NGHIÊN cứu CHẾ độ SÓNG, DÒNG CHẢY và vận CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG nước BIỂN VEN bờ NAM ĐỊNH

SỬ DỤNG MÔ HÌNH MIKE TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG, DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH .... Nguyên nhân gây ra sự bồi xói vùng ven biển là do tác động của só

đại học quốc gia hμ nội Trường đại học khoa học tự nhiên

đại học quốc gia hμ nội Trường đại học khoa học tự nhiên

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này, tác giả mong muốn được bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc nhất tới TS Nguyễn Minh Sơn – Viện Công nghệ Môi Trường – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã định hướng, trực tiếp hướng dẫn

và tận tình giúp đỡ về nhiều mặt.

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới TS Lê Xuân Hoàn - Viện Cơ học Hà Nội

đã giúp đỡ về số liệu cũng như phương pháp luận để tiếp cận đến bài toán thực tế.

Tác giả luôn biết biết ơn sâu sắc đối với các thầy cô trong Bộ môn Hải Dương học - Khoa KT – TV - HDH đã truyền đạt những kinh nghiệm quý báu trong quá trình đào tạo, nhờ đó học viên được nâng cao trình độ, mở rộng tầm hiểu biết khi tiếp cận đến thực tế.

Cuối cùng, Tôi xin được cảm ơn Phòng Quy hoạch Môi trường – Viện Công nghệ Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi để bản luận văn được hoàn thành.

Trong quá trình thực hiện, luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn đồng nghiệp

để luận văn có thể hoàn thiện hơn.

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2010

Học viên

Vũ Công Hữu

Mục lục

Lời cảm ơn 1

Mục lục 4

MỞ ĐẦU 6

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 9

1.1 Chế độ gió 10

1.2 Chế độ sóng 11

1.3 Chế độ thủy triều và nước dâng 12

1.4 Đặc điểm địa mạo 13

1.5 Đặc điểm địa hình vùng ven bờ 15

1.6 Chế độ dòng chảy 15

1.7 Diễn biến các cửa sông 17

1.8 Tình hình xói lở và biến đổi đường bờ khu vực Hải Hậu 18

Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC MÔ ĐUN TRONG HỆ THỐNG MÔ HÌNH MIKE ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 21

2.1 Sơ lược về các bộ chương trình thủy động lực 21

2.2 Giới thiệu mô hình MIKE 21FM 26

2.3 Giới thiệu mô đun tính sóng Mike21 SW 28

2.4 Giới thiệu mô đun dòng chảy Mike21 HD FM 34

2.5 Giới thiệu mô đun tính vận chuyển trầm tích Mike21 ST FM 37

2.6 Sự liên kết giữa các mô đun 40

Chương 3 SỬ DỤNG MÔ HÌNH MIKE TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG, DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH 42

3.1 Thu thập số liệu khảo sát thực địa 42

3.2 Tính toán các đặc trưng trường sóng 44

3.2.1 Hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình sóng 48

3.2.2 Tính toán các đặc trưng trường sóng 53

3.3 Tính toán trường dòng chảy sóng 58

3.4 Tính toán vận chuyển trầm tích 59

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60

4.1 Kết quả các phương án tính sóng 60

4.2 Kết quả các phương án tính dòng chảy sóng 67

4.3 Kết quả tính toán vận chuyển trầm tích 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Phụ lục 1: Kết quả tính toán phân bố trường sóng của 20 phương án. 82

Phụ lục 2: Kết quả các phương án tính dòng chảy sóng 103

Phụ lục 3: Kết quả các phương án tính vận chuyển trầm tích 109

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài:

Lan truyền sóng biển, vận chuyển trầm tích và bồi xói là những lĩnhvực khoa học quan trọng, được các nhà khoa học rất quan tâm Trong thực tế,sóng và vận chuyển trầm tích nói chung, gây xói lở và gây ảnh hưởng tiêu cựcđến các hoạt động kinh tế xã hội ở nhiều vùng ven biển Nhiều giải pháp quản

lý, kỹ thuật khác nhau đã được xây dựng nhằm giải quyết vấn đề trên và tínhtoán mô hình là một trong những công cụ quan trọng giúp ích cho việc xâydựng các giải pháp đó

Tỉnh Nam Định có trên 72 km bờ biển và là hạ lưu của nhiều sông lớnnhư: sông Hồng, sông Ninh Cơ, sông Đáy Đây là khu vực đặc thù, thể hiệnđầy đủ các tác động ảnh hưởng đến bãi biển, bờ biển

Nguyên nhân gây ra sự bồi xói vùng ven biển là do tác động của sóng

và dòng chảy làm cho bùn cát dịch chuyển theo hai hướng: vuông góc với bờ(cross shore) và dọc theo bờ (long shore) Quá trình bồi xói xảy ra trong thờigian dài (long term) sẽ làm biến đổi đường bờ và được xem như là hệ qủa của

sự chuyển dịch bùn cát dọc bờ Nhiều khu vực tại vùng bờ biển Nam Định,đặc biệt là đoạn bờ trong khoảng từ Văn Lý tới Thịnh Long đã và đang bị xói

lở mạnh Trong những năm gần đây, quy mô và cường độ xói lở có chiềuhướng gia tăng Đặc biệt, trong cơn bão số 7 ngày 27 tháng 9 năm 2005, rấtnhiều đoạn đê biển trong khu vực này như đê biển Hải Triều, Hải Hoà, HảiThịnh đã bị vỡ, gây ngập lụt cho những khu vực rộng lớn ven bờ Đặc biệt, tạimột số địa điểm du lịch như bãi biển Thịnh Long, sóng kết hợp với nước dângtrong bão phá huỷ toàn bộ con đường ven biển và nhiều nhà nghỉ

Thông thường, tại một số vùng biển, đặc biệt là biển miền Trung, hiệntượng xói lở xảy ra vào mùa đông, khi sóng lớn kết hợp với triều cường tấncông vào bờ, đào các hố xói tại bãi và làm sạt lở bờ biển và các công trình xây

dựng trên bờ Vào mùa hè, sóng lặng hơn và sóng lừng mang cát từ ngoài xavào bồi lại bãi Tuy nhiên, cơ chế xói lở tại bãi biển Nam Định vẫn chưa rõràng Đối với vùng biển này, hiện tượng xói lở xảy ra thường xuyên trong cảnăm, nhưng mạnh hơn vào mùa đông Quá trình diễn biến xói lở bờ biển dotác động của sóng là một quá trình khá phức tạp, nó bị tác động bởi các yếu tốnhư chiều cao sóng, vị trí sóng vỡ, dòng chảy do sóng vỡ, ứng suất do sóngtác dụng trên đáy, lượng bùn cát chuyển dịch và cách thức biến dạng mái dốc

bờ biển

Hình 1 Một số hình ảnh xói lở bờ biển Nam Định

Để nghiên cứu bài toán xói lở đối với khu vực biển Nam Định, cầnnghiên cứu trong mối quan hệ tổng thể giữa các tác động liên quan hoạt độngkinh tế xã hội và do tự nhiên gây ra Về mặt tự nhiên, cần xét đến sự tác độngtổng hợp của các tác nhân, sóng, dòng chảy, thủy triều, nước dâng, … Vìvậy, đề tài Nghiên cứu chế độ song, dòng chảy và vận chuyển trầm tích đượclựa chọn Tuy nhiên, trong khuôn khổ của luận văn này, chỉ tập chung vào

nghiên cứu, tính toán phân bố trường sóng, dòng chảy sóng và lượng vậnchuyển cát gây ra do sóng đối với vùng nước biển ven bờ Hải Hậu - NamĐịnh.

