Bằng phương pháp mô hình toán, bài viết sẽ mô phỏng lại các chế độ sóng, dòng chảy. Kết quả đạt được sẽ là xu thế chuyển động của các trường sóng, dòng chảy và giá trị vận tốc cực đại chúng khi tác động vào bờ. Dựa trên kết quả nghiên cứu, các nhà quản lý sẽ có cơ sở để lên các phương án bảo vệ bờ phù hợp.
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ NGHIÊN CỨU TRƯỜNG SĨNG, DỊNG CHẢY VEN BỜ VÙNG BIỂN ĐẢO LÝ SƠN TỈNH QUẢNG NGÃI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH TỐN Nguyễn Ngọc Hải Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung Tây Nguyên Phan Thị Tường Vi Trường Cao đẳng Công nghệ - Kinh tế Thủy lợi miền Trung Tóm tắt: Huyện đảo Lý Sơn tách từ huyện Bình Sơn tỉnh Quảng Ngãi vào năm 1993 Đảo Lý Sơn có tên gọi khác Cù Lao Ré nằm vùng biển Đông Bắc tỉnh Quảng Ngãi Những năm gần đây, với biến đổi khí hậu xảy phạm vi tồn cầu, chế độ sóng, dòng chảy ven bờ đảo Lý Sơn có biến đổi tần suất cường độ tác động lên bờ đảo gây xói mòn, sạt lở bờ, diện tích đảo ngày bị thu hẹp Bằng phương pháp mơ hình tốn, viết mơ lại chế độ sóng, dòng chảy Kết đạt xu chuyển động trường sóng, dòng chảy giá trị vận tốc cực đại chúng tác động vào bờ Dựa kết nghiên cứu, nhà quản lý có sở để lên phương án bảo vệ bờ phù hợp Từ khóa: Chế độ sóng, dòng chảy ven bờ, sạt lở bờ, vận tốc cực đại, xói mòn Summary: Ly Son island dictrict was separated from Binh Son district of QuangNgai province in 1993 This island is also known as Cu Lao Re located in the North East of QuangNgai province In recent years, with the global climate change, the wave regime and shoreline current of Ly Son island have changed their frequency and intensity of impact on the island causing erosion, landslide, therefore the area of the island is gradually narrowing By the mathematical model method, the article will simulate regimes of the wave and flow The result will be the trends of waves, currents and maximum velocity values when they impact on shoreline Based on the results of the study, managers will have adequate solusion for shoreline protecsion Keywords: The wave rigime, shoreline current, landslide, maxium velocity, erosion ĐẶT VẤN ĐỀ* Biển đảo Việt Nam phần lãnh thổ khơng thể tách rời đất nước, qua nghìn năm ln gắn chặt với đời sống người dân nước Việt vật chất tinh thần.Vị trí đảo lãnh hải cộng đồng dân cư đóng vai trò quan trọng trị, an ninh quốc phòng, bảo vệ chủ quyền Tổ quốc Trên đảo lập kiểm soát vùng biển, vùng trời nước ta, kiểm tra hoạt động tàu thuyền, đảm bảo an Ngày nhận bài: 17/10/2018 Ngày thông qua phản biện: 16/11/2018 ninh quốc phòng, xây dựng kinh tế, bảo vệ chủ quyền toàn vẹn lãnh thổ đất nước Với biến đổi khí hậu tồn cầu diễn nay, nước biển có xu ngày dâng cao, bên cạnh tình hình thiên tai từ biển diễn ngày phức tạp, cường độ tần suất xuất ngày lớn đe dọa đến ổn định bờ đảo Theo tư liệu người Pháp để lại, đảo Lý Sơn vào năm đầu