CHƯƠNG III ÁP DỤNG MƠ HÌNH TÍNH TOÁN TẠI KHU VỰC CỬA ĐỀ GI
3.1. Phân tích, xử lý số liệu đầu vào cho mơ hình
3.1.2. Số liệu sóng nước sâu
Sóng là một trong các yếu tố động lực quan trọng quyết định tới hình thái địa hình đáy cũng như đường bờ. Dưới mỗi hình thái tác động của sóng, hình dạng bãi biển cũng như bản đồ phân bố bùn cát cũng thay đổi tùy thuộc vào các tính chất của sóng (tính chất mùa). Do vậy để có sự đánh giá chính xác các biến động bãi
31
biển cần phải có chuỗi số liệu sóng đủ tin cậy, đủ dài để có thể phản ánh đúng các đặc trưng thống kê.
Chuỗi số liệu sóng sử dụng trong đề tài được kế thừa nguồn số liệu sóng tin cậy từ một số đề tài cấp Bộ và cấp nhà nước trước đó: Đề tài tính tốn thơng số sóng phục vụ thiết kế nâng cấp và cải tạo đê biển từ Quảng Nam đến Vũng Tàu; Đề tài cấp nhà nước “Tính tốn tiềm năng các nguồn năng lượng biển chủ yếu” KC09.19/06-10. Trong tính tốn sử dụng các kết quả phân tích thơng kê từ chuỗi số liệu sóng 25 năm (từ 1988 đến 2012) tại điểm biên sóng nước sâu. Chuỗi số liệu sóng được tính tốn từ trường gió tái phân tích bằng mơ hình sóng tồn cầu Wave Wacth III với lưới 0,5 độ.
Các tham số sóng được lấy tại điểm nước sâu có tọa độ (14.00N 109.50 E). Để phục vụ tính tốn trong các mơ hình số cũng như xây dựng các kịch bản tính tốn, trường sóng được phân tích đánh giá theo các bảng thơng kê mối tương quan giữa các tham số sóng, tần suất xuất hiện và phân bố theo các hướng, theo mùa.
Bảng 1. Bảng phân tích tần suất sóng P (%) Hs N NE E SE S SW W NW Tổng % 0.0-0.5 0.0931 2.0546 4.784 4.9113 1.6179 0.23 0.0287 0.0068 13.7264 0.5-1.0 0.4544 9.8418 8.9726 12.7724 6.8427 2.5323 0.0958 0.0192 41.5312 1.0-1.5 0.6036 11.869 1.6535 1.6973 0.5065 0.5681 0.0465 0.0137 16.9582 1.5-2.0 0.3449 9.5502 0.1068 0.0479 0.0356 0.0342 0.0096 0.0205 10.1497 2.0-2.5 0.2847 7.0617 0.0616 0.0027 0.0027 0.0068 0.0041 0.0041 7.4284 2.5-3.0 0.2067 4.2337 0.0082 0.0014 0.0055 0.0027 4.4582 3.0-3.5 0.0972 2.5364 0.0096 0.0014 2.6446 3.5-4.0 0.0616 1.4017 0.0027 0.0014 1.4674 4.0-4.5 0.037 0.8117 0.0014 0.0014 0.8515 4.5-5.0 0.0356 0.3983 0.0014 0.4353 5.0-5.5 0.0164 0.156 0.1724 5.5-6.0 0.0123 0.0835 0.0958 6.0-6.5 0.0055 0.0561 0.0014 0.063 6.5-7.0 0.0014 0.0041 0.0055 7.0-7.5 0.0055 0.0055 >7.5 0.0027 0.0041 0.0068 Tổng % 2.2572 50.0684 15.6017 19.4317 9.0054 3.3755 0.1916 0.0684 100
32
Trong các hình 12, 13 và 14 là hoa sóng thống kê trong mùa gió Đơng Bắc, Tây Nam và trung bình năm.
