(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Vận Chuyển Bùn Cát Khu Vực Cảng Lạch Huyện.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGUYỄN THANH TÂM NGHIÊN CỨU VẬN CHUYỂN BÙN CÁT KHU VỰC CẢNG LẠCH HUYỆN Chuyên ngành Xây dựng công trình biển Mã số 60 58 02 03 LUẬ[.]

NGUYEN THANH TAM

NGHIEN CUU VAN CHUYEN BUN CAT KHU VUC CANG LACH HUYEN

Chuyên ngành: Xây dựng công trình biển

Mã số: 60.58.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2014

NGUYEN THANH TAM

NGHIEN CUU VAN CHUYEN BUN CAT KHU VUC CANG LACH HUYEN

Chuyên ngành: Xây dựng công trình biển

Mã số: 60.58.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Nghiêm Tiến Lam

Hà Nội - 2014

Trước tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Trường Dai học Thủy lợi, Khoa Kỹ

thuật Biên, Phong Dao tao Dai hoc va Sau dai hoc da tao moi điều kiện thuận lợi cho

tác giả trong thời gian học tạp, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn TS Nghiêm Tiến Lam đã luôn tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đi đầu tiên xây dựng ý tưởng nghiên cứu, cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận văn Thầy đã luôn ủng hộ động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất đề tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong khoa Kỹ Thuật Bờ Biến, các bạn cùng lớp cao học 20BB đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bố, mẹ, các anh chị và các em, những người thân yêu trong gia đình đã luôn ở bên cạnh tác giả, động viên tác giả về vật chat va tinh thân đê tác giả vững tâm hoàn thành luận văn của mình

TÁC GIÁ

Nguyễn Thanh Tâm

Ho va tén hoc vién: Nguyễn Thanh Tâm

Tên đề tài luận văn: “ Nghiên cứu vận chuyên bùn cát khu vực cảng Lạch

Huyện `

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm Những kết

quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin

nào khác Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu bất kỳ hình thức

kỷ luật nào cảu Khoa và Nhà trường

TÁC GIÁ

Nguyễn Thanh Tâm

DANH MỤC BẢNG - - 5< S23 S3 15 11111111511151115 1115111511111 151111111 1x 5 MỞ ĐÂU 5 SH 1 1511111111515 1111111511111 1151111111111 11111111511 1111111511 111111 1e 6

Tính cấp thiết của để tài -: - 22222 122 1 re 6

Mục tiêu của để tàI - - c + 0031030011 re 7

Đôi tượng và phạm v1 nghiÊn CỨU 1111833331811 1111111881111 kg 7 I0100031589i17198i1320157 06000002 7 Chương! GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỤC NGHIÊN CỨU 9

Ll Điều kiện tự nhiên 2É 1222 TH HH HH Hư 9

1.1.1 Vị trí địa lý, địa hình và địa chât . 55552222 S2 s+2 9

1.1.2 Mạng lưới sông chính c1 1133333 551 1111518851111 1xx, 10 1.1.3 Đặc điểm khi trong occ cece cs csscececscsesscscsescsesscscevstsesssasevenssseas 12 1.1.4 Dac diém thily van ccc ccccccccccccsssssssssesesescsesssssscscsssssvsvsversnsnseseee 12 1.1.5 Dac diém hai Van veces ccccescseesescsssscssssssesssssessssssessseeseenseseeen 13 1.1.6 Sur phan b6 tram tich day occ cscscceeecsesscecsestscsscscssststsssssensnsesseas 14

1.2 Dae diem kimh 6 x8 NO} eesscceccccsssseeeeeesssnneesecesssneeeeesssneeeecsssnnneeeesseee 16

1.3 Mang 101 quan trac ee eects te eee ne neseeneeneeneenceneenseneneaceneneneenenens 17

1.4 Hiện trạng sa bồi luông cửa Lạch HuyỆn - S2 18

1.5 Két Luan ccc ccccccsscscsscscsscsssscsesscsessesesscsssscsesscseseesssscssssssesesssseesnseeeeess 20 Chương2_ TÔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN 21 2.1 Tổng quan vệ mô hình thủy động lực - - «+ ssssersske 21 2.2 Tong quan vệ MO Ninh 80)))Ụ 22 2.3 Tống quan về mô hình vận chuyển bùn cát 2 2s s+<+£+£+ezxzsez 24

2.4 Mô hình EIFDC - - - c2 E231 11 SH HH HH nh rên 27

2.4.1 Giới thiệu chung ¿-c-52+k+SE+kSEEEESEEEEEE1215112111111 111.) 27 2.4.2 Cấu trúc mô hình EFDC - ¿2+2 2+E+E+EE£E£ESEEEEEESEErErrrerkee 28 2.4.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình thủy động lực EFDC . 29 2.4.4 Cơ sở lý thuyết vận chuyển bùn cát mô hình EEDC 30 2.4.5 _ Cách giải quyết bài toán trong mô hình EFDC .- 2 55-52 37

2.4.6 Một số đặc điểm tinh năng của phân mỀm 2: +sc+s+exeE+Ezezezsz2 42

Chuong 3 UNG DUNG MO HINH EFDC MO PHONG BIEN DOI ĐỊA HÌNH KHU VUC CANG LACH HUYEN weeeccsceccscsscssescsscsessesessesesscssssessssessssessssssneseseaes 47

3.1 Tinh hinh 86 GU ceccscesescscesescssescssssscssssscsssescsssssestseseesseseees 47 3.1.1 Tai liGu dia hin oo c ccc cssesesscscsscscsscsssscsssscsssscetssesnsscensseenees 47 3.1.2 SG 1iSu thy Van vec cecscscscsesessscscscecscsvsvsvsvsesestsesesssseesscasavavavavens 48

3.1.3 S6 Tu DUN Cate ccccccccccccccssescscssescsessescscscescsesscsescsecscsesecscscsscscsesenscsesees 48

3.2.4 Thiết lập điều kiên ban đâu - 5 s+E+ESESEExEkEkckekekekrkrkrsrersee 53 3.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực . - 2s 2 s+s+ssxe+xzsse 53 3.3.1 Thời kỳ tính toán - 2k St Sk+ES SE E111 11E1111111111 111.1 cxe, 54 3.3.2 Thiết lập thông số mô hình thủy lực - 2 2+s+s+s+£et+ezxzssree 54 3.3.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực - 2s 2 s+s+s+x+kezsrxzxee 55 3.3.4 Kết quả kiếm định mô hình thủy lực . - 2 2ss+s+ce£e+ezszsszee 57

3.4 Mô hình tính toán bùn cát - - - 1221331111111 1111111 111111111135 xe 58 3.4.1 Các kịch bản tính toán . - - c + + + < c1 1S ve 58

3.4.2 _ Thiết lập mô hình bùn cát trên mô hình EFDC - 2 2: 59 3.5 K@t uate ccc cscscsscscsescscscssscsesscscsvscsesscscavsvsesscacavstsesssavavsnsesssasevenseseees 62 Chuong 4 PHÂN TÍCH CÁC KỊCH BẢN VÀ SO SÁNH KẾT QUÁ 64 4.1 Phân tích diễn biến bùn cát trong điều kiện tự nhiên 5-5-5552 64 4.1.1 Thủy động lực -<sk+ESk +9 S11 EEE1E11 111111111111 1111 111L 64 4.1.2 Vận chuyển bùn cát - + 2 +s+kk+ 9E SE E111 111111 ck 70 4.2 Phân tích diễn biến bùn cát khi có công trình . - - 2 s+s+s+szzze 72

4.3 Kết luận -L- ch E111 1111151111115111115111111111111 11111111 74 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ - + 2S SE+E‡E#ESEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrrreee 75

KẾT luận - 2222222222112 1222211 1 Hee 75

S907 4 75 TAI LIEU THAM KHAO ccccccccccscscssesescscesesescescscscescscseescsesescscscescseseescscsescscseesees 76

Hình 1.2: Su phan b6 tram tich day veces sscsesescsscscscssescsssscsessssesssesscsssnsseesenees 15

Hình I.3: Phân tích các hạt qua sang của mẫu trầm tích đáy ở luồng Nam Triéu 16 Hình I.4: Phân tích các hạt qua sang của mẫu trâm tích đáy ở luỗông Lạch Huyện l6 Hình 1.5: Sơ đỗ Vị trí các trạm quan tẮC . ¿-¿- - + s+s+k+k+E+ESEEEE+EEESEeEErkrkrserees 18