Pháp xâm lược có Ngày duyệt đăng: 06/12/2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ diện tích vào khoảng 20km2, nay, theo số liệu thống kê huyện đảo diện tích đảo Lý Sơn vào khoảng 10,7km2 [1]; có nghĩa đảo Lý Sơn bị xâm thực sạt lở gần nửa diện tích vòng kỷ chế độ thủy thạch động lực (sóng, mực nước, dòng chảy) khu vực đảo Lý Sơn Phương pháp nghiên cứu Dùng phương pháp mơ hình tốn: ứng dụng mơ hình tốn thủy động lực hình thái chiều MIKE 21 với mơ đun sóng (Mike21 SW), mơ đun dòng chảy (Mike21 HD)[3] để mô diễn biến bờ đảo Lý Sơn điều kiện Để xác định rõ chất, nguyên nhân biến động đường bờ cần nghiên cứu đến trường sóng, dòng chảy vùng ven bờ tác dụng lên bờ đảo Lý Sơn Từ làm sở để lên phương án bảo vệ bờ, hạn chế tối đa bất lợi từ thiên nhiên Phương pháp điều tra thu thập số liệu: Các số liệu thu thập tính tốn, xử lý trước làm đầu vào cho mơ hình Kết tính tốn mơ hình kiểm chứng thơng qua số liệu thực đo đặt trạm Cầu Tàu Cảng Lý Sơn Sau tìm thơng số phù hợp mơ hình thực tế, tiến hành tính tốn trường sóng, dòng chảy tác dụng lên bờ đảo ứng với kịch trường sóng dòng chảy lớn năm TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tài liệu sử dụng Tài liệu sử dụng nghiên cứu thu thập từ đề tài khoa học cấp Nhà nước KC.09.15/11-15 “Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị yếu tố khí tượng thủy văn biển, tác động chúng tới môi trường, phát triển kinh tế xã hội đề xuất giải pháp phòng tránh cho đảo đơng dân cư thuộc vùng biển miền Trung (chủ yếu đảo Lý Sơn, đảo Phú Quý [2] tiến sĩ Kiều Xuân Tuyển làm chủ nhiệm KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU * Kiểm định số liệu tính tốn Sau q trình hiệu chỉnh thơng số mơ hình, tiến hành kiểm định phù hợp số liệu thực đo tính tốn, kết thu hình 1: Đối tượng nghiên cứu Vùng ven bờ bãi biển khu vực đảo Lý Sơn, Muc nuoc thuc [m] Muc nuoc tinh toan [m] 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 00:00 2012-12-02 00:00 12-07 00:00 12-12 00:00 12-17 00:00 12-22 00:00 12-27 Kết kiểm định cao độ mực nước E:\Phan hoc tap (Hai)\Cao hoc DHTL\Lua n van Hai\Luan van\Mo hinh\Dong chay LS1.dfs0 E:\Phan hoc tap (Hai)\Cao hoc DHTL\Luan van Hai\Luan van\Mo hinh\Muc nuoc LS.dfs0 V tinh toan [m/s] V thuc [m/s] 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 00:00 2012-12-19 00:00 12-21 00:00 12-23 00:00 12-25 00:00 12-27 00:00 12-29 Kết kiểm định vận tốc dòng chảy Hình 1: Kết kiểm định số liệu thực đo tính tốn Chỉ số Nahs tính tốn F2 = 0,90 chứng tỏ thơng số mơ hình tìm phù hợp với điều kiện thực tế vùng biển Lý Sơn điều kiện sóng gió Như vậy, thơng số mơ hình số điều hòa biên mơ hình tính phục vụ cho cơng tác nghiên cứu đảo Lý Sơn * Bộ thông số mô hình Số bước thời gian tính tốn: 17280 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC Khoảng thời gian bước tính tốn: 600s CƠNG NGHỆ Thời gian bắt đầu tính tốn: từ 11 00 phút ngày 17/12/2012 Kết