Điều kiện thủy thạch động lực và môi trường các thủy vực cửa sông ven bờ Việt Nam luôn bị chi phối bởi các quá trình tương tác đấtbiểnkhí quyển hết sức mạnh mẽ trong đó thủy triều có vai trò quyết định. Việc sử dụng hệ thống kết nối các mô hình một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) có thể giải quyết vẫn đề phức tạp nêu trên nhưng lại đòi hỏi giải quyết nhiều khó khăn nẩy sinh liên quan tới các biên ngoài cũng như điều kiện kết nối. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã ứng dụng mô hình thủy động lực học 3D có khả năng tính đến các ảnh hưởng của sông, sóng và gió trên mặt biển trông điều kiện triều áp đảo. Mô hình phát triển tại Trung tâm Động lực và Môi trường biển (MDEC) cho phép mô phỏng các đặc điểm thủy động lực cửa sông phức tạp với yêu cầu tối thiểu các điều kiện biên liên quan đến lưu lượng sông và thủy triều. Kết quả áp dụng mô hình cho vùng cửa sông cảng Hải Phòng đã cho phép lý giải bức tranh phức tạp của hoàn lưu nước cũng như các hệ quả môi trường liên quan đến vận chuyển trầm tích lơ lửng và bồi xói bờ và đáy. Kết quả kiểm chứng của mô hình tạo điều kiện hoàn thiện hệ thống mô hình thủy động lựcmôi trường MDEC có thể áp dụng cho các thủy vực cửa sông ven biển khác của Việt Nam.
Hội thảo Khoa học Kỷ niệm năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển Mơ hình hồn lưu nước vùng cửa sông ven biển chịu ảnh hưởng mạnh thủy triều Đinh Văn Ưu1, Hà Thanh Hương2 Tóm tắt: Điều kiện thủy thạch động lực môi trường thủy vực cửa sông ven bờ Việt Nam bị chi phối q trình tương tác đất-biển-khí mạnh mẽ thủy triều có vai trò định Việc sử dụng hệ thống kết nối mơ hình chiều (1D), hai chiều (2D) ba chiều (3D) giải đề phức tạp nêu lại đòi hỏi giải nhiều khó khăn nẩy sinh liên quan tới biên điều kiện kết nối Để giải vấn đề này, chúng tơi ứng dụng mơ hình thủy động lực học 3D có khả tính đến ảnh hưởng sơng, sóng gió mặt biển trơng điều kiện triều áp đảo Mơ hình phát triển Trung tâm Động lực Môi trường biển (MDEC) cho phép mô đặc điểm thủy động lực cửa sông phức tạp với yêu cầu tối thiểu điều kiện biên liên quan đến lưu lượng sông thủy triều Kết áp dụng mơ hình cho vùng cửa sơng cảng Hải Phòng cho phép lý giải tranh phức tạp hoàn lưu nước hệ môi trường liên quan đến vận chuyển trầm tích lơ lửng bồi xói bờ đáy Kết kiểm chứng mơ hình tạo điều kiện hồn thiện hệ thống mơ hình thủy động lực-mơi trường MDEC áp dụng cho thủy vực cửa sơng ven biển khác Việt Nam Từ khố: mơ hình hồn lưu, cửa sơng ven biển, Hải Phòng, ảnh hưởng mạnh triều Mở đầu Các trình tự nhiên liên quan đến ịân chuyển vật chất môi trường biển thường phức tạp bao gồm ầinh lưu, đối lưu, khuếch tán xáo trộn nước động lực học lớp biên đáy mặt Ứng suất đáy có vai trò quan trọng trình vận chuyển di đáy, bồi tụ bứt xói trầm tích đáy Bản thân ứng suất đáy lại phụ thuộc vào điều kiện lớp biên đáy hình thành tác động triều, gió sóng mặt biển Các giá trị tới hạn dòng vận chuyển di đáy, bồi tụ bứt xói phụ thuộc vào đặc trưng khác có kích thước, độ liên kết trầm tích, v.v… Để đưa ảnh hưởng tác nhân vào mơ hình hồn lưu lớp nước cần có mơ tả cách hợp lý lớp biên đáy Quá trinh tương tác sóng dòng chảy lớp nước sát đáy đóng vai trò định dòng vật chất chuyển động ảnh hưởng tới hoàn lưu nước hình thái đáy Trong cơng trình này, chúng tơi sử dụng mơ hình 3D hệ phương trình thủy nhiệt động lực ngun thủy có tính đến tối đa tác động đến điều kiện thủy động lực có nguồn gốc từ biên mặt biển, đáy biển, cửa sông biển hở Việc thử nghiệm thành cơng mơ hình thủy động lực cho vùng biển cụ thể sở để phát triển hoàn thiện mơ hình thủy động lực-mơi trường dự báo giám sát môi trường cửa sông ven biển Việt Nam Trung tâm Động lực Môi trường biển, Đại học Quốc gia Hà Nội; 334, Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội; Telephone: 84 8584945; E-mail: uudv@vnu.edu.vn Trung tâm Động lực Môi trường biển, Đại học Quốc gia Hà Nội; 334, Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội; Tel: 84 8584945; Email: huonghat@yahoo.com Mơ hình thủy động lực Mơ hình thủy đơng lực biển ven bờ bao gồm mơ hình hệ phương trình động lực biển ngun thủy, mơ hình tác động mặt , mơ hình lớp biên đáy kỹ thuật xử lý điều kiện biên hở sơng có triều áp đảo 2.1 Mơ hình hệ phương trình động lực biển nguyên thủy Quá trình biến đổi theo thời gian mực nước, dòng chảy, nhiệt độ, độ muối nước biển tác động khí quyến nước sơng đổ vào thủy vực mơ mơ hình Trung tâm ĐL&MT biển (MDEC) phát triển từ mô hình GHER, ĐH Liege Mơ hình mơ tả kỹ cơng trình Đinh Văn Ưu cộng tác viên [5,6,7], sơ đồ tham số hóa hệ số nhớt rối triển khai khác theo phương ngang phương thẳng đứng Để tính đến tác động sóng mặt biển, chúng tơi phát triển ứng dụng mơ hình tương tác sóng-gió mơ hình lớp biên đáy Mơ hình tương tác sóng-gió lớp biên khí sát mặt phục vụ tính tốn đặc trưng sóng ứng suất gió điều kiện có sóng, theo ứng suất gió bao gồm hai thành phần: rối túy τ at tác động sóng τ aw : (1) τ a = C D ρ a u 210 = ρ a ∗ = τ at + τ u aw Có thể tham số hóa tác động thông qua hệ số ma sát mặt biển CD xem hệ số hàm vận tốc gió khoảng cách z từ mặt biển Vận tốc gió khoảng cách z lại chịu tác động tham số nhám điều kiện khơng có sóng z có sóng z e (Jansen, 1992): ⎛ z+ z – z ⎞ u (2) e ze ⎠⎟ κ ⎝ z e z xác định theo công thức bán thực nghiệm phụ thuộc vào tỷ số ∗ u = ln⎜ z Trong vận tốc sóng vận tốc gió: c/V hay c/u* (Đinh văn Ưu, 1981) Mơ hình lớp biên đáy cho phép tính tốn ứng suất tổng cộng dòng nước lên đáy Giá trị ứng suất bao gồm hai thành phần: rối túy hiệu ứng trượt vận tốc dòng chảy chuyển động sóng (Grant Madsen, 1979, WAMDI,1988): (3) b τ =τ b = ρC v c c w + τ = ρC v + w u ρC 2 *w w = ρu ∗cw = ρ (u *c +u ) ⎡τ w ⎤ ⎡τ c ⎤ = = u*c ⎢ ⎥ , u*w ⎢ ⎥ ⎣ρ⎦ ⎣ ρ ⎦ Đối với ứng suất dòng chảy túy, sử dụng cơng thức sau: τ = ρC v , = f = (4) C c κ c c c (ln(30z / kbc ) )2 Trong kbc tham số nhám thực tế tính từ kết tổng hợp tác động dòng lẫn sóng lớp