Tóm tắt nghiên cứu cơ chế bồi, xói và đề xuất giải pháp chỉnh trị khu vực cửa lấp tỉnh bà rịa vũng tàu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN GIÁP NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BỒI, XÓI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CHỈNH TRỊ KHU VỰC CỬA LẤP TỈNH BÀ RỊA - VŨNG TÀU Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-40-01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2015 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Trung Việt Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Trương Văn Bốn Phản biện 1: PGS.TS. Phùng Đăng Hiếu Phản biện 2: GS.TS. Trần Đình Hợi Phản biện 3: GS.TS. Lương Phương Hậu Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường tại: Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc Gia; - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Cửa sông và bờ biển ngày càng có vai trò quan trọng đối với nền kinh tế của đất nước nói chung và kinh tế biển nói riêng. Ở nước ta, với 95 cửa sông được thống kê cho thấy mỗi cửa sông đổ vào các vùng biển rất khác nhau về điều kiện tự nhiên, diễn biến tại các cửa sông là rất đa dạng. Nhìn chung các cửa sông ở Việt Nam đều gây trở ngại lớn cho chạy tàu, kể cả tàu cá 40CV. Vì vậy, yêu cầu nghiên cứu về cửa sông ngày càng cấp thiết và có yêu cầu cao về mức độ hiện đại. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu về cửa sông nói chung, tuy nhiên, ngoài một số quy luật chung có tính vĩ mô, vùng miền, mỗi cửa sông đều là một trường hợp cá biệt cần nghiên cứu, không thể áp dụng những giải pháp chung giống nhau. Riêng Cửa Lấp, cho đến nay đã có một số nghiên cứu, nhưng vấn đề xác định nguyên nhân và cơ chế xói, bồi làm cơ sở khoa học đáng tin cậy cho giải pháp chỉnh trị và cải tạo Cửa Lấp hiện vẫn được coi là vấn đề cơ bản nhất cần giải quyết để bảo đảm công trình có hiệu quả kỹ thuật, phù hợp với yêu cầu cảnh quan của thành phố du lịch, khả thi về kinh tế. Vì vậy, đề tài luận án có tính cấp thiết về cả khoa học cửa sông nói chung và cả thực tiễn Cửa Lấp nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Làm rõ được nguyên nhân, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến bồi lấp luồng tàu, sạt lở bờ biển; Đề xuất được giải pháp KH-CN khả thi cho việc ổn định luồng tàu, bảo vệ và tôn tạo bờ biển đang bị sạt lở ở khu vực Cửa Lấp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Vùng biển và cửa sông khu vực Cửa Lấp. Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nội dung: Tập trung vào hai vấn đề liên quan đến sạt lở bờ biển và bồi lấp luồng tàu; phạm vi không gian: Luồng tàu từ cảng cá Phước Tỉnh ra đến độ sâu thiết kế cho tàu 1100CV; phía Đông đến bãi biển Long Hải, phía Tây đến bờ biển khu vực phường 11, phường 12, Thành phố Vũng Tàu. 1 4. Nội dung nghiên cứu Cơ chế tác động của sóng và dòng chảy đối với diễn biến hình thái Cửa Lấp; cơ chế bồi lắng trở lại luồng tàu do chạy tàu gây ra; bố trí không gian hệ thống công trình chỉnh trị. 5. 5.1. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận Luận án có cách tiếp cận đối tượng từ những yêu cầu của các ngành kinh tế - xã hội, môi trường có kế thừa từ các đề tài KH-CN và mang tính hiện đại phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, trong đó có sự tham gia của nghiên cứu sinh và từ các dự án đầu tư đã tiến hành đang được thẩm định. Tác giả coi trọng việc tiếp cận hiện trường để thu thập những tài liệu, hình ảnh, ý tưởng qua các cuộc phỏng vấn người dân và các cán bộ địa phương. Trong quá trình nghiên cứu, việc tiếp cận các kiến thức và thành tựu khoa học trên thế giới và trong nước có vai trò lớn trong triển khai tư duy của luận án, trong đó việc tiếp cận các mô hình toán có mã nguồn mở được quan tâm đặc biệt. Luận án liên quan một phần quan trọng đến luồng tàu và phương tiện vận tải thủy, việc tiếp cận kiến thức cơ bản, quy trình, quy phạm về giao thông thủy, đến kết cấu tàu thuyền... là không thể thiếu. 5.2. Phương pháp nghiên cứu Từ các cách tiếp cận trên, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: Phương pháp phân tích thống kê; phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có; phương pháp khảo sát, điều tra và đo đạc thực địa vùng nghiên cứu; phương pháp mô hình toán để triển khai các bước tính toán, viết chương trình phần mềm đưa vào các mô hình lớn đã có, tạo thành một ứng dụng mới. 6. 6.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Khu vực cửa sông Cửa Lấp có hướng sóng tác động xiên góc với bờ biển, dòng chảy tổng hợp có chế độ động lực phức tạp, luồng tàu Cửa Lấp thường xuyên bị bồi lấp nghiêm trọng, gây trở ngại cho tàu ra vào cảng cá. Làm rõ cơ chế này sẽ có giải pháp tác động thích hợp để cải thiện tình hình. Đồng thời, nghiên cứu 2 cũng nhằm đánh giá tác động của việc chạy tàu đối với bồi lấp trở lại luồng tàu. Qua kết quả nghiên cứu về trường thủy thạch động lực để lựa chọn tuyến luồng, chuẩn tắc luồng tàu, thiết kế luồng tàu và công trình bảo vệ luồng tàu. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Cửa Lấp hiện đang tồn tại ba vấn đề lớn cần giải quyết đó là: Sạt lở bờ biển và bãi tắm; bồi lấp luồng tàu; ô nhiễm môi trường. Do vậy giải quyết tốt ba vấn đề trên cho khu vực Cửa Lấp có ý nghĩa quyết định đến sự phát triển bền vững kinh tế - xã hội cho tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. Luận án này lấy Cửa Lấp làm đối tượng nghiên cứu góp phần giải quyết một số vấn đề đang có tính thời sự cấp thiết đó. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung luận án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về cửa sông. Chương 2: Cơ sở lựa chọn mô hình thủy thạch động lực cho khu vực Cửa Lấp. Chương 3: Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và bồi, xói khu vực Cửa Lấp. Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu đánh giá hiệu quả kỹ thuật giải pháp chỉnh trị Cửa Lấp. 3 CHƯƠNG 1 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CỬA SÔNG Tổng quan chung về nghiên cứu cửa sông Trong nghiên cứu về Cửa sông nói chung, các vấn đề về chuyển động bùn cát, diễn biến cửa sông, loại hình công trình chỉnh trị cửa sông…đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong phần tổng quan này, luận án đề cập đến bốn vấn đề cơ bản về nghiên cứu cửa sông: Phân loại cửa sông, động lực học cửa sông, công trình chỉnh trị cửa sông và phương pháp nghiên cứu về cửa sông. 1.2 1.2.1 Tổng quan các nghiên cứu về phân loại cửa sông Các nghiên cứu về phân loại cửa sông trên thế giới Trên thế giới có nhiều cách phân loại khác nhau, tùy theo tiêu chí mà người nghiên cứu đặt ra để xem xét. Có thể chia ra 7 cách phân loại như: Theo biên độ triều; hình thái mặt bằng; hàm lượng bùn cát; chế độ triều; mức độ xáo trộn bùn cát; yếu tố động lực nổi trội và tỷ số lưu lượng sông biển… 1.2.2 Các nghiên cứu về phân loại cửa sông ở Việt Nam Phân loại cửa sông ở Việt Nam chủ yếu căn cứ vào các chỉ tiêu tổng hợp về hình dạng mặt bằng, yếu tố động lực, tính chất diễn biến cửa sông như: Cửa sông estuary trong vịnh nửa kín, cửa delta vùng biển hở, cửa sông lưỡng tính có yếu tố sông - biển cân bằng… 1.2.3 Các nghiên cứu về phân loại cửa sông Cửa Lấp Chưa có nghiên cứu nào đề cập đến việc phân loại cửa sông Cửa Lấp. 1.3 1.3.1 Tổng quan các nghiên cứu về động lực học cửa sông Các nghiên cứu về động lực học cửa sông trên thế giới Vấn đề cốt yếu nhất trong nghiên cứu động lực học cửa sông là chuyển động bùn cát, nhất là bùn cát mịn. Vấn đề này được nghiên cứu từ đầu thế kỷ XX, các nghiên cứu tập trung vào một số chủ đề với sự vận dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại, cho đến nay, có thể nói là trên thế giới đã có những tiến bộ vượt bậc trong vấn đề nghiên cứu về động lực học cửa sông nói chung. 4 1.3.2 Các nghiên cứu về động lực học cửa sông ở Việt Nam Nghiên cứu về cửa sông ở nước ta đã được quan tâm và đẩy mạnh trong vài thập niên trở lại đây, tuy nhiên, cho đến nay các nghiên cứu nói chung vẫn chủ yếu ở mức học hỏi, tiếp cận dần với các thành tựu của thế giới. 1.3.3 Các nghiên cứu về động lực học cửa sông Cửa Lấp Các nghiên cứu về khu vực Cửa Lấp nhìn chung rất ít, mới chỉ có 4 nghiên cứu được đề cập đến cửa sông Cửa Lấp, trong đó nghiên cứu của tác giả Trương Văn Bốn và cộng sự (2013) là nghiên cứu mang tính toàn diện nhất. Kết quả đã phản ánh được một số vấn đề như: Dòng chảy ven bờ; biến đổi đường bờ khu vực Cửa Lấp, trường sóng, tính toán bồi, xói và vận chuyển bùn cát khu… 1.4 1.4.1 Tổng quan các nghiên cứu về công trình chỉnh trị cửa sông Các nghiên cứu về công trình chỉnh trị cửa sông trên thế giới Về lĩnh vực công trình chỉnh trị cửa sông trên thế giới đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, nhiều công trình chỉnh trị đã hoàn thành và phát huy hiệu quả, cơ bản đáp ứng mục tiêu chỉnh trị đặt ra. 1.4.2 Các nghiên cứu về công trình chỉnh trị cửa sông ở Việt Nam Nghiên cứu về cửa sông ở nước ta đã được quan tâm và đẩy mạnh trong vài thập niên trở lại đây, tuy nhiên nhìn chung vẫn đang ở mức học hỏi, tiếp cận dần với các thành tựu của thế giới. Dù vậy, đến nay cũng đã có có nhiều công trình chỉnh trị cho kết quả khả quan và cơ bản đáp ứng mục tiêu nghiên. 1.4.3 Các nghiên cứu về công trình chỉnh trị cửa sông ở Cửa Lấp Trong nghiên cứu của Trương Văn Bốn, giải pháp KHCN chỉnh trị tổng thể chống bồi, xói để ổn định khu vực Cửa Lấp đã đề xuất được 2 phương án chỉnh trị. 1.5 1.5.1 Tổng quan các phương pháp nghiên cứu về cửa sông Đặc điểm của các phương pháp nghiên cứu về cửa sông Do tính phức tạp của các hiện tượng vật lý cửa sông, nên nghiên cứu phải sử dụng tổng hợp nhiều phương pháp khác nhau để hỗ trợ nhau, trong thời gian gần đây, nghiên cứu cửa sông được thừa hưởng nhiều thành tựu hiện đại. 5 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu truyền thống Đây là phương pháp được sử dụng sớm nhất, hiện nay được nâng cấp nhờ hiện đại hoá, chính xác hoá các thiết bị đo và kỹ thuật tin học. Sự thâm nhập và hỗ trợ nhau giữa phương pháp mô hình vật lý và mô hình toán ngày càng đa dạng và cho kết quả phù hợp cả về thời gian cũng như chất lượng của kết quả nghiên cứu. 1.5.3 Các phương pháp nghiên cứu hiện đại Các phương pháp nghiên cứu đặc thù có điều kiện hoàn thiện về mặt kỹ thuật cũng như phạm vi ứng dụng. Các phương pháp đặc thù hiện đại được kể đến như: Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám; phương pháp đánh dấu phóng xạ… 1.6 Nhận xét chung về thành tựu nghiên cứu cửa sông Nghiên cứu cửa sông đi từ kinh nghiệm đơn giản đến lý thuyết phức tạp và đã có những chuyển biến về chất, đang ngày càng đi vào hoàn thiện, đã có thể mô phỏng nhiều hiện tượng vật lý phức tạp trong vùng cửa sông. Ở Việt Nam, nghiên cứu về cửa sông, sa bồi luồng tàu đã được quan tâm và đạt được một số kết quả nhất định. Một số cửa sông đã đảm bảo được điều kiện thoát lũ, giao thông thủy. 1.7 Các tồn tại trong nghiên cứu về cửa sông 1.7.1 Các tồn tại chung Toán học chưa đủ sức mô tả chính xác, đầy đủ các hiện tượng vật lý diễn ra ở cửa sông nên ảnh hưởng đến kết quả tính toán; tài liệu chưa đủ dài, khối lượng khảo sát đo đạc và nghiên cứu lớn, kinh phí cao nên hạn chế đối với các nước chưa phát triển; thiếu một số chỉ dẫn chi tiết hay công thức tính toán về các loại hình công trình chỉnh trị; tác động của chạy tàu đối với bồi lấp trở lại luồng tàu chưa được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là nghiên cứu trên mô hình toán. 1.7.2 Những tồn tại trong các nghiên cứu đối với Cửa Lấp Chưa có nghiên cứu về loại hình cửa sông và ảnh hưởng đặc trưng hình thái của nó đến kết cấu động lực học; chưa làm rõ được vai trò của từng yếu tố là sóng và dòng chảy; chưa đánh giá ảnh hưởng của tàu thuyền tới diễn biến bồi xói luồng tàu; chưa có những nghiên cứu sâu về sự hình thành dòng ríp; những giải pháp công trình được đề xuất cho Cửa Lấp chưa có tính thuyết phục vì chưa xuất phát 6 từ những yêu cầu định lượng cụ thể của các ngành kinh tế - xã hội, chưa đánh giá hiệu quả kỹ thuật của nó và tác động của nó đối với môi trường. 