Hình 1.6: Khối lượng sa bồi lũy kế hàng năm tại các vị trí dọc luéng ¬ 19

Hình 1.7: Khối lượng sa bồi lũy ké trong 5 nM oo e eee eseeeeeeeeeseeseeeetseseeseeeeeeee 19 Hình 1.8: Bién thién d6 sau tai duOng tim 1UG6ng ee eee eee eseeeeeeeeeeseseeeeeeeeee 20

Hinh 2.1: Cau tric co ban m6 hinh EFDC cecsescseesseesseesseeseeeseeeseteceeecneenneenetennees 28

Hình 2.2: Cấu trúc mô hình thủy dong luc hoc EFDC wu eseseeseeetseseeeeeteee 28 Hình 2.3: Sơ đồ vận chuyển bùn cát do dòng chảy, + + +52 +E+E£Eexeessee 36 Hình 2.4: Miễn lưới dạng Uniforim Girid + - + + s+E+k+E+E+ESEE£E+E+EeEeEErkrkrrerers 43 Hình 2.5: Miền mô hình tạo dạng Expanding Girid 2-2 +s+c+£ete+x+x+ssreex 44

Hình 2.6: Miền mô hình tạo dang Centerline Dominant . -« «5555 sssss++2 44

Hình 2.7: Lưới cong được tạo theo tùy chọn EquI-Distance Widths 45 Hình 2.8: Bảng tính thời gian sử dụng mô hình - << - =5 5+ kkeeseeeseks 46

Hình 3.1 : Địa hình khu vực tính toán - C2 SE E311 1111 vs vy 47 Hình 3.2 Sơ họa miễn tính toán G2 + SE SE EEESESESESEEEEEESESEEESEEEEEESErErkrerererred 49

Hình 3.3 Mô Hình Delft3Ì SH HH nh 50

Hình 3.4 Giao diện làm việc chính của Delft 3D 55c - << << s22 50

Hình 3.5 Đưa Lưới vào mô hình EFDCC << 11311133 11111 9 11 ng re 51 Hinh 3.6 Lưới tính toán trong mô hình EFDC - << 5513323 SErsseersssse 51 Hinh 3.7 Địa hình miễn tính toán trong EFDC ¿2-5 + s+E+E+E+E+EeEE+Ezxeesreei 52

Hình 3.11: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Cửa Câm 56

Hình 3.12: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Do Nghĩ 56

Hình 3.13: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Cửa Cắm 57

Hình 3.14: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Do Nghĩ 57

Hình 3.15 Bồ trí công trình cảng Lạch Huyện ¿2-5 2 2 +E+E+E+E+EeEE+EzEeEsreei 59 Hình 3.16 Vị trí các hỗ khoan trắc bùn cát c-ccccccterrrrrrrrrrrrrirrrirrrirrriee 61 Hình 3.17 Dữ liệu bùn cát đáy tại một hố khoan trong mô hình EEDC 62

Hình 4.1 Vi tri các điểm và mặt cắt tính toán - +2 +s +2 +E+E+E+ESEEeEsErErkrerererrrd 64 Hình 4.2 Kết quả mực nước vào mùa khô tại khu vực Lạch Huyện 65

Hình 4.3 Kết quả giá trị mực nước vào mừa mưa tại khu vực Lạch Huyện 65

Hình 4.4 Kết quả trường dòng chảy vào mùa khô tại Lạch Huyện (triều lên) 67

Hình 4.5 Kết quả trường dòng chảy vào mùa khô tại Lạch Huyện (triều rút) 67

Hình 4.6 Kết quả trường dòng chảy vào mùa mưa tại Lạch Huyện (triều lên) 68

Hình 4.7 Kết quả trường dòng chảy vào mùa mưa tại Lạch Huyện (triều rút) 68

Hình 4.8 Phân bố nồng độ bùn cát vào mùa mưa (8/ml) - 5-2 s+s+s+s+s+essse 70 Hình 4.9 Phân bố nồng độ bùn cát vào mùa khô (g/ml) - 5-2-5 2 2 s+s+s+szze£: 70

Hình 4.10 Kết quả tính toán bôi xói - - 22 + 2+E2E+E£EE£E#EEEEEESEEEEEEErkrkrrsred 71

Hình 4.11 MC 1 tai thoi điểm ban đầu . -:-cccccctertrirrirrrrrrrrrrrirrrirrrrrries 7I

Hình 4.12 MC 1 sau một năm tính ftoán - - - + + + 12£££££seeeees 7

Hình 4.13 MC 2 tại thời điểm ban đầu c:-cccccrtertirrritrrrrrirrrirrrirrrrrries 7I

Hình 4.14 MC 2 sau một năm tính foán - - - + * + + E1 22£££££seeeees 7

Hình 4.15 Kết quả tính toán bôi xói khi có công trình . - 22s 2 szs+ccs2 72

Bảng 3.3 Bảng giá trị đánh giá sai số kiểm định mô hình . - 255252552 58

Bảng 3.4 Bảng tham số mô hình cho các lớp bùn cát .- +2 -s+s+c+e+xzx+szzee 61 Bang 4.1 Số liệu trich xuat d6 duc (MgQ/L) eee esceceeeseesesseecstetsessescetetseseseeteneen 72

Trong những năm gần đây, việc mở rộng và phát triển các vùng kinh tế ven biển đang là một trong những ưu tiên hàng đầu của nước ta

Hải Phòng là thành phố có nên kinh tế biển phát triển nhất trong khu vực Bắc

Bộ Tuy nhiên hiện nay với lưu lượng hàng hóa ngày một tăng vào khu vực kinh tế Bắc Bộ, cảng Hải Phòng đang có dấu hiệu quá tải Điều này làm ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của khu vực trong tương lai Hơn nữa luông tàu vào cảng Hải Phòng hiện nay đang bị bồi lấp nhanh chóng do sự vận chuyển bùn cát trên sông Bạch Đăng Chính vì vậy, dự án xây dựng cảng Lạch Huyện ra đời như là giải pháp nhăm giảm tải cho cảng Hải Phòng và giúp tăng cường sự phát triển cho vùng kinh tế trọng

sự biến đôi địa hình tại vùng cửa sông Lạch Huyện sẽ bị tác động ra sao Cùng với đó

là mức độ tác động của nó đến sự thay đổi hệ sinh thái, và ảnh hưởng tới môi trường cửa sông Lạch Huyện.

Định hướng được hiện trạng và thay đổi của các yếu tổ thủy động lực, vận

chuyền bùn cát khi bố trí công trình Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: thủy động lực, vận chuyền bùn cát, biến đối địa hình

Phạm vi nghiên cứu: Khu vực cảng Lạch Huyện

Phương pháp nghiên cứu s* Phương pháp

Kế thừa các kết quả nghiên cứu về khu vực đã được thực hiện trước đây Kế

thừa, áp dụng có chọn lọc các kiến thức và công cụ mô hình về thủy động lực học,

vận chuyền bùn cát hiện có trên thế giới và trong nước

Sử dụng các phương pháp phân tích số liệu và phương pháp mô hình hoa dé phân tích, đánh giá và tổng hợp so sánh

Thu thập và phân tích số liệu

Các số liệu cần thiết phải thu thập:

- Hệ thống sông ngòi, cửa sông, bờ biển và hải đảo

- _ Số liệu địa hình

- _ Hệ thống các trạm đo

- _ Số liệu khí tượng và thủy văn (mực nước, vận tốc dòng chảy ) - _ Số liệu hải văn (sóng, thủy triều)

- _ Số liệu bùn cát (bùn cát lơ lửng, đường cấp phối hạt .)

Phân tích số liệu đã thu thập: mục đích là để đánh giá thông tin sơ bộ về bộ số liệu đã thu thập, có bức tranh ban đầu về quá trình diễn biến của khu vực, đồng thời xác định được những vấn đề và yếu tố còn chưa rõ và cần mô phỏng và xác định bằng mô hình toán

* Ứng dụng mô hình toán để mô phỏng, phân tích và đánh giá thủy động lực, vận chuyền bùn cát theo hiện trạng và các phương án bố trí công trình

Căn cứ vào sô liệu thu thập và mục đích nghiên cứu ta xác định:

% Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng

- - Phân tích hiện trạng chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và diễn

biến của khu vực nghiên cứu

- _ Xác lập các phương án bố trí công trình và các trường hợp tính toán Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các phương án bồ trí công trình tới thủy động

lực, vận chuyển bùn cát tại khu vực cảng Lạch Huyện

s* Công cụ sử dụng

Khai thác, sử dụng bộ phần mẻm EFDC mô phỏng thủy động lực học, vận chuyên bùn cát và các công cụ xử lý sô liệu khác.

