Phạm vi miền tính của mô hình
Mô hình thủy động lực cho khu vực cửa biển Đề Gi sử dụng hệ lưới cong trực giao. Miền tính có kích thước 55 km theo chiều Bắc – Nam, biên phía trên dài 45 km, biên phía dưới dài 27,5 km; với diện tích mặt nước khoảng 2000 km2 được chia thành 76 x 116 điểm tính, kích thước các ô lưới biến đổi từ 42 đến 124 m. Lưới độ sâu được thiết lập trên cơ sở lưới tính và bản đồ địa hình khu vực đã được số hoá.
38
Lưới tính Độ sâu
Hình 21. Lưới tính và độ sâu của mô hình thuỷ động lực Thời gian tính toán
Mô hình thuỷ động lực khu vực cửa biển Đề Gi được thiết lập và chạy với thời gian là các mùa đặc trưng trong năm (mùa gió Đông Bắc và mùa gió Tây Nam) của các kịch bản khác nhau. Trong đó kịch bản hiện trạng được thiết lập để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Bước thời gian chạy của mô hình thuỷ động lực là 5 phút và tính toán từ ngày 5/11/2012 – 13/11/2012.
Các quá trình cơ bản được tính đến trong mô hình
Mô hình tính được thiết lập và lựa chọn kiểu liên kết đồng thời của các quá trình cơ bản thuỷ động lực – sóng – vận chuyển trầm tích lơ lửng. Trong đó các yếu tố chính được tính đến: ảnh hưởng gió bề mặt; tương tác sóng – dòng chảy (tính đồng thời kết hợp 2 modul Delft 3D Wave và Delft 3D Flow) và trầm tích lơ lửng (tính đồng thời).
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu của mô hình
Trong mô hình Delft 3D Flow, tốc độ dòng chảy và mực nước ban đầu cho bằng 0. Tại các biên cứng, các thành phần vận tốc lấy bằng 0. Mô hình cho phép sử dụng các điều kiện biên khác nhau tại biên lỏng bao gồm: dao động mực nước hoặc vận tốc; lưu lượng từ các sông đổ vào khu vực tính. Trên bề mặt là phân bố theo không gian và thời gian của trường gió (tốc độ và hướng tại độ cao 10 m trên mặt biển). Tại khu vực Đề Gi có ba biên lỏng như hình 21 và được cho hằng số điều hoà mực nước
39
của tám thành phần chính (M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1) theo các số liệu đã có ở khu vực để tính toán dao động mực nước ở hai đầu biên.
Bảng 5. Hằng số điều hoà thuỷ triều tại các biên lỏng
Vị trí Biên 1 Biên 2 Biên 3
Trái Phải Dưới Trên Trái Phải
M2 H(m) 0.226 0.226 0.226 0.203 0.203 0.203 g (0) 100.3 100.3 100.3 101.5 101.5 101.5 S2 H(m) 0.0833 0.0833 0.0833 0.0833 0.0833 0.0833 g (0) 112 112 112 113.5 113.5 113.5 K1 H(m) 0.29 0.29 0.29 0.31 0.31 0.31 g (0) 179.3 179.3 179.3 179.6 179.6 179.6 O1 H(m) 0.2582 0.2582 0.2582 0.263 0.263 0.263 g (0) 143.1 143.1 143.1 143.5 143.5 143.5 N2 H(m) 0.0752 0.0752 0.0752 0.0741 0.0741 0.0741 g (0) 76.4 76.4 76.4 77.7 77.7 77.7 K2 H(m) 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 g (0) 91.4 91.4 91.4 93.1 93.1 93.1 P1 H(m) 0.0978 0.0978 0.0978 0.099 0.099 0.099 g (0) 175.2 175.2 175.2 175.6 175.6 175.6 Q1 H(m) 0.0463 0.0463 0.0463 0.0473 0.0473 0.0473 g (0) 133.8 133.8 133.8 134.1 134.1 134.1
Các tham số tính toán khác của mô hình Delft 3D Flow
Mật độ nước lấy không đổi cho toàn vùng là 1025 kg/m3, hệ số nhám Manning lấy bằng 0,026; hệ số kháng của gió: Cd = 0,00063 khi vận tốc gió W = 1 m/s và Cd = 0,00073 khi W = 100m/s; hệ số khuếch tán rối và nhớt rối theo phương ngang được lựa chọn là 10 m2/s.
Đối với mô hình Delft 3D Sed, nồng độ trầm tích lơ lửng ban đầu được lấy bằng 0,05 kg/m3, độ dày đáy ban đầu là 0,05 m. Nồng độ trầm tích lơ lửng tại các biên lỏng được lấy là 0,05 kg/m3. Mật độ trầm tích riêng lấy bằng 2650 kg/m3, mật độ trầm tích tại đáy bằng 2000 kg/m3, đường kính hạt cát D50 = 250µm.
