(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu diễn biến hình thái vùng ven biển nam trung bộ trong điều kiện nước biển dâng do biến đổi khí hậu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM PHẠM TRUNG NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN HÌNH THÁI VÙNG VEN BIỂN NAM TRUNG BỘ TRONG ĐIỀU KIỆN NƯỚC BIỂN DÂNG DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chun nghành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã Số: 958 02 02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trịnh Công Vấn TS Trần Thu Tâm TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin trân trọng cảm ơn Cơ sở đào tạo - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam tạo điều kiện thuận lợi để thực nghiên cứu Với lịng kính trọng, biết ơn sâu sắc, xin gửi lời cảm ơn đến hai thầy giáo PGS.TS Trịnh Công Vấn TS Trần Thu Tâm tận tâm hướng dẫn từ bước từ xây dựng ý tưởng suốt trình nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, nhà khoa học, đồng nghiệp Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam động viên, hỗ trợ Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới tất thành viên thân yêu gia đình cổ vũ, khuyến khích ln chỗ dựa vững để tơi có thêm thêm nghị lực, tâm hoàn thành luận án -1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Vùng ven biển nơi phát triển động giới có khoảng 3,0 tỷ người-chiếm 40% dân số giới sinh sống vùng ven biển Ở nước ta, duyên hải Nam Trung Bộ [6] gồm thành phố Đà Nẵng trực thuộc Trung ương 07 tỉnh theo theo thứ tự Bắc-Nam sau: Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú n, Khánh Hịa, Ninh Thuận, Bình Thuận Đây vùng trọng điểm phát triển kinh tế xã hội miền Trung với đường bờ biển trải dài 1.100 Km, diện tích tự nhiên đất liền chiếm khoảng 13,45% diện tích nước, dân số tính đến năm 2020 khoảng 10,8% dân số nước Duyên hải Nam Trung Bộ khu vực đa dạng nguồn tài ngun biển tập trung nhiều cơng trình dân sinh kinh tế, quốc phòng quan trọng Thời gian qua, vùng ven biển đầu tư phát triển kết cấu hạ tầng giao thông hàng hải bảo đảm nhu cầu lưu thơng hàng hóa đường biển với mức tăng trưởng hàng hóa năm từ 10% đến 20%, tập trung phát triển hạ tầng cảng biển cảng đầu mối khu vực như: Đà Nẵng, Dung Quất, Nha Trang, Ba Ngòi Duyên hải Nam Trung Bộ có đội tàu thuyền khai thác hải sản hùng hậu, năm ngư dân khai thác 600.000 hải sản loại, có nhiều hải sản mang lại giá trị kinh tế cao như: Cá ngừ đại dương, hải sâm, mực, tôm hùm, cua biển… Ngồi ra, với lợi có hệ thống đầm phá trải dài tỉnh vùng bãi triều cửa sông, nghề nuôi trồng hải sản tương đối phát triển với sản lượng năm lên tới 130.000 hải sản loại Cùng với mạnh trên, duyên hải Nam Trung Bộ hình thành xây dựng khu kinh tế biển (Chu Lai, Dung Quất, Nhơn Hội, Nam Phú Yên, Vân Phong), 21 khu công nghiệp ven biển Đến nay, khu kinh tế biển hồn thành cơng tác quy hoạch chung, quy hoạch chi tiết phân khu chức tiến hành đầu tư xây dựng kết cấu hạ tầng kỹ thuật - xã hội Gần tác động biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu với hoạt động người, tượng sạt lở diễn hầu hết triền sông, suối -2- dọc theo bờ biển nước ta khu vực Nam Trung Bộ q trình xói lở bờ biển, bồi lấp vùng cửa sông tuyến luồng, bến cảng…diễn với mức độ nghiêm trọng có xu hướng ngày gia tăng, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động phát triển kinh tế - xã hội địa phương Biến đổi hình thái bờ bãi biển chịu tác động chủ yếu yếu tố từ biển cân nguồn bùn cát hoạt động phát triển người dịng sơng vùng cửa sơng ven biển Việc tìm hiểu xu hướng biến đổi hình thái dải ven biển Nam Trung Bộ thay đổi yếu tố sóng biển q trình nước biển dâng (NBD) BĐKH, đánh giá mức độ ảnh hưởng chúng để đề xuất định hướng giải pháp ổn định, kiểm soát giảm thiểu tác động xấu đến tự nhiên cần thiết cấp bách góp phần bổ sung sở khoa học cho công tác quản lý sạt lở bờ biển khu vực Nam Trung Bộ Xuất phát từ lý trên, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu diễn biến hình thái vùng ven biển Nam Trung Bộ điều kiện NBD BĐKH” để thực trình bày Luận án tiến sĩ Mục đích nghiên cứu Tuy biến đổi hình thái vùng ven biển hệ nhiều yếu tố tác động (nội sinh, ngoại sinh, người) mục đích nghiên cứu giới hạn mục tiêu xác định xu hướng diễn biến đường bờ, bãi biển Nam Trung Bộ tác động trực tiếp dòng lượng sóng điều kiện NBD BĐKH, sở đó, đề xuất giải pháp nhằm ổn định hình thái vùng ven biển Nam Trung Bộ phù hợp với điều kiện tự nhiên nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội khu vực nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu giới hạn trường lượng sóng, yếu tố tác động trực tiếp gây biến đổi hình thái vùng ven biển Nam Trung Bộ xem xét xu hướng thay đổi yếu tố tương lai ứng với kịch BĐKH-NBD 3.2 Phạm vi nghiên cứu Vùng bờ bãi biển lân cận cửa sông khu vực Nam Trung Bộ -3- Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận - Cách tiếp cận hệ thống từ tổng thể đến chi tiết Cách tiếp cận xem khu vực nghiên cứu hệ thống thống điều kiện cấu thành hệ thống gồm: khí tượng, khí hậu, biển, đất liền, bùn cát, v.v…, thành phần hệ tương tác có quan hệ ràng buộc, tác động lẫn Các khu vực nghiên cứu chi tiết gắn với dải ven biển Nam Trung Bộ vùng lân cận tổng thể biển Đông, đánh giá chung cho đoạn đường bờ biển phạm vi rộng sau xem xét chi tiết khu vực có phạm vi nhỏ - Cách tiếp cận kế thừa, phát triển kết nghiên cứu trước Kinh nghiệm tri thức giới vấn đề khí hậu tồn cầu, thủy động lực học sông biển, vận chuyển bùn cát hình thái ven biển, kinh nghiệm giải pháp bảo vệ bờ biển… tảng cho việc thực Luận án Các kết nghiên cứu trước điều kiện tự nhiên, chế độ khí hậu, chế thủy động lực biến đổi hình thái, địa hình, địa chất, địa mạo… khu vực biển Đơng nói chung khu vực ven biển tỉnh Nam Trung Bộ nói riêng kênh tham khảo quan trọng trình thực Luận án Kế thừa kết nghiên cứu nước nguồn liệu địa hình, khí tượng, thủy hải văn đề tài, dự án phục vụ cho thiết lập, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình tốn, Luận án sâu giải vấn đề đặt phân bố lượng sóng dọc theo bờ biển thay đổi q trình NBD làm sở cho việc đánh giá xu hướng biến đổi hình thái bờ biển Nam Trung Bộ đề xuất định hướng giải pháp giảm thiểu tác động 4.2 Phương pháp nghiên cứu 1) Phương pháp kế thừa: Kế thừa có chọn lọc kiến thức khoa học công nghệ sản phẩm đề tài, dự án, cơng trình nghiên cứu ngồi nước có liên quan đến đến nội dung Luận án Học hỏi kiến thức kinh nghiệm tham vấn ý kiến chuyên gia lĩnh vực cơng trình biển 2) Điều tra khảo sát thực địa: Nhằm thu thập, cập nhật, bổ sung số liệu (khí tượng, thủy hải văn, địa hình, …), tài liệu (báo cáo, đồ) trạng qui hoạch phát triển dân sinh kinh tế, phát triển xây dựng vùng, giao thông thủy, đê biển, -4- khu neo đậu tránh trú bão cảng cá,…; Khảo sát, đo đạc yếu tố địa hình, thủy hải văn (sóng gió, dịng chảy,…); Điều tra khảo sát trạng xói lở, cơng trình đê kè biển, …trong vùng nghiên cứu 3) Phương pháp thống kê: Sử dụng để phân tích, đánh giá chuỗi số liệu 4) Phương pháp mơ tốn học: Nghiên cứu diễn biến hình thái vùng ven biển khó thực mơ hình vật lý đặc biệt u cầu địi hỏi mơ hình lịng động Vì thế, mơ tốn học ln lựa chọn phù hợp Trong luận án này, tác giả sử dụng mơ hình hai chiều MIKE21/3 Couple FM xây dựng cách phù hợp để đáp ứng yêu cầu đặt Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu xây dựng đồ phân bố thành phần dịng lượng sóng có hướng dọc theo đường bờ (Pt) vng góc với đường bờ (Pn) trung bình theo mùa khí hậu vị trí "đường sở" xu hướng biến đổi đại lượng trình NBD để lý giải xu hướng diễn biến hình thái bờ biển Nam Trung Bộ làm sở xác định khu vực có nguy xói lở bồi tụ Kết nghiên