phương trình cân bằng năng lượng ∇ là toán tử sai phân bốn chiều trong không gian v , σ và θ.
3.4.2. Đánh giá, nhận xét kết quả mô phỏng theo các kịch bản
Đặc trưng hình thái của một cửa biển được xét như một hàm của các yếu tố tác động bao gồm chế độ thủy động lực học và thủy thạch động lực học ở vùng ven bờ và khu vực cửa sơng. Cụ thể là chế độ dịng chảy từ thượng nguồn, lượng và tính chất của phù sa do sông tải ra biển qua cửa, độ lớn và chu kỳ triều, thể tích lăng trụ triều, năng lượng sóng, dịng chảy ven bờ do ảnh hưởng đồng thời của sóng và gió.
Khu vực cửa sơng, nơi chịu tác động đồng thời của các yếu tố động lực và thuỷ thạch động lực biển và sông, nơi đây các yếu tố trên thường có sự biến động mạnh mẽ nhất. Các yếu tố động lực và thuỷ thạch động lực có ảnh hưởng quyết định tới hình thái vùng cửa sơng là dịng chảy và lượng bùn cát từ thượng nguồn sơng cũng như sóng, dịng ven, dịng triều từ biển vào. Các quá trình động lực biển như sóng, dịng ven và dịng triều sẽ gây ra q trình vận chuyển bùn cát dọc bờ và ngang bờ, cũng như nạo vét lịng sơng. Do đó, việc nghiên cứu các yếu tố động lực sông biển tại khu vực cửa sơng có ý nghĩa quyết định đối với độ chính xác của việc dự đốn biến động hình thái tại đây và dải ven biển lân cận, đóng góp cho cơng tác quy hoạch và chỉnh trị vùng cửa sông và ven biển, giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây ra.
Các quá trình tự nhiên liên quan đến vận chuyển vật chất trong môi trường biển thường hết sức phức tạp bao gồm bình lưu, đối lưu, khuếch tán và
xáo trộn trong nước cũng như động lực học của các lớp biên đáy và mặt. Ứng suất đáy có vai trị quan trọng đối với các quá trình vận chuyển di đáy, bồi tụ và bứt xói trầm tích đáy. Bản thân ứng suất đáy lại phụ thuộc vào điều kiện của lớp biên đáy được hình thành dưới tác động của thủy triều, gió và sóng trên mặt biển. Các giá trị tới hạn đối với dòng vận chuyển di đáy, bồi tụ và bứt xói cịn phụ thuộc vào các đặc trưng khác trong đó có kích thước, độ liên kết của trầm tích, v.v.
Dịng chảy ven bờ hình thành dưới sự tác động tổng hợp của dòng chảy do sóng, do gió và dịng triều. Q trình vận chuyển bùn cát ven bờ là do sóng và dịng chảy gây ra. Dịng chảy khi sóng đổ vỡ, vỗ bờ đóng vai trị chính trong q trình tuyển chọn vật liệu đáy và vận chuyển bồi tích ven bờ. Tác dụng của sóng lên q trình vận chuyển bùn cát bao gồm hai mặt. Một mặt, sóng trực tiếp tác động lên các hạt bùn cát và làm cho chúng chuyển động. Mặt khác, sóng khuấy động bùn cát, nâng chúng lên để dòng chảy ven bờ vận chuyển chúng đi. Trong đới sóng vỡ, hướng vận chuyển bùn cát sẽ trùng với hướng lan truyền sóng. [7, 10]
Các kết quả tính tốn trình bày dưới đây thể hiện sự biến đổi của các yếu tố động lực và thủy thạch động lực và đặc trưng hình thái khu vực Cửa Tùng dưới ảnh hưởng của các cơng trình biển và cơng trình chỉnh trị trong điều kiện khí tượng, Thủy-Hải văn của khu vực. Trước hết cần nhận định rằng trong khu vực nghiên cứu, trường thủy động lực do sông và thủy triều khơng đáng kể so với trường sóng. Biên độ thủy triều chỉ khoảng 45cm, dịng chảy sơng trung bình khoảng 20m3/s, trong khi độ cao sóng có nghĩa xấp xỉ 3m tại ranh giới phía đơng khu vực nghiên cứu.
3.4.2.1. Kịch bản 1(KB1)
Kịch bản 1 mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực học trong khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự ảnh hưởng của cảng biển trong
trường sóng Đơng, Đơng Bắc và Đông Nam.