Mô hình sóng
Mô hình sóng trong nghiên cứu này được thiết lập chạy đồng thời (online coupling) với mô hình thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích lơ lửng. Tại mỗi thời điểm tính toán (1h), mô hình sóng sẽ sử dụng lưới tính, trường gió, các kết quả tính độ sâu, mực nước, dòng chảy của mô hình thuỷ động lực.
40
Điều kiện biên mở của mô hình sóng được thiết lập cho ba hướng sóng chính là hướng Đông Bắc (NE), Đông Nam (SE) và Đông (E).
Trong mô hình nghiên cứu này, lựa chọn phổ JONSWAP với hệ số ma sát đáy có giá trị 0,067. Mô hình B&J được lựa chọn để tính ảnh hưởng của nước nông nơi diễn ra quá trình sóng đổ. Các quá trình và tham số cơ bản khác của mô hình sóng được tóm tắt trong bảng 6.
Bảng 6. Bảng tóm tắt các thông số của mô hình
Module Thông số Giá trị
Thuỷ động lực (Delft 3D – Flow)
Số điểm tính M = 76, N = 116 42 – 124 m
Số tầng 1
Bước thời gian 5 phút
Ngưỡng khô và ướt (Dry/wet) 0,1 m Hệ số nhám Manning 0,026 Hệ số nhớt theo phương ngang 10 m2/s
Mô hình rối 2 chiều HLES Sơ đồ bình lưu Cyclic method Sóng (Delft 3D –
Wave)
Hdy (ngưỡng khô và ướt) 0,1 Kiểu ma sát đáy JONSWAP Liên kết với modul TĐL Use and don’t extend Độ sâu gây ra sóng đổ (mô hình
B&J) Hệ số Alpha Hệ số Gamma
Bettjes & Janssen (1978) 1
0,73 Kích hoạt các quá trình Wind growth Vận chuyển trầm tích lơ lửng (Delft 3D – Sed) Mật độ riêng của trầm tích 2650 kg/m3 Mật độ trầm tích tại đáy 2000 kg/m3 Đường kính hạt cát D50 250µm 3.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Hiệu chỉnh mô hình
Số liệu mực nước đo đạc với tần suất 1h/1 lần tại trạm Mỹ Thành – Bình Định (14.12N 109.20E). Thời gian hiệu chỉnh mô hình từ ngày 5/11/2012 – 25/11/2012. Tính toán hệ số tương quan giữa mực nước quan trắc và tính toán là 0,94. Qua đó ta
41
thấy kết quả hiệu chỉnh mô hình thuỷ động lực khá tốt. Nhìn vào hình 22 ta thấy sai số giữa mực nước tính toán và thực đo chỉ 0,1 m.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 1 23 45 67 89 111 133 155 177 199 221 243 265 287 309 331 353 375 397 419 441 463 485 507 Thời gian (giờ)
M ự c n ư ớ c ( m ) Thực đo Tính toán
Hình 22. So sánh số liệu đo đạc mực nước và tính toán tại trạm Mỹ Thành Kiểm định mô hình:
Thời gian kiểm định mô hình từ ngày 26/11/2012 – 4/12/2012. Nhìn vào hình 23 ta thấy sai số giữa mực nước tính toán và thực đo là tương đối nhỏ
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 Thời gian (giờ)
M ự c n ư ớ c ( m ) Thực đo Tính toán
42
Các kịch bản tính toán
Xây dựng các kịch bản tính toán vận chuyển bùn cát và biến động bãi biển cần thiết phải dựa trên các đặc trưng phân bố của mực nước thủy triều, dòng chảy và chế độ sóng. Các kịch bản đưa ra để tính toán phải thể hiện được yếu tố chủ đạo gây ra các đặc trưng biến động của khu vực. Trong khu vực cửa Đề Gi thì các yếu tố biến động mùa chiếm ưu thế. Theo đó hai mùa chính tại khu vực này là Mùa gió Đông Bắc và mùa gió Tây Nam tương ứng với nó là chế độ sóng trong gió mùa Đông Bắc và chế độ sóng trong gió mùa Tây Nam.
Từ bảng 1 và 2 kết hợp với vị trí đường bờ chạy dọc theo hướng Bắc Nam ta có thể thấy các hướng sóng chiếm tần suất lớn và có tác động chính là hướng Đông Bắc (NE) chiếm trên 50%, hướng Đông (E) chiếm trên 15% và hướng Đông Nam (SE) chiếm 19%. Các hướng còn lại (hướng Bắc (N), hướng Nam (S), hướng Tây Nam (SW), hướng Tây (W) và hướng Tây Bắc (NW)) chiếm tần suất gần 15 % không gây ảnh hưởng nhiều do phần năng lượng sóng không truyền vào trong khu vực tính toán.
