Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu diễn biến hình thái ven biển Nam Trung Bộ trong điều kiện nước biển dâng do biến đổi khí hậu

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Nghiên cứu diễn biến hình thái vùng ven biển Nam Trung Bộ trong điều kiện nước biển dâng do biến đổi khí hậu có mục tiêu là xác định xu hướng diễn biến đường bờ, bãi biển Nam Trung Bộ dưới tác động trực tiếp của các dòng năng lượng sóng trong điều kiện nước biển dâng do biến đổi khí hậu, trên cơ sở đó, đề xuất giải pháp nhằm ổn định hình thái vùng ven biển Nam Trung Bộ phù hợp với điều kiện tự nhiên và nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội khu vực nghiên cứu.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM PHẠM TRUNG NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN HÌNH THÁI VÙNG VEN BIỂN NAM TRUNG BỘ TRONG ĐIỀU KIỆN NƯỚC BIỂN DÂNG DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM PHẠM TRUNG NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN HÌNH THÁI VÙNG VEN BIỂN NAM TRUNG BỘ TRONG ĐIỀU KIỆN NƯỚC BIỂN DÂNG DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chun nghành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã Số: 958 02 02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trịnh Công Vấn TS Trần Thu Tâm TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Tất thông tin, số liệu sử dụng luận án có nguồn gốc rõ ràng, trích dẫn theo quy định Kết nghiên cứu luận án trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Tác giả luận án Phạm Trung ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin trân trọng cảm ơn Cơ sở đào tạo - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam tạo điều kiện thuận lợi để thực nghiên cứu Với lịng kính trọng, biết ơn sâu sắc, xin gửi lời cảm ơn đến hai thầy giáo PGS.TS Trịnh Công Vấn TS Trần Thu Tâm tận tâm hướng dẫn từ bước từ xây dựng ý tưởng suốt trình nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, nhà khoa học, đồng nghiệp Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam động viên, hỗ trợ Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới tất thành viên thân u gia đình cổ vũ, khuyến khích ln chỗ dựa vững để tơi có thêm thêm nghị lực, tâm hoàn thành luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết luận án Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận 4.2 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Những đóng góp luận án Cấu trúc Luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tổng quan vùng nghiên cứu 1.1.1 Vị trí địa lý 1.1.2 Thực trạng xói lở-bồi tụ dải ven biển Nam Trung Bộ 1.1.3 Nguyên nhân gây xói lở-bồi tụ vùng ven biển Nam Trung Bộ 10 Nghiên cứu giới ảnh hưởng NBD đến diễn biến hình thái vùng ven biển 21 1.2.1 Mơ hình xác định hình thái dài hạn 21 iv 1.2.2 Mơ hình xác định hình thái ngắn hạn 24 Nghiên cứu liên quan thực Việt Nam Nam Trung Bộ 32 Hướng tiếp cận Luận án 37 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN HÌNH THÁI VÙNG VEN BIỂN NAM TRUNG BỘ 38 Cơ sở lý thuyết diễn biến hình thái vùng ven biển 38 2.1.1 Khái niệm chung mơ hình vận chuyển bùn cát 39 2.1.2 Mơ hình mặt cắt bờ biển cân 41 2.1.3 Mơ hình vận chuyển bùn cát dọc bờ 46 Cơ sở lý thuyết lượng sóng 50 2.2.1 Sự hình thành lan truyền sóng biển 50 2.2.2 Năng lượng sóng đơn sắc 53 2.2.3 Phổ lượng sóng 54 2.2.4 Cơng thức tính thơng lượng lượng sóng 57 2.2.5 Đường sở trình tự tính tốn Luận án 60 Cơ sở khoa học mơ hình tính tốn 64 2.3.1 Phân cấp mơ hình Luận án 66 2.3.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE21/3 Couple Model FM 69 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN HÌNH THÁI VÙNG VEN BIỂN NAM TRUNG BỘ 73 Xây dựng đồ phân vùng lượng sóng dải ven biển Nam Trung Bộ 73 3.1.1 Mơ hình tính sóng tồn vùng biển Đông 73 3.1.2 Mơ hình nghiên cứu vùng ven biển Nam Trung Bộ 82 3.1.3 Kết tính tốn dịng lượng sóng dải ven biển Nam Trung Bộ 87 Mối liên hệ dịng lượng sóng Pt dọc bờ Pn hướng bờ với tượng xói lở-bồi tụ khu vực Nam Trung Bộ 99 3.2.1 Đoạn bờ khu vực cửa Đại – Hội An (Quảng Nam) 99 3.2.2 Đoạn bờ khu vực Bãi Xép-cửa Đà Rằng- Đà Nông (Phú Yên) 104 3.2.3 Đoạn bờ từ mũi La Gàn-mũi Yến (Bình Thuận) 108 v 3.2.4 Đoạn bờ từ mũi Né-mũi Kê Gà (Bình Thuận) 112 3.2.5 Nhận xét chung 116 Nghiên cứu điển hình khu vực ven biển LaGi 117 3.3.1 Hiện trạng khu vực nghiên cứu 117 3.3.2 Sơ đồ điều kiện biên tính tốn 119 3.3.3 Diễn biến hình thái khu vực ven biển LaGi 123 Tác động BĐKH-NBD đến diễn biến hình thái dải ven biển Nam Trung Bộ 128 3.4.1 Kịch BĐKH-NBD cho Việt Nam [1] 128 3.4.2 Kịch NBD sử dụng tính tốn cho khu vực Nam Trung Bộ 130 3.4.3 Kết tính tốn đặc trưng sóng diễn biến hình thái khu vực ven biển Nam Trung Bộ tác động NBD BĐKH 130 Định hướng giải pháp nhằm cải tạo, ổn định hình thái khu vực ven biển Nam Trung Bộ điều kiện NBD BĐKH 133 3.5.1 Giải pháp cơng trình: 134 3.5.2 Giải pháp phi công trình: 146 KẾT LUẬN .148 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .150 TÀI LIỆU THAM KHẢO .151 Tiếng Việt 151 Tiếng Anh 154 Tiếng Nga 161 CÁC PHỤ LỤC .162 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tổng hợp trạng sạt lở bờ biển khu vực Nam Trung Bộ [18] Bảng 1.2: Thống kê tỷ lệ chiều dài bờ biển theo phân cấp tốc độ xói lở [32] Bảng 3.1: Các tham số mơ hình tính sóng tồn vùng Biển Đơng 75 Bảng 3.2: Các tham số mơ hình Nam Trung Bộ 83 Bảng 3.3: Danh sách trạm hải văn hiệu chỉnh mơ hình 84 Bảng 3.4: Gradient Pt theo không gian thời gian khu vực cửa Đại-Hội An 102 Bảng 3.5: Đạo hàm Pn theo thời gian khu vực cửa Đại-Hội An 103 Bảng 3.6: Gradient Pt theo đường sở khu vực từ cửa Đà Nông-Đà Rằng 107 Bảng 3.7: Gradient Pt theo đường sở khu vực Mũi Yến-Mũi La Gàn 111 Bảng 3.8: Gradient Pt theo đường sở khu vực Mũi Kê Gà-Mũi Né 115 Bảng 3.9: Gradient Pt theo đường sở khu vực ven biển LaGi 125 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Vị trí vùng dun hải Nam Trung Bộ đồ Việt Nam Hình 1.2: Các yếu tố gây xói lở-bồi tụ bờ biển cửa sông 10 Hình 1.3: Hướng trường gió thịnh hành bề mặt trái đất 13 Hình 1.4: Gió mùa Đơng Bắc (trái) gió mùa Tây Nam (phải) [64] 14 Hình 1.5: Quĩ đạo bão xuất khu vực Tây-Bắc Thái Bình Dương (trái) ảnh hưởng đến khu vực Nam Trung Bộ (phải) giai đoạn 1951÷2016 16 Hình 1.6: Minh họa mơ hình Bruun 22 Hình 1.7: Minh họa mơ hình Dean Maur-Mayer Bruun 23 Hình 1.8: Bản đồ lượng sóng trung bình năm vùng biển liên hiệp Anh [58] 28 Hình 1.9: Bản đồ lượng sóng trung bình theo mùa vùng biển Đơng [109] 28 Hình 1.10: Quan hệ lượng sóng tốc độ xói bờ Bangkhuntien [86] 