Mô hình hóa hoạt động khai thác cát trên sông biển sử dụng bơm hút bằng TELEMAC

Bài viết Mô hình hóa hoạt động khai thác cát trên sông biển sử dụng bơm hút bằng TELEMAC được nghiên cứu với mục tiêu là đưa ra phương pháp mô hình hóa hiện trượng khai thác cát bằng bơm hút theo thời gian bằng cách xây dựng hàm khai thác cát dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng ứng dụng vào mô hình mở TELEMAC.

BÀI BÁO KHOA HỌC MƠ HÌNH HĨA HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC CÁT TRÊN SÔNG/BIỂN SỬ DỤNG BƠM HÚT BẰNG TELEMAC Trần Thị Thu Thảo1, Hoàng Trung Thống1, Đoàn Thanh Vũ1, Lê Ngọc Diệp1 Tóm tắt: Mơ hình hóa hoạt động khai thác cát bơm hút vấn đề ứng dụng mơ hình tốn số Nhiều nghiên cứu trước mơ hình hóa hoạt động khai thác cát đáy sông bơm hút hoạt động nạo vét mơ hình hóa giống Cách tiếp cận dẫn đến chưa mơ q trình hút cát theo thời gian thực với trình thủy động lực vận chuyển bùn cát Mục tiêu báo đưa phương pháp mô hình hóa hoạt động khai thác cát bơm hút theo thời gian thực Kết nghiên cứu cho thấy thay đổi đáy sông diễn phù hợp mặt vật lý, sai số thấp 0,002% Phương pháp áp dụng linh hoạt với cơng suất khai thác cát thay đổi theo thời gian, ứng dụng tương tự cho tốn ni bãi Từ khóa: Khai thác cát bơm hút, Telemac, Sisyphe GIỚI THIỆU * Trong năm gần đây, nhu cầu cát phục vụ cho xây dựng, san lấp có xu hướng ngày gia tăng Việc khai thác q mức cát sơng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Các hố sâu hình thành trình khai thác cát gây hủy hoại môi trường sống nước vùng ven sông (M Sandecki, 1989); nguyên nhân ảnh hưởng đến tính chất dịng chảy sóng khu vực cửa sơng ven biển, diễn biến xói/bồi phức tạp vùng cửa sơng (D V d Eynde et al., 2010) Một số nghiên cứu hoạt động khai thác cát nạo vét tận thu thực kể đến như: Nghiên cứu Nguyên Thế Biên ccs (T B Nguyễn et al., 2012) sử dụng mơ hình Mike 11 + Mike 21C với đặc tính bùn rời để đánh giá ảnh hưởng khai thác cát đến ổn định lịng dẫn, sạt lở bờ sơng hạ lưu sơng Đồng Nai – Sài Gòn, nghiên cứu cho rằng, lòng sông rộng sâu nên việc nạo vét không ảnh hưởng nhiều đến chế độ thủy lực toàn vùng; trữ lượng khai thác cho phép khoảng 12.106 m3 Nghiên cứu Lê Mạnh Hùng ccs (M H Lê et al., 2015) đánh giá tác động hoạt động nạo vét luồng Soài Rạp giai đoạn với phương án -9,5m 12,0m đến q trình xói/bồi sơng Sồi Rạp Nghiên cứu sử dụng mơ hình tốn Mike21, với đặt tính bùn khơng kết dính thiết lập từ phạm vi lớn đến phạm vi nhỏ cho khu vực cửa Soài Rạp Nghiên cứu Đặng Thương Huyền ccs (T H Dang et al., 2013) đánh giá tác động nước biển dâng lên mỏ khai thác cát khu vực biển Cần Giờ; Nghiên cứu sử dụng mơ hình tốn Mike 21 (DHI, 2007) để dự báo trình thủy động lực vận chuyển bùn cát trường hợp không trường hợp chịu ảnh hưởng nước biển dâng với kịch +0,2m; Với kịch có 10 lỗ khoan với chiều sâu 8,0m so với đáy biển, kết mô cho thấy hoạt động khai thác cát làm gia tăng vận tốc miệng hố khai thác; tăng tốc độ bồi xói, tốc độ xói khoảng 29cm/15 ngày kỳ gió mùa Đơng – Bắc 8cm/15ngày thời kỳ gió mùa Tây Nam Brendan T Yuill css (B T Yuill et al., 2016) nghiên cứu thay đổi hình thái bãi bồi hạ lưu sơng Missisppi sau có mỏ khai thác cát; Nghiên cứu sử dụng Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TP.HCM 18 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 80 (9/2022) liệu quan sát biến đổi đáy với 1,46 triệu m3 khai thác từ mỏ; Phương pháp sử dụng nghiên cứu gồm thành phần: (1) Sử dụng liệu quan trắc cao trình đáy sơng Missisppi để tính tốn tỷ lệ lắp đầy hố khai thác; (2) Phân tích liệu đo đạc lưu lượng dòng chảy vận chuyển bùn cát từ biên thượng lưu để dự báo dòng chảy động lực bùn cát bên hố khai thác; (3) Sử dụng mơ hình tốn Delft3D sử dụng để mơ dịng chảy vận chuyển bùn cát so sánh với liệu quan trắc hố khai thác; Kết mơ hình cho thấy tỷ lệ lấp đầy hố khai thác có quan hệ chặt với nguồn bùn cát cung cấp ven sơng hình dạng hố khai thác; Chiều sâu chiều dài hố ảnh hưởng đến độ lớn ứng suất đáy hố Nhìn chung, nghiên cứu mơ hình hóa q trình khai thác cát nạo vét giống dựa giả định địa hình đáy sau nạo vét thời gian Với cách tiếp cận này, bắt đầu mơ hố sâu mỏ cát hình thành kết tính có xu hướng cực đoan hơn, chưa sát với diễn biến vật lý tượng hút cát bơm với trình vận chuyển bùn cát theo thời gian thực Nhiều nghiên cứu trước thường sử dụng mơ hình thương mại Mike nên thay đổi bổ sung thêm phương trình để ứng dụng cho phù hợp với toán cụ thể Mục tiêu nghiên cứu đưa phương pháp mơ hình hóa trượng khai thác cát bơm hút theo thời gian cách xây dựng hàm khai thác cát dựa phương trình bảo tồn khối lượng ứng dụng vào mơ hình mở TELEMAC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong báo này, mơ hình hóa tượng khai thác cát bơm hút đáy sông tiếp cận theo hướng xem lượng cát hút khỏi miền tính theo bước thời gian diễn với q trình bồi/xói nút miền tính Lưu lượng cát khai thác mỏ phân phối cho nút phạm vi mỏ khai thác Gọi lượng cát khai thác mỏ năm Q(m3), số lượng nút phạm vi mỏ N, lưu lượng cát lấy khỏi nút bước thời gian ( tính công thức (1) S m / s  Q N  365  86400 (1) Lượng bùn/cát hút (S) khỏi nút miền tính đưa vào phương trình bảo tồn khối lượng theo phương trình (2) 1     zb   E  D  S t (2) Trong đó: E, D lượng xói, bồi (m/s); S lượng bùn cát hút đáy (m/s) bước thời gian (Q < hút cát, Q > cát bổ sung vào đáy) Lượng xói/bồi (E, D) thành phần tham gia phương trình vận chuyển bùn cát hỗn hợp trình bày chi tiết mục 2.1 (N A Lê et al., 2020) Sơ đồ kết nối mơ hình thủy động lực (TELEMAC) mơ hình vận chuyển bùn cát (SISYPHE) với thành phần lưu lượng cát hút (S) bổ sung vào phương trình biến đổi đáy minh họa Hình Sự khác phương pháp trước phương pháp nghiên cứu minh họa chi tiết Hình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 80 (9/2022) Hình Sơ đồ kết nối TELEMAC SISYPHE : ứng suất đáy; Zb: cao trình đáy; U,V vận tốc theo phương X, Y; H chiều sâu nước 19 Sơ đồ toán cho tốn thể Hình Kết mô cho thấy, sau 24h, tổng khối lượng bùn cát miền tính bị lấy -1.799,962 m3 Như vậy, so với khối lượng bùn/cát hút theo tốn 1.800 m3/ngđ sai số nhỏ 0,002% Kết cho thấy trình hút cát tương đồng với diễn biến vật lý đáy đảm bảo tính bảo tồn khối lượng Quá trình biến đổi đáy theo thời gian sau ngày thể Hình Các biên kín Phạm vi khai thác Hình Mơ tả phương pháp mơ hình hóa tượng khai thác cát KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN Để đánh giá lại độ tin cậy phương pháp mơ hình hóa tượng khai thác cát, tiến hành xây dựng mơ hình cho tốn để kiểm tra tính bảo tồn khối lượng Bài tốn mơ tả chi tiết sau: - Miền tính mơ tả ao kín có diện tích F = 10.000 m2 (1ha) với 420 nút tương ứng với 760 phần tử; bốn biên kín khơng thấm nước, khơng có trao đổi dịng chảy bùn/cát qua lại bốn biên - Cao trình đáy nút miền tính giả định (Zb = m) thời điểm ban đầu - Công suất khai thác cát bơm hút giả định 1.800 m3/ngày - Phạm vi miền