận còn xuất hiện ở phía ngoài của Văn Úc, một phần cửa Lạch Tray và Nam Triệu. Các khu vực khác ở vùng ven biển Hải Phòng trong thời gian này đều có TSS rất nhỏ chứng tỏ sự xâm nhập mạnh của các khối nước biển vào vùng ven bờ trong pha triều này. Chênh lệch TSS giữa tầng mặt và đáy trong pha triều này không lớn do quá trình động lực mạnh mẽ của cả dòng triều và dòng chảy sông. Tuy nhiên cũng có thể thấy phạm vi vùng nước có TSS lớn ở tầng mặt ở vùng cửa sông Văn Úc lớn hơn ở tầng đáy. Đây là điều ít thấy nhưng cũng có thể được giải thích là do tỷ trọng của khối nước biển với độ mặn cao khá lớn so với khối nước sông nên mặc dù xâm nhập vào vùng của sông nhưng khối nước sông nằm trên với độ đục cao hơn trong khi khối nước biển có TSS nhỏ nằm dưới. Tại khu vực biển nông cửa sông (ngoài vùng bãi bồi), dòng chảy bị thuỷ triều chi phối và tác động của dòng sóng trong khu vực đới sóng vỡ. Càng ra xa đới sóng vỡ vai trò của dòng triều càng tăng, đóng vai trò chủ yếu. Phương chảy chính của dòng triều ở khu vực cửa sông Văn Úc là phương ĐB - TB (khi triều dâng - rút). Khi triều dâng, dòng chảy diễn biến phức tạp hơn bởi vùng nước quẩn, dòng chảy là dòng lũ và dòng triều tranh chấp nhau, khối nước lũ mang sa bồi được đẩy ngược lại phía bờ, dồn ép vào cửa sông, góp phần làm lắng đọng nhanh bùn cát lơ lửng ở những nơi thuận lợi có tốc độ dòng chảy nhỏ. Hiện tượng chảy quẩn xuất hiện mạnh ở các luồng lạch phụ hai bên lòng dẫn chính, góp phần làm tăng khả năng lắng đọng bùn cát thành tạo các val, cồn ngầm ở cửa sông Văn Úc và lân cận. Mùa mưa - pha nước lớn: Sự xâm nhập của các khối nước biển mạnh nhất vào thời điểm nước lớn. Trong pha triều này, diễn biến lan truyền của TSS tiếp tục xu hướng của pha triều lên. Sự phát tán tán của TSS từ các sông ra vùng ven biển bị hạn chế nhất và chỉ tập trung ngay sát ở các cửa sông (hình 48, hình 49). Trong khi đó các khu vực còn lại bị các khối nước biển với hàm lượng TSS khá nhỏ (nhỏ hơn 30mg/l). Cũng tương tự như pha triều lên, các khối nước biển xâm nhập vào sâu lục địa ở tầng đáy hơn là tầng mặt. 72 Hình 48. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước lớn- mùa mưa) Hình 49. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước lớn- mùa mưa) Hàm lượng TSS (mg/l) Hàm lượng TSS (mg/l) 73 Mùa mưa - pha triều xuống: Sự phán tán TSS từ lục địa ra phía ngoài vùng cửa sông ven biển Hải Phòng thể hiện rõ trong pha triều xuống. Dưới tác dộng của trường dòng chảy trong pha triều này, dòng trầm tích lơ lửng không chỉ phát triển ra phía ngoài mà còn có xu hướng dịch chuyển nhiều về phía nam - tây nam theo hướng di chuyển của các khối nước sông (phụ lục: hình B3, hinh B4). Khu vực có hàm lượng TSS cao ngoài vùng sát các cửa sông còn xuất hiện ở vùng ven bờ bán đảo Đồ Sơn (cả phía bắc và phía nam). Trong khi đó các khu vực như phía nam Cát Hải và Cát Bà hầu như không có hàm lượng TSS cao, điều này cho thấy dòng trầm tích lơ lửng từ các sông Hải Phòng ít có khả năng ảnh hưởng đến những khu vực đó. Các kết quả mô phỏng cũng cho thấy ở trong pha triều này sự phát tán của trầm tích lơ lửng trên lớp nước tầng mặt (phục lục: hình B3) nhanh hơn so với tầng đáy (phụ lục: hình B6). Đáng chú ý là khu vực ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn hàm lượng tầm tích ở lớp nước mặt lớn hơn so với lớp đáy. Mùa mưa - nước ròng: Trong thời điểm nước ròng, các khối nước sông cũng như dòng trầm tích lơ lửng từ lục địa có điều kiện phát triển mạnh nhất ra phía ngoài, đặc biệt là phía cửa Nam Triệu và cửa Văn Úc (hình 50, hình 51). Một số khu vực khác cũng xuất hiện trầm tích lơ lửng với hàm lượng