29 Hình 1.11: Quan hệ cơng suất sóng tỷ lệ xói mịn (khơng thứ ngun) [83] 29 Hình 1.12: Phân bố trường dịng chảy lớp mặt biển Đông mùa đông (trái) mùa hè (phải) Aw, Bw, Bs, Cs biểu thị dịng xốy (Xu nnk, 1982) [105] 30 Hình 1.13: Hướng nghiên cứu ảnh hưởng NBD đến hình thái vùng ven biển 32 Hình 1.14: Bản đồ độ cao (phải) lượng sóng (trái) trung bình năm [11] 35 Hình 2.1: Giá trị thơng số hình dạng mặt cắt A theo tác giả khác 45 Hình 2.2: Thơng số hình dạng A ứng với cỡ hạt từ 0,1÷1,1mm (Dean, 2001) 45 Hình 2.3: Quan hệ Ils Pls (CEM, 2002) Các đường gạch dài biểu diễn mức độ dao động 50% quanh giá trị KSPM, rms = 0,92 49 Hình 2.4: Sơ đồ mơ q trình biến dạng sóng ảnh hưởng độ sâu, sóng vỡ khơng ổn định, nhiễu xạ, khúc xạ tương tác với dòng chảy [20] 52 Hình 2.5: Sóng biển, phổ sóng biển giới hạn chu kỳ sóng [20] 55 Hình 2.6: Phổ sóng gió chiều (2-D) 55 Hình 2.7: Phổ sóng tổng hợp sóng gió sóng lừng chiều (2-D) 55 Hình 2.8: Mơ hình mơ sóng chiều sóng gió phát triển Moskowitz (1964) 56 viii Hình 2.9: Mơ hình mơ sóng chiều sóng gió phát triển Hasselmann (1973) 56 Hình 2.10: Hệ trục tọa độ quy ước sử dụng Luận án 59 Hình 2.11: Các trường hợp đổi dấu thành phần dịng lượng sóng Pn 60 Hình 2.12: Minh họa vị trí đường sở định nghĩa Luận án 62 Hình 2.13: Mức độ chi tiết mơ hình sử dụng Luận án 66 Hình 2.14: Lưới biên tính tốn mơ hình sóng triều Biển Đơng 67 Hình 2.15: Lưới biên tính tốn mơ hình ven biển Nam Trung Bộ 68 Hình 2.16: Lưới biên tính tốn mơ hình chi tiết vùng ven biển LaGi 69 Hình 2.17: Sơ đồ mối liện hệ module tính tốn 72 Hình 3.1: Vùng nghiên cứu Nam Trung Bộ vùng mở rộng tồn biển Đơng 73 Hình 3.2: Vị trí điểm hiệu chỉnh mơ hình sóng tồn vùng Biển Đơng 76 Hình 3.3: So sánh đồng mức chiều cao, hướng chu kỳ sóng mơ hình Biển Đơng (trái) với kết tính WaveWatch-III (phải) thời điểm tương ứng 77 Hình 3.4: So sánh kết tính tốn chiều cao sóng mơ hình (MIKE-màu đỏ, nét đứt) với kết mơ hình WaveWatch-III (WW3-màu xanh) liệu quan trắc vệ tinh AVISO (màu đen, nét đứt) vị trí từ O1÷O4 78 Hình 3.5: So sánh kết tính tốn chiều cao sóng mơ hình (MIKE-màu đỏ, nét đứt) với kết mơ hình WaveWatch-III (WW3-màu xanh) liệu quan trắc vệ tinh AVISO (màu đen, nét đứt) vị trí từ O5÷O8 79 Hình 3.6: So sánh kết tính tốn chiều cao sóng mơ hình (MIKE-màu đỏ, nét đứt) với kết mơ hình WaveWatch-III (WW3-màu xanh) liệu quan trắc vệ tinh AVISO (màu đen, nét đứt) vị trí từ O9÷O12 80 Hình 3.7: So sánh kết tính tốn chiều cao sóng mơ hình với số liệu quan trắc trạm Phú Quý từ 01/1/2009÷31/12/2009 81 Hình 3.8: Địa hình (trái) hệ số nhám Manning (phải) vùng Nam Trung Bộ 82 Hình 3.9: Vị trí trạm hải văn hiệu chỉnh theo kết thực đo 84 Hình 3.10: Tương quan mực nước tính tốn kết thực đo trạm 85 -163- PHỤ LỤC 1: Tóm tắt tảng khoa học module thủy lực (HD), phổ sóng (SW), vận chuyển cát (ST) mơ hình MIKE21/3 Couple FM Model Module thủy động lực học Đây module (viết tắt module HD) mơ hình tích hợp MIKE21/3 Coupled Model FM Nền tảng phương trình Reynold chất lỏng khơng nén được, kết phép tốn trung bình hóa phương trình NavierStokes với giải thiết Boussinesq áp suất thủy tĩnh Hệ phương trình module HD bao gồm: phương trình liên tục, bảo toàn động lượng, bảo toàn nhiệt lượng, bảo toàn độ mặn, phương trình trạng