Bài viết trình bày việc sử dụng mô hình Delft3D để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trong điều kiện có bão, qua đó có thể xem xét và đánh giá một cách chi tiết và đầy đủ hơn bản chất của các quá trình liên quan đến vận chuyển bùn cát, xói lở bờ biển.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển; Tập 16, Số 4; 2016: 381-386 DOI: 10.15625/1859-3097/16/4/9037 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ĐIỀU KIỆN BÃO ĐẾN ĐẶC ĐIỂM VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÙNG CỬA SÔNG VEN BỜ SÔNG MÊ KÔNG Lê Đức Cường* , Trần Anh Tú Viện Tài nguyên Môi trường biển-Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam * E-mail: cuongld@imer.ac.vn Ngày nhận bài: 17-11-2015 TĨM TẮT: Trong nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng mơ hình Delft3D để mơ q trình vận chuyển bùn cát điều kiện có bão, qua xem xét đánh giá cách chi tiết đầy đủ chất trình liên quan đến vận chuyển bùn cát, xói lở bờ biển Bài báo phần kết nghiên cứu Nhiệm vụ hợp tác quốc tế khoa học công nghệ theo Nghị định thư Việt Nam-Hoa Kỳ “Tương tác q trình động lực Biển Đơng nước sông Mê Kông” (2013 - 2015) Kết nghiên cứu cho thấy, ảnh hưởng yếu tố thủy động lực, tác động điều kiện sóng bão: gió đạt cấp - 7, xảy trình vận chuyển bùn cát chủ yếu tập trung đới độ sâu m trở vào phía bờ, vùng mở rộng phía ngồi đới độ sâu m gió đạt cấp - Trong lớp nước tầng mặt, hàm lượng bùn cát có giá trị trung bình khoảng 0,03 - 0,04 kg/m3 Ở lớp nước tầng đáy, hàm lượng bùn cát cực đại đạt 0,4 0,5 kg/m3 (khi gió đạt cấp - 9), phạm vi xảy trình vận chuyển bùn cát chủ yếu đới độ sâu m trở vào phía bờ Từ khóa: Delft3D, Mê Kơng, bão, sóng, vận chyển bùn cát MỞ ĐẦU Vùng biển ven bờ sông Mê Kông khu vực có hoạt động kinh tế sơi động đa dạng, khu vực có đường bờ biến đổi phức tạp, có tương tác mạnh mẽ sơng-biển, trường thủy động lực có quy luật đặc trưng riêng Bên cạnh việc nghiên cứu nguồn gốc bùn cát từ cửa sơng, vấn đề kết tủa bùn cát, chuyển động bùn cát tác động sóng, dòng chảy cửa sông đặc biệt ý Hàng năm, nước ta chịu ảnh hưởng từ - 11 bão, 60% bão từ Thái Bình Dương 40% bắt nguồn Biển Đông Các tác động ảnh hưởng biến đổi khí hậu tồn cầu, thiên tai ngày gia tăng, đặc biệt bão kèm theo lũ lụt nước dâng bão Như biết, bão tượng thời tiết nguy hiểm, có ảnh hưởng đến nhiều trình thủy động lực biển đại dương, bão làm cho mực nước tăng Bão gây nên sóng với cường độ mạnh biên độ lớn, khu vực đới ven bờ tác động thể rõ hơn, tác động sóng lên bề mặt đáy gia tăng hình thành nên dòng chảy sinh sóng, có hướng với đường bờ Sự tác động sóng bão gia tăng q trình vận chuyển bùn cát khu vực ven bờ, nguyên nhân quan trọng làm xói lở - bồi tụ, thay đổi hình dạng đường bờ Mực nước cực trị bão tổ hợp mực nước triều, nước dâng bão nước dâng sóng bão, mức độ tác động yếu tố phụ thuộc vào bão, vị trí đường bờ cụ thể thời điểm triều lên triều xuống Tuy nhiên nghiên cứu này, tập trung vào nghiên