1.8 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án Trong phạm vi luận án, nghiên cứu sinh lựa chọn một số vấn đề sau đây để làm nội dung nghiên cứu của luận án: Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế xói, bồi khu vực Cửa Lấp; đánh giá tác động của chân vịt tàu thủy đến bồi lấp trở lại luồng tàu; bố trí không gian hệ thống công trình chống sạt lở bờ và ổn định luồng tàu. 1.9 Kết luận chương 1 Việc nghiên cứu về cửa sông vẫn chưa dừng lại, cho đến nay nó vẫn là đề tài hấp dẫn nhiều nhà khoa học. Ở Việt Nam, nghiên cứu về cửa sông được phát triển mạnh trong những năm gần đây, gắn liền với nhu cầu khai thác và phát triển tiềm năng kinh tế biển. Những vấn đề đặc thù của cửa sông Việt Nam đã được quan tâm nghiên cứu như vấn đề biến động theo mùa, tác động của sông, bão, của lũ lịch sử, của biến đổi khí hậu... đến diễn biến cửa sông. Đối với Cửa Lấp, các nghiên cứu đã có chưa làm rõ ảnh hưởng của từng yếu tố riêng là sóng và dòng chảy, tác động của chạy tàu đến bồi lấp trở lại luồng tàu chưa được đề cập, 2 vấn đề đó được lựa chọn làm nội dung nghiên cứu chính của luận án. 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LỰA CHỌN MÔ HÌNH THỦY THẠCH ĐỘNG LỰC CHO KHU VỰC CỬA LẤP 2.1 Đặt vấn đề Chế độ thủy động lực học Cửa Lấp khá phức tạp, đồng thời Cửa Lấp vừa là cảng cá, vừa là khu neo đậu trú tránh bão nên lượng tàu thuyền ra vào tương đối tấp nập, đòi hỏi phải có bộ mô hình toán thích hợp để nghiên cứu chế độ thủy động lực học và bồi, xói lòng dẫn trong đó mô phỏng được ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy nhằm phục vụ cho bài toán quy hoạch và quản lý nói chung được tốt hơn. Cơ sở lý luận về các mô hình tính toán thủy động lực học hình thái các cửa sông ven biển Ngày nay các mô hình đã và đang trở thành công cụ không thể thiếu được, từ 2.2 những vấn đề đơn giản cho đến các vấn đề phức tạp. Tuy nhiên, mỗi một mô hình đều có phạm vi ứng dụng và những điểm mạnh, yếu khác nhau, dẫn tới khó khăn trong việc tìm ra bộ mô hình thích hợp phục vụ cho việc nghiên cứu. Do vậy phải xem xét tổng quan, phân tích, đánh giá các mô hình hiện đang được sử dụng để lựa chọn một mô hình thích hợp với mục đích nghiên cứu của luận án. 2.3 Lựa chọn mô hình tính toán cho khu vực nghiên cứu Các mô hình số trị hiện đại thông dụng trên thế giới như bộ mô hình MIKE, mô hình DELTF3D, mô hình SMS đã và đang được ứng dụng rộng rãi cho thấy tính đúng đắn và độ tin cậy của các mô hình này, tuy nhiên đều là các mô hình có mã nguồn đóng. Hơn nữa, chưa có mô hình nào mô phỏng được ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy tới quá trình bồi, xói luồng tàu. Với mục đích nghiên cứu của luận án là chế độ thủy thạch động lực và vận chuyển bù cát do chân vịt khi tàu di chuyển, tác giả lựa chọn bộ mô hình mã nguồn mở thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC cho việc nghiên cứu và mô phỏng chế độ thủy thạch động lực khu vực Cửa Lấp. Việc ứng dụng mô hình mã nguồn mở này cho phép tác giả đi sâu khai thác và phát triển, bổ sung thêm mô đun tính cho mô hình. 2.4 Cơ sở lý thuyết mô hình EFDC Mô đun thủy động lực mô hình EFDC dựa trên hệ phương trình thủy tĩnh 3 chiều viết cho hệ tọa độ theo phương thẳng đứng và tọa độ cong trực giao nằm ngang. 8 Phương trình động lượng là: Theo phương X: 𝜕𝑡 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻𝑢 ) + 𝜕𝑥 (𝑚𝑦 𝐻𝑢𝑢 ) + 𝜕𝑦 (𝑚𝑥 𝐻𝑣𝑢 ) + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑊𝑢 ) − 𝑓𝑒 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻𝑣 = −𝑚𝑦 𝐻𝜕𝑥 (𝑃 + 𝑃𝑎𝑡𝑚 + ∅) 𝐴𝑣 + 𝑚𝑦 (𝜕𝑥 𝑍𝑏∗ + 𝑧𝜕𝑥 𝐻)𝜕𝑧 𝑃 + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝜕𝑧 𝑢) 𝐻 𝑚𝑦 𝑚𝑥 + 𝜕𝑥 ( 𝐻𝐴𝐻 𝜕𝑥 𝑢) + 𝜕𝑦 ( 𝐻𝐴𝐻 𝜕𝑦 𝑢) 𝑚𝑥 𝑚𝑦 − 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐶𝑝 𝐷𝑝 (𝑢2 + 𝑣 2 )1/2 𝑢 (2-1) Theo phương Y: 𝜕𝑡 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻𝑣 ) + 𝜕𝑥 (𝑚𝑦 𝐻𝑢𝑣 ) + 𝜕𝑦 (𝑚𝑥 𝐻𝑣𝑣 ) + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑊𝑣 ) − 𝑓𝑒 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻𝑢 = −𝑚𝑥 𝐻𝜕𝑦 (𝑃 + 𝑃𝑎𝑡𝑚 + ∅) 𝐴𝑣 + 𝑚𝑥 (𝜕𝑦 𝑍𝑏∗ + 𝑧𝜕𝑦 𝐻)𝜕𝑧 𝑃 + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝜕𝑧 𝑣) 𝐻 𝑚𝑦 𝑚𝑥 + 𝜕𝑥 ( 𝐻𝐴𝐻 𝜕𝑥 𝑣) + 𝜕𝑦 ( 𝐻𝐴𝐻 𝜕𝑦 𝑣) 𝑚𝑥 𝑚𝑦 − 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐶𝑝 𝐷𝑝 (𝑢2 + 𝑣 2 )1/2 𝑣 (2-2) 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑓𝑒 = 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑓 − 𝑢𝜕𝑦 𝑚𝑥 + 𝑣𝜕𝑥 𝑚𝑦 (2-3) (𝜏𝑥𝑧 , 𝜏𝑦𝑧 ) = 𝐴𝑣 𝐻−1 𝜕𝑧 (𝑢, 𝑣) (2-4) Phương trình liên tục 3 chiều trong hệ tọa độ nằm ngang cong trực giao theo phương thẳng đứng là: 𝜕𝑡 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻) + 𝜕𝑥 (𝑚𝑦 𝐻𝑢 ) + 𝜕𝑦 (𝑚𝑥 𝐻𝑣 ) + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑤) = 𝑄𝐻 + 𝛿(0)(𝑄𝑠𝑠 + 𝑄𝑠𝑤 ) (2-5) Trong địa mạo thì phương trình liên tục của dòng nước liên quan tới phương trình cân bằng bùn cát đáy: 𝜕𝑡 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐵) = 𝑄𝐺𝑊 − 𝑄𝑠𝑠 − 𝑄𝑠𝑤 2.5 (2-6) Cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy tới hiện tượng bồi, xói luồng tàu 2.5.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy Chân vịt do tàu chạy có thể gây ra xáo trộn bùn cát và phân bố lại bùn cát trong phạm vi luồng tàu chạy. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình vận chuyển bùn cát do tàu gồm: Kích thước tàu, độ sâu khi tàu chạy, vận tốc dòng chảy sông, tàu 9 chạy ngược dòng hay xuôi dòng, đặc trưng bùn cát của tuyến luồng...Hình 2-5 là sơ đồ tổng quát nhất về quá trình tính toán sa bồi do cả các yếu tố thủy động lực học môi trường có tính thêm ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy trong quá trình tàu di chuyển. Tỉ lệ vận chuyển bùn cát hay nói cách khác là tỉ lệ sa bồi trong sông là tổng của hai yếu tố trên. Hình 2-5 Mô tả quá trình tính sa bồi do dòng chảy và do chân vịt tàu gây ra Trên thế giới đã có một số tác giả nghiên cứu tính toán sa bồi do tác động của chân vịt tàu trên mô hình thực nghiệm. Trong đó, mô hình của Maynord được coi là mô hình tính toán hiệu quả nhất, Maynord chia ra hai vùng áp dụng như sau: Hình 2-6 Định nghĩa vùng 1 và vùng 2 cho phân bố vận tốc sau tàu Mô hình vùng 1: Áp dụng đối với vùng Xp 10 Dp tính từ chân vịt về phía sau: 10 -15.4 R2 1 V1 (Xp , Ycl ) = 2 AX-0.524 (e Xp p +e -15.4 R2 1 X2 p ) (2-36) Mô hình vùng 2: Áp dụng đối với vùng Xp 10 Dp Dp V(X p , Ycl ) = 0.34V2 C1 ( ) Hp 0.93 Xp ( ) Hp 0.24 0.0178Xp e −( Dp + Y2 cl ) 2 2C2 