tính đại diện nút lưới tính, tương ứng với diện tích F = 10x10 = 100 m2 Như vậy, nút công suất khai thác cát phân phối cho nút 200 m3/1 nút/1 ngày - Mã code viết ngôn ngữ Fortran, xử lý theo chế độ tính tốn song song (parallels) với cores laptop CPU AMD - Thời gian mô ngày - Bước thời gian 60s 20 Hình Sơ đồ lưới cho toán kiểm tra ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC CÁT CHO VÙNG NGHIÊN CỨU HẠ LƯU ĐỒNG NAI-SÀI GÒN Trong năm gần đây, yêu cầu phát triển kinh tế xã hội Tp Hồ Chí Minh khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam nên nhu cầu khai thác cát diễn cách nhanh nhiều, có có phép khơng có phép Từ năm 1996 đến 2003, tuyến sông thuộc HDSĐNSG, Bộ Công nghiệp cấp phép khai thác cát 5.455.000m3, UBND TP Hồ Chí Minh cấp phép cho khai thác 1.159.000m3 Bên cạnh đó, tình trạng khai thác cát lậu diễn phổ biến khó kiểm sốt Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ, địa bàn Tp HCM có khoảng 100 bến, điểm khai thác cát hàng trăm xà lan, tàu hút cát có cơng suất khai thác từ 20 m3 đến 400 500 m3/chiếc ngày đêm tập trung bơm, hút, khai thác cát trái phép KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 80 (9/2022) sơng Đồng Nai, sơng Tắc, sơng Sồi Rạp, Lịng Tàu thuộc địa phận quận, huyện Củ Chi, Thủ Đức quận 9, Nhà Bè, Cần Giờ với khối lượng khai thác hàng chục ngàn mét khối cát ngày (trong hệ thống sơng Sài Gịn, Đồng Nai ngày bị khai thác từ 70.000 m3 đến 100.000 m3) Để đánh giá tác động hoạt động khai thác cát đến thay đổi dòng chảy nguồn bùn cát khu vực, nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn TELEMAC-2D cho miền tính lớn Hình vị trí khu vực hút cát đại diện Hình Hai kịch gồm: kịch sở KB0 (khơng có hoạt động khai thác cát); kịch KB3 (có hoạt động khai thác cát) mô so sánh Trong báo này, chúng tơi tóm tắt lại kết quả, chi tiết xem báo ”Drastic variations in estuarine morphodynamics in Southern Vietnam: Investigating riverbed sand mining impact through hydrodynamic modelling and field controls” cơng bố tạp chí Hydrology (N A Le et al., 2022) Những thay đổi dịng chảy Có thể thấy rằng, vận tốc dịng chảy có thay đổi lớn, khu vực phía thượng lưu thay đổi mạnh so với phía hạ lưu So với kịch nền, vận tốc dịng chảy tăng lên 1,5m/s khu vực thượng lưu (KV1), tập trung bờ sông đoạn sơng cong Khu vực KV2 có thay đổi nhỏ thương lưu, vận tốc tăng thêm 0,6m/s, thường phân bố đoạn sông cong lân cận mỏ khai thác cát Khu vực KV3, có thay đổi vận tốc so với khu vực thượng lưu, vận tốc lớn tăng thêm 0,4m/s so với kịch Sự thay đổi vận tốc dòng chảy khu vực phía thượng lưu (KV1) thường cao so với khu vực hạ lưu lượng bùn cát KV1 nên khơng đủ bù đắp cho lượng cát Tại vị trí mỏ khai thác, vận tốc tăng lên đến 0,20÷0,25m/s hoạt động khai thác cát tạo hố cát với độ dốc lớn (xem Hình 5) Hình Vị trí khu vực khai thác cát (Sở TN&MT TP.HCM, 2008) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 80 (9/2022) Hình Thay đổi vận tốc lớn so sánh kịch có khai thác cát với kịch (+) tăng, (-) giảm 21 Những thay đổi hình thái lịng dẫn Hoạt động khai thác cát mỏ hình thức bơm hút cát đáy sông tạo thành hố, phát triển hố lớn sâu dần theo thời gian tạo điểm gãy làm gián đoạn dòng dịch chuyển bùn cát Phần lớn dòng bùn cát bị giữ lại hố khai thác dẫn đến gây xói khu vực Bảng 1: Tổng lượng cát tích lũy sau năm Đvt: 1.000 m3 Khu vực Tổng lượng cát khai thác KB0 KB3 KV1 4.300 2.600 -1.900 KV2 12.000 10.800 -0.144 KV3 5.600 34.900 28.700 