Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d

Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Abstract: Trình bày sơ lược tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan tới vấn

Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình

Abstract: Trình bày sơ lược tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên

quan tới vấn đề: tổng quan về điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển bằng mô hình Delft3d; các yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sự vận chuyển (trầm tích lơ lửng) TTLL ở khu vực nghiên cứu như chế độ gió, đặc điểm thủy văn sông, hải văn và trầm tích Tìm hiểu thông tin về những tài liệu chính để thiết lập mô hình, cơ sở toán học của các mô hình (thủy động lực) TĐL và vận chuyển TTLL; các phương pháp xử lý số liệu để thiết lập các điều kiện biên cho mô hình; trình bày chi tiết việc thiết lập các mô hình toán học để mô phỏng điều kiện TĐL và vận chuyển TTLL cho vùng cửa sông ven biển Hải Phòng Một số kết quả hiệu

chỉnh kiểm chứng mô hình cũng như những kịch bản tính toán

Keywords: Hải dương học; Trầm tích lơ lửng; Ven biển; Mô hình Delft3d; Hải Phòng

Content

MỞ ĐẦU

Vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có chế độ động lực phức tạp với sự tác động và ảnh hưởng của các yếu tố như sóng, dòng chảy, thủy triều và dòng nước ngọt từ sông đưa ra Khu vực này cũng có hệ thống cảng biển quan trọng, đầu mối ra biển của các tỉnh phía bắc Tuy nhiên

do nhiều nguyên nhân khác nhau mà xu hướng bồi lắng ở khu vực cảng Hải Phòng luôn diễn ra mạnh mẽ, các tàu hàng lớn thường rất khó vào cảng chính mà phải chờ đến thời gian nước lớn mới có thể vào hoặc ra khỏi cảng

Cũng ở khu vực này, bãi biển Đồ Sơn là bãi tắm khá nổi tiếng được phát hiện từ thời Pháp Đây là bãi tắm đẹp, sơn thủy hữu tình và có đường giao thông thuận lợi đi Hà Nội và các tỉnh phía bắc Chính vì vậy bãi biển Đồ Sơn có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với ngành du lịch nói riêng và sự phát triển kinh tế xã hội của thành phố Hải Phòng nói chung Tuy nhiên vấn đề đục nước ở bãi biển Đồ Sơn đã làm giảm sức hấp dẫn của khu du lịch này Mặc dù đã có một số nghiên cứu để tìm ra nguyên nhân của hiện tượng này nhưng các kết quả nghiên cứu đó vẫn còn hạn chế Vì vậy, các kết quả của đề tài này sẽ góp phần tăng cường sự hiểu biết về nguyên nhân của hiện tượng đục nước ở vùng ven bờ Đồ Sơn

Do những nguyên nhân trên mà đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng (TTLL) ở khu vực này đã được quan tâm nghiên cứu khá nhiều Tuy nhiên do những nguyên nhân khác nhau mà các kết quả của những nghiên cứu đó vẫn còn các hạn chế Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng một hệ thống mô hình tổng hợp 3 chiều thủy động lực- sóng- vận chuyển TTLL dựa trên

mô hình Delft3D của Hà Lan với mục tiêu là nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng

Với mục tiêu như trên, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu chủ yếu sẽ là: thu thập, xử

lý các tài liệu liên quan để thiết lập đầu vào, kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình; triển khai các phương án ứng dụng các mô hình thủy động lực (TĐL), sóng và vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu theo các kịch bản khác nhau: theo mùa, theo yếu tố tác động Phạm vi khu vực nghiên cứu là vùng cửa sông ven biển Hải Phòng nhưng chủ yếu tập trung vào khu vực phía đông bắc bán đảo Đồ Sơn Sau thời gian tiến hành nghiên cứu các kết quả nhận được đã cung cấp các đặc điểm vận chuyển TTLL ở vùng ven biển Hải Phòng, cũng như vai trò của một số yếu

tố như thủy triều, gió, sóng kết hợp với gió đến đặc diểm vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu

Báo cáo này trình bày các kết quả đó và được cấu trúc như sau:

Mở đầu: Giới thiệu sơ lược về mục tiêu nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận văn Phần thứ nhất của báo cáo trình bày sơ lược tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan tới vấn đề Cũng trong phần này, tổng quan về điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu được đưa ra, trong đó chủ yếu tập trung vào các yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sự vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu như chế độ gió, đặc điểm thủy văn sông, hải văn và trầm tích

Các tài liệu cơ bản và phương pháp chính để thực hiện các nội dung và mục tiêu nghiên cứu

