8. Cấu trỳc của luận ỏn
2.4.3. Thiết lập mụ hỡnh tớnh toỏn diễn biếnđường bờ và cỏc phương ỏn tớnh
Luận ỏn sử dụng mụ đun GENESIS để tớnh toỏn diễn biến đường bờ trong bộ mụ hỡnh CEDAS [63], đờ giảm súng được thiết lập bằng cỏch thay đổi cao độ địa hỡnh đỏy để đạt đến cao trỡnh đỉnh cần thiết. Đờ ngầm trong cỏc trường hợp tớnh toỏn ở đõy là đờ hỡnh chữ nhật, vật liệu bờ tụng đặc, khụng cú lớp phủ mặt.
2.4.3.1. Thiết lập phạm vi và lưới tớnh toỏn:
Phạm vi miền tớnh toỏn: Để tớnh toỏn diễn biến đường bờ biển Hải Hậu và khu vực cụng trỡnh (xe m hỡnh 2.17a ). Luận ỏn đó xõy dựng hai miền lưới tớnh, lưới tớnh miền lớn bao trựm toàn bộ dải ven biển Hải Hậu phục vụ tớnh toỏn dự bỏo diễn biến đường bờ Hải Hậu. Lưới tớnh miền nhỏ để tớnh toỏn chi tiết cho khu vực bố trớ cụng trỡnh chỉnh trị, chi tiết cỏc miền lưới tớnh được chia như sau:
- Lưới miền lớn: Lưới vuụng, cạnh mỗi ụ lưới vuụng là 50m x 50m. Gốc tọa độ lưới tớnh là O(1) (XO(1) = 649792,07; YO(1) = 2222193,98), gúc quay so với phương bắc 320,54o, chiều dài theo chiều bắc nam khoảng 20,0km, chiều dài theo chiều từ bờ ra khơi khoảng 13,0km (xem hỡnh 2.17b).
- Lưới miền nhỏ: Lưới vuụng, cạnh mỗi ụ lưới vuụng là 5m x 5m. Gốc tọa độ
lưới t ớnh là O(2) (XO(2) = 636854,46; YO(2) = 2218407,36), gúc quay so với phương bắc 321,32o, chiều dài theo chiều bắc nam khoảng 8,2km, chiều dài theo chiều từ bờ ra khơi khoảng 5,6km (xe m hỡnh 2.17c).
Đờ ngầm được đặt tại vị trớ cú cao trỡnh khoảng -1,0m, cao trỡnh đỉnh đờ là +1,40m. Sơ đồ phạm vi miền tớnh và chi tiết cỏc lưới tớnh toỏn diễn biến đường bờ khu vực Hải Hậu được thể hiện trong hỡnh 2.17 (a, b, c).
a) Sơ đồ bố trớ miền lưới tớnh b) Lưới tớnh (50mx50m)
b) Kết quả tớnh với lưới 5m x5m
Hỡnh 2.18. Kết quả tớnh toỏn kiểm định biến động đường bờ khu vực Hải Hậu
c) Lưới tớnh (5mx5m) Hỡnh 2.17. Sơ đồ bố trớ và cỏc lưới tớnh Genesis chi tiết cho khu vực Hải Hậu
2.4.3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh:
Bằng cỏch sử dụng nhiều tổ hợp cỏc giỏ trị K1, K2 và so sỏnh sự tương đồng giữa đường bờ tớnh toỏn và thực đo (từ cỏc bản đồ đường bờ lịch sử), cỏc hệ số hiệu chỉnh được xỏc định là: K1 = 0,56; K2 = 0,45; d50 = 0,14mm.
a) Kết quả tớnh với lưới 50m x
50m giai đoạn 1985 - 1995
Hỡnh 2.18 là kết quả tớnh toỏn kiểm định cho khu vực Hải Hậu từ cửa Hà Lạn đến cửa Lạch Giang. Cỏc kết quả tớnh toỏn kiểm định cho thấy sự phự hợp khỏ tốt
xu thế biến động đường bờ qua thời kỳ 1985 - 1995 của khu vực Hải Hậu, cỏc s ai số tớnh toỏn được thể hiện trong bảng 2.4.