khác thiếu lượng cát bổ sung Hình so sánh thay đổi hình thái đáy lịng dẫn có khai thác cát so với khơng khai thác cát (+ tăng, - giảm) Kết mô cho thấy, hoạt động khai thác cát làm gia tăng tình trạng xói bồi khơng mỏ khai thác cát mà nơi khác Khu vực xung quanh mỏ khai thác có thay đổi lịng dẫn mạnh so với khơng có hoạt động khai thác Sau năm mơ phỏng, có vị trí có mức độ xói tăng thêm từ 0,10÷0,15m thường nằm phía bờ lõm số đoạn sơng cong; chí, đoạn sơng tương đối thẳng, mức độ xói tăng mạnh Sự phân phối lại nguồn bùn cát Hoạt động khai thác cát sơng hình thức hút cát đáy sơng làm lượng cát trực tiếp thay đổi đáy sông Với lưu lượng khai thác cát lớn so với khả cung cấp cát tự nhiên sông, mỏ khai thác tái phục bồi bị đào sâu, hình thành điểm gãy làm cho trình vận chuyển bùn cát di đáy bị liên tục Sự cân bùn cát diễn gián đoạn vận chuyển bùn cát làm cho khu vực hạ lưu bị “đói” cát dẫn đến phân phối lại tổng lượng bùn cát (TLBC) khu vực 22 Khu vực KV1 có tổng lượng cát khai thác 4,3 tr.m3/năm; TLBC tích lũy trường hợp khơng khai thác cát 2,6 tr.m3/năm Theo tính tốn thơng thường, sau khai thác lượng cát thiếu hụt -1,7 tr.m3/năm (2.6004.300), nhiên TLBC thiếu hụt lên đến -1,9 tr.m3/năm, cho thấy khai thác cát gây thiếu hụt trầm trọng Khu vực KV2 có tổng lượng cát khai thác 12,0 tr.m3/năm; TLBC bồi khu vực trường hợp không khai thác cát 10,8 tr.m3/năm; với kịch có khai thác cát, lượng cát tích lũy -0,144 tr.m3/năm Theo tính tốn thơng thường, lượng cát thiếu hụt sau khai thác -1.2 tr.m3/năm (10.80012.000), nhiên TLBC thiếu hụt -0.144 tr.m3/năm, cho thấy KV2 có khả khai thác vượt khả Khu vực KV3 có tổng lượng cát khai thác 5,6 tr.m3/năm, TLBC bồi khu vực trường hợp không khai thác cát 34,9 tr.m3/năm; với kịch có khai thác cát, lượng cát khu vực bồi có 28,7 tr.m3/năm Theo tính tốn thơng thường, lượng cát bồi sau khai thác 29,3 tr.m3/năm (34,9–5,6), nhiên TLBC 28,7 tr.m3/năm cho thấy hoạt động khai thác cát làm trầm trọng hóa thêm khả tích lũy cát KV3 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 80 (9/2022) KV1, KV3 khu vực phía thượng hạ lưu có lượng cát thiếu hụt trầm trọng so với khu vực KV2 nằm trung lưu có hoạt động khai thác Khu vực KV2 có khả khai thác cao tiềm nằm trung lưu nên đón nhận dịng bùn cát di chuyển từ thượng lưu từ biển KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN Bài báo trình bày việc mơ hình hóa hoạt động khai thác cát bơm hút cát/sỏi đáy sông Khác với nhiều nghiên cứu trước đây, tượng hút cát bơm thường mô giống tượng nạo vét Bằng cách tiếp cận vậy, diễn biến vận chuyển bùn cát không mô tả trình vận chuyển bùn cát với trình thủy động lực vận chuyển bùn cát theo thời gian thực Với mạnh mơ hình tốn mã nguồn mở, TELEMAC cho thấy vấn đề khoa học hữu ích mà người dùng sữa chữa để mơ q trình vật lý thực tế so với họ mơ hình thương mại MIKE Tương tự toán khai thác cát bơm hút, tốn ni bãi phục vụ cho cơng tác bảo vệ bờ sơng, biển vận dụng theo cách tương tự với lượng S > tương ứng với lượng cát bơm vào Hình Quá trình thay đổi đáy sau ngày với cơng suất khai thác S = 1.800 m3/ngđ cho khu vực có phạm vi F = 100 m2 (V: tổng lượng bùn/cát bị lấy khỏi miền tính) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 80 (9/2022) 23 Hình (a) vị trí biên loại biên, (b) vị trí hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Hình So sánh thay đổi đáy lịng dẫn hoạt động khai thác cát với kịch (KB3-KB0) (+): bồi, (-) xói so