cứu tác động điều kiện sóng bão đến q trình vận chuyển bùn cát khu vực, qua đánh giá tác động 381 Lê Đức Cường, Trần Anh Tú trình vận chuyển bùn cát cách chi tiết đầy đủ lấy thông tin từ bão dựa thang sức gió Beaufort [6] TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Phương pháp Tài liệu Trong cơng trình sử dụng phương pháp mơ hình Delft3D [7] để tiến hành tính tốn vận chuyển bùn cát thơng qua mơ trường sóng (Delft3D-Wave) kết hợp thủy động lực (Delft3D-Flow), áp dụng kỹ thuật lưới lồng (NESTING) để tiến hành mô Bộ phần mềm chuyên dụng xây dựng phát triển Viện Thủy lực Delft, Hà Lan Phần mềm có khả tính tốn - mơ chiều q trình thủy động lực chất lượng nước vùng cửa sơng ven bờ biển Mơ hình Delft3D tổ hợp nhiều mơ đun tích hợp với nhau: thủy động lực, sóng, lan truyền chất vận chuyển trầm tích, để đưa kết phù hợp với thực tế Hệ phương trình bao gồm phương trình chuyển động, phương trình liên tục phương trình tải-khuếch tán Các phương trình xây dựng hệ toạ độ cong trực giao hệ toạ độ cầu [7] Sử dụng phương pháp đánh giá sai số bình phương trung bình [8] làm tiêu để đánh giá độ xác mơ hình thủy động lực thông qua kiểm chứng mực nước từ kết mơ hình quan trắc Số liệu độ sâu đường bờ vùng ven bờ sông Mê Kơng số hóa từ đồ Cục Đo đạc Bản đồ xuất năm 2005 Độ sâu vùng biển phía ngồi sử dụng từ sở liệu GEBCO-1/8 Đây số liệu địa hình có độ phân dải 0,5 phút xử lý từ ảnh vệ tinh kết hợp với số liệu đo sâu [1] Số liệu gió quan trắc nhiều năm trạm hải văn Côn Đảo Vũng Tàu thu thập xử lý (tần suất đo h/lần) Số liệu mực nước dùng để hiệu chỉnh mơ hình kết đo đạc mực nước (1 h/lần) Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia Các số điều hòa thủy triều biên phía ngồi khơi trích xuất từ sở liệu FES2004 [2] Số liệu nhiệt độ độ muối nước biển vùng cửa sông ven bờ sông Mê Kông vùng biển phía ngồi thu thập từ kết nghiên cứu liên quan khu vực Số liệu nhiệt độ độ muối nước biển vùng biển xa bờ thu thập từ sở liệu WOA13 [3] với độ phân giải 0,25 độ Số liệu dòng chảy hàm lượng trầm tích lơ lửng đo đạc số vị trí khảo sát khu vực nghiên cứu nhiệm vụ hợp tác quốc tế: “Tương tác trình động lực Biển Đông nước sông Mê Kông” thu thập xử lý để phục vụ hiệu chỉnh kiểm chứng độ tin cậy mơ hình thủy động lực [4] Lưu lượng nước sông đo đạc mùa cạn mùa lũ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia trạm thủy văn Cần Thơ Mỹ Thuận năm gần thu thập, xử lý làm liệu đầu vào biên mở sơng mơ hình Trong nghiên cứu này, tham khảo thông tin bão Durian (năm 2006) [5], để áp dụng tính tốn thủy động lực Do đặc điểm bão vùng Biển Đông hồn lưu xốy nghịch, nên hướng gió sử dụng với hướng đơng đơng bắc, tốc độ gió 382 TRIỂN KHAI MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRƯỜNG DỊNG CHẢY Thiết lập miền tính Phạm vi tính tốn vùng phía ngồi: Giới hạn từ 103,1250 đến 109,250 kinh độ đông 6,50 đến 11,750 vĩ độ bắc (670 × 580 km), với M × N = 244 × 244 điểm lưới, độ dài bước lưới nhỏ vùng