Nghiên cứu trường dòng chảy rối có cấu trúc trong hệ sinh thái thảm thực vật

Hiểu được trường dòng chảy quanh khu vực sinh thái thảm thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu được các quá trình trao đổi động lượng và khối lượng diễn ra trong rừng và ven rừng. Bài viết tập trung nghiên cứu trường dòng chảy rối có cấu trúc trong hệ sinh thái thảm thực vật đồng thời nghiên cứu các biện pháp bảo vệ bờ thân thiện với môi trường.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 NGHIÊN CỨU TRƯỜNG DỊNG CHẢY RỐI CĨ CẤU TRÚC TRONG HỆ SINH THÁI THẢM THỰC VẬT Trương Hồng Sơn1, Phan Khánh Linh1 Trường Đại học Thủy lợi, email: truonghongson@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Trong năm gần đây, giá trị vai trò hệ sinh thái rừng, cối thảm thực vật (gọi tắt hệ sinh thái thảm thực vật) khu vực sông, cửa sơng bờ biển cơng tác phịng chống xói lở biến đổi khí hậu nhận quan tâm (Trương cộng sự, 2019; Linh cộng sự, 2019; Nepf, 2012) Từ góc nhìn thủy động lực học, hệ thống rễ, tán thảm thực vật có tác dụng cản trở, làm chậm chuyển hướng dịng chảy, qua có khả hấp thụ lượng dòng chảy, lượng sóng, bão sóng thần (Alongi, 2008) Sự có mặt hệ thảm thực vật kích thích q trình trao đổi động lượng khối lượng, tạo điều kiện thuận lợi cho bùn cát khoắng động vận chuyển phía thảm thực vật Do đó, khu vực bờ sơng, bờ biển phía sau thảm thực vật che chắn, bảo vệ có khả ổn định cao so với vùng không che phủ cối điều kiện tự nhiên, thiên tai bất lợi (Trương Wim., 2019) Hiện nay, việc sử dụng biện pháp cơng trình phi cơng trình có tính thân thiện với mơi trường sinh thái để phịng chống xói lở, chỉnh trị chống thiên tai trở thành xu hướng chung công tác xây dựng thủy lợi nước giới (Trương Wim, 2019) Về mặt lý thuyết, để thiết kế áp dụng phương pháp thân thiện với môi trường hiệu quả, điểm mấu chốt phải nắm chế trao đổi động lượng vận chuyển bùn cát hệ sinh thái thảm thực vật với mơi trường xung quanh Những q trình trao đổi vận chuyển định chế độ thủy động lực học khu vực ven rìa hệ sinh thái, hình thành tương tác sóng dịng chảy với cối (Trương cộng sự, 2019) Hiểu trường dòng chảy khu vực rìa hệ sinh thái yếu tố tiên để đề xuất giải pháp bảo vệ tổ hợp rừng bờ cách hợp lý Trong bối cảnh này, nhiều nghiên cứu tập trung phân tích trường dịng chảy sơng, kênh với có mặt hệ sinh thái thảm thực vật (Trương cộng sự, 2019; Nepf, 2012) Các kết nghiên cứu thống tồn trường dịng chảy rối có cấu trúc hai chiều hình thành phát triển khu vực ven thảm thực vật, khu vực chuyển đổi vùng dịng chảy khơng bị giới hạn vùng dịng chảy chịu lực cản cối Trong báo này, kết nghiên cứu thí nghiệm nhóm tác giả liên quan đến dạng dịng chảy rối có tính cấu trúc này, khả mơ chúng giới thiệu Nghiên cứu thí nghiệm thực năm 2018 phịng thí nghiệm thủy lực môi trường trường đại học TU Delft, Hà Lan khuôn khổ dự án nghiên cứu biện pháp bảo vệ bờ thân thiện với môi trường THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH Để nghiên cứu trường dịng chảy rối có cấu trúc hai chiều, có kích thước lớn, mơ hình vật