Nghiên cứu, mô phỏng sự ảnh hưởng của địa hình và các công trình chỉnh trị trên bãi tại một số cửa sông, ven biển tỉnh Nam Định đến cơ chế lan truyền và suy giảm chiều cao sóng

Bài báo trình bày kết quả ứng dụng mô hình toán để mô phỏng, đánh giá cơ chế lan truyền sóng trong điều kiện địa hình bãi tự nhiên và hiệu quả làm suy giảm sóng của các công trình chỉnh trị tại khu vực. Mô hình đã được kiểm định với số liệu sóng đo đạc tại hiện trường, các kết quả kiểm định cho thấy có thể ứng dụng mô hình để tính toán thực tế với độ tin cậy đảm bảo.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH VÀ CÁC CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ TRÊN BÃI TẠI MỘT SỐ CỬA SÔNG, VEN BIỂN TỈNH NAM ĐỊNH ĐẾN CƠ CHẾ LAN TRUYỀN VÀ SUY GIẢM CHIỀU CAO SĨNG ThS Dỗn Tiến H Phịng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia Động lực học sông biển Tóm tắt: Bờ biển Nam Định đoạn cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang nhiều năm qua diễn tượng xói xâm thực bãi dẫn đến sạt lở bờ, đê biển Một nguyên nhân sóng biển Do đó, nghiên cứu q trình lan truyền sóng ảnh hưởng địa hình khu vực cơng trình chỉnh trị bố trí bãi có ý nghĩa thực tiễn cao Bài báo trình bày kết ứng dụng m hình tốn để mơ phỏng, đánh giá chế lan truyền sóng điều kiện địa hình bãi tự nhiên hiệu làm suy giảm sóng cơng trình chỉnh trị khu vực Mơ hình kiểm định với số liệu sóng đo đạc trường, kết kiểm định cho thấy ứng dụng mơ hình để tính tốn thực tế với độ tin cậy đảm bảo Từ khóa: Lan truyền sóng, Suy giảm sóng Summary: The Nam Dinh coastline from Ba Lat estuary to Lach Giang estuary for many years always going developments of the coastline, beaches, mainly erosion and cavitation phenomena beach leading to erosion shore, sea dykes One of the main causes affecting the process of erosion, destructive in this region is sea wave Therefore, the study of wave propagation under the influence of regional topography and regulation structures on the yard layout is very practical significance This paper presents the results of a m athem atical m odel applied to the sim ulation and evaluation m echanism in the propagation conditions and natural terrain park to wave attenuation effect schemes of regulation structures in the area The model has been verified with m easured wave data in the field, the test results show that the m odel can be applied to actual calculations with guaranteed reliability Key words: Propagation wave, Decay wave I GIỚI THIỆU CHUNG Hình Vị trí địa lý ven bờ từ Ba Lạt đến cửa Lạch Giang Dải bờ biển từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang có chiều dài khoảng 65 km Đây vùng trọng điểm sạt lở bãi, đê biển, cần có giải pháp khoa học cơng nghệ ổn định bờ biển [4] Khi nghiên cứu giải pháp công trình cần xem xét đến hiệu giải pháp Cơng trình phải phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội địa phương, không gây tác động tiêu cực đến m ôi trường tai biến cho khu vực lân cận [3] Bài báo trình bày kết nghiên cứu tính tốn q trình lan truyền sóng suy giảm sóng ảnh hưởng điều kiện địa hình bãi, cơng trình chỉnh trị khu vực Mơ hình kiểm chứng qua số liệu thực đo sóng, mực nước số liệu thu thập địa hình bờ, bãi Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Khắc Nghĩa Ngày nhận bài: 14/6/2013 - Ngày thông qua phản biện: 31/7/2013 - Ngày duyệt đăng: 25/9/2013 TẠP C HÍ KHOA H