đã đặt ra của luận văn được trình bày trong phần thứ 2 của báo cáo Trong phần này, sẽ cung cấp các thông tin về những tài liệu chính để thiết lập mô hình, cơ sở toán học của các mô hình TĐL

và vận chuyển TTLL Ngoài ra, các phương pháp xử lý số liệu để thiết lập các điều kiện biên cho

mô hình cũng được trình bày trong phần này Cũng trong phần thứ 2 của báo cáo, trình bày chi tiết việc thiết lập các mô hình toán học để mô phỏng điều kiện TĐL và vận chuyển TTLL cho vùng cửa sông ven biển Hải Phòng Một số kết quả hiệu chỉnh kiểm chứng mô hình cũng như những kịch bản tính toán chính cũng đã được trình bày

Các kết quả phân tích đánh giá điều kiện TĐL, vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu được trình bày trong phần thứ 3 của báo cáo

Cuối cùng là một vài kết luận và khuyến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu

1.1.1 Nghiên cứu ngoài nước

Trầm tích lơ lửng (TTLL) có một vai trò quan trọng ở nhiều khía cạnh khác nhau đối với môi trường biển và công trình bờ Tuy nhiên môi trường ở vùng cửa sông ven biển rất phức tạp, nơi diễn ra sự tương tác của các khối nước sông- biển, dòng triều, sóng, gió, lực Coriolis…nên những hiểu biết của con người các quá trình như lắng đọng, tái lơ lửng, kết keo vẫn còn nhiều hạn chế Ngoài phương pháp phân tích đánh giá các đặc điểm vận chuyển TTLL từ số liệu đo đạc khảo sát người ta đã phát triển và ứng dụng các mô hình toán học để dự báo các đặc điểm vận chuyển TTLL ở vùng cửa sông ven biển Các mô hình này thông thường là các chương trình tính

để giải các bài toán cơ bản của cơ học chất lỏng và phương trình vận chuyển trầm tich

Các phương trình cơ bản của cơ học chất lỏng có thể được giải theo sơ đồ trong không gian của 1 chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc 3 chiều (3D) Tương ứng với các phương trình đó là các

mô hình số 1 chiều, 2 chiều hoặc 3 chiều đồng thời tính phức tạp cũng lần lượt tăng dần Trong

tự nhiên, hầu hết các quá trình TĐL và vận chuyển trầm tích ở vùng của sông ven biển như dòng chảy rối, thủy triều, ứng suất của gió, tác động của sóng, sự phân tầng nhiệt-muối, dòng chảy nói chung là các quá trình 3 chiều Vì vậy, khi áp dụng và phát triển các mô hình toán vào các vùng cửa sông ven biển người ta cố gắng lựa chọn các mô hình 3 chiều

Các mô hình 2 chiều có thể là bình lưu hoặc tổng hợp theo độ sâu Một mô hình bình lưu giải các phương trình động lượng và liên tục cho chất lỏng và các pha (phases) của trầm tích Những ứng dụng của mô hình 2 chiều là các thiết kế trong các mương thoát nước và hệ thống thủy lợi Các mô hình vận chuyển trầm tích 2 chiều dựa trên phương trình động lượng trung bình theo độ sâu và phương trình liên tục cho trầm tích Mực nước, vận tốc dòng chảy, hàm lượng TTLL và một số yếu tố khác được tính tại các điểm Các tham số của mô hình được giả thiết là đồng nhất theo độ sâu tại mỗi điểm tính

Những ví dụ của mô hình 2 chiều có thể kể đến như các nghiên cứu của Struiksma và nnkvà Wang Struiksma và nnk đã tính toán biến động đáy của một đoạn sông với việc ứng dụng mô hình vận chuyển trầm tích trên cơ sở các công thức của Engelund và Hansen Wang đã nghiên cứu phân bố trầm tích ở gần cửa sông với trường hợp dòng chảy ít biến đối Các mô hình vận chuyển trầm tích 2 chiều được sử dụng rộng rãi trong thực tế như MIKE 21 và TABS-MD Mô

hình MIKE 21 được phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch và là mô hình sai phân hữu hạn Mô hình này cho các kết quả khá tốt và được sử dụng nhiều ở Mỹ Tương tự như vậy, mô hình TABS-MD được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công trình bờ từ khi ra đời trong những năm

1970 Một mô hình 2 chiều là cần thiết nếu tính đến các kiểu hoàn lưu phức tạp và dòng chảy không ổn định Tuy nhiên so với các mô hình 1 chiều, các mô hình 2 chiều đòi hỏi thời gian tính toán nhiều hơn, số liệu cung cấp và các biến đầu vào nhiều hơn Vì vậy trong một số trường hợp