lý mơ kênh dẫn có hệ sinh thái thảm thực vật phát triển bãi bồi xây dựng phịng thí nghiệm (Hình 1) Hệ sinh thái thảm thực vật mô hệ 2000 cọc gỗ có đường kính 10 mm, cắm sole, cách khoảng cách s = cm Vận 187 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 tốc dòng chảy chất điểm đo thiết bị đo đạc vận tốc dòng chảy ADV với tần số 25 HZ Thời gian đo điểm 10 phút Bên cạnh đó, trường dịng chảy mơ hình vật lý thu tính tốn phương pháp LSPIV Trong hệ thống camera chuyên dụng sử dụng với tần số 10 HZ (mỗi giây ghi nhận 10 hình ảnh) sử dụng để chụp lại dịch chuyển 10000 hạt nhựa nhỏ, có đường kính - 2.5 mm thả liên tục thượng lưu mơ hình Trường hợp thí nghiệm giới thiệu báo có thơng số đặc trưng sau: lưu lượng dòng chảy Q = 45ls-1; mực nước mơ hình H = 12 cm; mật độ hệ sinh thái thảm thực vật 0.01; ma sát đáy trung bình máng thí nghiệm 0.0027 từ kết phân tích PIV hai thời điểm khác nhau, cách giây Kết khu vực ven hệ sinh thái thảm thực vật, vùng chuyển đổi từ khu vực dòng chảy tự sang khu vực dòng chảy bị giới hạn xuất cối, vận tốc dịng chảy có dao động mạnh mẽ, độ lớn phương chiều Hình Kết trường dòng chảy xung quanh khu vực thảm thực vật có độ rỗng 0.01 Hình Mơ hình thí nghiệm vật lý nghiên cứu trường dịng chảy sơng, kênh có bãi bồi có mặt hệ sinh thái thảm thực vật Bên cạnh mơ hình vật lý, mơ hình số mơ thí nghiệm vật lý xây dựng Các thông số đầu vào mô hình số khai báo dựa kết đo đạc mơ hình vật lý Mắt lưới nhỏ mơ hình số có kích thước cm  1cm; mơ hình có 15000 lưới với bước thời gian chạy 0.0005 giây Thời gian để mô 30 phút thí nghiệm khoảng 48 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trong mục báo, kết trường dòng chảy quanh khu vực xuất cấu trúc dòng chảy hai chiều khu vực ven thảm thực vật, trích xuất từ mơ hình vật lý mơ hình số giới thiệu Hình cho thấy kết trường dòng chảy quanh khu vực hệ sinh thái thảm thực vật thu Kết dao động xuất cấu trúc dòng chảy dạng xốy, có kích thước lớn, với chiều dài mét chiều rộng nửa mét (chiều dài chiều rộng lớn nhiều so với độ sâu dòng chảy nên coi cấu trúc hai chiều) Kết cho thấy sau bốn giây, cấu trúc xoáy di chuyển khoảng 0.4 m Tức vận tốc cấu trúc khoảng 0.1 m giây Hình minh họa kết trường dịng chảy tính tốn mơ hình số, thể đường dòng tức thời (đường nét đứt màu đen) diện cấu trúc xoáy chiều có kích thước lớn quan sát thấy qua kết trường xốy (phổ màu) Kết mơ cho thấy mặt định tính, mơ hình số có khả mô diện cấu trúc dịng chảy xốy ven hệ sinh thái thảm thực vật Tuy nhiên vị trí, độ lớn kích thước mức độ xâm nhập cấu trúc vào thảm 188 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 thực vật trích xuất từ mơ hình nhỏ nhiều so với kết mơ hình vật lý Hình Kết mơ trường dịng chảy, hệ đường dịng tính tốn trích xuất từ mơ hình số Sự hình thành trường dịng xoáy lớn hai chiều kết chênh lệch vận tốc dòng chảy vùng thảm thực vật (mô hệ thống cọc gỗ) với môi trường xung quanh Theo định luật Bernoulli, chênh lệch vận tốc dịng chảy hai vùng kích hoạt ổn định ứng suất cắt dòng chảy khu vực rìa rừng Sự ổn định ứng suất cắt