3.6.3 Thiết lập thông số kết nối giữa hai mơ hình CMS-flow và CMS-wave
Hai mơ hình tính tốn sóng và dịng chảy được sử dụng tính cặp đồng thời. Phương pháp tính cặp sử dụng dạng trao đổi hai chiều, cho phép tính tốn và trao đổi các tham số của sóng và dịng chảy qua lại giữa hai mơ hình theo từng bước thời gian. Theo đó các tham số sóng và ứng suất bức xạ được CMS-flow sử dụng trong mỗi bước tính để tính dịng chảy do sóng và vận chuyển trầm tích. Q trình song song với nó là CMS-wave sử dụng trường dịng chảy, điều kiện địa hình đã được
cập nhật mực nước và biến đổi đáy vào trong tính tốn trường sóng. Hai q trình tính tốn diễn ra song song với bước thời gian trao đổi cập nhật các tham số là 3 giờ. Tổng lượng thời gian tính tốn trong một phương án hướng sóng là 720 giờ (30 ngày).
Hình 24. Giao diện điều khiển tính tốn cặp đồng thới giữa hai mơ hình
Hình 25. So sánh mực nước tính tốn và đo đạc tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007
Hình 26. So sánh tốc độ dịng chảy tính tốn với tốc độ dịng chảy đo đạc tại các tầng Mặt, giữa và đáy tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007
Hình 27. So sánh hướng dịng chảy tính tốn với hướng dịng chảy đo đạc tại các tầng Mặt, giữa và đáy tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007
Hình 28. Trường dịng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều lên
Hình29. Trường dòng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều xuống
Để đánh giá mức độ chính xác của các kết quả tính tốn và đo đạc, độ lệch chuẩn và sai số trung bình quân phương đã được sử dụng. Công thức xác định giá trị của độ lệch chuẩn (hệ số bias) và sai số trung bình quân phương như sau:
BIAS = 1
N (Vcomi − Vobsi) (86)
RMS = 1
N (Vcomi − Vobsi)2 1/2 (87)
Trong đó N – là tổng số số liệu, Vcomi- giá trị tính tốn thứ i, Vobsi – giá trị đo đạc thứ i.
Kết quả tính tốn sai số của dao động mực nước đo đạc và tính tốn: Bias = 0.065, Rms = 0.177
Kết quả tính tốn sai số của vận tốc dịng chảy đo đạc tại tầng giữa và vận tốc tính tốn: Bias = 0.0352, Rms = 0.0963
Từ các kết quả trên cho thấy kết quả tính tốn mực nước, tốc độ và hướng dịng chảy ứng với các thơng số cài đặt trong mơ hình là khá phù hợp. Các kết quả về giá trị có sự sai khác nhỏ. Các hệ số bias mang giá trị dương chứng tỏ các giá trị tính tốn lớn hơn so với các giá trị đo đạc.
3.7. Kết quả tính tốn
Mơ hình tính cặp đồng thời mơ phỏng sự vận chuyển trầm tích và biến động bãi biển được thiết lập theo các thông số đã được hiệu chỉnh tại phần trên. Tính tốn vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy được thực hiện theo 6 hướng sóng chính, trong mỗi hướng sóng được tính tốn trong 720 giờ (30 ngày). Kết quả tính tốn vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển được trình bày theo 3 dạng: Thứ nhất, kết quả được trình bày trên các hình vẽ theo mặt rộng. Thứ hai, chọn ra 5 mặt cắt đặc trưng, biểu thị biến động đáy biển trên hình vẽ của các mặt cắt ngang. Thứ ba, dựa trên số liệu tại các mặt cắt ngang tính tốn, lập bảng thống kê giá trị tổng lượng trầm tích vận chuyển qua mỗi mặt cắt theo các hướng sóng khác nhau.
3.7.1 Kết quả tính tốn biến động đáy
Hướng sóng 1 (120 đến 150 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=0.86, Tp =5.58, hướng trung bình= -67.98, tần suất=0.23 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow.
Hình 30. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 120 đến 150 độ
Hình 31. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 120 đến 150 độ
Hướng sóng 2 (90 đến 120 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=1.32, Tp =6.93, hướng trung bình =-42.42, tần suất= 23.11 % và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 32 Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 90 đến 120 độ
Hình 33. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 90 đến 120 độ
Hướng sóng 3(60 đến 90 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=2.43, Tp =8.90, hướng trung bình =-19.11, tần suất=54.59 % và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 34. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 60 đến 90 độ
Hình35. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 60 đến 90 độ
Hướng sóng 4(30 đến 60 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=2.34, Tp =7.53, hướng trung bình =12.17, tần suất=14.88% và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 36. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 30 đến 60 độ
Hình 37. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 30 đến 60 độ
Hướng sóng 5(0 đến 30 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=1.76, Tp =6.99, hướng trung bình =42.67, tần suất=4.14 % và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 38. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 0 đến 30 độ
Hình 39. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 0 đến 30 độ
Hướng sóng 6 (330 đến 0 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=1.06, Tp =5.81, hướng trung bình = 72.57, tần suất = 1.58% và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 40. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 330 đến 0 độ
Hình 41. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 330 đến 0 độ
Như vậy từ các tính trên ta thấy, các hướng sóng có tác động mạnh nhất đến q trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy là các hướng sóng trong trường hợp 2, 3 và 4 tương ứng với trường sóng có hướng Đơng và Đơng bắc. Các hướng sóng này chiếm tới 92.58 % trong chuỗi sóng. Các tác động của sóng tới q trình vận chuyển trầm tích là đáng kể. Phía trước và sau cơng trình kè trên bờ phía nam cửa Thuận An có sự biến động rất lớn và có xu thế bồi lắng tại vùng lân cận chân cơng trình. Q trình vận chuyển trầm tích cũng làm cho khu vực luồng tàu tại trung tâm cửa có biến động lớn, q trình bồi lắng ở giữa cửa làm cho tuyến luồng giảm độ sâu đáng kể. Để có sự đánh giá rõ ràng hơn chúng ta xem xét đến sự biến động tại các mặt cắt đặc trưng.
