MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG 2D CHO VỊNH BÌNH CANG – NHA TRANG

Vịnh Nha Trang là một trong 29 vịnh đẹp của thế giới. Ở đây, nghành du lịch phát triển rất nhanh, đóng góp một phần thu nhập cho đời sống người dân trong vùng. Vịnh còn có cảng biển, với mật độ tàu bè ra vào liên tục, có vùng quy hoạch nuôi trồng hải sản. Đặc biệt ở vịnh Bình Cang, mật độ nuôi trồng hải sản rất lớn, với nhiều loài được nuôi có giá trị kinh tế như tôm hùm, hàu, sò huyết, ốc hương, cá… Ở vịnh Nha Trang có hai con sông đổ ra là sông Cái và sông Cửa Bé, còn ở vịnh Bình Cang có sông Dinh. Vào mùa lũ, nước của những con sông này đổ ra biển làm nước biển đục lên, ảnh hưởng đến nghành nuôi trồng hải sản, giao thông thủy…Một hệ quả dễ thấy nhất của quá trình vận chuyển trầm tích là hiện tượng bồi – xói cửa sông, vùng ven bờ. Quá trình vận chuyển trầm tích từ cửa sông ra biển phụ thuộc rất nhiều yếu tố: trường thủy động lực (dòng chảy, sóng), đặc tính cấp hạt (đường kính hạt, loại vật liệu là kết dính hay không kết dính…), nồng độ trầm tích tại các nguồn phát tán (nồng độ tại các cửa sông). Bản thân dòng chảy lại phụ thuộc vào chế độ thủy triều, điều kiện địa hình và chế độ gió trên mặt. Hiện nay, việc mô phỏng và dự báo hiện tượng vận chuyển trầm tích bằng mô hình toán vẫn còn gặp rất nhiều sai số. Trường nồng độ trầm tích sẽ được mô phỏng sau khi có trường dòng chảy ổn định trong một thời gian nào đó. Hai mô hình đã được xây dựng để mô tả trường dòng chảy 2D trung bình theo độ sâu và trường vận chuyển trầm tích lơ lửng trung bình theo độ sâu. Trường dòng chảy được mô phỏng bằng mô hình hoàn lưu 2D, sử dụng hệ phương trình nước nông, có tính đến ma sát mặt do gió và ma sát đáy. Trong quá trình xây dựng mô hình và tính toán, tác giả đã lựa chọn và tính toán hệ số ma sát đáy biến đổi theo độ sâu và theo đặc điểm nền đáy trên toàn miền tính để nâng cao độ chính xác của mô hình. Dao động mực nước tính từ mô hình được so sánh, đối chiếu với số liệu thực đo để kiểm chứng mô hình.5 Trường nồng độ trầm tích trung bình theo độ sâu đã được tách riêng ra khỏi tầng vận chuyển đáy (tầng biên đáy). Các công thức, phương trình dùng trong mô hình vận chuyển đáy đã được lựa chọn cho phù hợp với đặc tính trầm tích đáy của vùng nghiên cứu (chủ yếu là bùn trung và bùn thô). Mô hình vận chuyển trầm tích lơ lửng trung bình theo độ sâu đã được xây dựng và áp dụng mô phỏng vận chuyển trầm tích lơ lửng từ hai cửa sông Dinh và sông Cái ra biển. Trong mô hình đã lựa chọn phương pháp số thích hợp để giải phương trình truyền tải khuyếch tán hai chiều theo phương ngang, cũng như chọn lựa hệ số khuyếch tán phù hợp cho mô hình để tăng độ ổn định số và độ chính xác. Kết quả mô phỏng thấy được khá rõ sự biến đổi theo không gian và thời gian của nồng độ, hướng vận chuyển chính của trầm tích lơ lửng. Vận chuyển trầm tích bao gồm vận chuyển do dòng chảy, do sóng. Các nghiên cứu trước đây cho thấy, vận chuyển do sóng chỉ có ý nghĩa ở giải ven bờ, độ sâu thường nhỏ. Ở vùng nước phía ngoài, vận chuyển do dòng chảy chiếm ưu thế. Hơn nữa, do điều kiện địa hình khu vực nghiên cứu mà sóng trong các trường gió mùa điển hình như Đông Bắc và Tây Nam khi truyền vào vùng này không còn mạnh và mang đầy đủ tính chất như ở ngoài biển truyền vào các vùng biển hở khác. Do đó, ở đây chỉ đặt vấn đề nghiên cứu vận chuyển của trầm tích từ cửa sông ra ngoài cửa vịnh, xác định nồng độ trầm tích, vị trí tập trung nồng độ cao và thời gian tồn tại của nó do dòng chảy gây ra, từ đó giúp các nhà quản lý, đặc biệt về nuôi trồng quy hoạch và đánh giá mức độ ảnh hưởng đến vùng nuôi