có thể cân nhắc lựa chọn giữa mô hình một chiều và 2 chiều

Mô hình 3 chiều dựa trên các phương trình cân bằng khối lượng hay khuyếch tán đối lưu của TTLL Trong phần lớn các mô hình 3 chiều, trường dòng chảy và hàm lượng TTLL được tổng hợp (intergated) và tính toán ở mỗi bước thời gian Mô hình 3 chiều tính đến cả các thành phần bình lưu và đối lưu của quá trình vận chuyển trầm tích và được dùng khi có sự phân tầng về dòng chảy và vận chuyển trầm tích Các mô hình 3 chiều cung cấp đầy đủ nhất bao gồm cả số lượng các biến của bất kỳ hệ TĐL nào Việc hiệu chỉnh mô hình cũng đòi hỏi lượng số liệu lớn

và phức tạp hơn, bởi vì các chương trình được yêu cầu phải thể hiện được tất cả các quá trình phức tạp của điều kiện TĐL diễn ra cả trong 3 hướng Thông thường các số liệu đầu vào cho mô hình 3 chiều có được từ các số liệu gần đúng của các tài liệu nghiên cứu hơn là từ số liệu khảo sát do việc khảo sát các tham số này ở điều kiện 3 chiều cho đến nay vẫn còn nhiều khó khăn Các mô hình TĐL - vận chuyển bùn cát 3 chiều cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về diễn biến và sự tương tác của các quá trình diễn ra trong thủy vực Một ví dụ của kết quả mô hình TĐL 2 chiều

là kết quả đánh giá biến động của các nêm mặn vùng cửa sông Nhiều mô hình 3 chiều đã được

áp dụng với các qui mô khác nhau như trong phòng thí nghiệm, hay quy mô các khu vực nhỏ Việc áp dụng mô hình 3 chiều ở quy mô vùng lớn thường gặp khó khăn do thời gian gian tính toán lâu, vì vậy người ta thường chỉ mô phỏng trong phạm vi một vài ngày hoặc một chu kỳ triều Việc ứng dụng mô hình 3 chiều cần thiết nhất ở những vùng có cấu trúc thủy động lực và quá trình trầm tích phức tạp với các xoáy và biến động mạnh theo không gian Một số mô hình

đã được sử dụng rộng rãi nhất phải kể đến như RMA11, ECOMSED, CH3D-SED, Delft-3D Khi

mô hình CH3D-SED được áp dụng gần đây ở vùng cửa sông Mississippi-Atchafalaya, mô hình này chỉ được dùng để kiểm tra tính chính xác của một giả thuyết về sự sắp xếp đường cong trầm Người ta đã đi đến kết luận rằng một mô hình 2 chiều được xử lý và thiết lập tốt có thể trở thành một công cụ kỹ thuật chuyên nghiệp cho nghiên cứu động lực học công trình bờ Một ví dụ khác, O’Connor và Nicholson cung cấp một mô hình 3 chiều đầy đủ bao gồm một mô hình vận chuyển

TTLL, quá trình ngưng keo và kết bông Katopodi và Ribberink thông báo về một mô hình tựa 3 chiều (quasi-3D) cho TTLL dựa trên việc giải gần đúng phương trình khuếch tán- bình lưu cho sóng và dòng chảy Briand và Kamphuis đưa ra một cách tiếp cận chi tiết việc tính toán vận chuyển trầm tích dựa trên kết hợp tính dòng chảy 3 chiều và phân bổ hàm lượng TTLL theo phương thẳng đứng Một mô hình sai phân hữu hạn 3 chiều cho TĐL và vận chuyển TTLL đã được mô tả bởi Cancino và Neves

Gần đây, trong một số nghiên cứu của Châu Âu về vùng cửa sông thuộc dự án Khoa học và Công nghệ biển (MAST) Một trong những kết quả của dự án này là một mô hình kết hợp TĐL- sinh thái vùng thềm lục địa gọi là mô hình COHERENS Đây là mô hình tổng hợp của các thành phần vật lý như dòng chảy, nhiệt độ, độ muối, các module sinh vật phù du, các quá trình sinh- địa- hóa, TTLL và module phát tán vật chất theo công thức của Eulerian và Lagrangian Tuy nhiên, phần vận chuyển trầm tích trong mô hình này chưa tính đến những biến động của địa hình đáy Viện Thủy lực Delft cũng đã phát triển hệ thống mô hình tổng hợp (2D/3D) để mô phỏng điều kiện TĐL và vận chuyển trầm tích dưới ảnh hưởng của các lực khí tượng và thủy triều Mô hình này tính đến những biến động của địa hình đáy, quá trình lắng đọng, xói lở và có thể tính kết hợp (coupling) các điều kiện TĐL - sóng và vận chuyển trầm tích ở mỗi bước thời gian (Online) trong quá trình tính toán