thái (cơng thức xác định mật độ nước theo nhiệt độ độ mặn) khép kín mơ hình động lực rối bán kinh nghiệm Trong số trường hợp, mơ hình cịn bao gồm phương trình bảo tồn chất có ảnh hưởng đến trạng thái nước (ngồi nhiệt độ độ mặn, ví dụ bùn cát lơ lửng hạt mịn, hay độ đục…) 1.1 Phương trình chiều Tích phân phương trình chuyển động phương trình liên tục theo phương thẳng đứng khoảng độ sâu h    d cho ta phương trình nước nơng chiều dạng: h u hv    hS t x y (1) hu hu hvu  h pa gh     fvh  gh    t x y x 0 x 0 x  sx  bx  sxx sxy           hTxx    hTxy   hus S 0 0 0  x y  x y hv huv hv  h pa gh      fuh  gh    t x y y 0 y 0 y  sy  by  s yx s yy     0 0 0  x y       hTxy    hTyy   hvs S y  x (2) (3) -164- Trong đó:  t: Thời gian  x, y: Các thành phần tọa độ Decartes  : Độ dâng mặt nước so với mực nước tĩnh;  d: Độ sâu cột nước;  h = +d: Độ sâu cột nước tổng cộng;  u, v: Các thành phần vận tốc theo phương x, y;  =2sin: Tham số Coriolis (  vận tốc góc  vĩ độ địa lý);  g: Gia tốc trọng trường;  : Mật độ nước biển;  pa: Áp suất khí quyển;  o: Mật độ nước tham chiếu;  S: Độ lớn lưu lượng nguồn nước đổ vào VNC (us , vs ) vận tốc dòng nước chảy từ nguồn vào VNC;   sx , sy   bx , by  : Các thành phần ứng suất ma sát gió lên mặt nước ứng suất ma sát đáy theo phương x y tương ứng  ( S xx , S xy ) ( S yx , S yy ) : Các thành phần ứng suất tán xạ sóng theo phương x y tương ứng Dấu gạch giá trị trung bình theo độ sâu h Ví dụ, u v thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu định nghĩa quan hệ:  hu   udz, d  hv   vdz d (4) Các ứng suất mặt bên khối nước Tij bao gồm: (1) Ma sát nhớt, (2) Ma sát rối trượt vận tốc xác định qua hệ số nhớt rối gradient vận tốc trung bình độ sâu dạng: Txx  A  u v  u v , Txy  A    , Tyy  A x  y x  y (5) -165- A hệ số nhớt rối ngang Ngồi phương trình bản, mơ hình HD cịn cần đến nhiều mơ hình bán kinh nghiệm để khép kín hệ thống, biên mặt đáy cột nước 1.2 Thuật giải số trị Lưới phi cấu trúc Trong mơ hình MIKE21/3 Coupled Model FM, phương trình vi phân đạo hàm riêng mơ q trình thủy động lực học, vận chuyển chất vô hướng (chất lơ lửng nước, gồm bùn cát lơ lửng), vận chuyển nhiệt, muối, động lực rối giải phương pháp thể tích hữu hạn, miền khơng gian tính tốn xấp xỉ mạng lưới phần tử không gian cấu tạo đơn giản (gọi phần tử), xếp liên tiếp bên không chồng lên Ý tưởng lưới tính mềm dẻo (Flexible Mesh) áp dụng, số ưu điểm bật mơ hình Trong ứng dụng hai chiều, phần tử phân tử tam giác nằm ngang Chúng kết thành lưới phi cấu trúc mặt phẳng ngang xấp xỉ toàn miền khơng gian tính tốn Các biến phụ thuộc có giá trị phạm vi phần tử gán cho điểm có tọa độ tâm phần tử Thuật giải mơ hình HD chiều Dạng tổng qt phương trình nước nơng: U    F U   S U  t (6) Phương trình (2.24) viết lại tọa độ Decartes chiều sau: I V U  ( FxI  FxV )  ( Fy  Fy )   S t x y (7) I V U vector biến phụ thuộc mơ hình, F  F  F hàm vector thông lượng, S vector số hạng nguồn, biểu diễn định nghĩa sau: -166- h U   hu  ,  hv      hu          u   FxI   hu  g (h  d )  , FxV   hA       x        u v   huv    hA      y x             hv        u  v V FyI   huv  , Fy   hA  y  x        2  hv  g ( h  d )    v      hA      x   (8)      g d  fvh  h pa  gh    sxx  sxy      x o x o x  o  x y      sx  bx      hus   