Bảng 2.4. Kết quả đỏnh giỏ sai số tớnh toỏn mụ hỡnh GENESIS
TT Cỏc chỉ số Lưới miền lớn Lưới miền nhỏ
1 Sai số trung bỡnh (m) 28,739 4,67
2 Sai số cực đại (m) 70,044 10,22
3 Sai số cực tiểu (m) 0,055 0,01
2.4.3.3. Điều kiện đầu vào phục vụ tớnh toỏn mụ hỡnh:
Cỏc điều kiện đầu vào phục vụ tớnh toỏn diễn biến đường bờ được ỏp dụng cho hai miền lưới tớnh, với cả trường hợp bói tự nhiờn và khi cú cụng trỡnh, bao gồm:
- Số liệu súng phục vụ tớnh toỏn được dẫn xuất từ trạm đo Bạch Long Vĩ và Cồn Cỏ bằng mụ hỡnh MIKE 21, s au đú trớch xuất tại cỏc vị trớ (X0, Y0) ở hai biờn ngoài (O(1) và O(2)) của cả lưới tớnh lớn và nhỏ để làm súng đầu vào.
+ Số liệu súng đầu vào phục vụ tớnh toỏn kiểm định được trớch xuất và tớnh lặp lại từ năm 1985 đến năm 1995;
+ Số liệu súng đầu vào phục vụ tớnh toỏn dự bỏo diễn biến đường bờ cho toàn dải ven biển Hải Hậu được trớch xuất và tớnh lặp lại từ năm 2009 đến năm 2020;
+ Số liệu súng tớnh toỏn diễn biến đường bờ khi cú cụng trỡnh giảm súng được trớch xuất và tớnh lặp lại trong thời gian 5 năm, từ 1/1/2012 đến 31/12/2017 và tớnh cho 10 năm từ 1/1/ 2012 đến 31/12/2022.
- Mực nước cố định với giỏ trị mực nước trung bỡnh nhiều năm tại khu vực Hải Hậu: Htb = +1,86m.
- Cỏc tham số bựn cỏt: d50 = 0,14mm.
- Khi tớnh với những phương ỏn cụng trỡnh, cỏc giỏ trị hệ số giảm súng (Kt) được lấy từ kết quả thớ nghiệm mụ hỡnh vật lý tại cỏc cấp mực nước tương ứng.
2.4.3.4. Cỏc phương ỏn tớnh toỏn trong luận ỏn:
1. Dự bỏo diễn biến đường bờ biển trong điều kiện tự nhiờn:
Tớnh toỏn nhằm đưa ra bức tranh dự bỏo về diễn biến đường bờ biển tự nhiờn trong tương lai tại khu vực nghiờn cứu để cú cơ sở phõn tớch, so sỏnh và đỏnh giỏ với phương ỏn khi cú cỏc cụng trỡnh chỉnh trị.
2. Lựa chọn cỏc tham số cụng trỡnh:
- Đỏnh giỏ ảnh hưởng của chiều dài đờ ngầm tới diễn biến hỡnh thỏi: cỏc kịch bản chiều dài đờ ngầm (L) thay đổi lần lượt là: L = 50m; L = 100m và L = 200m.
- Đỏnh giỏ ảnh hưởng khoảng cỏch X giữa đờ ngầm và đường bờ ban đầu tới diễn biến hỡnh thỏi, tiến hành tớnh toỏn với: X = 50m, X = 80m, X = 100m, X = 150m và X = 200m.
- Đỏnh giỏ ảnh hưởng của độ rộng khe giữa cỏc đờ (G) tới diễn biến đường bờ, tớnh với cỏc trường hợp: G = 25m; G = 50m; G = 80m và G = 150m.
3. Phương ỏn cụng trỡnh chỉnh trị: a)
Bố trớ mặt bằng:
Căn cứ vào thực tế và mục đớch nghiờn cứu, luận ỏn đó đề xuất khu vực cần chỉnh trị, đú là khu vực Hải Hũa đến Hải Triều, huyện Hải Hậu. Ở đõy bố trớ phương ỏn gồm cỏc mỏ hàn chữ T, kết hợp với đờ ngầm phỏ súng với mục đớch ngăn cỏt, giảm súng và tạo bồi bói (Hỡnh 2.19). Chi tiết về phương ỏn cụng trỡnh chỉnh trị đề xuất được thể hiện trong chương 4.
b)
Cỏc thụng số chi tiết của phương ỏn bố trớ:
- Cỏnh chữ T và đờ ngầm bố trớ cỏch bờ khoảng 150m ở cao trỡnh đỏy -1,0m. Khu vực được bảo vệ khoảng từ Km17 ữ Km22 thuộc đờ biển Hải Hậu;
- Chiều dài thõn mỏ chữ T trung bỡnh Lt = 150m, cũng là khoảng cỏch từ bờ đến cỏnh mỏ, và cũng là khoảng cỏch từ bờ đến đờ ngầm;
- Chiều dài cỏnh mỏ chữ T trung bỡnh Lc = 200m, cũng bằng chiều dài trung bỡnh của đờ ngầm;
- Khoảng cỏch trung bỡnh giữa 02 đầu cỏnh mỏ chữ T, hoặc giữa đầu cỏnh chữ T với đầu đờ ngầm và giữa hai đờ ngầm với nhau là G = 110m;
- Cao trỡnh đỉnh đờ ngầm, cũng là cao trỡnh đỉnh chữ T là ∆ = +1,40m; - Bề rộng đỉnh đờ ngầm, cũng là bề rộng đỉnh mỏ chữ T là B = 5,0m.
