Cửa Đại là cửa sông tương đối quan trọng, có vị trí chiến lược trong phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh Quảng Nam. Nghiên cứu đã sử dụng mô hình MIKE21 tính toán các trường mực nước và dòng chảy trong các điều kiện gió mùa đông bắc và tây nam cho khu vực Cửa Đại.
Nghiên cứu MƠ PHỎNG TRƯỜNG DỊNG CHẢY TRONG GIĨ MÙA KHU VỰC CỬA ĐẠI Nguyễn Ngọc Thanh; Nguyễn Hồng Lân; Vũ Văn Lân Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Tóm tắt Cửa Đại cửa sơng tương đối quan trọng, có vị trí chiến lược phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Quảng Nam Trong năm gần đây, tượng xói lở, bồi tụ cửa sông xảy mạnh điều kiện thời tiết gió mùa hoạt động Nghiên cứu sử dụng mơ hình MIKE21 tính tốn trường mực nước dịng chảy điều kiện gió mùa đơng bắc tây nam cho khu vực Cửa Đại Kết rõ dịng chảy hai thời kỳ gió mùa có xu hướng ngược đặc điểm địa hình, hướng đường bờ nên dịng chảy mùa gió đơng bắc có giá trị 0,16 m/s nhỏ so với mùa gió tây nam 0,3 m/s Từ khóa: Mike 21 Flow; dịng chảy gió mùa, Cửa Đại Abstract Simulation of current system during monsoon season of Cua Dai river mouth area Cua Dai is an important river mouth located in the strategic socio-economic development area of Quang Nam province In recent years, the erosion and deposition at the estuarie have been occurring most strongly during the monsoon season The study used the MIKE21 model to calculate water level and simulate current system under northeast and southwest monsoon condition in Cua Dai area Studye results indicate that the current during two monsoon periods tends to be reversed Due to the topography and shoreline position, the speed of current in the northeast wind season is 0.16 m/s which is smaller than that of the southwest monsoon (0.3 m/s) Keywords: Mike21 Flow; Current in monsoon, Cua Dai Đặt vấn đề Cửa Đại cửa sông tương đối quan trọng, có vị trí chiến lược phát triển kinh tế - xã hội hai tỉnh Quảng Nam Quảng Ngãi.Trong năm gần đây, tượng xói lở, bồi tụ cửa sông xảy mạnh, điều kiện thời tiết diễn biến không bình thường Cứ vào mùa mưa lũ, tuyến kè ven biển Cửa Đại dài 4,5 km bị sóng đánh xói lở, nhiều điểm xói lở cịn ăn sâu vào mặt đường, ví tuyến độc đạo Âu Cơ, nơi có nhiều dự án du lịch hấp dẫn bị đe dọa “xóa sổ” Cuối tháng 3/2015, thời tiết thay đổi, đới gió mùa Đơng Bắc bất thường với cường độ mạnh, liên tục xuất nhiều ngày gây sóng to, vượt tràn qua hệ thống bao tải hàng cọc kè trước đây, đánh sâu vào bờ, gây sạt lở nặng khoảng 300 m bờ biển Cửa Đại [3] Để phòng tránh giảm nhẹ thiên tai khu vực cửa sông ven biển nước ta, cơng tác nghiên cứu xói lở bồi tụ cửa sơng dịng chảy thời kỳ gió mùa vấn đề có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn [1] Những thơng tin dịng chảy đặc biệt dịng chảy thời kỳ gió mùa sở khoa học quan trọng cần thiết Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu việc đề xuất, áp dụng biện pháp bảo vệ bờ biển, biện pháp quy hoạch sử dụng đất đai cách hợp lý nhằm giảm thiểu tác động bất lợi xói lở, bồi tụ kinh tế - xã hội Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng mơ hình Mike 21 Flow mơ xác định dịng chảy thời kỳ gió mùa khu vực cửa Đại Khu vực nghiên cứu mở rộng đến vùng nước sâu biển Đông bao gồm đảo Cù Lao Chàm theo kịch xác định trường dòng chảy khu vực nghiên cứu Cách tiếp cận nghiên cứu thể sơ đồ khối hình 1: Hình 1: Khung lôgic cách tiếp cận nghiên cứu Xây dựng mơ hình 3.