cứu Luận án có ý nghĩa khoa học quan trọng việc nghiên cứu diễn biến hình thái vùng ven biển Nam Trung Bộ 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Các sản phẩm nghiên cứu sử dụng cho thực tế bao gồm: (1) Vị trí tuyến đường sở dải bờ biển Nam Trung Bộ; (2) Bản đồ phân bố thành phần dịng lượng sóng theo hướng dọc bờ Pt hướng bờ Pn theo không gian (dọc theo đường sở) theo thời gian; (3) Đánh giá tác động NBD lên thành phần dịng lượng sóng dọc theo đường sở; (4) Các định hướng giải pháp cơng trình phi cơng trình dựa vào đồ phân bố dịng lượng sóng tiếp tuyến pháp tuyến với đường sở, đánh giá xu hướng thay đổi chúng theo không gian thời gian có ý nghĩa thực tiễn lớn Hướng dịng ven bờ thể qua hướng ⃗⃗⃗⃗ 𝑃 có ý nghĩa cơng tác định hướng bố trí xây dựng hệ thống cơng trình ổn định bãi biển kè mỏ hàn, đập đinh,…Khi xác định phân tích -5- gradient Pt dọc bờ theo đường sở liên hệ với diễn biến xói lở-bồi tụ khu vực ven biển Những đóng góp luận án (1) Luận án xây dựng phương pháp xác định giá trị thành phần dịng lượng sóng theo hai hướng, dọc theo đường bờ Pt vng góc với bờ Pn, hệ trục tọa độ tác giả định nghĩa gắn với đường bờ thực Đó giá trị thành phần thông lượng lượng (hay cơng suất sóng) tác dụng theo hai phương tiếp tuyến pháp tuyến một đoạn bờ biển cụ thể; đồng thời xem xét xu hướng biến đổi dịng lượng sóng nêu đường sở trình NBD theo kịch BĐKH Bộ Tài nguyên Môi trường (2) Trên sở xác định phân tích biểu đồ phân bố giá trị thành phần dịng lượng sóng đoạn bờ biển khu vực Nam Trung Bộ, tác giả đề xuất định hướng giải pháp cơng trình bao gồm bố trí khơng gian hệ thống cơng trình bảo vệ bờ biển số khu vực vùng cực Nam Trung Bộ Tác giả áp dụng kết nghiên cứu vào thực tế thiết kế cơng trình đê ngầm giảm sóng ven biển LaGi (Tỉnh Bình Thuận), cơng trình xây dựng có hiệu sau năm đưa vào vận hành Cấu trúc Luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, Luận án cấu trúc thành chương sau: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu: Chương đề cập đến thực trạng xói lở bồi tụ khu vực ven biển Nam Trung Bộ Dựa vào tài liệu lịch sử sóng, gió, dịng chảy; tài liệu địa hình, bùn cát, ảnh vệ tinh kết nghiên cứu trước,… tác giả tiến hành phân tích đánh giá mối tương quan thay đổi hình thái vùng ven biển với yếu tố thủy động lực, bùn cát ảnh hưởng hoạt động kinh tế xã hội tới q trình xói lở, bồi tụ; tình hình nghiên cứu diễn biến hình thái vùng ven biển giới; nghiên cứu giải pháp áp dụng Việt Nam khu vực Nam Trung Bộ Cuối chương trình bày hướng tiếp cận Luận án -6- Chương 2: Cơ sở khoa học phương pháp nghiên cứu diễn biến hình thái vùng ven biển Nam Trung Bộ: Phần chương dành trình bày sở lý thuyết diễn biến hình thái vùng ven biển, lượng sóng, sở khoa học mơ hình tốn sử dụng Luận án Cách xác định ý nghĩa việc đề xuất khái niệm “Dịng lượng sóng Pt dọc bờ Pn hướng bờ” Chương 3: Kết nghiên cứu diễn biến hình thái vùng ven biển Nam Trung Bộ : Chương trình bày kết ứng dụng mơ hình tốn để mơ chế độ thủy động lực học từ dự báo diễn biến hình thái số khu vực đặc trưng Nam Trung Bộ tương lai tác động NBD Từ kết nghiên cứu, vào định hướng phát triển kinh tế xã hội địa phương, phần cuối chương đề xuất nhóm giải pháp cho việc ổn định vùng ven biển Nam Trung Bộ phù hợp với phát triển kinh tế, bảo vệ môi trường -7- CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tổng quan vùng nghiên cứu 1.1.1 Vị trí địa lý Hình 1.1: Vị trí vùng dun hải Nam Trung Bộ đồ Việt Nam1 Duyên hải Nam Trung Bộ (Hình 1.1) có vị trí địa lý sau: Phía Bắc đèo Hải Vân, điểm cuối dãy Trường Sơn Bắc, giáp với tỉnh Thừa Thiên Huế (vùng Bắc Trung Bộ); phía Tây dãy Trường Sơn Nam với hệ thống cao nguyên đất đỏ bazan, giáp với Lào tỉnh Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk, Đăk Nơng, Lâm Đồng (vùng Tây Ngun), phía Đơng biển Đơng