3.7.2 Phân tích kết quả tính tốn biến động bãi đáy biển qua một số mặt cắt đặc trưng
Năm mặt cắt được chọn để đánh giá mức độ biến động trên đáy biển bao gồm: 3 mặt cắt phía trước cơng trình kè biển phía nam và 2 mặt cắt phía trong cửa Thuận An. Các mặt cắt từ 1 đến 4 có gốc nằm trên bờ biển, mặt cắt số 5 gốc nằm trên bờ phía nam. Sơ đồ các mặt cắt tại khu vực cửa Thuận An được mơ tả trong hình 42.
Hình 42. vị trí các mặt cắt từ 1 đến 5
Kết quả tính tốn cho từng hình thế hướng sóng tại mỗi mặt cắt được trình bày trên hai hình vẽ: Hình vẽ biểu diễn sự biến động đáy biển tại mỗi mặt cắt dưới sự tác động của từng hình thế hướng sóng và Hình vẽ so sánh địa hình đáy trước và sau khi tính tốn biến động đáy biển dưới tác động tổng hợp của tất cả các hình thế sóng. Dựa trên sự phân bố tần suất phần trăm của các hình thế hướng sóng theo bảng tần suất (bảng 4) chúng ta tính tốn được mức độ biến động tổng cộng của từng mặt cắt dưới tác động tổng hợp của các hình thế hướng sóng. Giá trị độ sâu trên mỗi mặt cắt trước và sau khi tính tốn cho thấy bức trang về biến động đáy biển trong mỗi mặt cắt.
Hình 43. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau
Hình 44. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu
Hình 45. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau
Hình 46. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu
Hình 47. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau
Hình 48. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu
Hình 49. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau
Hình 50. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu
Hình 51. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau
Hình52. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu
Từ các hình 44, 46 và 48 ta thấy trên mặt cắt 1, 2 và 3 có sự bồi lắng trầm tích mạnh ở ngay sát đường bờ. Theo thứ tự tự gần đến xa cơng trình kè biển độ bồi lắng gần bờ biển giảm dần, lớn nhất tại mặt cắt số 1, độ bồi lắng lên tới trên 300m tính từ đường bờ. Tiếp theo trên mặt cắt 2 độ bồi tụ là 200m và trên mặt cắt số 3 là 50 m. Các kết quả tính tốn này khá phù hợp với số liệu đo đặc sự biến động đường bờ
Hình 53. Kết quả đo đạc đường bờ tại Thuận An tháng 6 năm 2012
Tại vị trí mặt cắt số 4 có sự bồi lập khá mạnh ở phía ngồi và xói lở trong vùng gần bờ. Tại mặt cắt số 5, đây là mặt cắt ngang của lng chính đi vào cửa Thuận An, có sự bồi lắng khá mạnh tại phía giữa lng tàu. Các kết quả này một lần nữa minh chứng tính sát thực của các kết quả tính tốn là khá phù hợp với thực tế diễn ra trong vùng. Từ hình vẽ 53 ta thấy rằng phần bờ phía bắc cơng trình kè mỏ
hàn có sự xâm thực mạnh, bờ biển bị xói lở tiến sâu vào trong đất liền. Nhưng cũng do hạn chế của mơ hình nên khơng thể mô phỏng sự biến đổi của đường bờ. Các bức ảnh chụp tại hiện trường vào thời gian tháng 6/2012 (xem hình 54, 55 và 56) một lần nữa minh chứng, cho thấy có sự bồi tụ mạnh ở đầu kè mỏ hàn và bồi tụ tạo ra vùng nước khá nơng phía trong cửa nằm gần kè phía nam và tạo nên một số bar cát lớn tại vị trí trung tâm luồng ra vào của cửa.
Hình 55. Ảnh chụp vị trí các bar cát ngầm tại cửa Thuận An 6/2012
Hình 56. Ảnh chụp các bar cát tại trung tâm luồng ra vào tại cửa Thuận An 6/2012.
3.7.3 Phân tích đánh giá định lượng
Kết quả tính tốn lượng trầm tích vận chuyển trên một đơn vị bề rộng bãi biển trong năm mặt cắt được trình bày trong bảng 5.
Bảng 5. Lượng trầm tích vận chuyển qua các mặt cắt (m3/năm)
Hướn g sóng 150÷120 120 ÷ 90 90 ÷60 60 ÷30 30÷ 0 ÷330 360 SW NE Tổng Mặt cắt 1 2.05 -2385.73 -10976.68 - 2638.52 145.91 29.57 -13360.37 - 2463.03 -15823.41 Mặt cắt 2 -1.50 -1757.05 -9141.92 -959.21 -144.29 -17.22 -10900.46 - 1120.72 -12021.18 Mặt cắt 3 1.86 157.88 -6587.12 - 1311.61 53.46 15.94 -6427.39 - 1242.21 -7669.60 Mặt cắt 4 1.66 1106.14 1844.22 5855.86 742.97 45.70 2952.03 6644.53 25430.90 Mặt cắt 5 4.64 1957.34 -54971.25 3983.98 384.63 61.70 -53009.27 4430.30 -48578.97
Theo quy ước về hướng vận chuyển trầm tích, đối với đường bờ tại Thuận An hướng dương là hướng trầm tích đi từ bắc xuống nam, hướng âm là hướng trầm tích đi từ nam lên bắc. Như vậy xu hướng trầm tích nói chung trong các mặt cắt 1, 2, 3 và 5 có hướng từ phía nam lên phía bắc. Mặt cắt số 4 có xu hướng đi ngược lại từ phía bắc xuống phía nam.
KẾT LUẬN
Đã sử dụng bộ mơ hình tính tốn sóng, dịng chảy, mực nước vận chuyển trầm tích và biến động đáy để tính tốn chế độ động lực và biến đổi đáy khu vực cửa Thuận An và các khu vực lận cận với sự có mặt của các cơng trình chỉnh trị.
Qua phân tích tài liệu và kết quả tính tốn, các q trình động lực học, vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển đã có sự thay đổi khi có mặt của cơng trình chỉnh trị tại cửa Thuận An. Trong thời gian đầu cơng trình kè ở bờ nam cửa Thuận An gây biến động rất lớn địa hình đáy và bờ biển tại khu vực lân cận (bồi tại phía nam và xói tại phía bắc kè). Tuy nhiên theo thời gian do bờ phía nam tiến dần ra biển khả năng ngăn cát của kè giảm dần và tác động mùa của các yếu tố động lực biển đối với bờ biền khu vực Thuận An trở lại trạng thái ban đầu khi chưa có cơng trình.
Các cơng trình bước đầu đã phát huy tác dụng bảo vệ các vùng bờ biển lận cận khỏi trạng thái xói lở, đặc biệt hiệu quả với kè phía nam. Tuy nhiên vấn đề tránh bồi lấp luồng tàu chưa thể khắc phục được.
Sự phù hợp giữa các kết quả tính tốn và số liệu đo đạc biến động bãi biển và đường bờ cho thấy khả năng mơ phỏng của mơ hình SMS trong khu vực này là khá chính xác. Qua đó có thể sử dụng tính tốn các khả năng biến động trong tương lai, lập các phương án khả thi trong xây dựng kè biển giai đoạn 2 tại khu vực
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KHCN-06-10. “Cơ sở khoa học và các đặc trưng đới bờ phục vụ yêu cầu xây dựng công trình biển ven bờ”. Viện Cơ học, Hà Nội, 2000
2. Nguyễn Mạnh Hùng, Phạm Văn Ninh, Dương Công Điển, Mơ hình tính cặp
đồng thời các yếu tố sóng, dịng chảy và mực nước phục vụ nghiên cứu biến động bờ biển vùng châu thổ sông Hồng, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa
học Cơ học Thủy khí Tồn quốc năm 2005
Tiếng Anh
3. Lam Tien Nghiem, “Modelling for Thuan An inlet, Vietnam”. Marcel J. F. Stive, Henk Jan Verhagen and Zheng Bing Wang, 2003. Morphodynamic Modelling for Thuan An inlet, Vietnam
4. Nghiem Tien Lam, A preliminary study on hydrodynamics of the Tam Giang
– Cau Hai lagoon and tidal inlet system in Thua Thien Hue province, Vietnam. Master thesis. International Institute for Infrastructural Hydraulic
and Environmental Engineering (IHE) Delft, Netherlands, 2002
5. Tran Thanh Tung, Vu Minh Cat, Le Dinh Thanh, 2006, conceptual model of
seasonal opening/closure of tidal inlets and estuaries at the Central coast, Viet nam. Proceeding of Vietnam- Japan Extuary Workshop 2006 August
22nd-24th , Hanoi, Vietnam.
6. Tung, T.T., Stive, M.J.F, Graaff J.v.d. (2008): Strategy for stabilization tidal
inlets in the Central Coast of Vietnam. Proc. Of the COPEDEC-2008, Dubai,
United Arab Emirates
7. CMS User Manual, Envinronment Modeling Research Laboratory 03/2012