II. Mục tiêu của đồ án
2.2Xây dựng mô hình (Delft3D-FLOW)
Để xây dựng được mô hình tính toán, ta phải trải qua ba bước sau:
- Xây dựng mô hình: trong bước này ta thiết lập sơ đồ hệ thống với địa
hình phản ảnh đúng điều kiện ngoài thực tế, các biên và sau đó chạy mô hình với một năm cụ thể để tìm bộ thông số cho bài toán (bước hiệu chỉnh mô hình)
hình.
- Kiểm định mô hình: trong bước này ta xác nhận tính khả thi của mô
- Sử dụng mô hình tính toán mô phỏng các phương án khác nhau cho
hệ thống.
2.2.1 Các tài liệu cơ bản phục vụ tính toán
a. Tài liệu địa hình
Tài liệu địa hình được sử dụng trong tính toán là tài liệu thực đo do công ty Tedi cung cấp.
b. Tài liệu thủy văn
Số liệu biên dùng trong tính toán biên là mực nước giờ năm 2006 với thời
đoạn t=1h (H~t). Và số liệu gió năm 2006 với thời đoạn t = 1h.
2. Các trạm kiểm tra
Là các trạm đo mực nước giờ tại: kênh Hà Nam, bến Gót 3. Xử lý số liệu
Nguyên tắc chung là số liệu thủy văn là mực nước quan trắc tại các trạm thủy trạm phải được qui chuẩn về hệ cao độ Quốc gia.
Do nội dung chính của chương này là ứng dụng Delft3D để mô phỏng dòng chảy và sóng, nên bước kiểm định yêu cầu tài liệu phải rất chính xác và đồng bộ. Ở đây ta chỉ chạy mô hình cho một tháng mùa kiệt (tháng 3/2006).
2.2.2 Sơ đồ hóa khu vực nghiên cứu và các biên tính toán
a. Sơ đồ tính toán.
Căn cứ vào tình hình tài liệu địa hình, các tài liệu cơ bản khác như mực nước, gió… cũng như chế độ thủy lực của sông, sơ đồ thủy lực tính toán dòng chảy khu vực nghiên cứu được chọn như sau
b. Biên tính toán
Các biên của bài toán bao gồm 6 biên. Các biên đó được cụ thể hóa như sau:
- Biên 1 đến biên 5: là quá trình mực nước giờ tại các trạm thuỷ văn bao
gồm: sông Lạch Chay, sông Cấm, sông Rút, sông Chanh, Sông Bốn.
- Biên 6: Là quá trình mực nước giờ tại Hòn Dấu và Cát Bà.
2.2.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
a. Lựa chọn thời gian hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Để hiệu chỉnh bộ thông số mô hình, ta sử dụng tài liệu thực đo các trạm thủy văn tháng 3/2006. Việc kiểm định xác nhận tính chính xác của mô hình được tiến hành với chuỗi số liệu thực đo cũng của các trạm trên ( bến Gót và kênh Hà Nam).
b. Thiết lập mô hình
1. Thiết lập lưới (Delft-RGFGRID)
Tiến hành tạo lưới tính toán cho toàn bộ khu vực nghiên cứu, lưới tính toán được thiết lập trên co sở file đường bờ (*.ldb)
Trong quá trình thiết lập lưới, yêu cầu cần tạo điều kiện để khi thiết lập điều kiện biên chính xác. File lưới được lưu trong file có đuôi *.grd.
2. Thiết lập dữ liệu địa hình (Delft-QUICKIN)
Căn cứ tài liệu địa hình thực đo tiến hành xây dựng file dữ liệu về địa hình cho mô hình. Số liệu địa hình được lưu trong file có đuôi *.dep.
3. Thiết lập điều kiện biên (BOUNDARI ES)
Thiết lập file chuỗi thời gian- Time series editor: Căn cứ vào số liệu thủy văn thu thập, thời gian để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, tiến hành thiết lập các file chuỗi thời gian mực nước tại các trạm tương ứng với thời gian dùng để mô phỏng và kiểm định.
Thiết lập các giá trị như: độ nhám đáy, bước thời gian (time step), thời gian mô phỏng, các điểm xuất kết quả, tác động của gió đến dòng chảy cũng được xem xét.
c. Hiệu chỉnh thông số mô hình thủy lực
Việc hiệu chỉnh thông số mô hình chủ yếu được tiến hành bằng cách thay đổi độ nhám. Hệ số nhám ở đây được cho bằng hằng số trên toàn lưới và được hiệu chỉnh trong quá trình hiệu chỉnh mô hình kết hợp tham khảo thông tin điều tra thực địa. Kiểm tra tính hợp lý thông qua các tài liệu đo đạc của các trạm đo kiểm tra. Phương pháp hiệu chỉnh thông số ở đây dùng phương pháp thử dần.
