Bài viết sử dụng mô hình một chiều (MIKE 11) mô phỏng dòng chảy trong sông cung cấp lưu lượng, độ đục làm biên đầu vào cho mô hình Delft3D. MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy văn thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác.
Vietnam Journal of Marine Science and Technology; Vol 19, No 3B; 2019: 105–112 DOI: https://doi.org/10.15625/1859-3097/19/3B/14518 https://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst Research on effects of geo-hydrodynamics on topographic changes in the estuary of Cua Dai, Quang Nam province Dao Dinh Cham1,*, Nguyen Quang Minh1, Nguyen Thai Son1, Tran Tuan Dung2 Institute of Geography, VAST, Vietnam Institute of Marine Geology and Geophysics, VAST, Vietnam * E-mail: chamvdl@gmail.com Received: 25 July 2019; Accepted: October 2019 ©2019 Vietnam Academy of Science and Technology (VAST) Abstract Accretion and erosion processes recorded in the estuary of Cua Dai, Quang Nam province from 2014 to present have directly affected the issues of flooding drainage system, waterway traffic, aquaculture and seafood exploitation services These have been drawing special attentions of national and international scientists So far, several solutions are implemented to overcome these problems such as concreted embankments or dredging operations of the channel to open the sea The solutions, however, are just temporary to solve immediate situations but not long-term As a result of passive solutions, the shoreline is still seriously eroded and then the estuary of Cua Dai is re-accreted Annually, Vietnam government and local offices still spend a large budget and time for recovering and minimizing the effects of such catastrophes without long-term effectiveness One of the main causes of erosion and accretion of the Cua Dai estuary is hydrodynamic factors and the complex of sediment transportation The results show that the northeast waves with high frequency and intensity in combination with floods during the Northeast monsoon are considered to be main causes The accretion of estuary and formation of “Dinosaur island” in front of Cua Dai estuary is partly due to the combined sediment sources caused by the nearshore currents of northeast waves from the north direction and from the river by floods, especially the historical flood event in November, 2017 Keywords: Cua Dai, Quang Nam, MIKE, DELFT3D, coastal erosion, estuarine accretion Citation: Dao Dinh Cham, Nguyen Quang Minh, Nguyen Thai Son, Tran Tuan Dung, 2019 Research on effects of geohydrodynamics on topographic changes in the estuary of Cua Dai, Quang Nam province Vietnam Journal of Marine Science and Technology, 19(3B), 105–112 105 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển, Tập 19, Số 3B; 2019: 105–112 DOI: https://doi.org/10.15625/1859-3097/19/3B/14518 https://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst Nghiên cứu ảnh hƣởng chế độ thủy - thạch động lực đến biến động địa hình vùng cửa sơng Cửa Đại, tỉnh Quảng Nam Đào Đình Châm1,*, Nguyễn Quang Minh1, Nguyễn Thái Sơn1, Trần