Nghiên cứu quá trình vận chuyển trầm tích bằng mô hình số trị phục vụ quy hoạch phát triển bền vững cho khu vực cửa sông bạch đằng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ■ ■ ■ TRƯ Ờ NG Đ Ạ I H Ọ C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N NGHIÊN CỨU Q TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH BANG MƠ HÌNH s ố TRỊ PHỤC VỤ QUY HOẠCH PHÁT TRIEN b e n v ữ n g CHO KHU V ự c CỬA SÔNG BẠCH ĐẰNG M ã số: Q G 05.33 Chủ trì: TS N guyễn M inh H uấn Các thành viên tham 2Ỉa: TS P hùng Đ ăng H iếu ThS Lê Thị Thanh NCS Đ ỗ Đ ình Chiến ThS H T hanh Hương HÀ N Ộ I-2 0 BÁO CÁO TÓ M T Ắ T Đ Ể TÀ I T ên đề tà i: Nghiền cứu trình vận chuyển trầm tích mơ hình s ố trị p hục vụ quy hoạch p h t triển bền vững khu vực cửa sông Bạch Đ ằng M ã số: Q G 05.33 Chủ trì đề tài: TS Nguyễn Minh Huấn C ác cán tham gia: TS Phùng Đãng Hiếu ThS Lê Thị Thanh NCS Đỗ Đ ình Chiến ThS H Thanh Hương M ục tiêu nội dung nghiên cứu: M ục tiêu: Có quy trình sử dụng mơ hình số trị, tích hợp cơng nghệ GIS nghiên cứu q trình vận chuyển trầm tích phục vụ hiệu cơng tác quy hoạch phát triển bền vững khu vực Nội d u n g : a Tìm hiểu chế vận chuyển trầm tích khu vực nghiên cứu - Thu thập số liệu khảo sát, nghiên cứu đánh giá đặc trưng thủy tác động lên trình bồi xói - Thu thập số liệu chi tiết trạng địa hình liên quan tới q trình xói lở, bổi tụ - Thu thập số liệu, mẫu kết phân tích thành phần học trầm tích, thành phần khống vật nặng trầm tích làm thị động lực di chuyển bồi tích lắng đọng trầm tích, đánh giá khả bồi tụ, xói lở bờ đáy b Lựa chọn mơ hình mơ trường thủy động lực vùng cửa sông chịu tác động tổng cộng yếu tố như: thủy triều, sóng gió, nước sơng, chế độ khí hậu địa hình - Xác lập thông số đầu vào cho mô hình tính tốn chế độ thủy động lực, - Hiệu chỉnh, kiểm nghiệm, đánh giá kết mô dự báo trường thuỷ động lực khu vực nghiên cứu c Lựa chọn mơ hình vận chuyển bùn cát trọng tới khả mơ q trình vận chuyển trầm tích bở rời kết hợp kết dính - Nghiên cứu vai trị ảnh hưởng q trình lắng chìm - lơ lửng trầm tích kết dính bở rời cán cân trầm tích tổng cộng - Nghiên cứu cấu trúc đáy đối vói trầm tích kết dính ảnh hưởng hiệu ứng cố kết đáy (bed armoring) trầm tích bở rời - Kiểm nghiêm đánh giá kết mô dự báo biến động địa hình đáy khu vực nghiên cứu d ứng dụng mỏ hình lựa chọn tính tốn thử nghiệm cho vùng cửa sơng Bạch Đẳng - Tính tốn thử nghiệm xác lập thơng số phù hợp với mơ hình tính tốn e Phân tích kết quả, đề xuất kiện nghị phục vụ quy hoạch phát triển bền vững cho khu vực cửa sông Bạch Đằng Các kết đạt được: a Đã tìm hiểu chế vận chuyển trầm tích khu vực nghiên cứu thơng qua việc thu thập số liệu khảo sát, nghiên cứu đánh giá đặc trưng thủy văn tác động lên trình bồi xói; thu thập số liệu chi tiết trạng địa hình liên quan tới q trình xói lở, bồi tụ b Đã nghiên cứu tìm hiểu sở lý thuyết mơ hình thủy động lực vận chuyển trầm tích trọng tới vai trị ảnh hưởng trình lăng chìm - lơ lửng trầm tích kết dính bở rời cán cân trầm tích tổng cộng