MỤC LUC MỞ ĐẦU ………………………………………………………………… CHƯƠNG GIỚI THIỆU ……………………………………………… 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ………………………………… 1.2 Đặc điểm địa lý tự nhiên vùng nghiên cứu ……………………… 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……………………………………… 17 2.1 Các phương pháp đo đạc tính tốn vận chuyển trầm tích … 17 2.1.1 Các phương pháp đo vận chuyển trầm tích ………………… 17 2.1.1.1 Lấy mẫu đáy đo cỡ hạt …………………………………… …… 17 2.1.1.2 Đo lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng …………………… 18 2.1.1.3 Đo lượng vận chuyển trầm tích di đáy …………………… 18 2.1.2 Các phương pháp tính tốn vận chuyển trầm tích …………… 19 2.1.2.1 Phương pháp thống kê số mẫu…………………… 19 2.1.2.2 Tính vận chuyển trầm tích lơ lửng đơn vị bề rộng ……… 22 2.1.2.3 Tính vận chuyển trầm tích tổng cộng đơn vị bề rộng … 23 2.1.2.4 Phương pháp mơ hình hóa ………………………………… 24 2.2 Mơ hình dòng chảy ……………………………………………… 25 2.2.1 Các phương trình ……………………………………… 25 2.2.2 Phương pháp giải số …………………………………………… 26 2.2.3 Điều kiện biên thông số đầu vào ……………………… 30 2.2.4 Sơ đồ khối mơ hình ……………………………… 30 2.3 Mơ hình vận chuyển trầm tích ……………………………… 32 2.3.1 Mơ hình vận chuyển trầm tích di đáy ……………………… 32 2.3.2 Mơ hình vận chuyển lơ lửng ………………………………… 37 2.3.2.1 Các phương trình ……………………………………… 37 2.3.2.2 Sơ đồ giải số …………………………………………………… 39 2.3.2.3 Điều kiện biên thông số đầu vào ……………………… 40 2.3.2.4 Sơ đồ khối mơ hình ……………………………………… 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ NHẬN XÉT 43 3.1 Áp dụng tính tốn cho vịnh Bình Cang – Nha Trang ………… 43 3.2 Kết nhận xét ……………………………………………… 48 3.3 Kiểm chứng mơ hình …………………………………………… 60 KẾT LUẬN ……………………………………………….……………… 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………… 65 PHỤ LỤC ………………………………………………………………… 68 LỜI NĨI ĐẦU Luận văn hồn thành ngồi nỗ lực làm việc thân có công hướng dẫn giúp đỡ khoa học thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thọ Sáo Tác giả xin gửi lời biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới cán nghiên cứu phòng Vật Lý Biển nói riêng, Viện Hải Dương học Nha Trang – nơi tác giả cơng tác nói chung, giúp đỡ nhiệt tình nguồn số liệu sử dụng, đặc biệt dự án hợp tác nghiên cứu Viện Hải Dương học Nha Trang với trường Đại học Bergen – Nauy (NUFU) mà đứng đầu tiến sĩ Bùi Hồng Long MỞ ĐẦU Vịnh Nha Trang 29 vịnh đẹp giới Ở đây, nghành du lịch phát triển nhanh, đóng góp phần thu nhập cho đời sống người dân vùng Vịnh có cảng biển, với mật độ tàu bè vào liên tục, có vùng quy hoạch ni trồng hải sản Đặc biệt vịnh Bình Cang, mật độ ni trồng hải sản lớn, với nhiều lồi ni có giá trị kinh tế tơm hùm, hàu, sò huyết, ốc hương, cá… Ở vịnh Nha Trang có hai sông đổ sông Cái sông Cửa Bé, vịnh Bình Cang có sơng Dinh Vào mùa lũ, nước sông đổ biển làm nước biển đục lên, ảnh hưởng đến nghành nuôi trồng hải sản, giao thông thủy…Một hệ dễ thấy q trình vận chuyển trầm tích tượng bồi – xói cửa sơng, vùng ven bờ Q trình vận chuyển trầm tích từ cửa sơng biển phụ thuộc nhiều yếu tố: trường thủy động lực (dòng chảy, sóng), đặc tính cấp hạt (đường kính hạt, loại vật liệu kết dính hay khơng kết dính…), nồng độ trầm tích nguồn phát tán (nồng độ cửa sơng) Bản thân dòng chảy lại phụ thuộc vào chế độ thủy triều, điều kiện địa hình chế độ gió mặt Hiện nay, việc mô dự báo tượng vận chuyển trầm tích mơ hình tốn gặp nhiều sai số Trường nồng độ trầm tích mơ sau có trường dòng chảy ổn định thời gian Hai mơ hình xây dựng để mơ tả trường dòng chảy 2D trung bình theo độ sâu trường vận chuyển trầm tích lơ lửng trung bình theo độ sâu Trường dòng chảy mơ mơ hình hồn lưu 2D, sử dụng hệ phương trình nước nơng, có tính đến ma sát mặt gió ma sát đáy Trong trình xây dựng mơ hình tính tốn, tác giả lựa chọn tính tốn hệ số ma sát đáy biến đổi theo độ sâu theo đặc điểm đáy tồn miền tính để nâng cao độ xác mơ hình Dao động mực nước tính từ mơ hình so sánh, đối chiếu với số liệu thực đo để kiểm chứng mơ hình Trường nồng độ trầm tích trung bình theo độ sâu tách riêng