Hình 12. Hoa sóng trong mùa gió Đơng Bắc (Đề tài “KC09.19/06-10”)
Hình 13. Hoa sóng trong mùa gió Tây Nam (Đề tài “KC09.19/06-10”)
Hình 14. Hoa sóng trung bình năm (Đề tài “KC09.19/06-10”)
33
Bảng 2. Bảng thống kê chu kỳ trung bình sóng theo tần suất
Tp N NE E SE S SW W NW 0.0-0.5 5.9254 7.5647 7.1322 5.6584 5.8616 4.7439 6.5724 3.178 0.5-1.0 5.9933 7.6069 6.8661 5.1243 5.7535 4.509 4.6449 5.9086 1.0-1.5 6.4233 8.067 7.5345 5.5588 6.2484 5.4671 5.8597 7.952 1.5-2.0 7.6631 8.5802 8.2865 6.6649 7.2623 6.0712 6.7786 8.044 2.0-2.5 8.2049 9.1784 8.7904 6.475 6.31 9.996 8.6133 8.3967 2.5-3.0 8.9534 9.6387 9.67 6.8 10.62 10.705 3.0-3.5 8.93 10.0848 9.83 6.99 3.5-4.0 9.7731 10.3823 10.655 7.25 4.0-4.5 10.4007 10.8307 10.31 7.94 4.5-5.0 10.8762 11.3133 11.9 5.0-5.5 12.0392 11.6263 5.5-6.0 11.9767 11.8836 6.0-6.5 12.64 12.0256 11.36 6.5-7.0 13.89 12.5033 7.0-7.5 13.4775 >7.5 12.825 12.8767 Từ các bảng 1, 2 và các hình 12, 13 và 14 ta thấy rằng chế độ sóng đặc trưng trong vùng Đề Gi có tính chất mùa. Hai mùa sóng chính là: mùa gió Đơng Bắc (chiếm tới 50%) và mùa gió Tây Nam (chiếm trên 20%). Độ cao sóng trong mùa gió Đơng Bắc lớn hơn hẳn so với mùa gió Tây Nam. Các hướng sóng chủ đạo có thể kể ra là: Đơng Bắc (NE), Đơng (E) và Đông Nam (SE) [2].
Để thuận tiện cho việc tính tốn và lên các kịch bản tính tốn. Độ cao sóng hữu hiệu biến động đáy được sử dụng. Theo Roevink J. A đã đưa ra công thức xác định chiều cao sóng gây biến đổi đáy từ chiều cao sóng hữu hiệu trong chuỗi sóng như sau:
i i i mor P H P H 5 . 2 5 . 2 (49) Trong đó:
Hmor là chiều cao sóng có tác động đến biến đổi đáy mạnh nhất. Hi là chiều cao sóng hữu hiệu i.
Pi là tần suất của sóng thứ i.
Kết quả tính tốn được đưa ra trong bảng 3.
Bảng 3. Bảng thống kê các tham số sóng tính tốn vận chuyển bùn cát
N NE E SE S SW W NW
Hmor 2.27 2.12 0.77 0.72 0.72 0.86 1.21 1.67
Tp 7.38 8.60 7.04 5.30 5.81 4.72 5.62 7.15
P(%) 2.26 50.07 15.60 19.43 9.01 3.38 0.19 0.07
34
Như vậy với hướng đường bờ chạy dọc gần như theo chiều Nam – Bắc, dựa vào bảng thống kê 3 ta có thể thấy các hướng sóng có tác động chính tới sự biến động tại cửa Đề Gi là hướng Đông Bắc, Đông và Đơng Nam. Do vậy đây cũng chính là ba kịch bản trong tính tốn vận chuyển bùn cát và biến động đáy biển tại khu vưc này.