Mô hình là công cụ quan trọng, hỗ trợ xây dựng các giải pháp quản lýnhằm giảm thiểu thiệt hại và phòng ngừa các tác động của biển Mô hìnhMIKE được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới và Việt Nam, có đủ các chứcnăng đáp ứng việc giải quyết bài toán thực tế Mô đun liên hợp Mike21

coupled model FM (hai chiều) trong bộ chương trình được sử dụng chonghiên cứu này Mô đun này liên kết giữa các mô đun tính toán dòng chảy(Mike21HD FM), mô đun tính toán sóng (Mike21 SW FM), mô đun tính toánvận chuyển cát (Mike21ST FM) với lưới phi cấu trúc (phần tử hữu hạn) phùhợp tốt với các dạng đường bờ và địa hình phức tạp

Mục đích của đề tài: Việc sử dụng công cụ mô hình vào các bài toán

thực tế còn nhiều khó khăn và hạn chế Trong tực tế, thường không có nhiềuthực nghiệm về các hệ số của mô hình cũng như các số liệu đo đạc hiệntrường phục vụ cho các tham số đầu vào Vì vậy, mục đích của nghiên cứunày là thử nghiệm áp dụng các mô đun của bộ chương trình MIKE nhằm tínhtoán các đặc trưng trường sóng, dòng chảy sóng và vận chuyển tầm tích gây

ra do sóng Do vậy, bố cục của luận văn gồm các phần như sau:

MỞ ĐẦU

Chương 1: Tổng quan về khu vực nghiên cứu.

Chương 2: Giới thiệu các mô đun trong hệ thống mô hình Mike được áp

dụng trong nghiên cứu của luận văn

Chương 3: Tính toán các đặc trưng sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích

vùng nước biển ven bờ Nam Định

Chương 4: Các kết quả và thảo luận

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

Tỉnh Nam Định có đường bờ biển dài chạy theo hướng Tây Nam vàĐông Bắc (lệch khoảng 45o so với hướng Bắc) và một số cửa sông như cửaĐáy, cửa Ninh Cơ, cửa Ba Lạt Đặc điểm của các cửa sông này là lượng phù

sa vận chuyển hàng năm ra biển khá lớn Chính vì vậy, tại các vùng cửa sôngnày tồn tại rất nhiều bãi cát, doi cát và cồn cát ngầm Vì cát do các sông đưa

ra là cát mịn nên độ dốc bãi trên toàn vùng bãi biển Nam Định là rất nhỏ Tạinhiều vị trí, độ dốc bãi biển là nhỏ hơn 1%

Hình 1.1 Bản đồ tỉnh Nam Định (Dự án VNICZM, Hà Nội)

1.1 Chế độ gió

Tại vùng biển Nam Định tồn tại hai mùa gió rõ ràng, gió mùa đông bắtđầu vào khoảng tháng 10 hàng năm và kết thúc vào khoảng giữa tháng 3 nămsau, gió mùa hè (nam, đông nam và tây nam) trong thời gian còn lại của năm,

từ tháng 5 đến tháng 9 Gió mùa đông được đặc trưng bởi tốc độ mạnh thổi từphía Bắc, nhiệt độ thấp hơn và lượng mưa thấp hơn Gió mùa hè được đặctrưng bởi gió vừa, thổi từ phía nam, nhiệt độ cao hơn và lượng mưa cao hơn.Ngoài ra, có một giai đoạn chuyển tiếp giữa hai gió mùa chính (tháng 4 vàtháng 10), đặc trưng bởi gió mậu dịch hướng đông mang theo luồng khí mát

Xung quanh khu vực Hải Hậu có 4 trạm đo gió, cho thấy trường giótrong Vịnh Bắc Bộ bị ảnh hưởng bởi địa hình rất rõ Vì trạm Bạch Long Vĩnằm ở giữa Vịnh Bắc Bộ (trên đảo Bạch Long Vĩ), cách xa đất liền, dữ liệugió ghi nhận tại trạm này sẽ đại diện cho tính sóng nước sâu ở bãi biển HảiHậu [18], [26]

Hình 1.2 Hoa gió tại các trạm xung quanh khu vực Hải Hậu

(dựa trên chuỗi số liệu từ năm 1976 - 1995)

1.2 Chế độ sóng

Chế độ sóng nước sâu ở Vịnh Bắc Bộ có các tính chất rõ ràng theomùa Dựa trên những dữ liệu quan trắc tại trạm Hòn Dấu, các tác giả Pruszak(2002) và Vinh (1996) đã chỉ ra rằng; trong mùa đông, sóng thịnh hành đến từphía đông bắc, trong khi đó vào mùa hè sóng đến từ phía đông và đông nam.Tốc độ gió trong mùa đông mạnh hơn trong mùa hè, tạo ra sóng cao hơn sovới mùa hè Ước tính độ cao sóng trung bình trong nước sâu vào khoảng 1,8-2,0m đối với mùa đông và 1,2-1,4 m đối với mùa hè Tuy nhiên, sự khác biệttheo mùa rõ rệt nhất có lẽ là tần số xuất hiện độ cao sóng ý nghĩa (Hs) Vàomùa Đông, Hs đạt giá trị 3m chiếm tới 10%, trong khi vào mùa hè Hs đạt giátrị 2m chiếm 10% [24]

Ở phía Bắc của Việt Nam, bão chủ yếu xảy ra vào tháng 7 và tháng 8(trong thời gian mùa hè) Trong bão, độ cao sóng vùng nước sâu có thể đạt giátrị 8-10m [16], [18]

Đối với Việt Nam nói chung và Hải Hậu nói riêng, chuỗi số liệu đosóng trong thời gian dài thường là rất hiếm Trong khuôn khổ của một chươngtrình viện trợ của quốc tế Cơ quan Hợp tác Phát triển Thụy Điển (SIDA), 4đợt đo sóng tại bãi biển Hải Hậu được thực hiện vào năm 2005 và 2006 [14],[20] Tuy nhiên, các đợt đo này thực hiện trong điều kiện thời tiết ôn hòa vàtrong thời gian ngắn hạn (khoảng 10 ngày) Các tần xuất xuất hiện độ caosóng ý nghĩa dựa trên dữ liệu đo được tại độ sâu 20m (trạm S1), cho thấy rằngtrong mùa đông, độ cao của sóng đo được cao hơn trong mùa hè Trong mùađông, độ cao sóng ý nghĩa lớn hơn 1,0m chiếm tới 10% , trong khi đó vàomùa hè độ cao sóng ý nghĩa lớn hơn 0,6m chiếm tới 10% [12]

