4.4.3.1. Thơng số tính tốn
Bảng 4.5. Bảng phân tích cấp hạt theo đường kính hạt (đơn vị: mm)
Khối lượng (g) <0.038 0.038-0.063 0.063-0.1 0.1-0.25
20.0 0,8% 1,2% 3,3% 50,7%
Khối lượng (g) 0.25-0.5 0.5-1.0 1.0-2.0 >2.0
20.0 32,0% 9,8% 2,0% 0,2%
133
4.4.3.2. Kết quả tính tốn
a. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày b. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 6 giờ
c. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 18 g iờ
Hình 4.37. Sự chuyển tải phù sa khi khơng tính lưới lồng
20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
134
Cửa sơng Bảy Háp là nơi cĩ sự chuyển tải phù sa khá nhiều. Dưới ảnh hưởng của thủy triều, dịng chảy thay đổi và dịng phù sa từ cửa sơng đổ vào được dịch chuyển theo tác động của dịng chảy. Khu vực này cĩ sự chuyển tải phù sa nhiều nên cần đặc biệt quan tâm và được đặt một lưới mịn để kết quả tính tốn cĩ độ chính xác cao.
a. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày b. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 6 giờ
c. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 18 g iờ
135
Trên lưới mịn, các kết quả tính tốn về dịng chảy chính xác hơn khi chỉ đặt một lưới thưa cho tồn vùng. Sự chuyển tải phù sa dưới tác động của dịng chảy được thể hiện rất rõ tại khu vực này.
Nhận xét:
Vùng cửa sơng Bảy Háp cĩ sự chuyển tải phù sa khá rõ ràng. Khi triều lên, phù sa từ cửa sơng đổ vào biển. Khi triều xuống, phù sa theo dịng chảy tràn dần xuống phía Nam.
Theo khảo sát, vùng cửa sơng Bảy Háp là vùng cĩ nhiều phù sa, kết quả của mơ hình là khá phù hợp với thực tế này.
Dưới đây là một số hình ảnh về sự bồi, xĩi đáy.
a. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày b. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 6 g iờ
20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
136
c. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ
d. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ
Hình 4.39. Sự thay đổi địa h ình đáy khi khơng tính lưới lồng
Dịng phù sa lơ lửng khi lắng đọng sẽ tạo sự bồi lắng, khi phù sa di chuyển từ đáy lên bề mặt nước thì sẽ tạo sự xĩi mịn. Kết quả về sự bồi, xĩi đáy khi chỉ đặt một lưới thưa cho thấy khu vực cửa sơng Bảy Háp cĩ sự bồi tụ nhiều. Sự xĩi mịn đáy cĩ diễn ra nhưng khơng đáng kể.
a. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày b. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 6 g iờ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
137
c. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ
d. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ
Hình 4.40. Sự thay đổi địa h ình đáy khi khơng tính lưới lồng
Trên lưới mịn, sự bồi, xĩi đáy được tính tốn chặt chẽ hơn. Kết quả cũng chỉ ra rằng khu vực này là khu vực được bồi tụ rất nhiều và chỉ một số ít bị xĩi mịn.
Sử dụng 1 lƣới thƣa trên tồn vùng tính (x= y= 300 m)
Thời gian tính là 172 giờ cho 3 tháng thời gian thực.
Sử dụng 1 lƣới mịn trên tồn vùng tính (x= y= 100m)
Thời gian tính là 1303 giờ cho 3 tháng thời gian thực.
Sử dụng 1 lƣới thƣa và 1 lƣới mịn nhƣ Hình 4.26
Thời gian tính là 392 giờ cho 3 tháng thời gian thực.
Nhận xét:
Kết quả khảo sát cho thấy cửa Bảy Háp là vùng bồi phát triển nhanh do ảnh hưởng của phù sa. Mơ hình tính cho thấy phù sa từ cửa sơng Bảy Háp chuyển tải vào biển Cà Mau nên cĩ sự bồi tụ mạnh tại khu vực này. Một số vùng nhỏ cĩ sự xĩi mịn nhưng khơng đáng kể.
138
Chƣơng 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 5.1. Kết quả
5.1.1. Các cơng việc nghiên cứu khoa học đã tiến hành
Tác giả đã nghiên cứu các mơ hình tốn học cơ bản về tính tốn thủy lực, lan truyền chất, chuyển tải phù sa, bồi xĩi và thử nghiệm ở một số vùng biển ở Việt Nam như: Cần Giờ, vịnh Thái lan, Cà Mau. Các mơ hình này nhìn chung cho kết quả khá tốt và đã được kiểm định trong thực tế bởi các nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam. Tuy nhiên, kết quả tính tốn c ủa các mơ hình vẫn cịn nhiều hạn chế về mặt tốc độ tính tốn cũng như độ chính xác.