ỌC VÀ C ÔNG NGH Ệ THỦ Y LỢI SỐ 18 - 2013 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ II CÁC KẾT Q UẢ TÍNH TỐN 2.1 Thiết lập mơ hình Mike21 SW Trong tính tốn mơ hình sóng nói chung, việc thiết lập mơ hình, lựa chọn miền tính, lưới tính bước quan trọng định đến tồn vấn đề liên quan chất lượng mơ hình Việc lựa chọn thiết lập miền tính, lưới tính cho khu vực ven bờ từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang trình bày Hình Miền tính tốn bao gồm biên ngồi khơi độ sâu 20m (có điểm đo sóng thực tế), biên phía Bắc biên phía Nam bao tồn khu vực cửa Ba Lạt cửa Lạch Giang Trong m iền tính có 02 m ặt cắt có số liệu dùng để tính tốn sóng thiết kế đê biển (Giao Xuân Hải Hòa) theo Tiêu chuẩn thiết kế đê biển năm 2012 [5] Lưới tính tốn gồm 23039 nút 64431 phần tử Hình Miền tính, địa hình lưới tính khu vực nghiên cứu từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang 2.2 Kết kiểm định mơ hình mực nước cửa Lạch Giang [2], thời gian từ 5-13/11/2009 Đã tính tốn kiểm chứng với 02 chuỗi mực Kết kiểm định m ực nước thể nước đo đạc thực tế khu vực cửa Ba Lạt hình hình Hình So sánh m ực nước thực đo tính tốn cửa Ba Lạt Hình So sánh m ực nước thực đo tính tốn cửa Lạch Giang Dùng tiêu Nash (Nash and Sutcliffe 1970) để kiểm định sai số m hình Hệ số NashSutcliffe từ - ∞ đến Hệ số = kết hồn hảo mơ hình liệu quan trắc [1] Trị số Nash đánh giá sai số m ực nước Lạch Giang Ba Lạt sau: Tham số Nash cửa Lạch Giang 0,84; cửa Ba Lạt 0,91 Kết kiểm định với chuỗi số liệu thực đo từ 15h ngày 6/8/2006 đến 21h ngày 13/8/2006 với OBS đo 3h/1 lần hai trạm vùng biển Hải Hậu-Nam Định [3]: Trạm T1 có tọa độ 0 20 02.0'N-106 21.15'E độ sâu 20.0m; Trạm T2 có tọa độ 20005.548'N-106020.794'E độ sâu 10m Đây kết tốt, áp dụng để tính tốn thực tế Trạm T1 lấy làm số liệu biên đầu vào cho mơ hình Kết tính tốn hiệu chỉnh trích vị trí trạm T2 để so sánh với số liệu thực đo (xem Hình 2) 2.3 Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình với chuỗi số liệu sóng TẠP CH Í KH OA H ỌC VÀ C ÔN G N GHỆ TH Ủ Y LỢI SỐ 18 - 2013 KHOA HỌC Sau tính tốn hiệu chỉnh, tác giả tiến hành tính kiểm định m hình với số liệu thực đo khu vực Kết kiểm định (Hình 5) cho giá trị tốt Sai số nhỏ tính CƠNG NGHỆ toán thực đo 1.9%, lớn 21.2%, trung bình 8.5% Các giá trị tính kiểm định nhỏ so với số liệu thực đo tác giả khơng tính đến yếu tố gió, dịng chảy Hình Kết tính tốn kiểm định chiều cao sóng Có thể thấy m hình hồn tồn có khả phản khu vực ven bờ với điều kiện khác ánh tốt tranh động lực sóng Do 2.4 Các kịch điều kiện biên phục vụ hồn tồn có sở để sử dụng m hình để tính tốn nghiên cứu tính tốn q trình sóng 2.4.1 Các kịch tính tốn: Bảng Kịch phương án tính tốn khu vực nghiên cứu TT a b c a b c a b Phương án tính Tính tốn khu vực cửa Ba Lạt Tính tốn với trạng bãi bồi phát triển năm 2010 Tính tốn với trạng bãi bồi phát triển năm 1990 Tính tốn với dự báo bãi bồi phát triển năm 2025 Tính tốn khu vực cửa Lạch Giang Tính tốn với phương án bãi trạng năm 2010 Tính với phương án cơng trình (PA1) Tính với phương án cơng trình (PA2) Tính tốn khu vực cống Thanh Niên Tính tốn với phương án bố trí 05 mỏ hàn chữ T đặt vng góc với bờ Tính tốn với phương án bố trí 05 đê phá sóng song song với bờ Ghi Xem hình Xem hình Xem hình Xem hình 10 Xem hình 11 Xem hình 12 Xem hình 15 Xem hình 16 2.4.2 Điều kiện biên phục vụ tính tốn: Điều kiện biên mực nước sóng