mơ hình cấu trúc đáy trầm tích kết dính ảnh hưởng hiệu ứng cố kết đáy (bed armoring) trầm tích bở rời c Nghiên cứu lựa chọn mơ hình mô trường thủy động lực vùng cửa sông chịu tác động tổng cộng yếu tố như: thủy triều, sóng gió, nước sơng, mơ hình vận chuyển bùn cát trọng tới khả mơ q trình vận chuyển trầm tích kết dính; d Mơ q trình vận chuyển trầm tích khu vực cửa sơng Bạch Đằng bàng mơ hình số trị lựa chọn, xác định thông số mô hình cho khu vực nghiên cứu, xây dựng phương án mô đánh giá kết mô biến động địa hình đáy khu vực nghiên cứu e Đánh giá kết tính tốn mơ đề xuất kiến nghị phục vụ quy hoạch phát triển bền vững cho khu vực cửa sông Bạch Đằng f Gửi đăng 02 báo Tạp chí Khí tượng Thủy văn Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia g Đào tạo 01 thạc sỹ hải dương học Tình hình kinh phí đề tài: Tổng kinh phí cấp: 60.000.000 đồng Đã nhận: 60.000.000 đồng XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA PGS TS Phạm Văn Huấn CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI TS N guyễn M inh Huấn XÁ C NHẬN CỦ A TRƯỜNG MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương TỔNG Q UAN VỀ NGHIÊN c ú u QUÁ TRÌNH VẬN C H U Y ỂN T R Ầ M TÍCH BẰN G PHƯƠNG PH Á P M Ơ H ÌN H TĨAN 1.1 T ình hình nghiên cứu q trình vận chuyển trầm tích th ế giới Việt Nam 1.2 Đ ặc điểm điều kiện khí tượng hải văn, phân phối nước, ịị bùn cát địa hình khu vực nghiên cứu Chương c SỞ LÝ THUYẾT c ủ a m h ìn h th ủ y 27 ĐỘNG Lực VÀ VẬN CHUYỂN TRAM t íc h 2.1 Cơ sỏ lý thuyết m hình thủy động lực 2.2 Cơ sỏ lý thuyết m hình vận chuyển trầm tích 2.2.1 Vai trị ảnh hưởng trình lắng chìm - lơ 27 32 32 lửng trầm tích kết dính bở rời cán cân trầm tích tổng cộng 2.2.2 M hình cấu trúc đáy trầm tích kết dính 39 ảnh hưởng hiệu ứng cố kết đáy (bed arm oring) trầm tích bở rời Chương K Ế T Q U Ả M Ô PH Ỏ N G Q U Á T R ÌN H VẬN 45 CHUYỂN TRẦM TÍCH TẠI KHƯ v ự c CỬA SƠNG BẠCH Đ Ằ N G B Ằ N G M Ô H ÌN H s ố TRỊ 3.1 X ác định thơng số mơ hình cho khu vực nghiên cứu: địa hình vùng cửa sơng Bạch Đ ằng cấc khu vực phụ cận 45 54 3.2 Các phương án m ô 3.3 Đ ánh giá kết biến động địa hình đáy khu vực nghiên cứu đề xuất kiến nghị phục vụ quy hoạch 54 phát triển bền vững cho khu vực cửa sông Bạch Đ ằng K ẾT LUẬN V À K IẾ N N G H Ị 74 TÀI LIỆU T H A M K H Ả O 77 PHỤ LU C MỞ ĐẨU Trong chiến lược khai thác phát triển tiềm kinh tế biển Đảng Nhà nước ta, Nghị Đảng rõ rằng: “Xây dựng quốc gia Việt Nam mạnh biển phát triển kinh tế biển thành phận mũi nhọn kinh tế quốc dân mục tiêu chiến lược, đồng thời nhiệm vụ bách đặt cho dân tộc ta trước thử thách lớn Biển Đông” Nhu cầu phát triển cảng biển, mở rộng luồng tàu trọng tải lớn qua vùng cửa sông ven biển nhiệm vụ cấp bách lâu dài hệ thống cảng biển phân bố tương đối dọc ven biển, sở vật chất kỹ thuật yếu, chưa có thương cảng cho tàu vài vạn tấn, hiệu sử dụng thấp lại bị sa bổi làm giảm dần độ sâu Do việc nghiên cứu, tính tóan dự báo q trình vận chuyển trầm tích, diễn biến lịng dẫn vùng cửa sông ven biển phục