NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC KHU VỰC BÃI GỐC - PHÚ YÊN

1 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC KHU VỰC BÃI GỐC - PHÚ YÊN SVTH: Nguyễn Đình Mạnh – 54B2 GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Thảo Mở đầu Cảng biển sở hạ tầng quan trọng phát triển kinh tế xã hội đảm bảo an ninh quốc phòng quốc gia khu vực Đặc biệt xu hướng hội nhập quốc tế q trình tồn cầu hóa việc phát triển, mở rộng cảng biển thu hút quan tâm, đầu tư nghiên cứu nhà khoa học, nhà quy hoạch quản lý Khu vực ven biển Bãi Gốc Phú Yên nơi có nhiều lợi để phát triển cảng biển có vị trí địa lý nằm trục giao thơng Bắc – Nam, có đường sắt, đường hàng không, đường thuỷ nối với tỉnh nước Bên cạnh đó, bãi biển nơi dốc, độ sâu nước lớn có khả tiếp nhận tàu có trọng tải lớn, phía bắc lại có mỏm đá nhơ che chắn khỏi tác động dòng chảy, bùn cát sóng Như phát triển cảng biển nước sâu thúc đẩy kinh tế- xã hội phát triển cửa ngõ đối ngoại quan trọng nước ta nước khu vực giới Khi phát triển cảng biển việc nghiên cứu chế độ thủy động lực học phục vụ cho việc thiết kế xây dựng cơng trình cảng quan trọng Bài báo cáo trình bày kết nghiên cứu chế độ thủy động lực học khu vực Bãi Gốc – Phú n mơ hình Mike 21 Kết làm sở cho việc tính tốn thiết kế cơng trình đê chắn sóng cho cảng số cơng trình phục vụ cảng bến cảng, luồng tàu… Đặc điểm khu vực nghiên cứu Bãi Gốc vùng ven biển nằm phía Nam tỉnh Phú Yên, thuộc địa phận xã Hòa Tâm huyện Đơng Hòa; cách thành phố Tuy Hòa khoảng 25 km phía Đơng Nam (Hình 1) v Chế độ gió Có thể nói chế độ gió Phú Yên thể hai mùa rõ rệt, mùa mưa thời kỳ thịnh hành ba hướng gió Bắc, Đơng Bắc Đông, mùa khô thời kỳ thịnh hành ba hướng Tây, Tây Nam Đông Tốc độ gió trung bình năm dao động khoảng – 2.5 m/s, độ chênh lệch qua tháng không 0.5 m/s Nhìn chung tháng mùa hè tốc độ gió trung bình lớn mùa đơng Tốc độ gió bình lớn vào tháng 5, nhỏ vào tháng tháng Hình – Vị trí nghiên cứu v Thủy triều Thủy triều vùng Bãi Gốc có đặc điểm chung thủy triều từ Quảng Ngãi đến Nha Trang Chế độ triều chủ yếu nhật triều không đều, số ngày nhật triều tháng từ 17 đến 26 ngày, vào ngày nước thường có nước nhỏ ngày Thời gian triều dâng lâu thời gian triều rút đến giờ, điểm đặc biệt chế độ triều vùng Nó thuận lợi cho việc sử dụng nước dâng để tưới tiêu, đưa tàu thuyền vào cảng, vào sông nhiên ảnh hưởng đến lũ dâng xâm nhập mặn sâu Các số liệu khảo sát cho thấy bình quân đỉnh triều cao vào tháng 1, bình quân đỉnh triều thấp tháng với đỉnh triều cao 4.36 mét Bình quân chênh lệch triều tháng xấp xỉ từ 51 đến 58 cm, đồng thời chênh lệch triều lên triều xuống xấp xỉ v Sóng Khu vực biển Bãi Gốc, bị ảnh hưởng gió mùa Đơng Bắc (NE) Tây Nam (SW) nên tương ứng với chúng hướng sóng thịnh hành NE SW (Hình 2) Từ tháng đến tháng 4, hướng sóng thịnh hành NE; từ tháng đến tháng 9, hướng sóng chủ đạo SW; từ tháng 10 đến tháng 12, thịnh hành hướng sóng N NE Chiều cao sóng lớn quan trắc 8.25 m ứng với hướng NE (2001) Nhìn chung, chế độ sóng mùa hè không ổn định độ lớn nhỏ so với mùa đơng Hình - Biểu đồ hoa sóng ngồi khơi