biến đáy: ⎡ u *cw Ab ⎤ β k bc 24 u K ⎥ = kb⎢ w b ⎦ ⎣ z hệ số ma sát dòng = = k b 30 κ2 Cc = f c = (ln(z / z ) ) (5) Trong điều kiện khơng có sóng: k bc (6) Đối với ứng suất sóng, ta sử dụng công thức: τ = ρC w v = w 2 ρf u w (7) w Với hệ thức tính hệ số ma sát sóng fw, biên độ dao động Ab vận tốc uw rút từ lý thuyết sóng tuyến tính : 2.2 Kỹ thuật xử lý điều kiện biên hở sông có triều áp đảo Đối với khu vực cửa sơng có triều áp đảo, u cầu đưa điều kiện biên cho biên hở kết nối sông với cửa sông trở nên cần thiết đòi hỏi kỹ thuật riêng Với kỹ thuật có việc cho lưu lượng sơng biến đổi mực nước thường dẫn đến kết xung đột hướng dòng khu vực gần biên Để khắc phục hạn chế đề xuất kỹ thuật cho phép khắc phục khả gây nên xung đột Dựa quy luật bảo tồn lượng dòng chảy dọc theo cửa sơng cho tác động dòng chảy sơng làm tăng mực nước khu vực sông-cửa sông lên đại lượng phụ thuộc vào giá trị vận tốc dòng Mực nước thực tế vùng biển cửa sông bao gồm tổng mực nước dao động triều gia tăng mực nước sông đổ ξ = ξ t + δ ξ , phần gia tăng mực nước sông δ ξ bị triệt tiêu xa phía biển Đối với khu vực ranh giới sơng-cửa sơng đưa hệ thức sau cho phần gia tăng mực nước: v2 δ ξ = α với hệ số tỷ lệ α phụ thuộc vào vị trí biên sơng-cửa sơng hình thái thủy vực 2g nghiên cứu Như điều kiện biên sông-cửa sông khu vực thủy triều áp đảo cho dạng mực nước bao gồm hai thành phần: mực nước triều theo số liệu quan trắc triều thực tế gia tăng mực nước sông đổ phụ thuộc vào lưu lượng sông Kết thảo luận Bên cạnh kết ứng dụng cho tồn Biển Đơng, mơ hình MDEC triển khai cho vịnh Bắc Bộ, vùng biển Đơng Nam Bộ vùng biển Quảng Ninh-Hải Phòng mơ trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối, lan truyền chất lơ lửng dầu nhiều pha nước trầm tích với quy mơ thời gian tháng mùa Trong khuôn khổ báo cáo tập trung phân tích số kết thu trường dòng chảy mực nước vùng cửa sơng cảng Hải Phòng Vùng cửa sơng cảng Hải Phòng thủy vực mở chịu tác động mạnh mẽ biển có chế độ triều áp đảo lại chịu ảnh hưởng mạnh hệ thống song Cấm, Bạch Đằng, song Chanh đổ trực tiếp qua cửa Nam Triệu phần nhỏ qua cửa Lạch Huyện (Hình 1) Đây thủy vực có tượng bồi tụ đáng kể gây nên khó khăn cho vận hành cảng Hải Phòng, lại có vùng có nguy xói lở bờ lớn Cát Hải, bắc Đồ Sơn (đặc biệt mùa bão) vùng biển có nước đục thường xuyên gây tác động xấu đến hoạt động nghỉ dưỡng ven biển Đồ Sơn Mơ hình 3D MDEC triển khai cho vùng biển nghiên cứu với kích thước lưới ngang 200m tầng theo biến đổi sigma kép Việc thử nghiệm mơ hình triển khai với điều kiện khác tác động: gió mặt biển, lưu lượng sông đổ vào thủy vực với đặc trưng thực tế địa hình mực nước triều Hình Địa hình khu vực cửa sơng cảng Hải Phòng Để kiểm nghiệm mơ hình, bước đầu chúng tơi triển khai với điều kiện khơng có gió tác động mặt biển Trường dòng chảy mực nước mô thời gian ngày với điều kiện mực nước biên hở Nam Triệu, Lạch Huyện, Nam Cát Bà đơng Hòn Dấu Bước tiếp theo, điều kiện biên lưu lượng nước