Do vậy, tác giả nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên cĩ ảnh hưởng đến kết quả tính tốn mà hầu hết các nhà khoa học đã bỏ qua khi đưa vào mơ hình tính. Từ đĩ, tác giả đề xuất một số phương pháp khắc phục các nhược điểm mà các nhà khoa học trước chưa giải quyết tốt sau đây: xác định điều kiện biên sát với thực tế; đưa ảnh hưởng của thủy triều làm biên cứng bị thay đổi (biên cứng di động) trong suốt quá trình tính tốn vào các mơ hình để nâng cao độ chính xác; sử dụng phương pháp lưới lồng (lưới thưa và lưới mịn cĩ sự liên kết với nhau) để đẩy nhanh tốc độ tính tốn; đưa hệ số phân hủy K vào mơ hình lan truyền chất để tính tốn cho các chất ơ nhiễm bất kỳ; xác định phân cấp hạt trầm tích đáy để tính tốn sát với thực tế.
Bộ tham số điều khiển của mơ hình như: điều kiện biên, hệ số rối, ma sát đáy, hệ số Coriolis, hệ số phân hủy K, … được điều chỉnh hoặc cố định trong suốt quá trình tính. Nhiều bộ tham số được đưa vào tính tốn và kiểm định. Bộ tham số nào cho kết quả tốt nhất (hệ số Nash-Sutcliffe cao nhất) sẽ được chọn là bộ tham số điều khiển của vùng nghiên cứu đĩ. Mỗi khu vực tính tốn cĩ một điều kiện tự nhiên đặc thù sẽ cĩ một tham số điều khiển riêng.
Các kết quả tính tốn trong luận án đều đã được kiểm định bằng các phương pháp lý thuyết như kiểm định theo mơ hình chuẩn lý thuyết (kênh hình chữ nhật, kênh chữ U) cũng như so sánh với dữ liệu đo đạc thực tế và ảnh viễn thám. Các hệ
139
số Nash-Sutcliffe N2 và hệ số tương quan R2 cho thấy kết quả tính tốn của mơ hình và số liệu thực đo cĩ sự tương quan cao theo tiêu chuẩn của Tổ chức Khí tượng thế giới – WMO.
Từ các nghiên c ứu lý thuyết về các mơ hình tốn thủy văn, tác giả đã xây dựng cơng cụ tính tốn và dự báo các diễn biến mơi trường trên nền ngơn ngữ lập trình C#, nhúng phần mềm Surfer và mã nguồn mở MapWindow vào ứng dụng để tự động vẽ các bản đồ dịng chảy, nồng độ các chất ơ nhiễm, nồng độ phù sa và sự bồi- xĩi đáy. Từ đĩ, chương trình mơ phỏng các diễn biến mơi trường để giúp các nhà quản lý giám sát và dự báo các hiện tương tự nhiên và cĩ biện pháp xử lý kịp thời khi cĩ sự cố xảy ra.
5.1.2. Số liệu nghiên cứu và thực nghiệm
Để tính tốn các mơ hình, tác giả đã sử dụng các số liệu đầu vào cho các mơ hình tốn được trình bày ở các tiểu mục (4.4.1.1), (4.4.2.1), (4.4.3.1).
Các số liệu để kiểm định lý thuyết và thực tế được trình bày ở các phần (1.3.10), (2.3.6) và Phụ lục.
Tất cả các số liệu đo đạc trong thực tế (dữ liệu đầu vào mơ hình và kiểm định thực tế) đều được Phân viện Khí tượng Thủy văn và Mơi trường phía Nam cung cấp.
Ngơn ngữ lập trình sử dụng để tính tốn là C#, được thực hiện trên máy tính Core Duo 3GB. Mơ hình thủy lực được làm nĩng sau 24 giờ để đạt sự ổn định. Sau đĩ các mơ hình lan truyền chất, bồi xĩi đáy lần lượt được chạy cùng với mơ hình thủy lực với thời gian tính như sau:
Sử dụng 1 lƣới thƣa trên tồn vùng tính (x= y= 300 m) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tính lan truyền chất (DO, BOD) : thời gian tính là 160 giờ cho 3 tháng thời gian thực.