Trước khi xây dựng cảng cá Cửa Tùng, nơi đây là khu vực tương đối rộng, nơng và được chắn bời bar cát ngồi cửa sơng. Việc xây dựng cảng cá với các tác động trực tiếp đến bar cát chắn cửa sông chắc chắn sẽ mang lại nhiều thay đổi bức tranh thủy động lực. Các phân tích dựa trên kết quả tính toán cho thấy, cảng cá đã làm tăng đáng kể bề rộng mặt cắt ngang cửa, nhưng cũng làm thu hẹp một phần phía thượng lưu, dẫn đến thay đổi rõ nét về dòng chảy trong khu vực, đặc biệt, trục động lực cửa sông lệch dần sang phải nếu nhìn ra biển. Cửa sơng được mở rộng và tiến xa ra phía biển nên tạo cơ hội thuận lợi hơn cho các trao đổi giữa hai thủy vực sông – biển đồng thời tạo nên các xoáy cục bộ vùng lân cận cửa làm tăng khả năng lắng đọng các hạt trầm tích lơ lửng (xem Hình 3.11, 3.13 và 3.15). Sự xuất hiện của xoáy nhỏ ở khu vực gần bờ phía nam cửa sơng giải thích sự hình thành bar phía nam cửa (xem Hình 1-3 ở phụ lục).
Trong hình thế trường sóng Đơng và Đơng Nam ln tồn tại dịng chảy ven bờ theo hướng song song bờ từ nam lên bắc trong cả hai pha triều lên và triều xuống. Khu vực ven biển giữa xã Vĩnh Quang, nơi mũi đất nhô ra và khu vực nằm giữa hai xã Vĩnh Quang và Vĩnh Thạch xuất hiện dòng chảy ngược lại (từ nam xuống bắc) hình thành xốy tạo nên dịng chảy có hướng từ bờ ra ngoài khơi đây cũng là một trong những nguyên nhân gây ra xói lở trên các khu vực này (xem Hình 3.11 và 3.15). Ngược lại, với trường sóng Đơng Bắc dịng chảy ven bờ ln theo hướng song song với bờ từ bắc xuống nam (xem Hình 3.13).
Trường sóng của khu vực phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa hình, khi địa hình càng phức tạp thì trường sóng từ ngồi vào dưới tác dụng của các hiện tượng nhiễu xạ, khúc xạ,… làm cho hướng và độ cao sóng bị thay đổi tại mỗi vị trí. Với kết quả tính tốn mơ hình có thể thấy cảng đã tác động đáng kể tới trường sóng, làm giảm độ cao sóng phía trong sơng sau khi xây dựng cảng.
Hình 3.10: Trường sóng Đơng trong kịch bản 1
Hình 3.12: Trường sóng Đơng Bắc trong kịch bản 1
Hình 3.14: Trường sóng Đơng Nam trong kịch bản 1
3.4.2.2. Kịch bản 2 (KB2)
Kịch bản 2 mơ phỏng các q trình thủy thạch động lực học ở khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự ảnh hưởng của cảng biển và cầu Tùng Luật trong hình thế trường sóng Đơng, Đơng Bắc và Đơng Nam.
Với trường sóng Đơng, kết quả tính tốn thu được khá tương đồng với kết quả của KB1, dịng chảy doc bờ từ phía Nam lên phía Bắc chiếm ưu thế trong cả pha triều lên và triều xuống, các xoáy cục bộ tại các khu vực xã Vĩnh Quang và Vĩnh Thạch vẫn tồn tại. Riêng khu vực phía trên và phía dưới cầu Tùng Luật xuất hiện các xoáy cục bộ, các xoáy này mạnh lên trong thời gian ngắn xảy ra sự tranh trấp giữa dịng triều và dịng chảy sơng từ thượng lưu xuống. Đây là một trong những nguyên nhân tạo ra các bar quanh khu vực chân cầu ở bờ phía nam. Các hình 3.16 và 3.17 thể hiện kết quả tính tốn trong trường sóng Đơng.
Trong trường sóng Đơng Bắc, kết quả tính tốn thu được cho thấy ln tồn tại dịng chảy dọc bờ từ phía Bắc xuống phía Nam. Phía trên, phía dưới cầu Tùng Luật và hai bên cửa sông xuất hiện các xốy, điều này giải thích sự hình thành của các bar ở cả hai bờ khu vực cửa sông và các bar quanh khu vực chân cầu ở bờ phía nam (xem Hình 3.19 và Hình 5 ở phụ lục).
Dịng chảy dọc bờ trong trường sóng Đơng Nam tương tự trong trường sóng Đơng nhưng với cường độ yếu hơn. Kết quả tính tốn biến đổi đáy và trường sóng, dịng chảy trong trường sóng Đơng Nam được trình bày trong hình 3.20, 3.21 và Hình 6 ở phụ lục.
Kết quả tính tốn trường sóng, dịng chảy với KB2 khá tương đồng với kết quả của KB1 ở pha triều lên; Pha triều xuống tại khu vực phía sau cầu Tùng Luật (phía ngồi biển) tồn tại các xốy ở vị trí xa cầu hơn và vận tốc cũng lớn hơn so với với KB1.