Hình 1.3 Tần xuất độ cao sóng ý nghĩa dựa trên số liệu đo trong các

đợt khảo sát năm 2005 và 2006Vịnh Bắc Bộ nối với biển Đông qua cửa vịnh mở rộng theo hướng

Đông - Nam nên các sóng lừng sẽ xảy ra trong vịnh Bắc Bộ khi có sóng lớntrong vùng biển Đông Các phép đo đồng thời tại các trạm ven vờ Hải Hậutrong các đợt của năm 2005 và 2006 cho thấy xuất hiện sóng lừng cao hơn 1mtrong điều kiện lặng gió [14] Như vậy, các sóng lừng phát sinh phía Nam củabiển Đông có thể truyền vào và làm ảnh hưởng đến bãi biển Hải Hậu

1.3 Chế độ thủy triều và nước dâng

Thuỷ triều đóng vai trò động lực quan trọng ở khu vực ven biển và cửasông nói chung và khu vực đồng bằng Bắc Bộ nói riêng Thuỷ triều ở đây

mang tính chất nhật triều đều với độ cao triều tới trên 3,5m Trong năm, độlớn triều đạt giá trị cực đại vào các tháng đầu năm, giữa năm và cuối năm

Các sóng triều truyền từ Biển Đông và một phần bị phản xạ ở khu vực cuốivịnh Bắc Bộ Với độ dài 50km và độ sâu 50m, thời gian cộng hưởng trongvinh vào cỡ 25h [23], khoảng thời gian này xấp xỉ với chu kỳ của các sóngtriều O1, K1 dẫn đến sự cộng hưởng làm tăng biên độ triều dọc bờ biển ViệtNam [10] Dòng triều trung bình đạt 20-30cm/s, dòng triều lớn nhất đạt

60cm/s và ở các bãi triều là 50cm/s (Thanh, 1997) Độ cao trung bình đạt1,92m, lớn nhất 3,64m (23-12-1987 đến 01-07-1988) [15].

Hiện tượng nước dâng do gió mùa chủ yếu xuất hiện vào mùa đông doảnh hưởng của hệ thống gió mùa Đông Bắc với tốc độ cao và hướng khá ổnđịnh Các kết quả phân tích các tài liệu quan trắc trong 40 năm (1962 - 2002)qua cho thấy trị số nước dâng do gió mùa Đông Bắc kết hợp với sóng lớn ởđây xấp xỉ cỡ 50 - 80cm Hiện tượng nước dâng do bão xảy ra tương tự nhưgió mùa nhưng trị số cao và cường độ mạnh trong khoảng thời gian ngắn gâytác động rất mạnh ở vùng ven biển gây ra hiện tượng phá huỷ, làm hư hỏngđến các công trình ven bờ nói chung và đê kè nói riêng Các kết quả nghiêncứu trước đây cho thấy nước dâng cực đại tại vùng biển Nam Định khá cao,

có thể đạt trên 2m Thí dụ trong cơn bão số 7 ngày 27 tháng 9 năm 2005,nước dâng do bão với độ cao cực đại tại Quất Lâm khoảng 1,90m, tại ThịnhLong trên 1,8m, kết hợp với triều cường đã gây ra vỡ đê biển và ngập lụt tạinhiều xã [2]

1.4 Đặc điểm địa mạo

Tất cả các vị trí bờ biển bị xói mòn tại vùng biển Nam Định đều làvùng bờ cát Với các vùng bờ này, sóng phải lớn hơn một giá trị nào đó mới

có khả năng gây vận chuyển cát và biến đổi địa hình đáy một cách đáng kể.Đối với vùng bờ biển Nam Định, các tính toán sơ bộ cho thấy chỉ có sóng với

độ cao lớn hơn 0,75 m mới có khả năng gây vận chuyển cát một cách đáng kể[1]

Hinh 1.4 Đường cong cấp phối hạt tại bãi biển Nam Định (Viện Cơhọc)

Kết quả đo và phân tích các mẫu trầm tích tại các mặt cắt vuônggóc với bờ của dự án SIDA ở khu vực Hải Hậu cho thấy, đường kính

D 50 của trầm tích có giá trị trong khoảng 0,14 - 0,18mm [12]

1.5 Đặc điểm địa hình vùng ven bờ

Địa hình khu vực bãi biển hải hậu có độ dốc thoải, tạo ra đới rộng làm

Tuy nhiên, khu vực cửa Ba Lạt có độ dốc lớn và địa hình phức tạp tạo lên sựmất trầm tích ở khu vực ngoài [25] Độ dốc trung bình tính từ bờ đến độsâu khoảng 7-8m vào khoảng 1–1,6% Xung quanh cửa Ba Lạt, gần cácbãi bồi có độ dốc khoảng 4% [25]

1.6 Chế độ dòng chảy

Các thành phần dòng chảy chủ yếu trong đới ven bờ bao gồm dòngchảy phát sinh do sóng, dòng thủy triều, dòng chảy gió và chảy ra từ các cửasông Những thành phần dòng chảy tương tác với địa hình hình tạo ra các

hướng Đông Bắc-Tây Nam, hướng sóng chiếm ưu thế trong cả hai mùa đông

và mùa hè chủ yếu chéo so với đường bờ, hình thành dòng chảy sóng dọc bờ.Tại bãi biển Hải Hậu, dòng chảy sóng có vai trò chủ đạo gây lên vận chuyểntrầm tích và thay đổi hình thái [17]

Theo tác giả Phạm Văn Ninh, vận tốc dòng chảy gió tại vùng biển ven

bờ Nam Định có thể đạt tới 25-30cm/s vào mùa đông và 10-15 cm/s vào mùa

hè [2]

Dòng triều thể hiện vai trò chủ đạo trong quá trình hình thành bãi triều

và lạch triều ở khu vực ven bờ và các đầm phá Ở Vịnh Bắc Bộ, các sóng triềutruyền từ phía Nam đến Bắc, dẫn đến dòng triều hướng lên phía Bắc trongthời gian của pha triều lên và hướng xuống phía Nam trong pha triều rút.Dòng triều trung bình trong khu vực gần bờ, ở độ sâu khoảng 5m, có vận tốctrong khoảng 25 đến 40cm/s Vận tốc tối đa có thể đạt 60 đến 80cm/s [17] Do

sự bất đối xứng của dòng triều ở khu vực ven bờ, thời gian triều lên ngắn hơn

so thời gian triều lên xuống, tương ứng 42% và 58% thời gian, dẫn đến dòngtriều thực hướng xuống phía Nam ở khu vực ven biển [24].