Hình 2: Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình. Quá trình hiệu chỉnh có thể tóm tắt thành các bước sau đây:
- Bước 1: Giả thiết bộ thông số (chủ yếu là độ nhám), điều kiện ban đầu. - Bước 2: Sau khi đã có bộ thông số giả thiết, tiến hành chạy mô hình.
- Bước 3: So sánh kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các trạm có số liệu đo đạc lưu lượng và mực nước.
Việc so sánh này có thể tiến hành bằng trực quan (so sánh hai đường quá trình tính toán và thực đo trên biểu đồ), đồng thời kết hợp chỉ tiêu Nash để kiểm tra.
∑(Xo, i −Xs, i)2 Nash = 1
-
∑(Xo, i −Xo)2 Xo,i: Giá trị thực đo
Mực nước tại Bến Gót 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 Tính toánThực đo
Xo : Giá trị thực đo trung bình
Chuỗi tài liệu từ 1/3/2006 đến 31/3/2006 được chọn để hiệu chỉnh mô hình. Kết quả hiệu chỉnh mô hình được lưu trữ dưới dạng file *.csv sau đó sử dụng excel để vẽ đồ thị, so sánh các biểu đồ kết quả tính toán và thực đo tại vị trí các trạm thủy văn kiểm tra tương ứng tại các trạm đó.
Hệ số NASH tại các trạm Bến Gót và kênh Hà Nam: NASHBếnGót = 99.89%.
NASHkênhHàNam = 99.99%.
Các kết quả dưới dạng biểu đồ được minh họa như sau:
Hình 3: Kết quả tính toán mực nước tại Bến Gót
M ự c n ư ớc (m 2/ 27 /2 00 6 0: 00 3/ 4/ 20 06 0: 00 3/ 9/ 20 06 0: 00 3/ 14 /2 00 6 0: 00 3/ 19 /2 00 6 0: 00 3/ 24 /2 00 6 0: 00 3/ 29 /2 00 6 0: 00 4/ 3/ 20 06 0: 00
Mực nước kênh Hà Nam 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 Thực đo Tính toán
Hình 4: Kết quả tính toán mực nước tại kênh Hà Nam
Mô hình được kiểm định với mực nước thực đo tại trạm Bến Gót như (hình 3) và kênh Hà Nam (hình 4) với kết quả tính toán mực nước khá phù hợp với các số liệu thực đo cho cả giai đoạn triều cường và triều kém, nhất là phần triều lên, triều xuống và đỉnh triều. Sai số lớn nhất về mực nước tính toán xảy ra ở phần chân triều do sự ảnh hưởng của sai số địa hình đáy.
d. Đánh giá kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực
Kết quả hiệu chỉnh mô hình được thể hiện trên các hình từ hình 3 và hình 4 và chỉ tiêu Nash tương ứng. Từ kết quả đó cho thấy đường quá trình mực nước tính toán và thực đo là phù hợp cả về xu thế và lượng.
Từ kết quả hiệu chỉnh, kiểm định ở trên, chứng tỏ việc thiết lập mô hình và lựa chọn các thông số cho mô hình thủy lực là hợp lý. Vì vậy, bộ thông số mô hình thuỷ động lực có đủ độ tin cậy nghiên cứu các nội dung tiếp theo.
2.3 Các kịch bản tính toán
- Trường hợp dòng chảy và sóng trong điều kiện tự nhiên, chưa có công trình. - Phương án 1: Xây dựng công trình đập phá sóng xa bờ trước đảo Cát Hải
M ự c n ư ớ c 2/ 27 /2 00 6 0: 3/ 4/ 20 06 0: 00 3/ 9/ 20 06 0: 00 3/ 14 /2 00 6 0: 3/ 19 /2 00 6 0: 3/ 24 /2 00 6 0: 3/ 29 /2 00 6 0: 4/ 3/ 20 06 0: 00
- Phương án 2: Xây dựng công trình đập phá sóng xa bờ trước đảo Cát Hải cùng đập phá sóng ở Lạch Huyện.
2.3.1 Mô phỏng hiện trạng của khu vực Cát Hải khi chưa có công trình
Trước hết ta cần nghiên cứu hiện trạng khu vực khi chưa có công trình
Hình 5: Lưới và địa hình khu vực tính toán
Khu vực trước đảo Cát hải có độ sâu từ 0-10 m (riêng khu vực Lạch Huyện có độ sâu từ 10-14 m) bãi phía trước đảo có độ dốc bãi khá thoải. Đảo Cát Hải nằm kẹp giữa hai con sông là sông Bạch Đằng và sông Chanh nên ở vùng gần bờ chịu ảnh hưởng rất lớn của dòng chảy trong sông ra. Điều này được thể hiện khá rõ trong kết quả mô hình.