Ngoài yếu tố sóng, các tác động của dòng chảy cũng gây ra một phần đáng kể tới vận chuyển bùn cát trong khu vực này. Do đặc điểm cửa đầm rất nhỏ so với diện tích nước chứa trong đầm, cho nên mức độ chênh lệch mực nước giữa trong đầm và bên ngoài trong các pha triều là khá lớn tạo ra dòng chảy có tốc độ lớn tại khu vực cửa ra vào của đầm. Đây cũng được coi là phần chính để tải một lượng bùn cát lớn từ phía ngoài cửa vào phía bên trong luồng tàu và khu vực phía trong đầm. Như vậy trong kịch bản tính không thể bỏ qua các tác động của dao động mực nước và dòng chảy.
Kết hợp các đặc trưng của sóng và dòng chảy, tác giả lựa chọn ra các kịch bản tính toán sau:
Tính toán vận chuyển bùn cát trong trường hợp hướng sóng Đông Bắc (NE) kết hợp với chuỗi dao động mực nước đặc trưng trong 8 ngày trong hai trường hợp có công trình và không có công trình.
Tính toán vận chuyển bùn cát trong trường hợp hướng sóng Đông (E) kết hợp với chuỗi dao động mực nước đặc trưng trong 8 ngày trong hai trường hợp có công trình và không có công trình.
43
Tính toán vận chuyển bùn cát trong trường hợp hướng sóng Đông Nam (SE) kết hợp với chuỗi dao động mực nước đặc trưng trong 8 ngày trong hai trường hợp có công trình và không có công trình.
3.4. Kết quả tính toán
3.4.1. Các kết quả tính toán sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát và biến đổi đáy biển trong trường hợp tính toán có công trình (hiện trạng) biển trong trường hợp tính toán có công trình (hiện trạng)
Điều kiện thuỷ động lực tại khu vực cửa biển Đề Gi chịu tác động tổng hợp của các yếu tố như dao động mực nước, sóng, gió. Kết quả tính toán của hai mô hình Delft 3D - Wave và Delft 3D - Flow trong các kịch bản tính toán có ảnh hưởng của công trình kè chắn sóng được trình bày dưới đây gồm có: Kết quả tính toán trường sóng, trường dòng chảy và biến đổi đáy biển theo các hướng sóng Đông Bắc (NE), Đông (E) và Đông Nam (SE).
a. Hướng sóng Đông Bắc (NE)
Trong trường hợp hướng sóng Đông Bắc, sóng ở biên cho vào modul Delft 3D – Wave với độ cao Hmor = 2,12 m, Tp = 8,6 s.
- Kết quả tính toán trường sóng
Hình 24 thể hiện trường sóng tại khu vực cửa Đề Gi trong trường hợp sóng gió mùa Đông Bắc. Càng vào gần bờ, độ cao sóng càng giảm, và khi vào đến cửa thì chiều cao sóng rất nhỏ.
44
- Kết quả tính toán trường dòng chảy
Hình 25. Trường dòng chảy khi triều dâng (m/s)
45
- Kết quả tính vận chuyển trầm tích
Hình 27. Nồng đồ trầm tích lơ lửng (kg/m3)
46
b. Hướng sóng Đông Nam (SE)
Với trường hợp sóng Đông Nam, các thông số của modul thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích được giữ nguyên như trường hợp sóng Đông Bắc. Riêng với modul sóng, tham số sóng được lấy như sau: Hmor = 0.72 m, Tp = 5,3 s.
- Kết quả tính toán modul sóng Delft 3D – Wave
Hình 29. Kết quả tính toán sóng tại khu vực Đề Gi (m)
- Kết quả tính toán modul thuỷ động lực Delft 3D – Flow
47
Hình 31. Trường dòng chảy khi triều rút (m/s)
- Kết quả tính toán modul vận chuyển trầm tích Delft 3D – Sed
48
Hình 33. Phân bố độ dày đáy (m) c. Hướng sóng Đông (E)
Trong trường hợp này, các tham số sóng trong modul Delft 3D-Wave được lấy: Hmor = 0,77 m; Tp = 7,04 s
- Kết quả tính toán modul sóng Delft 3D-Wave
49
- Kết quả tính toán modul thuỷ động lực Delft 3D-Flow
Hình 35. Trường dòng chảy khi triều lên (m/s)
50
- Kết quả tính toán modul vận chuyển trầm tích Delft 3D-Sed
Hình 37. Nồng độ trầm tích lơ lửng (kg/m3)
51
3.4.2. Các kết quả tính toán sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát và biến đổi đáy biển trong trường hợp tính toán không có công trình biển trong trường hợp tính toán không có công trình
Tương tự như trường hợp có công trình, các thông số của modul, sóng và vận chuyển trầm tích được giữ nguyên. Riêng modul thuỷ động lực thì công trình đã được bỏ.