1.1.1 Vị trí địa lý, địa hình và địa chất

Khu vực nghiên cứu năm trong khoảng tọa độ 20.5 — 20.9 dé vi Bac va 106.5

— 107.1 độ kinh Đông, vùng biển ven bờ vùng tây vịnh Bắc Bộ, rìa Đông Bắc của

châu thổ sông Hồng thuộc thành phố Hải Phòng, cách Hà Nội 120 km về phía đông Khu vực khảo sát thuộc đảo Cát Hải, cách trung tâm thành phô Hải Phòng 13 km về hướng Đông

22M

VỊNH ỦẠ LONG

Đảo Xuy Năng Chân

Hình 1.1: VỊ trí khu vực nghiên cứu trên bản đồ địa chất (Trích từ bản đô địa hình Việt Nam — Lào — Campuchia 1971)

Cảng Lạch Huyện nằm ở phía bờ Nam của đảo Cát Hải - là phía cuối của khu vực đồng bằng châu thổ Sông Hồng Có khói lượng lớn đất và cát di chuyển vào khu

vực từ phía Nam Triệu và sông Lạch Huyện tạo thành lớp sa bồi sét dẻo Trên đất

liền, cát phân bố chủ yếu ở đảo Cát Hải và khu vực lân cận và động vật nhuyễn thể/giáp xác sống dưới lớp cát đáy thường dạt vào bến Bến Gót của đảo Cát Hải Địa hình đáy của Vịnh Hải Phòng từ Bến Gót đến Km 37 + 500, có các doi cát rộng và

cao hơn khu vực phía Tây Độ dốc đáy biến là khá thoải, khu vực có độ sâu trên — 10.0 m thì độ dốc đáy là 1/1500 và từ độ sâu -10 m trở xuống độ dốc là 1/600 Độ dốc đáy ngoài khơi có thể sẽ chặn dòng bùn cát nồng độ cao ở lại ngoài khơi

Khu vực này được tạo thành bởi các quá trình động lực sông, biển và sông

biển hỗn hợp Đây là vùng biến có chế độn nhật triều đều với biên độ triều lớn, lại năm trong vành đai khí hậu nhiệt đới âm gió mùa, nên vai trò động lực thủy triều và

thực vật ưa mặn đóng vai trò quan trọng cho sự thành tạo và sự phát triển ở đây Mặt

khác, do hoạt động giao thông thủy, quai đê lấn biến, khai thác tài nguyên thiên nhiên ở vùng cửa sông của con người cũng làm cho động lực phát triển của địa hình khu vực nghiên cứu thêm phức tạp Bờ biển ven biển Hải Phòng có dạng đường cong lõm của bờ tây vịnh Bắc Bộ, thấp và khá băng phăng, cấu tạo chủ yếu là bùn cát do các cửa sông đồ ra Địa hình vùng cửa sông ven biến Hải Phòng có độ sâu không lớn,

độ dốc nhỏ

Tầng đá gốc của đảo Cát Bà là đá vôi phong hóa Tuy nhiên, theo các kết quả khảo sát trước đây thì khu vực khảo sát Lạch Huyện là có tầng đá gốc là sét/bột kết Như vậy nghĩa là sông Lạch Huyện chảy dọc theo ranh giới đại tầng hoặc đại chất giữa đảo Cát Bà và đảo Cát Hải

1.1.2 Mạng lưới sông chính

Các sông chính năm trên địa bàn thành phố Hải Phòng đều là phân hạ lưu của hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình sau khi đã qua địa phận tỉnh Hải Dương

Sông chính của Hải Phòng là những sông nhánh cấp I, cấp II của hệ thống sông

chung Tổng số sông của toàn vùng là hơn 50; theo thống kê có 13 con sông có chiều dài trên 10 km, còn lại phân lớn là các sông nhỏ ngắn và dốc, được phân bố chủ yếu ở rìa phía Đông Nam và ở phân giữa và rìa của phía Tây Nam

Có thể nói, mạng lưới sông chính của Hải Phòng bao gồm 6 sông chính: Thái

Bình, Văn Úc, Kinh Thây, Bạch Dang, Lach Tray, Luéc

- Sông Thái Bình: thuộc loại sông lớn của thành phó, sau khi chảy qua tỉnh Hải Dương vào Hải Phòng, sông hợp lưu với sông Luộc tại Quý Cao và đồ ra biến tại xã Vinh Quang, huyện Tiên Lãng, có chiều dài 30 km Ở phía hạ lưu độ dốc đáy sông nhỏ nên tốc độ chảy yếu, sông uốn khúc quanh co, nhưng nhìn chung vẫn chảy theo

hướng Tây Bắc - Đông Nam Phân lớn lượng nước của sông Thái Bình được phân

lưu vào sông Văn Úc qua sông Mới — một sông có đặc điểm là khá thăng, độ dốc lớn

Do vậy, ở phía hạ lưu sông Thái Bình, sau phân lưu sông Mới, tốc độ chảy càng nhỏ,

sự bồi lăng cũng tăng lên, độ sâu trung bình chỉ còn 2 m, chỗ rộng nhất 200 m, chỗ

Sông Kinh Thây: phần hạ lưu từ ngã ba Xi Măng ra đến cửa sông Cắm, thuộc địa phận Hải Phòng từ ngã ba Kinh Thay — sông Hàn, đồ ra biển tại cửa Câm với chiêu dài 37 km Sông có chiều rộng tương đối lớn, trung bình là 400 m, độ sâu trung bình 0.7 m So với các sông khác ở Hải Phòng thì sông Kinh Thay có độ uốn khúc nhỏ nhất (1.19) Hướng chảy chủ yếu Tây Bắc —- Đông Nam Dọc theo đoạn sông từ pha Kiển trở xuống có cảng lớn và nhiều bến bãi phụ; sự hoạt động tấp nập của tầu thuyền phần nào có ảnh hưởng tới chế độ dòng chảy trong sông

- Sông Bạch Đăng: đoạn thượng lưu còn được gọi là sông Đá Bạc, vào địa

phận Hai Phong tai Dam Dê, đồ ra biển tại cửa Nam Triệu dài 42 km Hướng chảy chủ yếu là Tây Bắc —- Đông Nam đoạn giữa từ trên phà Rừng 4 km đến ngã ba sông Ruột lớn có hướng chảy Bắc-Nam Chiều rộng vào loại lớn nhất của sông Hải Phòng, trung bình 1.000 m, chỗ rộng nhất đến 1.800 m, độ sâu trung bình 10 m sông có rất nhiều nhánh phụ đỗ vào, nhánh lớn nhất là sông Giá Hai bên bờ phía thượng lưu thường có nhiều dãy núi đá vôi, phía hạ lưu lại có bãi triều rất rộng, có nơi thành rừng sú vẹt

- Sông Lạch Tray: Là sông nhánh của sông Văn Úc được tách ra từ ngã ba Kênh Đồng, đồ ra biến tại Tràng Cát, quận Hải An, dài 43 km, độ sâu trung bình 4.0 m chiêu rộng trung bình 120 m với độ uốn khúc 1.44, vào loại lớn nhất của sông ngòi

Hải Phòng Hướng chảy chủ yếu là Tây Bắc — Dong Nam, hai bên bờ có bãi triều

rộng Sông Lạch Tray là tuyến đường giao thông thủy quan trọng của thành phó

- Sông Luộc: Nối liền sông Hồng với sông Thái Bình-hai hệ thống sông lớn ở

mién Bac Hang năm, sông Luộc chuyển một lượng nước đáng kể từ hệ thống sông Hong sang hệ thống sông Thái Bình Sông Luộc đi vào địa phận Hải Phòng từ Chanh Chử, nhập lưu với sông Thái Bình tại Quý Cao, dài 1§ km, chiều rộng trung bình 4.0 m Sông uốn khúc và béi lang mạnh mẽ

1.1.3 Đặc điểm khí tượng

Đối với Hải phòng, ngoài 2 hướng gió chính là Đông Nam 18.33% và Đông Bac 12.70% thì một vài hướng gió khác cũng xuất hiện với tần xuất đáng kể như gió Nam 12.59% và gió Đông 9.09% Điều này có thể giải thích được do Hải phòng là thành phố ven biển nên thường xuyên có gió biển — đất Gió biển thối vào đất liền từ 9 — 10 giờ đến 20 — 24 giờ, sau nửa đêm gid thoi từ đất liền ra biển Chính các hệ thống gió biển — đất này là nguyên nhân dẫn đến sự phân tán các hướng gió ở Hải Phòng hơn so với các thành phố khác Đây là sự khác biệt rõ nét giữa chế độ gió vùng ven biển nói chung và Hải phòng nói riêng Một mặt khác do cạnh biên nên tốc

độ gió ở Hải phòng cũng lớn hơn, đặc biệt là gió Đông Nam Mua dong (thang 11 đến tháng 3 năm sau) khu vực chịu ảnh hưởng chủ yếu của khối không khí cực đới biến tính được hình thành từ vùng Siberia (Nga) tràn về phía nam Hướng gió thịnh hành là đông bắc, bắc và đông các hướng khác chiếm tần suất rất nhỏ Vận tốc gió trung bình đạt 3.2 - 3.7 m/⁄s Hàng tháng trung bình có 3 - 4 đợt gió mùa đông bắc, kéo dài từ 5 — 7 ngày, gây ra mưa nhỏ, vận tốc gió những ngày đầu đạt đến cấp 5 — 6 (tương đương 8 — 13 m/$), vận tốc gió lớn nhất ở các đảo có thể đạt tới 25 — 30 m/s, sau đó giảm dần Mùa hè (tháng 5 đến tháng 9), khu vực nghiên cứu chịu ảnh hưởng của các luông không khí nóng và ấm từ phía Tây và Nam tràn qua Hướng gió thịnh hành chủ yếu là Đông, Đông Nam và Nam

1.1.4 Đặc điểm thủy văn

Lượng nước của vùng châu thổ sông Hồng ảnh hưởng bởi gió mùa Tây Nam (mùa hè), xoáy thuận nhiệt đới (mùa thu) Thời kỳ dòng chảy lớn nhất trên sông xuất hiện vào tháng VIII, dòng chảy nhỏ nhất xuất hiện vào tháng II.

Hàng năm, hệ thống sông Hồng - sông Thái Bình cung cấp khoảng 120 ty m° nước và 14 triệu tấn phù sa cho vùng ven bờ Lượng vật chất này chủ yếu qua 9 cửa song chinh: Bach Dang, Cam, Lach Tray, Van Uc, Thai Binh, Tra Ly, Ba Lat, Ninh

Co va Đáy Trong đó vùng cửa sông Lạch Huyện chịu tác động trực tiếp của các

sông Bạch Đăng, Cấm Chế độ dòng chảy ở các sông này cũng như các sông khác thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình có đặc điểm là biến động mạnh theo mùa Phân tích từ các chuỗi số liệu nhiều năm cho thấy lượng nước hằng năm tập trung chủ yếu vào các tháng mùa mưa (từ tháng 6 — 9) hằng năm Trong khi đó các tháng còn lại lượng chảy hầu như rất nhỏ Trong mùa mưa Lưu lượng chảy trung bình của các sông ra biển biến đổi trong khoảng 300 — 2200 m’/s, trong khi các tháng mùa khô, lưu lượng nước trung bình chỉ dao động quanh giá trị 50 — 300 m’/s

1.1.5 Đặc điểm hải văn

Đặc trưng thủy triều: thủy triều vùng ven biển và đảo Hải Phòng là nhật triều thuần nhất với biên độ dao động lớn Thông thường trong ngày xuất hiện 1 đỉnh triều (nước lớn) và một chân triều (nước ròng) Trung bình trong một tháng có 2 kỳ triều cường (spring tide), mỗi chu kỳ kéo dai 11 — 13 ngày với biên độ dao động mực

nước từ 2.0 — 4.0 m Trong kỳ triều kém (neap tide) tính chất nhật triều giảm đi rõ

rệt, tính chất bán nhật triều tăng lên: trong ngày xuất hiện 2 đỉnh triều (cao, thấp) Xu thế biến thiên mực nước trên các địa điểm của vùng biến Hải Phòng khá giống nhau; thời gian triều rút lớn hơn triều dâng trung bình ở Hòn Dáu và mũi Đồ Sơn là 221016’, Bach Long Vi - 1g1043’, cua Nam Triéu - 1gi015’, cang Hai Phong - 1g10 05° Hang năm thủy triều có biên độ lớn vào các tháng 5, 6, 7 và 10, I1, 12, biên độ nhỏ vào các tháng 3, 4 và 8, 9 Mùa đông triều thấp vào ban ngày, mùa hè triều thấp

vào ban đêm

Đặc điểm về dòng chảy: Dòng chảy ven bờ khu vực là dòng tổng hợp, có các thành phần dòng chảy triểu, gió và sóng Trong đó, dòng chảy triều và thành phan nhật triều có vai trò quyết định Dòng nhật triều có độ lớn áp đảo gấp 5 — 20 lần dòng bán nhật và lớn hơn nhiều lần dòng 1⁄4 ngày Vì vậy, dòng chảy có tính thuận nghịch

và phụ thuộc nhiều vào địa hình bờ, định hướng theo luéng lach, cửa sông hoặc song

song với đường bờ Dòng chảy chủ yếu do ddng triéu, manh vao cdc thang 6, 7, 12 va 1, yéu vao cac thang 3, 4, 8 va 9 trong năm

Đặc điểm về sóng biến: Do ảnh hưởng của địa hình và hướng bờ, sóng biển khu vực Cát Bà nói chung không lớn, trừ vào những địp đặc biệt có sóng bão Trên toàn vùng ven biến, chủ yếu các sóng hướng bắc, đông bắc thống trị vào mùa đông, còn các sóng hướng đông, đông nam và nam thống trị vào mùa hè Phân tích tính toán với chuỗi số liệu quan trắc sóng tại Hòn Dấu trong giai đoạn 2000 — 2011 cho thay hướng sóng thịnh hành chủ yếu là hướng đông E với tân suất xuất hiện 25%, hướng bắc N với tần suất xuất hiện 35%, hướng đông nam SE với tần suất 15%, hướng đông bắc 4.5%, hướng nam S 4.5% Tuy nhiên, sóng hướng bắc chủ yếu dưới 0.2 mét, trong khi đó theo hướng sóng đông, đông nam lại đa số dao động trong khoảng 0.2 — 1.0 m Trong đó sóng lớn hơn 1.0 m chiếm khoảng 13%

1.1.6 Sự phân bố trầm tích đáy

Từ những năm 1990 đến nay, trầm tích đáy đã được lấy mẫu nhiều lần, như vậy là có đủ thong tin cần thiết để nghiên cứu thành phần trầm tích đáy của Vịnh Hải Phòng

Tổng hợp về các cỡ hạt, tức là về tỷ lệ phần trăm bột phù sa/sét (<63 micromet BS) tạo lên sa bồi đáy năm 2000, được trình bày trong Hình I.2 Trong khu

vực luông Lạch Huyện, tỷ lệ này thể hiện điều kiện của khu vực ban đầu trước khi

nạo vét luéng Lach Huyén dé chi ra hinh dang cac doi cat ban dau.

(khảo sát trong dự án nâng cấp cảng Hải Phòng 2)

Vịnh Hải Phòng và các khu vực sông lớn khác bị bồi tụ bởi sét, bột phù sa, cát

min và các trầm tích khác Hiếm có hạt bùn cát với đường kính lớn hon 250

micromet

Theo kết quả lẫy mẫu trầm tích đáy tại khu vực Nam Triệu ngay tại cửa Sông Cấm, trầm tích đáy ở đây có nồng độ bùn cao và chủ yếu có cỡ hạt < 63 micromet Hình 1.3 cho thấy kết quả của phân tích cỡ hạt qua sàng tại khu vực này Kết quả

phân tích cỡ hạt qua sàng tại khu vực Lạch Huyện được thể hiện trong Hình 1.4 D50 là khoảng 0.01 mm, lớn hơn cỡ hạt trầm tích đáy luồng Nam Triệu.