2.3.1.1 Trường dòng chảy dưới tác dụng của thủy triều và gió
Hình 6: Trường dòng chảy lúc triều lên (18h ngày 11/3/2006)
Hình 8: Trường dòng chảy lúc triều xuống (10h ngày 12/3/2006)
Từ các hình 6, 7, 8 ta có nhận xét về trường dòng chảy dưới ảnh hưởng của thủy triều và gió ở khu vực trước đảo Cát Hải như sau: Khi triều lên, dòng chảy thẳng góc với đường bờ và sao đó dưới ảnh hưởng của dòng chảy trong sông ra kết hợp với thủy triều xuống, dòng chảy quay ngược lại hướng ra biển. Khi dòng chảy hướng ra biển sẽ mang theo một lượng bùn cát, có khả năng gây xói đường bờ trước đảo.
Hình 9: Vị trí các điểm chiết xuất mực nước
Hình 11: Vận tốc dòng chảy tại điểm gần bờ đảo Cát Hải
Hình 13: Vận tốc dòng chảy tại điểm phía bên trái đảo Cát Hải gần cửa Nam Triệu
Hình 14: Vận tốc dòng chảy tại Lạch huyện
Bảng 1: Bảng kết quả vận tốc dòng chảy tại một số vị trí
Vị trí Vận tốc lớn nhất(m/s)
Phía ngoài đảo Cát Hải 0.34
Gần bờ đảo Cát Hải 0.2
Bên trái đảo Cát Hải 0.32
Bên phải đảo Cát Hải 0.65
Lạch Huyện 0.8
Ở hai cửa sông Nam Triệu và Lạch Huyện dòng chảy có thể đạt tốc độ gần 1m/s khi triều rút. Tại vùng ven biển trước đảo Cát Hải dòng chảy có tốc độ lớn tập trung chủ yếu ở các lạch chạy song song với bờ phiá bến Gót và Hoàng Châu, đặc biệt khi triều dâng khối nước bị dồn ép vào bờ.
Ở trước đảo Cát Hải, khi tới bờ chỗ Gia Lộc, dòng thuỷ triều phân làm 2 nhánh chảy về hai phía cửa sông tạo thành 2 tiểu hoàn lưu trước Văn Chấn và Hoà Quang.
Nhận xét về hướng di chuyển của bùn cát: Hoàn lưu di chuyển của dòng bùn cát phụ thuộc vào hướng dòng chảy tổng hợp, trong đó chủ yếu là dòng triều.
- Khi triều lên, dòng bùn cát di chuyển ngang từ đáy sườn ngầm vào phía bờ, phù
hợp với dòng bờ và phương truyền sóng. Khi vào sát gần bờ, dòng bùn cát phân kỳ ở phía ngoài Gia Lộc thành 2 nhánh. Nhánh thứ nhất di chuyển qua lạch Hàng Dày hợp với dòng từ lạch huyện vào di chuyển lên Gót ở phía Bắc, nhánh thứ 2 di chuyển qua lạch Hoàng Châu rồi hợp với dòng từ cửa Nam Triệu lên phiá tây Hoàng Châu.
- Khi triều rút, dòng bùn cát chủ yếu di chuyển xuôi xuống theo hướng dòng triều ở
lạch Huyện và Nam Triệu, sát rìa đông chương Hàng Dày và phía tây chương Hoàng Châu. Chỉ một bộ phận thứ yếu của dòng bùn cát đi lên lúc triều lên quay ngược lại qua 2 lạch đầu chương để trở về khu bờ ngầm phía ngoài Cát Hải. - Hai nhánh dòng bùn cát nói trên có xu hướng chung lệch về hướng chương Hoàng Châu,
gây ra tình trạng bồi đáy ngầm phía chương Hoàng Châu bào mòn đáy nửa lớn hơn phía chương Hàng Dày. Với cơ chế hoàn lưu bùn cát như vậy, khu vực ven bờ Cát Hải bị thiếu hụt bồi tích.
2.3.1.2 Kết quả tính toán lan truyền sóng
Hình 15 và hình 17 thể hiện trường sóng ứng với các hướng chủ đạo là Đông Nam và Nam. Các hình này đều cho thấy độ cao sóng suy giảm do sóng vỡ và ma sát đáy khi sóng tiến vào bờ. Do ảnh hưởng của hiện tượng khúc xạ, mặc dù các hướng sóng ngoài khơi khác nhau khá nhiều nhưng khi vào đến bờ đều có xu hướng vuông góc với bờ.