tương đối cao là ven bờ phía nam đảo Cát Hải và ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn. Mặc dù đây là thời điểm có điều kiện thuận lợi để dòng trầm tích mở rộng ra phía ngoài biển nhất so với các pha triều khác nhưng phạm vi ảnh hưởng của dòng trầm tích lơ lửng từ lục địa trong điều kiện thời tiết bình thường cũng chủ yếu ở vùng cửa Nam Triệu, phía tây nam đảo Cát Hải, vùng ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn và phía nam của Văn Úc. Tương tự như các thời điểm khác, vùng có hàm lượng TSS cao hơn ở tầng mặt nhiều hơn tầng đáy. Quan hệ Trầm tích lơ lửng TSS với các yếu tố: mực nước, vận tốc dòng chảy xét tại ba vị trí B1, B2, B3 (8/2009). Biến đổi theo thời gian của hàm lượng TSS ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng được phân tích tại 3 khu vực khác nhau là phía tây nam đảo Cát Bà, tây nam đảo Cát Hải và phía ngoài cửa Văn Úc. Ở khu vực phía tây nam đảo Cát Bà, biến động của hàm lượng TSS theo thời gian cho thấy ở khu vực này không chịu ảnh hưởng do các nguồn trầm tích từ lục địa. Hàm lượng TSS ở khu vực này khá nhỏ với giá trị dao động đều nhỏ hơn 20mg/l. Với hàm lượng TSS nhỏ và ít bị tác động từ vùng cửa sông nên hàm lượng TSS ở khu vực này khá ổn định theo thời gian. 74 Hình 50. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng - mùa mưa) Hình 51. Phân bố trầm tích tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng - mùa mưa) Hàm lượng TSS (mg/l) Hàm lượng TSS (mg/l) 75 Mặc dù vậy, trong những ngày nước lớn của kỳ triều cường có thấy xuất hiện các đỉnh hàm lượng TSS khi triều xuống, điều này cho thấy ảnh hưởng dù rất nhỏ từ các cửa sông. Ở khu vực phía nam và tây nam đảo Cát Hải, do vị trí gần các cửa sông của phía bắc bán đảo Đồ Sơn hơn nên TSS trong nước giảm dần từ các cửa sông đó cho đến khu vực này còn dao động trong khoảng 15-60mg/l. Biến thiên theo thời gian của TSS phụ thuộc chặt chẽ vào dao động mực nước và thể hiện vai trò của dòng trầm tích từ lục địa. Giá trị TSS thường đạt cực đại khi nước ròng và giảm dần khi thủy triều tăng lên đến khi cực tiểu hàm lượng vào gần các thời điểm nước lớn. Chênh lệch về hàm lượng TSS giữa tầng mặt vào những ngày triều cường thường khá nhỏ và tương đối lớn vào những ngày nước kém. Biến thiên của hà lượng TSS cũng mạnh hơn vào những ngày triều cường. Sự chênh lệch hàm lượng tầng mặt và đáy tuy không lớn nhưng cũng thể hiện xu hướng lớn hơn một chút ở tầng mặt. Có phần giống như vùng phía tây nam đảo Cát Hải, vùng ven biển phía ngoài cửa sông Văn Úc chịu nhiều tác động do nguồn trầm tích lơ lửng của sông này đưa ra. Hàm lượng TSS trong nước có giá trị tương đối cao và biến đổi chủ yếu trong khoảng từ 40-100mg/l. Biên độ dao động của TSS lớn vào những ngày triều cường và nhỏ hơn trong những ngày nước kém. Biến thiên của TSS ở khu vực này cũng cho thấy TSS tăng lên khi triều xuống đến khi cực đại và giảm dần đến khi cực tiểu ở pha triều lên. Hàm lượng TSS ở tầng mặt khu vực này có xu hướng lớn hơn tầng đáy (do các khối nước sông ở lớp trên) khoảng 10-40mg/l. 4.3 Kết quả mô phỏng trầm tích lơ lửng vào mùa khô Đặc điểm lan truyền và biến đổi TSS ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng trong mùa khô cũng tương tự như mùa mưa. Tuy nhiên sự suy giảm dòng nước ngọt, trầm tích và thay đổi của hướng gió đã tạo ra những sự khác biệt riêng trong đặc điểm lan truyền TSS ở khu vực nghiên cứu vào mùa khô. Mùa khô - nước lớn: suy giảm mạnh nguồn trầm tích từ các cửa sông khiến cho vào thời điểm nước lớn, dòng TSS phát tán rất hạn chế ra vùng ven biển Hải Phòng. Chỉ một vùng nước nhỏ trên tầng mặt ở phía ngoài cửa Văn