a. Hướng sóng Đông Bắc (NE)
Trong trường hợp hướng sóng Đông Bắc, sóng ở biên cho vào modul Delft 3D – Wave với độ cao Hmor = 2,12 m, Tp = 8,6 s.
- Kết quả tính toán modul sóng Delft 3D-Wave
Hình 39. Kết quả tính toán trường sóng (m)
- Kết quả tính toán modul thuỷ động lực Delft 3D-Flow
52
Hình 41. Trường dòng chảy khi triều rút (m/s)
- Kết quả tính toán modul vận chuyển trầm tích Delft 3D-Sed
53
Hình 43. Phân bố độ dày đáy (m)
b. Hướng sóng Đông Nam (SE)
- Kết quả tính toán modul sóng Delft 3D-Wave
54
- Kết quả tính toán modul thuỷ động lực Delft 3D-Flow
Hình 45. Trường dòng chảy khi triều lên (m/s)
55
- Kết quả tính toán modul vận chuyển trầm tích Delft 3D-Sed
Hình 47. Nồng độ trầm tích lơ lửng (kg/m3)
56
c. Hướng sóng Đông (E)
- Kết quả tính toán của modul Delft 3D-Wave
Hình 49. Kết quả tính toán trường sóng (m)
- Kết quả tính toán của modul Delft 3D-Flow
57
Hình 51. Trường dòng chảy khi triều rút (m/s)
- Kết quả tính toán của modul Delft 3D-Sed
58
Hình 53. Phân bố độ dày đáy (m) 3.4.3. So sánh kết quả tổng hợp và đánh giá
Nhìn vào các hình 24, 29, 34 và 39, 44, 49 trong trường hợp có công trình và không có công trình, ta thấy rằng sóng thay đổi khá lớn từ ngoài khơi vào trong bờ. Càng vào gần bờ, sóng bị khúc xạ và độ cao sóng giảm dần. Trong tất cả các trường hợp, tại khu vực sát cửa hướng sóng luôn có hướng từ phía Nam lên phía Bắc. Ta có thể thấy rõ tại khu vực bãi biển gần kè, do ảnh hưởng của độ sâu mà sóng tại khu vực này nhỏ. Trong trường hợp có kè, sóng bị chặn lại phía trước kè, do đó sóng bị suy giảm nhanh chóng khi truyền vào trong kênh. Đối với trường hợp không có kè thì sóng có thể lan truyền vào sâu hơn. Phía trong đầm độ cao sóng rất nhỏ.
Điều kiện thuỷ động lực tại cửa Đề Gi chịu tác động tổng hợp của các yếu tố như dao động mực nước, sóng, gió. Nhìn vào các hình 25, 26, 30,31, 35, 36, 40, 41, 45, 46, 50, 51 ta có thể thấy được trường dòng chảy tại khu vực nghiên cứu theo các kịch bản khác nhau. Tại khuc vực cửa thì dòng chảy thuỷ triều chiếm ưu thế. Tại đây do ảnh hưởng của hệ thống đầm phía trong tạo ra độ chênh lệch mực nước giữa phía trong và ngoài đầm trong các pha triều dâng và rút tạo ra dòng chảy khá lớn. Dòng chảy lớn nhất có thể lớn hơn 1 m/s. Dòng chảy tổng hợp biến động mạnh
59
theo pha dao động của mực nước triều. Khi triều lên, trường dòng chảy có hướng đi vào trong đầm và khi triều xuống dòng chảy hướng ra ngoài đầm.
Đặc điểm vận chuyển trầm tích có liên quan chặt chẽ đến chế độ thuỷ động lực và nguồn cung cấp trầm tích. Từ các hình 27, 28, 32, 33, 37, 38, 42, 43, 47, 48, 52, 53 là sự thay đổi đáy biển theo các kịch bản tính toán khác nhau. Chúng ta dễ dàng nhận thấy diễn biến đáy biển có sự thay đổi mạnh theo các trường hợp. Đối với phía trong đầm gần cửa biển vận chuyển bùn cát do dòng chảy là chính và trong các kịch bản tính toán không có sự khác nhau do không có các tác động của sóng.