vụ quy hoach phát triển bền vững vấn đề khoa học mang tính thực tiễn cao cấp bách Hiện giới việc tiến hành dự báo trình vận chuyển trầm tích biến động đường bờ đạt nhiều thành tựu nhờ cơng nghệ tính tốn mơ hình số phát triển giải nhiều toán dự báo phát triển mạnh mẽ máy tính kèm theo thuật giải số, mơ hình áp dụng đặc biệt vào khu vực phức tạp vùng cửa sông ven biển với diễn biến chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tơ thủy động lực, tính chất đoạn sơng, quan hệ hình thái lịng sơng vùng triều, địa chất (lịng sơng, bờ biển, đáy biển) tác động người, yếu tố vĩ mô hoạt động kiến tạo, biến động môi trường tồn cầu Tại Việt Nam, có nghiên cứu diễn biến vùng cửa sồng nhằm mục đích phục vụ lũ, phục vụ giao thơng thủy, phục vụ quai đê lấn biển phục vụ bảo vệ bờ, hướng nghiên cứu có sô thành tựu định (Lương Phương Hậu 1992, 1996, 2000, 2001; Nguyễn Văn Cư 1988, 1997; Hoàng Xuân Nhuận 1988; Ngơ Đình Tuấn; Quản Ngọc An; Trịnh Việt An, Trần Đức Thạnh, Nguyễn Đức Cự, Trần Văn Diệu, Phạm Ván Ninh, Nguyễn Mạnh Hùng, Vũ Vãn Phái, Phạm Văn Huấn, Đinh Văn Ưu, Nguyễn Thọ Sáo, Nguyễn Minh Huấn) Việc áp dụng mơ hình số cịn hạn chế định phụ thuộc nhiều vào độ xác số liệu phục vụ đầu vào số liệu đo đạc địa hình, chế độ thủy động lực (sóng, dịng chảy, thủy triều, dịng chảy sơng, tượng khí tượng, ), trầm tích (nồng độ trầm tích lơ lửng, phân bố trầm tích bể mặt đáy, cấu trúc ), khoáng v ậ t, Thời gian gần đây, nhờ trợ giúp đắc lực cơng nghệ tính tốn, giới phát triển mơ hình tốn dự báo ngấn hạn dài liịn, khu vực cửa sông, đo diện tích tính tốn khơng rộng yếu tố thủy động lực, trầm tích lại phức tạp đan xen nên phổ biến sử dụng loại mô hình hai chiều ngang, hai chiều đứng ba chiều đầy đủ (2DH, 2DV 3D) Với phát triển công nghệ GIS việc đánh giá biến động đường bờ, địa hình đáy theo thời gian khơng gian rộng dựa vào việc phán tích, giải đốn ảnh vệ tinh ảnh máy bay cho phép xây dựng mơ hình có độ phân giải cao kiểm nghiệm kết tính tốn chi tiết, Vùng cửa sông Bạch Đằng nơi diễn hoạt động phát triển kinh tế xã hội sôi động trạng quy hoạch dẫn đến nảy sinh vấn đề môi trường phức tạp tác động người tác động trình tự nhiên gây tai biến Vùng cửa sơng Bạch Đằng vùng cửa sơng hình phễu điển hình nước ta giới, chứa đựng nguồn tài nguyên đa dạng, có tiềm lớn phát triển cảng nuôi thủy sản nước lợ Trên thực tế tiềm phát triển cảng khai thác mạnh mẽ từ đầu kỷ trước, với phát triến công nghiệp thị hố, cảng Hải Phịng cảng lớn Bắc Việt Nam thời tiếp tục giữ vai trị trọng yếu nhóm cảng phía Bắc quy hoạch phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam tới năm 2020 Trong tương lai, diễn biến chất lượng môi trường, biên động tài nguyên môi trường vùng cửa sơng Bạch Đằng cịn tiếp tục phức tạp tác động ữình tự nhiên đặc biệt tác động người thông qua phát triển du lịch, thị hóa, mở rộng quy mơ khu cơng nghiệp Hải Phịng (Đinh Vù, Cát Hải, Minh Đức - Bến Dừng, Quán Toan, Lê Thiện) đặc biệt việc nâng, cấp hệ thống cảng có phát triển cảng Đình