Mô phỏng trường thủy động lực khu vực cửa Nhật Lệ, Quảng Bình

VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 Original Article Simulation of the Hydrodynamic Field in Nhat Le Estuary, Quang Binh Province Nguyen Xuan Loc*, Dang Dinh Duc, Tran Vinh Quang VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Received 17 September 2019 Revised 29 August 2020; Accepted 31 August 2020 Abstract: Hydrodynamic field is the primary research problem of all studies on coastal estuarine areas Over the years, there have been many studies on Nhat Le estuary's region (Quang Binh) Still, these studies have not focused on simulating the characteristics of the hydrodynamics of this area This study presents the ability to apply a mathematical model to simulate hydrodynamic fields for the region of Nhat Le estuary and Quang Binh sea by constructing the MIKE 21 model set based on the actual measurement database by the Center for Environmental Fluid Dynamics implemented in 2018 Through the calculation scenarios under different conditions, the longshore current mainly consists of Southeast - Northwest (especially with NE waves, the current direction is Northwest Southeast) with current speed mostly in the range of 0.1 - 0.4 m/s In estuarine areas, river flows have complicated developments, including many component flows In the dry season, the river flow is not strong and is dominated by changes in the tide phase, withdrawal in a day There are days of high flood flow in the flood season, overwhelming the tidal currents; the maximum flow velocity at the door can reach more than m/s Waves in the southwest monsoon season are relatively small, about 0.25 - 0.6 m; while the waves in the Northeast monsoon season are quite large and very strong during the storm, but when the depth is about -3 to -4 m, the wave height decreases sharply, spreading to the door In particular, when there are floods in the river, the waves that propagate through this depth will almost calm Keywords: Nhat Le estuary, hydrodynamics, simulation.* * Corresponding author E-mail address: nxloc@hus.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4460 N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 Mô tr-ờng thủy động lực khu vực cửa Nhật lệ, Quảng Bình Nguyn Xuõn Lc*, ng Đình Đức, Trần Vinh Quang Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 17 tháng năm 2019 Chỉnh sửa ngày 29 tháng năm 2020; Chấp nhận đăng ngày 31 tháng năm 2020 Tóm tắt: Trường thủy động lực vấn đề nghiên cứu tất nghiên vùng cửa sông ven biển Nhiều năm qua, có nhiêu nghiên cứu khu vực cửa Nhật Lệ (Quảng Bình) nghiên cứu chưa thực tập trung vào mô đặc điểm trường thủy động lực khu vực Nghiên cứu trình bày khả ứng dụng mơ hình tốn để mô trường thủy động lực cho khu vực cửa Nhật Lệ, Quảng Bình thơng qua xây dựng mơ hình MIKE 21 dựa sở liệu thực đo Trung tâm Động lực học- Thủy khí- Mơi trường thực năm 2018 Thông qua kịch tính tốn điều kiện khác nhau, dịng chảy dọc bờ chủ yếu có hướng Đơng Nam – Tây Bắc (riêng với sóng Đơng Bắc, hướng dịng chảy Tây Bắc – Đơng Nam) với vận tốc dịng chảy dao động chủ yếu khoảng 0,1 – 0,4 m/s Ở khu vực cửa sơng, dịng chảy sơng có diễn biến phức tạp, bao gồm nhiều dòng chảy thành phần Vào mùa kiệt, dịng chảy sơng khơng mạnh bị chi phối biến đổi theo pha triều dâng, rút ngày Vào mùa lũ, có ngày dòng chảy lũ lớn, lấn át dòng triều, vận tốc dịng chảy lớn cửa lên tới 6m/s Sóng mùa gió Tây Nam nhỏ khoảng 0,25 – 0,6m; sóng mùa gió Đơng Bắc lớn mạnh lúc có bão, đến độ sâu khoảng -3m đến -4m độ cao sóng giảm mạnh, lan truyền đến sát cửa sơn Đặc biệt, có lũ sơng ra, sóng lan truyền qua độ sâu gần lặng sóng Từ khóa: cửa Nhật Lệ, thủy động lực, mô Mở đầu* Dọc bờ biển miền Trung Việt Nam có nhiều cửa sơng với nhiều đặc trưng thủy động lực khác tương ứng Các yếu tố thủy động lực yếu tố bản, tác động trực tiếp đến trình vận chuyển trầm tích, sinh học, sinh thái,… đồng thời thông số quan trọng để thiết kế, thi cơng cơng trình thủy khu vực cửa sơng Vì thế, việc nghiên cứu, mơ làm rõ yếu tố đặc trưng giúp nhà quản lí địa phương đưa * Tác giả liên hệ: Địa email: nxloc@hus.