Khu vực ven biển Cửa Đáy là vùng có đặc điểm tự nhiên tương đối đặc biệt. Ở đây, mức độ bồi tụ đang diễn ra rất mạnh. Bồi tụ ven bờ và quá trình lấn biển làm tăng thêm diện tích đất tự nhiên nhưng cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình động lực sông.
Để đánh giá biến động của vấn đề xói lở, bồi tụ và dịch chuyển đường bờ, hướng giải quyết chủ yếu của nghiên cứu này là sử dụng mô hình toán số mô phỏng chế độ thủy thạch động lực và hình thái vùng cửa sông, ven biển, có kiểm chứng bằng số liệu khảo sát thực tế. Ngoài ra, nghiên cứu còn sử dụng các phương pháp kinh nghiệm khác, như đánh giá xu thế diễn biến đường bờ dựa trên cơ sở phân tích tài liệu thực tế, sử dụng ảnh viễn thám….
Mô hình toán là tập hợp các biểu thức toán học phức tạp mô tả các quy luật vật lý trong những điều kiện nhất định. Tính toán thuỷ lực mạng lưới sông không thể thiếu mô hình toán. Với bài toán thuỷ lực thường áp dụng mô hình 1 chiều giải hệ phương trình Saint-Venant gồm phương trình liên tục và chuyển động, nghiệm là mực nước và lưu lượng/vận tốc. Khi có số liệu địa hình của mạng lưới sông nghiên cứu và số liệu thuỷ văn: mực nước, lưu lượng, mô hình cho phép tính toán mô phỏng quá trình thuỷ động lực trong toàn bộ mạng lưới sông. Một khi các kết quả tính toán của mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng so với số liệu quan trắc trong thực tế, thường là tại các trạm thuỷ văn, mô hình cho phép dự báo theo các kịch bản khác nhau. Kịch bản là những tình huống có thể xảy ra trong những điều kiện nhất định, giúp cho các nhà quản lý và nhà hoạch định chính sách tiếp cận vấn đề một cách khoa học.
Trên thế giới và trong nước hiện có nhiều mô hình thủy động lực đang được áp dụng cho nhiều mục đích khai thác khác nhau như nghiên cứu, quy hoạch và thiết kế hệ thống công trình.., tiêu biểu có thể kể đến SORBEK, DELFT 3D (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch), tuy nhiên, mỗi mô hình đều có những ưu nhược điểm riêng và cho đến nay vẫn chưa có một đánh giá toàn diện và chi tiết về khả năng áp dụng trong thực tế của các mô hình nói trên. Sau khi cân nhắc, so sánh các mô hình
toán có thế áp dụng cho khu vực phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, đã lựa chọn mô hình MIKE. Các môđun MIKE cho phép mô phỏng và tái hiện bức tranh thủy động lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm như số liệu đo đạc. Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán đồng thời của các yếu tố trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Đáy – Ninh Bình, bộ mô hình MIKE đã được lựa chọn do đáp ứng được những tiêu chí. Bộ mô hình thuỷ động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng trong nghiên cứu này có tên gọi MIKE của Viện Thuỷ lực DHI, Đan Mạch. Đây là một trong các mô hình 1, 2 và 3 chiều tiên tiến nhất thế giới hiện nay, được sử dụng trong hầu hết các trường đại học, viện nghiên cứu và các đơn vị tư vấn ở trong và ngoài nước với các lợi thế:
- Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng (tính toán trường sóng, dòng chảy, vận chuyển trầm tích, diễn biến địa hình đáy;
- Cơ sở toán học chặt chẽ, chạy ổn định, thời gian tính toán nhanh. - Đã được kiểm nghiệm thực tế ở nhiều quốc gia trên thế giới;
- Có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có khả năng tích hợp với một số phần mềm chuyên dụng khác.
Nghiên cứu này sử dụng bộ mô hình MIKE của Viện Nghiên cứu Thủy lực Đan Mạch với các môđun MIKE 11 để tính lưu lượng và nồng độ bùn cát từ trong sông đổ ra, mô đun MIKE 21 SW để tính sóng, môđun MIKE 21 HD tính toán và mô phỏng thủy lực và môđun MIKE 21 ST tính vận chuyển trầm tích.
Các môđun MIKE 21/3 FM Couple cho phép mô phỏng và tái hiện bức tranh thủy động lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm như số liệu đo đạc. Mô hình kết hợp MIKE 21/3 FM couple là một hệ thống mô hình động lực đích thực để áp dụng cho vùng cửa sông, ven biển và trong sông. Mô hình bao gồm các mô đun sau:
- Mô đun dòng chảy - Mô đun tải khuếch tán
- Mô đun chất lượng nước và sinh thái học - Mô đun vận chuyển bùn
- Mô đun vận chuyển cát (chỉ áp dụng cho tính toán 2D) - Mô đun phổ sóng
Mô đun dòng chảy và phổ sóng là hai thành phần cơ bản của mô hình kết hợp Mike 21/3 FM. Mô hình này được sử dụng để tính toán tương tác giữa sóng và dòng chảy, kết hợp động lực học mô đun dòng chảy và mô đun sóng. Mô hình cũng bao gồm tính toán kết hợp động lực học giữa mô đun vận chuyển bùn, mô đun vận chuyển cát, mô đun dòng chảy và sóng. Do đó, sự tác động qua lại đầy đủ của những thay đổi về độ sâu đến tính toán sóng và dòng chảy cũng được xem xét. Cụ thể, mô đun MIKE21 SW sử dụng để tính trường sóng, mô đun MIKE 21 HD lưới phần tử hữu hạn sử dụng để tính toán dòng chảy, mô đun MIKE 21 ST sử dụng để tính toán quá trình vận chuyển bùn cát không kết dính, bộ LITPACK sử dụng tính toán tiến triển đường bờ, thay đổi địa hình đáy dưới những điều kiện tác động của thủy lực biển.