khu vực biển Phú Yên (thống kê từ 1997 – 2009) Trên thực tế, đường bờ biển khu vực nghiên cứu chạy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam nên chủ yếu chịu tác động sóng hướng N, NE E Trong hướng sóng NE chiếm ưu hướng sóng N E độ cao lẫn tần suất xuất Do hướng sóng Đơng Bắc gần vng góc với đường bờ khu vực nghiên cứu nên vận chuyển bùn cát ngang bờ tác động hướng sóng lớn v Bão nước dâng bão Phú Yên tỉnh ven biển nằm khu vực đón bão, song bão khơng nhiều Bắc Trung Bộ miền Bắc, xen kẽ có năm khơng có bão Mùa bão Phú Yên xác định từ tháng đến tháng 12 hàng năm, nhiều tháng 10 tháng 11 có năm cuối tháng đầu tháng có bão đổ (1978); trung bình năm có 0.04 bão ảnh hưởng đến Phú Yên 4 Chiều cao nước dâng mức nước dâng cao so với lúc khơng có bão thời điểm có mực nước triều thường ngày Vùng biển từ Phú Yên đến Ninh Thuận nước dâng bão cao xảy đến 1.7 m, tương lai, có bão mạnh, siêu bão đổ bộ, nước dâng bão lên đến 2.2 m v Đặc điểm đường bờ Khu vực nghiên cứu có đường bờ dài khoảng 4.5 km Đường bờ biển thẳng trải dài theo hướng Tây Bắc - Đơng Nam bên có dãy núi kéo dài biển che chắn phần tác động biển cho vùng bờ Từ ảnh chụp vệ tinh qua năm ta thấy đường bờ vùng biển nghiên cứu tương đối ổn định (Hình 3), khơng có biến động nhiều bùn cát Trong giai đoạn từ 2010 – 2012 vùng bờ có xảy tượng xói không đáng kể bồi tụ lại năm 2013 Nguyên nhân xác định bão Mỉrinae có cường độ mạnh đổ vào vùng biển Khánh Hòa - Phú Yên tháng 11/2009 gây vận chuyển bùn cát ngang bờ Hình - Ảnh chụp vệ tinh vùng nghiên cứu tháng 6/2003, 10/2008 3/2016 Ứng dụng mơ hình MIKE 21 nghiên cứu chế độ thủy động lực học khu vực nghiên cứu 3.1 Thiết lập mơ hình Số liệu địa hình: Địa hình khu vực nghiên cứu điều kiện đầu vào quan trọng khơng thể thiếu để tính tốn, bao gồm số liệu đường bờ độ sâu Các số liệu địa hình lấy từ số liệu thực đo theo hệ cao độ lục địa, thuộc vùng Zone UTM 49 Sau đưa số liệu địa hình vào mơ hình MIKE Zero ta có kết Hình 4: Hình – Số liệu địa hình khu vực nghiên cứu Miền lưới tính tốn: Miền lưới tính khu vực xây dựng từ số liệu địa hình vị trí lấy biên tính tốn Lưới tính sử dụng cho mơ hình lưới tam giác với diện tích lưới mịn khu vực cảng thơ dần ngồi Chia lưới khu vực gần bờ có địa hình biến đổi bất thường khu vực nghiên cứu nên chia lưới mịn để kết mô xác hơn; phía ngồi địa hình khơng có nhiều biến đổi khu vực quan tâm nên ta chia lưới thô để tiết kiệm thời gian tính tốn (Hình 5) 6 Hình – Miền lưới tính tốn Biên mơ hình Khi thiết lập mơ hình thủy lực, xác định ranh giới biên yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến độ xác kết mơ Các biên phải đủ rộng để đảm bảo q trình mơ xác kết khơng bị ảnh hưởng điều kiện biên Các biên mơ hình bao gồm: - Biên cứng biên phía đất liền đường bờ Biên cứng khơng cần số liệu vào; - Biên lỏng biên phía biển bao gồm biên: biên Bắc, biên Đông, biên Nam Số liệu đưa vào biên giá trị mực nước tính tốn từ mơ hình dự tính triều tồn cầu MIKE 21 Toolbox cho vùng biển Phú Yên số liệu sóng 3.2 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình v Hiệu chỉnh mơ hình Việc hiệu chỉnh thơng số mơ hình thủy lực thực chủ yếu qua việc thay đổi hệ số nhám Manning, hệ số nhớt, bước thời gian tính tốn giá trị ban đầu để sau hiệu chỉnh thơng số, mơ hình đảm bảo độ xác cần thiết Để so sánh giá trị tính tốn với thực đo, ta dùng số so sánh NASH để đánh giá Khi số NASH tiến đến kết mơ mơ hình phù hợp với số liệu đo đạc Công thức xác định số NASH sau: ∑( X NASH = − ∑( X 0.i − X s ,i ) Trong đó: 0,i − X ) 2 - X 0.i : Giá trị thực đo; X s ,i : Giá trị tính tốn mơ phỏng; X0 : Giá trị thực đo trung bình Thời gian hiệu chỉnh 15 ngày từ ngày 20/11/1993 đến ngày 5/12/1993 Sau thay đổi thông số với độ nhớt 28, độ nhám 32 m1/3/s ta kết hiệu chỉnh đường biến đổi mực nước tính tốn thực đo vị trí đo đạc có vĩ độ: 12.94 độ Bắc, kinh độ: 109.435 độ Đông Hình 6: Hình – Quá trình mực nước đo đạc tính tốn Chỉ số NASH: NASH = − 0.6601 = 0.9861 > 0.8 47.5947 Vậy kết tính tốn từ mơ hình tương đối phù hợp với giá trị thực đo, thông số mơ hình sau hiệu chỉnh tiếp tục dùng để kiểm định mơ hình v Kiểm định mơ hình Để kiểm định mơ hình ta tiến hành chạy mơ hình với thơng số hiệu chỉnh khoảng thời gian khác: Mô 15 ngày từ 1/12/2009 đến ngày 15/12/2009 Sau trích xuất kết mực nước so sánh với mực nước thực đo thời đoạn ta kết Hình 7: Hình - kiểm định mơ hình Đường q trình mực nước thực đo đường q trình mực nước tính tốn trạm đo hình vẽ tương đối phù hợp pha độ lớn Chỉ số NASH: NASH = − 0.9504 = 0.9873 > 0.8 74.9834 Kết luận: Từ kết kiểm định chứng tỏ việc thiết lập mơ hình lựa chọn thơng số cho mơ hình tương đối hợp lý, q trình mơ sát so với thực tế 9 Vậy nên sử dụng mơ hình với hệ số hiệu chỉnh kiểm định để mô chế độ thủy động lực học cho vùng biển Bãi Gốc 3.3 Kết mô chế độ thủy động lực học v Mô mực nước Trước tiên ta mơ chế độ dòng chảy khu vực chưa có tác động sóng, dòng chảy chủ yếu dòng chảy tạo thủy triều lên xuống (dòng triều) Kết mơ thể Hình 8: Hình – Chế độ dòng chảy khơng có tác động sóng Từ kết mơ dòng chảy vùng biển Bãi Gốc chưa có ảnh hưởng sóng ta thấy: - Khi triều lên, dòng triều có hướng từ Bắc xuống Nam Do che chắn mũi đá phía Bắc nên lưu tốc dòng triều vùng ven bờ nhỏ gần 0; phía bên ngồi vùng nước sâu lưu tốc dòng triều khoảng từ 0.04 – 0.06 m/s - Khi triều xuống, dòng triều có hướng từ Nam lên Bắc Lưu tốc dòng triều xuống vùng ven bờ nhỏ vùng có lưu tốc nhỏ hẹp so với dòng triều lên; lưu tốc vùng nước sâu phía bên ngồi xấp xỉ triều lên - Ở phần đầu mũi đá lưu tốc dòng chảy lớn hơn: từ 0.07 – 0.15 m/s dòng chảy bị co hẹp đột ngột v Chế độ sóng 10 Để mơ chế độ sóng cho khu vực ven biển Bãi Gốc ta sử dụng số liệu sóng số với thơng số sau: - Chiều cao sóng trung bình biên nước sâu: Hm0 = 3.16 m - Hướng sóng đến: mơ với hướng sóng chủ đạo hướng Đơng Bắc α = 45̊ - Chu kỳ đỉnh sóng: Tp = 6.95 s Kết mơ chế độ sóng: Hình - Hướng sóng đến chiều cao sóng Từ kết mơ ta nhận thấy: - Do đường bờ có hướng Tây Bắc – Đơng Nam nên sóng Đơng Bắc đến có xu hướng vng góc với bờ, góc sóng tới nằm khoảng từ 0̊ - 5̊ - Chiều cao sóng giảm dần tiến vào bờ, chiều cao sóng vùng màu đỏ khoảng 2.3 m vào