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4460 sách phát triển kinh tế phù hợp với địa phương Đã có nhiều nghiên cứu mô thủy động lực khu vực biển Bắc Trung Bộ Quảng Bình nói chung, khu vực cửa Nhật Lệ nói riêng tiến hành nhiều năm qua Điển ứng dụng mơ hình MIKE Flood tính tốn ngập lụt hệ thống sơng Nhật Lệ tỉnh Quảng Bình [1], đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến ngập lụt lưu vực sơng Nhật Lệ [2], nghiên cứu rủi ro người ngập lụt lưu vực sông Kiến N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 Giang sông Long Đại Quảng Bình [3], nghiên cứu điều kiện sóng gần bờ khu vực cửa Nhật Lệ [4] Các nghiên công trình nghiên cứu cơng bố liên quan thu kết quan trọng, góp phần làm sáng tỏ đặc điểm trường thủy động lực khu vực Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung vào mục tiêu nghiên cứu khác vấn đề vấn đề riêng rẽ điều kiện thủy động lực khu vực ngập lụt, vận chuyển trầm tích xói lở bờ,… chưa hồn tồn tập trung vào trường thủy động lực khu vực cửa Nhật Lệ nguồn tư liệu quý giá cho nghiên cứu trường thủy động lực khu vực Bắc Trung Bộ Quảng Bình nói chung, cửa Nhật Lệ nói riêng, có nghiên cứu Nghiên cứu trình bày khả ứng dụng mơ hình tốn để mơ trường thủy động lực cho khu vực cửa Nhật Lệ, Quảng Bình Cửa Nhật Lệ cách trung tâm thành phố Đồng Hới khoảng km phía Đơng Bắc Đây nơi tận sông tên bắt nguồn từ đỉnh Trường Sơn phía Tây Quảng Bình đổ biển Hướng đường bờ khu vực cửa Nhật Lệ chạy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam Với hướng đường bờ này, khu vực cửa Nhật Lệ chịu ảnh hưởng mạnh sóng Đơng Bắc Đông kết hợp với lũ thường tập trung vào tháng X, XI, XII khiến trường thủy động lực khu vực phức tạp Ngoài Quảng Bình thường xuyên chịu ảnh hưởng bão khoảng thời gian từ tháng VIII – X, gây nhiều thiệt hại nặng nề cho khu vực Tổng hòa yếu tố này, việc mô trường thủy động lực từ nắm bắt đặc điểm trường thủy động lực có tác động lớn tới kế hoạch phịng chống thiên tai sách phát triển địa phương Hình Khu vực cửa Nhật Lệ Phương pháp tài liệu 2.1 Phương pháp cách tiếp cận Có nhiều phương pháp khác để đánh giá, phân tích trường thủy động lực khu vực, có hai phương pháp phân tích mơ hình phân tích kinh nghiệm Phương pháp phân tích mơ hình thể tính trực quan, theo dõi dễ dàng giúp cho việc đánh giá, nhận xét cách khách quan phương pháp phân tích kinh nghiệm Hiện nay, phương pháp phân tích mơ hình gồm hai phương pháp mơ hình vật lý mơ hình tốn (mơ hình giải tích mơ hình số) Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích mơ hình số tính trực quan, sinh động, dễ theo dõi đánh giá, cho phép mô tả q trình (theo thời gian) tồn miền nghiên cứu (theo không gian), thực nhanh, kết phân tích mang tính định tính định lượng Trên giới có nhiều mơ hình tốn sử dụng như: MIKE, DELFT 3D, SMS,… đó, mơ hình MIKE sử dụng nhiều nước giới Việt Nam, mơ hình có đủ chức đáp ứng việc giải tốn thực tế, có tốn mơ trường thủy động lực Mô đun liên hợp MIKE21 FM (HD SW) chương trình sử dụng cho nghiên cứu 2.2 Khảo sát thực địa thu thập số liệu Nghiên cứu tiến hành thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nguồn số liệu sóng tái phân tích Trung tâm dự báo khí tượng hạn vừa Châu Âu (ECMWF) nguồn số liệu sóng ven bờ, chế độ dịng chảy, mực nước, địa hình, khu vực cửa Nhật Lệ từ số liệu khảo sát thực địa Trung tâm Động lực học Thủy khí Mơi trường (CEFD), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQGHN đo đạc tháng tháng 6/2018 (đợt 1: 23 – 26/4/2018; đợt 2: 25/5 – 08/06/2018) cho hiệu chỉnh kiểm định mơ hình mơ trường thủy động lực khu vực cửa Nhật Lệ Tần suất xuất sóng theo độ cao từ nguồn số liệu từ ECMWF thống kê từ 1979 đến 2018 cho thấy, độ cao sóng chủ yếu nằm N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 khoảng từ 0,5 đến 1,0 chiếm 50,47% Hướng sóng khu vực ngồi khơi cửa Nhật Lệ gồm hướng hướng Đông Bắc, Đông Đông Nam chiếm tần