với hai quần đảo Hồng Sa Trường Sa; phía Nam giáp với tỉnh Đồng Nai Bà Rịa-Vũng Tàu (vùng Đông Nam Bộ) http://vietnamtourism.com/ -8- Đây vùng lãnh thổ hẹp kéo dài theo hướng Bắc-Nam bao gồm tỉnh từ Đà Nẵng phía Bắc tỉnh Bình Thuận phía Nam, tỉnh có phần đất tiếp giáp với biển.Với đặc điểm tự nhiên này, tỉnh Nam Trung Bộ có lợi việc phát triển kinh tế-xã hội kinh tế biển gặp nhiều khó khăn, vấn đề xói lở bờ biển bồi tụ cửa sông trở thành vấn đề đặc biệt quan tâm cấp quyền nhân dân địa phương 1.1.2 Thực trạng xói lở-bồi tụ dải ven biển Nam Trung Bộ Xói lở biển tượng phổ biến ven bờ ba miền nước ta, với 397 đoạn có tổng chiều dài 920 km, khu vực miền Trung xói lở xảy 233 đoạn có tổng chiều dài lên đến 492 km, chiếm 21,1% chiều dài đường bờ biển [28] Xét riêng dải ven biển Nam Trung Bộ có tổng chiều dài đường bờ biển 1.119 km (chiếm 34,3% nước), theo thống kê đến thời điểm tháng 7/2018, khu vực có 61 điểm sạt lở với tổng chiều dài sạt lở 80,7km chiếm 7,21% chiều dài đường bờ biển (Bảng 1.1) Bảng 1.1: Tổng hợp trạng sạt lở bờ biển khu vực Nam Trung Bộ [18] TT Tỉnh/thành Chiều dài bờ biển (Km) 30 Số điểm sạt lở (điểm) 12 Chiều dài sạt lở km) 8,47 Tỷ lệ (%) Đà Nẵng Quảng Nam 125 9,2 28,23 7,36 Quảng Ngãi 144 21 35,13 24,39 Bình Định 134 11 7,81 5,83 Phú Yên 189 8,5 4,50 Khánh Hòa 200 2,5 1,25 Ninh Thuận 105 2,5 2,38 Bình Thuân 192 6,61 3,44 1.119 61 80,72 7,21 Tổng cộng Xói lở diễn kiểu cấu tạo bờ sỏi cát, bùn sét, bùn, cát…song xu xói bờ có vật chất thành tạo chủ yếu cát (chiếm 94%) tăng lên đáng kể diễn hầu hết bờ biển, địa bàn tất tỉnh Điển hình xói lở bờ biển xảy khu vực: phía Bắc cửa Đại-Hội An, Tam Hải, Xuân Hòa, Xuân -163- PHỤ LỤC 1: Tóm tắt tảng khoa học module thủy lực (HD), phổ sóng (SW), vận chuyển cát (ST) mơ hình MIKE21/3 Couple FM Model Module thủy động lực học Đây module (viết tắt module HD) mơ hình tích hợp MIKE21/3 Coupled Model FM Nền tảng phương trình Reynold chất lỏng khơng nén được, kết phép tốn trung bình hóa phương trình NavierStokes với giải thiết Boussinesq áp suất thủy tĩnh Hệ phương trình module HD bao gồm: phương trình liên tục, bảo tồn động lượng, bảo tồn nhiệt lượng, bảo tồn độ mặn, phương trình trạng thái (công thức xác định mật độ nước theo nhiệt độ độ mặn) khép kín mơ hình động lực rối bán kinh nghiệm Trong số trường hợp, mơ hình cịn bao gồm phương trình bảo tồn chất có ảnh hưởng đến trạng thái nước (ngồi nhiệt độ độ mặn, ví dụ bùn cát lơ lửng hạt mịn, hay độ đục…) 1.1 Phương trình chiều Tích phân phương trình chuyển động phương trình liên tục theo phương thẳng đứng khoảng độ sâu h    d cho ta phương trình nước nơng chiều dạng: h u hv    hS t x y (1) hu hu hvu  h pa gh     fvh  gh    t x y x 0 x 0 x  sx  bx  sxx sxy           hTxx    hTxy   hus S 0 0 0  x y  x y hv huv hv  h pa gh      fuh  gh    t x y y 0 y 0 y  sy  by  s yx s yy     0 0 0  x y       hTxy    hTyy   hvs S y  x (2) (3) -164- Trong đó:  t: Thời gian  x, y: Các thành phần tọa độ Decartes  : Độ dâng mặt nước so với mực nước tĩnh;  d: Độ sâu cột nước;  h = +d: Độ sâu cột nước tổng cộng;  u, v: Các thành phần vận tốc theo phương x, y;  =2sin: Tham số Coriolis (  vận tốc góc  vĩ độ địa lý);  g: Gia tốc trọng trường;  : Mật độ nước biển;  pa: Áp suất khí quyển;  o: Mật độ nước tham chiếu;  S: Độ lớn lưu lượng nguồn nước đổ vào VNC (us , vs ) vận tốc dòng nước chảy từ nguồn vào VNC;   sx , sy   bx , by  : Các thành phần ứng suất ma sát gió lên mặt nước ứng suất ma sát đáy theo phương x y tương ứng  ( S xx , S xy ) ( S yx , S yy ) : Các thành phần ứng suất tán xạ sóng theo phương x y tương ứng Dấu gạch giá trị trung bình theo độ sâu h Ví dụ, u v thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu định nghĩa quan hệ:  hu   udz, d  hv   vdz d (4) Các ứng suất mặt bên khối nước Tij bao gồm: (1) Ma sát nhớt, (2) Ma sát rối