z2 Xp (2-45) Có vận tốc do tàu gây ra, tính ứng suất xói tác động lên bề mặt phù sa do tàu gây ra theo công thức:   0.5 wC fsV 2 prop (2-48) Hoạt động của chân vịt tàu thủy sẽ gây ra ứng suất xói và chính ứng suất này sẽ gây ra hiện tượng sa bồi cục bộ. Phạm vi ứng dụng của mô hình Maynord là giới hạn cho tàu có từ 1 đến 2 chân vịt. Cơ sở tính ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy trong mô hình EFDC 2.5.2 Mô hình vận chuyển bùn cát do tàu Maynord được tác giả phát triển thành một mô đun và được kết hợp với mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC để tính toán vận tốc tổng cộng, ứng suất đáy tổng cộng, cũng như tỉ lệ vận chuyển bùn cát tổng cộng rồi cuối cùng là biến đổi đáy tổng cộng trong phạm vi luồng tàu chạy, cụ thể như sau: ô lưới ở mô hình thủy lực sẽ được chia nhỏ hơn để có thể tính đến kích thước của tàu, tỉ lệ vận chuyển bùn cát tổng cộng của ô lưới to sẽ bằng tổng của các ô lưới nhỏ do tàu cộng với tỉ lệ vận chuyển bùn cát do dòng chảy gây ra trong ô lưới đó. ∆x ∆z ∆y Tàu Mtổng = Mdòng chảy + Mtàu Đường phân bố bùn cát do tàu ∆x Hình 2-7 Chia lưới con cho tàu trong mô hình thủy lực Các bước thực hiện được tóm tắt như sau: Bước 1: Tính vận tốc nước gây ra do tàu; Bước 2: Tính ứng suất đáy gây ra do tàu; Bước 3: Tính tỉ lệ xói do tàu gây 11 ra; Bước 4: Tính lượng bùn cát tổng cộng do tàu tại vị trí (x,y) trong bước thời gian của mô hình thủy lực (∆t); Bước 5: Cộng giá trị vận chuyển bùn cát do tàu với bùn cát do dòng chảy tại vị trí (x,y). Hình 2-10 Giao diện mô đun tính toán ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy 2.6 Kết luận chương 2 Qua việc phân tích ưu điểm, nhược điểm của các bộ mô hình, từ yêu cầu và mục tiêu đặt ra, luận án chọn bộ mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều mã nguồn mở EFDC để áp dụng tính toán cho mục đích nghiên cứu. Trên cơ sở lý thuyết mô hình EFDC và lý thuyết mô hình thực nghiệm của Maynord về ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy, luận án đã phát triển thêm mô đun tính ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy lúc di chuyển tới bồi, xói bùn cát đáy. 12 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC BỒI, XÓI KHU VỰC CỬA LẤP 3.1 3.1.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình tính toán Xây dựng cơ sở dữ liệu khu vực tính toán Tài liệu địa hình, khí tượng, thủy hải văn: kế thừa của đề tài đã có và có cập nhật bổ sung đến năm 2013; Số liệu sóng trạm Bạch Hổ, Trạm Vũng Tàu. Trong đó số liệu thực đo tháng 10-2010 dùng để hiệu chỉnh và kiểm định độ chính xác của mô hình; Kết quả phân tích mẫu trầm tích đáy được tổng hợp từ các đợt khảo sát năm 1998, 1999 và đợt khảo sát tháng 10 năm 2010. 3.1.2 Lựa chọn và xác định miền tính toán Hình 3-8 Sơ hoạ phạm vi mô phỏng Lưới thô: Để tính toán quá trình truyền triều từ ngoài khơi vào bờ và trích xuất kết quả mực nước lấy điều kiện biên đầu vào cho mô hình lưới mịn. Mực nước được trích xuất từ mô hình lưới thô so sánh với chuỗi số liệu thực đo tại trạm Vũng Tàu cho kết quả phù hợp cả về pha và biên độ triều, chỉ số Nash đạt tới 98,2% trong cả năm 2013. Do vậy, đảm bảo yêu cầu cho việc làm biên đầu vào của mô hình lưới mịn; Điều kiện ban đầu của lưới mịn: mực nước được lấy bằng giá trị mực nước trung bình nhiều năm tại trạm đo mực nước Vũng Tàu; Địa hình đáy được tổng hợp từ các số liệu bản đồ năm 2010; Điều kiện biên của lưới mịn: Biên thượng lưu là quá trình lưu lượng tại Cửa Lấp; Biên ngoài khơi: Trích ra từ mô hình lưới thô, biên phía Nam là mực nước triều thực đo tại trạm Vũng Tàu. 13 3.1.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho bộ số liệu khảo sát tháng 10.2010 - Số liệu thực đo mực nước tại Cửa Lấp tháng 10-2010 được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình, kết quả so sánh mực nước tính toán và mực nước thực đo có chỉ số Nash đạt 94% chứng tỏ kết quả của mô hình là chính xác. - Kết quả so sánh vận tốc dòng chảy giữa mô hình và số liệu thực đo trạm Cửa Lấp các tầng độ sâu cho kết quả tương đối phù hợp về mặt độ lớn. - So sánh hướng sóng, độ cao sóng và chu kỳ sóng với số liệu đo tháng 10-2010 cho kết quả tính toán và thực đo tương đối phù hợp. Kết quả này cho thấy mô hình tính sóng có độ chính xác tương đối tốt. Nhận xét chung: Có thể áp dụng mô hình này để tính toán dự báo và nghiên cứu đánh giá chế độ thủy động lực học và biến đổi hình thái cho thời đoạn dài hơn nếu có đủ các số liệu cần thiết. Xây dựng tương quan để tính toán mở rộng cho bộ số liệu năm 2013 3.1.4 3.1.4.1 Đặt vấn đề Khu vực Cửa Lấp chưa có trạm quan trắc các số liệu thủy văn thường xuyên nên số liệu về lưu lượng Cửa Lấp chỉ có chuỗi số liệu thực đo từ ngày 18/04/2013 đến ngày 25/04/2013, cần phải sử dụng các mối quan hệ tương quan để kéo dài chuỗi số liệu hiện có phục vụ tính toán cho mô hình. 3.1.4.2 Kéo dài chuối số liệu lưu lượng tại Cửa Lấp Từ số liệu thực đo tháng 4/2013, sử dụng tương quan giữa mực nước và mực nước, mực nước và lưu lượng để kéo dài chuỗi số liệu thực đo lưu lượng Cửa Lấp cho cả năm 2013. Kết quả tính toán và kiểm định giữa mực nước tính toán và mực nước thực đo tháng 4/2013 trạm Cửa Lấp cho chỉ số nash=87% cho thấy chuỗi số liệu kéo dài đủ tin cậy để phục vụ cho việc mô phỏng cả năm 2013. 