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình Mike 21 Flow học; mơ đun vận chuyển tính tốn vận chuyển bùn cát; mô đun sinh thái; mô đun giám sát chất điểm Mơ hình Mike 21 Flow, DHI Water & Enviroment phát triển, hệ thống mơ hình cách tiếp cận mắt lưới linh hoạt Hệ thống mơ hình phát triển cho việc ứng dụng nghiên cứu hải dương học, môi trường vùng cửa sơng ven biển.Mơ hình gồm có phương trình liên tục, phương trình mơmen, phương trình mật độ, phương trình độ mặn [2] Mơ hình Mike 21 Flow bao gồm mô đun sau: Mô đun thủy động lực Cơ sở lý thuyết mô đun thủy động lực: Mô đun thủy lực phương pháp số phương trình nước nơng chiều - độ sâu - phương trình kết hợp Navier - Stoke lấy trung bình hệ số Renold khơng nén Nó bao gồm phương trình liên tục, phương Mơ đun thủy động lực học thành phần tính tốn hệ thống mơ hình Mike 21 Flow, cung cấp chế độ thủy lực cho khu vực tính tốn Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu trình động lượng, nhiệt độ, độ mặn phương trình mật độ Theo chiều nằm ngang hệ tọa độ đề hệ tọa độ cầu sử dụng • Phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng): ∂ζ ∂p ∂q + + = ∂t ∂x ∂y (1) • Phương trình bảo toàn động lượng theo phương X: ∂p ∂ p ∂ pq ∂ζ gp ( p + q ) + + + + gh C 2h2 ∂t ∂x h ∂y h ∂x ∂ h ∂ ∂ ( hτ xx ) + ( hτ xy ) − Ω q − fVVx + ( Pa ) = − ρ w ∂x ρ x ∂y ∂ w (2) • Phương trình bảo tồn động lượng theo phương Y: ∂q ∂ q ∂ pq ∂ζ gp ( p + q ) + + + + gh ∂t ∂y h ∂x h ∂y C 2h2 ∂ ∂ h ∂ − ( hτ yy ) + ( hτ xy ) − Ω p − fVVy + (P )= ρ w ∂y ∂x ρ w ∂y a Trong đó: h (x,y,t): Chiều sâu nước (m); ζ (x,y,t): Cao độ mặt nước (m); p, q (x,y,t): Lưu lượng đơn vị dòng theo hướng X, Y (m3/s/m) = uh, vh; u,v: u,v = lưu tốc trung bình chiều sâu theo hướng X, Y; C (x,y): Hệ số Chezy (m1/2/s); g: Gia tốc trọng trường (m/s2); f (V): Hệ số nhám gió; V; Vx; Vy(x,y,t): Tốc độ gió tốc độ gió thành phần theo hướng X, Y; Ω(p,q): Thông số Coriolis phụ thuộc vào vĩ độ (s-1); Pa : Áp suất khí (kg/m2/s); ρw: Khối lượng riêng nước (kg/m3); x, y: Tọa độ không gian (m); t: Thời gian (s); τxx, τxy, τyy: Các thành phần ứng suất tiếp hiệu dụng (3) 3.2 Nguồn tài liệu phục vụ nghiên cứu - Số liệu địa hình: Vùng nước nơng ven bờ biển đồ tỷ lệ 1/10000 đề tài “Lượng giá kinh tế xói lở - bồi tụ khu vực cửa sông cửa biển nhằm phục vụ công tác quản lý: nghiên cứu thí điểm cửa Đại (Quảng Nam) cửa Ninh Cơ (Nam Định)”mã sốTNMT.2015.04.10/10-15 cung cấp - Số liệu mực nước: Để phục vụ hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy động lực, số liệu mực nước thực đo trạm