Hình 15: Trường sóng hướng Đông Nam
Hình 17: Trường sóng hướng Nam
Hình 18: Chiều cao sóng hướng Nam giảm dần khi tiến vào bờ
Từ những kết quả trên ta đề xuất phương án xây dựng công trình bảo vệ bờ cho đảo Cát Hải là xây dựng đập phá sóng cách bờ khoảng 500 m. Ở khu vực Lạch Huyện có dự án xây dựng 1 đập phá sóng để tạo luồng tàu vào cảng Lạch Huyện.
Do đó khi mô phỏng giải pháp công trình vào trong mô hình, ta mô phỏng 2 phương án
- Phương án 1: Chỉ có đập phá sóng ở trước đảo Cát Hải
- Phương án 2: Có cả 2 đập phá sóng (trước đảo Cát Hải và ở Lạch Huyện)
2.3.2 Mô phỏng theo các phương án giải pháp công trình
2.3.2.1 Phương án 1: Chỉ làm đập phá sóng xa bờ phía trước đảo Cát Hải
a. Trường dòng chảy khi có đập phá sóng xa bờ
Hình 20: Trường dòng chảy lúc triều lên (14h ngày 7/3/2006)
Hình 22: Trường dòng chảy lúc triều xuống (8h ngày 8/3/2006)
Từ hình 20, 21, 22 cho thấy khi có đập phá sóng phía trước đảo Cát Hải thì dòng triều từ ngoài khơi vào bờ bị chắn một phần, nhưng vận tốc dòng chảy phía gần bờ thì hầu như không giảm do chịu ảnh hưởng của dòng chảy trong sông ra. Tuy nhiên đập phá sóng sẽ có tác dụng trong việc giảm bớt áp lực sóng lên hệ thống đê biển bảo vệ trước đảo.
b. Trường sóng khi có đập phá sóng xa bờ
Hình 23 và hình 25 thể hiện trường sóng ứng với các hướng chủ đạo là Đông Nam và Nam khi có đập phá sóng. Ta thấy rõ chiều cao sóng bị suy giảm khá lớn nhờ đập phá sóng. Nhờ vậy mà tác động của sóng lên hệ thống đê kè trên đảo giảm đi đang kể.
Chiều cao sóng trước đập phá sóng 1,9 m và sau đập phá sóng còn <1 m. (Xem hình 24 và hình 26)
Hình 23: Trường sóng hướng Đông Nam
Hình 25: Trường sóng hướng Nam
2.3.2.2 Phương án 2: Làm đập phá sóng xa bờ phía trước đảo Cát Hải kết hợp với đập phá sóng ở cảng Lạch Huyện
a. Trường dòng chảy
Hình 27: Vị trí đặt công trình
Sau đây là một số kết quả về trường dòng chảy lúc tại một số thời điểm (hình 28-30).
Khi đặt cả 2 đập phá sóng ở trước đảo và ở Lạch Huyện thì vận tốc dòng chảy giảm đáng kể, vừa giảm được xói lở đường bờ trước đảo, vừa chắn được bùn cát vào khu vực cảng Lạch Huyện, giúp cho tàu thuyền đi lại dễ dàng trong cảng.
Hình 28: Trường dòng chảy lúc triều lên (16h ngày 9/3/2006)
Hình 30: Trường dòng chảy lúc triều xuống (8h ngày 10/3/2006)
Khi có thêm đập phá sóng ở Lạch Huyện, sẽ chặn được dòng chảy từ phía Lạch Huyện đổ vảo trước Cát Hải. Lúc này, phía gần đảo Cát Hải chịu tác động chủ yếu của dòng chảy từ cửa Nam Triệu sang. Do đó, dòng chảy có xu thế đi ra ngoài biển men theo đập phá sóng ở Lạch Huyện khi triều rút.
b. Trường sóng
Hình 31 và hình 33 thể hiện trường sóng ứng với các hướng chủ đạo là Đông Nam và Nam khi có đập phá sóng ở trước đảo Cát Hải và cảng Lạch Huyện. Ta thấy rõ chiều cao sóng bị suy giảm khá lớn nhờ 2 đập phá sóng này. Sóng tác động vào đường bờ Cát Hải suy giảm đáng kể, từ đó giảm tá động của sóng lên hệ thống đê kè trước đảo. Và sóng ở khu vực cảng Lạch Huyện cũng