Đáng chú ý là dựa trên dữ liệu đo và mô hình số, Ninh, Quỳnh, ViệtLiên (2001) và Van Mar en và Hoekstra (2004) cho thấy hoàn lưu do gió quayngược chiều kim đồng hồ, trung tâm của nó nằm ở giữa Vịnh Bắc Bộ trong cảmùa gió đông và mùa hè Do đó, trong vùng ven bờ biển Hải Hậu, dòng dưluôn hướng về phía nam Như đã đề cập ở trên, tốc độ gió trong mùa đông làmạnh hơn trong mùa hè và dòng chảy gió trong mùa đông lớn hơn trong mùa

hè [24]

Trong dự án SIDA, đặt 4 trạm đo tại khu vực biển ven bờ Hải Hậutrong 2 các đợt (10 ngày mỗi đợt) năm 2005 và 2006, tháng 2 đặc trưng chomùa đông và tháng 8 đặc trưng cho mùa hè Chế độ dòng chảy dựa trên cácđợt đo cho thấy dòng dư luôn hướng xuống phía Nam trong cả mùa đông vàmùa hè, ngoại trừ trạm S2 Dòng chảy trung bình trong các đợt đo khoảng30cm/s và dòng chảy lớn nhất đạt khoảng 50–80 cm/s [12]

Hình 1.5 Chế độ dòng chảy dựa trên các đợt đo tại 4 trạm (2005 và 2006)

1.7 Diễn biến các cửa sông

Sông Hồng mang đến một lượng lớn trầm tích được thải vào vịnh Bắc

Bộ qua 7 cửa sông Lượng trầm tích đổ ra biển hàng năm thay đổi theo mùa rõràng Lượng mưa trong mùa hè cao hơn rất nhiều so với mùa đông (khoảng

80% tổng lượng mưa hàng năm), dẫn đến tải lượng trầm tích được vận

chuyển vào mùa hè chiếm khoảng 91- 96% tổng tải lượng của năm Tổng tảilượng trầm tích do sông Hồng vận chuyển ra biển khoảng 75-100 triệu

tấn/năm Trong đó, khoảng 30% bồi ở khu vực gần bờ tạo thành các bãi triều(độ sâu dưới 2m) và các roi cát, phần còn lại vận chuyển qua các lạch triều rangoài nước sâu (độ sâu 2m đến 30m [8], [17] Tải lượng trầm tích do hệ

thống sông hồng được phân bố qua các của sông; cửa Văn Úc khoảng 19%,

cửa Thái Bình khoảng 6%, cửa Trà Lý khoảng 9%; cửa Ba Lạt khoảng 21%;cửa Lạch Giang khoảng 6%, cửa Đáy khoảng 19%, và 20% cho tất cả các

phân lưu nhỏ hơn [24] Một số hình ảnh về sự biến đổi các cửa sông [3];

Hình 1.6 Cửa sông Ba Lạt trong giai

đoạn 1912-1965

Hình 1.7 Cửa sông Ba Lạt trong giai

đoạn 1965-2001

Hình 1.8 Cửa sông Đáy trong giai đoạn

sông Hồng và Bắc Việt Nam

Bờ biển Hải Hậu (Nam Định) bị xói sạt trên đoạn dài chừng 17km, tốc

độ trung bình 14,5m/năm; lớn nhất 20,5m/năm Đến nay, có thể xác định

được Hải Hậu có 10,4 km bờ rất nguy hiểm, do tính xung yếu của đê kè và

mật độ dân cư tập trung cao [3], [15]

Đoạn bờ thuộc xã Hải Đông (dài khoảng 2,5km) Trong đó 1km đầu tiêngiáp xã Hải Lộc, bờ đang bị xói lở mạnh làm sập mái đê tạo vách đứng 2m.Khoảng 1,5km đê thuộc làng Xuân Hà hiện đang bị xói lở, phía trước cồn cát

lộ ra lớp bùn nâu đỏ

Đoạn bờ thuộc xã Hải Lý (dài 3km), với 1,8km đoạn phía Bắc giáp HảiĐông tiếp giáp trực tiếp với biển nhờ các cồn cát, phi lao-dứa dại rộng 50-100m Phía trong là đường đê đất đắp cao không kè Sạt lở bờ cát tự nhiên đãtạo ra vách xói cao 0,6 – 1,0m Khoảng 1,2km phía Nam đoạn bờ Văn Lý có

kè lát mái và kè ô vuông chống xói lở Đoạn đê này hiện nay là đoạn đầu tiênxuất hiện quá trình xói lở mãnh liệt nhất từ đầu những năm 70 của thế kỷtrước Hiện nay, tuyến đê biển 1 tại khu vực này hầu như bị phá hủy hoàntoàn Đoạn đê này thường bị phá huỷ nghiêm trọng ở nhiều giai đoạn, đặc biệtvào mùa gió mùa Đông Bắc và bão

Đoạn bờ thuộc xã Hải Chính (dài khoảng 3,4km), có 1,6km bờ đê tuyếnngoài đã bị phá huỷ gần như hoàn toàn, chỉ còn 320m nền đê cũ sót lại ở đầuphía Bắc nối tuyến giáp xã Hải Lý và 120m đê nối tuyến cũ sót lại ở phía Bắc

xã Tuyến đê chính diện với sóng biển đã được kè lát mái PAM và đã hìnhthành một tuyến đê trong cách 100-250m

Đoạn bờ thuộc xã Hải Triều (dài khoảng 3,6km) có 2km đầu tiên giáp xãHải Chính cũng đang bị sạt lở nghiêm trọng Tuyến đê ngoài đang bị phá hoạivới cường độ mạnh nhất vào những năm 80, vào thời kỳ cuối những năm 90nhà thờ “Lái Tim” thuộc xóm Quang Phục bị phá huỷ hoàn toàn trước sóngbiển Trong đoạn này có 1,2km kè bê tông của dự án PAM và 0,8km đê đangđược tu bổ, đắp cao và kè Khoảng 1,5km đê còn lại phía Nam tương đối ổnđịnh bởi phía trước của tuyến đê ngoài có cồn cát - phi lao rộng 100m Tuyến

đê trong đang được hình thành, cách 120m

Đoạn bờ thuộc xã Hải Hoà (dài khoảng 4km) có 0,5km đầu tiên giáp xãHải Triều Tuyến đê ngoài đã được kè bê tông theo dự án PAM, phía trướcmặt kè có cồn cát phi lao thưa rộng 40-70m Tuyến đê phòng hộ phía trongcách tuyến đê ngoài khoảng 200m Trong cơn bão số 7/2005 khu vực Cồn

Tròn tại đây bị tràn trên chiều dài 40m, sau đó bị tràn vỡ tuyến đê chính,chiều dài đê bị tràn vỡ trên 300m.