3.2 Nghiên cứu, đánh giá chế độ thủy động lực học và quá trình bồi, xói 3.2.1 3.2.1.1 Chế độ thủy động lực học khu vực Cửa Lấp Chế độ dòng chảy trong gió mùa Đông Bắc Xu thế chính của trường dòng chảy dư trong gióa mùa Đông Bắc có hướng đi về hướng Tây Nam. Tại khu vực phía bờ Nam, dòng chảy dư ở ven bờ có hướng ổn 14 đi về phía Vũng Tàu với vận tốc cỡ 0,9m/s đến 1,5m/s. Khu vực bờ Bắc, Đông Bắc của Cửa Lấp, hướng dòng chảy dư có xu thế về phía chùa Dinh Cô. 3.2.1.2 Chế độ dòng chảy trong gió mùa Tây Nam Trong gió mùa Tây Nam hướng dòng chảy dư chủ yếu có hướng Đông và Đông Bắc, dòng chảy trong sông chảy lên khi triều lên và chảy xuống khi triều xuống. Vận tốc dòng chảy ven tương đương trong gió mùa Đông Bắc và có hướng chảy theo đường ven bờ, vận tốc dòng chảy khu vực xa bờ thì nhỏ hơn. Hình 3-24 Trường dòng chảy dư tổng cộng a) gió mùa Đông Bắc; b) gió mùa Tây Nam 3.2.1.3 Tương tác giữa dòng chảy sông và triều Khi triều xuống lưu lượng dòng chảy sông chảy ra theo hai luồng của Cửa Lấp và có xu thế chảy về phía Đông. Khi triều lên, dòng chảy bị đẩy về phía bờ Tây, vận tốc dòng chảy tính được từ 0,9m/s đến 1,2m/s, trong lúc đó, vận tốc dòng chảy khu vực cảng Phước Tỉnh nhỏ, tạo điều kiện cho bùn cát lắng đọng; khảo sát tổng lượng dòng chảy qua 3 mặt cắt (01 mặt cắt ngang cửa sông, 02 mặt cắt ven bờ) cho thấy tổng dòng chảy từ trong sông ra lớn hơn dòng chảy triều vào, đồng thời khu vực Cửa Lấp tồn tại một dòng chảy dư có hướng từ Nam và Tây Nam sang Bắc và Đông Bắc chạy dọc ven bờ, do vậy bùn cát có xu hướng dịch chuyển theo chế độ dòng chảy dư từ Nam, Tây Nam sang Bắc và Đông Bắc. 15 Đánh giá ảnh hưởng của sóng đến dòng chảy ven bờ và vận chuyển bùn cát khu vực Cửa Lấp 3.2.2 3.2.2.1 Kịch bản 1: Trường dòng chảy do sóng gió mùa Đông Bắc Dòng chảy chủ yếu theo hướng Đông Bắc - Tây Nam. Vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu ven bờ do sóng gây ra khoảng 0,13m/s và thay đổi tùy theo chiều cao sóng. Khu vực phía Nam hình thành vùng có dòng xoáy (vòng tròn màu đỏ). Khu vực cửa sông và phía bờ Bắc có những vùng dòng chảy rất nhỏ (vòng tròn màu xanh), là điều kiện thuận lợi để bùn cát lắng đọng lại. Xu thế vật chất được mang từ bờ Bắc đi qua Cửa Lấp xuống bờ Nam và lắng đọng lại khu vực trước cửa. Hình 3-29 Trường dòng chảy khu vực Cửa Lấp do sóng gió mùa Đông Bắc 3.2.2.2 Kịch bản 2: Trường dòng chảy do sóng gió mùa Tây Nam Dòng chảy ven bờ khu vực Cửa Lấp có hướng Tây Nam - Đông Bắc. Vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu do sóng gây ra khoảng 0.23m/s và thay đổi tùy theo chiều cao sóng. Dòng chảy hình thành các khu vực có dòng chảy lớn là khu vực phía Nam và khu vực có dòng chảy nhỏ là khu vực giữa cửa và phía Bắc của cửa. Khi mực nước cực trị, trường dòng chảy tiến sâu vào vùng ven bờ, vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu do sóng gây ra tại khu vực cửa khoảng 0.28m/s. Khu vực phía cửa sông không thấy hình thành các xoáy do sóng gây ra. Tuy nhiên tại phía giữa cửa và phía bờ Bắc vẫn tồn tại các khu vực dòng chảy nhỏ. Kết quả tính toán ứng suất đáy cho thấy ứng suất đáy do sóng gây ra trong gió mùa Tây Nam thường lớn hơn trong gió mùa Đông Bắc và lớn hơn cõ 20% ở hầu hết các vị trí ven bờ trong điều kiện cùng một vận tốc gió và chế độ thủy lực. 16 Hình 3-30 Trường dòng chảy khu vực Cửa Lấp do sóng gió mùa Tây Nam 3.2.3 3.2.3.1 Cơ chế vận chuyển bùn cát tại khu vực Cửa Lấp Quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng Qua kết quả tính toán cho thấy bùn cát kết dính chủ yếu phân bố ở khu vực trong sông và giữa sông, bùn cát không kết dính phân bố dọc ven bờ. Ứng suất tổng cộng do sóng và dòng chảy vượt quá ứng suất tới hạn làm cho bùn cát dịch chuyển trên bề mặt đáy hoặc xáo trộn vào cột nước, khi có dòng chảy, bùn cát sẽ bị cuốn đi gây nên hiện tượng xói. Ứng suất sinh ra trong mùa gió Tây Nam đều vượt quá ứng suất tới hạn tại các điểm tính toán, kết quả này đã chỉ ra rằng quá trình biến đổi đáy ở khu vực trong sông chủ yếu là do tác động của dòng chảy, khu vực ven bờ là do tác động của sóng còn khu vực cửa sông thì tác động của sóng và dòng chảy khá tương đương nhau và diễn biến mạnh trong mùa gió Tây Nam. 3.2.3.2 Mô phỏng biến đổi địa hình đáy Kết quả mô phỏng chế độ vận chuyển bùn cát và biến đổi hình thái khu vực Cửa Lấp năm 2013 cho thấy sau một năm có xuất hiện một vùng bồi ở khu vực cửa sông. Vùng bồi này xuất hiện từ tháng 3 và phát triển dần về độ lớn cho đến tháng 11. Kết quả này khá trùng khớp với ảnh viễn thám chụp tháng 8/2010 và tháng 10/2013, chứng tỏ kết quả của mô phỏng là chính xác. 17 3.2.4 Đánh giá ảnh hưởng của chân vịt tới bồi lấp trở lại luồng tàu Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của chân vịt tàu tương ứng với 3 tàu điển hình trong khu vực được thể hiện ở Hình 3-43, Hình 3-44 (tính toán cho trường hợp khi tàu đi từ biển về cảng). Hình 3-43 a) Trường vận tốc; b) Mặt cắt vận tốc dòng chảy, ứng suất đáy và nồng độ bùn cát lơ lửng tại vị trí 1m từ tim tàu Khi ứng suất đáy do chân vịt tàu gây ra lớn hơn ứng suất tới hạn của bùn cát di đáy thì bùn cát đáy sẽ bị xáo trộn và đi vào cột nước hoặc vận chuyển sang hai bên. Tàu có mã lực 700CV và 1100CV khi chạy sẽ tạo ra trường vận tốc lớn nhất cỡ 3m/s, nồng độ bùn cát lơ lửng do hai loại tàu này tại vị trí cách tim một mét khi chạy là cỡ khoảng 2250 mg/l. TÀU300CV 300CV TÀU TÀU700CV 700CV TÀU Bùn cát lơ lửng Khoảng cách ngang tàu (m) Khoảng cách ngang tàu (m) Ứng suất đáy TÀU300CV 300CV TÀU TÀU TÀU700CV 700CV TÀU TÀU1100CV 1100CV TÀU 1100CV TÀU 1100CV Khoảng cách dọc theo tàu (m) Khoảng cách dọc theo tàu (m) Hình 3-44 Trường ứng suất đáy và bùn cát lơ lửng gây ra bởi chân vịt của tàu 18 3.3 Kết luận chương 3 Kết quả mô phỏng cho cả năm 2013 cho thấy khu vực Cửa Lấp có sự biến động địa hình xảy ra theo chu kỳ gió mùa Đông Bắc và Tây Nam, trong đó ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam lớn hơn nhiều trong gió mùa Đông Bắc, lúc triều lên dòng chảy tập trung về phía bờ thuộc xã Chi Lăng. Lúc triều lên, dòng chảy ven trở nên mạnh hơn trong gió mùa Tây Nam (từ 0,9m/s đến 1,2m/s), ứng suất đáy tính được là khá lớn, vượt quá ứng suất tới hạn gây nên hiện tượng xáo trộn bùn cát đáy làm cho nồng độ bùn cát lơ lửng tăng lên, dòng chảy di đẩy lượng bùn cát này đi nơi khác gây nên xu thế xói; Khu vực Phước Tỉnh được che chắn bởi mũi Xóm Cồn nên ứng suất đáy gây ra do sóng tại đây giảm đi đáng kể, lúc triều lên, vận tốc dòng chảy bé, đây là điều kiện cho bùn cát lắng đọng, lúc triều rút, dòng chảy sông làm cho ứng suất đáy tăng lên gây nên xu thế xói, do vậy, khu vực này tồn tại những vùng bồi xói đan xen. Ứng suất đáy ven bờ chủ yếu là do sóng gây ra và tăng lên đáng kể trong mùa gió Tây Nam, vượt xa ứng suất tới hạn gây nên hiện tượng xáo trộn bùn cát đáy, dòng chảy dư tổng cộng ven bờ có hướng Nam và Tây Nam lên hướng Bắc và Đông Bắc. Do vậy, khu vực ven bờ bùn cát có xu thế dịch chuyển theo hướng Nam, Tây Nam sang Bắc và Đông Bắc. Tại khu vực cửa sông, dưới tác dụng của sóng và dòng chảy, tồn tại các khu vực dòng chảy hội tụ có vận tốc bé trong lúc nồng độ bùn cát lơ lửng lớn, đây là cơ hội cho bùn cát lắng đọng gây bồi. Song song với chế độ thủy động lực gây bồi, xói cho khu vực thì các hoạt động của tàu thủy cũng đóng vai trò khá quan trọng. Qua tính toán cho thấy ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy tới vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát lơ lửng là rất lớn, kết quả tính toán đối với tàu có mã lực 300CV khi độ sâu chạy tàu là 3m thì ứng suất đáy lớn nhất do chân vịt tàu tạo ra là 108 (Pa) và nồng độ bùn cát lơ lửng lớn nhất tương ứng là 1.000 (mg/l). Tương tự, với tàu 1100CV khi độ sâu chạy tàu là 4m thì ứng suất đáy lớn nhất do chân vịt tàu tạo ra là 121 (Pa) và nồng độ bùn cát lơ lửng lớn nhất là 1.120 (mg/l). 19 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KỸ THUẬT GIẢI PHÁP CHỈNH TRỊ CỬA LẤP 4.1 Cơ sở để bố trí không gian công trình chỉnh trị Cửa Lấp 4.1.1 Mục tiêu chỉnh trị Chống bồi lấp và ổn định luồng tàu vào cảng cá Phước Tỉnh, Cửa Lấp; chống sạt lở bờ Tây Cửa Lấp, tạo điều kiện tôn tạo bãi tắm Chí Linh. 4.1.2 4.1.2.1 Tham số thiết kế luồng tàu Các phương tiện vận tải ra vào cảng cá Phước Tỉnh Cảng Phước Tỉnh được quy hoạch cho 3 loại tàu cá thường xuyên ra vào và neo đậu trú tránh bão là: Tàu 300CV; tàu 700CV; tàu 1100 CV (dự kiến). 4.1.2.2 Chọn tuyến luồng tàu Trên thực tế hiện nay tại Cửa Lấp có 2 tuyến lạch sâu nối từ cảng cá Phước Tỉnh ra biển, cụ thể: Tuyến 1: tuyến gần chính giữa Cửa Lấp, chiều dài ra đến đáy biển -4m là 3.000m; Tuyến 2: tuyến đi ép gần bờ biển phía Tây, chiều dài ra đến đáy biển -4m là 5.200m. Tuyến 2 hẹp và sâu hơn, tuy nhiên, tuyến 2 đi gần sát bãi biển, ảnh hưởng an toàn và môi trường bãi tắm Vũng Tàu, nên chọn tuyến 1 để thiết kế luồng tàu cho Cửa Lấp. 4.1.2.3 Mực nước chạy tàu thiết kế Bảng 4.4 Tần suất mực nước giờ trạm Vũng Tàu Tần suất (%) Mực nước (cm) 65 70 85 90 95 97 99,9 -15,4 -24,99 -61,76 -80,66 -110,26 -130,51 -317,19 Mực nước chạy tàu thiết kế: Giả thiết cao trình đáy chạy tàu là -3,6m, ta có mực nước chạy tàu thiết kế như sau: Tàu 300CV: Z =-1,1m tương ứng P=95%; Tàu 700CV: Z =-0,62m tương ứng P=85%; Tàu 1100CV: Z =-0,15m tương ứng P=65%. Cảng Phước Tỉnh hiện tại chỉ có tàu 300CV và 700CV, dự kiến có tàu 1100CV, do vậy với tần suất đảm bảo chạy tàu P=95% cho tàu 300CV, P=85% cho tàu 700CV và P=65% cho tàu 1100CV là phù hợp. Đáy kênh nạo vét: với dự phòng sa bồi 0,4m, cao trình đáy kênh nạo vét cần thiết là -4,0m. 20 4.2 Các phương án bố trí công trình chỉnh trị Công trình chỉnh trị đảm bảo hướng cửa thuận về mặt thủy lực; ngăn được dòng vận chuyển bùn cát ven bờ; giảm chiều cao sóng ven bờ; bố trí hệ thống công trình đê hướng dòng bảo vệ bờ, chống phá hoại và xâm thực bãi biển. Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra, kết hợp hiệu quả đạt được của 2 phương án chỉnh trị (PA1 Và PA2) do đề tài nghiên cứu trước đây đề xuất. Luận án đã tiến hành nghiên cứu đánh giá ưu và nhược điểm của từng phương án và đề xuất phương án chỉnh trị (PA3) bao gồm: Hệ thống đê ngăn cát, giảm sóng (L1, L2, L3, V1, V2); Hệ thống đê hướng dòng (T1 đến T8). 4.3 Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của công trình chỉnh trị 4.3.1 Chế độ thủy động lực và diến biến hình thái theo phương án chỉnh trị Với việc bố trí không gian hệ thống công trình chỉnh trị như PA3, kết quả mô phỏng chế độ thủy động lực học và diễn biến hình thái cho cả năm 2013 cho thấy lượng bồi xói giảm đi rõ rệt, dòng chảy không tập trung vào chân công trình phía Đông, đặc biệt là phát huy hiệu quả sau 11 tháng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu thông của tàu thuyền theo luồng chính tại khu vực Cửa Lấp. Đánh giá quá trình bồi lấp trở lại luồng tàu do ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy lúc di chuyển Tính với bài toán cực trị được giả thiết trong trường hợp tàu có công suất 700CV, 4.3.2 thời điểm tàu đi ngược dòng ứng với mực nước chạy tàu thiết kế (mực nước ở cao trình -0,62m. Với giả thiết đó, luận án tính toán, đánh giá quá trình bồi lấp trở lại luồng tàu cho tuyến luồng thiết kế khu vực Cửa Lấp với bộ số liệu năm 2013, qua kết quả tính toán, mô phỏng quá trình bồi lấp trở lại trên mặt cắt dọc luồng tàu cho thấy: Khi không xét đến ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy, bồi lấp trở lại lớn nhất sau 11 tháng là 30cm ở vị trí I, 40 đến 41cm ở vị trí II. Mức độ bồi lấp bình quân trên toàn tuyến luồng là 22cm đến 28cm; Khi có xét ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy lúc di chuyển, sau 11 tháng, mức độ bồi lấp trở lại đạt giá trị cực trị ở vị trí I là 55cm và ở vị trí II là 54cm, mức độ bồi lấp trở lại trung bình trên toàn tuyến luồng là 35cm đến 40cm, với độ sâu đào dự phòng sa bồi giữa hai lần nạo vét là 40cm như đã chọn và tính toán là phù hợp. Với luồng tàu được nạo 21 vét như thiết kế, để đảm bảo độ sâu chạy tàu cần thiết ứng với tần suất thiết kế, thời gian giữa hai lần nạo vét trong trường hợp có xét ảnh hưởng của tàu thủy là 1 năm. -0,15 (Mực nước chạy tàu 1100CV-P=65%) CAO ĐỘ (M) 0 -0,65 (Mực nước chạy tàu 700CV-P=85%) -1,15 (Mực nước chạy tàu 300CV-P=95%) -1 Địa hình đáy tự nhiên Bồi lấp trở lại sau 11 tháng (không xét ảnh hưởng tàu) -2 Bồi lấp trở lại sau 11 tháng (có xét ảnh hưởng tàu) -3 I II III -4 -4,0 (Cao độ đáy nạo vét) -5 -6 0 A 500 B 1000 C 1500 2000 2500 3000 D 3500 4000 KHOẢNG CÁCH (M) Hình 4-9 Diễn biến bồi lấp trở lại luồng tàu khu vực Cửa Lấp 4.4 Kết luận chương 4 Qua việc mô phỏng diễn biến hình thái cho cả năm 2013 cho thấy các phương án đã được đề xuất đang còn một số tồn tại, diễn biến bồi lấp còn nhiều yếu tố bất lợi cho công trình chỉnh trị và tuyến luồng. Để khắc phục các hiện tượng trên, luận án đề xuất phương án chỉnh trị (PA3) gồm hệ thống đê ngăn cát giảm sóng (L1, L2, L3, V1, V2) và hệ thống đê hướng dòng khu vực Phường 11, 12 TP Vũng Tàu với mục đích ngăn cát, giảm sóng, hướng dòng chảy và bảo vệ bờ, tránh sạt lở. Kết quả tính toán cho cả năm 2013 cho thấy mặc dù hiện tượng bồi lấp luồng lạch vẫn diễn ra nhưng đã giảm đi rõ rệt, đáp ứng mục tiêu đề ra. Luận án đã tính toán đánh giá ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy lúc di chuyển tới vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát lơ lửng trong khu vực, qua đó đánh giá mức độ bồi lấp trở lại luồng tàu khi có tác dụng của chân vịt tàu thủy cho kết quả: Khi không xem xét, đánh giá ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy lúc di chuyển, mức độ bồi lấp trở lại trung bình trên tuyến luồng từ 22cm đến 28cm. Khi có xem xét ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy, mức độ bồi lấp trở lại luồng tàu tăng lên đáng kể, sau 11 tháng có mức độ bồi lấp trở lại lớn nhất là 55cm, mức độ bồi lấp trở lại trung bình trên tuyến luồng từ 35cm đến 40cm. 