3.1.3. Số liệu mực nước đo đạc dùng hiệu chỉnh và kiểm chứng mơ hình
Khi lan truyền vào vùng nước nông ven bờ, đặc biệt là vào trong các đầm phá có các cửa biển tương đối hẹp như cửa Đề Gi, biên độ dao động mực nước và pha bị thay đổi một cách đáng kể so với phía bên ngồi biển. Sự chênh lệch giữa phần bên trong và bên ngoài đầm tạo lên một lực rất lớn tạo ra dòng chảy mạnh tại khu vực cửa. Trong quá trình tiến hành thực hiện luận văn, tác giả đã thu thập được số liệu đo đạc biến động mực nước tại vị trí phía trong đầm tại gần cảng cá có tọa độ 14.12N 109.20E. Chuỗi mực nước đo đạc trong thời gian 3 tháng (từ 4/11/2012 đến 4/2/2013) với đơn vị 1 giờ/obs. Đây là chuỗi mực nước đủ dài và nằm ở vị trí khá lý tưởng để dùng hiệu chỉnh mơ hình tính tốn lan truyền thủy triều. Hình 15 biểu diễn vị trí trạm đo đạc mực nước.
Hình 15. Vị trí trạm quan trắc mực nước phía trong đầm Đề Gi
35
Biến trình mực nước quan trắc được biểu diễn trong hình 16.
Hình 16. Mực nước quan trắc tại Đề Gi, thời gian 4/11/2012 đến 4/2/2013
3.1.4. Số liệu thủy triều và dịng chảy
Để tính tốn thủy triều lan truyền vào khu vực ven bờ và phía trong đầm. Các mơ hình tính tốn cần thiết phải có số liệu các hằng số điều hịa tại các biên ngồi biển. Trong khuôn khổ của luận văn này các hằng số điều hịa của 8 sóng (K1, M2, N2, O1, P1, S2, K2, Q1) lấy từ nguồn số liệu hằng số điều hịa tồn cầu lưới 0.5 độ của Leprovost.
Hình 17 đưa ra dao động mực nước thủy triều tại biên tính tốn dựa theo các hằng số điều hịa của Leprovost.
Hình 17. Dao động mực nước thủy triều tính tốn theo các hằng số điều hịa của Leprovost
36
Theo hình 17 ta có thể thấy, đặc điểm thủy triều tại khu vực Đề Gi mang tính chất nhật triều là chính. Tại các thời điểm triều thấp có xuất hiện của hiện tượng bán nhật triều không đều.
3.1.5. Số liệu trường gió
Số liệu trường gió sử dụng trong các tính tốn được phân tích từ chuỗi số liệu gió tái phân tích của NCEP với độ phân giải 0,5 độ trong 25 năm (từ 1988 đến 2012). Các thông kê đặc trưng trường gió được đưa ra trong bảng tốc độ gió theo tần suất bảng 4.
Bảng 4. Thống kê tốc độ gió trung bình theo tần suất
Vel (m/s) N NE E SE S SW W NW 0-2 1.43 1.41 1.43 1.41 1.44 1.43 1.43 1.4 2-4 3.17 3.13 3 3.13 3.18 3.15 3.03 3.02 4-6 5.07 4.96 4.81 4.99 5.02 5.04 4.98 4.9 6-8 6.99 7 6.74 6.94 6.84 6.89 6.93 6.9 8-10 8.93 8.93 8.9 8.77 8.66 8.71 8.78 9 10-12 10.97 10.86 10.52 10.61 10.49 10.73 10.81 10.89 12-14 12.85 12.74 13.8 12.78 12.44 12.71 12.76 12.77 14-16 14.8 14.67 14.97 15.14 15.02 >16 17.43 18.76 16.23 18.56 18.96 17.69
Các hình từ 18 đến 20 trình bày hoa gió tương ứng với mùa gió Đơng Bắc, Tây Nam và cả năm.