suất 25,59%, 32,05% 21,52% Với khu vực khảo sát địa hình đo vẽ theo tỷ lệ 1:5000, thực khảo sát với khoảng cách điểm tuyến mặt cắt khoảng 10m, khoảng cách mặt cắt khoảng 50 100m (phần biển) từ 30 – 50m (phần sông) Khu vực phía ngồi khơi, khơng đủ số liệu khảo sát bổ sung số liệu hải đồ thu thập từ báo cáo “Điều tra địa chất tìm kiếm khống sản rắn biển ven bờ (0 đến 30 mét nước) Việt Nam tỷ lệ 1:500.000” bao gồm mảnh số 14 mảnh số 15 (Hình 2) Số liệu đo đạc hai đợt khảo sát thực địa bao gồm địa hình khu vực nghiên cứu, số liệu khảo sát thủy hải văn khu vực cửa Nhật Lệ bao gồm yếu tố sóng, dịng chảy, mực nước khu vực cửa Nhật Lệ sử dụng nghiên cứu Sơ đồ trạm đo thể Hình Kết đo đạc cho thấy, đợt khảo sát thứ nhất, độ cao sóng trung bình khoảng 0,51m (Hình 4), hướng sóng chủ đạo hướng Đơng Đơng Bắc (Hình 5) Vận tốc dịng chảy trung bình vị trạm đo sóng - dịng chảy 0,143m/s (Hình 8) Trong đợt khảo sát thứ hai, độ cao sóng trung bình 0,39m (Hình 6), hướng sóng chủ đạo Đơng Đơng Bắc (Hình 7); vận tốc dịng chảy trung bình trạm đo sóng – dịng chảy 0,151 m/s (Hình 9) Hình Hải đồ khu vực nghiên cứu Hình Độ cao sóng đợt khảo sát thứ (25/5 – 8/6/2018) Hình Vị trí trạm đo đạc sóng, dịng chảy Hình Hoa sóng đợt khảo sát thứ (25/5 – 8/6/2018) N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 Hình Độ cao sóng đợt khảo sát thứ hai (25/5 – 8/6/2018) Hình Hoa sóng đợt khảo sát thứ hai (11 – 26/12/2019) Hình Vận tốc dòng chảy cửa đầm đợt khảo sát thứ (25/5 – 8/6/2018) Hình Vận tốc dòng chảy đợt khảo sát thứ hai (11 – 26/12/2019) 2.3 Thiết lập mơ hình tốn Trường thủy động lực khu vực cửa Nhật Lệ mô mơ hình MIKE 21/3 Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng Mơ hình xây dựng dựa lưới phần tử hữu hạn, nên địa hình thể tối ưu với bước lưới phi cấu trúc hình tam giác Ưu điểm mơ hình mơ xác đặc tính địa hình khu vực nghiên cứu, với nhiều tỷ lệ mắt lưới khác địa hình hai mô đun quan trọng MIKE21 HD MIKE21 SW Việc liên kết động mơ đun cho phép tính toán tác động qua lại, lẫn q trình tương tác sóng - dịng chảy, ảnh hưởng trình khác Đây hai mô đun sử dụng để mô kết mơ mơ hình hiệu chỉnh kiểm định qua số liệu thực đo thông qua hai đợt khảo sát CEFD thực Xây dựng lưới tính thiết lập mơ hình tính tốn sở cân đối thời gian tính tốn, phạm vi tính tốn, độ chi tiết địa hình, độ phân giải lưới tính xu phù hợp chất vật lý trình thủy động lực vùng ven bờ Căn mục tiêu nghiên cứu liệu thu thập, khảo sát miền tính toán xác định trung tâm cửa Nhật Lệ bờ biển hai bên Miền tính mở rộng hai phía Bắc Nam khu vực dự án nhằm mục đích giảm ảnh hưởng biên xét nguồn phát sinh vật chất ảnh hưởng đến khu vực cửa sơng, đồng thời tính tốn đặc điểm bờ biển hai bên bờ cửa Nhật Lệ + Biên ngồi biển: biên phía Bắc cách khu vực cửa sơng khoảng 7km biên phía Nam cách cửa sơng khoảng 9km biên phía Đơng cách cửa sơng khoảng 4,5km + Biên sông: kéo dài sâu vào tới cầu Quán Hàu + Độ phân giải: lưới tính miền lớn xây dựng với số lượng 15817 phần tử, độ phân giải ô lưới tùy biến từ cao đến thấp tùy theo mức độ quan tâm khu vực với kích thước N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 ô nhỏ khoảng 20 - 30m, ô lớn khoảng 400 - 500m (ở khu vực biển nước sâu) Lưới tính thiết lập từ đồ địa hình CEFD thực liệu độ sâu tồn cầu GEBCO_2019 (Hình 10 Hình 11) Các điều kiện mơ hình: - Số liệu sóng ngồi khơi nhận từ điểm có số liệu sóng tái phân tích tồn cầu (từ nguồn ECMWF) gần khu vực nghiên cứu sử dụng để làm biên đầu vào cho biên phía Biển Đơng - Số liệu mực nước thủy triều (thiên văn) dự tính từ công cụ MIKE 21 Toolbox sử dụng làm điều kiện biên mực nước cho mơ hình Hình 10 Lưới tính tốn khu vực nghiên cứu - Số liệu mực nước dịng chảy cho biên sơng cầu Qn Hàu tính tốn từ mơ hình thủy lực chiều (MIKE 11) xây dựng khuôn khổ Dự án: “Nghiên cứu thủy tai biến đổi khí hậu xây dựng hệ thống thơng tin nhiều bên tham gia nhằm giảm thiểu tính dễ bị tổn thương Bắc Trung Bộ Việt Nam (CPIS)” thuộc Chương trình thí điểm hợp tác nghiên cứu Việt Nam – Đan Mạch 