Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng và biến động trầm tích đáy cho vùng biển vịnh Hạ Long Đinh Văn Ưu Trung tâm Động lực và Môi trường Biển Tóm tắt.. Đã
Trang 1Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển
chất lơ lửng và biến động trầm tích đáy
cho vùng biển vịnh Hạ Long
Đinh Văn Ưu
Trung tâm Động lực và Môi trường Biển
Tóm tắt Đã phát triển và ứng dụng hệ thống mô hình thuỷ động lực và vận
chuyển vật chất lơ lửng đối với vùng biển vịnh Hạ Long Hệ thống này bao gồm
các mô hình 3 chiều (3D) thuỷ-nhiệt động lực và vận chuyển vật chất lơ lửng, mô
hình lớp biên đáy
Những kết quả ban đầu cho thấy hệ thống các mô hình có thể ứng dụng cho
các khu vực biển có điều kiện địa hình và thuỷ động lực phức tạp như vịnh
Hạ Long cũng như các vùng cửa sông ven biển nhằm mục đích xây dựng hệ
thống mô hình monitoring và dự báo môi trường biển
Từ khoá: hệ thống mô hình 3D,vật chất lơ lửng, Vịnh Hạ Long
1 Đặt vấn đề
Sự hiện diện của các chất lơ lửng trong nước được nghiên cứu thông qua phân tách toàn bộ lớp nước thành hai phần: phần nước nằm trên có nồng độ tương đối thấp
và phần sát đáy có nồng độ cao (lớp đáy lỏng) Đối với phần trên, chúng ta có thể sử dụng hệ các phương trình bình lưu - khuếch tán vật chất áp dụng cho nồng độ chất lơ lửng, còn đối với phần sát đáy thì sử dụng phương trình biến đổi độ dày của toàn lớp trầm tích Mô hình này có thể áp dụng đồng thời cũng như tách biệt vì vậy dễ dàng phát triển cho các loại bài toán khác nhau từ nghiên cứu vận chuyển phù sa, xác định nguồn gốc trầm tích đáy, bồi xói đáy sông, biển đến các bài toán lan truyền ô nhiễm Trong khuôn khổ của bài báo này, chúng tôi giới thiệu các kết quả bước đầu giải bài toán tính biến động lớp trầm tích đáy, và chất lơ lửng là phù sa Các kết quả thu
được là cơ sở để phát triển ứng dụng cho bài toán vận chuyển các chất lơ lửng trong nước biển và khả năng ảnh hưởng của chúng lên chất lượng môi trường nước và trầm tích đáy
Việc ứng dụng mô hình 3D phương trình bình lưu - khuếch tán nghiên cứu lan truyền vật chất cho phép giải quyết bài toán một cách chính xác hơn so với lớp các mô hình 2D và tựa 3D trước đây Việc áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn trong mô hình số cũng góp phần nâng cao khả năng ứng dụng của mô hình
1.1 Mô hình vận chuyển chất lơ lửng trong lớp nước
Sử dụng phương trình bình lưu - khuếch tán đầy đủ đối với nồng độ chất lơ lửng:
11
Trang 2c z y
c y x
c x z
y x
cw z
cv y
cu x
t
c
z y
x z
y x
∂
∂
∂
∂ +
∂
∂
∂
∂ +
∂
∂
∂
∂ +
=
∂
∂ +
∂
∂ +
∂
∂
ư
=
=
∂
∂ +
∂
∂ +
∂
∂
+
∂
∂
λ λ
λ φ
ϕ ϕ ϕ
) ( ) ( ) (
(1)
với hàm nguồn bao gồm suất nhập (sản sinh), xuất (tiêu hủy) và lắng đọng:
Đối với chất lơ lửng là phù sa - một hợp phần tựa bền vững với các nguồn xuất - nhập hầu như chỉ xẩy ra trên biên, vì vậy chỉ cần chú ý duy nhất đến quá trình lắng
đọng
Trước mắt các điều kiện biên đối với các biên biển hở có thể cho giá trị không đổi
về nồng độ hoặc lưu lượng phù sa dựa theo đánh giá thực tế thông thường có giá trị không đáng kể Các điều kiện tương tự cũng có thể áp dụng đối với các biên cửa sông với những giá trị nhất định Đối với mặt phân cách giữa lớp nước và lớp đáy, các thông lượng trao đổi được tính thông qua quá trình bứt xói và lắng đọng trầm tích
Suất lắng đọng qua biên này được tính dựa vào vận tốc lắng đọng, nồng độ chất lơ lửng tại chỗ và giá trị vận tốc động lực tương đối so với giá trị tới hạn cho phép lắng
đọng xuống đáy
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
ư
=
d b s d
b
u
u c
w D
τ
τ
1 1
2
*
với điều kiện u* < u*d hoặc tương ứng τ < τd