Hai Phong Sea Channel Bouy

Sediment size grading —®—Channe! Centrer is

“=k4+=Cat Ba side (6~Jul) ~*©=Channel Center

(13-Aug) “=%= bo sen side (6-Iul)

—-—Cat Ba side (6-Jul)

=————Cat Ba side (19-Aug) << Do sen side (6-1ul)

Channel Center |6-)ui}

Chanrel Center [18-Aug|

w —‹<11 2 & er CS2

a Ï_._—— —@—CS4

đây là hình thức tự sản tự tiêu Hầu hết các hoạt động kinh tế chính ở 6 xã này đều phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và bị tác động bởi sự thay đối của môi trường như thời tiết, những công trình xây dựng quy mô lớn, những hoạt động sản xuất kinh doanh quy mô lớn

Ngoại trừ việc chưa có hệ thống cung cấp nước máy, còn lại các công trình hạ

tầng xã hội cơ bản khá day đủ Mạng lưới đường bộ được nâng cấp, phát triển, dịch

vu van tai bang phà và tàu cao tốc thường xuyên cho phép người dân ở những xã này

tiếp cận với các dịch vụ xã hội và hoạt động giao thương cần thiết Các cuộc họp

giữa các bên liên quan của 6 xã bị ảnh hưởng từ dự án cho thấy việc cung cấp nước

máy từ thành phố Hải Phòng qua cầu Tân Vũ — Lạch Huyện là nhu cầu cấp thiết nhất

của người dân Cát Hải

Mỗi năm có hơn 1300 lượt tàu vào làm hàng tại cảng Hải Phòng Tất cả những tàu này đều phải đi trên luồng tàu đã nạo vét và có phao tiêu báo hiệu Giao thông trên luông thường tập trung vào thời gian luồng có mực nước cao Ngoài ra, trong số tàu thuyền đi trên luộng có rất nhiều sà lan các cỡ tới vài trăm tấn Đây là các sà lan

tự hành hoặc sà lan có tàu lai dắt Sà lan có thể đi thành từng đội tới 4 chiếc Khi có

tàu lớn đi trên luồng đếvào cảng, sà lan có thể chuyển sang sử dụng hệ thống sông

nối với sông Cam, va do có mớn nông nên sà lan có thể đi trên luồng đã nạo vét hoặc

đi ở ngoài luéng

1.3 Mạng lưới quan trắc

Khu vực cảng Lạch Huyện thuộc hạ lưu của hệ thống sông hồng Tại lưu vực

sông Hồng có mạng lưới các trạm quan trắc tương đối tương đối nhiều, đa phần là vẫn còn hoạt động với chuối số liệu khá dài Tuy nhiên, việc thu thập được số liệu tại

đây còn gặp nhiều khó khăn, nên trong tính toán tác giả sử dụng một số trạm điển

hình như Bến Bính, Cửa Cấm, Do Nghi, Hòn Dấu, Cao Kênh Sơ đồ vị trí các tram

thủy văn trên lưu vực được thể hiện trong (Hinh 1.5)

Lach Huyen, So do tram quan trac

Hình 1.5: So dé Vi tri các trạm quan trac

1.4 Hién trang sa bồi luông cửa Lạch Huyện

Đầu tiên, luéng Lach Huyện hiện tại được đào từ mặt đất tự nhiên xuống cao

độ đáy 7.8 — 8.0 m trong khuôn khổ dự án cải tạo nâng cấp cảng Hải Phòng giai đoạn 2 để sử dụng làm luông tàu dẫn vào cảng Hải Phòng thay vì luồng Nam Triệu Công

tác nạo vét cơ bản đã hoàn thành cuối năm 2005 Theo số liệu khảo sát đo sâu định kỳ của 5 năm sau khi nạo vét cơ bản, hiện tượng sa bồi luéng Lach Huyện được tong

hộp trong Hình 1.6 D6 thi nay cho thay 6 giai doan luéng trong c6 mite dé sa béi không đáng kể, nhưng ở giai đoạn luồng ngoài, giữa lý trình Km 36 — Km 42 có sa

bồi cục bộ nơi kết thúc doi cát doc luéng.

=~ From 10/1/2005 To 3/15/2006 -™-From 10/1/2005 To 3/14/2007 -#-From 10/1/2005 To 3/5/2008 -<From10/1/2005 To 2/18/2009 -*-From10/1/2005 To 3/2/2010

Hình 1.6: Khối lượng sa bồi lũy kế hàng năm tại cac vi tri doc luéng

Va Hinh 1.7 cho thay khối lượng sa bồi tích lũy trong 5 năm Có thể thấy rõ,

khối lượng sa bồi của năm đầu tiên là lớn hơn so với rất nhiều so với năm thứ 2 và

sau đó

Hình 1.8 cho thấy sự biến đổi của đường tim luồng theo trắc dọc Theo đó, có thể

thay rõ tại lý trình Km 33 — Km 4l luỗng được nạo vét quá mức so với cao độ thiết

9.5

— Oct-05 10.0

=——— Jun-07 10.5

Distance from Hai Phong Port (km)

Hình 1.8: Bién thién d6 sau tại đường tim luồng 1.5 Kết Luận

Điều kiện tự nhiên và xã hội nơi đây, cùng với nhu cầu vẻ vận tải thủy của đất

nước, thì việc xây dựng cảng nước sâu Lạch Huyện là rất triỀn vọng khi dự án hoàn

thành sẽ đáp ứng được nhu cầu của đất nước

Tuy nhiên khu vực cảng Lạch Huyện thuộc lưu vực hệ thống sông Hồng nên hang năm lượng bùn cát từ thượng lưu đồ ra khu vực cửa sông Câm - Bạch Đăng là rất lớn với diễn biến khá phực tạp Trong khi đó với các công trình cảng thì việc sa bồi tại luỗng dẫn và khu vực cảng là ảnh hưởng rất nghiêm trọng tới năng suất cảng

Vì vậy, tại các nội dung tiếp theo của luận văn, tác giả sẽ đi sâu vào phân tích diễn

biến bùn cát tại khu vực.

Chuong2 |= TONG QUAN VE PHUONG PHAP MO HINH TOAN

2.1 Tổng quan về mô hình thủy động lực

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật nói chung, các mô hình toán ứng dụng ngày càng được phát triển nhanh Các mô hình toán với các ưu điểm như cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng

thay đổi các kịch bản bài toán, v.v đang trở thành một công cụ mạnh, phục vụ đắc

lực trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trường Van dé xây dựng mô hình toán học thủy văn không phải là hoàn toàn mới Ngay từ khi bắt đầu phát triển của thủy lực học đã có sự liên hệ chặt chẽ với cơ sở toán - lý trong sự tạo thành những mô hình toán cơ bản của hàng loạt các quá trình thủy lực Có thể coi mô hình về dòng thâm của Green-Amp (1911), đường đơn vị Sherman (1932) và phương pháp tương quan hợp trục của Linsley (1949) là sự những bước đi đầu tiên trong mô hình hoá Ngày nay các mô hình tất định và ngẫu nhiên đã thu được rất nhiều thành tựu Các mô hình này đã góp phan đáng kể trong

các bài toán tính toán và dự báo thủy văn, thủy lực Tuy nhiên do sự phức tạp của các quá trình thủy văn, do thiêu những tài liệu thực nghiệm và các khái niệm vật lý chuẩn

xác cùng với sự phát triển chưa đây đủ của các công cụ toán học và phương pháp tính nên nhiều bài toán thủy lực thiếu cơ sở vật lý-toán Một hướng khác để mô phỏng các quá trình thủy lực là mô hình hoá hệ thống đã ra đời cho phép mô hình hoá nó mà không cần biết chỉ tiết các quá trình vật lý xảy ra bên trong hệ thông

Việc ra đời của máy tính và phương pháp tính làm tăng mối quan tâm đến việc xây dựng các mô hình toán thủy văn thủy lực và đưa nó vào sản xuất Trong những

năm gân đây nó đã tạo một hướng nghiên cứu độc lập, có các bài toán và phương

pháp riêng Những bài toán trước đây như giải hệ phương trình vi phân chuyển động không ổn định (hệ phương trình Saint Venant) phải đơn giản hoá thì ngày nay có thê giải đầy đủ bằng các mô hình một chiều, hai chiều, ba chiều Việc giải hệ thống Saint Venant đã thu hút cả các nhà toán học, những người quan tâm đến ứng dụng thực tế của phương pháp giải bằng số các phương trình vi phân cũng như các nhà thủy văn

học, những người muốn đưa các kỹ thuật và phương pháp tính hiện tại vào các tính

toán thủy văn, thủy lực

Mô hình toán thủy văn ngày nay được phát triển rộng rãi và ứng dụng trong

tất cả các lĩnh vực liên quan đến thủy văn học Ở Việt Nam, mô hình toán được đưa

vào từ cuối những năm 1950 với các mô hình SSARR(1956) Delta(1970) cho đồng bằng sông Cửu Long Sau đó là việc sử dụng các mô hình Muskingum(193§),

Kalinin - Miliucov(1964), Tank(1968) trong nhitng nam 1960 - 1980 Trong những

năm gan day rat nhiéu m6 hinh thuy luc-thuy van tat dinh, ngau nhién, 1 chiéu dén 3

chiéu duoc str dụng cho các bài toán dự báo, tính toán thủy văn, tính toán thủy lực,

bảo vệ môi trường và thu được những kết quả cao 2.2 Tổng quan về mô hình sóng

Sóng biến là yếu tố động lực quan trọng ảnh hưởng đến thủy động lực, vận

chuyển bùn cát và diễn biễn cửa sông Đặc biệt, cùng với mực nước, sóng biển cần

phải tính toán Đề thiết kế công trình ôn định, cần phải tính toán các điều kiện sóng thích hợp

Với xu thế của thời đại, phương pháp sử dụng mô hình toán để mô phỏng tính toán yếu tô sóng đã phát triển mạnh và đem lại giá trị kinh tế cao Một mô hình đầy đủ có tính đến tất cả các hiểu biết của chúng ta về vật lý của sóng gió và có thể áp

dụng cho tất cả mọi trường hợp là quá đắt Thay vào đó, một loạt các mô hình được đưa ra để áp dụng cho các trường hợp đặc biệt Đề chọn một mô hình thích hợp nhất

cần phải hiểu tính quan trọng tương đối của các quá trình vật lý Battjes (1994) đã phân loại các mô hình trong đó miền áp dụng được chia thành 4 như sau:

* Nước sâu, ảnh hưởng của đáy là có thể bỏ qua * Thêm lục địa - miễn giữa nước sâu và nước nông

* Miền nước nông mà tại đó hiệu ứng nước nông là quan trọng

* Cảng mà tại đó cần phải tính đến tương tác giữa sóng và một công trình nào đó (như đập phá sóng, dàn khoan dâu khí, đảo, dải đá ngầm v.v )

Các mô hình có thể được chia thành hai loại mô hình: mô hình phân giải pha có tính đến biên độ và pha của các sóng thành phần và mô hình trung bình pha chỉ tính được các đại lượng trung bình như phố hay các đặc trưng tích phan ( H,, ƒ,, V.V.).