Đoạn bờ xã Hải Thịnh (dài 7km): Chiều dài 1,4km bờ phía Bắc giáp xãHải Hoà có di cồn cát-phi lao-dứa dại, rộng khoảng 50-100m áp sát đê biển.Trong cơn bão số 7/2005 đoạn Hải Thịnh III (Thị trấn Thịnh Long): Vỡ chiềudài 40m, lúc 11 giờ 53 phút, sau đó lỗ vỡ tiếp tục mở rộng thêm; chiều dàiđoạn đê vỡ tới 174m, có chỗ sâu tới (- 2,5)m; (kẹp giữa 2 đê có dân cư củalàng Tân Anh - thị trấn Thịnh Long (trích dẫn từ “Báo cáo Hiện trạng sạt lở

bờ biển, phá hoại đê, kè biển Hải Hậu- Giao Thuỷ- Nam Định thời kỳ gầnđây”)

Hình 1.10 Các đoạn đường bờ bị xói

Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC MÔ ĐUN TRONG HỆ THỐNG MÔ

HÌNH MIKE ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

2.1 Sơ lược về các bộ chương trình thủy động lực

Hiện nay, có rất nhiều mô hình, phần mềm tính toán quá trình thuỷđộng lực được xây dựng trên thế giới Mỗi phần mềm đều có đặc thù riêng domối quan tâm cụ thể khác nhau Vì vậy, nó cũng có những ưu điểm và hạnchế riêng Có thể kể đến một số phần mềm tiên tiến, giải quyết được khá đầy

đủ các mối quan tâm về đặc trưng thủy động lực vùng cửa sông, ven biển,biển được áp dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam như sau:

Phần mềm SMS: do Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công trình

Quân đội Mỹ và Phòng Nghiên cứu Đường thuỷ và Phòng Nghiên cứu Thuỷđộng lực xây dựng Phần mềm có thể tính toán dòng chảy một chiều, haichiều và ba chiều ổn định và không ổn định SMS được có các hợp phần khácnhau (SMS, manual, version 8.1):

cho các khu vực trong sông và vùng cửa sông;

vực trong sông và cửa sông;

dương;

vận chuyển trầm tích;

kênh hở

Phần mềm Telemac: do Phòng Thủy động lực và Môi trường Quốc gia

(LNHE) thuộc Cục Nghiên cứu và Phát triển, Ủy ban Năng lượng Pháp DRD) xây dựng TELEMAC được thiết kế để tính toán các quá trình vật lýdiễn ra trong sông, cửa sông và các vùng nước ven bờ TELEMAC dựa trênnhững kỹ thuật phần tử hữu hạn áp dụng cho lưới tam giác phi cấu trúc chophép mô tả thực tế với dạng đường bờ phức tạp và biến đổi độ sâu Bộ

(EDF-chương trình có thể áp dụng mô phỏng đối với cả nước mặt và nước ngầm.Phần mềm bao gồm các mô đun sau (TELEMAC Packages, manual):

Phần mềm Delft3D: là hệ thống tổng hợp các mô đun thành phần của

Viện Thuỷ lực Delft – Hà Lan, bao gồm nhiều mô đun khác nhau và thể hiệnđược mối quan hệ giữa các mô đun đó Ngoài ra, còn có các công cụ hỗ trợnhư khác để biễu diễn kết quả tính toán, tạo lưới tính toán, nhập và xử lý các

số liệu đầu vào (Delft3D, manual 2002).

 Delft3D WAVE: tính toán sự lan truyền sóng ngắn không ổn định ởvùng nước nông, tính đến tác động của gió, sự tiêu tán năng lượng do masát đáy, sóng vỡ, khúc xạ, hiệu ứng nước nông.

phát tán, phân huỷ, chuyển đổi giữa các chất

theo không gian và thời gian của các hạt

loài tảo và chất dinh dưỡng, …

tích kết dính, không kết dính, hữu cơ và vô cơ, lơ lửng và đáy

vận chuyển trầm tích, là hệ quả của tác động của cả dòng chảy và sóng

Phần mềm Mike Zero: được phát triển bởi Viện Tài nguyên và Môi

trường nước Đan Mạch (DHI Water & Environment), MIKE Zero là tên

chung của tất cả các mô hình liên quan đến môi trường nước của DHI, baogồm (Mike Zero, manual, 2008):

Ở Việt Nam cũng có nhiều tổ chức, cơ quan, tiến hành xây dựng các

mô hình toán tính dòng chảy và chất lượng nước 2 chiều Tuy nhiên các môhình đó chủ yếu phục vụ cho mục đích nghiên cứu chưa đạt được yêu cầu ứngdụng trong thực tiễn, kể cả về tính tăng, độ tin cậy và sự thuận tiện trong việckhai thác Đặc biệt, các mô hình chất lượng nước vẫn đang ở mức độ sơ khai

Hầu như chỉ có một số mô hình tính toán sự lan truyền của các chất bảo toàn,như độ mặn là đảm bảo độ tin cậy, còn đối với các chất không bảo toàn nhưtrầm tích (có sự tương tác giữa nước và nền đáy), chất gây ô nhiễm (có sựphân huỷ vật chất) thì chưa đạt được độ tin cậy cần thiết Ngoài ra, việc quantrắc và thu thập các số liệu để hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình chấtlượng nước rất khó khăn và tốn kém; điều đó cũng hạn chế sự phát triển củacác mô hình này.

Một xu hướng phổ biến ở Việt Nam trong thập kỷ qua là chuyển giao

và áp dụng các phầm mềm thương mại tiên tiến trên thế giới Việc tiếp cậnđến các phần mềm tiên tiến như vậy đã hỗ trợ giải quyết được một số bài toántrong thực tế (như kiểm soát lũ, thiết kế cảng, quản lý nguồn thải ), đồngthời nâng cao năng lực của các chuyên gia phần mềm trong nước Các phầnmềm thương mại trên thế giới liệt kê ở trên đã được chuyển giao cho một số

cơ quan khác nhau ở Việt Nam và được áp dụng cho một số vùng của ViệtNam

Phần mềm Delft3D đã được chuyển giao cho các cơ quan của Việt namnhư: Viện Nghiên cứu và Kinh tế Thuỷ lợi, Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn,Viện Nghiên cứu Tài nguyên và Môi trường biển (Hải Phòng), Viện Khítượng Thủy văn (Bộ TN&MT) và được áp dụng trong một số nghiên cứu

như: Mô phỏng chất lượng nước Hồ Tây (Luận án Tiến sĩ của TS Hoàng Dương Tùng - Cục Bảo vệ Môi trường; 2004); hay: Ứng dụng mô hình

Delft3D nghiên cứu sự ảnh hưởng của thủy triều đến hình thái cửa sông ven biển Hải Phòng (ThS Nguyễn Thị Phương Thảo - Viện Khoa học Thuỷ lợi,

số mô đun của phần mềm đã được tính toán và áp dụng trong một số đề tài:Trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước KC08.11, Trung tâm Độnglực Sông thuộc Viện Khoa học Thủy lợi đã ứng dụng Mike21C cho bốn khuvực trọng điểm trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình trong việc đánhgiá những biến động về thủy lực, bùn cát và diễn biến lòng dẫn dưới nhữngkịch bản về địa hình, về dòng chảy khác nhau Năm 2006 - 2007, trong khuôn

khổ của đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới (MIKE 21) vào

đánh giá và dự báo phòng chống sạt lở bờ sông (miền Bắc, miền Trung, miền Nam)” với 2 trọng điểm ở miền Bắc được lựa chọn là đoạn sông ngã ba Thao