trượt vận tốc xác định qua hệ số nhớt rối gradient vận tốc trung bình độ sâu dạng: Txx  A  u v  u v , Txy  A    , Tyy  A x  y x  y (5) -165- A hệ số nhớt rối ngang Ngồi phương trình bản, mơ hình HD cịn cần đến nhiều mơ hình bán kinh nghiệm để khép kín hệ thống, biên mặt đáy cột nước 1.2 Thuật giải số trị Lưới phi cấu trúc Trong mơ hình MIKE21/3 Coupled Model FM, phương trình vi phân đạo hàm riêng mơ q trình thủy động lực học, vận chuyển chất vô hướng (chất lơ lửng nước, gồm bùn cát lơ lửng), vận chuyển nhiệt, muối, động lực rối giải phương pháp thể tích hữu hạn, miền khơng gian tính tốn xấp xỉ mạng lưới phần tử không gian cấu tạo đơn giản (gọi phần tử), xếp liên tiếp bên không chồng lên Ý tưởng lưới tính mềm dẻo (Flexible Mesh) áp dụng, số ưu điểm bật mơ hình Trong ứng dụng hai chiều, phần tử phân tử tam giác nằm ngang Chúng kết thành lưới phi cấu trúc mặt phẳng ngang xấp xỉ tồn miền khơng gian tính tốn Các biến phụ thuộc có giá trị phạm vi phần tử gán cho điểm có tọa độ tâm phần tử Thuật giải mơ hình HD chiều Dạng tổng qt phương trình nước nơng: U    F U   S U  t (6) Phương trình (2.24) viết lại tọa độ Decartes chiều sau: I V U  ( FxI  FxV )  ( Fy  Fy )   S t x y (7) I V U vector biến phụ thuộc mơ hình, F  F  F hàm vector thông lượng, S vector số hạng nguồn, biểu diễn định nghĩa sau: -166- h U   hu  ,  hv      hu          u   FxI   hu  g (h  d )  , FxV   hA       x        u v   huv    hA      y x             hv        u  v V FyI   huv  , Fy   hA  y  x        2  hv  g ( h  d )    v      hA      x   (8)      g d  fvh  h pa  gh    sxx  sxy      x o x o x  o  x y      sx  bx      hus   o o S    d h pa gh   s yx s yy    fvh       g  o y o y  o  x y    y    sy  by      hvs o o   Các số I V đầu hàm tương ứng với thông lượng không nhớt (thông lượng đối lưu) thông lượng có nhớt Tích phân (6) cho tồn phần tử thứ i sử dụng định lý Gauss nhằm viết lại tích phân thơng lượng, để nhận phương trình làm việc có dạng sau:  Ai U d    S U d      F  n  ds Ai i t Trong đó: + Ai diện tích phần tử i, (9) -167- +  biến lấy tích phân miền Ai + i chu vi phần tử thứ i ds biến tích phân dọc theo chu vi, + n vector pháp tuyến hướng ngồi phần tử Thơng lượng theo phương nằm ngang tính theo cơng thức xấp xỉ Riemann Roe (xem Roe, 1981) Sơ đồ tích phân khơng gian bậc sử dụng để tính tốn theo cơng thức (8) Đó phương trình làm việc phương pháp thể tích hữu hạn cho mơ hình HD chiều lưới phi cấu trúc Module phổ sóng Module phổ sóng MIKE21 SW tích hợp mơ hình MIKE21/3 Coupled Model FM mơ hình động lực sóng hệ thứ ba, giải lưới phi cấu trúc Chức mơ hình thành, phát triển, phân rã biến đổi sóng gió tác động yếu tố quan trọng Điểm bật MIKE21 SW kết nối với module tính tốn dịng chảy, mực nước, vận chuyển bùn cát xói bồi Sóng biển hình thành tác động tổng hợp đồng thời chế là:  Năng lượng sóng từ miền lân cận truyền đến;  Ma sát áp lực gió chỗ lên mặt nước;  Sự khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, tán xạ vỡ sóng tương tác sóng địa hình đáy, bờ biển, cửa sơng, vịnh, đảo, cơng trình nhân tạo;  Sự tương tác phi tuyến sóng với nhau;  Sự tương tác sóng với dịng chảy dao động mực nước;  Trạng thái sóng biển (đang phát triển, phát triển suy thoái);  Dưới tác dụng chuyển động sóng biển, kết hợp với dịng chảy, địa hình cấu tạo bề mặt đáy bờ biển biến đổi, dẫn đến nhiều hậu khác hệ sinh thái, môi trường, phá vỡ cơng trình nhân tạo…Tiếp theo, biến đổi lại ảnh hưởng lên sóng -168- Học thuyết động lực sóng trọng lực đại mơ tả phương trình vận chuyển mật độ tác động sóng N N biến thiên theo thời gian khơng gian,  hàm hai tham số: pha sóng, số sóng vector k với độ lớn, k, hướng,  Tham số sóng hướng sóng  tần số góc tương đối (nội tại)   2f r hay tần số góc tuyệt đối   2f a Mật độ tác động sóng N(,) liên quan đến mật độ lượng E(,) sóng cơng thức: N E (10)  Đối với ứng dụng quy mô nhỏ phạm vi Luận án, mơ hình phổ sóng thường thiết lập tọa độ phẳng Decartes Trong vùng có độ sâu thay đổi chậm tốc độ dòng chảy nhỏ tần số góc tương đối  tần số góc tuyệt đối  có quan hệ phân tán tuyến tính sau:    gk tanh( kd)    k U (11)  Trong (11), g gia tốc trọng trường, d độ sâu cột nước U véc tơ vận tốc dòng chảy Độ lớn vận tốc tương đối nhóm sóng Cg so với dịng cho cơng thức: Cg   2kd   (1  ) k sinh( 2kd ) k (12) Phương trình bảo tồn mật độ tác động sóng Trong hệ tọa độ Decartes, phương trình bảo tồn mật độ tác động sóng có dạng:  N S  .( N )  t   (13)  N ( x ,σ,,t) mật độ tác động, t thời gian, x = (x,y) hệ tọa độ Decartes,   v = (cx, cy, cσ, c ) vận tốc lan truyền sóng không gian pha bốn chiều x , σ, , S số hạng nguồn phương trình cân mật độ tác động sóng  tốn tử vi phân không gian bốn chiều Bốn tốc độ lan truyền đặc trưng sóng cho cơng thức: -169-   dx  (c x , c y )   c g U dt (14)    U d   d  c    U   c d g k x  dt d  t s  (15)    d   d   U  c    k dt k  d m m    (16) Ở đây, s tọa độ trục có hướng hướng sóng  m tọa độ vng góc với s   tốn tử vi phân hai chiều khơng gian (x,y) x Nguồn lượng sóng Số hạng nguồn lượng sóng, S, bao gồm tổng đại số nguồn thành phần: S = Sin + Snl + Sds + Sbot + Ssurf (17) Trong đó: + Sin nguồn lượng sóng từ gió; + Snl nguồn chuyển giao lượng sóng tương tác phi tuyến sóng với nhau; + Sds tiêu tán lượng sóng sóng bạc đầu; + Sbot tiêu tán lượng sóng ma sát đáy; + Ssurf tiêu tán lượng sóng sóng vỡ vùng sóng vỗ bờ Tương tác sóng, dịng chảy dao động mực nước Tác động dòng chảy lên sóng thể cơng thức động học (10), (13) thông qua trị số hướng vận tốc dòng chảy Ảnh hưởng dao động mực nước lên sóng thể qua độ sâu cột nước d Đối với vùng nước nơng, ảnh hưởng dịng chảy mực nước lên sóng đáng kể Ảnh hưởng sóng lên dịng chảy thể qua dịng động lượng phát sinh gradient ứng suất xạ sóng vùng biển nơng gồm Sxy, Sxx, Syx, Syy: Sxx = g(ƒu2 + ƒpp) (18) -170- Sxy = Syx= g(ƒuv) (19) Syy = g(ƒv2 + ƒpp) (20) 2 Trong đó: 2  f pp  2kd   (1  sinh( 2kd ) )E ( f ,  )dfd 0 2  fu    cos 0 2  f uv  2kd (    )(1  )E ( f ,  )dfd sinh( 2kd ) 3 2kd   cos(    ) sin(    )(1  sinh( 2kd ) )E ( f ,  )dfd 0 2  fv2    sin 0 2kd (    )(1  )E ( f ,  )dfd sinh( 2kd ) Do đó, việc tích hợp mơ hình thủy động lực học phổ sóng để giải đồng thời quan trọng vùng ven biển nước nông, tốn xói bồi Tương tác sóng xói bồi Tác động xói bồi lên sóng thể qua thay đổi địa hình đáy bờ dẫn đến biến dạng yếu tố sóng, ngược lại thơng số sóng yếu tố động lực quan trọng bậc dẫn đến xói bồi Do đó, việc tích hợp mơ hình vận chuyển bùn cát, xói bồi, mơ hình thủy động lực học mơ hình phổ sóng để giải đồng thời, cập nhật liên tục ảnh hưởng qua lại chúng tiếp cận hợp lý vùng biển nước nơng, tốn xói bồi Mơ hình số trị thuật giải Phương pháp thể tích hữu hạn dùng để giải mơ hình phổ sóng lưới tính phi cấu trúc xấp xỉ miền tính tốn khơng gian địa lý (hình học) Mật độ  sóng tác động N( x ,σ,) đại diện cho phần tử đặt tọa độ trung tâm hình học phần tử Trong khơng gian tần số, lưới sai phân dạng lơgarít dùng, đó: σ1 = σmin σl = ƒσσl-1 Δσl = σl+1 - σl-1 l = 2, Nσ (21) -171- ƒσ yếu tố cho trước, σmin mức tối thiểu tần số góc Nσ bước tần số cần rời rạc Trong không gian hướng, lưới sai phân cách sử dụng, đó: m = (m - 1)Δ; Δm = 2 / N m = 1, N (22) Ở N số hướng cần rời rạc Đại lượng N xem khoảng sai phân theo tần số hướng: Δσl Δm Tích phân (13) diện tích Ai phần tử thứ i, số gia tần số Δσl số gia Δm , ta nhận phương trình để áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn:  t   m    l Ai Nddd   m   l  S Ai  ddd  (23)      m  l Ai .