Tuấn Dũng2 Viện Địa lý, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Việt Nam Viện Địa chất Địa vật lý biển, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Việt Nam * E-mail: chamvdl@gmail.com Nhận bài: 25-7-2019; Chấp nhận đăng: 6-10-2019 Tóm tắt Hiện tượng xói lở bờ biển, bồi lấp cửa sông vùng cửa sông Cửa Đại, tỉnh Quảng Nam diễn từ năm 2014 đến ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề thoát lũ, giao thông thủy nơi hoạt động nuôi trồng, khai thác thủy - hải sản Chúng nhiều nhà khoa học nước quốc tế quan tâm nghiên cứu Cho đến nay, có số biện pháp khắc phục tai biến xây kè bảo vệ bờ biển, nạo vét để khơi thông luồng lạch cho tàu, thuyền qua lại vùng cửa sơng Các phương án mang tính bị động, giải tình trước mắt, khơng đem lại hiệu lâu dài sau thời gian bờ biển bị xói lở nghiêm trọng cửa sông Cửa Đại lại bồi lấp trở lại Hàng năm, nhà nước địa phương nhiều thời gian, kinh phí để khắc phục, giảm thiểu loại tai biến tr n khơng có hiệu lâu dài Một nguyên nhân gây tượng xói lở bờ biển, bồi lấp cửa sơng vùng cửa sông Cửa Đại yếu tố thủy động lực, vận chuyển bùn cát diễn mạnh mẽ phức tạp Kết báo cho thấy, nguyên nhân gây biến động vùng cửa sơng Cửa Đại, tỉnh Quảng Nam sóng hướng đơng bắc có tần suất cường độ lớn kết hợp với dịng chảy lũ thời kỳ gió mùa Đông Bắc Hiện tượng bồi lấp cửa sông việc hình thành “đảo khủng long” trước cửa sơng phần nguồn bùn cát từ phía bắc đưa xuống d ng chảy ven bờ sóng đơng bắc phần lớn bùn cát từ sông đưa theo trận lũ, đặc biệt lớn xảy từ trận lũ tháng 11/2017 Từ khóa: Cửa Đại, MIKE, DELFT3D, xói lở bờ biển, bồi lấp cửa sơng, vùng cửa sông ĐẶT VẤN ĐỀ hu vực uảng Nam - Đà N ng nơi thường xuy n chịu ảnh hưởng tác động nhiều loại h nh thi n tai khốc liệt hạn hán, bão, lũ lụt, ngập lụt, xói lở bờ sơng, bờ biển bồi lấp cửa sơng Ngồi ra, cấu trúc địa chất phức tạp bị chia cắt nhiều cửa sông đầm phá dải bờ biển iệt Nam nói chung Các tr nh thủy, thạch động lực diễn dải ven bờ khu vực phức tạp li n quan chặt chẽ tới tr nh động lực tự nhi n sóng, d ng chảy ven bờ vận chuyển bùn cát hoạt động người từ 106 hệ sang hệ khác vậy, tr nh xói lở bồi lấp cửa sơng, biến tiến, biển lùi xảy li n tục theo thời gian khó lường Đặc biệt, năm gần đây, gia tăng quy mô lẫn cường độ loại h nh thi n tai diễn biến phức tạp, mạnh mẽ tr nh xói lở bồi lấp vùng cửa sơng tỉnh uảng Nam dẫn tới thiệt hại đáng kể người của, ảnh hưởng ti u cực tới phát triển kinh tế - xã hội tỉnh năm 2014 tới nay, vùng cửa sơng Cửa Đại (hình 1) thu hút quan tâm đặc biệt dư luận cộng đồng khoa học xói Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ thủy - thạch lở bờ biển, bồi lấp cửa sông diễn cách nghiêm trọng theo thời gian không gian vậy, việc nghi n cứu để nắm bắt quy luật diễn biến tr nh thủy thạch động lực, biến động địa h nh l ng dẫn cửa sông, đặc biệt xu biến đ i địa h nh cửa sơng Cửa Đại có tầm quan trọng mặt khoa học ngh a to lớn mặt ứng dụng thực tiễn Nghi n cứu góp phần quan trọng cơng tác ph ng, tránh giảm nh tai biến thi n nhi n quản lý t ng hợp cách bền vững dải ven biển tỉnh Quảng Nam