dòng chảy gọi ổn định Kelvin-Helmholtz (K-H) Đây nguyên nhân tạo cấu trúc dịng chảy nội sinh có cấu trúc, hình thành phát triển vùng chuyển tiếp dọc theo rìa thảm thực vật (Trương Uijttewaal., 2019) Sự hình thành trường dịng xốy ghi nhận trường hợp lòng dẫn phẳng với thảm thực vật phát triển phân bố phát triển bên (Nepf, 2012), độ lớn biểu chúng không rõ ràng trường hợp thảm thực vật phát triển bãi bồi (Trương cộng sự, 2019) Trong trường hợp thực vật có độ dẻo (khơng cứng cọc thí nghiệm) mức độ biểu trường dịng xốy tăng giảm tùy thuộc vào mức độ dẻo KẾT LUẬN Hiểu trường dòng chảy quanh khu vực sinh thái thảm thực vật đóng vai trị quan trọng việc hiểu trình trao đổi động lượng khối lượng diễn rừng ven rừng, từ thiết kế áp dụng giải pháp thân thiện mơi trường có hiệu cao để ổn định đường bờ đồng thời đảm bảo hệ sinh thái phát triển bền vững Sự xuất cấu trúc dịng chảy xốy hai chiều có kích thước lớn (kích thước theo chiều dài chiều rộng lớn nhiều lần so với độ sâu dòng chảy) quan sát tái qua thí nghiệm mơ hình vật lý mơ hình số Cấu trúc xốy hình thành di chuyển dọc theo rìa hệ sinh thái thảm thực vật Sự xuất dịch chuyển tạo dịng chảy mạnh hướng vào rút khỏi rừng, qua tạo điều kiện cho hạt bùn cát khoáng chất, dinh dưỡng có hội lưu thơng trao đổi Hướng nghiên cứu tới tính tốn tham số để mơ hình RANs có khả mơ thượng xốy xác hơn, sử dụng mơ hình học máy để tái đoán thêm đặc trưng chế dòng chảy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alongi, D M (2008) Mangrove forests: Resilience, protection from tsunamis, and responses to global climate change Estuarine, Coastal and Shelf Science, 76(1): –13 [2] Mazda, Y., Kanazawa, N., and Wolanski, E (1995) Tidal asymmetry in mangrove creeks Hydrobiologia, 295(1-3): 51-58 [3] Nepf, H M (2012) Hydrodynamics of vegetated channels Journal of Hydraulic Research, 50(3):262–279 [4] Phan, L K., Stive, M J F., Zijlema, M., Truong, H S., and Aarninkhof, S G J (2019) The effect of wave non-linearity on wave attenuation by vegetation Coastal Engineering 147: 63-74 [5] Truong, S H., Uijttewaal, W S J., and Stive, M J F (2019) Exchange processes induced by large horizontal coherent structures in floodplain vegetated channels Water Resources Research, 55(3): 2014-2032 [6] Truong, S H., and Uijttewaal, W S J (2019) Transverse momentum exchange induced by large coherent structures in a vegetated compound channel Water Resources Research, 55(1): 589-612 189 ... 0.01 Hình Mơ hình thí nghiệm vật lý nghiên cứu trường dịng chảy sơng, kênh có bãi bồi có mặt hệ sinh thái thảm thực vật Bên cạnh mơ hình vật lý, mơ hình số mơ thí nghiệm vật lý xây dựng Các thơng... diện cấu trúc xốy chiều có kích thước lớn quan sát thấy qua kết trường xốy (phổ màu) Kết mơ cho thấy mặt định tính, mơ hình số có khả mơ diện cấu trúc dòng chảy xoáy ven hệ sinh thái thảm thực vật. .. báo, kết trường dòng chảy quanh khu vực xuất cấu trúc dòng chảy hai chiều khu vực ven thảm thực vật, trích xuất từ mơ hình vật lý mơ hình số giới thiệu Hình cho thấy kết trường dòng chảy quanh