( F )ddd Với Ω biến tích phân định nghĩa Ai F = (Fx, Fy, Fσ, F) = v N dòng đối lưu Vế trái (23) xấp xỉ quy tắc cầu phương điểm Sử dụng định lý phân kỳ, vế phải tích phân (23) thay tích phân quanh biên thể tích khơng gian x , σ,  tích phân đánh giá cách sử dụng quy tắc cầu phương điểm cạnh phân tử Do đó, (23), viết sau:  N i ,l ,m  NE   ( Fn ) p ,l ,m l p   t Ai  p 1  ( F )i,l 1/ 2,m  ( F )i,l 1/ 2,m   ( F )i,l ,m1/  ( F )i,l ,m1/   Si,l ,m  l  m l (24) Ở đây: NE tổng số cạnh phần tử (NE = cho phần tử tam giác) (Fn)p,l,m=(Fxnx+Fyny)p,l,m thông lượng trực giao cạnh p không gian địa lý với  chiều dài Δlp n = (nx, ny) véc tơ đơn vị trực giao hướng ngồi bên khơng gian địa lý (Fσ )i,l+1/2,m (F )i,l,m+1/2 thông lượng qua mặt không gian tần số hướng -172- Trong không gian địa lý, thông lượng trực giao cạnh phần tử i phần tử j đại lượng: 1  1c Fn  cn  ( N i  N j )  n ( N i  N j )  cn 2  (25) Trong cn tốc độ lan truyền theo hướng trực giao từ phần tử i tới mặt phần tử j cn     (ci  c j ).n (26) Việc áp dụng sơ đồ ngược gió bậc dẫn đến khuếch tán số (Tolman,1991, 1992) Trong ứng dụng quy mô nhỏ, biển ven bờ ưu gió địa phương, sơ đồ có độ xác chấp nhận Tuy nhiên, trường hợp lan truyền sóng lừng khoảng cách dài, cần sử dụng sơ đồ xấp xỉ bậc cao bậc Hình 1: Điểm phần tử điểm cạnh Điều kiện biên Tại biên bờ đất, điều kiện hấp thụ hoàn toàn áp dụng Các thành phần thông lượng trực giao với cạnh phần tử bờ đất gán zero (bờ đất di động phát sinh mức nước VNC thay đổi) Khi thông lượng có hướng khỏi vùng tính tốn, khơng cho có điều kiện biên Tại biên mở có thơng lượng vào VNC, cần liệu sóng tới Do đó, phổ lượng phải cho trước đoạn biên mở Trong khơng gian tần số sóng, điều kiện biên là sóng hấp thụ tồn phần Khơng cần điều kiện biên khơng gian hướng sóng (điều kiện tuần hoàn) -173- Module vận chuyển cát Khác với mơ hình thủy lực phổ sóng, hầu hết mơ hình tốn mơ q trình diễn biến hình thái chưa hồn chỉnh lý thuyết phải sử dụng công thức, hệ số thực nghiệm, đồng thời đòi hỏi nhiều số liệu thực đo để làm đầu vào [20] Trong Luận án, áp dụng cho khu vực ven biển Nam Trung Bộ, tác giả chọn module MIKE21/3 Sand Transport (ST) mơ hình chun nghiệp vận chuyển cát rời dựa nghiên cứu tác giả: Deigaard, R., FredsØe, J., Hedegaard kết hợp với module thủy lực HD phổ sóng SW MIKE21/3 ST module chun tính vận chuyển cát dịng chảy hay tổ hợp dịng chảy sóng Từ vận chuyển cát, mơ hình tính tốn biến đổi địa hình lịng dẫn cho thời đoạn tính tốn khác Đầu mơ hình MIKE21/3 HD MIKE 21 SW đầu vào MIKE21/3 ST Đồng thời, thay đổi địa hình lịng dẫn cập nhật để tính sóng dịng chảy mơ hình tích hợp MIKE21/3 Coupled Model FM Do đó, MIKE21/3 ST lựa chọn phù hợp cho nghiên cứu bồi xói VNC, có cơng trình chỉnh trị, bến cảng Module MIKE 21/3 ST có hai phần chính:  Module vận chuyển cát tác động dòng chảy túy  Module vận chuyển cát tác dụng tổng hợp sóng dịng chảy Việc chọn lựa module để sử dụng quan trọng khía cạnh: (1) Lựa chọn phải phù hợp với thực tế VNC; (2) Vì module sử dụng cơng thức tính tốn sở liệu đầu vào khác nhau, việc lựa chọn dẫn đến quy trình vận hành mơ hình khác nhau, đặc biệt khâu chuẩn bị số liệu để chạy mơ hình MIKE21/3 ST Trong nghiên cứu tác giả chọn Module vận chuyển cát tác dụng tổng hợp sóng dịng chảy Đối với lựa chọn thứ hai (vận chuyển cát tác dụng tổng hợp sóng dịng chảy), mơ hình STP (Sediment Transport Prorgam) Viện Thủy lực Đan Mạch phải sử dụng trước Đây mơ hình vận chuyển cát chiều tác dụng tổng hợp sóng dòng hay chế riêng rẽ, tức khơng trực tiếp giải -174- phương trình tải-tán xạ Kết thực mơ hình STP bảng giá trị dịng vận chuyển cát phủ kín phạm vi mà q trình liên quan đến vận chuyển cát xảy VNC Tiếp theo, dựa vào kết tính sóng dịng chảy bảng vận chuyển cát Q3D lập mơ hình STP, mơ hình MIKE21/3 ST nội suy dịng vận chuyển cát ứng với trường dòng chảy, độ sâu cột nước trường sóng thời điểm tính tốn xói bồi, làm đầu vào để chạy mơ hình biến đổi lịng dẫn (tính xói bồi) Các đặc điểm STP bao gồm: (1) Có tính đến q