Phân tích chế độ thủy động lực khu vực cửa lở huyện núi Thành, Quảng Nam

Đề tài này sử dụng mô hình mã nguồn mở DELFT3D mô phỏng thủy lực – tương tác sóng, và dòng chảy trong điều kiện gió mùa và lũ lớn để làm rõ các cơ chế chi phối quá trình biến đổi hình thái của khu vực Cửa Lở. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của bài viết này.

BÀI BÁO KHOA HỌC PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC KHU VỰC CỬA LỞ HUYỆN NÚI THÀNH, QUẢNG NAM Nguyễn Quang Đức Anh1, Nguyễn Hiệp2, Hồ Sỹ Tâm3, Nguyễn Trung Việt4 Tóm tắt: Trong thập kỷ gần đây, khu vực Cửa Lở tỉnh Quảng Nam diễn tình trạng xói lở bồi lấp nghiêm trọng Các nghiên cứu dựa vào phân tích ảnh viễn thám nguyên nhân dẫn đến tượng xói lở khu vực bờ Nam bồi tụ khu vực bờ Bắc Cửa Lở dịch chuyển cửa diễn liên tục nhiều năm từ phía Bắc phía Nam Các nghiên cứu dừng lại chủ yếu phân tích diễn biến hình thái, q trình tương tác sóng – dịng chảy mối liên hệ đến trình biến đổi hình thái khu vực Cửa Lở chưa làm rõ Trong báo này, nhóm tác giả thiết lập mơ mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát (DELFT3D) để phân tích đặc điểm thủy động lực ảnh hưởng đến q trình biến đổi hình thái khu vực Cửa Lở Từ khố: Cửa Lở, lưu lượng sơng, dịng triều, sóng gió mùa, trao đổi nước ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU * Dọc theo dải ven biển miền Trung, phát triển kéo dài doi cát chắn ngang cửa sông phổ biến thường kèm theo xói lở nghiêm trọng phía bên bờ đối diện Hiện tượng quan sát thấy khu vực Cửa Lở (Quảng Nam), An Dũ (Bình Định), An Hải – Lễ Thịnh (Phú Yên), Phan (Bình Thuận), Lộc An (Bà Rịa – Vũng Tàu) (Duc Anh & nnk., 2020)… Điểm chung cửa sông thuộc loại chúng thường nằm vùng có biên độ triều nhỏ, động lực sóng ven bờ chiếm ưu dịng chảy sơng đổ biển có biến đổi theo mùa rõ rệt Trong thời kỳ mùa khô, phát triển doi cát chặn ngang cửa sơng kết q trình hoạt động dịng sóng mang bùn cát tích lũy vào cửa sông Ngược lại, thời kỳ mùa mưa, lũ lớn thường xuyên xảy tập trung thời gian ngắn, nước lũ dâng cao tràn lên bề mặt gây xói mòn xảy tượng đứt gẫy doi cát Viện Kỹ thuật Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi Tổng cục Phòng chống thiên tai Khoa Cơng trình, Đại học Thủy lợi Trường Đại học Thủy lợi 46 Cửa Lở cửa biển hệ thống sông Trường Giang sông Tam Kỳ thuộc địa bàn huyện Núi Thành, tỉnh Quảng Nam (Hình 1) Sơng Trường Giang có diện tích lưu vực vào khoảng 426km2 có chiều dài 70km chạy song song với bờ biển, phía Bắc thơng với Cửa Đại, phía Nam thông với Cửa Lở (Duc Anh & nnk., 2020) Trong thập kỷ gần đây, phát triển kéo dài doi cát từ phía Bắc Cửa Lở khơng làm cho cửa bị bồi lấp, thu hẹp nghiêm trọng, mà cịn gây sạt lở phía bờ Nam, dẫn đến hàng trăm tàu thuyền khó khăn lưu thơng qua cửa Dựa kỹ thuật phân tích viễn thám lý thuyết mơ hình ONELINE, Duy & nnk (2018) quy luật biến đổi hình thái doi dài hạn Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu dựa phân tích quy luật diễn biến, chế thủy động lực học yếu tổ ảnh hưởng đến trình biến đổi hình thái Cửa Lở chưa xem xét đến Do đó, nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng mơ hình mã nguồn mở DELFT3D mơ thủy lực – tương tác sóng, dịng chảy điều kiện gió mùa lũ lớn để làm rõ chế chi phối trình biến đổi hình thái khu vực Cửa Lở KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Hình Tổng thể khu vực nghiên cứu sông Trường Giang khu vực Cửa Lở THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU Các số liệu đầu vào cần thiết cho việc thiết lập mơ hình tốn bao gồm thông số sau: (a) Số liệu đường bờ: tài liệu đường bờ phục vụ q trình thiết lập mơ hình tính, định dạng loại biên mơ hình số số hóa từ ảnh vệ tinh Landsat Sentinel-2 (b) Địa hình: liệu địa hình phân tách từ đồ địa hình tỷ lệ 1/25000 Hải Quân Việt Nam đo đạc năm 2005 đồ tỷ lệ 1/2000; 1/5000 khảo sát năm 2018 để xây dựng mơ hình thủy lực mơ hình sóng miền nhỏ Kết số hóa liệu địa hình từ nguồn đồ thể Hình (c) Tài liệu gió: số liệu gió sử dụng cho mơ hình thu thập trạm khí tượng, số liệu gió tái phân tích tồn cầu Hoa gió đặc trưng nhiều năm khu vực nghiên cứu thể Hình (d) Số liệu dịng chảy sơng: Khu vực Cửa Lở sơng Trường Giang khơng có trạm thủy văn Vì vậy, nghiên cứu liệu dòng chảy lưu lượng sơng trích xuất từ mơ hình thủy văn - thủy lực xây dựng cho hệ thống sông Tam Kỳ - Trường Giang (e) Số liệu sóng: số liệu sóng nước sâu khu vực Cửa Lở trích xuất từ mơ hình sóng xây dựng cho Biển Đơng thực Điển & nnk (2018) trích xuất vị trí P cách khu vực Cửa Lở khoảng 50km (Hình 4) Hoa sóng tổng hợp điểm P giai đoạn 19952019 thể Hình Dựa vào liệu sóng này, phân tích tổng hợp tham số sóng đặc trưng thời kỳ năm khu vực nghiên cứu: tham số sóng mùa Hè chiều cao sóng H = 1,07m, chu kỳ sóng T= 6,32s; góc sóng tới Dir = 1120 thời kỳ mùa Đông H = 2,96m; T= 9,56s; Dir = 500 (f) Tài liệu bùn cát: liệu tính chất vật lý bùn cát tổng hợp từ liệu quan trắc, phân tích 100 mẫu bùn cát đáy thu thập khu vực nghiên cứu Kích thước hạt lấy trung bình cho tất mẫu khảo sát khu vực D50= 0.2 mm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 47 Hình Hoa gió khu vực nghiên cứu Hình Bản đồ địa hình khu vực Cửa Lở Hình Hoa sóng tổng hợp mùa năm khu vực Quảng Nam THIẾT LẬP MƠ HÌNH Để phân tích chế độ thủy động lực trình vận chuyển bùn cát khu vực Cửa Lở, mơ hình mã nguồn mở Delft3D phát triển Viện thủy lực Deltares, Hà Lan lựa chọn sử dụng Mơ hình tích hợp từ mơ-đun sóng Delft3D-WAVE mơ-đun thủy động lực học Delft3D-FLOW mơ-đun vận chuyển trầm tích Delft3D-SED (Deltares, 2014) Mơ-đun Delft3DFLOW giải phương trình nước nơng trung bình theo độ sâu chiều lưới cong trực giao Trong mơ-đun Delft3D-WAVE, biến đổi sóng tính mơ hình sóng hệ thứ ba SWAN (Booij et al., 1999; Ris et al., 1999) Nó bao gồm truyền sóng, tạo gió, tương tác sóng-sóng phi tuyến tiêu tán Các mô-đun 48 WAVE FLOW kết nối trực tuyến theo khoảng thời gian đặn để giải thích tác động sóng lên dòng chảy cung cấp điều kiện biên dịng chảy cho biến đổi sóng 3.1 Thiết lập lưới tính địa hình Khu vực nghiên cứu khu vực cửa sơng ven biển có tính chất địa hình phức tạp: vùng biển phía Bắc Quảng Nam (giáp Đã Nẵng) che chắn đảo Cù Lao Chàm chịu ảnh hưởng bán đảo Sơn Trà; vùng bờ biển phía Nam, chế độ sóng triều ven biển chịu tương tác mạnh vịnh Dung Quất Hơn nữa, khu vực Cửa Lở che chắn mũi đá Bà Tình rạn san hơ chạy ngầm tạo hình đập phá sóng tự nhiên Phía sơng, Cửa Lở kết nối với cửa Kỳ Hà thông qua đầm An Hịa hệ thống sơng từ sơng Trường Giang - Tam Kỳ Vì vậy, thiết lập vùng tính cần phải cân nhắc kỹ lưỡng phải thử dần với nhiều phạm vi mơ hình trước lựa chọn phương án phù hợp Hệ thống lưới tính tốn vị trí biên mơ cho mơ hình tích hợp thể Hình Miền tính lớn thiết lập cho mơ hình sóng (mơ đun DELFT3D WAVE miền nhỏ sử dụng cho mơ hình thủy lực vận chuyển bùn cát (mơ-đun DELFT3D FLOW SED) Kích thước lưới tính mơ hình miền lớn mở rộng để giảm thiểu tối đa sai số gây hiệu ứng biên bên đến khu vực nghiên cứu Lưới tính mơ hình miền lớn bao gồm 175×96 lưới với kích thước thay đổi từ 300 đến 600m, bao gồm toàn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) vùng biển Quảng Nam từ bờ Bắc Cửa Đại đến hết Vịnh Dung Quất với diện tích 3000km2 Trong đó, phạm vi mơ hình dịng chảy vận chuyển bùn cát thiết lập xung quanh khu vực Cửa Lở bao gồm 477×338 lưới có kích thước khoảng 500km2 với ô lưới nhỏ 10m (khu vực cửa sông, ven bờ đầm An Hịa) thơ dần phía biển Lưới tính thủy lực miền nhỏ thiết lập bao gồm hệ thống Trường Giang Tam Kỳ để mơ hình xét đầy đủ ảnh hưởng tương tác yếu tố sông biển phương RMSE sai số trung bình ME Cơng thức tính sai số sau: RMSE  N N x if  xio  (1) i 1 N ME   Fi  Oi  N (2) Trong đó: Fi, xif giá trị tính tốn xi0, Oi giá trị đo đạc N số lượng mẫu chuỗi so sánh Hình Vị trí trạm quan trắc: (A) - trạm đo sóng, W1 W2 – trạm đo mực nước Hình Hệ thống lưới tính cho mơ hình 3.2 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Trong nghiên cứu này, số liệu khảo sát mực nước sóng khu vực Cửa Lở thời gian mùa Hè (tháng năm 2019) thời kỳ mùa Đông (tháng 11 năm 2019) sử dụng để thực việc hiệu chỉnh kiểm định cho mơ hình Vị trí trạm khảo sát thể Hình Để đánh giá độ xác mơ hình hai tham số thống kê sử dụng sai số trung bình quân Hình thể kết so sánh giá trị mực nước chiều cao sóng thực đo mơ vào thời kỳ tháng tháng 11 năm 2019 Kết so sánh mực nước chiều cao sóng cho thấy, giá trị tính tốn đo đạc phù hợp độ lớn pha Các giá trị sai số trung bình quân phương sai số trung bình cho biến mực nước đợt khảo sát tháng 0,04 m; 0,03 m; đợt khảo sát tháng 11 0.05m, 0.04m Các giá trị cho chiều cao sóng đợt khảo sát tháng 0.06m; 0,045m đợt khảo sát tháng 11 0.11m 0.05m Như đánh giá, mơ hình thủy lực mơ hình sóng hiệu chỉnh đảm bảo độ tin cậy độ xác cho việc tính tốn nghiên cứu chế dự báo biến động hình thái KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 49 Mô Thực đo RMSE=0.04m, ME=0.03m RMSE=0.09m, ME=0.045m RMSE=0.11m, ME=0.05m RMSE=0.05m, ME=0.04m Hình Kết so sánh mực nước, chiều cao sóng trạm W1, W2 A đợt khảo sát tháng 11 năm 2019 PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC KHU VỰC CỬA LỞ Trong nghiên cứu này, tác giả tiến hành phân tích chế độ thủy động lực vận chuyển bùn cát khu vực Cửa Lở khu vực chịu tác động (i) sóng thời kỳ mùa Đơng; (ii) sóng thời kỳ mùa Hè (iii) lũ sông Trường Giang đạt tần suất 5% 4.1 Chế độ thủy động lực thời kỳ mùa Đông Trường sóng nước nơng khu vực Cửa Lở chịu ảnh hưởng sóng gió mùa Đơng Hình 8(a) Chiều cao sóng trước tiến vùng bờ khu vực Cửa Lở trước vượt qua vị trí rạn san hơ lớn, khoảng 1,5÷1,8m Sau sóng tràn qua vùng san hô vào đến khu vực Cửa Lở, chiều cao sóng giảm mạnh tượng hiệu ứng nước nông Do khu vực rạn san hô mũi Bàn Than che chắn nên tiến vào vùng Cửa Lở, sóng phân thành khu vực có chiều cao sóng khác biệt: vùng a Bờ Nam khu vực Cửa Lở chiều cao sóng khoảng 0,2÷0,5m số vị trí