Đáng chú ý là phần lớn các mô hình TĐL - vận chuyển trầm tích đều giả thiết là phân bố áp suất thủy tĩnh và dùng các sơ đồ phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn, phương pháp chuyển đổi hệ tọa độ thẳng đứng sigma, ảnh hưởng của các lực được phân chia giống nhau lên toàn bộ cột nước Phần lớn các mô hình này dùng các biểu diễn đại số để tham số hóa các hệ số rối và dùng các phương trình bán thực nghiệm với các hệ số đã được đơn giản hóa Những so sánh, đánh giá về tính năng, khả năng áp dụng, mức độ mạnh yếu của các mô hình được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay đã được so sánh và thảo luận chi tiết trong cuốn “A Review on Coastal Sediment Transport Modelling” của Laurent Amoudry

1.1.2 Nghiên cứu trong nước

Với trên 3200 km chiều dải bờ biển, vùng ven bờ biển Việt Nam tiếp nhận một lượng trầm tích rất lớn từ hệ thống sông Hông-Thái Bình ở Bắc Bộ và hệ thống sông Mê Kông ở Nam Bộ Dòng trầm tích từ lục địa đi vào vùng ven bờ không chỉ gây ra những tác động về môi trường như ô nhiễm, đục hóa mà còn là một trong những nguyên nhân gây sa bồi luồng lạch cản trở các

hoạt động giao thông thủy Chính vì vậy nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích ở các vùng cửa sông ven biển Việt Nam có ý nghĩa cả lý luận và thực tiễn cũng như nhận được sự quan tâm của các nhà quản lý và các nhà khoa học Trong giai đoạn đầu khi các mô hình toán chưa phát triển, các nghiên cứu về vận chuyển TTLL ở vùng biển Việt Nam chủ yếu dựa trên các phân tích đánh giá từ số liệu khảo sát Tiêu biểu trong số đó là nghiên cứu của về động lực vùng ven biển

và cửa sông Việt Nam Trong nghiên cứu này, các tác giả đã dựa trên việc phân tích số liệu đo đạc để đánh giá tương quan giữa các yếu tố động lực và quá trình trầm tích ở vùng cửa Văn Úc

và Ba Lạt Một nghiên cứu khác về thủy thạch động lực chủ yếu dựa trên những số liệu quan trắc Theo đó, dòng bồi tích dọc bờ vùng ven biển Hải Thịnh- Hà Nam Ninh đã được tính toán bằng các công thức của CERC và sự vận động của dòng bùn cát ven bờ chủ yếu là do TTLL (chiếm tới 90%)

Trong những năm gần đây, do sự phát triển của các công cụ tính toán nên mô hình toán học

đã dần được đưa vào sử dụng trong việc tính toán TĐL và vận chuyển bùn cát Các mô hình được sử dụng nhiều ở Việt Nam là Mike 21 (Viện Địa lý, ĐH Thủy lợi, Viện KTTV và MT), SMS (Viện KTTV và MT, Viện Cơ học, trường ĐHKHTN), MDEC (Trường ĐHKHTN), Delft3D (Viện Tài nguyên và Môi trường biển, Đại học Thủy lợi) Những lĩnh vực ứng dụng nhiều của mô hình vận chuyển trầm tích như phục vụ đánh giá bồi tụ xói lở vùng cửa sông ven biển Bắc Bộ, vùng ven biển miền Trung và vùng biển Nam Bộ, đánh giá xu thế bồi tụ- xói lở khu vực Cửa Đáy, vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng Trong những nghiên cứu trên, các mô hình vận chuyển trầm tích chủ yếu được dùng để tính toán

dự báo cân bằng của các dòng bùn cát ở vùng ven bờ Ứng dụng khác liên quan đến mô hình vận chuyển TTLL liên quan đến lĩnh vực môi trường là đánh giá phân bố của TTLL ở các vùng cửa sông ven biển Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này như ứng dụng mô hình Mike và SMS đánh giá ảnh hưởng do hoạt động của nhà máy nhiệt điện Mông Dương đến quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng ở khu vực này; ứng dụng mô hình 3 chiều để nghiên cứu lan truyền TTLL ở vùng biển ven bờ Quảng Ninh; nghiên cứu phân bố và biến động của TTLL, biến động địa hình đáy khu vực vịnh Hạ Long- Bái Tử Long bằng mô hình 3 chiều (Dellft3D) để phục vụ đánh giá sức tải môi trường của khu vực này; trên cơ sở ứng dụng mô hình Delft3D các tác giả tại Viện Tài nguyên và Môi trường biển đã thiết lập đồng thời mô hình thủy động lực-sóng và vận chuyển TTLL để đánh giá ảnh hưởng của đập Hòa Bính đến phân bố TTLL ở vùng ven bờ châu thổ sông Hồng