- Tính sự bồi, xĩi đáy: thời gian tính là 172 giờ cho 3 tháng thời gian thực.
140
- Tính lan truyền chất (DO, BOD) : thời gian tính là 1285 giờ cho 3 tháng thời gian thực.
- Tính sự bồi, xĩi đáy: thời gian tính là 1303 giờ cho 3 tháng thời gian thực.
Sử dụng 1 lƣới thƣa và 1 lƣới mịn nhƣ Hình 4.26
- Tính lan truyền chất (DO, BOD) : thời gian tính là 376 giờ cho 3 tháng thời gian thực.
- Tính sự bồi, xĩi đáy: thời gian tính là 392 cho 3 tháng thời gian thực.
141
Hình 5.2. Thời g ian tính sự bồi, xĩ i đáy
Như vậy, khi sử dụng phương pháp tính lưới lồng, thời gian tính tốn sẽ giảm đáng kể so với sử dụng lưới mịn trên tồn vùng nghiên cứu nhưng chậm hơn nếu sử dụng lưới thơ. Điều này là dễ hiểu vì tồn vùng tính sẽ áp dụng lưới thơ, chỉ khu vực nhỏ cần quan tâm chúng ta mới đặt lưới lồng để tính tốn chi tiết. Sự tính tốn chi tiết tại khu vực này sẽ làm tổng thời gian tính tốn nhiều hơn so với tính tốn trên lưới thơ nhưng thấp hơn nhiều nếu áp dụng lưới mịn cho tồn miền tính. Khi vùng nghiên cứu của chúng ta rộng lớn thì khơng cần thiết phải sử dụng lưới mịn trên cả vùng mà chỉ nên tính tốn chi tiết tại một số khu vực đặc biệt quan tâm. Giải pháp sử dụng lưới lồng ở đây là hợp lý.
5.2. Bàn luận
Việc giải quyết các bài tốn liên quan đến các hiện tượng tự nhiên là rất khĩ khăn vì cĩ rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến bài tốn. Việc tìm ra các mơ hình tốn, các phương pháp tính phù hợp là rất quan trọng. Các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam cũng đã tìm ra được các mơ hình tính tốn tốt nhất cho các bài tốn dịng chảy trên biển, sự lan truyền các chất ơ nhiễm, sự chuyển tải phù sa dẫn đến sự bồi, xĩi đáy. Tuy nhiên, các mơ hình và phương pháp tính hiện tại vẫn cịn những hạn chế về độ chính xác và tốc độ tính tốn.
142
Tác giả đã giải quyết từng bước để dần hồn thiện mơ hình. Đầu tiên là đưa yếu tố thủy triều làm thay đổi biên cứng vào bài tốn. Cĩ sự tính tốn và c ập nhật sự thay đổi của biên khi thủy triều thay đổi sẽ làm mơ hình tính tốn gần với thực tế hơn. Bước tiếp theo là sự cải tiến về tốc độ tính tốn khi áp dụng lưới lồng. Về mặt tốc độ tính tốn, nếu chỉ sử dụng 1 lưới thưa trên tồn vùng tính thì tốc độ tất nhiên sẽ nhanh nhưng độ chính xác đơi khi khơng đáp ứng sự mong đợi của các nhà nghiên cứu. Nếu chỉ thuần túy sử dụng 1 lưới mịn trên tồn vùng tính thì ngược lại, tốc độ tính sẽ rất chậm mặc dù độ chính xác được nâng cao. Do vậy, tác giả đề xuất một giải pháp dung hịa là kết hợp cả lưới thưa lẫn lưới mịn trên vùng tính để vừa đảm bảo chất lượng tính tốn, vừa đảm bảo thời gian tính đáp ứng kịp thời yêu cầu dự báo. Tùy vào từng khu vực cụ thể mà chúng ta cĩ thể đặt lưới mịn với kích thước to hoặc nhỏ tùy ý để điều chỉnh cả hai yếu tố sự chính xác và tốc độ tính tốn.
Khi chúng ta sử dụng hai lưới cĩ độ phân giải khác nhau, một đặt trên tồn vùng tính, một đặt tại các khu vực cần quan tâm đặc biệt thì tốc độ tính tốn sẽ tăng nhanh vì chỉ cĩ các khu vực đặc biệt quan tâm mới cĩ lưới mịn (nhiều nút cần tính), các vùng cịn lại cĩ số lượng nút tính ít nên tốc độ sẽ cao hơn so với đặt lưới mịn trên tồn vùng tính.