tính tốn: dạng vùng, bước thời gian xuất kết quả: 10 phút giá trị trùng với bước thời gian thực đo Điều kiện biên mực nước: biên triều * Xây dựng kịch tính tốn Hệ số sóng vỡ: 0,68 Cơ sở lựa chọn kịch bản: Căn vào bảng lượng sóng tương đương đảo Lý Sơn, thời gian xuất hướng sóng có tần suất xuất nhiều năm để làm kịch tính tốn Hệ số ma sát đáy: tính theo Nikuradse roughness: 0,28 Điều kiện ban đầu: phổ sóng sử dụng tính tốn JONSWAP Điều kiện biên sóng: biên sóng lấy từ số liệu thực đo Điều kiện biên gió: biên gió lấy từ số liệu tính tốn Chuỗi số liệu sóng để tính tốn lượng sóng tương đương tác giả thu thập từ số liệu thực đo trạm Capmia với chuỗi số liệu từ năm 1996 đến năm 2005 Bảng 1: Năng lượng sóng tương đương năm vùng biển Lý Sơn Hướng sóng Theo độ Theo hướng 0-30 NNE 30-60 NE 60-90 ENE 90-120 ESE 120-150 SE 150-180 SSE 180-210 SSW TT Căn vào bảng lượng sóng tương đương cho thấy, thời gian xuất hai hướng gió NE SE thời gian xuất hướng sóng có tần suất xuất nhiều năm hướng sóng NE có tần suất xuất 118 ngày/năm; hướng sóng ENE có tần suất xuất 108 ngày/năm Hs (m) Ts (s) tk (ngày) 2,29 2,26 1,36 1,05 1,07 1,08 1,13 6,0 5,8 4,5 4,0 4,0 4,0 4,1 118 108 30 32 49 16 hướng sóng SSE có tần suất xuất 49 ngày/năm Chuỗi số liệu gió để tính lượng gió tương đương tác giả thu thập từ số liệu thực đo với chuỗi số liệu từ năm 1985 đến năm 2012 trạm hải văn Lý Sơn Bảng 2: Năng lượng gió tương đương năm đảo Lý Sơn TT Hướng gió N NNE NE ENE E ESE V(m/s) 5,81 6,49 5,57 4,00 3,14 2,93 Tk(ngày) 27,08 22,85 45,77 7,04 12,56 7,15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC TT 10 11 12 13 14 15 16 CÔNG NGHỆ Hướng gió SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW V(m/s) 3,71 4,25 3,72 3,01 3,21 3,20 3,35 4,52 5,79 5,94 Theo kết phân tích đánh giá lượng sóng tương đương, hướng sóng chủ đạo vùng nghiên cứu trùng với hướng gió mùa NE SE Vì tác giả chọn ba hướng sóng có tần suất xuất lớn ứng với ba kịch để tính tốn trường dòng chảy đảo Lý Sơn: Tk(ngày) 65,48 25,15 21,57 7,23 11,02 3,25 6,79 10,37 53,44 15,33 Kịch (KB1): Tính tốn trường dòng chảy theo hướng sóng NE (30-60 độ) Kịch (KB2): Tính tốn trường dòng chảy theo hướng sóng ENE (60-90 độ) Kịch (KB3): Tính tốn trường dòng chảy theo hướng sóng SSE (150-180 độ) Bảng 3: Điều kiện biên sóng, gió cho kịch Kịch KB1 KB2 KB3 Hướng sóng NE ENE SSE Hs (m) 2,26 1,36 1,08 Thời gian tính tốn cho kịch bản: để đánh giá trường dòng chảy ven bờ khu vực đảo Lý Sơn, tác giả lựa chọn thời gian mô cho kịch 15 ngày (tương ứng với kỳ triều) Ts (s) 5,8 4,5 4,0 V (m/s) 5,57 4,00 4,25 chuyển bùn cát * Kết tính tốn trường sóng, dòng chảy a Kịch 1: Tính tốn trường dòng chảy khu vực biển Lý Sơn theo hướng sóng NE Với kịch trường sóng hướng NE tác động đến khu vực đảo trùng với thời kỳ gió mùa Đơng Bắc với chiều cao sóng lượng tương đương 2,26m; chu kỳ sóng 5,8s Như vậy, theo thống kê hướng sóng có thời gian