Vùng cửa sông ven biển Hải Phòng là nơi hằng năm tiếp nhận một lượng trầm tích khá lớn

từ lục địa của hệ thống sông Hồng- Thái Bình qua 5 cửa sônng chính là Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình Trong đó sông Cấm và Văn Úc là 2 trong số 4 cửa ra biển chính của dòng vật chất từ sông Hồng- Thái Bình ra vùng ven bờ châu thổ sông Hồng Dòng bùn cát từ lục địa đưa ra vùng cửa sông ven biển góp phần hình thành nên các bãi bồi phì nhiêu, tăng nhanh quá trình lấn biển mở rộng đất đai, cung cấp nguồn dinh dưỡng cho sinh vật Tuy nhiên, dòng bùn cát này cũng gây ra các vấn đề môi trường khác như đục nước, sa bồi luồng lạch Chính vì vậy đặc điểm vận chuyển trầm tích ở vùng ven biển Hải Phòng đã được quan tâm nghiên cứu từ khá lâu Điển hình là các nghiên cứu về điều kiện TĐL và vận chuyển trầm tích trong mối liên hệ với hiện tượng biến dạng bờ và xói lở bờ đảo Cát Hải Cũng dựa trên những số liệu khảo sát, trong nghiên cứu về động lực vùng cửa Văn Úc, Nguyễn Văn Cư và nnk đã đưa ra những đánh giá về quan hệ của các yếu tố động lực với quá trình vận chuyển trầm tích ở khu vực này Một nghiên cứu tổng hợp khác dựa trên các điều kiện địa chất- thủy động lực- vận chuyển trầm tích

để xác định nguyên nhân đục nước ở bãi biển Đồ Sơn cũng đã được tiến hành Những nghiên cứu liên quan về vận chuyển trầm tích ở khu vực này đã được tiến hành thông qua ứng dụng mô hình toán học trong thời gian gần đây Đáng chú ý là nghiên cứu áp dụng mô hình Mike21 để đánh giá điều kiện động lực, dự báo vận chuyển trầm tích khu vực cửa Văn Úc và Lạch Huyện Một số nghiên cứu khác bằng mô hình 3 chiều (3D) cũng đã được thực hiện ở khu vực này Trong Luận văn cao học với nội dung đánh giá đặc trưng TTLL vùng cửa sông ven biển Hải Phòng, tác giả Trần Anh Tú cũng đã sử dụng module chất lượng nước (Delf3d-WAQ) trong mô hình Delft3d để mô phỏng điều kiện TĐL – vận chuyển TTLL Tuy nhiên trong nghiên cứu này, tác giả chỉ dùng mô hình 2 chiều và không tính đến các yếu tố sóng nên không thể hiện được sự ảnh hưởng do tương tác của các quá trình thủy động lực- sóng và vận chuyển TTLL ở diễn ra ở khu vực nghiên cứu

Việc ứng dụng các mô hình toán học nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích ở nước ta tuy nhiều nhưng vẫn còn có những hạn chế, đặc biệt là vấn đề số liệu đầu vào cho mô hình Nguồn số liệu cung cấp cho các mô hình ở nước ta thường thiếu số lượng, thiếu đồng bộ, hệ thống và cả độ chính xác Do đó việc xử lý số liệu đầu vào, hiệu chỉnh các tham số tính toán để lựa chọn được những tham số phù hợp cho mô hình vẫn là một vấn đề tồn tại cần giải quyết trong thời gian tới

1.2 Điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu

1.2.1 Vị trí địa lý và địa hình

Khu vực nghiên cứu nằm trong khoảng tọa độ 20.5-20.9 độ vĩ bắc và 106.5- 107.1 độ kinh đông, vùng biển ven bờ tây vịnh Bắc Bộ, rìa Đông Bắc của châu thổ sông Hồng thuộc thành phố Hải Phòng, cách Hà Nội khoảng 102km về phía đông

Khu vực này được tạo thành bởi các quá trình động lực sông, biển và sông - biển hỗn hợp Đây là vùng biển có chế độ nhật triều đều với biên độ triều lớn, lại nằm trong vành đai khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, cho nên vai trò động lực thuỷ triều và thực vật ưa mặn đã đóng vai trò quan trọng cho sự thành tạo và phát triển địa hình ở đây Mặt khác, do hoạt động giao thông thuỷ, quai đê lấn biển, khai thác tài nguyên thiên nhiên ở vùng cửa sông của con người cũng làm cho động lực phát triển của địa hình khu vực nghiên cứu thêm phức tạp Bờ biển ven bờ Hải Phòng có dạng đường cong lõm của bờ tây vịnh Bắc Bộ, thấp và khá bằng phẳng, cấu tạo chủ yếu là bùn cát do năm cửa sông đổ ra Địa hình vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có độ sâu không lớn, độ dốc nhỏ

1.2.2 Chế độ gió

Các kết quả phân tích thống kê dựa trên số liệu quan trắc gió tại Hòn Dáu (1960-2011) cho thấy trung bình trong nhiều năm các hướng gió có tần suất xuất hiện lớn là E, SE, NE và S Vận tốc gió ở khu vực này với giá trị nhỏ hơn 3m/s chiếm tần suất tới trên 50% Tần suần xuất hiện gió có vận tốc từ 3-5m/s chiếm khoảng 26.3% Tần suất xuất hiện gió trên 5m/s chỉ chiếm khoảng 6.5%

Trong mùa khô, hướng gió thịnh hành chủ yếu là E, N và NE với tần suất lần lượt là 35.2, 16.6 và 11.1% Vận tốc gió lớn hơn 6m/s trong mùa này chiếm tần suất khoảng 29% Trong mùa mưa các hướng gió thịnh hành là E, SE, S, N và NE Vận tốc gió lớn hơn 6m/s chiếm tần suất khoảng 37.9%

1.2.3 Đặc điểm thủy văn

Hàng năm, hệ thống sông Hồng- Thái bình cung cấp khoảng 120 tỷ m3 nước và 114 triệu tấn phù sa cho vùng ven bờ Lượng vật chất này chủ yếu qua 9 cửa sông chính: Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình, Trà Lý, Ba Lạt, Ninh Cơ và Đáy Trong đó vùng cửa sông ven biển Hải Phòng chịu tác động trực tiếp của các sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và

Thái Bình Chế độ dòng chảy ở các sông này cũng như các sông khác thuộc hệ thống sông Thái Bình có đặc điểm là biến động mạnh theo mùa Phân tích từ các chuỗi số liệu nhiều năm cho thấy tải lượng nước hằng năm tập trung chủ yếu vào các tháng mùa mưa (từ tháng 6 đến tháng 9) hằng năm Trong khi đó các tháng còn lại lượng chảy hầu như rất nhỏ [14] Trong mùa mưa, lưu lượng chảy trung bình của các sông ra biển biến đổi trong khoảng 300-2200m3

Hồng-/s, trong khi các tháng mùa khô, lưu lượng nước trung bình chỉ dao động quanh giá trị 50-300m3

/s

1.2.4 Đặc điểm hải văn

Dao động mực nước (DĐMN) ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng thuộc kiểu nhật triều đều điển hình với hầu hết số ngày trong tháng là nhật triều, bán nhật triều chỉ xuất hiện 2-3 ngày trong kì nước kém Trong một pha triều có một lần nước lớn và một lần nước ròng Trong một tháng mặt trăng có hai kỳ nước cường, mỗi kỳ 11-13 ngày, biên độ trung bình dao động 2,6-3,6m

và hai kỳ nước kém, mỗi kỳ 3-4 ngày có biên độ 0,5-1,0m Sóng triều có tính chất sóng đứng với

ưu thế thuộc các sóng nhật triều O1, K1 có biên độ 70-90cm, trong khi các sóng bán nhật triều

M2, S2 chỉ có vai trò thứ yếu với biên độ khá nhỏ

1.2.5 Đặc điểm trầm tích

Trầm tích lơ lửng trong nước ở vùng cửa sông ven bờ Hải Phòng ven bờ chủ yếu do sông

cung cấp, ngoài ra còn do sóng khuấy đục Hàm lượng TTLL trong nước ở các cửa sông từ cửa Thái Bình, Văn Úc đến cửa Cấm, Bạch Đằng vào mùa mưa có giá trị dao động trong khoảng 0.09- 0.2kg/m3 và khoảng 0.05- 0.1kg/m3 vào mùa khô

CHƯƠNG 2 TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Tài liệu

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu của luận văn, các tài liệu cần thiết đã được thu thập

xử lý Đây là những tài liệu đã được tổng hợp từ các kết quả nghiên cứu có liên quan đến đối tượng và nội dung nghiên cứu của luận văn

2.2 Phương pháp

2.2.1 Xử lý số liệu

Để phục vụ cho việc thiết lập mô hình theo các kịch bản tính toán dự báo khác nhau, cần thiết phải xử lý các số liệu thu thập để tạo số liệu đầu vào cho mô hình Các phương pháp xử lý

số liệu khác cũng đã được xử dụng trong nghiên cứu này:

- Phương pháp GIS để số hóa và xử lý số liệu địa hình từ các bản đồ địa hình

- Phương pháp tính toán thống kê để tạo các file số liệu dạng chuỗi lưu lượng nước cho các

biên sông của 5 sông chính trong khu vực nghiên cứu là Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình

- Phương pháp khai thác số liệu từ Cơ sở dữ liệu nhiệt muối WOA09 và cơ sở dữ liệu thủy

triều FES2004 Các cơ sở dữ liệu này cùng cấp số liệu cần thiết để xác định các điều kiện biên

mở cho mô hình TĐL vùng ngoài khơi (với lưới tính thô) được lưu trữ ở dạng file Netcdf