khỏi tầng vận chuyển đáy (tầng biên đáy) Các cơng thức, phương trình dùng mơ hình vận chuyển đáy lựa chọn cho phù hợp với đặc tính trầm tích đáy vùng nghiên cứu (chủ yếu bùn trung bùn thô) Mô hình vận chuyển trầm tích lơ lửng trung bình theo độ sâu xây dựng áp dụng mô vận chuyển trầm tích lơ lửng từ hai cửa sơng Dinh sơng Cái biển Trong mơ hình lựa chọn phương pháp số thích hợp để giải phương trình truyền tải - khuyếch tán hai chiều theo phương ngang, chọn lựa hệ số khuyếch tán phù hợp cho mơ hình để tăng độ ổn định số độ xác Kết mơ thấy rõ biến đổi theo không gian thời gian nồng độ, hướng vận chuyển trầm tích lơ lửng Vận chuyển trầm tích bao gồm vận chuyển dòng chảy, sóng Các nghiên cứu trước cho thấy, vận chuyển sóng có ý nghĩa giải ven bờ, độ sâu thường nhỏ Ở vùng nước phía ngồi, vận chuyển dòng chảy chiếm ưu Hơn nữa, điều kiện địa hình khu vực nghiên cứu mà sóng trường gió mùa điển Đơng Bắc Tây Nam truyền vào vùng khơng mạnh mang đầy đủ tính chất ngồi biển truyền vào vùng biển hở khác Do đó, đặt vấn đề nghiên cứu vận chuyển trầm tích từ cửa sơng ngồi cửa vịnh, xác định nồng độ trầm tích, vị trí tập trung nồng độ cao thời gian tồn dòng chảy gây ra, từ giúp nhà quản lý, đặc biệt nuôi trồng quy hoạch đánh giá mức độ ảnh hưởng đến vùng nuôi CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu vận chuyển trầm tích quan tâm nhiều thập kỷ qua tầm quan trọng vấn đề q trình sinh thái, sinh địa hóa biến đổi địa hình Ngồi ý nghĩa to lớn mặt khoa học, nghiên cứu vận chuyển trầm tích hữu ích hoạt động kinh tế biển Kết q trình vận chuyển trầm tích thời gian biến đổi địa hình đáy Đánh giá lượng biến đổi giúp tiết kiệm tiền của, vật chất thiết kế, xây dựng sử dụng cơng trình biển (cầu tàu, cảng, kè, đập, luồng lạch…) Nếu phần tử trầm tích vận chuyển chất ô nhiễm rõ ràng việc ước lượng dự báo xác lượng trầm tích vận chuyển từ cửa sơng có ý nghĩa quan trọng quản lý chất lượng môi trường nước phục vụ cho phát triển ngành nuôi trồng thủy hải sản vùng cửa sông ven bờ, mà gần vùng quy hoạch nuôi trồng tập trung ở vịnh kín Vận chuyển trầm tích vấn đề phức tạp Thứ trình vật lý liên quan đến (dòng chảy, sóng, thủy triều), đặc tính trầm tích (cỡ hạt, thành phần trầm tích, cấu tạo trầm tích, đặc điểm liên quan đến tính kết dính…), quy mơ vấn đề (vận chuyển sông, lạch; vận chuyển vùng cửa sông; vận chuyển vùng ven bờ; vận chuyển vùng có cơng trình thủy…) Mặc dù nghiên cứu từ lâu ngày cải tiến, phát triển, chưa có phương pháp chuẩn hay mơ hình chuẩn để bao quát quy mô để nghiên cứu chi tiết xác vấn đề Tuy nhiên, có nghiên cứu lý thuyết với giá trị áp dụng ngày cơng trình Leo C van Rijn (1984, 1987, 1992, 1993), Krone Partheniades (1962, 1968), E.W Bijker (1967, 1971), H.A Einstein (1950), J.W Vander Meer (1990), Richard Soulsby (1997)… Mỗi tác giả, mô hình hay dự án nghiên cứu vận chuyển trầm tích lại đưa phương pháp riêng hay (hoặc vài) hệ số thực nghiệm riêng xuất phát từ thí nghiệm tác giả Để nghiên cứu vấn đề này, cần phải lựa chọn số hệ số thực nghiệm cần đo đạc khảo sát phức tạp Để giải tốn vận chuyển trầm tích, trước hết cần phải nắm vững trình vật lý vùng nghiên cứu Điều kiện dòng chảy sóng hai tham số đầu vào quan trọng mô hình vận chuyển trầm tích vấn đề phức tạp, nhà khoa học, viện nghiên cứu quan tâm, phát triển để đưa kết dự báo tốt hơn, có mơ hình thủy động lực có quyền thương mại thừa nhận rộng rãi (HYDRO2D, ADCIRC, MIKE, DELFT 3D, SMS, WMS, STWAVE, RCPWAVE…) Rất nhiều nhà nghiên cứu bảo vệ thành công đề tài nghiên cứu sử dụng mơ hình Sự phức tạp trình vật lý phụ thuộc vào vùng nghiên cứu, quy mô vấn đề, ảnh hưởng cơng trình bờ, ảnh hưởng nhân sinh Ở vùng cửa sơng có ảnh hưởng triều mạnh, với địa hình phức tạp trình vật lý phức tạp Sự phân tầng, xáo trộn nước phụ thuộc mạnh vào pha triều lưu lượng nước