Úc có TSS tương đối cao (từ 20-40mg/l) còn lại các khu vực khác đều có TSS khá nhỏ (phụ lục: hình B5, hình B6). Sự phát tán TSS diễn ra ở tầng mặt nhiều hơn cũng đưuọc thể hiện ở trong thời điểm nước lớn của mùa khô khi các kết quả tính toán cho thấy ở tầng đáy khối nước biển với hàm lượng TSS nhỏ đã xâm nhập sâu hơn vào lục địa so với tầng mặt. 76 Mùa khô - pha triều xuống: Cũng như trong mùa mưa, vào pha triều xuống dòng trầm tích lửng từ lục địa có điều kiện thuân lới để phát tán ra phía ngoài. Tuy nhiên, sự suy giảm đáng kể của cả tải lượng nước và TSS làm cho sự lan truyền TSS ra phía ngoài biển trong thời điểm triều xuống vào mùa khô bị hạn chế đi rất nhiều. Vùng nước có TSS tương đối cao (khoảng 30-50mg/l) cũng chỉ tập trung sát các cửa Nam Triệu, Lạch Tray và Văn Úc (phụ lục: hình B, hình B8). Anh hưởng của trường thủy lực và tác động của gió đông bắc nên dòng TSS có hướng di chuyển chủ yếu về phía tây nam sau khi ra khỏi các cửa sông với phạm vi rất nhỏ so với mùa mưa. Mùa khô - nước ròng: Thời điểm nước ròng mặc dù là thời gian dòng TSS trong lục địa có khả năng ảnh hưởng lớn nhất đến vùng ven biển. Tuy vậy, cũng như trong pha triều xuống, dòng trầm tích lơ lửng chỉ có thể ảnh hưởng rất hạn chế ở ngay phía ngoài các cửa sông (phụ lục: hình B9, hình B10). Khu vực ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn, ven bờ Cát Hải và Cát Bà trong trường hợp này cũng có TSS rất thấp. Mùa khô - triều lên: thời điểm mùa khô trong pha triều lên, cơ chế lan truyền và biến đổi của hàm lượng TSS ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng trong trường hợp triều lên của mùa khô cũng tương tự như trong mùa mưa. Mặc dù vậy sự suy giảm của nguồn trầm tích lơ lửng và tải lượng nức từ các sông đưa ra làm cho ảnh hưởng của các khối nước biển có hàm lượng TSS thấp trở lên mạnh mẽ, vùng nước có hàm lượng TSS sẽ thấp và tiến khá sâu vào các lòng sông trong khu vực nghiên cứu, nhất là các sông có tải lượng nước thấp như sông Lạch Tray và song Thái Bình (hình 52, hình 53). Quan hệ Trầm tích lơ lửng TSS với các yếu tố: đối với thành phần mực nước, vận tốc dòng chảy xét tại vị trí B2 (3/2009). Ở khu vực phía tây nam đảo Cát Bà, biến động của hàm lượng TSS theo thời gian cho thấy ở khu vực này tuy không chịu ảnh hưởng do các nguồn trầm tích từ lục địa nhưng có giá trị khá nhỏ so với mùa mưa. Hàm lượng TSS ở khu vực này khá nhỏ với giá trị dao động đều nhỏ hơn 10mg/l. Với hàm lượng TSS nhỏ, ít bị tác động từ vùng cửa sông nên TSS ở khu vực này khá ổn định theo thời gian. Giá trị ở tầng mặt tương đối nhỏ so với tầng đáy. Trong khi đó, tại khu vực phía nam và tây nam đảo Cát Hải, do vị trí gần các cửa sông của phía bắc bán đảo Đồ Sơn hơn nên TSS trong nước giảm dần từ các cửa sông đó cho đến khu vực này còn dao động trong khoảng 5-30mg/l. 77 Hình 52. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều lên - mùa khô) Hình 53. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều lên- mùa khô) Hàm lượng TSS (mg/l) Hàm lượng TSS (mg/l) 78 Biến thiên theo thời gian của hàm lượng TSS phụ thuộc chặt chẽ vào dao động mực nước và thể hiện vai trò của dòng trầm tích từ lục địa. Giá trị hàm lượng TSS thường đạt cực đại khi nước ròng và giảm dần khi thủy triều tăng lên đến khi cực tiểu hàm lượng vào gần các thời điểm nước lớn. Cũng như mùa mưa, chênh lệch về hàm lượng TSS giữa tầng mặt (hay sự phân tầng) vào những ngày triều cường thường khá nhỏ và tương đối lớn vào những ngày nước kém. Biến thiên của hàm lượng TSS cũng mạnh hơn vào những ngày triều cường. Sự chênh lệch hàm lượng tầng mặt và đáy tuy không lớn nhưng cũng thể hiện xu hướng lớn hơn một chút ở tầng mặt (chủ yếu vào những ngày nước kém). Khu vực ven biển phía ngoài cửa sông Văn Úc chịu nhiều tác động do nguồn trầm tích lơ lửng của sông này đưa ra nên vào mùa khô hàm lượng TSS trong nước có giá trị khá nhỏ so với mùa mưa tương đối cao và biến đổi chủ yếu trong khoảng từ 2-25mg/l. Biên độ dao động của hàm lượng TSS lớn vào những ngày triều cường và nhỏ hơn trong những ngày nước kém. Biến thiên của hàm lượng TSS ở khu vực này cũng cho thấy hàm lượng TSS tăng lên khi triều xuống đến khi cực đại vào thowid điểm nước ròng Tuy nhiên cũng xuất hiện một cực đại phụ cảu hàm lượng TSS vào thời điểm triều lên, có thể là do điều kiện động lực (dòng chảy) phát triển mạnh vào thời điểm đó tạo ra sự xói (làm xuất hiện quá trình tái lơ lửng của trầm tích) và giảm dần đến khi cực tiểu ở pha triều lên. Hàm lượng TSS ở tầng mặt khu vực này có xu hướng lớn hơn tầng đáy (do các khối nước sông ở lớp trên) khoảng 5-10mg/l. 79 KẾT LUẬN Trên cơ sở các kết quả của mô hình thuỷ động lực và các số liệu khảo sát, thu thập, cũng như dự báo, đã thiết lập mô hình mô phỏng sự lan truyền của trầm tích lơ lửng ở vùng biển khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. So sánh các kết quả tính toán của mô hình và số liệu khảo cho thấy phần nào có sự phù hợp tương đối và tin cậy để sử dụng. Các kết quả tính toán, mô phỏng từ mô hình đã thể hiện được tính qui luật lan truyền trầm tích lơ lửng ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng cũng như sự phụ thuộc chủ yếu vào dao động mực nước và biến đổi mùa của tải lượng trầm tích lưu lượng nước sông đưa vào khu vực này: sự phát tán trầm tích lơ lửng từ lục địa diễn ra chủ yếu vào mùa mưa và xu hướng lan truyền chủ yếu về phía nam - tây nam nhiều hơn là đông và đông bắc; theo độ sâu trầm tích lơ lửng ảnh hưởng đến lớp nước tầng mặt mạnh hơn so với các lớp nước ở tầng đáy. Dòng trầm tích lở lửng từ các sông ở Hải Phòng ít ảnh hưởng đến khu vực ven bờ phía nam đảo Cát Hải và ven biển Cát Bà cả trong mùa mưa và mùa khô. Trong khi đó vào mùa mưa, dòng trầm tích đi ra từ lục địa ảnh hưởng đến vùng ven bờ phía nam các cửa sông trong đó có khu vực bãi biển Đồ Sơn. Các kết quả tính toán, mô phỏng lan truyền trầm tích lơ lửng ở khu vực của sông ven biển Hải Phòng cũng cho thấy sựa gia tăng của nguồn TSS từ lục địa đã có tác động nhất định đến vùng của sông ven biển Hải Phòng, tuy nhiên những tác động đó chủ yếu xuất hiện vào mùa mưa và tập trung gần các cửa sông, điểm nguồn thải ven bờ, còn khu vực ven biển Cát Bà và những khu vực khác hầu như không chịu ảnh hưởng. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Phạm Hải An, 2010. Báo cáo tài liệu khí tượng thủy văn, thủy triều, mực nước biển khu vực Hải Phòng / Dự án SEOA: Các giải pháp về xung đột môi trường ở các đô thị ven biển. Cơ quan chủ trì: Viện Tài nguyên và môi trường biển 2. Nguyễn Văn Cư, 2008. Nghiên cứu quá trình động lực học, dự báo vận chuyển bồi lắng bùn cát tại Lạch Huyện Nam Đồ Sơn trước và sau khi xây dựng cảng nước sâu và giải pháp khắc phục. 3. Trần Đức Thạnh, 2001. Đánh giá mức độ ô nhiễm do nguồn thải lục địa, đề xuất giải pháp kiểm soát, quản lý ô nhiễm vùng biển ven bờ phía bắc. 4. Trần Đức Thạnh, 2003. Điều tra hiện trạng môi trường sông Rế, sông Giá và đề xuất các giải pháp bảo vệ. 5. Trần Đức Thạnh, 2006. Điều tra đánh giá tình trạng ô nhiễm suy thoái môi trường khu vực cửa sông Cấm - Bạch Đằng, đề xuất các giải pháp bảo vệ. 6. Trần Đức Thạnh, 2010. Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững khu vực Vịnh Hạ Long - Vịnh Bái Tử Long 7. Đinh Văn Ưu, 2009. Vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng. 8. Đinh Văn Ưu, 2005. Ứng dụng mô hình 3 chiều để nghiên cứu lan truyền trầm tích lơ lửng ở vùng biển ven bờ Quảng Ninh. Tiếng Anh 1. HydroQual, 2003. A primer for ECOMSED version 1.3 2. VanRijn,L.C, 1984. Sediment transport: suspendedload transport, ASCE J. Hydr. Engr. 3. VanRijn. L.C, Nieuwjaar, 1993.Transport of fine sands by currents and waves. ASCE J. Hydr. Engr. 4. VanRijn, L.C, 1993. Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal Seas. PHỤ LỤC Trường dòng chảy mùa mưa, mùa khô Phân bố hàm lượng TSS vùng cửa sông ven biển Hải Phòng Hình A1. Trường dòng chảy tầng mặt (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (gần nước lớn mùa mưa) Hình A2. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (gần nước lớn mùa mưa) Hình A3. Trường dòng chảy tầng mặt (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa mưa) Hình A4. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa mưa) Hình A5. Trường dòng chảy tầng mặt (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (cuối pha triều lên mùa khô) Hình A6. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (cuối pha triều lên mùa khô) Hình A7. Trường dòng chảy tầng mặt (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (đầu pha triều xuống mùa khô) Hình A8. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (đầu pha triều xuống mùa khô) Hình A9. Trường dòng chảy tầng mặt (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa khô) Hình A10. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa khô) Hình A11. Trường dòng chảy tầng mặt (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng mùa khô) Hình A12. Trường dòng chảy tầng đáy (m/s) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng mùa khô) Hình B1. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (pha triều lên mùa mưa) Hình B2. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (pha triều lên mùa mưa) Hàm lượng TSS (mg/l) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B3. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa mưa) Hình B4. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa mưa) Hàm lượng TSS (mg/l) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B5. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước lớn mùa khô) Hình B6. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước lớn mùa khô) Hàm lượng TSS (mg/l) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B7. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa khô) Hình B8. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa khô) Hàm lượng TSS (mg/l) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B9. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng mùa khô) Hình B10. Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng mùa khô) Hàm lượng TSS (mg/l) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình C1. Quan hệ giữa TSS (mg/l) và Mực nước (m), tại trạm B1/8.2009 Hình C2. Quan hệ giữa TSS (mg/l) và Độ Muối, tại trạm B1/8.2009 Hình C3. Quan hệ giữa TSS và Vận tốc dòng chảy, tại trạm B1/8.2009 Hình C4. Quan hệ giữa TSS và Mực nước, tại trạm B2/8.2009 Hình C5. Quan hệ giữa TSS và Độ Muối, tại trạm B2/8.2009 Hình C6. Quan hệ giữa TSS và Vận tốc dòng chảy, tại trạm B2/8.2009 Hình C7. Quan hệ giữa TSS và Mực nước, tại trạm B3/8.2009 Hình C8. Quan hệ giữa TSS và Độ Muối, tại trạm B3/8.2009 Hình C9. Quan hệ giữa TSS và Vận tốc dòng chảy, tại trạm B3/8.2009 Hình C10. Quan hệ giữa TSS và Mực nước, tại trạm B2/3.2009 Hình C11. Quan hệ giữa TSS và Độ Muối, tại trạm B2/3.2009 Hình C12. Quan hệ giữa TSS và Vận tốc dòng chảy, tại trạm B2/3.2009