phục vụ cho q trình tính tốn trích xuất từ số liệu Tiêu chuẩn thiết kế đê biển ban hành năm 2012 [5], cụ thể số liệu đầu vào sau: Bảng Số liệu đầu vào phục vụ tính tốn sóng khu vực nghiên cứu Cấp tần suất Hs (m) Sóng T(s) P=1% 4.63 11.75 P=5% 3.50 10.89 Hướng (độ) 45 90 135 45 90 135 Mực nước tổng cộng Hw (m) 3.482 2.214 TẠP C HÍ KHOA H ỌC VÀ C ÔNG NGH Ệ THỦ Y LỢI SỐ 18 - 2013 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Mỗi cấp tần suất sóng m ực nước tính tốn cho khu vực tính theo 03 hướng lan truyền khác hướng Đơng Bắc (NE=450), hướng Đơng (E=900) hướng Đơng Nam (SE=1350) 2.5 Kết tính tốn lan truyền sóng vào khu vực nghiên cứu Hình Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt năm 1990 Hình Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt năm 2025 2.5.1 Đối với khu vực cửa Ba Lạt: - Với phương án bãi trạng bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt theo tần suất hướng khác cho thấy sóng có suy giảm tiến vào vùng nước nông ảnh hưởng địa hình đáy Hình Bãi bồi khu vực cửa Ba Lạt với địa hình trạng năm 2010 Hình Tỷ lệ suy giảm chiều cao sóng theo hướng NE so với hướng E lan truyền vào khu vực cống Thanh Niên với kịch phát triển bãi bồi (trường hợp tính P=1%) - Kết tính tốn khu vực cửa Ba Lạt cho 2.5.2 Kết tính tốn khu vực cửa thấy, bãi bồi phát triển cửa Ba Lạt Lạch Giang: m ột m ỏ hàn tự nhiên (theo tài liệu thu thập - Kết tính tốn với bãi trạng năm phân tích ảnh viễn thám qua nhiều thời kỳ 2010 theo tần suất P=1% P=5% cho thấy khu vực nghiên cứu) tương ứng với chiều dài: hướng sóng bất lợi truyền vào khu 11.5 km năm 1990; 12.5 Km năm 2010 dự vực cửa Lạch Giang hướng SE Tuy nhiên, báo cho 2015 là: 13,5÷14.0km (xem hình 6÷8) suy giảm chiều cao sóng truyền vào che chắn cho khu vực lân cận, điều có tác cửa không chênh lệch nhiều theo dụng làm giảm sóng khu vực xung hướng truyền khác Trường sóng tính quanh, khu vực cống Thanh toán đại diện cho hướng NE, cấp tần suất Niên (Bảng 3) P=1% thể hình 10 Bảng Tỷ lệ suy giảm chiều cao sóng khu vực cống Thanh Niên lan truyền theo hướng NE so với hướng E SE TT Phương án tính tốn Trường hợp với bãi bồi năm 1990 Trường hợp với bãi bồi năm 2010 Trường hợp với bãi bồi năm 2025 TẠP CH Í KH OA H ỌC VÀ C ÔN G N GHỆ TH Ủ Y LỢI SỐ 18 - 2013 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 10 Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang hướng NE, tần suất P=1% (Địa hình năm 2010) - Khu vực cửa Lạch Giang năm gần bị biến đổi nhiều, bãi hai bên cửa xói m ạnh, luồng lạch biến đổi, nguyên nhân tác động sóng Để giảm thiểu, ngăn chặn tình trạng có phương án chỉnh trị hợp lý, nhóm nghiên cứu đưa 02 phương án bố trí cơng trình chỉnh trị (xem hình 11 hình 12) Bảng Các thông số kỹ thuật phương án cơng trình chỉnh trị cửa Lạch Giang TT + + + + + + + + + + + + + Tên cơng trình Phương án cơng trình Đê giảm sóng Đê giảm sóng Đê ngăn cát, giảm sóng, hướng dịng Đê ngăn cát, giảm sóng, hướng dịng Đê hướng dịng Đê hướng dịng Đê hướng dịng Phương án cơng trình Đê ngăn cát, giảm sóng Đê ngăn cát, giảm sóng Đê ngăn cát, giảm sóng, hướng dịng Đê ngăn cát, giảm sóng, hướng dòng Đê hướng dòng Đê hướng dòng Đây phương án cơng trình đa năng, vừa có tác dụng ngăn cát, ổn định tuyến luồng lạch đảm bảo lũ giao thơng thủy, vừa có khả giảm sóng tác động đến khu vực cửa sơng Trong nghiên cứu chủ yếu quan tâm đến hiệu làm suy giảm sóng để giúp