từ sông cần phải đo đạc, nghiên cứu chi tiết có ý nghĩa giải tốn vận chuyển trầm tích Những nghiên cứu vận chuyển trầm tích có từ lâu, từ hiểu biết trình vật lý đặc điểm học trầm tích chưa thật đầy đủ Khi đó, để tính lượng trầm tích vận chuyển, người ta chủ yếu dựa vào đo đạc thực tế trầm tích Người ta tiến hành đo trầm tích hai mặt cắt vùng nghiên cứu thời gian định, sau phân tích thơng lượng trầm tích vào từ hai mặt cắt Dựa vào phân tích để đánh giá lượng bồi tụ (xói lở) vùng nghiên cứu Phương pháp tồn đến tính thực tiễn Tuy nhiên, để giải vấn đề cách chi tiết cần phải nhiều thời gian, nhân lực kinh phí Mức độ xác phụ thuộc nhiều vào thiết bị đo đạc phương pháp tiến hành Thường số liệu không thực đồng lẽ đo đạc, yếu tố vật lý dòng chảy, sóng, thủy triều, nhiệt độ, độ mặn… liên tục biến đổi dẫn đến vận chuyển trầm tích ln ln biến đổi Ngày nay, cơng cụ tính tốn phát triển mạnh, với hiểu biết toàn diện trình vật lý đặc điểm trầm tích mở hướng nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn vào khoa học thực tiễn Các mơ hình tốn giúp nhiều nhân lực kinh phí khảo sát mà cho ta mơ phỏng, dự báo trình, kể trường hợp thời tiết đặc biệt (bão, lũ lụt…) điều kiện địa hình phức tạp (có cơng trình biển…) Tất nhiên, cần phải có số liệu thực đo có chất lượng dùng làm đầu vào, điều kiện biên kiểm chứng mơ hình Có thể nói, mức độ xác mơ hình, ngồi thân phương pháp sử dụng mơ hình hóa, cách giải tốn, phụ thuộc nhiều vào chất lượng số liệu thực đo Ngoài ra, việc lựa chọn mơ hình tính phụ thuộc vào kiểu quy mô vấn đề Trong môi trường tự nhiên xáo trộn mạnh, trình nhân sinh (xây dựng kè, cầu cảng, đập, nuôi trồng thủy hải sản…), biến đổi hình thái phức tạp Các mơ hình tốn ngày dự báo biến đổi xác Theo Leo C van Rijn (1993) để nghiên cứu biến đổi hình thái phải qua ba giai đoạn: 1) Phân tích số liệu tồn (dòng chảy, sóng, thành phần vật chất, cấp hạt, địa hình đáy); 2) Mơ hình hóa trường dòng chảy trường sóng để xác định điều kiện thủy lực dự báo chúng cho vùng nghiên cứu; 3) Mơ hình hóa q trình vận chuyển trầm tích biến đổi hình thái dùng trường dòng chảy, sóng từ mơ hình dòng chảy, sóng làm đầu vào Tác giả chia hai kiểu mơ hình hình thái mơ hình vận chuyển trầm tích hay mơ hình ban đầu (sẽ tính tỷ lệ trầm tích vận chuyển biến đổi đáy thời gian ngắn, kết dùng cho dự báo ngắn hạn) mơ hình hình thái động lực (tính dòng chảy, sóng, tỷ lệ vận chuyển trầm tích, biến đổi đáy trả lại cho ta trường dòng chảy, sóng, địa hình đáy thời gian đó; để dự báo cho thời gian tiếp theo, phải cập nhật lại trường vật lý địa hình đáy vào mơ hình; thế, mơ hình dùng để dự báo hạn dài) Như vậy, xét theo quy mơ thời gian, việc mơ hình hóa q trình vận chuyển trầm tích dạng mơ trình thời hạn ngắn (thường cỡ chu kỳ triều) hay dạng trung (chu kỳ tháng, mùa) thời hạn dài nhiều năm Các mô hình dùng để dự báo thời hạn dài số liệu cần cho mơ hình nhiều Với mơ hình dự báo thời hạn dài, cần phải có số liệu trung bình nhiều năm phân bố xác suất nhiều năm yếu tố vật lý (sóng, dòng chảy, thủy triều, gió, nhiệt độ, độ mặn) đặc điểm trầm tích (cấp hạt, thành phần hạt, nồng độ) Các mơ hình dự báo vận chuyển trầm tích dài hạn gọi mơ hình hình thái động lực Các mơ hình động lực thừa nhận dùng để mơ q trình hay dự báo dài hạn DELFT 3D, MIKE, SMS, TELEMAC Khi xem xét theo quy mô không gian, tùy theo phức tạp tầm quan trọng vấn đề khu vực nghiên cứu, dùng mơ hình 1D (một chiều), 2DV (hai chiều, chiều ngang chiều thẳng đứng), 2DH (hai chiều ngang, tính trung bình theo độ sâu) 3D (3 chiều) Mơ hình 1D thường dùng nghiên cứu vận chuyển trầm tích sơng, lạch mà đó, biến đổi ngang sơng yếu tố vật lý không đáng kể, bước lưới tính đại diện cho mặt cắt ngang sơng Đây mơ hình đơn giản, có ý nghĩa định, chẳng hạn cần kiểm tra mơ hình phức tạp mặt tốn học hay mặt vật