Hỡnh 2.19. Bố trớ hệ thống cụng trỡnh hỗn hợp giữa 5 đờ ngầm phỏ súng kết hợp với 7 mỏ hàn chữ T tại khu vực Hải Hậu.
2.4.4. Thiết lập mụ hỡnh tớnh cỏc chế độ thủy thạch động lực (Mike 21) và cỏc phương ỏn tớnh toỏn của luận ỏn.
2.4.4.1. Thiết lập lưới và phạm vi tớnh toỏn:
Phạm vi lưới tớnh được chia thành hai miền lớn và nhỏ như sau:
- Lưới miền lớn với biờn mở rộng bao trựm khu vực đảo Bạch Long Vĩ và đảo Cồn Cỏ (Hỡnh 2.20a) để lấy số liệu đầu vào cho biờn ngoài khơi tại cỏc khu vực cú thu thập dữ liệu về súng, giú. Lưới tớnh được chia với 10737 phần tử và 20413 nỳt, bước lưới lớn nhất khoảng 2,0km và bước nhỏ nhất khoảng 500m. Sau đú cỏc số liệu súng được tớnh lan truyền từ ngoài khơi trờn lưới miền lớn, dẫn xuất vào vựng biển Nam Định và được trớch xuất tại biờn của lưới miền nhỏ để phục vụ cho cỏc kịch bản tớnh toỏn tại khu vực cần quan tõm.
- Lưới tớnh miền nhỏ được chia cho toàn vựng biển từ khu vực cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang (Hỡnh 2.20b). Địa hỡnh cỏc vựng quan tõm và ven bờ sẽ được chia với bước lưới nhỏ nhằm chi tiết húa địa hỡnh tại khu vực đú, cỏc vựng lõn cận và ở vựng nước sõu cỏch xa bờ bước lưới được chia thưa dần. Lưới tớnh được chia với 45223 phần tử và 23039 nỳt, bước lưới lớn nhất khoảng gần 1,0km và bước nhỏ nhất là 30m. Biờn phớa bắc kộo dài từ bờ ra đến độ sõu 20m nước dài khoảng 13km, biờn phớa nam kộo dài từ bờ ra độ sõu 20m nước dài khoảng 15km, biờn ngoài khơi được lấy dọc theo đường đồng mức tại độ sõu 20m nước.
Hỡnh 2.20a. Địa hỡnh và lưới tớnh miền
lớn từ Bạch Long Vĩ đến Cồn Cỏ Hỡnh 2.20b. Địa hỡnh và lưới t ớnh khu vực từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang
2.4.4.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh:
1) Hiệu chỉnh và kiểm định cỏc yếu tố động lực:
Cỏc kết quả tớnh toỏn hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh với cỏc yếu tố động lực (mực nước, súng, dũng chảy) được thể hiện trong cỏc hỡnh từ 2.21 ữ 2.25 dưới đõy.
Hỡnh 2.22a. So sỏnh giữa mực nước thực đo và tớnh toỏn tại cửa Ba Lạt
Hỡnh 2.22b. So sỏnh giữa mực nước thực đo và tớnh toỏn tại cửa Lạch Giang
300 250 200 150 100 50 0 00 :00 20 11- 05- 27 00 :00 05 -28 00 :0005 -29 00 :0005 -30 00 :0005 -31 00 :0006 -01 00 :0006 -02 Huong dong chay thuc do [ degree]
Huong do dong chay tinh toan [degr ee]
Hỡnh 2.24. So sỏnh tốc độ dũng chảy ven tớnh toỏn và thực đo tại Hải Hậu
Hỡnh 2.25. So sỏnh hướng dũng chảy ven tớnh toỏn và thực đo tại Hải Hậu Để đỏnh giỏ mức độ sai số của mụ hỡnh, luận ỏn dựng chỉ tiờu Nas h (Nash and Sutcliffe 1970), được tớnh theo cụng thức:
∑N (X0,i − X s ,i )
Nash = 1 − i =1
∑
i=1
0,i − X 0 ) (2.59)
trong đú: X0,i - Giỏ trị thực đo;
Xs,i - Giỏ trị tớnh toỏn hoặc mụ phỏng;
X 0 - Giỏ trị thực đo trung bỡnh.