ven bờ 2,75 × 2,25 km vùng phía ngồi khơi 2,85 × 2,35 km Phạm vi tính tốn vùng cửa sơng ven bờ hệ thống sơng Mê Kơng: Vùng phía có phạm vi tính tốn từ mũi Cà Mau đến giáp với vùng biển Vũng Tàu, với chiều dài khoảng 340 km theo phương đông bắc - tây nam, phạm vi từ bờ khơi khoảng 240 km Số bước lưới theo phương M × N = 321 × 325, chiều dài bước lưới nhỏ (ở khu vực ven bờ) 250 m vùng phía ngồi khơi 1.200 m (hình 1) Đánh giá tác động điều kiện bão … a b Hình Trường độ sâu (a) lưới tính mơ hình (b) Điều kiện ban đầu điều kiện biên Tại thời điểm ban đầu, vận tốc dòng chảy mực nước lấy giá trị “0” Biên mở phía sơng: gồm lưu lượng nước sơng trung bình qua mặt cắt mùa mưa mùa khô Sử dụng số liệu nhiệt độ, độ muối trung bình mùa từ kết thu thập từ cơng trình nghiên cứu, số liệu khảo sát nhiệm vụ hợp tác Việt-Mỹ: Tương tác q trình động lực Biển Đơng nước sơng Mê Kơng (2013-2015) Biển mở phía biển: Sử dụng sóng triều (O1, K1, Q1, P1, N2, M2, S2, K2) trích xuất từ FES2004 [5] áp dụng cho mơ hình vùng phía ngồi, sau trích xuất mực nước làm đầu vào cho vùng tính phía Sử dụng số liệu nhiệt độ, độ muối trích xuất từ sở liệu WOA Hiệu chỉnh mô hình Hình So sánh mực tính tốn mực nước quan trắc khu vực ven bờ Sóc Trăng Để đánh giá hiệu chỉnh cho mơ hình thuỷ động lực vùng biển nghiên cứu, sử dụng kết tính tốn mực nước mơ hình so sánh với mực quan trắc (hình 2) Sau lần hiệu chỉnh cuối, kết tính tốn cho thấy sai số bình phương trung bình mực nước quan trắc tính tốn có giá trị nhỏ 0,2 m KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong điều kiện bão đạt cấp 6, trình vận chuyển bùn cát lớp nước tầng mặt chủ yếu từ đới độ sâu m trở vào Trong pha triều lên, hàm lượng bùn cát có giá trị cực đại lớp nước mặt khoảng 0,1 - 0,2 kg/m3 trung bình 0,04 - 0,05 kg/m3,vùng xảy trình vận chuyển bùn cát lớp nước tầng mặt tập trung chủ yếu từ khu vực cửa Trần Đề xuống tới mũi Cà Mau Trong thời kỳ đỉnh triều, hàm lượng bùn cát lớp nước mặt có giá trị nhỏ (cực đại nhỏ 0,03 kg/m3) Trong thời kỳ chân triều, trình vận chuyển bùn cát tầng mặt xảy mạnh nhất, với quy mô lớn so với thời kỳ triều khác, trình vận chuyển bùn cát xảy hầu hết dải dọc ven bờ Vũng Tàu xuống tới mũi Cà Mau, khu vực mũi Cà Mau hàm lượng cực đại thời kỳ vào khoảng 0,3 - 0,4 kg/m3, vùng xảy trình vận chuyển bùn cát chủ yếu đới độ sâu m trở vào phía bờ Khi sức gió đạt cấp - 7, vùng xảy trình vận chuyển bùn cát tầng mặt chủ yếu diễn đới độ sâu m trở vào bờ, gió đạt đến cấp - xu hướng vận chuyển bùn cát mở rộng phía ngồi đới độ sâu m, vùng mở rộng mạnh tập trung 383 Lê Đức Cường, Trần Anh Tú khu vực từ cửa Trần Đề xuống tới mũi Cà Mau, từ khu vực cửa Định An ngược lên tới khu vực cửa sơng Sài Gòn xu diễn với quy mơ nhỏ (hình 3) (a) Vận chuyển bùn cát gió cấp (b) Vận chuyển bùn cát gió cấp (c) Vận chuyển bùn cát gió cấp (d) Vận chuyển bùn cát gió cấp Hình Kết vận chuyển bùn cát tầng mặt (kg/m3) theo cấp bão Một số kết mơ q trình vận chuyển