tác động gây dòng chảy ven đảo dài năm Hướng hướng làm cho xu dòng chảy vận Hình 2: Vận tốc hướng dòng chảy khu vực đảo Lý Sơn ứng với hướng sóng NE (KB1) Từ kết tính tốn được, tác giả tiến hành trích xuất kết vận tốc hướng dòng chảy vùng biển nghiên cứu Qua kết trích xuất cho ta thấy có hai khu vực ven bờ phía Tây phía Đơng đảo hai khu vực có vận tốc dòng chảy lớn nhất, nguyên nhân địa TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC hình hai vị trí có cồn ngầm Hướng dòng chảy NE hướng có xu dòng chảy đổ dồn từ phía Bắc vào phía Nam, từ mang theo lượng bùn cát từ phía Bắc bồi lấp khu vực phía Nam đảo làm cho khu vực phía Bắc có xu biến động bùn cát Tại khu vực Cầu Tàu phía Tây có hệ thống đê chắn sóng sóng dòng chảy khu vực sát Cầu Tàu giảm đáng kể, điều kiện để bùn cát lắng đọng Tại khu vực Âu thuyền phía Đơng, bùn cát hàng năm có xu bồi lắng nhiều khu vực bảo vệ hệ thống đê chắn sóng kiên cố b Kịch 2: Tính tốn trường dòng chảy khu vực biển Lý Sơn theo hướng sóng ENE Với kịch trường sóng hướng ENE tác động đến khu vực đảo trùng với thời kỳ gió mùa Đơng Bắc với chiều cao sóng lượng tương đương 1,36m; chu kỳ sóng 4,5s Như vậy, theo thống kê hướng sóng có thời gian tác động gây dòng chảy ven đảo dài năm Hướng làm cho bùn cát biến động năm Từ kết tính tốn cho thấy, dòng chảy ven bờ có xu chảy từ Đơng sang Tây Vận tốc dòng chảy lớn tính tốn 0,56m/s Để có tranh trường dòng chảy ven bờ, tác giả tiến hành xuất kết trường dòng chảy tồn vùng hình vẽ: CƠNG NGHỆ đơi dòng chảy khu vực phía Đơng Bắc đảo vị trí gần Hải đăng Lý Sơn, phần dòng chảy dịch chuyển sang phía Tây đảo phần xi xuống phía Nam Vận tốc dòng chảy lớn xuất vị trí phân dòng khu vực gần Hải đăng với vận tốc dòng chảy 0,56m/s.Theo đó, bùn cát có xu lấy từ khu vực phân chia dòng chảy mang hai phía Như vậy,với hướng sóng ENE khu vực phía Đơng Đơng Bắc đảo có tượng bị xói lở diễn bị dòng chảy mang bồi lấp hai phía đảo c Kịch 3: Tính tốn trường dòng chảy khu vực biển Lý Sơn theo hướng sóng SSE Với kịch trường sóng hướng SSE tác động đến khu vực đảo trùng với thời kỳ gió mùa Đơng Nam với chiều cao sóng lượng tương đương 1,08m; chu kỳ sóng 4s Như vậy, theo thống kê hướng sóng có thời gian tác động gây dòng chảy ven đảo dài Hướng làm cho bùn cát biến động năm Từ kết tính tốn cho thấy, tồn khu vực hướng dòng chảy có xu chảy từ Đông Nam lên Tây Bắc trùng với hướng sóng gió mùa Đơng Nam tác động vào khu vực đảo Vận tốc dòng chảy trung bình lớn tính tốn mùa khoảng 0,225m/s (0,23m/s) Để có tranh trường dòng chảy ven bờ, tác giả tiến hành xuất kết trường dòng chảy tồn vùng hình dưới: Hình 3: Vận tốc hướng dòng chảy khu vực đảo Lý Sơn ứng với hướng sóng ENE (KB2) Dưới tác động sóng gió ven bờ làm cho trường dòng chảy bị chia làm hai, khu vực chia Hình 4: Vận tốc hướng dòng chảy khu vực đảo Lý Sơn ứng với hướng sóng SSE (KB3) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Dưới