Hệ số Nash cú giỏ trị cú thể từ -∞ đến 1, nếu đạt giỏ trị bằng 1 cú nghĩa là một sự kết hợp hoàn hảo giữa mụ hỡnh và dữ liệu thực đo. Nếu giỏ trị Nash = 0 chỉ ra
2
(
X
rằng giữa thực đo và tớnh toỏn cú độ chớnh xỏc như nhau, trong khi nếu giỏ trị Nash < 0 thỡ cỏc số liệu đo đạc thực tế tốt hơn kết quả tớnh toỏn.
Áp dụng cụng thức (2.59), cỏc kết quả đỏnh giỏ sai số về mực nước, súng, dũng chảy ven bờ khu vực Hải Hậu được trỡnh bày như trong Bảng 2.5.
Bảng 2.5. Đỏnh giỏ cỏc sai số theo chỉ số Nash
TT Cỏc tham số đỏnh giỏ Chỉ số Nash
I Lưới tớnh miền lớn
1 Độ cao súng -0,07
2 Hướng súng -0,66
II Lưới tớnh miền nhỏ
1 Mực nước khu vực cửa Ba Lạt 0,84
2 Mực nước khu vực cửa Lạch Giang 0,91
3 Độ cao súng 0,06
4 Hướng súng -0,47
5 Vận tốc dũng chảy ven bờ -0,58
6 Hướng dũng chảy ven bờ -1,07
Kết quả tớnh toỏn cho thấy chỉ số Nash của cỏc tham số thỏa món tốt những điều kiện yờu cầu sự phự hợp, nhất là mực nước. Súng và dũng chảy cũng cho thấy sự phự hợp khỏ tốt giữa cỏc giỏ trị về độ lớn và hướng giữa thực đo và tớnh toỏn. Ngoại trừ một số thời điểm sự lệch nhau về hướng cú thể do địa hỡnh chưa thật đủ chi tiết để thể hiện sự biến động lõn cận điểm đo. Tuy nhiờn, cú thể thấy rằng mụ hỡnh đó phản ỏnh khỏ tốt bức tranh động lực về súng, mực nước triều, dũng chảy, do đú hoàn toàn cú cơ sở để sử dụng mụ hỡnh vào nghiờn cứu và tớnh toỏn cỏc quỏ trỡnh thủy động lực tại khu vực ven bờ với cỏc điều kiện khỏc nhau.
2) Hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh về vận chuyển bựn cỏt:
Mụ hỡnh Mike 21 FM/ST được thiết lập và tớnh toỏn sự vận chuyển bựn cỏt dải ven bờ Hải Hậu. Vấn đề kiểm định mụ hỡnh về vận chuyển bựn cỏt luụn gặp rất nhiều khú khăn vỡ sự hạn chế về số liệu đo đạc thực tế. Do vậy phải dựa vào những số liệu lịch sử và sự so sỏnh kết quả tớnh toỏn theo cỏc phương phỏp khỏc nhau.
Kiểm định mụ hỡnh vận chuyển bựn cỏt tại Hải Hậu dựa vào số liệu khảo sỏt tại cỏc mặt cắt dọc ven biển Hải Hậu từ 2005-2010. Kết quả tớnh toỏn kiểm định được tiến hành trong hai mựa giú đặc trưng là Đụng Bắc và Tõy Nam (Hỡnh 2.26a
và 2.26b). Việc kiểm định mụ hỡnh chủ yếu lấy tiờu chớ về cơ chế động lực bồi xúi tại ven biển là chớnh.
Hỡnh 2.26a. Kết quả tớnh toỏn diễn biến khu vực bói biển Hải Hậu trong giú
mựa Đụng Bắc
Hỡnh 2.27. Sơ đồ cỏc mặt cắt trớch xuất để kiểm định mụ hỡnh tớnh toỏn tại Hải
Hậu
Hỡnh 2.26b. Kết quả tớnh toỏn diễn biến khu vực bói biển Hải Hậu trong giú
mựa Tõy Nam
Kết quả tớnh toỏn được so sỏnh với số liệu cỏc mặt cắt đo đạc dọc ven biển Hải Hậu trong giai đoạn 2005 - 2010 và cho kết quả khỏ phự hợp với thực tế xúi lở ở đõy. Trớch xuất 03 mặt cắt ngang đại diện cho vựng biển Hải Hậu, trựng với vị trớ cỏc mặt cắt MC13, MC20 và MC25 [45] đó đo trong giai đoạn 2005 - 2010 (Hỡnh 2.27). Cỏc khu vực bói biến động mạnh nhất chỉ nằm trong phạm vi khoảng từ 800 ữ 1000m tớnh từ bờ trở ra, tới độ sõu khoảng 3,5 ữ 4,0m nước. Quy luật cũng cho thấy bói bị xúi vào mựa giú Đụng Bắc và bồi vào mựa giú Tõy Nam, mức độ biến động trong mựa giú Đụng Bắc lớn hơn.