Qua kết quả mô phỏng của KB2 cho thấy sau khi xây dựng cầu đã làm cho mặt cắt sông bị thu hẹp lai, kết hợp với các trụ cầu đã làm thay đổi hướng của dòng chảy và tạo lên các xốy cục bộ phía sau trụ cầu. Mặc dầu vậy không quan sát thấy sự gia tăng đáng kể về vận tốc giữa các trụ cầu do ảnh hưởng của dịng chảy sơng trong khu vực khơng lớn và do vậy các trụ cầu cũng không gây hiện tượng bồi lắng hay xói lở sau cầu. Ngược lại đối với trường sóng, sự xuất hiện các trụ cầu và mố cầu đã cản trở sự lan truyền của sóng vào phía trong sơng, sóng gần như tắt hẳn ngay phía thượng lưu cầu Tùng Luật, khu vực này thuận lợi cho tàu, thuyền neo đậu là khi có bão xảy ra.
Hình 3.17: Trường dịng chảy trong sóng Đơng theo kịch bản 2
Hình 3.19: Trường dịng chảy trong sóng Đơng Bắc theo kịch bản 2
Hình 3.21: Trường dịng chảy trong sóng Đơng Nam theo kịch bản 2
3.4.2.3. Kịch bản 3 (KB3)
Kịch bản 3 mơ phỏng các q trình thủy thạch động lực học trong khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự ảnh hưởng của cảng biển và kè biển ở phía nam cửa sơng ứng với các trường sóng Đơng, Đơng Bắc và Đơng Nam.
Kết quả mơ phỏng cho thấy dịng chảy ven bờ trong trường sóng Đơng và Đơng Nam có hướng từ phía Nam lên phía Bắc trong cả hai pha triều (xem Hình 3.23 và 3.27). Dưới tác động của kè làm cho dòng chảy ven bờ thay đổi cả hướng và độ lớn: vận tốc dòng chảy giảm đáng kể khu vực phía nam chân kè và tăng lên tại vị trí đầu của kè. Kết quả mơ phịng cũng cho thấy, ở khu vực cửa sơng giữa kè phía Nam và bờ phía
Bắc hình thành xốy lớn bao kín cửa sơng, ở pha triều lên xốy này lớn và mạnh hơn, vận tốc dịng chảy phía bờ bắc lớn hơn phía bờ nam.
Trong trường sóng Đơng Bắc, hình thành các xốy nhỏ hai bên kè và khu vực ven bờ sơng phía Nam (xem Hình 3.25). Với kịch bản này kè có tác dụng ngăn dịng chảy do sóng dọc bờ hướng từ phía Bắc xuống phía Nam và kết quả phân tích cho thấy kè đã giữ lại một lượng cát ở cửa sông, do đó có thể gây ra hiện tượng bồi lấp ở phía Bắc chân kè. Ngược lại, kè lại có tác dụng làm tăng mức độ tác động của dòng chảy sơng từ thượng nguồn qua cửa ra biển đẩy dịng bùn cát di chuyển từ phía Bắc xuống ra xa cửa vượt qua kè tiếp tục di chuyển xuống phía Nam, hạn chế sự bồi lắng bùn cát ở khu vực cửa sơng. Trong trường hợp này kết quả tính tốn mơ hình cho thấy: hướng sóng trùng với hướng của kè do đó kè ít có ảnh hưởng tới hướng sóng (xem hình 3.24); ngược lại cơng trình cảng có ảnh hưởng lớn tới hướng sóng này, làm cho sóng khi lan truyền vào phía trong sơng bị cản lại phần lớn.
Với trường sóng hướng Đơng và Đơng Nam, kết quả mơ hình cho thấy kè phía nam có ảnh hưởng mạnh tới hai hướng sóng này, có tác dụng chắn sóng làm cho độ cao sóng giảm đáng kể khi truyền vào trong sơng (xem hình 3.22 và 3.26). Trường sóng Đơng độ cao sóng phía nam kè khoảng từ 1,8 ÷ 2,0 m, trong khi đó phía bắc kè chỉ khoảng từ 0,75÷ 1,0 m; đặc biệt hướng sóng Đơng Nam kè tác động rõ rệt nhất, độ cao sóng phía nam kè khoảng từ 1,5 ÷ 1,8 m, trong khi đó phía bắc kè chỉ khoảng từ 0,25 ÷ 0,50 m. Do bị ảnh hưởng của hệ thống cơng trình cảng, kè nên khi sóng truyền vào phía trong sơng đã giảm đi nhiều.