Nếu như các đặc trưng trung bình pha thay đổi nhanh (với bậc vài bước sóng) thì nói chung cần phải dùng một mô hình phân giải pha Ngược lại, nếu các tính chất sóng

thay đôi chậm, trên kích thước rất nhiều bước sóng thì nói chung là một mô hình

trung bình pha là áp dụng được s Mô hình phân giải pha

Các mô hình phân giải pha được chia thành các loại như sau : - Mô hình Navier — Stokes 3 chiêu khép kín rối

- Mô hình dòng thế 3 chiều - Mô hình áp suất tính, giả 3D - Mô hình sóng nước nông - Mô hình Boussinesq

- Mô hình sóng trên mái dốc thoải

- Đại diện là các mô hình : POM, Delft3D, Mike 2I HD

s Mô hình trung bình pha

- Các mô hình trung bình pha dự báo các tính chất trung bình hay tích phân của trường sóng Dưới dạng đơn giản nhất, các đại lượng này có thể là độ cao sóng có nghĩa hay chu kỳ đỉnh Tuy nhiên, một cách chung hơn, các mô hình trung bình pha hiện đại dự báo biến đối không gian và thời gian của phô hướng SỰ 0),

- Các mô hình trung bình pha này giải phương trình cân bang năng lượng phô sóng Đâu tiên là các phương trình cân bằng năng lượng phố được rút ra Sau đó sẽ mô tả tóm tắt một số mô hình số trị để giải các phương trình này

- Đại diện là các mô hình: WAM, Wave Watch III (nước sâu), SWAN (gần bờ, có

tương tác với dòng chảy)

Không có loại mô hình nào là ưu việt hơn và thường là dải áp dụng của chúng là không trùng lặp Tuy nhiên, Battjes (1994) kết luận răng: “Các mô hình phân giải pha cần nhiều thời gian tính toán đến nỗi chỉ nên dùng chúng khi mà có yêu cầu nghiêm ngặt” Trong số các quá trình sóng, chỉ có nhiễu xạ và tương tác phi tuyến triad yêu cầu được mô phỏng băng mô hình phân giải pha Do đó, miền áp dụng của các mô hình phân giải pha thường là chỉ giới hạn tại tương tác sóng và công trình (cảng v.v.) và miền gần bờ mà ở đó tương tác triad là quan trọng.

2.3 Tống quan về mô hình vận chuyển bùn cát

Sự vận chuyền bùn cát là yếu tô quan trọng cho sự thay đối mái dốc bờ biển Các nghiên cứu đầu tiên liên quan đến động lực học chất lỏng và vận chuyên bùn cát

được thực hiện bởi Bagnold năm 1936, 1937 Đến năm 1950, Einstein và các cộng sự nhờ vào sự phát triển của năng lực tính toán, biến các mô hình toán vận chuyển bùn cát thành một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực khoa học ven biển Nam 1967, Robert

P Apmann va Ralph R Rumer nghiên cứu quá trình phát tán các hạt trầm tính do khuếch tán rối trong dòng chảy bất đồng nhất dựa trên mô hình toán

Một trong những nghiên cứu đầu tiên liên quan đến điều kiện bùn lỏng được thực hiện bởi Einstein và Chien năm 1955, hai quá trình kết bông và cô kết đáy đã được nghiên cứu Tác giả đã nhận định rằng độ mặn tối thiểu I%o là giới hạn khởi đầu cho quá trình kết bông Odd và Owen, 1972 sử dụng mô hình 1D xem xét tốc độ xói mòn và lắng đọng dựa trên công thức đề xuất của Krone 1962 và Partheniades 1965 Smith và Kirby, 1989 đã ứng dung các mô hình ID để mô phỏng vận chuyển bùn cát và thay đối hình thái quy mô lớn ở các sông De Vries, trong kênh thủy triều Dyer và Evans, mô phỏng quá trình hình thành “lutocline” ở các cửa sông Ross và Mehta

Năm 1971, O'Connor trinh bay mé hinh 2D tich phân theo chiều thăng Ariathurai và Krone, 1976 đã trình bày một mô hình phần tử hữu hạn áp dụng các yếu tố hình tam giác với một xấp xỉ bậc hai cho nồng độ và phương pháp trọng số thặng dư Galerkian Mô hình sử dụng các công thức cô điển xác định quá trình xói

mòn và lăng đọng trầm tích Quá trình keo tụ được tính toán bằng cách xác định vận

tốc chìm lăng trên mỗi phân tử lưới là một hàm của thời gian Mulder và Udink 1991 áp dụng mô hình 2D cho cửa sông Western Scheldt có tính đến thủy triều và sóng gió Mô hình giải một phương trình cân băng tác động phô, nội suy độ cao và chu kỳ sóng tính toán theo các thời kỳ triều khác nhau để xác định vận tốc quỹ đạo và thành

phân ứng suất trượt đáy do sóng Sử dụng các công thức thực nghiệm để tính toán

xói mòn và lắng đọng trầm tích và sử dụng các giá trị đồng nhất cho ứng suất trượt tới hạn của quá trình xói mòn, lăng đọng và vận tôc chìm lăng.

Li và cộng sự, 1994 phát triển mô hình 2DV tích hợp giữa mô hình thủy động lực học và mô hình vận chuyên bùn cát cho cửa sông Gironde nước Pháp, trong đó có sử dụng mô hình khép kín rồi để tính hệ số nhớt rối và hệ số khuếch tán, mô hình có tính đến quá trình trao đối trầm tính đáy

O'Connor và Nicholson, 1988 cung cấp một mô hình 3D đầy đủ, bao gồm một mô hình vận chuyển bùn lỏng, có tính đến sự kết bông và có kết Katopodi và

Ribberink 1992 đã phát triển một mô hình tựa 3D cho vận chuyển bùn cát lơ lửng

trên cơ sở của phương trình bình lưu khuếch tán cho dòng chảy và sóng, phân tích độ nhạy của các tham số sóng và dòng chảy Các mô hình (nghiêng áp) thuỷ động lực và vận chuyền trầm tích đã được phát triển và áp dụng cho các vùng ven biển (De Kok

và cộng sự, 1995)

Năm 1994, Leonor Cancino và Ramiro Neves mô tả và ứng dụng hệ thống mô hình thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích 3D (dạng nghiêng áp, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn) Mô phỏng quá trình vận chuyên trầm tích gắn kết được thực hiện bằng cách giải các phương trình bảo toàn, bình lưu - khuếch tán 3D, trong cùng một lưới sử dụng trong mô hình thủy động lực Qúa trình cố kết, xói mòn và lắng đọng của trầm tích được biểu diễn băng các công thức thực nghiệm

Năm 2004, Wahyu W Pandoe và Billy L Edge ứng dụng mô hình ADCIRC- 3D tính toán dòng chảy và vận chuyển bùn cát dọc bờ biến vịnh Mexico và dọc bờ biển Texas, kết quả cho thấy mô hình cho kết quả tốt khi áp dụng cho các khu vực cửa sông có độ dốc nhỏ