bùn cát tầng đáy thể hình Trong lớp nước tầng đáy ảnh hưởng ma sát đáy, suy giảm tốc độ dòng chảy so với tầng mặt tầng giữa, hàm lượng bùn cát cực đại nước lớn so với tầng tầng mặt, nhiên phạm vi vận chuyển bùn cát nhỏ so với tầng lớn so với tầng mặt Trong thời kỳ triều xuống chân triều, vùng xảy trình vận chuyển bùn cát phần lớn tập trung dải dọc ven bờ từ đới độ sâu m trở vào, với hàm 384 lượng bùn cát nước khoảng 0,04 0,5 kg/m3 gió đạt cấp - 9, khu vực từ đới độ sâu m trở phía ngồi hàm lượng bùn cát cực đại đạt 0,015 kg/m3 (giữa pha triều xuống, gió cấp 8), 0,045 kg/m3 (chân triều, gió cấp 8) Trong thời kỳ triều lên đỉnh triều, phạm vi xảy trình vận chuyển bùn cát chủ yếu diễn đới độ sâu m trở vào phía bờ, hàm lượng bùn cát cực đại nước đạt 0,1 - 0,2 kg/m3 Hàm lượng bùn cát nước thời kỳ triều xuống chân triều lớn so với thời kỳ triều lên đỉnh triều, Đánh giá tác động điều kiện bão … nguyên nhân pha triều xuống trình vận chuyển bùn cát chịu tác động đồng thời dòng chảy sơng, dòng triều tác động sóng (a) Vận chuyển bùn cát gió cấp (b) Vận chuyển bùn cát gió cấp (c) Vận chuyển bùn cát gió cấp (d) Vận chuyển bùn cát gió cấp Hình Kết vận chuyển bùn cát tầng đáy (kg/m3) theo cấp bão KẾT LUẬN Dưới tác động bão, ngồi dòng chảy u tốc động lực gây nên thay đổi mạnh trình vận chuyển bùn cát chế độ sóng mực nước dâng bão Áp lực sóng ma sát đáy làm hạt bùn cát trạng thái tĩnh, kết dính với đáy bị tác động chuyển sang phần tử lơ lửng động tham gia vào q trình vận chuyển bùn Dòng chảy dọc bờ có hướng chủ đạo từ đơng bắc tới tây nam, dòng chảy tăng cường mùa gió Đơng Bắc Do đó, dòng bùn cát có xu hướng dịch chuyển song song với đường bờ theo hướng đông bắc - tây nam Từ kết mô cho thấy, gió đạt cấp - vùng xảy trình vận chuyển bùn cát chủ yếu tập trung đới độ sâu m trở vào phía bờ, vùng mở rộng phía ngồi đới độ sâu m gió đạt cấp - Trong lớp nước tầng mặt, hàm lượng bùn cát nhỏ, hàm lượng trung bình 0,03 - 0,04 kg/m3, đạt giá trị cực đại 0,1 - 0,2 kg/m3 thời kỳ đỉnh triều, 0,3 - 0,4 kg/m3 thời kỳ chân triều, phạm vi xảy trình vận chuyển bùn 385 Lê Đức Cường, Trần Anh Tú cát tầng mặt chủ yếu tập trung khu vực ven bờ từ cửa Trần Đề xuống tới mũi Cà Mau Ở lớp nước tầng đáy, hàm lượng bùn cát cực đại đạt 0,4 - 0,5 kg/m3 (khi gió đạt cấp - 9), phạm vi xảy trình vận chuyển bùn cát chủ yếu đới độ sâu m trở vào phía bờ Lyard, F., Lefevre, F., Letellier, T., and Francis, O., 2006 Modelling the global ocean tides: modern insights from FES2004 Ocean Dynamics, 56(5-6): 394-415 Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm đề tài: “Nghiên cứu phương pháp phân tích, đánh giá giám sát chất lượng nước ven bờ tư liệu viễn thám độ phân giải cao độ phân giải trung bình, đa thời gian; Áp dụng thử nghiệm cho ảnh vệ tinh VNREDSAT-1” Mã số: VT/CB-01/14-15 thuộc chương trình khoa học công nghệ vũ trụ giai đoan 2012-2015; nhiệm vụ hợp tác theo nghị định thư Việt Nam-Hoa Kỳ “Tương tác trình động lực Biển Đông nước sông Mê Kông” giai đoạn 2013-2015, hỗ hợ tài liệu kinh phí để chúng tơi thực nghiên cứu Trần Anh Tú, 2015 Nhiệm vụ Nghị định thư Việt-Hoa Kỳ ‘‘Tương tác q trình động lực Biển Đơng nước sơng Mê Kông’’, 2013-2015 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chai, T., and Draxler, R R., 2014 Root mean square error (RMSE) or mean absolute error (MAE)?