- Phương pháp lưới lồng (phương pháp NESTING trong Delf3d) được sử dụng trong nghiên cứu

này để tạo ra các điều kiện biên mở phía biển của mô hình

2.2.2 Mô hình toán học

Trong nghiên cứu này các đối tượng nghiên cứu chủ yếu như TĐL, vận chuyển TTLL được

mô hình hóa trên cơ sở mô hình Delft3d Đây là mô hình tổng hợp 3 chiều (3D) do Viện Thủy lực Delft (Hà Lan) nghiên cứu phát triển gồm có các module cơ bản như TĐL (Delft3d-Flow), sóng (Delft3d-Wave), vận chuyển bùn cát (Delft3d-Sed), chất lượng nước (Delft3-Waq) và sinh thái học (Delft3d-Eco) Mô hình này có thể mô phỏng tốt điều kiện TĐL - sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước ở vùng cửa sông ven bờ [34]

2.2.3 Thiết lập mô hình

Phạm vi miền tính của mô hình

Mô hình thuỷ động lực cho khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng sử dụng hệ lưới cong trực giao Phạm vi vùng tính của mô hình bao gồm các vùng nước của các cửa sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình và phía ngoài các cửa sông này mở rộng ra phía ngoài

Thời gian tính toán

Mô hình TĐL khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng được thiết lập và chạy với thời gian là các mùa đặc trưng trong năm (mùa mưa và mùa khô) của các kịch bản khác nhau Trong đó hai kịch bản hiện trạng được thiết lập để hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình gồm: mùa mưa (tháng 7-8-9 năm 2009); mùa khô (tháng 2- 3 năm 2009) Bước thời gian chạy của mô hình thủy động lực là 0,5 phút

2.2.4 Hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả của mô hình

Cơ sở số liệu để hiệu chỉnh mô hình

- Số liệu mực nước đo đạc với tần suất 1h/lần do Trung tâm khí tượng thủy văn quốc gia thực hiện tại trạm Hải văn Hòn Dáu trong năm 2009

- Số liệu đo đạc dòng chảy (được đo 2 tầng) và hàm lượng TTLL (lấy mẫu 2 tầng) tại vùng cửa Nam Triệu và phía ngoài khu vực Đồ Sơn vào mùa khô từ 18/3-19/3/2009 mùa mưa từ 30/8-02/9/2009 (điểm B2) của các đề tài liên quan [1, 8]

và hướng không đổi (NE, E, SE)

- Kịch bản đánh giá ảnh hưởng của gió kết hợp với sóng: thiết lập như các kịch bản hiện trạng với điều kiện sóng và gió trung bình và hướng không đổi (NE, E, SE)

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3 1 Thủy động lực

Điều kiện thủy động lực ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng chịu tác động tổng hợp của các yếu tố như dao động mực nước, trường gió, sóng và các khối nước sông đưa ra Trong các yếu tố trên, những biến động của trường gió và tải lượng nước sông đã gây ra sự biến đổi của trường dòng chảy theo mùa

3.1.1 Biến động theo không gian

Mùa khô

Dòng chảy tổng hợp vào mùa khô ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng biến động mạnh

theo pha dao động của mực nước triều Trong pha triều lên, trường dòng chảy có hướng từ biển vào phía trong các sông Ở phía ngoài, hướng dòng chảy chủ yếu là đông nam- tây bắc Trong pha triều này, các khối nước đi từ phía vịnh Hạ Long vào vùng ven bờ phía tây đảo Cát Bà Vận tốc dòng chảy ở khu vực nghiên cứu trong pha triều này phổ biến trong khoảng 0-2-0.5m/s Một

số khu vực có vận tốc dòng chảy lớn hơn (0.7-1.0m/s) như ở cửa Lạch Huyện, phía trong cửa Nam Triệu, sông Bạch Đằng và Cấm

Trong pha triều xuống, do có sự kết hợp với các khối nước sông nên vận tốc dòng chảy lớn hơn (đặc biệt là các lớp nước trên mặt) so với pha triều lên Vận tốc dòng chảy ở pha triều này phổ biến dao động trong khoảng 0.3-0.7m/s Hướng dòng chảy trong pha triều này chủ yếu định hướng theo hướng từ bờ ra phía ngoài (tây bắc- đông nam)

Ở thời kỳ nước lớn, vận tốc dòng chảy khá nhỏ (đặc biệt là phía ngoài các cửa sông), sự ảnh hưởng của khối nước sông vào thời điểm này rất hạn chế nên khối nước biển xâm nhập sâu hơn vào phía trong các cửa sông Đáng chú ý là thời điểm nước lớn, vẫn xuất hiện dòng chảy ở phía trong các cửa sông với vận tốc khoảng 0.1-0.3m/s trong khi phía ngoài biển vận tốc dòng chảy rất nhỏ Trường dòng chảy chỉ đạt giá trị nhỏ nhất sau thời điểm nước lớn khoảng 1-2h