o o S    d h pa gh   s yx s yy    fvh       g  o y o y  o  x y    y    sy  by      hvs o o   Các số I V đầu hàm tương ứng với thông lượng không nhớt (thông lượng đối lưu) thơng lượng có nhớt Tích phân (6) cho toàn phần tử thứ i sử dụng định lý Gauss nhằm viết lại tích phân thơng lượng, để nhận phương trình làm việc có dạng sau:  Ai U d    S U d      F  n  ds Ai i t Trong đó: + Ai diện tích phần tử i, (9) -167- +  biến lấy tích phân miền Ai + i chu vi phần tử thứ i ds biến tích phân dọc theo chu vi, + n vector pháp tuyến hướng ngồi phần tử Thơng lượng theo phương nằm ngang tính theo cơng thức xấp xỉ Riemann Roe (xem Roe, 1981) Sơ đồ tích phân khơng gian bậc sử dụng để tính tốn theo cơng thức (8) Đó phương trình làm việc phương pháp thể tích hữu hạn cho mơ hình HD chiều lưới phi cấu trúc Module phổ sóng Module phổ sóng MIKE21 SW tích hợp mơ hình MIKE21/3 Coupled Model FM mơ hình động lực sóng hệ thứ ba, giải lưới phi cấu trúc Chức mơ hình thành, phát triển, phân rã biến đổi sóng gió tác động yếu tố quan trọng Điểm bật MIKE21 SW kết nối với module tính tốn dịng chảy, mực nước, vận chuyển bùn cát xói bồi Sóng biển hình thành tác động tổng hợp đồng thời chế là:  Năng lượng sóng từ miền lân cận truyền đến;  Ma sát áp lực gió chỗ lên mặt nước;  Sự khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, tán xạ vỡ sóng tương tác sóng địa hình đáy, bờ biển, cửa sông, vịnh, đảo, công trình nhân tạo;  Sự tương tác phi tuyến sóng với nhau;  Sự tương tác sóng với dòng chảy dao động mực nước;  Trạng thái sóng biển (đang phát triển, phát triển suy thoái);  Dưới tác dụng chuyển động sóng biển, kết hợp với dịng chảy, địa hình cấu tạo bề mặt đáy bờ biển biến đổi, dẫn đến nhiều hậu khác hệ sinh thái, mơi trường, phá vỡ cơng trình nhân tạo…Tiếp theo, biến đổi lại ảnh hưởng lên sóng -168- Học thuyết động lực sóng trọng lực đại mơ tả phương trình vận chuyển mật độ tác động sóng N N biến thiên theo thời gian không gian,  hàm hai tham số: pha sóng, số sóng vector k với độ lớn, k, hướng,  Tham số sóng hướng sóng  tần số góc tương đối (nội tại)   2f r hay tần số góc tuyệt đối   2f a Mật độ tác động sóng N(,) liên quan đến mật độ lượng E(,) sóng cơng thức: N E (10)  Đối với ứng dụng quy mơ nhỏ phạm vi Luận án, mơ hình phổ sóng thường thiết lập tọa độ phẳng Decartes Trong vùng có độ sâu thay đổi chậm tốc độ dịng chảy nhỏ tần số góc tương đối  tần số góc tuyệt đối  có quan hệ phân tán tuyến tính sau:    gk tanh( kd)    k U (11)  Trong (11), g gia tốc trọng trường, d độ sâu cột nước U véc tơ vận tốc dòng chảy Độ lớn vận tốc tương đối nhóm sóng Cg so với dịng cho công thức: Cg   2kd   (1  ) k sinh( 2kd ) k (12) Phương trình bảo tồn mật độ tác động sóng Trong hệ tọa độ Decartes, phương trình bảo tồn mật độ tác động sóng có dạng:  N S  .