Năm 2005, C.H Wang, Onyx W.H Wai và C.H Hu phát triển mô hình tính toán vận chuyền trầm tích cho vùng cửa sông Pearl River (vịnh Lingding) Mô hình sử dụng kỹ thuật tách để giải các phương trình chủ đạo: giải các số hạng bình lưu bằng phương pháp Eulerian-Lagrangian, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho các số hạng khuếch tán theo phương ngang và phương pháp sai phân hữu hạn cho số hạng khuếch tán theo phương thăng đứng Guy Simpsona, Sebastien Castelltort, trình bày mô hình coupled giữa mô hình dòng chảy mặt, vận chuyền trầm tích và diễn biến hình thái Mô hình sử dụng các phương trình nước nông cho dòng chảy, bảo toàn nông độ trầm tích, hàm thực nghiệm cho ma sát đáy, xói mòn va lắng đọng Quá

trình xói mòn và lăng đọng được xử lý độc lập và tác động đến thông lượng trầm tích

thông qua trao đôi vuông góc với biên đáy của dòng chảy

Năm 2008, John C Warner, Christopher R Sherwooda, Richard P Signel,

Courtney K Harris va Hernan G Arangoc phat trién mô hình 3D couple sóng, dòng chảy và vận chuyển bin cat bang céng cu MCT (Model Coupling Toolkit) va dp dụng tính toán cho vịnh Massachusetts Mô hình là sự kết hợp giữa mô hình hoàn lưu ven biến ROM v3.0 và mô hình tính sóng vùng nước nông SWAN Vận chuyền trầm tích được xem xét trong nhiều lớp, mỗi lớp có các đặc điểm riêng như đường kính

hạt, mật độ, vận tốc lăng đọng, ứng suất tới hạn cho quá trình xói mòn Vận chuyển

trầm tích lơ lửng trong cột nước được tính giống thuật toán bình lưu khếch tán và bố sung thuận toán giải theo chiều thăng đứng mà không phụ thuộc vào tiêu chuẩn CEL

Ở Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến vấn đề thủy động lực và vận

chuyền bùn cát bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước Cho đến nay các vẫn đề liên quan đến thủy động lực và vận chuyền trầm tích tại các vùng ven biển Việt Nam đang là mối quan tâm của nhiều nhà khoa học và các cơ quan nghiên cứu Một số cơ quan nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này như Khoa Khí tượng

Thủy văn Hải dương học, Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Cơ học, Viện Hải dương

Học Nha Trang Các khu vực xới lở và bồi tụ tiêu biểu có thể kế đến như Cát Hải

(Hải Phòng), Hải Hậu (Nam Định), Hậu Lộc (Thanh Hóa ), Gò Công Đông (Tiên

Giang), Ngọc Hiển (Bạc Liêu)

Dinh Van Ưu (2003 — 2012), nghiên cứu các quá trình thủy động lực, lan truyền vật chất băng mô hình 3D (MDEC) Trong thời gian này, tác giả đã phát triển

và hoàn thiện dần mô hình cho mục đích nghiên cứu thủy động lực, vận chuyển tram

tích và lan truyền chất gây 6 nhiễm môi trường Mô hình sử dụng hệ phương trình bình lưu khuếch tán đây đủ đối với các tính toán thủy động lực và nông độ trầm tích lơ lửng và phương trình bảo toàn khối lượng để tính toán sự biến đối của độ dày lớp đáy lỏng Một số kỹ thuật tính toán mới đã được phát triển và áp dụng cho phép linh

hoạt hơn trong quá trình thiết lập các điều kiện biên có mực nước và lưu lượng biến đôi phức tạp như các cửa sông.

Năm 2005, Nguyễn Thị Bảy, Mạnh Quỳnh Trang, ứng dụng mô hinh 2 chiéu tính toán chuyền tải bùn cát dính vùng ven biển dựa vào lời giải hệ phương trình Reynolds, kết hợp với hệ phương trình chuyên tải bùn cát, lẫy trung bình theo chiều sâu, có tính đến hàm số nguồn, mô tả tốc độ bốc lên hay lăng xuống của hạt Mô hình tính được kiểm tra với nghiệm giải tích, và so sánh với số liệu thực đo đối với vùng

biển Cần Giờ

Năm 2010, Trần Hồng Thái, Lê Vũ Việt Phong, Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Văn Hải ứng dụng mô hình toán 2 chiêu RMA2 và SED2D để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trong sông - biển từ những nguồn ô nhiễm khác nhau do Dự án xây dựng Nhà máy nhiệt điện Mông Dương gây nên

Năm 2011, Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển, Nguyễn Vũ Thăng tính biến động bờ biến khu vực huyện Hải Hậu tỉnh Nam Định dưới tác động đồng thời của sóng và dòng chảy bằng cách chạy đồng thời các mô hình tính dòng chảy và sóng Các mô hình được sử dụng gồm ADCIRC, CMS-M2D, SWAN và STWWAVE Pham S¥ Hoan va Lê Dinh Mau áp dụng mô hình ECOMSED tính toán

vận chuyền vật chất lơ lửng tại dải ven biển cửa sông Mê Công Mô hình sử dụng

phương trình liên tục, phương trình cân bằng thỷ tĩnh, các phương trình bảo toàn nhiệt — muối, phương trình vận chuyên vật chất, kỹ thuật phân tách dạng dao động do

Simons (1974), Madala va Piacsek (1977) phat triển, so đồ MPDATA cho quá trình

bình lưu và sơ đồ khép kín rối bậc 2 do Mellor và Yamada đề xuất năm 1982 2.4 Mô hình EEDC

2.4.1 Giới thiệu chung

Mô hinh EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) là một phan mềm mô

hình toán có khả năng dự báo, tính toán và mô phỏng các quá trình dòng chảy, lan truyền có tính đến các quá trình sinh - địa - hóa trong sông, trong hồ chứa, các vùng cửa sông Mô hình được cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ US EPA phát triển từ những năm 1980, đến 1994 được các nhà khoa học Viện Khoa Học Biển Virgina tiép tục xây dựng Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình động lực, nguyên tắc bảo toàn khối lượng và bảo toàn thể tích Mô hình là mô hình đa chiều (1 chiều, 2

chiêu, 3 chiêu) nên có khả năng đạt độ chính xác cao trong việc mô hình hóa các hệ

thống đầm lây, đất ngập nước, kiểm soát dòng chảy, các dòng sinh sóng gần bờ và các quá trình vận chuyền trầm tích

2.4.2 Cầu trúc mô hình EFDC

Hiện nay mô hình EFDC đã qua nhiều phát triển, cập nhật và gồm 4 modul

chinh sau (Hinh 2.1):

- M6 hinh thuy dong lực học

- _ Mô hình chất lượng nước - _ Mô hình vận chuyền trầm tích

- _ Mô hình lan truyên, phân hủy các chất độc trong môi trường nước mặt

Kết quả tính toán từ mô hình thủy động lực học (như độ sâu, vận tốc, tốc độ xáo trộn ) được kết hợp và sử dụng trực tiếp trong các modul còn lại như mô hình chất lượng nước, mô hình vận chuyên bùn cát và mô hình lan truyền, phân hủy độc chât

Mô hình EFDC

Mô hình thủy MH chất lượng MH vận chuyển MH lan truyền

nước bùn cát chât độc động lực học

Mô hình thủy động lực học EEDC gồm 6 modul lan truyền vận chuyển, bao gồm: động lực học, chất tải, nhiệt độ, độ mặn (Hình 2.2)

MH thủy động lực học

2.4.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình thủy động lực EFDC

Mô đun thủy động lực của mô hình EEDC dựa trên hệ phương trình thủy tĩnh 3 chiều

viết cho hệ tọa độ theo phương thăng đứng và tọa độ cong trực g1ao nằm ngang

® Phương trình động lượng là: - - Theo phương X:

0, (mm, H,) +0, (my Hy) + Oy (mxHy„) +0, (mm, WU) — fom,m,H,, y

oF (mm, HA, | + 0, (my Hy) +0 y(myHuwy) +0 z (myn WV) — femymyHy

=—myH8y (P+ Py, +) +m, (252, + sêyHÌ]ê;P

x, y: là tọa độ năm ngang trực giao;

„ y: tương ứng là vận tốc ngang trong lưới tọa độ cong trực giao x, y;

mx, my : hé số tỉ lệ theo trục x, V; H: độ sâu cột nước;

z: tọa độ cao thăng đứng: w: van tốc thăng đứng:

p: thành phân áp suất;

# thông số luc Coriolit;

A,: độ rỗi thăng đứng hoặc tính nhớt xoáy;

@.;: lưu lượng bùn cát đến; @.„: lưu lượng nước đến;

Ocy: lưu lượng nước ngầm chảy vào dưới đáy lớp bùn cát;

B: tổng chiều dày lớp bùn cát đáy (lớp bùn cát có khả năng bị xói);