–Arguments against avoiding RMSE in the literature Geoscientific Model Development, 7(3): 1247-1250 Jones, M T., Weatherall, P., and Cramer, R N., 2009 User guide to the Centenary Edition of the GEBCO Digital Atlas and its data sets Natural Environment Research Council World Ocean Atlas, National Geophysical Data Center - http://www.ngdc.noaa.gov http://earth.eo.esa.int/; http://www.nasa.gov/ http://www.mt.gov.vn/ WL|Delft Hydraulics, 1999 Delft3DFLOW User Manual Version 3.05, Delft3D - Wave User Manual, Delft3D-Waq User Manual Version 3.01 WL| Delft Hydraulics, Delft, Netherlands, 2010 ASSESSING THE IMPACT OF THE STORM ON SEDIMENT TRANSPORT IN COASTALZONE OF MEKONG RIVER ESTUARY Le Duc Cuong, Tran Anh Tu Institute of Marine Environment and Resources-VAST ABSTRACT: In this study, we applied Delft3D model to simulate the sediment transport features in storm conditions in coastal estuary of Mekong river, by which the detailed processes related to sediment transport, erosion - accretion of shoreline are assessed This paper is a part of the research results of the international cooperation project of protocol Vietnam - United States: “Interaction between hydrodynamic processes in Bien Dong (East Vietnam Sea) and water in Mekong river” (2013 - 2014) The results show that under influences of hydrodynamic factors and wave conditions in storm, when the wind speed is at the level of - 7, sediment transport process is concentrated from zone of m depth toward the coastline, this area will expand outwards from zone of m depth when the wind speed reaches the level of - In surface layer, the average value of sediment concentration is about 0.03 - 0.04 kg/m3 In bottom layer, the maximum value of sediment concentration is about 0.4 - 0.5 kg/m3 (the wind speed is at the level of - 9), and areas of sediment transport are mainly in zone of m depth toward the shoreline Keywords: Delft3D, Mekong, typhoon, wave, sediment transport 386 ... triều, Đánh giá tác động điều kiện bão … nguyên nhân pha triều xuống trình vận chuyển bùn cát chịu tác động đồng thời dòng chảy sơng, dòng triều tác động sóng (a) Vận chuyển bùn cát gió cấp (b) Vận. .. vực cửa sơng Sài Gòn xu diễn với quy mơ nhỏ (hình 3) (a) Vận chuyển bùn cát gió cấp (b) Vận chuyển bùn cát gió cấp (c) Vận chuyển bùn cát gió cấp (d) Vận chuyển bùn cát gió cấp Hình Kết vận chuyển. .. cấp (b) Vận chuyển bùn cát gió cấp (c) Vận chuyển bùn cát gió cấp (d) Vận chuyển bùn cát gió cấp Hình Kết vận chuyển bùn cát tầng đáy (kg/m3) theo cấp bão KẾT LUẬN Dưới tác động bão, ngồi dòng