( N )  t   (13)  N ( x ,σ,,t) mật độ tác động, t thời gian, x = (x,y) hệ tọa độ Decartes,   v = (cx, cy, cσ, c ) vận tốc lan truyền sóng khơng gian pha bốn chiều x , σ, , S số hạng nguồn phương trình cân mật độ tác động sóng  tốn tử vi phân khơng gian bốn chiều Bốn tốc độ lan truyền đặc trưng sóng cho công thức: -169-   dx  (c x , c y )   c g U dt (14)    U d   d  c    U   c d g k x  dt d  t s  (15)    d   d   U  c    k dt k  d m m    (16) Ở đây, s tọa độ trục có hướng hướng sóng  m tọa độ vng góc với s   tốn tử vi phân hai chiều khơng gian (x,y) x Nguồn lượng sóng Số hạng nguồn lượng sóng, S, bao gồm tổng đại số nguồn thành phần: S = Sin + Snl + Sds + Sbot + Ssurf (17) Trong đó: + Sin nguồn lượng sóng từ gió; + Snl nguồn chuyển giao lượng sóng tương tác phi tuyến sóng với nhau; + Sds tiêu tán lượng sóng sóng bạc đầu; + Sbot tiêu tán lượng sóng ma sát đáy; + Ssurf tiêu tán lượng sóng sóng vỡ vùng sóng vỗ bờ Tương tác sóng, dịng chảy dao động mực nước Tác động dịng chảy lên sóng thể công thức động học (10), (13) thông qua trị số hướng vận tốc dòng chảy Ảnh hưởng dao động mực nước lên sóng thể qua độ sâu cột nước d Đối với vùng nước nông, ảnh hưởng dịng chảy mực nước lên sóng đáng kể Ảnh hưởng sóng lên dịng chảy thể qua dòng động lượng phát sinh gradient ứng suất xạ sóng vùng biển nông gồm Sxy, Sxx, Syx, Syy: Sxx = g(ƒu2 + ƒpp) (18) -170- Sxy = Syx= g(ƒuv) (19) Syy = g(ƒv2 + ƒpp) (20) 2 Trong đó: 2  f pp  2kd   (1  sinh( 2kd ) )E ( f ,  )dfd 0 2  fu    cos 0 2  f uv  2kd (    )(1  )E ( f ,  )dfd sinh( 2kd ) 3 2kd   cos(    ) sin(    )(1  sinh( 2kd ) )E ( f ,  )dfd 0 2  fv2    sin 0 2kd (    )(1  )E ( f ,  )dfd sinh( 2kd ) Do đó, việc tích hợp mơ hình thủy động lực học phổ sóng để giải đồng thời quan trọng vùng ven biển nước nơng, tốn xói bồi Tương tác sóng xói bồi Tác động xói bồi lên sóng thể qua thay đổi địa hình đáy bờ dẫn đến biến dạng yếu tố sóng, ngược lại thơng số sóng yếu tố động lực quan trọng bậc dẫn đến xói bồi Do đó, việc tích hợp mơ hình vận chuyển bùn cát, xói bồi, mơ hình thủy động lực học mơ hình phổ sóng để giải đồng thời, cập nhật liên tục ảnh hưởng qua lại chúng tiếp cận hợp lý vùng biển nước nông, tốn xói bồi Mơ hình số trị thuật giải Phương pháp thể tích hữu hạn dùng để giải mơ hình phổ sóng lưới tính phi cấu trúc xấp xỉ miền tính tốn khơng gian địa lý (hình học) Mật độ  sóng tác động N( x ,σ,) đại diện cho phần tử đặt tọa độ trung tâm hình học phần tử Trong không gian tần số, lưới sai phân dạng lơgarít dùng, đó: σ1 = σmin σl = ƒσσl-1 Δσl = σl+1 - σl-1 l = 2, Nσ (21) -171- ƒσ yếu tố cho trước, σmin mức tối thiểu tần số góc Nσ bước tần số cần rời rạc Trong không gian hướng, lưới sai phân cách sử dụng, đó: m = (m - 1)Δ; Δm = 2 / N m = 1, N (22) Ở N số hướng cần rời rạc Đại lượng N xem khoảng sai phân theo tần số hướng: Δσl Δm Tích phân (13) diện tích Ai phần tử thứ i, số gia tần số Δσl số gia Δm , ta nhận phương trình để áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn:  t   m    l Ai Nddd   m   l  S Ai  ddd  (23)      m  l Ai .( F )ddd Với Ω biến tích phân định nghĩa Ai F = (Fx, Fy, Fσ, F) = v N dòng đối lưu Vế trái (23) xấp xỉ quy tắc cầu phương điểm Sử dụng định lý phân kỳ, vế phải tích phân (23) thay tích phân quanh biên thể tích khơng gian x , σ,  tích phân đánh giá cách sử dụng quy tắc cầu phương điểm cạnh phân tử Do đó, (23), viết sau:  N i ,l ,m  NE   ( Fn ) p ,l ,m l p   t Ai  p 1  ( F )i,l 1/ 2,m  ( F )i,l 1/ 2,m   ( F )i,l ,m1/  ( F )i,l ,m1/   Si,l ,m  l  m l (24) Ở đây: NE tổng số cạnh phần tử (NE = cho phần tử tam giác) (Fn)p,l,m=(Fxnx+Fyny)p,l,m thông lượng trực giao cạnh p không gian địa lý với  chiều dài Δlp n = (nx, ny) véc tơ đơn vị trực giao hướng ngồi bên khơng gian địa lý (Fσ )i,l+1/2,m (F )i,l,m+1/2 thông lượng qua mặt không gian tần số hướng -172- Trong không gian địa lý, thông lượng trực giao cạnh phần tử i phần tử j đại lượng: 1  1c Fn  cn  ( N i  N j )  n ( N i  N j )  cn 2  (25) Trong cn tốc độ lan truyền theo hướng trực giao từ phần tử i tới mặt phần tử j cn     (ci  c j ).n (26) Việc áp dụng sơ đồ ngược gió bậc dẫn đến khuếch tán số (Tolman,1991, 1992) Trong ứng dụng quy mô nhỏ, biển ven bờ ưu gió địa phương, sơ đồ có độ xác chấp nhận Tuy nhiên, trường hợp lan truyền sóng lừng khoảng cách dài, cần sử dụng sơ đồ xấp xỉ bậc cao bậc Hình 1: Điểm phần tử điểm cạnh Điều kiện biên Tại biên bờ đất, điều kiện hấp thụ hoàn toàn áp dụng Các thành phần thông lượng trực giao với cạnh phần tử bờ đất gán zero (bờ đất di động phát sinh mức nước VNC thay đổi) Khi thơng lượng có hướng khỏi vùng tính tốn, khơng cho có điều kiện biên Tại biên mở có thơng lượng vào VNC, cần liệu sóng tới Do đó, phổ lượng phải cho trước đoạn biên mở Trong không gian tần số sóng, điều kiện biên là sóng hấp thụ tồn phần Khơng cần điều kiện biên khơng gian hướng sóng (điều kiện tuần hồn) -173- Module vận chuyển cát Khác với mô hình thủy lực phổ sóng, hầu hết mơ hình tốn mơ q trình diễn biến hình thái chưa hoàn chỉnh lý thuyết phải sử dụng công thức, hệ số thực nghiệm, đồng thời đòi hỏi nhiều số liệu thực đo để làm đầu vào [20] Trong Luận án, áp dụng cho khu vực ven biển Nam Trung Bộ, tác giả chọn module MIKE21/3 Sand Transport (ST) mơ hình chun nghiệp vận chuyển cát rời dựa nghiên cứu tác giả: Deigaard, R., FredsØe, J., Hedegaard kết hợp với module thủy lực HD phổ sóng SW MIKE21/3 ST module chun tính vận chuyển cát dòng chảy hay tổ hợp dòng chảy sóng Từ vận chuyển cát, mơ hình tính tốn biến đổi địa hình lịng dẫn cho thời đoạn tính tốn khác Đầu mơ hình MIKE21/3 HD MIKE 21 SW đầu vào MIKE21/3 ST Đồng thời, thay đổi địa hình lịng dẫn cập nhật để tính sóng dịng chảy mơ hình tích hợp MIKE21/3 Coupled Model FM Do đó, MIKE21/3 ST lựa chọn phù hợp cho nghiên cứu bồi xói VNC, có cơng trình chỉnh trị, bến cảng Module MIKE 21/3 ST có hai phần chính:  Module vận chuyển cát tác động dòng chảy túy  Module vận chuyển cát tác dụng tổng hợp sóng dịng chảy Việc chọn lựa module để sử dụng quan trọng khía cạnh: (1) Lựa chọn phải phù hợp với thực tế VNC; (2) Vì module sử dụng cơng thức tính tốn sở liệu đầu vào khác nhau, việc lựa chọn dẫn đến quy trình vận hành mơ hình khác nhau, đặc biệt khâu chuẩn bị số liệu để chạy mơ hình MIKE21/3 ST Trong nghiên cứu tác giả chọn Module vận chuyển cát tác dụng tổng hợp sóng dòng chảy Đối với lựa chọn thứ hai (vận chuyển cát tác dụng tổng hợp sóng dịng chảy), mơ hình STP (Sediment Transport Prorgam) Viện Thủy lực Đan Mạch phải sử dụng trước Đây mơ hình vận chuyển cát chiều tác dụng tổng hợp sóng dịng hay chế riêng rẽ, tức không trực tiếp giải -174- phương trình tải-tán xạ Kết thực mơ hình STP bảng giá trị dòng vận chuyển cát phủ kín phạm vi mà q trình liên quan đến vận chuyển cát xảy VNC Tiếp theo, dựa vào kết tính sóng dòng chảy bảng vận chuyển cát Q3D lập mơ hình STP, mơ hình MIKE21/3 ST nội suy dòng vận chuyển cát ứng với trường dịng chảy, độ sâu cột nước trường sóng thời điểm tính tốn xói bồi, làm đầu vào để chạy mơ hình biến đổi lịng dẫn (tính xói bồi) Các