Bên cạnh việc tính biên di động và tính tốn bằng lưới lồng, tác giả xây dựng điều kiện biên sát với thực tế, thiết lập hệ số phân hủy K cho trường hợp tổng quát của bài tốn lan truyền chất cũng như đã phân tích lớp trầm tích đáy thành nhiều lớp con theo kích thước hạt đã gĩp phần cải tiến độ chính xác c ủa các mơ hình.
Trong các mơ hình tốn được nghiên cứu ở đây, mơ hình thủy lực là mơ hình cơ bản nhất vì cung cấp dữ liệu đầu vào là vận tốc dịng chảy cho các mơ hình lan truyền chất và bồi-xĩi đáy. Do vậy mơ hình thủy lực cần được kiểm chứng kỹ về mặt lý thuyết lẫn thực tế. Khi đạt độ tin cậy cao, các mơ hình lan truyền chất và bồi xĩi đáy sẽ cĩ cơ sở để tính tốn đạt chất lượng tốt, cho kết quả tương ứng với các hiện tượng tự nhiên.
Hầu hết các phương pháp kiểm định đối với bài tốn mơ hình hĩa đều được sử dụng trong nghiên cứu như: kiểm tra bằng cách đo đạc một số giá trị và so sánh với
143
kết quả tính tốn như vận tốc dịng chảy, kiểm tra theo lời giải giải tích đối sự lan truyền các chất ơ nhiễm, kiểm tra bằng cách so sánh kết quả tính tốn với ảnh viễn thám. Sự kiểm định cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế đã cho thấy các kết quả tính tốn của các mơ hình tương ứng với các hiện tượng tự nhiên và tốc độ tính tốn cũng đáp ứng được thời gian thực của yêu cầu dự báo các vấn đề về lan truyền chất ơ nhiễm, bồi, xĩi đáy.
Đối với vấn đề tính tốn và dự báo các hiện tượng tự nhiên như sự lan truyền các chất ơ nhiễm, sự chuyển tải phù sa và bồi, xĩi đáy, đa số các mơ hình trên thế giới chọn lưới sai phân khá thưa khi tính tốn trên một vùng rộng lớn. Thơng thường, khoảng cách giữa các nút tính theo chiều ngang và dọc là hơn 1km. Đối với mơ hình c ủa luận án (do cần kiểm tra mơ hình hoạt động tốt nên tác giả chọn x=
y
= 300 m),để dự báo sự lan truyền chất ơ nhiễm như DO, BOD hoặc sự chuyển tải phù sa, bồi, xĩi đáy cho 1 ngày thì cần kho ảng 115 phút tính tốn. Như vậy, nếu sử dụng lưới sai phân x= y= 1000m thì số nút tính sẽ ít hơn khoảng 10 lần và thời gian tính sẽ nhanh hơn 10 lần. Khi đĩ, để dự báo các vấn đề trên cho 1 ngày thì sẽ mất khoảng 12 phút tính tốn. Với các máy tính cấu hình mạnh như hiện nay thì tốc độ tính tốn sẽ tăng lên gấp nhiều lần. Do vậy, mơ hình hồn tồn đáp ứng sự mong đợi về mặt thời gian để dự báo.
Với cơng cụ tính tốn và dự báo các diễn biến mơi trường đã được xây dựng, luận án đã gĩp phần giúp các nhà quản lý cĩ điều kiện giám sát các hiện tượng tự nhiên và đưa ra quyết định kịp thời khi cĩ sự cố xảy ra.
144
Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1. Kết luận
Các bài tốn về dịng chảy trên biển, sự lan truyền các chất ơ nhiễm, sự chuyển tải phù sa, bồi, xĩi đáy,… là những bài tốn rất khĩ để giải quyết tốt vì các hiện tượng tự nhiên ảnh hưởng đến chúng rất phức tạp. Các nghiên cứu trước đây thường bỏ qua nhiều yếu tố tự nhiên tác động đến bài tốn như: đơn giản hĩa điều kiện biên, bỏ qua sự thay đổi đường biên của địa hình tính mỗi khi thủy triều thay đổi, xem các chất ơ nhiễm như nhau, lớp trầm tích đáy được đơn giản hĩa là một lớp đồng nhất (cát). Ngồi ra, tốc độ tính tốn của các mơ hình này cịn chậm và cần