sông đổ vào thủy vực điều kiện gió tác động mặt nước thử nghiệm nhằm đánh giá tranh hoàn lưu mực nước thực tế toàn vùng Trường mực nước thu mô tả hợp lý tượng lan truyền triều thủy vực hẹp phức tạp Với số điều hòa cho sóng trạm cửa sơng ven biển, mơ hình cho thấy chênh lệch mực nước khu vực khác thời điểm không đáng kể, có giá trị tối đa khơng vượt q 0,3m So với khoảng cách tối đa điểm tính khơng vượt q 30km, mức độ chênh lệch mực nước hoàn toàn phù hợp với đặc điểm thủy triều thực tế Phân tích trường hồn lưu triều nhận thấy có khác biệt đáng kể chế độ mực nước dòng triều vị trí thủy vực Đáng ý tượng ngược pha dòng chảy khu vực cửa Nam Triệu Lạch Huyện (hình 2) Trong biến trình dòng triều vùng biển sâu lại có tương đồng pha lẫn biên độ (hình 3) Với đặc điểm phân bố dòng triều dẫn đến hình thành chế độ dòng triều đặc thù cho thủy vực này, đáng ý biến dạng ellips dòng triều với xu chuyển dòng triều theo hướng đơng-tây tương ứng đường bờ phần nước nơng ngồi khơi Cát Hải Trong pha triều cao hay thấp hoàn lưu song song với đường bờ Cát Hải thường kết nối với dòng chảy vào cửa Nam Triệu Lạch Huyện có hướng đối lập tạo nên dòng liên tục xuất phát từ cửa sơng Trên hình dẫn hai trường dòng triều tương ứng hai trường hợp vừa phân tích Hình Biến trình ngày đêm dòng triều qua cửa Nam Triệu (trên) Lạch Huyện (dưới) Hình Biến trình ngày đêm dòng triều khu vực ngồi khơi Đồ Sơn (trên) Cát Hải (dưới) Hình Phân bố dòng triều tạo nên dòng liên tục qua khu vực nước nơng ngồi khơi Cát Hải hai pha triều cao (trái) thấp (phải) Hình Biến trình ngày đêm dòng triều khu vực nước nơng phía Cát Hải: điểm trung tâm (trái) điểm gần Bến Gót (phải) Hình Mơ mực nước theo thời gian vùng cửa sơng Hải phòng với điều kiện gió bão: DS- đê Đồ Sơn, NTkênh Nam Triệu, HD- ngồi khơi Hòn Dáu, LH- kênh Lạch Huyện, CH- vùng nước nơng Cát Hải Trên hình dẫn biến trình ngày đêm dòng triều hai điểm nằm khu vực nước nơng phía ngồi Cát Hải Có thể nhận thấy có khác đáng kể đặc trưng biến động dòng triều khu vực nước sơng nước sâu (các hình 5), ngồi có tượng gia tăng đáng kể dòng song song bờ phía Bến Gót Điều ngun nhân gây nên xói lở đáy hình thành rãnh sâu nối trực tiếp Lạch Huyện với vùng khơi Cát Hải (hình 1) Các kết mơ hình hóa khẳng định thơng qua so sánh với đặc trưng mực nước dòng chảy thu từ chuyến khảo sát năm 2007 2008 đề tài QGTD 04.07 KC09.23/06-10 Ảnh hưởng lưu lượng sơng đến dòng chảy xẩy mạnh pha dòng triều dòng sơng có hướng vào, nhiên nhận thấy rõ phạm vi tương đối hạn chế nên khơng làm thay đổi tranh hồn lưu triều áp đảo Đối với tác động gió, khẳng định vai trò thứ yếu nhân tố điều kiện gió bình thường, khơng làm thay đổi hướng hồn lưu triều áp đảo, nhiên làm biến đổi giá trị dòng tổng hợp Trong trường hợp gió bão, kết thử nghiệm cho thấy trường dòng chảy khu vực nước nơng có biến động đáng kể làm xuất số xốy cục bộ, nhiên có gia tăng mực nước đáng kế vùng ven bờ phía dọc đê 14 Đồ Sơn Cát Hải Có thể nhận thấy