trình vật lý ảnh hưởng đến vận chuyển cát như: dịng chảy, sóng, cấu tạo đáy bãi, độ dốc, thành phần hạt, sóng vỡ (2) Thời gian tính tốn nhỏ khơng cần giải tốn biên dạng tổng qt mà phép nội suy giá trị vận chuyển cát từ bảng tính sẵn trước gọi bảng trầm tích Q3D Bảng vận chuyển cát Q3D lập công cụ MIKE21 Toolbox thuộc MIKE Module STP_Q3D công cụ tin học chuyên nghiệp để tính dịng vận chuyển cát tổng hợp dịng chảy sóng tựa dừng theo hai hướng trực giao: tiếp tuyến đường bờ (Longshore) pháp tuyến đường bờ (Cross-shore) có tính đến chế sau:  Ảnh hưởng tổng hợp dịng chảy sóng;  Góc sóng dịng chảy;  Sự phá vỡ khơng vỡ sóng;  Đáy thủy vực phẳng hay dạn gợn sóng (Ripple);  Cát đồng kích thước hay cát có kích thước phân tán Thuật tốn module STP_Q3D: Dòng vận chuyển cát tổng dòng cát lơ lửng qs dòng di đẩy đáy qb: qt = qb + qs (27) Trong mơ hình STP, qb tính theo cơng thức Engelund Fredsøe (1976), thơng số Shields θ giá trị tức thời Phân bố thẳng đứng cát lơ lửng tính từ phương trình khuếch tán theo phương đứng Fredsøe (1985), bỏ qua số hạng bình lưu Cuối cùng, dịng vận chuyển cát lơ lửng tính theo cơng thức: -175- qs  T T D   (uc)dzdt (28) 2d Cơ chế vận chuyển cát hạt thô tương tự cát trung có số điểm khác: - Cát thô chủ yếu vận chuyển đáy, tầm quan trọng dịng cát lơ lửng xác định qua số Rouse: R ws U f (29) Trong đó: ws vận tốc rơi, κ số Karman Uf vận tốc đáy Đại lượng qs cịn có ý nghĩa R< 2.5 Khi R>5, ta bỏ qua qs - Đối với cát thô, lực quán tính hạt cát quan trọng, đó, mịn cát trung, ta bỏ qua lực - Cuối cùng, bờ cát thô thường có độ dốc lớn, ảnh hưởng độ dốc đáy lên trình khởi động hạt di chuyển quan trọng Các thông số chung để ứng dụng STP_Q3D bao gồm: Lưu ý: Số chu kỳ sóng số bước chu kỳ sóng ảnh hưởng lớn đến thời gian tính tốn lập bảng vận chuyển Q3D Các thông số mở rộng bao gồm: Lưu ý: Có số yếu tố trình ảnh hưởng đến dịng vận chuyển cát khơng cần đưa vào tính tốn -176- Chọn lý thuyết sóng thơng số liên quan đến sóng vỡ: Chọn giới hạn trị số thông số dịng chảy, sóng, tính chất cát: Kết bảng số liệu cần nạp vào chạy mơ hình MIKE21/3 ST Thơng thường cho vùng nghiên cứu có bảng riêng Ứng với phương pháp tính vận chuyển cát chọn, phương án tính tốn diễn biến lịng dẫn có khác Đối với lựa chọn thứ hai, hiệu ứng tổng cộng sóng dịng chảy tính đến, nhiên hiệu ứng chảy vòng bị bỏ qua Như vậy, quy trình ứng dụng mơ hình MIKE21/3 ST phức tạp có nhiều vấn đề cần xử lý có tính chủ quan, phụ thuộc lớn vào kinh nghiệm kiến thức người sử dụng Các điểm nhấn bao gồm: - Chọn thuật toán hợp lý cho VNC; - Phải có số liệu tin cậy dịng chảy sóng (nếu cần); - Có số liệu tin cậy hợp lý địa hình lịng dẫn tính chất lý cát VNC lân cận; - Nếu tính vận chuyển cát biển chịu tác động đồng thời sóng dịng chảy, cơng việc quan trọng tạo bảng tốc độ tải cát Q3D hợp lý, phủ -177- kín tổ hợp xẩy VNC Lưu ý: Nếu giá trị thơng số tính tốn nằm ngồi giới hạn có bảng Q3D, phép tính dịng bùn cát khơng thực hiện; Module MIKE21/3 ST tích hợp vào mơ hình MIK21/3 Coupled FM Model hệ thống khẳng định kết nghiên cứu thực nghiệm công phu tốn lý thuyết tượng vận chuyển cát xói bồi kèm theo Tuy nhiên, mơ hình với nhiều thơng số thực nghiệm, MIKE21/3 ST mơ hình bán kinh nghiệm ... đến hình thái cục vùng ven biển Hình 1.13: Hướng nghiên cứu ảnh hưởng NBD đến hình thái vùng ven biển Nghiên cứu liên quan thực Việt Nam Nam Trung Bộ Ở Việt Nam, nghiên cứu hình thái vùng ven biển. .. CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN HÌNH THÁI VÙNG VEN BIỂN NAM TRUNG BỘ Cơ sở lý thuyết diễn biến hình thái vùng ven biển Biến động vùng ven biển (gồm xói lở bồi tụ) q trình... từ biển lượng sóng xu biến đổi của tác động trình NBD BĐKH Nghiên cứu giới ảnh hưởng NBD đến diễn biến hình thái vùng ven biển Nhiều nghiên cứu ảnh hưởng NBD đến diễn biến hình thái vùng ven biển