với kịch (không khai thác cát) 24 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 80 (9/2022) KINH PHÍ HỖ TRỢ Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Tp.HCM với mã số đề tài CS.2022.11 TÀI LIỆU THAM KHẢO M H Lê, C S Đinh, D K Nguyễn & T L Nguyễn 2015 Nghiên cứu khoa học liên quan đến dự án chỉnh trị luồng, đánh giá sa bồi sau nạo vét Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam N A Lê, T T Hồng & B C Ngơ 2020 Thiết lập mơ hình vận chuyển bùn cát hỗn hợp theo khơng gian mơ diễn biến hình thái lịng dẫn cửa sơng Sồi Rạp Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, 69, 175-181 T B Nguyễn, V H Hoàng, H T Đặng, T V Phạm & N H Nguyễn 2012 Nghiên cứu, điều tra, khảo sát, đánh giá ảnh hưởng đề giải pháp khắc phục, hạn chế sạt lở bờ khai thác cát địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh TP Hồ Chí Minh: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam T H Dang, T V Bui, T T Huynh, T P Le, A Shinichi & D Ichiro 2013 Assessing the impacts of sea level rise on sand exploitation in the Can Gio coastal area (VietNam) Seed-net.org D V D Eynde, A Giardino, J Portilla, M Fettweis, F Francken & J Monbaliu 2010 Modelling the Effectsof Sand Extraction, on Sediment Transportdueto Tides, on the Kwinte Bank Journal lof Coastal Research, 101-116 N A Le, D D Tran, T Nguyen, T V Can, H V Dang, H A Nguyen & E Park 2022 Drastic variations in estuarine morphodynamics in Southern Vietnam: Investigating riverbed sand mining impact through hydrodynamic modelling and field controls Journal of Hydrology, 608 M Sandecki 1989 Aggregate mining in river systems Calif Geol., 44, 356-365 B T Yuill, A Gaweesh, M A Allison & E A Meselhe 2016 Morphodynamic evolution of a lower Mississippi River channel bar after sand mining Earth Surface Processes and Landforms, 41, 526-542 Abstract: MODELING SAND MINING ACTIVITIES USING SUCTION PUMP ON THE RIVER/SEA BY TELEMAC Modeling sand mining using suction pump is a problem in numerical modeling application Previous studies modeled sand mining on the riverbed using suction pumps and dredging operations which were modeled identically This approach does not lead to simulate the real-time sand extraction along with the hydrodynamic process and sediment transportation The objective of this paper is to present a method of modeling sand mining using suction pump in real-time The research results show that the change of the riverbed is physically consistent, with a very low error of 0.002% This method can be applied flexibly with sand extraction capacity changing over time and can be similarly applied to the problem of mining site Keywords: Sand mining by suction pump, Telemac, Sisyphe Ngày nhận bài: 23/7/2022 Ngày chấp nhận đăng: 25/8/2022 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 80 (9/2022) 25 ... nguồn bùn cát Hoạt động khai thác cát sơng hình thức hút cát đáy sông làm lượng cát trực tiếp thay đổi đáy sông Với lưu lượng khai thác cát lớn so với khả cung cấp cát tự nhiên sông, mỏ khai thác. .. Bài báo trình bày việc mơ hình hóa hoạt động khai thác cát bơm hút cát/ sỏi đáy sông Khác với nhiều nghiên cứu trước đây, tượng hút cát bơm thường mô giống tượng nạo vét Bằng cách tiếp cận vậy,... 28.700 khác thiếu lượng cát bổ sung Hình so sánh thay đổi hình thái đáy lịng dẫn có khai thác cát so với không khai thác cát (+ tăng, - giảm) Kết mô cho thấy, hoạt động khai thác cát làm gia tăng tình