- Đà, đã ứng dụng mô hình Mike 21 vào đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn

ở 2 khu vực Dự án “Thiết lập quy hoạch cơ bản phát triển sông Hồng đoạn

qua Hà Nội” là một dự án quy hoạch lớn có sự phối hợp thực hiện giữa các

chuyên gia Hàn Quốc và Việt Nam Một trong những nội dung quan trọng của

Dự án là sử dụng mô hình toán để đánh giá hiệu quả về khả năng thoát lũ và

dự báo mức độ bồi, xói lòng sông khi thực hiện các phương án quy hoạchtuyến đê mới và chỉnh trị lòng dẫn trên đoạn sông Hồng dài 40km thuộc địaphận thành phố Hà Nội Sau khi phân tích các ưu nhược điểm của một số môhình, Dự án đã lựa chọn mô hình Mike 21

Ngoài ra, mô hình MIKE 21 còn được ứng dụng trong nghiên cứu chế

độ thuỷ lực do Công ty Thiết kế và Xây dựng Cảng đường thuỷ thực hiện năm2001; đánh giá ảnh hưởng của đập ngăn mặn Hà Ra, xóm Bóng đối với thoát

lũ sông Cái Nha Trang- Viện Khoa học Thuỷ lợi thực hiện, năm 2006.

Các phần mềm khác cũng được chuyển giao cho một số cơ quan vàviện nghiên cứu khác như: Phần mềm SMS được chuyển giao cho Đại họcKhoa học Tự nhiên Hà Nội, Viện Cơ học Phần mềm TELEMAC được

chuyển giao cho Viện Cơ học, Đại học Đà Nẵng

Nhìn chung, việc sử dụng các mô hình chuyển giao này vẫn chủ yếumới dừng ở mức độ nghiên cứu khoa học, hầu như rất ít được áp dụng vàothực tế, đặc biệt chưa được sử dụng như một công cụ hỗ trợ việc quản lý và raquyết định về những vấn đề liên quan đến tài nguyên, môi trường nước tại cácđịa phương.

2.2 Giới thiệu mô hình MIKE 21FM

MIKE 21FM là phần mềm kỹ thuật tác nghiệp để tính toán dòng chảy,sóng, vận chuyển trầm tích và sinh thái học trong sông, hồ, cửa sông, vịnh,các vùng biển ven bờ và biển ngoài khơi MIKE 21FM cung cấp môi trườngthiết kế hoàn chỉnh và có hiệu quả cho các ứng dụng kỹ thuật, quản lý và lập

kế hoạch đối với vùng biển ven bờ Sự kết hợp giữa giao diện đồ họa dễ sửdụng với kỹ thuật tính toán có hiệu quả đã tạo ra một công cụ hữu ích cho cácnhà quản lý cũng như nhà thiết kế công trình trên toàn thế giới Trong bộchương trình tính toán 2D có các mô đun sau:

và biểu diễn các kết quả

đổi mực nước

quá trình tải khuếch tán và phân hủy của các chất lơ lửng và hòa tan

các quá trình vận chuyển trầm tích chịu tác động bởi sóng, dòng chảy

và kết hợp cả sóng-dòng chảy

mô hình nhiều lớp, được sử dụng để mô tả các quá trình xói lở vậnchuyển và bồi lắng bùn (trầm tích kết dính) hoặc hỗn hợp bùn và cát

 CAMS – Coastal Morphology: mô hình hình thái - đường bờ là hệ

thống tổng hợp tính toán kết hợp sóng dòng chảy và vận chuyển trầmtích dẫn tới biến đổi hình thái - đường bờ, đồng thời quá trình này cũngảnh hưởng ngược trở lại tới các quá trình động lực

các chất lơ lửng và hòa tan Mô hình này được sử dụng để đánh giá rủi

ro, các sự cố ngẫu nhiên…

và phân rã các chất lơ lửng hòa tan và được sử dụng để dự báo tràn dầu,đánh giá các kịch bản tràn dầu…

mô tả các quá trình vật lý, hóa học, sinh học,,sinh thái và tương tác giữcác biến trạng thái

triển, suy giảm và truyền sóng gió và sóng lừng vào vùng ven bờ

ven bờ mô tả sự lan truyền, phát triển và tiêu tán của các sóng ngắntrong vùng gần bờ

xạ và khúc xạ sóng tuyến tính được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổisóng trong vùng có độ dốc thoải

để nghiên cứu sóng trong vùng ven bờ có kể đến các hiệu ứng khúc xạ,

Boussinesq Wave model: mô hình sóng Boussinesq được sử dụng đểnghiên cứu và phân tích sự biến đổi sóng trong các cảng, bãi neo đậu vàvùng ven bờ

Trong bản khóa luận này, sử dụng mô đun liên hợp, kết hợp 3 mô đun tínhsóng (Mike21SW), dòng chảy (Mike21HD) và vận chuyển cát (Mike21ST).Các mô đun này đều sử dụng lưới phi cấu trúc (phần tử hữu hạn không đều)phù hợp tốt với các dạng đường bờ và địa hình phức tạp.

2.3 Giới thiệu mô đun tính sóng Mike21 SW [6]

Mike21 SW là mô hình phổ sóng thế hệ mới dựa trên lưới phi cấu trúc

Mô hình này mô phỏng sự phát triển sóng, sự phân hủy sóng và sự biến đổicủa sóng gió, sóng lừng vùng ven bờ, ngoài khơi

Mike21 SW gồm hai công thức khác nhau:

- Công thức tham số hóa độc lập với hướng sóng

- Công thức phổ sóng đầy đủ

Công thức tham số hóa độc lập với hướng sóng dựa trên việc tham sốhóa phương trình bảo toàn tác động sóng Việc tham số hóa này được tạo ratrong miền tần số bằng việc đưa ra mô men bậc không và bậc một của phổ tácđộng sóng như là các biến phụ thuộc (Holthuijsen 1989)

Công thức phổ sóng dầy đủ dựa trên phương trình bảo toàn tác độngsóng (được mô tả bởi Komen 1994 và Yoang 1999) Trong đó, phổ tác độngsóng là phổ tần số và hướng chứa các biến phụ thuộc

Phương trình bảo toàn tác động sóng được thiết lập trong hệ tọa độ ĐềCác đối với việc áp dụng trong các bài toán quy mô nhỏ và trong hệ tọa độcầu với việc áp dụng trong các bài toán quy mô lớn

Các quá trình vật lý được xét trong mô hình sóng Mike21SW:

- Sự phát triển của sóng do sự tác động của gió

- Sự tương tác phi tuyến giữa sóng với sóng

- Sự suy giảm sóng do sóng đổ bạc đầu

- Sự suy giảm sóng do ma sát đáy

- Sự suy giảm sóng do sóng đổ

- Hiệu ứng nhiễu xạ và nước nông do biến đổi độ sâu.