lý có hay khơng trường hợp 1D Mơ hình 2DV dùng để nghiên cứu sông, lạch vùng cửa sơng mà đó, có biến đổi ngang sông yếu tố vật lý trầm tích, yếu tố lại biến đổi đáng kể theo độ sâu Đối với sông có phân tầng nước trầm tích, áp dụng mơ hình Mơ hình 2DH dùng để mơ dự báo q trình vận chuyển trầm tích vùng có biến đổi theo phương ngang lớn Nhưng để có tranh mô dự báo chi tiết, nên sử dụng mơ hình 3D, đặc biệt vùng có xáo trộn mạnh nước trầm tích, vùng có địa hình phức tạp Thơng thường cửa sơng vùng lân cân có dòng triều mạnh, biên độ triều lớn, lưu lượng nước sơng trầm tích đổ lớn, vùng địa hình bị chia cắt, có bãi ngầm, cơng trình thủy… Mơ hình sử dụng phức tạp số liệu đầu vào số liệu kiểm chứng mơ hình nhiều, chi tiết Sự phức tạp vấn đề việc lựa chọn mô hình tính phụ thuộc nhiều vào đặc tính trầm tích Một đặc điểm quan trầm tính kết dính Theo quan điểm vật lý kỹ thuật biển, trầm tích có cỡ hạt nhỏ 0.063 mm trầm tích kết dính (đó sét bùn), cỡ hạt lớn trầm tích khơng kết dính (trầm tích thơ, chủ yếu cát, sỏi nhỏ) Cỡ hạt nhỏ tính kết dính tăng [25] Theo Leo C van Rijn (1993), Richard Soulsby (1997), cỡ hạt nhỏ, lực trọng trường hạt nhỏ lực điện hóa hạt, dẫn đến hạt có xu hướng dính lại với mật độ cao tạo thành tập hợp với trọng lượng kích thước hạt mới, đạt đến trọng lượng định, chúng lắng xuống, kết lại Sự hợp thành cấu trúc khơng theo quy luật tuyến tính tốn học, vậy, việc mơ mơ hình phức tạp Một số mơ hình phát triển gần có giải vấn đề tính kết dính trầm tích Tuy nhiên, có lựa chọn sử dụng, trầm tích có kết dính hay khơng, chưa giải đồng thời lúc cho trầm tích kết dính khơng kết dính vùng nghiên cứu TELEMAC mơ hình thủy lực áp dụng cho vùng cửa sông vùng biển ven bờ TELEMAC dùng lưới tính theo phần tử hữu hạn, có modun riêng để tạo lưới, mơ q trình 2D 3D Đây mơ hình phát triển phòng thí nghiệm thủy lực quốc gia EDF-DER (Chatou, Paris), thuộc Electricite de France’s Research and Development Division Mơ hình dùng để khảo sát dự báo vận chuyển trầm tích nhiều nước Jordan, Egypt, Lebanon, Tunisia, Turkey Sau chạy modun mơ dòng chảy, sóng, chuyển sang thực modun tính vận chuyển trầm tích TELEMAC mơ dòng chảy 2D theo hệ phương trình nước nơng, có tính đến ảnh hưởng phi tuyến, ma sát mặt, ma sát đáy, nhớt rối Nhớt rối tính theo phương pháp k-ε Mơ đun sóng mơ q trình truyền sóng theo phương trình Boussinesq Modun vận chuyển trầm tích thực dạng 2D, bao gồm vận chuyển lơ lửng vận chuyển di đáy, ngồi kết hợp với phần quản lý chất lượng nước Mơ hình tính cho trầm tích kết dính khơng kết dính, khơng đồng thời mô 10 Sông Dinh 12.45 12.4 12.35 12.3 NHA TRANG Sơng Cái 12.25 30 cm/s 55 cm/s Hòn Tre 90 cm/s 12.2 109.2 109.25 109.3 Hình 11 Trường dòng chảy 2D từ kết mơ hình lúc triều xuống (5 3/12/2008) vịnh Bình Cang – Nha Trang 54 12.42 S ô ng D inh 12.44 12.4 12.38 12.36 12.34 12.32 12.3 12.28 NHA TRANG 0.1 Sơng Cái kg/m3 12.26 12.24 12.22 Hòn Tre 12.2 109.16 109.18 109.2 109.22 109.24 109.26 109.28 109.3 109.32 Hình 12 Trường nồng độ trầm tích lơ lửng (kg/m3) 2D từ kết mơ hình lúc chân triều (9 2/12/2008) vịnh Bình Cang – Nha Trang 55 Khi thủy triều lên, dòng chảy vào chưa mạnh (trừ cửa phía nam) nên trầm tích lơ lửng khuyếch tán tồn vùng, mà nồng độ trầm tích lơ lửng tương đối nhỏ phân bố tồn vùng tính (hình 13) Cũng qua hình này, trầm tích từ cửa sơng Cái khuyếch tán cửa phía nam dòng dọc bờ dòng chảy hướng cửa phía nam Nồng độ trầm tích sát bờ lớn, tương đương nồng độ cửa sông Cái Nhưng dòng chảy vào vịnh mạnh lên, xốy nước phía đỉnh vịnh Bình Cang mạnh lên, làm cho trầm tích từ cửa sơng Dinh bị dòng nước “quẩn” lại, dẫn tới nồng độ tăng dần lên (xem minh họa phần phụ lục) Khi thủy triều tiếp tục dâng cao đến đỉnh triều nồng độ trầm tích xốy nước đỉnh vịnh Bình Cang “quẩn” (như nêu trên) lại tăng dần lên, có lúc