2012 - 2015 trường Đại học Khoa học Tự nhiên chủ trì thực năm 2014 - Số liệu dịng chảy ngồi biên ngồi khơi thu thập từ nguồn số liệu dịng chảy từ mơ hình đại dương hỗn hợp (HYCOM) Trung tâm Nghiên cứu Dự báo Khí tượng – Hải dương Mỹ (COAPS) Hình 12 Thơng số nhám Manning xây dựng biến đổi tồn miền tính Hình 13 Hiệu chỉnh vận tốc dịng chảy Hình 11 Địa hình khu vực nghiên cứu Hình 14 Hiệu chỉnh độ cao sóng N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 Để kết từ mơ hình xây dựng đưa xác, nghiên cứu tiến hành hiệu chỉnh – kiểm định mơ hình theo chuỗi số liệu đo đạc thực đo Số liệu sóng dịng chảy thời kì khảo sát từ ngày 25/5 – 8/6/2018 sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình số liệu thời gian từ 11 – 26/12/2019 sử dụng để kiểm định mơ hình Các thơng số hiệu chỉnh bao gồm thơng số nhám đáy, ma sát gió Trong thông số nhám đáy cho mô đun thủy lực HD sử dụng số Manning biến đổi tồn miền tính (Hình 12), hệ số ma sát gió biến đổi theo vận tốc gió từ 0,001255 – 0,002425 Kết hiệu chỉnh mơ hình thời đoạn thể từ Hình 13 đến Hình 15 kết kiểm định mơ hình thể Hình 16 đến hình 18 Các kết hiệu chỉnh kiểm định đánh giá sai số thông qua số RMSE RMSE = √ ∑𝑛𝑡=1(𝑥𝑡𝑜𝑏𝑠 − 𝑥𝑡𝑠𝑖𝑚 ) Hình 17 Kiểm định độ cao sóng b Thực đo a Tính tốn Hình 18 Kiểm định hướng sóng 𝑛 Trong đó: 𝑥𝑡𝑜𝑏𝑠 giá trị quan trắc thời điểm t, 𝑥𝑡𝑠𝑖𝑚 giá trị tính tốn thời điểm t Bảng Bảng đánh giá sai số theo số RMSE Yếu tố Độ cao sóng Vận tốc dịng chảy Hiệu chỉnh 0,09 0,08 Kiểm định 0,13 0,09 Giai đoạn a Tính tốn b Thực đo Hình 15 Hiệu chỉnh hướng sóng Hình 16 Kiểm định vận tốc dịng chảy Theo đó, kết đánh giá sai số thu tương đối tốt (tiến gần tới sai số 0) sóng dịng chảy So sánh với kết số nghiên cứu sử dụng RMSE để đánh giá sai số [6 - 11], kết sai số thu từ nghiên cứu tốt, RMSE nằm khoảng 0,08 – 0,09 cho dòng chảy so với số nghiên cứu nghiên cứu mô trường thủy động lực vùng ven bờ Rio de la Plata Montevideo [6] cho RMSE dòng chảy khoảng 0,112 – 0,321, RMSE = 0,18 – 0,97 nghiên cứu mô thủy động lực khu vực đầm Shongkhla Thái Lan [8] Ngồi RMSE cho độ cao sóng thu từ hiệu chỉnh kiểm định, nằm khoảng 0,09 – 0,13, kết tốt so với số nghiên cứu RMSE cho độ cao sóng nằm khoảng 0,3 – 0,38 [10], 0,17 – 0,43 cho độ cao sóng gió sóng N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 lừng nghiên cứu Qingxiang Liu cộng [11] Từ kết thấy, thơng số mơ hình xây dựng có tính ổn định xác việc mơ q trình thủy động lực khu vực nghiên cứu có đủ tin cậy để mơ kịch tính tốn sau 2.4 Xây dựng kịch tính tốn Các kịch tính tốn đưa nhằm mơ điều kiện thủy động lực xảy khu vực cửa Nhật Lệ, để từ đánh giá nêu đặc điểm trường thủy động lực khu vực nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành xây dựng kịch mô cho khu vực nghiên cứu bao gồm mô trường thủy động lực điều kiện bình thường kịch tính tốn theo đặc trưng thủy hải văn với điều kiện sóng Bảng Ba hướng sóng đặc trưng cho hai hướng gió thịnh hành khu vực nghiên cứu hướng gió Đơng Bắc Tây Nam, sóng hướng Đơng sóng hướng chủ đạo Các điều kiện sóng tính tốn kịch dựa theo thống kê số liệu sóng tái phân tích (từ nguồn số liệu ECMWF) từ năm 1979 – 2018, theo đó: sóng hướng Đơng Bắc Đơng, tần suất độ cao sóng từ – 2m chiếm 82% 99% tần suất độ cao sóng hướng; sóng hướng Tây Nam, tần suất độ cao sóng từ – 1,5m chiếm 99% tần suất độ cao sóng hướng Tây Nam Có thể thấy, thơng số độ cao sóng phù hợp, đủ để mơ tả đặc trưng đặc điểm trường khu vực điều kiện đầu vào cho nhóm kịch mơ đặc trưng sóng kết hợp lũ (lũ tần suất 10%) kiệt sông Nhật Lệ Bảng Các kịch tính tốn Trong sơng Kiệt Lũ KB1 KB4 KB2 KB5 KB3 KB6 Hình 19 Đường trình lũ 10% Qn Hàu (sơng Nhật Lệ) Hình 20 Đường bão Doksuri (9/2017) Đối với kịch điều kiện trạng – mơ hai mùa gió Đơng Bắc Tây Nam (các điều kiện thủy động lực trạng thời điểm mô phỏng), trong khu vực nghiên cứu khơng có tài liệu quan trắc dài hạn nên nghiên cứu sử dụng số liệu sóng ngồi khơi biên ngồi miền tính trích xuất từ sở liệu sóng tái phân tích tồn cầu (từ nguồn số liệu ECMWF) để