Trong thời điểm nước ròng của mùa khô, trường dòng chảy khu vực ven biển Hải Phòng có vận tốc khá nhỏ và phân tán mạnh về vận tốc và hướng chảy Cũng do tải lượng nước của các sông nhỏ nên thời gian dừng chảy vào thời điểm nước ròng ngắn hơn, trường dòng chảy nhanh chóng chuyển trạng thái từ dừng chảy thành chảy lên

Sự biến động của trường dòng chảy ở khu vực nghiên cứu trong mùa khô theo độ sâu là không lớn, sự phân tầng dòng chảy xảy ra rõ rệt hơn ở các pha triều lên và triều xuống Trong khi đó vào các thời điểm nước lớn hoặc nước ròng, chênh lệch dòng chảy giữa các tầng là khá nhỏ

Trong những ngày triều kém của mùa khô, xu hướng biến động của trường dòng chảy tổng hợp ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng cũng tương tự như trong những ngày triều cường nhưng giá trị vận tốc dòng chảy cực đại nhỏ hơn nhiều so với những ngày triều cường Trường dòng chảy trong những ngày triều kém phân bố đều hơn, ít xuất hiện những khu vực có vận tốc quá lớn so với khu vực khác

Do độ sâu nhỏ lên sự phân tầng về giá trị vận tốc và hướng dòng chảy không lớn Vận tốc dòng chảy theo cáo tầng khác nhau khá đồng nhất ở vùng phía trong gần các cửa sông và có

chênh lệch tương đối lớn ở các vùng nước sâu phía ngoài Hướng dòng chảy theo độ sâu ít thay đổi trong pha triều lên hoặc xuống nhưng phân hóa mạnh ở các thời điểm quanh khoảng thời gian mực nước đạt cực trị

Mùa mƣa

Vào mùa mưa, mặc dù lưu lượng nước sông đưa ra lớn hơn mùa khô lớn, nhưng do ảnh hưởng của trường gió nên dòng chảy từ biển hướng vào phía các cửa sông vận có giá trị khá lớn Trong pha triều này, hướng dòng chảy chủ yếu là đông nam- tây bắc với giá trị vận tốc biến đổi

từ 0,2-0,7m/s Một số khu vực có vận tốc dừng chảy lớn hơn như Lạch Huyện cửa Nam Triệu và cửa Bạch Đằng, Cấm

So với mùa khô, sự kết hợp giữa dòng chảy sông và dòng triều được thể hiện rõ nét vào pha triều xuống tạo ra dòng chảy tổng hợp với vận tốc khá lớn so với các pha triều khác Hướng dòng chảy trong trường hợp này định hướng theo hướng của các các của sông ra phía biển, và chủ yếu

là hướng đông nam và nam Giá trị vận tốc dòng chảy biến đổi trong khoảng từ 0,4-1.0m/s Một

số nơi do lòng dẫn hẹp như khu vực cửa Lạch Huyện, cửa Nam Triệu vận tốc dòng chảy tầng mặt có thể đạt đến giá trị trên 1,0m/s

Vào thời điểm nước lớn của mùa mưa, cũng tương tự như trong mùa khô vẫn thấy xuất hiện dòng chảy hướng vào sâu các sông với giá trị vận tốc khoảng 0.1-0.4m/s trong khi ở các khu vực phía ngoài có dòng chảy khá nhỏ Sau thời điểm nước lớn khoảng 1-2 giờ, giá trị vận tốc dòng chảy nhỏ nhất và đổi hướng chảy xuống Trường dòng chảy cuối pha triều lên tăng từ phía ngoài vào trong các cửa sông, trong khi đầu pha triều xuống lại có xu hướng giảm dần từ phía trong các cửa sông ra phía ngoài biển

Ở thời điểm nước ròng, khối nước từ sông có điều kiện phát triển mạnh mẽ ra phía biển, nhưng do địa hình khu vực bị phân hóa mạnh khi mực nước xuống thấp nên trường dòng chảy vào mùa mưa ở thời điểm nước dòng khá phân tán cả về hướng và các giá trị vận tốc Một số khu vực vẫn có vận tốc dòng chảy lớn như phía trong các sông, khu vực cửa nam Triệu, Lạch Huyện Trong những ngày triều kém của mùa mưa, biến động của trường dòng chảy tổng hợp theo các pha dao động mực nước cũng tương tự như trong những ngày triều cường nhưng giá trị vận tốc dòng chảy cực đại ở khu vực phía trong các cửa sông thường có giá trị nhỏ hơn nhiều (30-60%) so với những ngày triều cường Cũng tương tự như trong mùa khô, phân bố theo không gian của trường dòng chảy vào những ngày triều kém trở lên đồng nhất hơn, chênh lệch giá trị