KH Dài (m ) C /trình đỉnh (m) H1 H2 NC1 NC2 N1 N2 N3 300 300 3200 2550 400 cánh; 520 thân 400 cánh; 620 thân 400 cánh; 340 thân +1.0 +1.0 +3.5 +3.5 +3.5 +3.5 +3.5 H1 H2 NC1 NC2 N1 N2 400 cánh; 380 thân 400 cánh; 460 thân 3800 3500 400 cánh; 550 thân 400 cánh; 160 thân +3.5 +3.5 +3.5 +3.5 +3.5 +3.5 nhà quản lý có sở lựa chọn phương án chỉnh trị hợp lý Kết tính tốn trường sóng đại diện theo hướng NE, cấp tần suất P=1% hai phương án cơng trình thể hình 13 hình 14 TẠP C HÍ KHOA H ỌC VÀ C ÔNG NGH Ệ THỦ Y LỢI SỐ 18 - 2013 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 11 Bố trí phương án cơng trình chỉnh trị cửa Lạch Giang (PA1) Hình 13 Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang hướng NE, tần suất P=1% (PA1) Hình 12 Bố trí phương án cơng trình chỉnh trị cửa Lạch Giang (PA2) Hình 14 Trường sóng khu vực cửa Lạch Giang hướng NE, tần suất P=1% (PA2) - Kết suy giảm chiều cao sóng có cơng trình chỉnh trị khu vực cửa Lạch Giang thể bảng bảng đây: Bảng Suy giảm chiều cao sóng truyền vào khu vực cửa Lạch Giang theo hướng khác (tính tốn với cơng trình PA1, tần suất P=1% ) TT Các hướng truyền sóng NE E SE Suy giảm chiều cao sóng cửa sơng sau có cơng trình bố trí theo PA1 (%) 86.2 86.1 79.0 Ghi Chiều cao sóng bị suy giảm so với chưa có cơng trình Bảng Suy giảm chiều cao sóng truyền vào khu vực cửa Lạch Giang theo hướng khác (tính tốn với cơng trình PA2, tần suất P=1% ) TT Các hướng truyền sóng NE E SE Sự suy giảm chiều cao sóng cửa sơng sau có cơng trình bố trí theo PA2 (%) 90.0 87.8 91.6 Cả hai phương án chỉnh trị khu vực cửa Lạch Giang cho hiệu suy giảm chiều cao sóng tốt khơng có chênh lệch đáng kể giá trị Tuy nhiên, PA1 cho không gian lưu thông tốt khu vực cửa, tạo khả thoát lũ, hoạt động giao thơng thủy Bên cạnh đó, với khoảng khơng phía Ghi Chiều cao sóng bị suy giảm so với chưa có cơng trình rộng điều kiện tốt để neo đậu, trú ngụ tàu thuyền 2.5.3 Kết tính toán khu vực cống Thanh Niên: - Bãi biển khu vực cống Thanh Niên năm gần bị xói lở nghiêm trọng, biển tiến sát vào chân đê, sóng vỗ trực diện TẠP CH Í KH OA H ỌC VÀ C ÔN G N GHỆ TH Ủ Y LỢI SỐ 18 - 2013 KHOA HỌC vào đê biển Do đó, cần phải có phương án cơng trình bãi nhằm làm suy giảm sóng bên ngồi trước tiến vào khu vực đê biển Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đưa 02 phương án bố trí cơng trình chỉnh trị khu vực cống Thanh Niên, bao gồm: + Phương án bố trí 05 m ỏ hàn chữ T đặt vng CƠNG NGHỆ góc với bờ, mỏ hàn cách khoảng 150m ; + Phương án bố trí 05 đê phá sóng song song với bờ, đê phá sóng đặt cách khoảng 150m Các thông số kỹ thuật phương án đưa bảng Bảng Các thông số kỹ thuật phương án công trình chỉnh trị khu vực cống Thanh Niên TT Tên cơng trình Dài (m) Rộng (m) C /trình đỉnh (m ) 05 mỏ hàn chữ T vng góc với 350 thân; 300 cánh 5.0 +3.5 bờ 05 đê phá sóng song song với bờ 300 5.0 +3.5 - Trường sóng tính tốn đại diện cho hướng NE, tần suất P=1% khu vực nghiên cứu hai phương án thể hình 16 17 Hình 15 Trường sóng khu vực cống Thanh Niên theo hướng NE, tần suất P=1% (Phương án mỏ hàn chữ T) - Kết tính tốn độ suy giảm chiều cao sóng hai phương án cơng trình thể bảng bảng Các điểm Hình 16 Trường sóng khu vực cống Thanh Niên theo hướng NE, tần suất P=1% (Phương án đê phá sóng song song với bờ) trích xuất 03 điểm phía trước phía sau 03 cơng trình nằm Bảng Kết suy giảm chiều cao sóng qua hệ thống m ỏ hàn chữ T, với P=1% Tỷ lệ suy giảm (%) Ghi T1 T2 T3 Hướng Đông Bắc (NE) 82.95 83.22 83.48 Chiều cao sóng bị suy giảm so với chưa có Hướng Đơng (E) 71.10 71.47 71.29 cơng trình Hướng Đơng Nam (SE) 81.57 81.73 81.45 Bảng Kết suy giảm chiều cao sóng qua hệ thống đê phá sóng, với P=1% Ghi Tỷ lệ suy giảm (%) Các hướng tác động T1 T2 T3 Hướng Đông Bắc (NE) 35.26 35.16 36.96 Chiều cao sóng bị suy giảm so với chưa có Hướng Đơng (E) 53.48 50.20 50.79 cơng trình Hướng Đơng Nam (SE) 64.05 60.67 61.15 Các hướng tác động III KẾT LUẬN - Mơ hình tính tốn q trình lan truyền sóng khu vực cửa sông, ven biển số trọng điểm từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang kiểm định qua số liệu đo đạc khảo sát m ực nước, sóng cho kết đảm bảo TẠP C HÍ KHOA H ỌC VÀ C ÔNG NGH Ệ THỦ Y LỢI SỐ 18 - 2013 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ làm sở để nghiên cứu, tính tốn phương án khác - Tính tốn khu vực cửa Ba Lạt cho thấy, bãi bồi phát triển cửa Ba Lạt mỏ hàn tự nhiên (hình 6÷8) che chắn cho khu vực lân cận, có tác dụng làm giảm sóng khu vực xung quanh, khu vực cống Thanh Niên (Bảng 3) - Kết tính tốn khu vực cửa Lạch Giang điều kiện bãi tự nhiên có bố trí 02 phương án cơng trình chỉnh trị nhằm đánh giá hiệu cơng trình việc làm suy giảm sóng tiến vào vùng cửa sông, sở để lựa chọn phương án chỉnh trị tốt khu vực - Việc phải có cơng trình chỉnh trị nhằm bảo vệ bờ, đê biển chống xói bãi tác động sóng biển khu vực cống Thanh Niên cần thiết Từ 02 phương án công trình nêu sở để giúp nhà quản lý có lựa chọn phương án tốt khu vực cần chỉnh trị Trong nghiên cứu tính đến m ột số phương án cơng trình trọng điểm nghiên cứu, cần phải tính tốn nhiều phương án cơng trình chỉnh trị để có đánh giá tốt, từ lựa chọn phương án bố trí cơng trình chỉnh trị hợp lý nhằm giảm thiểu tác động sóng, ổn định bờ, đê bãi tuyến luồng lạch đảm bảo giao thơng thủy lũ cho vùng nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Văn Bốn, 2006 Dự tính mực nước thủy triều ven bờ vịnh Bắc Bộ phần mềm Mike 21 HD Tạp chí khoa học cơng nghệ Thủy Lợi số 3/10, 2006 [2] Nguyễn Văn Hùng nnk Viện KHTLVN “ Điều tra trạng cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng (Ba Lạt, Trà Lý, Đáy, Ninh Cơ) kiến nghị giải pháp khai thác cách hoàn thiện phục vụ phát triển kinh tế”, Kết dự án ĐTCB năm 2009 [3] Nguyễn Khắc Nghĩa nnk Viện KHTLVN “ Xác định chiều cao sóng tính tốn thiết kế đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam”, Kết Đề tài trọng điểm cấp Bộ NN&PTNT 2007-2008 [4] Nguyễn Khắc Nghĩa nnk Viện KHTLVN ”Theo dõi diễn biến sạt lở vùng cửa sông, ven biển Nam Định”, Kết dự án ĐTCB giai đoạn 2005-2011 [5] Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển, Bộ NN&PTNT năm 2012 TẠP CH Í KH OA H ỌC VÀ C ÔN G N GHỆ TH Ủ Y LỢI SỐ 18 - 2013 ... trí cơng trình chỉnh trị (xem hình 11 hình 12) Bảng Các thơng số kỹ thuật phương án cơng trình chỉnh trị cửa Lạch Giang TT + + + + + + + + + + + + + Tên cơng trình Phương án cơng trình Đê giảm sóng. .. đây: Bảng Suy giảm chiều cao sóng truyền vào khu vực cửa Lạch Giang theo hướng khác (tính tốn với cơng trình PA1, tần suất P=1% ) TT Các hướng truyền sóng NE E SE Suy giảm chiều cao sóng cửa sơng... sóng cửa sơng sau có cơng trình bố trí theo PA1 (%) 86.2 86.1 79.0 Ghi Chiều cao sóng bị suy giảm so với chưa có cơng trình Bảng Suy giảm chiều cao sóng truyền vào khu vực cửa Lạch Giang theo