Hình 18. Hoa gió trong mùa gió Đơng Bắc (NCEP, 1988-2012)
37
Hình 19. Hoa gió trong mùa gió Tây Nam (NCEP, 1988-2012)
Hình 20. Hoa gió trong cả năm (NCEP, 1988-2012)
3.2. Thiết lập mơ hình
Phạm vi miền tính của mơ hình
Mơ 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 ơ 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 hố.
38
Lưới tính Độ sâu
Hình 21. Lưới tính và độ sâu của mơ hình thuỷ động lực Thời gian tính tốn Thời gian tính tốn
Mơ 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 Đơng 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 mơ hình. Bước thời gian chạy của mơ hình thuỷ động lực là 5 phút và tính tốn từ ngày 5/11/2012 – 13/11/2012.
Các q trình cơ bản được tính đến trong mơ hình
Mơ 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 – dịng 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 mơ hình
Trong mơ 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. Mơ 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 sơng đổ vào khu vực tính. Trên bề mặt là phân bố theo khơng 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 hồ 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 tốn dao động mực nước ở hai đầu biên.
Bảng 5. Hằng số điều hồ 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 tốn khác của mơ hình Delft 3D Flow
Mật độ nước lấy khơng đổi cho tồn 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 mơ 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.
Mơ hình sóng
Mơ hình sóng trong nghiên cứu này được thiết lập chạy đồng thời (online coupling) với mơ hình thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích lơ lửng. Tại mỗi thời điểm tính tốn (1h), mơ hình sóng sẽ sử dụng lưới tính, trường gió, các kết quả tính độ sâu, mực nước, dịng chảy của mơ hình thuỷ động lực.
40
Điều kiện biên mở của mơ hình sóng được thiết lập cho ba hướng sóng chính là hướng Đơng Bắc (NE), Đơng Nam (SE) và Đơng (E).
Trong mơ hình nghiên cứu này, lựa chọn phổ JONSWAP với hệ số ma sát đáy có giá trị 0,067. Mơ hình B&J được lựa chọn để tính ảnh hưởng của nước nơng nơi diễn ra q trình sóng đổ. Các q trình và tham số cơ bản khác của mơ hình sóng được tóm tắt trong bảng 6.
Bảng 6. Bảng tóm tắt các thơng số của mơ hình
Module Thơng 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
Mơ hình rối 2 chiều HLES
Sơ đồ bình lưu Cyclic method
Sóng (Delft 3D – Wave)
Hdy (ngưỡng khơ 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 (mơ hình B&J)
Hệ số Alpha Hệ số Gamma
Bettjes & Janssen (1978) 1
0,73
Kích hoạt các q 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 mơ hình
Hiệu chỉnh mơ 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 mơ hình từ ngày 5/11/2012 – 25/11/2012. Tính tốn hệ số tương quan giữa mực nước quan trắc và tính tốn là 0,94. Qua đó ta
41
thấy kết quả hiệu chỉnh mơ hình thuỷ động lực khá tốt. Nhìn vào hình 22 ta thấy sai số giữa mực nước tính tốn 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 tốn
Hình 22. So sánh số liệu đo đạc mực nước và tính tốn tại trạm Mỹ Thành Kiểm định mơ hình:
Thời gian kiểm định mơ hình từ ngày 26/11/2012 – 4/12/2012. Nhìn vào hình 23 ta thấy sai số giữa mực nước tính tốn 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 tốn
Hình 23. So sánh giữa mực nước tính tốn và thực đo tại trạm Mỹ Thành
42
Các kịch bản tính tốn
Xây dựng các kịch bản tính tốn vận chuyển bùn cát và biến động bãi biển cần thiết phải dựa trên các đặc trưng phân bố của mực nước thủy triều, dịng chảy và chế độ sóng. Các kịch bản đưa ra để tính tốn 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 Đơng Bắc và mùa gió Tây Nam tương ứng với nó là chế độ sóng trong gió mùa Đơng Bắc và chế độ sóng trong gió mùa Tây Nam.