Tóm lại các kết quả tính tốn trong KB3 cho thấy sự ảnh hưởng mạnh mẽ của kè ở bờ phía nam tới hướng sóng, dịng chảy và vận chuyển bùn cát trong khu vực cửa sông và hai bên bờ bắc nam. Do
hướng vng góc với bờ, kè phía Nam đã có tác dụng chắn tồn bộ sóng Đơng và Đơng Nam, tạo nên vùng khuất sóng phía trong cửa. Đồng thời với việc chắn sóng, kè cũng có tác dụng ngăn dịng chảy do sóng dọc bờ hướng từ phía Nam lên phía Bắc và kết quả phân tích cho thấy kè đã giữ lại một lượng lớn cát ở phía Nam và do đó đã hạn chế hiện tượng bồi lấp luồng trong mùa sóng Đơng và Đơng Nam. Mặt khác, kè cũng có tác dụng đẩy dịng chảy sóng dọc bờ ra xa hơn, khiến cho nguồn bùn cát phía Nam ít có cơ hội tiếp cận cửa và bãi biển phía bắc Cửa Tùng. Đó cũng là một phần nguyên nhân của hiện tượng thiếu hụt nguồn trầm tích bãi biển phía Bắc, làm mất cân bằng cán cân bùn cát.
Hình 3.23: Trường dịng chảy trong sóng Đơng theo kịch bản 3
Hình 3.25: Trường dịng chảy trong Đơng Bắc theo kịch bản 3
Hình 3.27: Trường dịng chảy trong sóng Đơng Nam theo kịch bản 3
3.4.2.4 Kịch bản 4(KB4)
Kịch bản 4 mơ phỏng các q trình thủy thạch động lực học trong khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự tác động của 3 cơng trình cảng biển, cầu Tùng Luật và kè biển ở phía nam cửa sơng trong các hình thế trường sóng Đơng, Đơng Bắc và Đông Nam.
Với kịch bản KB4 các kết quả thu được cho thấy trường dòng chảy khá tường đồng với các kết quả trong kịch bản BK3. Chứng tỏ rằng ảnh hưởng của cầu tới trường dòng chảy trong khu vực Cửa Tùng là không đáng kể. Tuy nhiên sau khi xây dựng cầu đã làm cho mặt cắt sông bị thu hẹp lai và kết hợp với các trụ cầu đã làm thay đổi hướng của dòng chảy và tạo lên các xốy cục bộ phía sau trụ cầu (xem Hình 3.29, 3.31 và 3.33). Mặc dầu vậy không quan sát thấy sự gia tăng đáng kể về vận tốc giữa các trụ cầu do ảnh hưởng của dịng chảy sơng trong khu vực khơng
sau cầu. Ngược lại, đối với trường sóng sự xuất hiện các trụ cầu và mố cầu đã cản trở sự lan truyền của sóng vào phía trong sơng, sóng gần như tắt hẳn ngay phía thượng lưu cầu Tùng Luật (xem Hình 3.28, 3.30 và 3.32).
Trong kịch bản này, kết quả mô phỏng cũng cho thấy kè làm xuất hiện một số xoáy cục bộ và làm tán xạ sóng khiến cho sóng đi thẳng vào mố cầu phía Nam, có thể gây hiện tượng sạt lở mố cầu trong mùa sóng Đơng Bắc (xem Hình 3.31).
Hình 3.29: Trường dịng chảy trong sóng Đơng theo kịch bản 4
Hình 3.31: Trường dịng chảy trong sóng Đơng Bắc theo kịch bản 4
Hình 3.33: Trường dịng chảy trong sóng Đơng Nam theo kịch bản 4
3.4.2.5. Kịch bản 5 (KB5)
Kịch bản 5 mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực học ở khu vực cửa sông, ven biển Cửa Tùng dưới sự ảnh hưởng của các cơng trình cảng biển, cầu Tùng Luật và hai kè biển ở phía bắc và phía nam cửa sơng trong trường sóng Đơng, Đơng Bắc và Đơng Nam.
Với trường sóng Đơng Bắc, kết quả tính tốn cho thấy khu vưc cửa sơng giữa hai kè có xuất hiện các xốy nhưng khơng liên tục, chỉ là những xốy nhỏ ở phía bắc của hai kè khi dịng triều xuống; khi dịng triều lên xuất hiện các xốy vùng cửa sơng ngay sau kè phía bắc, vận tốc dòng chảy ở đây tương đối nhỏ khoảng 18 cm/s, trong khi đó ở bờ đối diện (trước kè phía nam) vận tốc khoảng 58 cm/s (xem Hình 3.37). Trong trường hợp này hai kè khơng có tác động nhiều đến hướng sóng, do đó khi sóng lan truyền từ ngoài khơi vào tác