Hình Vùng cửa sông Cửa Đại tỉnh uảng Nam [Nguồn: GoogleEarth] Cho tới nay, có nhiều phương pháp nghi n cứu để giải vấn đề phương pháp thống k , phân tích tài liệu thu thập, mơ h nh vật l hay phân tích tài liệu thực đo uy nhi n, với ưu điểm phương pháp mơ h nh tốn nhiều nước ti n tiến tr n giới sử dụng Hà an, Anh, Australia [1–3] Việc áp dụng phương pháp mơ h nh tốn mơ chế độ thủy - thạch động lực vùng cửa sông Cửa Đại nhằm đánh giá trạng nguyên nhân ảnh hưởng đến biến động địa hình vùng cửa sơng Cửa Đại, Quảng Nam phục vụ cho việc khơi thông luồng lạch việc làm cần thiết nhằm đáp ứng yêu cầu xã hội ngư dân vùng ven biển cửa sông Cửa Đại Trong khuôn kh báo này, tr nh bày kết nghiên cứu biến động địa hình vùng cửa sơng Cửa Đại tỉnh Quảng Nam phương pháp mơ h nh tốn dựa tr n mô h nh áp dụng rộng rãi giới Việt Nam mơ hình MIKE Delft3D PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Giới thiệu mơ hình MIKE Hiện giới có nhiều mơ hình sử dụng để mơ trình thủy động lực vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, vùng biển như: DELFT, TELEMAC, SMS, MECCA hay MIKE Tuy nhiên, phần mềm MIKE Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng phát triển, nhiều quốc gia giới có biển sử dụng ph biến Vì mơ hình MIKE xây dựng có lưới tính linh hoạt tốn có địa h nh đa dạng phức tạp Hệ thống mô h nh phát triển ứng dụng nghiên cứu l nh vực hải dương học, môi trường vùng cửa sông, ven biển Hiện nay, Viện Thủy lực Đan Mạch có phần mềm chiều, chiều chiều bao gồm 107 Đào Đình Châm nnk số module tính dịng chảy thông dụng chuyên sử dụng để mô tính tốn: Trường dịng chảy, trường sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước sinh thái cho vùng sông lục địa, cửa sông, vịnh vùng ven biển Trong báo này, sử dụng mơ hình chiều (MIKE 11) [4] mơ dịng chảy sơng cung cấp lưu lượng, độ đục làm bi n đầu vào cho mơ hình Delft3D MIKE 11 phần mềm kỹ thuật chuyên dụng, ứng dụng để mô chế độ thủy văn thủy lực, chất lượng nước vận chuyển bùn cát cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn hệ thống dẫn nước khác Đây mơ hình tích hợp, bao gồm module chuyên dụng độc lập phục vụ thực nhiệm vụ khác như: Mô đun thuỷ lực (Hydrodynamic - HD); Mô đun tải khuyếch tán (Advection Dispersion - AD); Mô đun sinh thái (Ecolab), Mô đun vận chuyền bùn cát (Sediment transport-ST) Giới thiệu mơ hình Delft3D Mơ hình Delft3D Delft Hydraulics (Hà Lan) phát triển [5] Sự lan truyền biến đ i sóng biển mơ hình hóa mô đun Delft3D-WAVE dựa tr n sở mô hình SWAN Sự thay đ i trường mực nước, vận tốc dòng chảy, vận chuyển bùn cát biến đ i đáy mơ hình hóa mơ đun Delft3D-FLOW Kết mực nước, dòng chảy địa h nh đáy từ Delft3D-F OW dùng để làm điều kiện đầu vào cho mơ hình sóng Delft3D-WAVE Kết tính tốn sóng dịng chảy sóng từ Delft3D-WAVE lại sử dụng làm đầu vào cho Delft3D-F OW để tính tốn dịng chảy, vận chuyển bùn cát biến đ i đáy bước tính Thiết lập mơ hình cho khu vực cửa sơng Cửa Đại Số liệu địa hình Ở khu vực cửa sơng Cửa Đại: Được sử dụng từ số liệu đo vẽ để thành lập đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 Viện Địa lý thực vào tháng 3/2017 Ở khu vực biển sâu: Sử dụng số liệu đồ địa hình 1:50.000 Bộ Tài ngun Mơi trường thành lập Số liệu địa hình tồn cầu Gebco 2019 [6] Số liệu điều kiện biên Biên sóng số liệu từ chuỗi số liệu sóng tái phân tích tồn cầu Cục Khí Đại dương Hoa ỳ [7] Hình Thiết lập mơ hình tốn cho khu vực nghiên cứu 108 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ thủy - thạch Bi n gió lấy từ số liệu gió tái phân tích Trung tâm Nghiên cứu khí quốc gia Hoa Kỳ (NCAR) [8] Số liệu dùng cho biên phía biển số điều hịa 10 sóng: Q1,O1, P1, K1, M2, S2, K2, N2, MF, MM Ứng với đoạn biển tương ứng có số điều hịa khác Mô h nh sử dụng chuỗi số liệu đo đạc 17 năm từ nguồn đo đạc từ vệ tinh TOPEX/Poseidon ưu lượng nước, độ đục trích từ kết mơ hình MIKE11 thuộc đề tài cấp Nhà nước KC 09.03/16–20 Viện Địa l quan chủ trì Số liệu thành phần cấp hạt lấy mẫu phân tính từ tháng 3/2017 với kích thước hạt trung bình d50 = 0,32 mm Số liệu hiệu chỉnh mơ hình sóng dịng chảy đo đạc từ máy AWAC vị trí (108o24’E, 15o53’E) (hình 2) Hiệu chỉnh mơ hình Để đảm bảo mơ hình có kết tốt mơ mơ h nh tốn th bước hiệu chỉnh bước quan trọng iệc hiệu chỉnh mô h nh thực vị trí đặt thiết bị đo sóng dịng chảy (AWAC) với yếu tố sóng (hướng sóng, chu kỳ, độ cao sóng) dịng chảy (vận tốc dòng chảy, hướng dòng chảy mực nước) Chúng h nh 3, so sánh kết mơ mơ hình thực đo cho thấy phù hợp với đo đạc thực tế tất yếu tố đảm bảo cho việc mô thời gian Hình Kết so sánh mơ hình Deflt3D thực đo vị trí đặt thiết bị AWAC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Kết mô cho thấy vùng cửa sơng Cửa Đại có chế độ thủy động lực mạnh mẽ, thường xuất chủ yếu từ tháng năm trước đến tháng năm sau, trùng với thời kỳ gió mùa Đơng Bắc Trong thời điểm sóng có độ cao 1,0 m xuất với tần suất lớn nhất, tập trung chủ yếu vào tháng 10 tháng 11 hàng năm trùng với thời kỳ lũ xuất tr n sơng hu Bồn Dịng chảy vào mùa lũ lớn, vận tốc dòng chảy có giá trị lớn 1,0 m/s, tập trung chủ yếu khu vực phía cửa sơng Đối với khu vực phía ngồi cửa sơng, vận tốc dịng chảy t ng hợp thường có giá trị nhỏ tác động mạnh sóng biển có hướng đơng bắc - trùng với hướng dòng chảy lũ ự tương tác mạnh yếu tố sông, biển với trước cửa sơng tạo thành vịng cung, hầu hết yếu tố thủy động lực vận tốc nhỏ, nguyên nhân hình thành lên dải cát lớn, chắn ngang trước cửa sơng (hình 4a–4b) Tuy nhiên, tháng mùa hè từ tháng đến tháng hàng năm, dịng chảy sơng vùng cửa sơng Cửa Đại có vận tốc nhỏ, nhiều lúc gần khơng thấy xuất dịng chảy từ sông Tại vùng này, xuất 109 Đào Đình Châm nnk chủ yếu dịng chảy triều dịng chảy ven bờ sóng đơng nam (hình 4b hình 5) Trên hình 6a cho thấy, vùng cửa sơng Cửa Đại phía ngồi biển dịng chảy có hướng tây bắc - đông nam với chiếm ưu d ng chảy hướng đông nam so với hướng tây bắc Sóng khu vực này, chịu ảnh hưởng chủ đạo sóng a) đơng bắc (chiếm tới > 70%) so với hướng đông nam Đặc biệt, khu vực phía bắc cửa sơng, địa hình ven bờ dốc, đường đẳng sâu 5,0 m sát bờ nên dịng chảy ven bờ có hướng phía nam sóng hướng đơng bắc lớn (hình 6b) thời điểm b) Hình rường dịng chảy khu vực Cửa