Sơn Trà sử dụng Với biên mực nước biển, sử dụng mô đun Tool Box Mike để tạo triều sử dụng số liệu mực nước triều toàn cầu để xác định biên mực nước - Số liệu gió khu vực nghiên cứu: Biên gió xác định lấy từ trạm quan trắc khí tượng thủy văn đảo Cồn Cỏ với số liệu thống kê gió năm 2015 thể qua bảng tần suất hoa gió sau Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu Khoảng tốc độ (m/s) 1,0 - 2,0 2,0 - 3,0 3,0 - 4,0 4,0 - 5,0 5,0 - 6,0 6,0 - 7,0 >=7,0 Tổng % Bảng 1: Tần suất gió trạm Cồn Cỏ 2015 Hướng gió N NE 0,41 8,95 0,69 4,27 0,83 2,89 0,28 2,89 0,69 3,17 0,14 0,55 0,28 2,48 3,31 25,21 E SE S SW 1,79 12,40 1,38 7,16 0,96 5,79 0,96 3,44 0,69 4,13 0,14 3,72 0,55 2,62 0,00 1,79 0,28 0,83 0,00 1,38 0,28 0,00 0,00 0,96 0,00 0,00 0,00 0,14 4,55 25,76 2,48 18,60 W NW 0,69 6,89 0,55 3,44 0,00 2,20 0,00 2,34 0,00 1,38 0,00 1,52 0,00 1,65 1,24 19,42 Lặng Tần suất (%) 39,67 20,11 14,60 10,47 7,71 3,44 4,00 100 Tổng số liệu đo đạc 284 146 106 76 56 25 33 141 3.3 Xây dựng miền tính, lưới tính Hình 2: Lưới tính biên mơ hình Miền tính mơ hình thiết lập hình bao gồm đảo Cù Lao Chàm vùng biển xung quanh mở rộng phía biển với khoảng cách bờ 40 km Lưới tính phi cấu trúc với tổng số nút lưới 50000 nút Mơ hình gồm biên với biên cứng đường bờ biển tỉnh Quảng Nam; biên hở thể hình Sau có miền tính, lưới tính, ta gắn cao độ địa trình bày phần liệu phía 3.4 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Việc hiệu chỉnh kiểm định mơ hình nhằm tìm thơng số ổn định để mơ kịch Trong mơ hình Mike, số Nash sử dụng để đánh giá độ xác, dựa vào cơng thức: Tạp chí Khoa học Tài ngun Môi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu Nash = ∑( X 1− ∑( X o ,i − X s ,i )2 o ,i − X o )2 Trong đó: X0,i mực nước triều thực đo trạm quan trắc sử dụng để hiệu chỉnh/kiểm định; X0,i - giá trị thực đo; Xs,i - giá trị mơ phỏng; X o giá trị thực đo trung bình chuỗi thực đo Hình 3: Kết hiệu chỉnh mơ hình Kết nghiên cứu thảo luận 4.1 Kịch mô Để đánh giá chế độ thủy động lực dịng chảy thời kỳ gió mùa khu vực cửa Đại, nghiên cứu đề xuất 02 kịch sau: - Kịch 1: Mơ trường dịng chảy thời kỳ gió mùa Đơng Bắc; - Kịch 2: Mơ trường dịng chảy thời kỳ gió mùa Tây Nam 4.2 Kết mơ a Kết mơ dịng chảy gió mùa Đông Bắc Kết mô cho ta trường mực nước tổng cộng vùng nghiên cứu trường dòng chảy khu vực Cửa Đại thể qua hình trang sau Thời kỳ gió mùa Đơng Bắc dịng chảy khu vực nghiên cứu có xu hướng dịng chảy từ phía Vịnh Đà Nẵng xuống phía Nam Quảng Nam Do Chuỗi số liệu trạm Sơn Trà từ ngày 1/2/2010 đến 7/2/2010 sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình kết xác định NASH = 0,87 Kết hiệu chỉnh kiểm định cho thấy thơng số mơ hình ổn định cho phép sử dụng để mô theo kịch Kết hiệu chỉnh kiểm định thể hình Hình 4: Kết kiểm định mơ hình phía Bắc Cửa Đại có địa hình đường bờ đảo đá nhơ kết hợp với hướng gió Đơng Bắc với vận tốc trung bình đạt 5,24 m/s, làm giảm tốc độ dòng chảy hướng từ bắc xuống nam vùng ven bờ biển Vùng ngồi khơi tốc độ dịng