Giá trị của vận tốc lắng đọng của chất lơ lửng phụ thuộc một cách phức tạp vào
đặc trưng của trầm tích và yếu tố động lực học Van Rijn (1984) đã đưa ra một công thức thực nghiệm sau đây tính theo kích thước hạt d, tỷ lệ giữa mật độ trầm tích và mật độ nước, s, và độ nhớt động học, η:
( )
η
18
1
2 ư
= gd s
thông thường giá trị s ≈ 2,65 và η ≈ 1,5.10-6 m2/s
Giá trị d được xác định theo công thức:
d = [ 1 ư 0 , 011 ( σs ư 1 )( T ư 25 ) ] d50 , (5) trong đó
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
ư
=
16 50 50
84
2
1
d
d d
d
s
σ là độ phân tán của kích thước trầm tích, σs < 2 khi trầm
tích tương đối đồng nhất,
cr b
cr b c
T
,
, ,
' τ
τ
= là tham số ứng suất phi thứ nguyên với τ 'b, c
Trang 3là ứng suất đáy do dòng chảy và τ 'b, cr là giá trị tới hạn được tính theo công thức phụ thuộc vào kích thước hạt và giá trị số Shields tới hạn:
Việc tính toán tham số Shields có thể sử dụng công thức của Van Rijn:
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
≤
<
≤
<
ư
10
* 4 14
, 0
4
* 1 24
, 0
64 , 0
*
1
*
D D
D D
cr
θ
với biểu thức đối với kích thước hạt phi thứ nguyên đặc trưng:
2 50
*
1
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
=
η
s g d
Như vậy kích thước trầm tích d = d50 khi giá trị ứng suất tương đối T > 25
Nghiên cứu vận tốc lắng đọng trong điều kiện dòng triều, Portela (1997) đã dẫn
ra công thức đơn giản hơn chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất lơ lửng:
⎪⎩
⎪
⎨
ư
3 1
3 1
/ 1
, 0 )
( 02
, 0
/ 1
, 0 )
( 002 , 0
m kg c
s m c
m kg c
s m
p Nồng độ chất lơ lửng gần đáy cb và c được lấy theo nồng độ tại biên dưới cùng lớp nước hoặc giá trị trung bình cho lớp biên đáy Giá trị của nồng độ này có thể tính theo quy luật hàm số mũ (Mayer, 1995):
1 0
0
1
ư
ư
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ư
w
v
s b
v s
e H A
w c
với H0 là độ dày lớp nước có ảnh hưởng, thông thường độ dày này được chọn bằng 1m và
c là nồng độ trung bình trong lớp nước đó
Hệ số khuếch tán Av đối với chất lơ lửng mịn đường kính nhỏ hơn 20 àm được xem
là giảm tuyến tính trong lớp sát đáy từ 3.10-10 m2/s đến 3.10-11 m2/s (Pohlmann, 1994) Cũng theo Pohlmann (1994) thì giá trị vận tốc tới hạn đối với lắng đọng có thể lấy như sau:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
≤ +
+
≤
=
ư
ư
ư
ư
ư
ư
s m w
s m
s m w
s m w
c
s m w
s m u
s
s s
s d
/ 10 5 /
028
,
0
/ 10 5 10
5 ) ( 3 , 4 log 02 , 0 008
,
0
/ 10
5 )
( 008
,
0
4
4 5
1
5 1
*
f
p
Trong trường hợp đáy biển có sinh vật đáy, thì quá trình lắng đọng sinh học có thể tính như sau:
với
Trang 4wbio ≈ 1 , 15 10ư6m / s (12) Thông lượng bứt xói từ đáy có thể tính theo nhiều cách khác nhau đối với từng loại trầm tích đáy
Theo Pohlmann (1994), đối với đáy bùn thì suất bứt xói sẽ là:
E = Ce( u*2 ư u*e2) ton /( m2s ) (13) với hệ số Ce = 10-4 ton.s/m4 lấy theo kết quả thực nghiệm của Puls (1984) và Rodger et
al (1985)
Giá trị của vận tốc động lực bứt xói tới hạn được lấy bằng 0,028 m/s
Như vậy đối với mô hình vận chuyển chất lơ lửng trong toàn lớp nước, thông lượng vật chất qua biên sẽ là tổng đại số của hai hợp phần lắng đọng D và bứt xói E:
1.2 Mô hình biến đổi độ dày lớp trầm tích đáy lỏng
Sử dụng phương trình bảo toàn khối lượng để nghiên cứu biến đổi của độ dày lớp
đáy lỏng:
∂
.
ξ
(15)
với là thông lượng vật chất vận chuyển ngang trong lớp đáy lỏng có thể xem đồng nhất với dòng vận chuyển trầm tích di đáy Các hạng thức D và E tương ứng suất lắng
đọng và bứt xói trao đổi với lớp nước nằm trên đã được đề cập trong phần trước Sau
đây chúng ta sẽ tập trung phân tích các công thức tính toán đối với suất di đáy
q r
Thông thường suất di đáy q r
.