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I. Những kết quả đạt được của luận án 1. Các kết quả đạt được trong nghiên cứu mô hình toán Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến sạt lở, bồi lấp bờ biển, bãi biển và luồng tàu khu vực Cửa Lấp bao gồm các yếu tố nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh, trong đó ảnh hưởng của ngoại sinh đóng vai trò chủ đạo. Sự biến động địa hình khu vực Cửa Lấp xảy ra theo kỳ gió mùa Đông Bắc và Tây Nam, trong đó ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam là lớn hơn, khu vực cửa sông chịu tác động lớn của dòng chảy và sóng, lúc triều lên dòng chảy tập trung về phía bờ thuộc xã Chi Lăng. Cơ chế dòng chảy dư và dòng chảy do sóng có hướng Nam và Tây Nam trong mùa gió Đông Bắc và có hướng Bắc, Đông Bắc trong gió mùa Tây Nam, bùn cát có xu thế được mang từ hai phía bờ Bắc và bờ Nam đến bồi lấp trước cửa. Bằng việc phát triển và bổ sung mô đun mô phỏng tác động của chân vịt tàu thủy tới quá trình bồi, xói luồng tàu và tính toán cho 3 loại tàu điểm hình cho kết quả: tàu có mã lực 300CV khi độ sâu chạy tàu là 3m thì ứng suất đáy lớn nhất do chân vịt tàu tạo ra là 108 (Pa) và nồng độ bùn cát lơ lửng lớn nhất tương ứng là 1.000 (mg/l), tàu 1100CV khi độ sâu chạy tàu là 4m thì ứng suất đáy lớn nhất do chân vịt tàu tạo ra là 121 (Pa) và nồng độ bùn cát lơ lửng lớn nhất là 1.120 (mg/l). 2. Các kết quả đạt được trong nghiên cứu ứng dụng Từ việc tính toán ứng suất đáy do chân vịt tàu gây ra, tiếp tục tính nồng độ bùn cát lơ lửng do chân vịt tàu gây ra tại khu vực Cửa Lấp để xem xét đánh giá bồi lấp trở lại luồng tàu cho thấy: Khi không xem xét ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy, sau 11 tháng mức độ bồi lấp trở lại bình quân trên tuyến luồng là 22cm đến 28cm. Khi có xem xét ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy, sau 11 tháng mức độ bồi lấp trở lại lớn nhất là 55cm, bồi lấp trở lại trung bình trên tuyến là 35-40cm. Để khắc phục và hạn chế bồi, xói bãi và bờ biển, ngăn cát, giảm sóng và hạn chế bồi lấp luồng tàu do dòng ven bờ gây ra, tại khu vực Cửa Lấp cần thiết phải xây dựng các công trình chỉnh trị với nhiệm vụ hướng dòng chảy và bảo vệ bờ, ngăn cát, giảm sóng, trong chương 4, luận án đã mô phỏng diễn biến hình thái đối với 23 các phương án đã được các nghiên cứu trước đây đề xuất, qua phân tích, tính toán, luận án đã đề xuất và lựa chọn được phương án chỉnh trị phù hợp cho khu vực Cửa Lấp, cụ thể phương án chỉnh trị bao gồm hệ thống đê ngăn cát, giảm sóng (L1, L2, L3, V1, V2) và hệ thống đê hướng dòng (T1 đến T8). II. Những đóng góp mới của luận án - Đã xây dựng được mô đun tính toán ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy và ghép nối thành công với mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) để phân tích vận chuyển bùn cát và bồi, xói khu vực cửa sông Cửa Lấp. - Đã làm sáng tỏ được mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố sóng và dòng chảy đến quá trình vận chuyển bùn cát, gây bồi, xói khu vực Cửa Lấp. - Đã đề xuất được phương án chỉnh trị tổng thể theo hướng đa mục tiêu tại khu vực ven biển, cửa sông Cửa Lấp. III. Những tồn tại và kiến nghị hướng phát triển 1. Những tồn tại Thiếu số liệu quan trắc về nồng độ bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy để kiểm định mô hình tính vận chuyển bùn cát và biến đổi đáy. Khu vực Cửa Lấp chưa có các trạm quan trắc thủy, hải văn thường xuyên nên thiếu số liệu thực đo để tính toán bài toán trong điều kiện cực trị; mô đun tính tác động của chân vịt tàu thủy khi di chuyển đến vận chuyển bùn cát mới chỉ dừng ở mức độ mô phỏng ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy tới vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát trong một chu trình tàu chạy, chưa mô phỏng được ảnh hưởng của tàu thủy ra vào trong suốt cả chu kỳ thời gian 1 năm liên tục. 2. Kiến nghị hướng phát triển Tiếp tục triển khai thiết lập các trạm đo mực nước, sóng và phân tích bùn cát trong tương lai; tiếp tục phát triển mô đun tính tác động của chân vịt tàu thủy khi di chuyển đến vận chuyển bùn cát của Mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC để có thể mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của tàu thủy ra vào trong suốt cả chu kỳ 1 năm liên tục tới quá trình bồi xói trong thực tế. 24 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Nguyễn Văn Giáp, Nguyễn Trung Việt (2015). Ảnh hưởng của chân vịt tàu thuyền tới sự xáo trộn bùn cát đáy và bồi lấp trở lại luồng tàu. Tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường số 50, tháng 9/2015 (đã được chấp nhận đăng); 2. Nguyễn Văn Giáp, Nguyễn Trung Việt (2015). Ảnh hưởng của sóng đến dòng chảy ven bờ và vận chuyển bùn cát khu vực Cửa Lấp, tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. Tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường số 50, tháng 9/2015 (đã được chấp nhận đăng); 3. Nguyen Van Giap and Nguyen Trung Viet (2015). Study on the Mechanism and Sand Bar Deposision at Cua Lap Estuary and Proposed Countermeasure for Stabilizing. Proceedings of Vietnam - Japan Workshop on Estuaries, Coasts and Rivers, 7-8 September 2015, Hoi An, Vietnam; 4. Nguyen Trung Viet, Vo Cong Hoang, Hoang Dong Hai, Dinh Van Duy, Nguyen Van Giap, Hitoshi Tanaka (2015). Analysis on Erosion of Beach Adjacent to Cua Dai River