- Sự tương tác giữa sóng và dòng chảy

- Hiệu ứng biến đổi theo thời gian của độ sâu

Việc rời rạc phương trình chủ đạo được thực hiện theo phương pháp thểtích hữu hạn trung tâm với lưới tính toán là phi cấu trúc Theo thời gian,

phương pháp bước phân đoạn được áp dụng và là phương pháp giải hiện đốivới các tần số

Mike21 SW được áp dụng cho việc mô phỏng và phân tích sóng trongvùng biển khơi, biển ven, cảng với các quy mô khác nhau Quy mô nhỏ gắnliền với hệ tọa độ Đề Các, quy mô lớn gắn liền với hệ tọa độ cầu

Mô đun này có thể liên kết động với mô đun tính toán dòng chảy để xét

sự tương tác sóng và dòng chảy, kết lối động với mô đun vận chuyển trầmtích mà ở đó quá trình vận chuyển chủ yếu là do sóng hay dòng chảy sóng dogradient của trường ứng suất bức xạ sóng trong vùng sóng đổ Mike21 SWđưa ra các đặc trưng sóng và trường ứng suất bức xạ phục vụ tính toán vậnchuyển trầm tích

Các phương trình cơ bản:

Động lực sóng trọng lực được mô tả bởi phương trình truyền tải mật độtác động sóng Đối với các quy mô nhỏ, phương trình truyền tải này thườngđược viết trong hệ tọa độ Đề Các và được viết trong hệ tọa độ cầu đối với việc

áp dụng trong quy mô lớn Phổ mật độ tác động sóng là hàm của 2 tham sốpha sóng biến đổi theo thời gian và không gian Hai tham số pha sóng có thể



là véc tơ số sóng k với độ lớn k và hướng sóng θ, có thể là tần số góc tương

thức phổ đối với hướng sóng và tần số góc tương đối được sử dụng Mật độtác động sóng N ( , ) quan hệ với mật độ năng lượng Q( , ) theo biểu thức

Đối với sóng lan truyền trên độ sâu và dòng chảy biến đổi nhỏ thì quan

hệ giữa tần số góc tương đối và tần số góc tuyệt đối được xác định theobiểu thức tán xạ tuyến tính sau

(2.4)

Phổ tần số được giới hạn theo giải tần số từ tần số min đến tần số max vàđược tách thành 2 phần; Phần xác định trước đối với các tần số nhỏ hơn tần sốngưỡng và phần phân tích chuẩn đoán đối với các tần số lớn hơn tần số

ngưỡng Tần số ngưỡng phụ thuộc vào tốc độ gió và tần số trung bình (được

sử dụng trong mô hình WAM4) Phần xác định trước của phổ được xác địnhbằng cách giải số phương trình truyền tải mật độ tác động sóng Phần trên tần

số ngưỡng của miền xác định trước thì phần tham số được áp dụng

không gian x , ,

các, v vc x y , c là tốc độ lan truyền của nhóm sóng, S là số hạng nguồn

Trong đó, Nx, , , t là mật độ tác động, t là thời gian, x ( x, y) là tọa độ Đề

Moskowitz đối với sóng phát triển hoàn toàn, U 10 là tốc độ gió ở độ cao 10m

so với mực biển trung bình Phần chuẩn đoán còn lại được sử dụng trong tínhtoán phần chuyển đổi phi tuyến và tính toán các tham số nguyên trong cáchàm nguồn Phần phổ có tần số nhỏ hơn tần số min thì mật độ phổ được giảthiết là triệt tiêu

Phương trình bảo toàn tác động sóng

Trong phần này, chỉ xét các phương trình đối với hệ tọa độ Đề Các.Phương trình tổng quát là phương trình cân bằng tác động sóng Phương trình

Công thức tham số độc lập với hướng sóng:

Trong đó, m0(x,y, θ), m1(x,y, θ) là các thành phần mô men bậc không và bậcmột của phổ tác động sóng N(x,y,σ,θ)

Phương pháp giải số:

Theo không gian, việc rời rạc hóa được thực hiện bằng phương phápthể tích hữu hạn trung tâm Đối với mô hình sóng trong phiên bản này, cácphần tử được xét là các tam giác Hàm mật độ tác động sóng là hằng số trongmỗi một phần tử, được tính toán tại tâm của mỗi phần tử

Hình 2.1 Mô tả lưới tính toánTheo thời gian, tích phân theo thời gian thực hiện theo phương pháptừng từng bước Bước thứ nhất (bước tính lan truyền), giải phương trình báotoàn tác động sóng không có số hạng nguồn Trong bước này, sơ đồ Eulerhiện được áp dụng Bước thứ 2 (bước các số hạng nguồn), nghiệm tìm đượctrong bước thứ nhất cộng thêm ảnh hưởng của các số hạng nguồn Các sốhạng nguồn được tính toán theo sơ đồ ẩn Trong bước thứ nhất, bước thời

gian được lựa chọn sao cho điều kiện ổn định CFL hay số Courant Cr i, l, m nhỏhơn 1,

(2.15)

Điều kiện biên:

Các biên đất, điều kiện biên hấp thụ hoàn toàn được áp dụng

Tại biên lỏng (biên mở), cho điều kiện đầu vào của sóng (chỉ xét vớisóng truyền vào miền tính, sóng truyền từ trong miền tính ra ngoài coi nhưtruyền tự do) Phổ năng lượng được xác định tại các biên lỏng

2.4 Giới thiệu mô đun dòng chảy Mike21 FM [4]

Mô đun thủy lực là thành phần cơ bản nhất của hệ thống mô hình

MIKE 21 FM và cung cấp các đặc trưng thủy lực cho các mô đun khác trong

hệ thống mô hình MIKE 21 FM Mô đun này tính toán dòng chảy hai chiều

(2D) bằng phương pháp phần tử hữu hạn không đều để giải hệ phương trìnhnước nông 2D

Hệ phương trình nước nông 2D gồm có phương trình liên tục (bảo toànkhối lượng, phương trình chuyển động của chất lỏng (bảo toàn động lượng),

và các phương trình khép kín khác như phương trình nhiệt độ, độ muối, mật

độ Theo phương ngang, hệ tọa độ được sử dụng có thể là hệ tọa độ Đề Cáchoặc hệ tọa độ cầu

Theo không gian, miền tính được rời rạc bằng các phần tử (ô lưới) liêntục là các tam giác không đều, lưới phi cấu trúc (unstrucked mesh) Sơ đồEuler hiện được sử dụng đối với các tính toán hai chiều