lớn khoảng lần nồng độ trầm tích sơng Dinh tải Dòng trầm tích sơng Cái tải có hướng cửa phía nam chủ yếu vận chuyển sát bờ phía tây Đây kết hệ dòng dọc bờ nam vịnh Bình Cang chảy cửa, kết hợp với dòng chảy sông Cái chảy dọc bờ tây vịnh Nha Trang cửa phía nam (hình 14) Ta thấy, dòng trầm tích lơ lửng từ cửa sơng Cái biển khơng trùng với hệ dòng chảy cực đại chảy từ vịnh Nha Trang cửa phía nam, mà nằm rìa phía tây hệ dòng chảy Liệu đặc điểm phần bình lưu phương trình (33) mơ hình việc chọn hệ số khuyếch tán ẩn theo (34) Nhưng kết mô cho thấy rõ “front trầm tích” chắn kết mơ mà trầm tích bị hòa lỗng khuyếch tán hướng Còn triều xuống, dòng vận chuyển trầm tích gần tuân theo hướng tốc độ chuyển động dòng nước Lúc này, lượng trầm tích có nồng độ cao “quẩn” lại dòng chảy đỉnh vịnh Bình Cang (như nêu trên) truyền tải khuyếch tán cửa vịnh Bình Cang nhanh Dòng trầm tích lơ lửng từ cửa sơng Cái đổ vận chuyển theo hướng dòng chảy từ sơng phía cửa phía đơng vịnh Nha Trang, dòng chảy khơng đủ mạnh để mang trầm tích biển theo cửa phía đơng (hình 15) 56 12.42 Sơng Dinh 12.44 12.4 12.38 12.36 12.34 12.32 12.3 12.28 NHA TRANG 0.01 Sơng Cái kg/m3 12.26 12.24 12.22 Hòn Tre 12.2 109.16 109.18 109.2 109.22 109.24 109.26 109.28 109.3 109.32 Hình 13 Trường nồng độ trầm tích lơ lửng (kg/m3) 2D từ kết mơ hình lúc triều lên (15 2/12/2008) vịnh Bình Cang – Nha Trang 57 12.42 Sông Dinh 12.44 12.4 12.38 12.36 12.34 12.32 12.3 12.28 NHA TRANG 0.01 Sông Cái kg/m3 12.26 12.24 12.22 Hòn Tre 12.2 109.16 109.18 109.2 109.22 109.24 109.26 109.28 109.3 109.32 Hình 14 Trường nồng độ trầm tích lơ lửng (kg/m3) 2D từ kết mơ hình lúc đỉnh triều (23 2/12/2008) vịnh Bình Cang – Nha Trang 58 12.42 Sơng Dinh 12.44 12.4 12.38 12.36 12.34 12.32 12.3 12.28 NHA TRANG 0.01 Sông Cái kg/m3 12.26 12.24 12.22 Hòn Tre 12.2 109.16 109.18 109.2 109.22 109.24 109.26 109.28 109.3 109.32 Hình 15 Trường nồng độ trầm tích lơ lửng(kg/m3) 2D từ kết mơ hình lúc triều lên (5 3/12/2008) vịnh Bình Cang – Nha Trang 59 Trường dòng chảy trường nồng độ trầm tích thay đổi hướng độ lớn thủy thiều thay đổi Sau pha triều, trầm tích lơ lửng sơng tải phần lắng xuống đáy, phần khuyếch tán khỏi vịnh theo cửa phía nam Như là, trường dòng chảy theo mơ hình mơ thể rõ biến đổi theo biến đổi triều dao thoa dòng triều dòng sơng Vào thời điểm thủy triều lên, chưa lớn (từ 14 – 17 giờ), thấy tồn front dòng chảy vịnh Bình Cang (ngang Hòn Thị) Hai bên front này, dòng chảy tạo thành xốy cục Chính xốy cục làm cho trầm tích lơ lửng tích tụ lại làm tăng nồng độ lên, thủy triều rút, hầu hết trầm tích truyền tải khuyếch tán nhanh Ta thấy, hệ dòng chảy có tốc độ lớn thay đổi hướng theo pha triều vùng nghiên cứu cửa phía nam vịnh Nha Trang Khi triều lên, dòng chảy có hướng từ phía nam lên hướng ngược lại triều xuống Dòng vận chuyển trầm tích lơ lửng có nồng độ lớn khơng hẳn trùng dòng chảy có tốc độ lớn Các kết cho thấy rõ front trầm tích lơ lửng Nguồn trầm tích lơ lửng từ sông tải chủ yếu vận chuyển khỏi vùng nghiên cứu cửa phía nam lúc triều lên, phần chìm lắng xuống đáy Kết phù hợp mặt quy luật với kết nghiên cứu mô tả [6] Để thấy rõ đặc điểm vừa nêu trên, tham khảo thêm kết khác phần phụ lục, trình bày kết từ ngày 2/12 đến ngày 4/12, với kết minh họa 3.3 Kiểm chứng mơ hình Kết dao động mực nước tính tốn từ mơ hình dòng chảy 2D đem so sánh với số liệu mực nước thực đo trạm Cầu Đá – Nha Trang để kiểm tra mức độ hợp lý mơ hình Dao động mực nước tính tốn từ mơ hình vài điểm khác (đỉnh Vịnh Bình Cang, Mũi Thị) so sánh với mực nước thực đo trạm mực nước (hình 16a 16b) 60 Trên hình 16a, dao động mực nước trạm Cầu Đá điểm tính tốn (điểm phía Tây Bắc Hòn Tre, cách trạm Cầu Đá km theo đường chim bay phía Đơng) từ mơ hình dòng chảy mà hình vẽ thể đường HT phù hợp Sai số tương đối cực đại biên độ 22.3 