tác động sóng gió ven bờ làm cho trường dòng chảy bị chia làm hai, khu vực chia đơi dòng chảy khu vực phía cửa Âu thuyền, phần dòng chảy sang phía Tây đảo phần dọc lên phía Bắc đảo Tại khu vực cửa Âu thuyền trường dòng chảy có xu hướng vào cảng làm cho bùn cát phía cửa dòng chảy mang vào bồi lấp phía Âu thuyền Do khu vực lòng Âu thuyền Lý Sơn thường xuyên bị bồi lấp mùa Đơng Bắc mùa gió Đơng Nam Vào mùa Đơng Bắc bùn cát bồi lấp phía ngồi cửa bùn cát từ phía Bắc mang xuống, mùa Đơng Nam bùn cát đẩy từ cửa vào bồi lấp phía lòng Âu thuyền Khu vực phía Tây Bắc đảo vùng khuất sóng nên vận tốc vùng bé, chủ yếu dòng triều lên triều xuống, bùn cát có xu lắng đọng * Nhận xét chung: Sau q trình nghiên cứu trường sóng xu hướng dòng chảy ven bờ khu vực đảo lớn Lý Sơn phương pháp mơ hình tốn ứng với kịch khác nhau, tác giả thu kết bảng sau: Bảng 4: Vận tốc dòng chảy lớn tác động lên bờ đảo ứng với kịch Kịch KB1 KB2 KB3 Hướng sóng NE ENE SSE KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu cho thấy, trình diễn biến xói lở, bồi tụ xảy thường xuyên năm vùng biển Lý Sơn Dòng chảy ven bờ lớn năm nằm phía Bắc đảo lớn, tương ứng với thời kỳ gió mùa Đơng Bắc Vào thời kỳ gió mùa Đơng Bắc, dòng chảy mang theo lượng bùn cát có xu di chuyển từ phía Bắc xuống phía Nam thời kỳ gió mùa Đơng Nam bùn cát đáy có xu di chuyển Vmax (m/s) 0,84 0,56 0,23 Vùng bờ chịu tác động Phía Bắc đảo Phía Tây Bắc đảo Phía Nam đảo theo hướng ngược lại Tuy nhiên, lượng bùn cát di chuyển thời kỳ gió mùa Đơng Nam mang từ phía Nam lên bồi lấp phía Tây phía Đơng đảo, phía Bắc khơng có bồi tụ năm Vì vậy, với kết nghiên cứu trường sóng, dòng chảy điều kiện tại, cấp quyền, nhà quản lý cần có giải pháp bảo vệ bờ đảo Lý Sơn trước xâm thực biển, vấn đề cần thiết cấp bách TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.quangngai.gov.vn/vi/lyson [2] Kiều Xuân Tuyển “Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị yếu tố khí tượng thủy văn biển, tác động chúng tới môi trường, phát triển kinh tế xã hội đề xuất giải pháp phòng tránh cho đảo đông dân cư thuộc vùng biển miền Trung (chủ yếu đảo Lý Sơn, đảo Phú Quý)” Đề tài khoa học cấp Nhà nước KC.09.15/11-15 [3] Danish Hydraulic Institute (DHI), Mike 21 User Manual, 2012 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 ... đảo Lý Sơn điều kiện Để xác định rõ chất, nguyên nhân biến động đường bờ cần nghiên cứu đến trường sóng, dòng chảy vùng ven bờ tác dụng lên bờ đảo Lý Sơn Từ làm sở để lên phương án bảo vệ bờ, hạn... tranh trường dòng chảy ven bờ, tác giả tiến hành xuất kết trường dòng chảy tồn vùng hình vẽ: CƠNG NGHỆ đơi dòng chảy khu vực phía Đơng Bắc đảo vị trí gần Hải đăng Lý Sơn, phần dòng chảy dịch chuyển... 0,225m/s (0,23m/s) Để có tranh trường dòng chảy ven bờ, tác giả tiến hành xuất kết trường dòng chảy tồn vùng hình dưới: Hình 3: Vận tốc hướng dòng chảy khu vực đảo Lý Sơn ứng với hướng sóng ENE (KB2)