đặc điểm STP bao gồm: (1) Có tính đến q trình vật lý ảnh hưởng đến vận chuyển cát như: dịng chảy, sóng, cấu tạo đáy bãi, độ dốc, thành phần hạt, sóng vỡ (2) Thời gian tính tốn nhỏ khơng cần giải toán biên dạng tổng quát mà phép nội suy giá trị vận chuyển cát từ bảng tính sẵn trước gọi bảng trầm tích Q3D Bảng vận chuyển cát Q3D lập công cụ MIKE21 Toolbox thuộc MIKE Module STP_Q3D công cụ tin học chun nghiệp để tính dịng vận chuyển cát tổng hợp dịng chảy sóng tựa dừng theo hai hướng trực giao: tiếp tuyến đường bờ (Longshore) pháp tuyến đường bờ (Cross-shore) có tính đến chế sau:  Ảnh hưởng tổng hợp dòng chảy sóng;  Góc sóng dịng chảy;  Sự phá vỡ khơng vỡ sóng;  Đáy thủy vực phẳng hay dạn gợn sóng (Ripple);  Cát đồng kích thước hay cát có kích thước phân tán Thuật tốn module STP_Q3D: Dịng vận chuyển cát tổng dòng cát lơ lửng qs dòng di đẩy đáy qb: qt = qb + qs (27) Trong mơ hình STP, qb tính theo cơng thức Engelund Fredsøe (1976), thơng số Shields θ giá trị tức thời Phân bố thẳng đứng cát lơ lửng tính từ phương trình khuếch tán theo phương đứng Fredsøe (1985), bỏ qua số hạng bình lưu Cuối cùng, dịng vận chuyển cát lơ lửng tính theo cơng thức: -175- qs  T T D   (uc)dzdt (28) 2d Cơ chế vận chuyển cát hạt thô tương tự cát trung có số điểm khác: - Cát thơ chủ yếu vận chuyển đáy, tầm quan trọng dòng cát lơ lửng xác định qua số Rouse: R ws U f (29) Trong đó: ws vận tốc rơi, κ số Karman Uf vận tốc đáy Đại lượng qs cịn có ý nghĩa R< 2.5 Khi R>5, ta bỏ qua qs - Đối với cát thơ, lực qn tính hạt cát quan trọng, đó, mịn cát trung, ta bỏ qua lực - Cuối cùng, bờ cát thơ thường có độ dốc lớn, ảnh hưởng độ dốc đáy lên q trình khởi động hạt di chuyển quan trọng Các thông số chung để ứng dụng STP_Q3D bao gồm: Lưu ý: Số chu kỳ sóng số bước chu kỳ sóng ảnh hưởng lớn đến thời gian tính tốn lập bảng vận chuyển Q3D Các thơng số mở rộng bao gồm: Lưu ý: Có số yếu tố q trình ảnh hưởng đến dịng vận chuyển cát khơng cần đưa vào tính tốn -176- Chọn lý thuyết sóng thơng số liên quan đến sóng vỡ: Chọn giới hạn trị số thơng số dịng chảy, sóng, tính chất cát: Kết bảng số liệu cần nạp vào chạy mơ hình MIKE21/3 ST Thơng thường cho vùng nghiên cứu có bảng riêng Ứng với phương pháp tính vận chuyển cát chọn, phương án tính tốn diễn biến lịng dẫn có khác Đối với lựa chọn thứ hai, hiệu ứng tổng cộng sóng dịng chảy tính đến, nhiên hiệu ứng chảy vịng bị bỏ qua Như vậy, quy trình ứng dụng mơ hình MIKE21/3 ST phức tạp có nhiều vấn đề cần xử lý có tính chủ quan, phụ thuộc lớn vào kinh nghiệm kiến thức người sử dụng Các điểm nhấn bao gồm: - Chọn thuật tốn hợp lý cho VNC; - Phải có số liệu tin cậy dịng chảy sóng (nếu cần); - Có số liệu tin cậy hợp lý địa hình lịng dẫn tính chất lý cát VNC lân cận; - Nếu tính vận chuyển cát biển chịu tác động đồng thời sóng dịng chảy, cơng việc quan trọng tạo bảng tốc độ tải cát Q3D hợp lý, phủ -177- kín tổ hợp xẩy VNC Lưu ý: Nếu giá trị thơng số tính tốn nằm ngồi giới hạn có bảng Q3D, phép tính dịng bùn cát khơng thực hiện; Module MIKE21/3 ST tích hợp vào mơ hình MIK21/3 Coupled FM Model hệ thống khẳng định kết nghiên cứu thực nghiệm công phu tốn lý thuyết tượng vận chuyển cát xói bồi kèm theo Tuy nhiên, mơ hình với nhiều thơng số thực nghiệm, MIKE21/3 ST mơ hình bán kinh nghiệm