Vũ Lạch Huyện Các vấn đề tài nguyên môi trường vùng cửa sông Bạch Đằng xúc cần giải vấn đề sa bồi luồng vào cảng, xói lở bờ biển Phù Long Cát Hải, Đình Vù, nhiễm mơi trường nước suy thối mồi trường ni thủy sản tổn thương hệ sinh thái rừng ngập mặn Trong khuôn khc Jề tài chủng tập trung vào nội dung nghiên cứu vấn đề liên quan tới q trình vận chuyển trầm tích, xây dựng khoa học, đề xuất giải pháp dự báo hữu hiệu phục vụ hiệu công tác quy hoạch phát triển bền vững khu vực Chương I TỔNG QUAN VỂ NGHIÊN c ứ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH TĨ AN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN c ú u QUÁ TRÌNH VẬN CHUYEN TRẦM TÍCH TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM Q trình vận chuyển trầm tích, diễn biến lịng dẫn vùng cửa sông ven biển phụ thuộc vào yếu tố: + Loại hình cửa sơng: estuary, delta hay cửa sơng phẳng + Tính chất đoạn sơng: đoạn triều sơng, đoạn triều biển, đoạn độ, đoạn cửa + Quan hệ hình thái lịng sơng vùng triều + Địa chất lịng sơng, bờ biển, đáy biển + Các yếu tô' động lực ưu trội yếu tố: dịng chảy sơng, thủy triều, sóng gió, bùn cát + Các yếu tố tác động người: xây dựng cơng trình I I đắp, nạo vét, trồng rừng ngập mặn, khai hoang lấn biển Ngồi cịn chịu ảnh hưởng yếu tố vĩ mô khác hoạt động kiến tạo, động đất, biến động môi trường tịan cầu Do vùng cửa sơng đối tượng nghiên cứu phức tạp, khổng thể đơn sử dụng hai phương pháp nghiên cứu để giải vấn đề, phương pháp, tính chất tiếp cận xem xét đối tượng góc độ đó, khơng thể hy vọng có kết xác hịan tịan Nghiên cứu cửa sơng ven biển, ln đối mặt với vấn đề khó khán số liệu ít, khơng hệ thống, thiếu q trình đo đạc vùng cửa sơng ven biến diện tích rộng với nhiều yếu tố xảy thường xuyên đột xuất yêu cầu lượng lớn thiết bị kỹ thuật cao chi phí lớn, số liệu thực đo vừa mang tính cung ứng số liệu đầu vào, vừa thông số kiểm định đầu cho phương pháp nghiên cứu có phương pháp mơ hình tóan Mơ hình tóan phương pháp dùng cơng cụ tóan học đế mơ trình động lực diễn khu vực nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ nhờ trợ giúp đắc lực cúa công nghệ tính tóan 10 Để tính tóan mơ dự báo diễn biến vùng cửa sơng ven biển chia làm hai loại: + Mơ hình dự báo ngắn hạn: mồ hình tính tóan vận chuyển bùn cát biến đổi mức đáy theo số bước thời gian chu kỳ triều + Mơ hình dự báo dài hạn: dạng mơ hình hình thái động lực tính tóan yếu tơ' sóng, dịng chảy, bùn cát biến đổi mức đáy, sau dùng đáy biến đổi để tính tóan lại tham số sóng, dịng chảy ci’-'g cấp số liệu đầu vào cho bước thời gian sau Đối với khu vực cửa sơng với diện tích tính tóan rộng, q trình thủy động lực phức tạp, có xáo trộn nước sông nước biển, tùy theo tính chất đối tượng nghiên cứu nhà khoa học giới mơ phịng trường thủy động lực mơ hình dạng ID, 2D 3D Có thể liệt kê số hệ thống mơ hình tiêu biểu sau: Hệ thống mơ hình Mike 11, 21 Mike3 Viện thủy lực Đan Mạch DHI xây dựng, hệ thống phần mềm đa ngịai tính tóan dịng chảy cịn có khả tính tóan sóng, vận chuyển trầm tích