Đại có lũ (a) khơng có lũ (b) a) b) Hình rường sóng khu vực Cửa Đại có lũ (a) khơng có lũ (b) o sánh kết mô độ đục mô h nh Delft3D cho thấy, phân bố độ đục khu vực Cửa Đại có tương đồng với liệu ảnh vệ tinh entinel-2A [9] chụp vào lúc h ngày 14/11/2017 (h nh 7) hời điểm này, khoảng thời gian xuất lũ lớn tr n 110 sông u Gia - hu Bồn năm 2017 Như vậy, khẳng định nguồn cung cấp bùn cát chủ yếu từ sông đưa từ trận lũ tháng 11/2017 h nh thành l n “đảo khủng long” phía trước cửa sơng Cửa Đại (hình 8) Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ thủy - thạch a) b) Hình Hoa dịng chảy t ng hợp (a) hoa sóng (b) a) b) Hình Kết phân bố độ đục mơ hình Delft3D (a) ảnh vệ tinh Sentinel (b) chụp vào ngày 8h ngày 14/11/2017 vùng cửa sơng Cửa Đại Hình Kết mô biến đ i địa h nh đáy khu vực Cửa Đại 111 Đào Đình Châm nnk KẾT LUẬN Nghi n cứu mô h nh Delft3D mô chế độ thủy động lực vận chuyển bùn cát cho vùng cửa sông Cửa Đại, tỉnh uảng Nam trùng với thực tế xảy Kết mô làm sáng tỏ h nh thành dải cát chắn ngang cửa sông Cửa Đại; Ngun nhân tương tác dịng chảy lũ sóng biển gây thời kỳ gió mùa Đơng Bắc trùng với trận lũ tháng 11/2017 - tương ứng tần suất lũ 10 năm xuất lần Kết tính tốn cho thấy, dịng chảy lũ mang lượng bùn cát 700.000 m3 từ sơng Thu Bồn phía cửa sơng hình thành lên ”đảo khủng long” phía trước cửa sơng Cửa Đại Lời cảm ơn: Bài báo phần kết nghiên cứu đề tài cấp Nhà nước mã số KC09.03/16–20 Tập thể tác giả báo xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học Công nghệ cấp kinh phí để triển khai thực đề tài 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] van Rijn, L C., 1993 Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas (Vol 1006) Amsterdam: Aqua publications [2] van Rijn, L C., 2007 Unified view of sediment transport by currents and waves I: Initiation of motion, bed roughness, and bed-load transport Journal of hydraulic Engineering, 133(6), 649–667 [3] van Rijn, L C., 2007 Unified view of sediment transport by currents and waves II: Suspended transport Journal of Hydraulic Engineering, 133(6), 668–689 [4] DHI, 2019 Users Manual: MIKE 11 Danish Hydraulic Institute [5] Delft Hydraulics, 2006 Delft3D-Flow User Manual; Delft3D-Wave User Manual [6] https://www.gebco.net/data_and_products /gridded_bathymetry_data/ [7] https://polar.ncep.noaa.gov/waves/ [8] https://rda.ucar.edu/ [9] https://glovis.usgs.gov/app?fullscreen=0 ... phương pháp mơ h nh tốn mơ chế độ thủy - thạch động lực vùng cửa sông Cửa Đại nhằm đánh giá trạng nguyên nhân ảnh hưởng đến biến động địa hình vùng cửa sơng Cửa Đại, Quảng Nam phục vụ cho việc khơi... https://doi.org/10.15625/185 9-3 097/19/3B/14518 https://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst Nghiên cứu ảnh hƣởng chế độ thủy - thạch động lực đến biến động địa hình vùng cửa sơng Cửa Đại, tỉnh Quảng Nam Đào Đình Châm1,*,... đăng: 6-1 0-2 019 Tóm tắt Hiện tượng xói lở bờ biển, bồi lấp cửa sông vùng cửa sông Cửa Đại, tỉnh Quảng Nam diễn từ năm 2014 đến ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề thoát lũ, giao thông thủy nơi hoạt động