cm, xảy lúc triều lên (15 giờ) Sai số pha không đáng kể (nhỏ giờ) Trên hình 16b dao động mực nước tính tốn đỉnh vịnh Bình Cang (CuaDinh_Model), Mũi Thị (Mui Thi_Model), Bắc Hòn Tre (HT_Model) mực nước thực đo trạm mực nước Cầu Đá – Nha Trang (Tram Cau Da) Chúng ta thấy tương đối phù hợp mực nước tính tốn mực nước thực đo Về pha, mực nước tính tốn ngày có biên độ triều cao sớm pha mực nước thực đo (nhỏ giờ) Về biên độ thấy có ngày, sai số tương đối lớn (37.2 cm), tập trung vào lúc triều ròng vào ngày triều có tính chất bán nhật Trên thực tế cho thấy, mực nước thực đo trạm Cầu Đá bao gồm nhiều thành phần thủy triều khác mà mô hình chưa tính đến, đáng kể thành phần triều P1 (có biên độ khoảng 11 cm) Ngồi ra, mực nước thực đo có mực nước dâng gió, sóng… Do mà kết mơ chấp nhận Do khơng có chuỗi số liệu nồng độ trầm tích độc lập nên chưa thể kiểm tra mức độ phù hợp mô hình vận chuyển trầm tích lơ lửng Tuy nhiên, kết cho thấy, tương đối phù hợp với trường dòng chảy mơ 61 2.5 Dao động mực nước (m) Tram Cau Da HT_Model 2.0 1.5 1.0 Thời gian (giờ) 0.5 3h 5h 3/12 7h 9h 11h 13h 15h 17h 19h 21h 23h 1h 3h 4/12 Hình 16a So sánh dao động mực nước thực đo tính tốn mơ hình từ 3/12/2008 đến 4/12/2008 2.5 1.5 0.5 HT_model Tram Cau Da Mui Thi_Model CuaDinh_Model Thời gian 0h 15/12 0h 14/12 0h 13/12 0h 12/12 0h 11/12 0h 10/12 0h 9/12 0h 8/12 0h 7/12 0h 6/12 0h 5/12 0h 4/12 0h 3/12 3h 2/12 Dao động mực nước (m) Hình 16b So sánh dao động mực nước thực đo tính tốn mơ hình cho 12 ngày từ 2/12/2008 đến 12 15/12/2008 62 KẾT LUẬN Mơ hình dòng chảy 2D tác giả xây dựng áp dụng để mơ trường dòng chảy trung bình theo độ sâu vịnh bán kín, chịu ảnh hưởng triều tác động từ sông với điều kiện nguồn số liệu biên phải có độ xác cao tương đối đồng thời gian Kết cho thấy, việc áp dụng hệ phương trình nước nơng phi tuyến có tính đến tất yếu tố mơ tốt cho trường dòng chảy 2D vũng vịnh vùng cửa sông ven bờ Hệ phương trình mơ tốt đưa tham số ma sát vào cách hợp lý Đối với thành phần ma sát đáy, cách đưa vào chấp nhận thực mơ hình cho thành phần hàm phụ thuộc vào độ sâu hệ số Chezy (chính phụ thuộc vào đường kính cỡ hạt đáy) Việc chọn lựa sơ đồ để giải phương trình truyền tải – khuyếch tán mơi trường chất lỏng quan trọng Nếu sơ đồ phương pháp giải khơng thích hợp dễ dẫn đến mơ hình khơng ổn định giá trị nồng độ trầm tích thu mang giá trị âm Một sơ đồ sử dụng tốt trường hợp sơ đồ dùng mơ hình nêu (sơ đồ Smolarkiewicz, 1983) Mơ hình bước đầu mơ q trình vận chuyển trầm tích lơ lửng (nồng độ, hướng vận chuyển) phù hợp (ít mặt xu thế) Các kết cho thấy, nồng độ trầm tích lơ lửng tạo thành “vệt” rõ rệt front Trong mùa đơng, trầm tích từ cửa sơng chủ yếu vận chuyển khỏi vịnh cửa phía nam vịnh, phần lắng xuống đáy Vị trí có nồng độ trầm tích lơ lửng lớn thường liên quan đến xốy nước cục làm tích lũy nồng độ trầm tích (và) liên quan đến hệ dòng chảy mạnh làm sinh front trầm tích lơ lửng (và) liên quan đến hệ dòng chảy từ sơng Kết dùng để tham khảo nghiên cứu biến đổi địa hình, quy hoạch vùng nuôi trồng thủy hải sản hàng hải 63 Với kết đạt trên, số thiếu sót, sản phẩm nghiên cứu ban đầu để tác giả tiếp tục hiệu chỉnh để nâng cao độ xác nữa, mở rộng để áp dụng mô trường chiều 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Báo cáo tổng kết chương trình điều tra nghiên cứu cấp Nhà nước giai đoạn 1977 – 2000 (2001), tập IV, chương trình biển KT.03 (1991 – 1995), NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Biển Đông (2003), tập II, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Bùi Hồng Long (2004), “Một số kết khảo sát, nghiên cứu tượng xói lở bồi tụ khu vực ven biển Bình Thuận”, Tuyển tập nghiên cứu biển, tập XIV, NXB KHKT Phùng Đăng Hiếu (2001), “Mơ hình tốn hai chiều mơ trường dòng chảy mực nước vịnh Kỳ Hà, Quảng Nam”, Tuyển tập báo