chảy trung bình đạt 0,25 m/s, vùng ven bờ biển tốc độ dịng chảy trung bình đạt từ 0,08 m/s đến 0,16 m/s Vào thời kỳ triều lên vùng sông có dịng chảy hướng từ biển vào sơng với tốc độ trung bình 0,08 m/s, xuất dịng rối khu vực cửa sơng Phía ngồi cửa sơng dịng chảy có hướng từ bắc xuống nam với tốc độ trung bình 0,2 m/s (hình 5) Vào thời kỳ triều xuống sơng có dịng chảy từ sơng biển kết hợp với dòng chảy biển hướng bắc nam tạo dòng chảy vùng cửa sơng có xu hướng lệch phía bờ nam Vùng bờ nam cửa sơng có tốc độ dòng chảy lớn với tốc độ dòng chảy trung bình 0,12 m/s (hình 6) Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu Hình 5: Mực nước dịng chảy gió mùa Đơng Bắc Hình 6: Trường dịng chảy thời kỳ triều lên b Kết mô dịng chảy gió mùa Tây Nam Kết mơ dịng chảy vào thời kỳ gió mùa Tây Nam thể trường dịng chảy với hướng từ nam lên phía Bắc, khu vực cửa sơng Đại đảo Cù Lao Chàm có nhiễu động lớn tốc độ dịng chảy hướng với tốc độ trung bình đạt 0,3 m/s Với tốc độ gió trung bình 4,35 m/s thời kỳ triều lên dịng chảy có xu hướng di chuyển vào sông với tốc độ trung Hình 7: Trường dịng chảy thời kỳ triều rút bình 0,09 m/s, khu vực sơng xuất dịng xốy trước nhánh sơng nhỏ Phía ngồi biển tốc độ dịng chảy lớn đạt 0,3 m/s (hình 8) Tốc độ gió tần suất xuất gió mùa Đơng Bắc lớn so với gió mùa Tây Nam chế độ dịng chảy vùng ven bờ vào thời kỳ gió Tây Nam lớn phía bờ bắc cửa Đại có bán đảo Sơn Trà làm giảm đà gió thổi tốc độ dịng chảy ven biển theo hướng đơng bắc Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu Hình 8: Mực nước dịng chảy gió mùa Tây Nam Hình 9: Trường dòng chảy triều lên triều rút cửa Đại Kết luận Nghiên cứu đánh giá xu dịng chảy vùng cửa sơng Đại vào thời kỳ gió mùa Đơng Bắc gió mùa Tây Nam Vào thời kỳ chế độ dòng chảy biển có xu thê ngược Vào thời kỳ gió mùa Đơng Bắc dịng chảy có hướng từ bắc xuống nam gió mùa Tây Nam ngược lại Khu vực cửa Đại có dịng chảy triều lên nhỏ dịng chảy triều xuống Vào thời kỳ gió mùa Đơng Bắc dịng chảy triều lên đạt 0,08m/s, dịng chảy triều xuống 0,12m/s Dòng chảy kỳ triều lên thời kỳ gió mùa Tây Nam đạt tốc độ trung bình 0,09 m/s Vào thời kỳ triều xuống vùng cửa sơng xuất dịng chảy lệch phía bờ nam cửa sông với tốc độ lớn vào thời kỳ gió mùa Đơng Bắc Tây Nam nguyên nhân gây xói bờ nam khu vực cửa sông (Xem tiếp trang 31) Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 16 - năm 2017 ... Kịch mô Để đánh giá chế độ thủy động lực dòng chảy thời kỳ gió mùa khu vực cửa Đại, nghiên cứu đề xuất 02 kịch sau: - Kịch 1: Mơ trường dịng chảy thời kỳ gió mùa Đông Bắc; - Kịch 2: Mô trường. .. dịng chảy có hướng từ bắc xuống nam gió mùa Tây Nam ngược lại Khu vực cửa Đại có dịng chảy triều lên nhỏ dòng chảy triều xuống Vào thời kỳ gió mùa Đơng Bắc dịng chảy triều lên đạt 0,08m/s, dòng chảy. .. Mô trường dịng chảy thời kỳ gió mùa Tây Nam 4.2 Kết mơ a Kết mơ dịng chảy gió mùa Đơng Bắc Kết mơ cho ta trường mực nước tổng cộng vùng nghiên cứu trường dòng chảy khu vực Cửa Đại thể qua hình