tính tốn Ngồi ra, với đặc điểm Quảng Bình thường xuyên chịu tác động bão, nghiên cứu mô thêm trường hợp bão vào khu vực nghiên cứu (KB7), bão Doksuri (cơn bão số 10) đổ vào khu vực 9/2017 Sóng Đơng Bắc (H=2m, T=7s) Đơng (H=2m, T=6s) Đông Nam (H=1,5m, T=5s) Kết mô 3.1 Kịch điều kiện bình thường i) Mùa gió Tây Nam Với điều kiện thủy động lực bình thường, mùa gió Tây Nam (Hình 21), vận tốc dòng N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 chảy vào mùa khơng q lớn, vận tốc dịng chảy khu vực biển khoảng 0,1 – 0,2 m/s thường có dịng chảy dọc bờ hướng Đơng Nam - Tây Bắc, sông khoảng 0,2 – 0,4 m/s Do đặc điểm hình thái cửa sơng bó hẹp cửa, dù lượng nước từ thượng nguồn xuống không nhiều vào mùa vận tốc dịng lên đến 1,2 m/s Trong đó, sóng, độ cao sóng mùa nhỏ (Hình 22), sóng cửa khoảng 0,25m, khu vực khơi cửa Nhật Lệ khoảng 0,25 đến 0,6m a Trường dòng chảy cửa Nhật Lệ mùa gió Tây Nam pha triều lên a Trường dịng chảy cửa Nhật Lệ mùa gió Đơng Bắc pha triều lên b Trường dòng chảy cửa Nhật Lệ mùa gió Tây Nam pha triều xuống Hình 21 Trường dịng chảy khu vực cửa Nhật Lệ điều kiện bình thường mùa gió Tây Nam b Trường dịng chảy cửa Nhật Lệ mùa gió Đơng Bắc pha triều xuống Hình 23 Trường dịng chảy khu vực cửa Nhật Lệ điều kiện bình thường mùa gió Đơng Bắc Hình 22 Trường sóng cửa Nhật Lệ điều kiện bình thường mùa gió Tây Nam Hình 24 Trường sóng cửa Nhật Lệ điều kiện bình thường mùa gió Đơng Bắc 10 N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 ii) Mùa gió Đơng Bắc Trong mùa gió Đơng Bắc (Hình 23), vận tốc dịng chảy vào mùa lớn so với mùa gió Tây Nam Dịng chảy dọc bờ hướng Đông Nam - Tây Bắc, số thời điểm khác có hướng ngược lại vận tốc dịng chảy khoảng 0,2 – 0,4 m/s Phía sơng, vận tốc dịng chảy khơng có lũ khoảng 0,3 – 0,6 m/s Tại vị trí hẹp cửa, vận tốc dịng lên đến 1,4 m/s Ngồi ra, sóng mùa lớn, 2m khơi phía ngồi cửa (Hình 24) Tại độ sâu khoảng -3 đến -4m, sóng lớn từ ngồi khơi vào bắt đầu đổ, đến vị trí bó hẹp cửa, độ cao sóng cịn lên đến 0,4 – 0,5m Tuy nhiên sóng khơng sâu vào bên lan truyền đến khu vực bó hẹp cửa Nhật Lệ 3.2 Các kịch tính tốn theo đặc trưng thủy hải văn Kịch – KB1 (sóng Đơng Bắc, mùa kiệt) Trong KB1, với điều kiện vào mùa kiệt nên vận tốc dòng chảy sông không lớn, vận tốc dao động khoảng 0,2 – 0,4 m/s a Trường dòng chảy thời điểm triều lên Hình 26 Trường sóng cửa Nhật Lệ KB1 Hình 25 cho thấy dịng chảy dọc bờ bờ bắc cửa Nhật Lệ không rõ ràng bờ Nam, dịng có hướng Tây Bắc – Đơng Nam với vận tốc dịng khoảng 0,1 – 0,3 m/s Sóng kịch có biên đầu vào 2m, phía bên ngồi cửa, khoảng độ sâu -2 đến 3m, độ cao sóng cịn khoảng 0,3 – 0,4m, đến sát điểm nút chai sóng khơng lan truyền vào dù với hướng sóng Đơng Bắc, sóng gần vng góc với bờ (hình 26) a Trường dịng chảy thời điểm triều lên b Trường dòng chảy thời điểm triều xuống b Trường dòng chảy thời điểm triều xuống Hình 25 Trường dịng chảy cửa Nhật Lệ KB1 Hình 27 Trường dịng chảy cửa Nhật Lệ KB2 N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 Kịch – KB2 (sóng Đơng, mùa kiệt) Với kịch sóng hướng Đơng mùa kiệt, kết tính tốn cho thấy xuất dịng chảy dọc bờ pha triều lên pha triều xuống có hướng Đơng Nam – Tây Bắc với vận tốc dòng đạt cỡ khoảng 0,2 – 0,4 m/s, vận tốc dịng chảy phía bờ nam cửa Nhật Lệ lớn phía bờ bắc pha triều lên lớn pha triều xuống Vận tốc dịng dọc bờ phía bờ nam có độ lớn khoảng 0,3 – 0,4 m/s, cịn phía bờ bắc khoảng 0,2 – 0,3 m/s Vận tốc dịng chảy vị trí hẹp cửa khoảng 1,1 – 1,3 m/s pha triều lên, vào pha triều xuống có kết hợp với nước từ sông nên vận tốc dịng khoảng 1,2 đến 1,4 m/s Sóng kịch đến độ sâu khoảng -3m giảm mạnh, từ độ cao sóng khoảng – 1,2m xuống cịn khoảng 0,4m Sóng lúc khơng chịu ảnh hưởng mạnh dịng chảy từ sơng nên lan truyền tiếp đến sát cửa Nhật Lệ (Hình 28) Kịch – KB3 (sóng Đơng Nam, mùa kiệt) Trong kịch sóng hướng Đơng mùa kiệt, kết mô cho thấy xuất dòng chảy dọc bờ pha triều lên pha triều xuống có hướng Đơng Nam – Tây Bắc vận tốc dòng nhỏ, vận tốc dòng đạt khoảng 0,1 – 0,2 m/s, vận tốc dòng dọc bờ bờ nam vài thời điểm lên 0,2 m/s vào pha triều lên Và tương tự KB2, dịng dọc bờ pha triều lên có vận tốc dòng pha triều lên lớn pha triều xuống Vận tốc dịng chảy vị trí hẹp cửa khoảng 1,1 – 1,2 m/s pha triều lên, vào pha triều xuống có kết hợp với nước từ sông nên vận tốc dịng khoảng 1,2 - 1,4 m/s (Hình 29 a, b) Trong sóng, kịch 3, đến độ sâu khoảng -3m độ cao sóng giảm từ khoảng 0,5 – 0,6m xuống khoảng 0,25 – 0,4m (Hình 30) Sóng trường hợp khơng sâu vào cửa lan truyền tới gần sát khu vực cửa Nhật Lệ 11 Hình 28 Trường sóng cửa Nhật Lệ KB2 a Trường dòng chảy thời điểm triều lên b Trường dịng chảy thời điểm triều xuống Hình 29 Trường dịng chảy cửa Nhật Lệ KB3 Hình 30 Trường sóng cửa Nhật Lệ KB3 12 N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 Kịch – KB4 (sóng Đơng Bắc, mùa lũ) Kết mơ kịch sóng hướng Đơng Bắc mùa lũ thể Hình 31 cho thấy xuất dòng chảy dọc bờ pha triều lên pha triều xuống có hướng Tây Bắc – Đông Nam, ngược chiều lại so với trường hợp sóng hướng Đơng Đơng Nam vận tốc dòng nhỏ, vận tốc dòng dọc bờ bờ bắc khoảng 0,1 – 0,2 m/s, bờ nam khoảng 0,2 – 0,3 m/s Tuy nhiên có lũ, dòng dọc bờ yếu hẳn Dòng chảy sông thời điểm lũ lên đến 0,9 – 1,1 m/s Và đến khu vực cửa sông hẹp nhất, vận tốc dòng chảy lên tới m/s Dòng lũ tiếp tục đẩy mạnh tới độ sâu -4m yếu dần tác động sóng Do đặc điểm hình thái cửa Nhật Lệ hẹp, dẫn đến khả lũ tương đối khó khăn Dịng dọc bờ hai bên bị ảnh hưởng phần dòng lũ Tại thời điểm lũ, dòng dọc bờ bờ bắc nhỏ, vận tốc dòng nhỏ 0,1 m/s, cịn phía nam dịng dọc bờ khoảng 0,1 – 0,3 m/s Do tác động dịng lũ, sóng kịch đến độ sâu khoảng -3m gần lặng sóng, độ cao sóng nhỏ 0,25m dù sóng lan truyền từ ngồi khơi vào 2m Hình 32 Trường sóng cửa Nhật Lệ KB4 a Trường dòng chảy thời điểm lũ b Trường dịng chảy thời điểm triều lên Hình 33 Trường dòng chảy cửa Nhật Lệ KB5 a Trường dòng chảy thời điểm lũ b Trường dòng chảy thời điểm triều lên Hình 31 Trường dịng chảy cửa Nhật Lệ KB4 Kịch - KB5 (sóng Đơng, mùa lũ) Hình 33 thể kết mơ với sóng hướng Đơng mùa lũ cho thấy xuất dòng chảy dọc bờ pha triều lên pha triều xuống có hướng Đông Bắc – Tây Nam, mùa kiệt ngược chiều so với hướng sóng Đơng Bắc Dịng dọc bờ kịch có vận tốc dịng lớn so với KB4 xuất với cường độ lớn thời điểm lũ Vận tốc dòng dọc bờ bờ bắc bờ nam đạt khoảng 0,2 – 0,4 m/s, bờ nam dịng dọc bờ đơi đạt N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 khoảng 0,4 – 0,5 m/s vào thời điểm triều lên khơng có lũ sơng Dịng chảy lũ kịch tương tự KB4, đến khu vực cửa sông hẹp nhất, vận tốc dòng chảy lên tới m/s Dòng lũ tiếp tục đẩy mạnh tới độ sâu -4m yếu dần tác động sóng Sóng kịch tác động dòng lũ với độ lớn tương đương nên tương tự KB4, đến độ sâu khoảng -3m gần lặng sóng, độ cao sóng nhỏ 0,25m (Hình 34) Kịch - KB6 (sóng Đơng Nam, mùa lũ) Kết mơ với sóng hướng Đơng Nam mùa lũ cho thấy dòng chảy dọc bờ pha triều lên pha triều xuống nhỏ, khơng rõ ràng mùa kiệt Dịng dọc bờ có hướng Đơng Nam – Tây Bắc Tại thời điểm lũ, xuất dòng dọc bờ hai bên bờ cửa Nhật Lệ với vận tốc khoảng 0,1 – 0,2 m/s, khơng có chênh lệch rõ rệt hai bên bờ Thời điểm khơng có lũ, dòng dọc bờ tương đối yếu, vận tốc dòng nhỏ 0,1 m/s, vài thời điểm lên 0,1 m/s Dòng chảy lũ kịch tương tự kịch mùa lũ, vận tốc dòng chảy lớn khu vực hẹp cửa Nhật Lệ Dịng lũ tiếp tục thẳng ngồi tới độ sâu -4m yếu dần tác động sóng Hình 34 Trường sóng cửa Nhật Lệ KB5 a Trường dòng chảy thời điểm lũ 13 b Trường dòng chảy cửa Nhật Lệ KB6 thời điểm triều lên Hình 35 Trường dịng chảy cửa Nhật Lệ KB6 Do tác động dịng lũ, sóng kịch tương tự KB4 KB5, đến độ sâu khoảng -3m gần lặng sóng, độ cao sóng nhỏ 0,25m (Hình 36) Trong thực tế, kịch xảy lũ thường xuất vào mùa gió Đơng Bắc Tuy nhiên xảy khu vực chịu ảnh hưởng bão vào mùa gió Tây Nam, xuất lũ sau bão xảy KB7 Kịch - KB7 (trường hợp bão đổ bộ) Bão kiểu thời tiết cực đoan tác động mạnh tới trường thủy động lực khu vực mà bão qua Thời điểm bão đổ bộ, trường dòng chảy khơng có biển đổi mạnh (Hình 37a) Dịng dọc bờ thời điểm gần không xuất bờ bắc, bờ nam, dòng chảy khơng xuất rõ rệt Dịng chảy sông thời điểm bão đổ chảy không mạnh lớn so với dòng chảy mùa kiệt, vận tốc dòng khoảng 0,4 – 0,7 m/s Thời điểm sau bão đổ bộ, với lượng mưa lớn thời gian ngắn, sơng xuất lũ với dịng chảy mạnh với vận tốc khoảng 1,1 – 1,3 m/s, khu vực gần cửa, đặc biệt điểm hẹp cửa, vận tốc dịng lên tới m/s (Hình 37b) Cũng vào thời điểm này, dòng dọc bờ xuất bờ nam bờ bắc có hướng Đơng Nam Tây Bắc với vận tốc dòng khoảng 0,2 – 0,4 m/s Trường sóng thời điểm bão đổ mạnh, độ cao sóng ngồi khơi lên đến 5m (Hình 38) Tuy nhiên đến sát bờ cửa sơng, độ cao sóng giảm cịn khoảng - 4m đến sát bờ So sánh với sóng thực đo trạm Cồn Cỏ, kết tính tốn có tương đồng độ cao sóng thời điểm bão đổ (độ cao sóng trạm Cồn Cỏ (sóng nước sâu) biến động từ – 6m so 14 N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 với kết tính tốn biến động từ đến 6m khu vực nước sâu miền tính) Dù vậy, với chu kì sóng nhỏ bão, sóng đến liên tục gây xói bờ biển cơng trình ven bờ a Trường dịng chảy thời điểm bão đổ b Trường dòng chảy cửa Nhật Lệ KB7 thời điểm xuất lũ sau bão Hình 36 Trường dịng chảy cửa Nhật Lệ KB7 Hình 37 Trường sóng cửa Nhật Lệ KB7 thời điểm bão đổ Kết luận Dòng chảy với điều kiện thủy động lực bình thường, mùa gió Tây Nam, trường dịng chảy có vận tốc nhỏ, dịng dọc bờ có hướng Đông Nam – Tây Bắc với vận tốc khoảng 0,2 – 0,4 m/s với độ cao sóng mùa vị trí gần cửa khoảng 0,25m Trong mùa gió Đơng Bắc, dịng chảy dọc bờ hướng Đơng Nam - Tây Bắc, số thời điểm khác hướng ngược lại, vận tốc dòng chảy khoảng 0,2 – 0,4 m/s Phía sơng, vận tốc dịng chảy khơng có lũ khoảng 0,3 – 0,6 m/s Các kịch hướng sóng khác hai mùa lũ kiệt đưa số đặc điểm trường dòng chảy khu vực Dòng dọc bờ hai bên bờ thường có chệnh lệch độ lớn vận tốc dòng chảy dòng chảy pha triều lên thường lớn pha triều xuống Với ba hướng sóng Đơng Bắc, Đơng Đơng Nam, dịng chảy dọc bờ chủ yếu có hướng Đơng Nam – Tây Bắc (riêng với sóng Đơng Bắc, hướng dịng chảy Tây Bắc – Đơng Nam) với vận tốc dịng chảy dao động chủ yếu khoảng 0,1 – 0,4 m/s Với hướng dịng chảy Đơng Nam – Tây Bắc, dịng dọc bờ giải thích lí mũi nhơ phía Nam cửa Nhật Lệ có xu hướng tiến lên phía Bắc q trình vận chuyển trầm tích dọc bờ từ Nam lên Bắc diễn liên tục, điều góp phần gây khó lũ giao thơng khó khăn cửa Nhật Lệ Dịng chảy sơng mùa kiệt vận tốc dịng chảy chủ yếu dao động từ 0,3 – 0,4 m/s, mùa lũ lên tới 0,9 - 1,1 m/s Đặc biệt, với đặc điểm hình thái cửa sơng bó hẹp cửa đặc thù, gây khó khăn cho việc lũ, vận tốc dịng vị trí vào mùa kiệt khoảng 1,1 – 1,3 m/s, vào mùa lũ lên tới m/s lên tới m/s trường hợp lũ lớn (KB7) Sóng điều kiện thường mùa gió Tây Nam nhỏ, khoảng 0,25 – 0,6m, mùa gió Đơng Bắc, độ cao sóng khoảng 2m phía bên ngồi cửa, tới độ sâu khoảng -3 đến 4m, sóng bắt đầu đổ đến cửa Nhật Lệ độ cao sóng khoảng 0,4 – 0,5m.Các kịch hướng sóng khác hai mùa lũ kiệt đưa số đặc điểm trường thủy động lực khu vực Trường sóng với ba hướng Đơng Bắc, Đơng Đơng Nam với chu kì độ cao khác nhau, nhiên nhìn chung, độ cao sóng đến khoảng độ sâu -3m khu vực cửa sông giảm mạnh Đặc biệt, vào mùa lũ, dịng nước mạnh chảy từ sơng khiến sóng gần lặng sau qua độ sâu Trong kịch bão, trường sóng lớn, đến gần bờ dù suy giảm sóng nhiều so với sóng ngồi khơi, sóng cịn mạnh kết hợp với chù kì sóng ngắn gây xói mạnh cho hai bên bờ khu vực cửa N.X Loc et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 1-15 Nhật Lệ Dù vậy, vai trị lớn sóng tạo nên dòng chảy dọc bờ - nhân tố tác động lớn tới q trình vận chuyển trầm tích khu vực, mà vần đề lớn khu vực vấn đề bồi lấp cửa Nhật Lệ Nghiên cứu đưa đặc điểm trường thủy động lực khu vực cửa Nhật Lệ điều kiện khác thông qua mô kịch xảy khu vực cửa Nhật Lệ Những đặc điểm trường dịng chảy sóng khu vực cửa Nhật Lệ đưa ra, góp phần tạo nên tranh thủy động lực khu vực biển tỉnh Quảng Bình Đây thơng tin giúp nhà quản lí hoạch định sách phù hợp với địa phương Tuy nhiên, nghiên cứu đề cập đến vấn đề thủy động lực, hệ tác động trường thủy động lực vận chuyển trầm