Phương trình liên tục

Với; U, V là các thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu của các thành

phần vận tốc u, v theo các hướng toạ độ x, y, được xác định theo công thức:



g



Với T xx T yy T xy là các thành phần ứng suất nhớt tổng cộng của nhớt

thuần thúy, nhớt rối và khuếch tán Các thành phần nhớt tổng cộng được tínhtheo công công thức dựa trên biến thiên vận tốc ngang theo độ sâu:

c f , c f (2.21)

S là tần suất của lưu lượng thải do nguồn điểm, U s, V s là các thànhphần tốc độ nguồn thải do nguồn điểm. g là gia tốc trọng trường t là thời gian; x, y là tọa độ Đề Các; là dao động mực nước; d là độ sâu; h=+dd là

chiều cao cột nước; f=2sin là tham số Coriolis, θ là vĩ độ địa lý; g là gia

tốc trọng trường; là mật độ nước; p a là áp suất khí quyển; o là mật độ tiêuchuẩn;

Mật độ được xét là hàm của nhiệt độ và độ muối Mối quan hệ nàyđược thể hiện thông qua phương trình trạng thái dạng chuẩn của nước biển đãđược tổ chức thế giới UNESCO công nhận Nếu trong mô hình có xét đến sựbiến đổi của mật độ theo không gian và theo thời gian do sự biến đổi củatrường nhiệt độ và độ mưới thì khi đó mô hình tích hợp giá trị của mật độ saumỗi một bước thời gian nhờ modul TEMPERATURE/SALINITY (Sự biếnđổi của trường nhiệt độ và độ mưối được tính toán nhờ modul tính truyền tảinhiệt, muối)

Với các tính toán hai chiều U là vận tốc trung bình theo độ sâu và hệ sốkháng đáy có thể được xác định từ số Chezy C hay số Manning M:

g

C 2

g

 Mh1 62

Điều kiện biên:

Biên đất: Dọc theo biên đất, thông lượng được gán bằng không đối với

tất cả các giá trị Với phương trình động lượng điều này gây ra sự trượt toànphần dọc theo biên đất

Biên mở: Điều kiện biên mở có thể được xác định cả dưới dạng lưu

lượng, giá trị vận tốc dòng chảy hoặc mực nước cho các phương trình thủyđộng lực Đối các biên vận tốc dòng chảy và mực nước thì giá trị trên biên có

thể là hằng số, biến đổi theo thời gian nhưng cố định dọc biên, hoặc vừa biếnđổi theo thời gian vừa biến đổi dọc biên.

2.5 Giới thiệu mô đun tính vận chuyển trầm tích Mike 21 ST FM [5].

Sự vận chuyển bùn cát vùng ven bờ biển là do sóng và dòng chảy gây

ra Tác dụng của sóng lên quá trình vận chuyển bùn bùn cát có hai mặt Mộtmặt, sóng trực tiếp tác động lên các hạt bùn cát và làm cho chúng chuyểnđộng Mặt khác, sóng khuấy động bùn cát, nâng chúng lên để dòng chảy ven

bờ vận chuyển chúng đi Như vậy, trong bất cứ trường hợp nào, sóng cũng làyếu tố quyết định sự vận chuyển cát ven bờ Thông thường, hướng vận

chuyển cát sẽ trùng với hướng sóng lan truyền trong đới sóng vỡ ven bờ Nếusóng có hướng vuông góc với bờ, sóng sẽ gây ra vận chuyển cát theo hướngvuông góc với bờ Nếu sóng có hướng xiên góc với bờ, sóng sẽ gây ra dòngvận chuyển cát cả theo hướng vuông góc với bờ và dọc theo bờ

Mô đun tính vận chuyển cát được xây dựng dựa trên hai loại vận chuyển:

- Vận chuyển do dòng chảy

- Vận chuyển do sự kết hợp giữa sóng và dòng chảy

Trong phần ứng dụng ở đây chỉ xét với sự vận chuyển gây ra do sự kết hợpgiữa sóng và dòng chảy

Sự chuyển động sóng ngoài lớp biên đáy có thể được lựa chọn xét theocác lý thuyết sóng khác nhau, lý thuyết sóng cổ điển và lý thuyết sóng bánthực nghiệm Trong đó, lý thuyết sóng phi tuyến sử dụng để tính đến cácchuyển động bậc cao (chuyển động quỹ đạo khép kín, tính bất đối xứng)

Các lý thuyết sóng cổ điển:

- Lý thuyết sóng Stoke bậc 1, 3, 5 (Fenton 1985)

- Lý thuyết sóng Croidal bậc 1, 3, 5 (Fenton 1990)

- Lý thuyết sóng Vocoidal (Swart, 1982)

Các lý thuyết sóng bán thực nghiệm:

- Lý thuyết sóng Isobe và Horikawa (1982)

- Lý thuyết sóng Doerinh và Bowen (1995)

Sự hình thành lớp biên sóng trong chuyển động kết hợp của sóng và

dòng chảy được mô tả theo phương trình vi phân bậc 1 (Fredsoe 1984),

phương trình này được giải theo phương pháp Rung Kutta bậc 4 trong mỗi

chu kỳ sóng Chuyển động rối phát sinh từ lớp biên sóng được tính theo mô

hình lớp biên của Fredsoe 1984 Chuyển động rối do dòng trung bình được

xét theo khái niệm quãng đường xáo trộn của Eflrink 1996 Chuyển động rối

do sóng đổ được xét theo phương trình khuếch tán động năng rối của

Deigaard 1986

Các tác động ảnh hưởng đến dòng trung bình bao gồm;

- Ứng suất trượt do chuyển động sóng

- Ứng suất trượt do sóng vỡ

- Ứng suất trượt do chênh lệch mực nước

Với sự kết hợp của sóng và dòng chảy, thông lượng vận chuyển trầm

tích được xét là tổng của vận chuyển di đáy và vận chuyển lơ lửng theo

phương pháp của Bijker

q t = q b + q s = q b(1+1,83Q) (2.22)Trong đó; Q là đại lượng phi thứ nguyên được tính theo công thức,

(2.23)

Với h là độ sâu, r là độ nhám đáy, I 1, I 2 là các biến nguyên Enstein được địnhlượng theo các đại lượng phi thứ nguyên A = r/h và z* ;

(2.24)

Trong đó, w là tốc độ lắng đọng của trầm tích lơ lửng κ là hằng số Von

Karman, U f,wc là vận tốc trượt do sự kết hợp sóng và dòng chảy Ảnh hưởng

của sóng đến trầm tích lơ lửng được tính thông qua vận tốc trượt U f,wc;

(2.25)

Với U f,c là vận tốc trượt do dòng chảy, V là vận tốc trung bình theo độ sâu U,



ub là biên độ của vậ tốc tại đáy phát sinh do sóng, ξ là đại lượng phi thứ

nguyên biểu diễn theo hệ số ma sát sóng f w và hệ số Chezy;

(2.26)Với

(2.27)

Với a b là biên độ của chuyển động sóng tại đáy và được xét theo lý thuyết

sóng tuyến tính;