∇ được tính theo véc tơ của dòng vận chuyển trầm tích di đáy , đại lượng này được tính theo nhiều công thức khác nhau như Piter-Mayer, Van Rijn, v.v phụ thuộc vào ứng suất đáy do tác động của sóng và dòng chảy
và đặc trưng của trầm tích
q r
Công thức Piter-Mayer (1948) dạng tổng quát có thể viết như sau:
50
2 / 1
047 , 0
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
ρ
ρ ρ
d g
với
( ) 50
,
gd
s
c
ρ ρ
τ θ
ư
2 / 3
' ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
C
C
à (17)
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
c s
k
h C
,
12 log
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
90
12 log 18 '
d
h
C , h là độ sâu lớp nước, ks,c là tham số
nhám
Trang 5Nếu bỏ qua hạng thức 0,047, công thức (16) trở về dạng đơn giản sau:
2 / 3 2
* 2
*
.
ư
ư
g
u u q
s
cr
ρ
Cùng với các giả thiết về hai lớp như trên, Van Rijn (1984) đã đưa ra công thức tính vận chuyển di đáy trong dạng sau:
cr cr
s
v
v D d
g
θ
θ ρ
ρ ρ
>
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
ư
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
= 503/2 0 , 053 1 / *0,3 ,
2 / 1
, (19)
Giá trị ứng suất đáy phục vụ tính tham số Shields, θ, được lấy từ kết quả mô hình thuỷ nhiệt động lực 3D:
2
* ,c ρ u
Như vậy, việc đưa mô hình lớp trầm tích đáy lỏng vào mô hình 3D thuỷ động lực vừa cho phép cung ứng các điều kiện biên trao đổi chất qua biên cho phép giải bài toàn vận chuyển chất lơ lửng, đồng thời kết quả tính toán ứng suất đáy lại cung cấp đầu vào cần thiết cho mô hình lớp biên đáy lỏng Trong trường hợp phát triển mô hình lớp biên
đáy bao gồm các tầng trầm tích khác nhau, chúng ta có thể hoàn thiện mô hình biến
động đáy đáp ứng các yêu cầu về nghiên cứu bồi, xói cũng như nguồn gốc, chất lượng môi trường
2 Một số kết quả ứng dụng mô hình đối với vùng vịnh Hạ Long
Với những kết quả phát triển mô hình 3D thuỷ động lực học nước nông ven bờ, chúng tôi đã thử nghiệm kết hợp giải bài toán lan truyền chất lơ lửng dạng vệt cho vùng biển có địa hình phức tập như vịnh Hạ long (hình 1)
Q u ả n g N i n h
L ạ n g S ơ n
B ắ c G ia n g
T P H ả i P h ò n g
Q u
Q u ố c
3 1
c lộ
Đ ư ờ n g x e g o ò n g
Q
u ố
c l ộ 4 B
Q u ố c l ộ 4 B
S ô n g B a C h e
T R U N G Q U O C
Hình 1 Bản đồ vùng biển Quảng Ninh và vịnh Hạ Long
Trang 6Kết quả mô phỏng vệt loang do nguồn điểm đối với chất lơ lửng, áp dụng cho hai trường gió đối lập nhau trong 2 mùa, cho thấy vai trò của hoàn lưu dư có ý nghĩa rất quan trọng đối với khả năng lan truyền chất vào dải ven bờ và thoát khỏi vịnh (Đinh Văn Ưu và ctv, 2005) Với một đặc trưng thuỷ động lực nhất định, khả năng duy trì các chất lơ lửng tại các tầng sâu và lắng đọng xuống đáy là đáng kể
Cùng với dòng dự, các kết quả mô hình hoá dòng chảy tổng hợp cho thấy sự biến
động của trường hoàn lưu hết sức mạnh mẽ, có thể thấy điều này trên hình 3 dẫn ra dòng chảy tổng hợp mùa hè trong 2 pha triều ngược nhau (hình 2)
Hình 2 Kết quả tính hoàn tổng hợp mùa hè trong hai pha triều ngược nhau
Hình 3 Kết quả tính vận chuyển chất lơ lửng trong mùa hè sau 36 h (trái) và 42 h
Với sự biến động mạnh của dòng chảy tổng hợp, bên cạnh sự lan truyền chất lơ lửng theo dòng dư như đã nhận được trước đây (Đinh Văn Ưu, 2003, Đinh Văn Ưu và ctv, 2005), sự biến đổi phân bố chất lơ lửng trong từng pha triều cũng cho thấy có sự biến đổi đáng kể của vị trí và hình dáng vệt Chúng ta có thể nhận ra sự biến động phân bố của nồng độ chất lơ lửng cách nhau trong khoảng 6 giờ ven bờ vịnh Hạ long
được thể hiện trên hình 3, trong mùa hè
Trang 7Hình 4 Kết quả tính vận chuyển chất lơ lửng trong mùa hè (trái) và mùa đông sau 72 h