tích, bồi xói hai bên bờ khu vực cửa Nhật Lệ,… chưa tính đến Đây vấn đề phức tạp gây xúc, cần tiếp tục có nghiên cứu sâu để đưa quy hoạch chỉnh trị, tạo điều kiện phát triển kinh tế cho khu vực Lời cảm ơn Nghiên cứu thực Trung tâm Động lực học Thủy khí Mơi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN với tài trợ kinh phí số liệu khảo sát Nhóm thực xin trân trọng cám ơn hỗ trợ quý báu Tài liệu tham khảo [1] H.T Binh, T.N Anh, D.D Kha, Simulation of flood inundation using MIKE FLOOD model in Nhat Le river system – Quang Binh province VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology 26(3S) (2010) 285 – 294 (in Vietnamese) [2] N.X Hau, P.V Tan, Assessment of climate impact on flood in the Nhatle river basin, Vietnam VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology 31(3S) (2015) 125 – 138 (in Vietnamese) https://www.researchgate.net/publication/2826052 61_Danh_gia_tac_dong_cua_bien_doi_khi_hau_d en_ngap_lut_luu_vuc_song_Nhat_Le_Viet_Nam_ Assessment_of_climate_change_impact_on_flood in_the_Nhatle_river_basin_Vietnam 15 [3] T.V Bon, V.V Ngoc, P.T Han, V.P Quynh, Results of research on human risk due to flooding in Kien Giang and Long Dai river basins, Quang Binh province, Journal of Irrigation Science and Technology 28 (2015) – (in Vietnamese) http://www.vawr.org.vn/images/file/PGS_TS_%2 0Truong%20Van%20Bon.pdf [4] C.D Minh, M.N Quang, S.N Thai, C.N Van, Research on nearshore wave conditions at Nhat Le coastal area (Quang Binh province) by using MIKE21-SW, Journal of Marine Science and Technology 18(3) (2018) 241 - 249 https://doi.org/10.15625/1859-3097/18/3/13240 [5] L Rijkenberg, A first calibration of the onedimensional model of the Nhat Le River basin, Student thesis, Civil Engineering and Geosciences, TU Delft, Delft, Netherland, 2013 http://resolver.tudelft.nl/uuid:bb744c36-ffda468a-837b-245ef650774c [6] M Fossati, P.Cueva, A 3D hydrodynamic numerical model of Rio de la Plata and Montevideo’s coastal zone, Applied Mathematical Modelling, 37(3) (2013) 1310 – 1332 https://doi.org/10.1016/j.apm.2012.04.010 [7] P Matte, Y Secretan, J Morin, Hydrodynamic Modelling of the St.Lawrence Fluvial Estuary I: Model Setup, Calibration, and Validation, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 143(5) (2017) - 15 https://doi.org/10.1061/(ASCE)WW.19435460.0000397 [8] J Ganasut, S Weesakul, Suphat Vongvisessomjal, Hydrodynamic Modelling of Songkhla Lagoon, Thailand, Thammasat International Journal of Science and Technology 10(1) (2005) 32 - 46 http://www.thaiscience.info/Journals/Article/TSTJ /10480767.pdf [9] M Garcia, I Ramirez, M.Verlaan, J.Castillo, Application of a three-dimensional hydrodynamic model for San Quintin Bay, B.C., Mexico Validation and calibration using OpenDA, Journal of Computational and Applied Mathematics, 273 (2015) 428-437 https://doi.org/10.1016/j.cam.2014.05.003 [10] Q Liu, A Babanin, C Guan, S Zieger, J Sun, Y Jia, Calibration and Validation of HY-2 Altimeter Wave Height, Journal of Atmosphere and Oceanic Technology 33(5) (2016) 919 - 936 https://doi.org/10.1175/JTECH-D-15-0219.1 [11] Q Liu, E Rogers, A Babanin, I Young, L Romero, S Zieger, F Qiao, C Guan, ObservationBased Source Terms in the Third-Generation Wave Model WAVEWATCH III: Updates and Verification, Journal of Physical Oceanography, 49(2) (2019) 489 - 517 https://doi.org/10.1175/JPO-D-18-0137.1 ... hoàn toàn tập trung vào trường thủy động lực khu vực cửa Nhật Lệ nguồn tư liệu quý giá cho nghiên cứu trường thủy động lực khu vực Bắc Trung Bộ Quảng Bình nói chung, cửa Nhật Lệ nói riêng, có nghiên... trầm tích khu vực, mà vần đề lớn khu vực vấn đề bồi lấp cửa Nhật Lệ Nghiên cứu đưa đặc điểm trường thủy động lực khu vực cửa Nhật Lệ điều kiện khác thơng qua mơ kịch xảy khu vực cửa Nhật Lệ Những... để mô trường thủy động lực cho khu vực cửa Nhật Lệ, Quảng Bình Cửa Nhật Lệ cách trung tâm thành phố Đồng Hới khoảng km phía Đơng Bắc Đây nơi tận sông tên bắt nguồn từ đỉnh Trường Sơn phía Tây Quảng