nước dâng Hệ thống mơ hình nước mặt SMS trường Đại học tống hợp Bright Young Mỹ xây dựng phát triển bao gồm nhiều phần mềm có tính tính tóan dịng chảy, sóng, vận chun trầm tích Ớ nước ta, yêu cầu cấp thiết thực tế đảm bảo hàng hải, phòng chống sa bổi luồng tàu qua cửa sông, từ năm 1980 trở lại đây, nhà khoa học nước ta có nhiều cơng trình nghiên cứu mơ hình tóan để đánh giá nguyên nhân tìm kiếm giải pháp: GS TS Lương Phương Hậu, Đại học Xây Dựng sử dụng mơ hình tóan nghiên cứu dịng chảy triều, trường sóng chuyên động bùn cát cửa sông Nam Triệu, cửa Thuận An, Cửa sông Cà Ty, cửa sơng Cái Phan Rang, cửa sơng Xồi Rạp TS Hồng Xn Nhuận sử dụng mơ hình tóan trường dịng chảy có tính đến ảnh hưởng đê chắn sóng dọc luồng tàu cảng Cửa Lò Nghệ An 11 Tập thể tác giả Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh sử dụng mơ hình tóan mơ đặc trưng thủy thạch động lực vùng cửa Định An - Nam Bộ Tập thể tác giả Viện Cơ học sử dụng mơ hình tóan mơ đặc trưng thủy thạch động lực phục vụ chỉnh trị vùng cửa Lý Hoà Quảng Bình Tập thể tác giả Viện Khoa học Thuỷ lợi sử dụng mơ hình tóan mơ đặc trưng thủy thạch động lực vùng cửa Thuận An - Thừa Thiên Huế Nghiên cứu trạng xói lở bờ biển Việt Nam, Chương trình biển KT.03 có đề tài cấp Nhà nước KT.03.14, chương trình biển KHCN.06 có đề tài KHCN.06.08 Nghiên cứu quy luật dự đóan xu bồi tụ - xói lở vùng ven biển cửa sông Việt Nam Vấn đề cịn đặt khn khổ đề tài độc lập cấp nhà nước đề tài cấp thực Viện Cơ học -Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Viện Khoa học Thuỷ lợi - Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn, Đại học Quốc gia Hà Nội 1.2 ĐẶC ĐIỂM ĐIÊU KIỆN ĐỊA HÌNH, KHÍ TƯỢNG HẢI VÃN CỦA KHU VỰC NGHIÊN c ú u 1.2.1 Đặc điểm kh í tượng hải vãn khu vực nghiên cứu a Chế độ gió : Chế độ gió khu vực nghiên cứu mang đặc tính mùa rõ nét Mùa đơng chịu chi phối cùa hệ thống gió mùa đơng bắc ĐB với hướng gió thịnh hành B, ĐB Đ Ngược lại, mùa hè chịu ảnh hưởng hệ thống gió mùa tây nam TN biến tính thổi vào vịnh Bắc Bộ có hướng N ĐN Trong mùa chuyến tiếp hướng gió thịnh hành chủ yếu Đ, tốc độ mạnh hướng gió hai mùa ♦ Mùa đơng (tháng X ỉ - ĨI) : Các hướng gió B, ĐB Đ Vào thời kỳ đầu mùa đơng hướng gió chủ yếu B ĐB Đ (bảng 1.2.1) Trong mùa đông trung bình hàng tháng có tới - đợt giỏ mùa ĐB ( đơi có tới - đợt ); mồi đợt thường kéo dài từ - ngày Tại khu vực nghiên cứu bị đảo Cát Hải 12 ... tới khả mô q trình vận chuyển trầm tích kết dính; d Mơ q trình vận chuyển trầm tích khu vực cửa sơng Bạch Đằng bàng mơ hình số trị lựa chọn, xác định thông số mơ hình cho khu vực nghiên cứu, xây... nghị phục vụ quy hoạch phát triển bền vững cho khu vực cửa sông Bạch Đằng Các kết đạt được: a Đã tìm hiểu chế vận chuyển trầm tích khu vực nghiên cứu thông qua việc thu thập số liệu khảo sát, nghiên. .. nội dung nghiên cứu: M ục tiêu: Có quy trình sử dụng mơ hình số trị, tích hợp cơng nghệ GIS nghiên cứu q trình vận chuyển trầm tích phục vụ hiệu công tác quy hoạch phát triển bền vững khu vực Nội