tới vùng ven bờ, cách bờ chừng 200 m chiều cao sóng xấp xỉ 1.65 m bắt đầu giảm liên tục (sóng vỡ) v Chế độ dòng chảy có tác động sóng 11 Hình 10 – Kết mực nước dòng chảy triều lên Hình 11 - Kết mực nước dòng chảy triều xuống Từ kết mơ dòng chảy có ảnh hưởng sóng ta thấy: - Do tương tác sóng dòng triều nên dòng chảy ven bờ có thay đổi đáng kể so với chưa có sóng Khi sóng đến vùng ven bờ, yếu tố địa hình nên sóng ổn định vỡ hình thành dòng chảy ven bờ; hướng sóng đến hướng Đơng Bắc nên dòng chảy có hướng từ Bắc xuống Nam - Khi triều lên, dòng chảy ven bờ sóng dòng triều hướng nên lưu tốc dòng chảy lớn (0.3 – 0.5 m/s) 12 - Khi triều xuống, dòng chảy ven bờ sóng dòng triều ngược chiều nhau; dòng triều có lưu tốc nhỏ ảnh hưởng tới vùng ven bờ nên dòng chảy có hướng từ Bắc xuống Nam Tuy lưu tốc dòng chảy bị giảm đáng kể khoảng từ 0.1 – 0.3 m/s mực nước xuống thấp Ngoài ra, tương tác sóng, thủy triều địa hình nên khu vực phía Nam Bãi Gốc có xuất dòng chảy ngang bờ (rip current) với lưu tốc lớn khoảng 0.2 m/s Hình 12 – Dòng ngang bờ xuất phía Nam Bãi Gốc 3.4 Kết mơ dòng chảy phương án bố trí đê chắn sóng Đề xuất phương án, sau kiểm tra đảm bảo điều kiện chắn sóng ta tiến hành mơ chế độ dòng chảy, kết sau: Hình 13 –Chế độ dòng chảy bố trí cơng trình 13 Hình 14 – Các điểm trích xuât lưu tốc dòng chảy Bảng – Lưu tốc dòng chảy điểm trích xuất phương án Tên điểm Tốc độ dòng chảy lớn (m/s) Tọa độ x y PA PA C1 329600 1430750 0.041 0.036 C2 329800 1430400 0.154 0.091 C3 330000 1430100 0.230 0.121 C4 330200 1429850 0.620 0.295 C5 330800 1430000 0.175 0.074 - Từ kế mô Hình 13 ta thấy xây dựng phương án thứ tạo dòng ven bờ từ phía Nam lên vào cảng với lưu tốc lớn 0.62 m/s; dòng chảy gây xói vùng ven bờ đưa bùn cát bồi lắng vào cảng Vậy để ngăn chặn dòng chảy ta đưa phương án thứ - bố trí thêm tuyến đê ngang bờ - Từ kết trích xuất lưu tốc Bảng cho thấy lưu tốc phía cảng phương án giảm đáng kể so với phương án Vậy đề xuất phương án để bố trí tuyến đê chắn sóng phát triển cảng cho vùng biển Bãi Gốc – Phú Yên 14 Kết luận kiến nghị - Vùng biển Bãi Gốc chịu tác động chủ yếu sóng thủy triều, khơng có ảnh hưởng cửa sơng Đường bờ khu vực ổn định, bị biến đổi; độ sâu nước lớn thuận lợi cho phát triển cảng biển; - Chế độ thủy triều vùng chế độ nhật triều không đều, độ lớn triều cao khoảng 1.7 m, triều thấp 0.5 m; lưu tốc dòng triều thay đổi từ 0.04 – 0.07 m/s; - Hướng sóng đến chủ đạo hướng sóng Đơng Bắc với hướng sóng đến gần vng góc với bờ Chiều cao sóng vùng ven bờ trước vỡ khoảng 1.65 m; - Dòng chảy tổng cộng sóng thủy triều có hướng từ Bắc xuống Nam với độ lớn kỳ triều cường từ 0.3 – 0.5 m/s, kỳ triều từ 0.1 – 0.3 m/s; - Cần thu thập thêm số liệu thực tế để hiệu chỉnh kiểm định đồng thời mơ hình sóng, dòng chảy mực nước; - Cần mơ thêm q trình nhiễu xạ thiết kế xây dựng đê chắn sóng 15 Tài liệu tham khảo [1] Phạm Thu Hương, (2012) “Nghiên cứu sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp ổn định cửa Đà Rằng, tỉnh Phú Yên”, Luận án tiến sĩ, Đại học Thủy Lợi [2] Wikipedia tiếng Việt [3] http://www.phuyen.gov.vn/