giá trị tăng mực nước tương đối khu vực vào cỡ 50-60cm (hình 6) Có thể nhận thấy tượng dâng nước cục chủ yếu nước dồn, nhiên với giá trị khoảng 50-60cm mức nguy hiểm đặc biệt kết hợp với triều nước dâng bão truyền từ phía ngồi vào Các kết luận Kết thử nghiệm mơ hình thủy động lực 3D MDEC cho vùng cửa sơng cảng Hải Phòng khẳng định khả ứng dụng mơ hình cho thủy vực phức tập tương tự Việt Nam Từ phân tích kết nhận thấy có hai khu vực có khả bị xói lở bờ ngập nước mạnh điều kiện gió bão Cát Hải đê 14 Đồ Sơn, điều cần kể đến q trình tính tốn xây dựng nâng cấp hệ thống đê biển Hải Phòng Với mơ hình thủy động lực hồn tồn có điều kiện phát triển hồn thiện hệ thống mơ hình thủy động lực-mơi trường cho pháp giải vấn đề vận chuyển, lan truyền trầm tích, chất ô nhiễm, trình bồi tụ, biến đổi địa hình tích tụ chất nhiễm nước trầm tích đáy Lời cảm ơn Các kết thu với hỗ trợ đề tài NC Cơ 706106, đề tài trọng điểm ĐHQG Hà Nội (QGTĐ 04.07) đề tài KC 09.23/06-10 Tác giả cảm ơn hỗ trợ Tài liệu tham khảo Grant, W.D and Madsen, O.S, 1979, Combined wave and current interaction with a rough bottom, J Geophys Res 84, 1797-1808 Jansen, P.A., 1992, Experimental evidence of the effect of surface waves on the air flow, J Phys Oceanogr 22, 1600-1604 WAMDI Group 1988, The WAM model- the third generation ocean wave ocean wave prediction model, J Phys Oceanogr., 18, 1775-1810 Đinh Văn Ưu, 1981, Ứng suất gió mặt biển có sóng, Tuyển tập Nghiên cứu biển, II-2, Nhatrang, 117122 Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, pham Hoang Lam (2006), Development and Application of the Environmental Hydrodynamic 3D Model for Computation and Forecasting of Oil Pollutions in Coastal Marine Environment, Annual Report of FY 2006 of CUP between JSPS and VAST, Hanoi, Osaka, pp 191-200 Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang Lam (2007), Development of system of Hydrodynamicenvironmental models for coastal area (Case study in Quangninh-Haiphong region), Journal of Science, Earth Sciences, T XXIII, No.1, pp 59-68 Dinh Van Uu (2007), Towards a coastal ocean monitoring and prediction system for Vietnamese Sea Waters, th The Seminar on Environmental Science and Technology issues related to the Sustainable development th for urban and coastal area, The General Seminar of CUP between JSPS and VAST, Danang, pp 148153 ... chảy sông làm tăng mực nước khu vực sông -cửa sông lên đại lượng phụ thuộc vào giá trị vận tốc dòng Mực nước thực tế vùng biển cửa sông bao gồm tổng mực nước dao động triều gia tăng mực nước sông. .. Mơ hình thủy động lực Mơ hình thủy đơng lực biển ven bờ bao gồm mơ hình hệ phương trình động lực biển ngun thủy, mơ hình tác động mặt , mơ hình lớp biên đáy kỹ thuật xử lý điều kiện biên hở sông. .. Phòng thủy vực mở chịu tác động mạnh mẽ biển có chế độ triều áp đảo lại chịu ảnh hưởng mạnh hệ thống song Cấm, Bạch Đằng, song Chanh đổ trực tiếp qua cửa Nam Triệu phần nhỏ qua cửa Lạch Huyện (Hình