Theo kết quả thu được cho một khoảng thời gian dài với nhiều chu kỳ triều (5-7 ngày) có thể thấy rằng chất lơ lửng trong lớp nước có xu thế bám sát bờ Hạ Long trong mùa hè và đi về cả hai phía cửa Lục và Cát Bà trong mùa đông (hình 4)
Trên hình 5 dẫn ra độ dày của lớp trầm tích lắng đọng xuống đáy và khả năng bứt xói từ đáy đối với trầm tích bùn mịn cho thấy, trong các điều kiện thuỷ động lực cụ thể tồn tại những khu vực có khả năng xẩy ra hiện tượng lắng đọng hoặc bứt xói khác nhau đối với từng mùa Điều này đồng nghĩa với khả năng xác định và dự báo các khu vực tập trung chất vệt trên đáy đối với bài toán chất lượng môi trường và khu vực có thể xẩy ra hiện tượng bồi, xói nếu chât lơ lửng được xét ở đây là lượng phù sa trong nước
Hình 5 Kết quả tính phân bố vùng lắng đọng và bứt xói trên đáy (mm)
đối với trầm tích bùn mịn d = 10 àm sau 4 ngày đêm trong mùa hè
Trang 8Việc triển khai mô hình 3D kết hợp mô hình lớp biên đáy đã mở ra khả năng ứng dụng của mô hình này trong giải quyết các bài toán thuỷ thạch động lực và môi trường vùng biển ven bờ Tuy nhiên để có thể ứng dụng rộng rãi trong tương lai, bên cạnh từng bước hoàn thiện mô hình 3D thuỷ động lực học cần phát triển mô hình lớp biên đáy theo hướng chi tiết hoá càng tầng trầm tích và cơ chế vận chuyển của chúng
Lời cảm ơn
Các kết quả thu được là một phần của Đề tài NC Cơ bản 722004, tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ đó
Tài liệu tham khảo
1 Đinh Văn Ưu, “Các kết quả phát triển và ứng dụng mô hình ba chiều (3D) thuỷ nhiệt động
lực biển ven và nước nông ven bờ Quảng Ninh”, Tạp chí Khoa học ĐHQG Hà Nội, XIX, 1,
2003, tr.108-117
2 Đinh Văn Ưu, Đoàn Văn Bộ, Hà Thanh Hương, Phạm Hoàng Lâm, ứng dụng mô hình dòng chảy ba chiều (3D) nghiên cứu quá trình lan truyền các chất lơ lửng tại vùng biển ven bờ
Quảng Ninh, Tuyển tập Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc 2005 (xuất bản 1-2006)
3 Mayer B., Ein Dreinimensionales, Numerishes Schwebstoff-Transprtmodell mit
Anwendung auf die Deutshe Bucht, Dissertation, GKSS 95/E/59, 1995
4 Mayer-Piter E and Muller, R., Formulas for Bed-Load Transport, Sec Int IAHR Congress,
Stockholm, Sweden, 1948
5 Pohlmann T and Puls W., Currents and Transport In Water In J Sundermann (Editor),
Circulation and Contaminant Fluxes In the North Sea Springer Verlag Science, Michigan,
1994, 555-605
6 Portela L.I., Effect of settling velocity on the modelling of suspended sediment transport
In Acinas, J.R and C.A Brebbia (Editors), Computer Modelling of Seas and Coastal
Regions III, Computational Mechanics Publications, Sothampton, 1997, 381-390
7 Puls W, Erosion characteristics of estuarine muds Hydraulics Research Rep IT265,
Wallingford, UK, 1984
8 Rodger J.G and Odd N.V.M., Sludge disposal In coastal waters, Hydraulics Research Rep
SR 70, Wallingford, UK., 1985
9 Van Rjin L.C., Sediment Transport, Journal of Hydraulic Engineering, Vol 110, N 10,
1984, 11,12
Trang 9VNU JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xXII, n 0 1AP., 2006
Development and application of the SPM transport and bed layer changes modelling system for the
Halong Bay area Dinh Van Uu
Marine Dynamics and Environment Center
Vietnam National University
A hydrodynamic and uspended matter transport modelling system was developed and applied to the Halong Bay area The system is concluded: three-dimensional (3D) thermo-hydrodynamic model and suspended matter transport model, moving bottom layer model
The preliminary results show that the modelling system could be applied to the geological and hydrodynamical complexe region as Halong Bay and another estuarine areas to create a marine environmental monitoring and prediction system
Keywords: 3D modelling system, suspended matter, Halong Bay