On: gồm lượng trữ ban dau, lượng nước do mưa rơi xuống, lượng dòng bên gia nhập

và chảy ra khỏi đoạn kênh

Ở đây hệ số nhớt rối liên quan đến ứng suất tiếp, áp suất khí động lực học liên

quan đến mật độ nước Ap suat động lực nước được viết bởi phương trình sau:

Cao trình đáy sông được xác định bởi phương trình:

+

V6i Z;,, la cao trinh đáy tính toán vận chuyển bùn cát đáy

Cao trình mặt nước được xác định như sau:

= + = + [— -

(vi x,, = 1-x,) Khối lượng các hạt vật liệu trong một đơn vị thể tích x,Ð, sẽ là:

%,Ø, = Ø,~ Ø,)1Ú9, ~ Ø„) = 2.6ø—1)/1.6 (2-11)

Trong đó rạ= 2.6 g/em var, = 1.0 g/em’ Nhờ biết được dung trọng của đất

nên khối lượng dòng xói mòn (g/em”/s) bằng tích tốc độ xói mòn E (cm/s) va x, py Do tốc độ xói mòn biến đổi theo chiều sâu và tính chất đất đáy sông nên trong mô hình số đất đáy sông được được phân ra các lớp mỏng Do tốc độ xói mòn chỉ

được xác định đối với các gia tri ung suất cắt nhất định nên nội suy tuyén tinh duoc su dung để xác định tốc độ xói mòn cho các giá trị khác của ứng suất cắt, 7”, cụ thể

b) Vật liệu lơ lửng và di đáy:

Khi đất đá đáy lòng sông bị xói mòn, một phần trong chúng tham gia vào vật liệu lơ lửng, một phân di chuyển trên mặt đáy (di đáy) Các thành phần này phụ thuộc vào đường kính hạt và ứng suất cắt Người ta lập luận cho răng, hạt đường kính nhỏ hơn 200mm thường là thành phân lơ lửng Hạt có đường kính lớn hơn 200mm tham gia cả thành phần lơ lửng, cả di đáy phụ thuộc vào cả đường kính hạt và ứng suất cắt Chăng hạn đối với hạt đường kính nhất định có thể bắt đầu bị đây vào trạng thái lơ lửng hoặc di đáy khi ứng suất cắt,„ (N/m”) theo Van Rijns (1984) là:

Tos = P,,(4W,/d,) Khi:d < 400mm; cs = Pw ( I o) (2-14) T = P,,(0.4W,) Khi:d > 400um;

Trong đó đ là đường kính hạt không kích thước tính theo công thức:

Guy và nnk (1966) đã thực hiện thí nghiệm chỉ tiết vận chuyển bùn cát đối với

vật liệu đường kính hạt trung bình, đso từ I90mm đến 930mm Các tác giả thu được

kết quả về tý số giữa vận tốc cắt lúa = (7? / Pw |

va van toc chim lang tang theo su tang ty 1é gitra thanh phan lo Itmg va di day 9,/q;:

thước hạt k được tính như sau:

khí 7” >t 04 Bay = a (ee) bk = -[1- #l(„2 dt

E 0 khi Per : fe =0 bk -

(2-17)

Trong đó ƒ, là thành phần vật liệu nhóm kích thước hạt k trong lớp đất trên mặt đáy lòng sông.

Vật liệu lơ lửng: Phương trình mô tả vận chuyên vật liệu lơ lửng trong không gian hai chiều (trung bình trên toàn thủy trực) theo thời gian được viết như sau:

Trong đó Œ, là nông độ vật liệu lơ lửng và D;„là độ phân tán ngang

(cm’/s); Dj xác định bằng tương quan thực nghiệm đối với sông:

Trong đó ở là chiều dày lớp nước (cm) Tổng lượng vật liệu từ đáy sông cấp

thêm cho thành phần vật liệu lơ lửng, @,, được xác định bang hiệu giữa tong luong

xói mòn nhập vào thành phần lơ lửng và lượng vật liệu lơ lửng lăng đọng-tích tụ xuống day, D,:

Các phương trình trên áp dụng cho vật liệu mọi cấp hat k

Cần có các tính toán thêm để tính nồng độ vật liệu lơ lửng gần đáy phục vụ tính toán thành phần lắng đọng-tích tụ Vật liệu lơ lửng không phân bố đồng đều theo chiều sâu cột nước (thủy trực) Nhưng nếu giả sử phương trình ôn định cân bằng một chiều của quá trình chìm lắng và phân tán thăng đứng của hạt vật liệu thì mặt phân

bố nông độ vật lơ lửng theo mặt cắt của vật liệu có kích thước cấp hạt cụ thể có thể

biểu diễn gần đúng như sau:

C., (<) = Cyexp(-W,, /D,) (2-21)

Trong đó Cọ là nồng độ sát đáy (g/cm), w, là vận tốc chim lang (cm/s), và D, là độ phân tán thăng đứng (cm/s) xác định bằng kết quả thực nghiệm đối với sông là:

Phương trình (1) được lẫy tích phân theo toàn bộ chiều sâu để cho quan hệ giữa nồng độ vật liệu lơ lửng trung bình và nồng độ vật liệu lơ lửng sát đáy Nồng độ vật liệu lơ lửng sát đáy có thể xác định trực tiếp tại bất kỳ độ sâu nào qua nồng độ

trung binh theo công thức (12).

Trong dòng nước chảy, sự lang đọng vật liệu ảnh hưởng bởi chế độ chảy rỗi thể

hiện một cách định lượng qua ứng suất cắt Trong trường hợp này, xác suất P, của quá trình lắng đọng của vật liệu nhóm kích thước & có thể đưa ra để thể hiện anh hưởng của ứng suất cắt:

Xác suất này bằng | trong trudng hop dong nude khong chảy và giảm dần khi van tốc ứng suất cắt của dòng chảy tăng lên

Sự lang dong vật liệu lơ lửng được tính qua nông độ vật liệu sát đáy theo

phương trình (12) Xác suất lắng đọng khác nhau đối với đất dính và các vật liệu có

kích thước hạt khác nhau Đối với vật liệu không liên kết, đường kính hạt hữu hiệu

bé hơn 200 mm, theo Krone (1962) xác suất lắng đọng thay đôi như sau:

P, =0 khi 1? = Tes :P=(1-2?/re5 khi 7? < Tes (2-24)

Đối với vật liệu không dính có kích thước hạt lớn, kích thước hạt hữu hiệu lớn

hơn 200mm, Gessler (1967) cho thấy xác suất lắng đọng có thể tuân thủ quy luật

phân bố Gauss hoặc hàm số độ lệch (error function):

P, = erf (Y/2)

Trong do: ¥=(to g/t 1) /o

Tes la Ung suat cat t61 han doi voi kich thudc hat k va la dé léch chuan cua

(2-25)

ứng suất cắt (theo Gessler là 0.57)

Công thức gần đúng khi Y>0 (sai số nhỏ hơn 0.001%) là:

Vật liệu đi đáy: Phương trình cân bằng Van Rijn's (1984a) van chuyén bin cat di day có dạng:

Trong do C;,, la nông độ vật liệu di đáy, @; là dòng vật liệu di đáy theo hướng

thăng đứng (lên hoặc xuống đáy) Phương trình này được giải băng phuơng pháp sai phân hữu hạn (sơ đồ trung tâm) Dòng vật liệu di đáy theo hướng ngang tính theo công thức:

Trong do u, la van toc dong vat liéu di day (cm/s) theo huéng dang xem xét, h, 1a chiều dày lớp vật liệu di đáy (em), và w là chiều rộng mặt đáy đang tính toán (em) Vận tốc và chiêu dày lớp vật liệu di đáy theo công thức Van Rijn's (1984a):

Nông độ cân bằng, C., được xác định theo các kết quả thí nghiệm với các vật liệu

đồng nhất Nói chung vật liệu đáy cần phải gồm nhiều cấp hạt (đường kính hạt)

Trong trường hợp này, vận tốc xói mòn đối với vật liệu có kích thước hạt cụ thể là f, ;; từ đó suy ra xác suất lang đọng của vật liệu kích thước hạt k :

fe, — E,

Trong phương trình này có sử dụng giả thiết về cân băng động lực giữa xói mòn và

lang dong đối với vật liệu cấp hat k

Quá trình thô hóa: Theo thời gian sự giảm tốc độ xói mòn hoặc sự thô hóa có thể xây

ra Để mô tả được quá trình nảy giả sử răng lớp đất mỏng (lớp đất hoạt tính) được hình thành trên bề mặt đáy Sự tôn tại và tính chất của lớp hoạt động này cho phép quá trình xói hoặc lắng đọng vật liệu trong lớp này mà không là xáo động lớp đất bên dưới Van Niekerk và nnk (1992) đã đề xuất chiều dày lớp này có thể tính gần đúng