cáo khoa học, hội nghị khoa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên lần thứ 2, chuyên nghành Khí tượng – Thủy Văn – Hải dương học, Hà Nội Trần Gia Lịch, Phạm Thành Nam, Phan Ngọc Vinh (2001), “Phương pháp sai phân giải toán truyền tải – khuyếch tán hai chiều toán liên hợp với nó”, ”, Tuyển tập báo cáo khoa học, hội nghị khoa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên lần thứ 2, chuyên nghành Khí tượng – Thủy Văn – Hải dương học, Hà Nội Tống Phước Hoàng Sơn, Lê Phước Trình, Nguyễn Bá Xuân, Phan Quảng (1997), “Bước đầu thử nghiệm mơ hình WATANABE tính tốn vận chuyển bồi tích biến đổi địa hình khu vực ven bờ vịnh Nha Trang”, Đề tài cấp sở phòng Vật Lý Biển, Viện Hải Dương Học Nha Trang Nguyễn Hữu Sửu (1997), “Điều tra đánh giá trạng địa chất môi trường vùng đỉnh đầm Nha Phu, tỉnh Khánh Hòa”, Đề tài cấp sở phòng Địa Chất Biển, Viện Hải Dương Học Nha Trang Trần Quang Tiến (2003), Phát triển ứng dụng phương pháp tính dòng vận chuyển trầm tích biến đổi đường bờ, Luận án Tiến sĩ, Viện Khí Tượng Thủy Văn Việt Nam, Hà Nội 65 Lê Phước Trình, Phạm Bá Trung, Nguyễn Hữu Sửu (2003), “Những Đặc trưng xói lở - bồi tụ vùng cửa Đại (Hội An) qua hai năm 1999 - 2001”, Tuyển tập nghiên cứu biển, tập XIII, NXB KHKT 10 Nguyễn Kim Vinh (1997), “Xây dựng sở liệu, tính tốn thơng số KT-TV-động lực phục vụ thiết kế khai thác vùng ven biển Khánh Hòa ”, Đề tài cấp sở, phòng Vật Lý Biển, Viện Hải dương học Nha Trang 11 Nguyễn Thọ Sáo biên dịch (2007), Mơ hình số thủy động lực Tập 1, 2, , Hà Nội 12 Andreas Malcherek (2000), Application of TELEMAC-2D in a narrow estuarine tributary, Research Engineer, Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW), Coastal Department, Wedeler Landstr, Hamburg, Germany 13 Benoid Camenen, Magnus Larson (2005), “A general formula for noncohesive bed load sediment transport”, Estuarine, coastal and shelf science 63, Elsevier, pp 249 – 260 14 Christopher G Koutitas (1988), Mathematical Models in coastal engineering, Pentech Press, London 15 F Mesinger and A Arakawa (1976), Numerical methds used in atmospheric models, Volume 1, Garp Publications series No 17 16 Jan Haff, Wolfram Lemke, Karl Stattegger (1999), Computerized Modeling of Sedimentary Systems, Springer Publication 17 Jan S Ribberink (1998), “Bed load transport for steady flows unsteady oscillatory flows”, Coastal Engineering 34, pp 59-82 18 Jie Zeng, George Constantinescu and Larry Weber (2000), Validation of a Computational Model to Predict Suspended and Bed load Sediment Transport and Equilibrium bed morphology in open channels, Civil & Evironmental 66 Engineering Department, IIHR – Hydroscience and Engineering, the University of Iowa, Iowa City 19 Jorge D Abad, Gustavo C Buscaglia and Marcelo H Garcia (2007), 2D Stream Hydrodynamic, Sediment Transport and Bed Morphology Model for EngineeringApplications, Published online in Wiley InterScience 20 Kiyoshi Horikawa (1987), Nearshore dynamics and coastal processes, University of Tokyo Press 21 Leo C VanRijn (1993), Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas, AQUA Publications 22 Richard Soulsby (1997), Dynamics of marine sands, A manual for practical applications, Thomas Telford Publications 23 Maren D.S Van, P Hoekstra (2005), “Dispersal of suspended sediments in turbid and highly stratified Red River Plume”, Elseiver 24 Zhou liu (2001), Sediment transport, Laboratory for hydraulic of Havnebygning, Institute for Vand, Jord og Miljoteknik Aalborg Univesity 25 U.S Army Corps of Engineers (2002), Coastal Engineering Manual, EM 1110-2-1100, Part III 67 PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TỪ MƠ HÌNH DỊNG CHẢY 2D VÀ MƠ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG 2D CHO VỊNH BÌNH CANG – NHA TRANG TỪ GIỜ 2/12 – GIỜ 4/12/200 68