Mouth, Central Vietnam. Proceedings of Fifth International Conference on Estuaries and Coasts (ICEC2015), November 2-4, 2015, Muscat, Oman (inpress); 5. Nguyen Van Giap, Truong Van Bon, Vu Van Ngoc and Nguyen Trung Viet (2014). Causes and Engineering Solutions for Stabilising of Bed River Channel and Waterway Navigation in Lap Estuary of Ba Ria - Vung Tau Province. Proceedings of the 19th IAHR-APD, 21-24 September 2014, HaNoi, Vietnam; 6. Trương Văn Bốn, Vũ Văn Ngọc và Nguyễn Văn Giáp (2013). Mô hình tính toán thủy triều, sóng và vận chuyển bùn cát ven bờ khu Nhật lệ, Quảng bình. Tuyển tập công trình Hội Khoa học Cơ học Thủy Khí toàn Quốc năm 2013; 7. Truong Van Bon, Vu Van Ngoc, Nguyen Van Giap and Nguyen Thanh Trang (2012). The reasons for sedimentation, erosion and shifting channels in lap and loc an estuaries (Ba Ria - Vung Tau province) on actual data and numerical models. Proceedings of 4th International Conferences on Estuaries and Coasts (ICEC2012), pp.41-48; 8. Trần Đình Hòa, Nguyễn Văn Cường và Nguyễn Văn Giáp (2010). Hiệu quả kinh tế xã hội của Công trình điều tiết mực nước sông Hồng đoạn qua Hà Nội. Đặc san khoa học công nghệ thủy lợi số 27 - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam; 25 [...]... suất đáy lớn nhất do chân vịt tàu tạo ra là 121 (Pa) và nồng độ bùn cát lơ lửng lớn nhất là 1.120 (mg/l) 19 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KỸ THUẬT GIẢI PHÁP CHỈNH TRỊ CỬA LẤP 4.1 Cơ sở để bố trí không gian công trình chỉnh trị Cửa Lấp 4.1.1 Mục tiêu chỉnh trị Chống bồi lấp và ổn định luồng tàu vào cảng cá Phước Tỉnh, Cửa Lấp; chống sạt lở bờ Tây Cửa Lấp, tạo điều kiện tôn tạo... ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy và ghép nối thành công với mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) để phân tích vận chuyển bùn cát và bồi, xói khu vực cửa sông Cửa Lấp - Đã làm sáng tỏ được mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố sóng và dòng chảy đến quá trình vận chuyển bùn cát, gây bồi, xói khu vực Cửa Lấp - Đã đề xuất được phương án chỉnh trị tổng thể theo hướng... trình chỉnh trị với nhiệm vụ hướng dòng chảy và bảo vệ bờ, ngăn cát, giảm sóng, trong chương 4, luận án đã mô phỏng diễn biến hình thái đối với 23 các phương án đã được các nghiên cứu trước đây đề xuất, qua phân tích, tính toán, luận án đã đề xuất và lựa chọn được phương án chỉnh trị phù hợp cho khu vực Cửa Lấp, cụ thể phương án chỉnh trị bao gồm hệ thống đê ngăn cát, giảm sóng (L1, L2, L3, V1, V2) và. .. gió mùa Tây Nam Dòng chảy ven bờ khu vực Cửa Lấp có hướng Tây Nam - Đông Bắc Vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu do sóng gây ra khoảng 0.23m/s và thay đổi tùy theo chiều cao sóng Dòng chảy hình thành các khu vực có dòng chảy lớn là khu vực phía Nam và khu vực có dòng chảy nhỏ là khu vực giữa cửa và phía Bắc của cửa Khi mực nước cực trị, trường dòng chảy tiến sâu vào vùng ven bờ, vận tốc dòng chảy... 𝑄𝑠𝑤 2.5 (2-6) Cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy tới hiện tượng bồi, xói luồng tàu 2.5.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy Chân vịt do tàu chạy có thể gây ra xáo trộn bùn cát và phân bố lại bùn cát trong phạm vi luồng tàu chạy Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình vận chuyển bùn cát do tàu gồm: Kích thước tàu, độ sâu khi tàu chạy, vận tốc dòng chảy sông, tàu 9 chạy... của chân vịt tàu thủy, sau 11 tháng mức độ bồi lấp trở lại bình quân trên tuyến luồng là 22cm đến 28cm Khi có xem xét ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy, sau 11 tháng mức độ bồi lấp trở lại lớn nhất là 55cm, bồi lấp trở lại trung bình trên tuyến là 35-40cm Để khắc phục và hạn chế bồi, xói bãi và bờ biển, ngăn cát, giảm sóng và hạn chế bồi lấp luồng tàu do dòng ven bờ gây ra, tại khu vực Cửa Lấp cần thiết... khoảng 0,13m/s và thay đổi tùy theo chiều cao sóng Khu vực phía Nam hình thành vùng có dòng xoáy (vòng tròn màu đỏ) Khu vực cửa sông và phía bờ Bắc có những vùng dòng chảy rất nhỏ (vòng tròn màu xanh), là điều kiện thuận lợi để bùn cát lắng đọng lại Xu thế vật chất được mang từ bờ Bắc đi qua Cửa Lấp xuống bờ Nam và lắng đọng lại khu vực trước cửa Hình 3-29 Trường dòng chảy khu vực Cửa Lấp do sóng gió... trình chỉnh trị Công trình chỉnh trị đảm bảo hướng cửa thuận về mặt thủy lực; ngăn được dòng vận chuyển bùn cát ven bờ; giảm chiều cao sóng ven bờ; bố trí hệ thống công trình đê hướng dòng bảo vệ bờ, chống phá hoại và xâm thực bãi biển Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra, kết hợp hiệu quả đạt được của 2 phương án chỉnh trị (PA1 Và PA2) do đề tài nghiên cứu trước đây đề xuất Luận án đã tiến hành nghiên. .. 3 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC BỒI, XÓI KHU VỰC CỬA LẤP 3.1 3.1.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình tính toán Xây dựng cơ sở dữ liệu khu vực tính toán Tài liệu địa hình, khí tượng, thủy hải văn: kế thừa của đề tài đã có và có cập nhật bổ sung đến năm 2013; Số liệu sóng trạm Bạch Hổ, Trạm Vũng Tàu Trong đó số liệu thực đo tháng 10-2010 dùng để hiệu chỉnh và kiểm định độ chính xác của mô hình;... trộn và đi vào cột nước hoặc vận chuyển sang hai bên Tàu có mã lực 700CV và 1100CV khi chạy sẽ tạo ra trường vận tốc lớn nhất cỡ 3m/s, nồng độ bùn cát lơ lửng do hai loại tàu này tại vị trí cách tim một mét khi chạy là cỡ khoảng 2250 mg/l TÀU300CV 300CV TÀU TÀU700CV 700CV TÀU Bùn cát lơ lửng Khoảng cách ngang tàu (m) Khoảng cách ngang tàu (m) Ứng suất đáy TÀU300CV 300CV TÀU TÀU TÀU700CV 700CV TÀU TÀU1100CV ... định khu vực Cửa Lấp đề xuất phương án chỉnh trị 1.5 1.5.1 Tổng quan phương pháp nghiên cứu cửa sông Đặc điểm phương pháp nghiên cứu cửa sông Do tính phức tạp tượng vật lý cửa sông, nên nghiên cứu. .. động lực học cửa sông Cửa Lấp Các nghiên cứu khu vực Cửa Lấp nhìn chung ít, có nghiên cứu đề cập đến cửa sông Cửa Lấp, nghiên cứu tác giả Trương Văn Bốn cộng (2013) nghiên cứu mang tính toàn diện... trình chỉnh trị cho kết khả quan đáp ứng mục tiêu nghiên 1.4.3 Các nghiên cứu công trình chỉnh trị cửa sông Cửa Lấp Trong nghiên cứu Trương Văn Bốn, giải pháp KHCN chỉnh trị tổng thể chống bồi, xói