Thực đo MC 20 Thực đo M C 15 Thực đo M C 25 Tớnh toỏn MC 20 Tớnh toỏn MC 15 Tớnh toỏn MC 25 1.5 0.5 -0.5 -1.5 -2.5 -3.5 -4.5 K/c cộng dồn (m) -5.5 0 200 400 600 800 1000 K/c cộng dồn (m) Thực đo MC 20 Thực đo MC 15 Thực đo MC 25 Tớnh toỏn MC 20 Tớnh toỏn MC 15 Tớnh toỏn MC 25 1.5 0.5 -0.5 -1.5 -2.5 -3.5 -4.5 -5.5 0 200 400 600 800 1000
Hỡnh 2.28a. Kết quả kiểm định với trường hợp tớnh cho giú mựa Đụng Bắc
Hỡnh 2.28b. Kết quả kiểm định với trường hợp tớnh cho giú mựa Tõy Nam So sỏnh kết quả tớnh toỏn biến động mặt cắt bói giữa số liệu thực đo và tớnh toỏn kiểm định của mụ hỡnh cho thấy sự phự hợp giữ tớnh toỏn và thực đo kể cả trong hai mựa giú Đụng Bắc và Tõy Nam như trờn cỏc Hỡnh 2.82a và 2.28b.
Nhỡn chung, cỏc kết quả hiệu chỉnh và tớnh toỏn kiểm định của mụ hỡnh đó cho thấy sự phự hợp khỏ tốt đối với cỏc quỏ trỡnh thủy thạch động lực ven bờ khu vực Hải Hậu. Qua đú, lựa chọn được bộ tham số hiệu chỉnh mụ hỡnh phục vụ cỏc phương ỏn tớnh toỏn của luận ỏn.
2.4.4.3. Điều kiện biờn mực nước, súng và bựn cỏt 1. Tớnh toỏn cỏc đặc trưng trường súng:
a) Điều kiện biờn: Áp dụng điều kiện biờn đối xứng tại cỏc biờn phớa Bắc và biờn phớa
Nam. Tại biờn ngoài khơi, cho cỏc tham số súng đầu vào được xột như trong Bảng 2.7. C ao trỡ nh (m ) C ao trỡ nh (m )
b) Lựa chọn, xõy dựng cỏc phương ỏn tớnh súng:
Khú khăn thường hặp phải đối với cỏc mụ hỡnh súng ven bờ là ước tớnh chớnh xỏc cỏc đặc trưng súng ngoài khơi làm đầu vào cho cỏc mụ hỡnh. Ở Việt Nam núi chung, khu vực Hải Hậu núi riờng thỡ cỏc chuỗi số liệu đo súng dài ngày là rất khan hiếm. Do vậy, cỏc tham số súng nước sõu làm đầu vào cho cỏc mụ hỡnh súng ven bờ thường được ước tớnh từ chuỗi số liệu giú xung quanh khu vực nghiờn cứu.
Trong nghiờn cứu này, tỏc giả đó lựa chọn dữ liệu giú tại trạm Bạch Long Vĩ (BLV) để ước tớnh cỏc tham số súng nước sõu (Pruszak và nnk, 2002; Wijdeven, 2002). Tuy nhiờn, bằng cỏch so sỏnh dữ liệu súng thực đo với ước tớnh từ giú tại trạm Cồn Cỏ (CC), nhận thấy rằng giú tại trạm CC cú ảnh hưởng đỏng kể đến súng ở biển Hải Hậu (Haglund & Svensson, 2002). Để cú được trường giú đại diện cho khu vực nghiờn cứu, đề xuất phương phỏp kết hợp giú tại BLV và CC.
Chuỗi số liệu súng 20 năm (1990-2010) được ước tớnh bằng cỏch kết hợp dữ liệu giú tại BLV và CC (Hag lun d & Svensson , 2002). Dữ liệu giú tại BLV chủ yếuđược sửdụngđể ước tớnh súng nước sõu, ngoại trừgiúđến từcỏc gúc giữa SE và SW. Trong những trường hợp giú đến từ cỏc gúc giữa SE và SW, súng vựng