CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÙNG CỬA SÔNG NINH CƠ TRÊN KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH TOÁN
4.2.1.Xây dựng mô hình sóng
1. Cơ sở lý thuyết của mô hình sóng Mike21SW:
Mô đun sóng MIKE 21SW là mô đun tính phổ sóng gió được tính toán dựa trên lưới phi cấu trúc. Mô đun này tính toán sự phát triển, suy giảm và sự lan truyền của sóng được tạo ra bởi gió và sóng lừng ở ngoài khơi và khu vực ven bờ. MIKE 21SW bao gồm các hiện tượng vật lý: Sóng được phát triển bởi hoạt động của gió; Tương tác sóng - sóng phi tuyến; Tiêu tán sóng do ma sát đáy; Tiêu tán sóng do sóng vỡ; Khúc xạ sóng và hiệu ứng nước nông do sự thay đổi độ sâu; Tương tác sóng - dòng chảy và ảnh hưởng của sự thay đổi độ sâu theo thời gian. MIKE 21SW được sử dụng cho đánh giá các chế độ sóng ở vùng xa bờ cũng như vùng ven bờ trong công tác dự báo cũng như dự tính, khôi phục theo tài liệu chuỗi quan trắc. Một lĩnh vực ứng dụng chính là trong thiết kế các công trình xa bờ, ven bờ và cảng biển, nơi mà sự đánh giá chính xác tác động của sóng là vô cùng quan trọng cho các thiết kế an toàn và kinh tế của các công trình này. Mike 21SW cũng được sử dụng trong kết nối với module tính toán vận chuyển bùn cát, mà một phần lớn được quyết định bởi các điều kiện sóng và sự kết hợp sóng - dòng chảy. Dòng chảy do sóng gây ra được tạo bởi sự giải phóng năng lượng trong vùng sóng vỡ. Mike 21SW có thể sử dụng trong tính toán các điều kiện sóng và kết hợp với giải phóng năng lượng sóng. Mô hình cho phép đưa ra kết quả: độ cao sóng có nghĩa, chu kỳ sóng trung bình, hướng sóng trung bình, độ lệch chuẩn về hướng và ứng suất sóng.
Động lực học của sóng trọng lực được mô phỏng dựa trên phương trình mật độ tác động sóng (wave action density). Khi áp dụng tính cho vùng nhỏ thì phương trình cơ bản được sử dụng trong hệ toạ độ Cartesian, còn khi áp dụng cho vùng lớn thì sử dụng hệ toạ độ cầu (spherical polar coordinates). Phổ mật độ tác động sóng thay đổi theo không gian và thời gian là một hàm của 2 tham số pha sóng. Hai tham số pha sóng là vevtor sóng k với độ lớn k và hướng θ. Ngoài ra, tham số pha sóng cũng có thể là hướng sóng θ và tần suất góc trong tương đối. Trong mô hình này thì
hướng sóng θ và tần suất góc tương đối được chọn để tính toán. Tác động mật độ N được thay thế bằng mật độ năng lượng E thông qua công thức:
( ) E( ) r m E − = σ σ π σ σ θ
σ, max, . 2 max với m=5 (0.1)
MIKE 21SW bao gồm hai công thức khác nhau: - Công thức tham số tách hướng;
- Công thức phổ toàn phần.
Công thức tham số tách hướng được dựa trên việc tham số hoá phương trình bảo toàn hoạt động sóng. Việc tham số hoá được thực hiện theo miền tần số bằng cách đưa vào mô men bậc không và bậc một của phổ hoạt động sóng giống như các giá trị không phụ thuộc (theo Holtuijsen 1989). Xấp xỉ tương tự được sử dụng trong mô đun phổ sóng gió ven bờ MIKE 21 NSW. Công thức phổ toàn phần được dựa trên phương trình bảo toàn hoạt động sóng, như được mô tả bởi Komen và cộng sự (1994) và Young (1999), tại đó phổ hướng sóng của sóng hoạt động là giá trị phụ thuộc. Các phương trình cơ bản được xây dựng trong cả hệ toạ độ Đề các với những áp dụng trong phạm vi nhỏ và hệ toạ độ cầu cho những áp dụng trong phạm vi lớn hơn.
2. Kiểm nghiệm mô hình sóng:
• Phạm vi không gian mô hình mô phỏng:
Do đặc điểm sóng khi lan truyền từ ngoài khơi vào vùng cửa sông bị biến đổi với các quá trình sóng khác nhau, ngoài ra trong vùng cửa sông sóng còn bị ảnh hưởng trực tiếp của dòng chảy từ sông đổ ra (tương tác sóng - dòng chảy) làm thay đổi các đặc trưng của sóng; do hạn chế về mặt số liệu sóng đầu vào nên miền mô hình tính sóng đã được mở rộng để hạn chế các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện biên đến kết quả của mô hình. Phạm vi mô hình tính toán sóng cho vùng cửa sông Ninh Cơ: phía trong các cửa sông được giới hạn tính từ các trạm thủy văn tại các cửa sông là trạm Phú Lễ trên sông Ninh Cơ, trạm Như Tân trên sông Đáy, cửa sông Lèn, cửa sông Lạch Trường và trạm Hoàng Tân trên sông Mã; phía ngoài biển miền mô hình được mở rộng về phía biển khoảng 80 km, về phía Bắc cách cửa sông Ninh
Cơ khoảng 30 km, về phía Nam cách cửa sông Ninh Cơ khoảng 70 km (như Hình 10).
• Phạm vi thời gian mô hình mô phỏng:
Do hạn chế về số liệu thực đo nên mô hình sóng cho khu vực nghiên cứu đã được tính toán kiểm nghiệm trong khoảng thời gian 5 ngày liên tục từ 20/7/2010 đến ngày 25/7/2010.
• Kiểm nghiệm mô hình mô phỏng: - Thiết lập địa hình tính:
Miền mô hình tính sóng khu vực nghiên cứu đã được mở rộng. Số liệu địa hình đầu vào của mô hình Mike21SW được thu thập từ các nguồn khác nhau:
+ Các mặt cắt ngang lòng sông đoạn cửa sông Ninh Cơ đo đạc năm 2012. + Bình đồ tỷ lệ 1: 5.000 cửa sông Ninh Cơ từ trạm thủy văn Phú Lễ, cửa sông Đáy từ trạm Như Tân, cửa sông Hồng từ trạm Ba Lạt ra phao số 0 cách cửa sông khoảng 20 km do Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đo đạc năm 2009.
+ Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 phần ven biển và bản đồ hải quân địa hình đáy biển khu vực nghiên cứu. Địa hình toàn cầu phần ngoài biển sâu.
Các số liệu này đã được đồng nhất về cùng một hệ cao độ Quốc gia.
Hình 10. Phạm vi mô hình mô phỏng sóng khu vực nghiên cứu
Hình 11. File địa hình tính của mô hình sóng khu vực nghiên cứu
- Thiết lập các biên mô hình:
+ Tài liệu biên mực nước:
- Mực nước các cửa sông: lấy từ chuỗi số liệu thực đo đồng bộ tại các trạm cửa sông, các số liệu này đã được đồng nhất về mặt cao độ theo chuẩn cao độ Quốc gia, đảm bảo độ tin cậy.
- Mực nước thủy triều tại các biên phía biển: Do các biên phía biển hiện tại không có số liệu mực nước thực đo, nên trong nghiên cứu đã sử dụng số liệu mực nước triều tính toán từ các hằng số điều hòa của mô hình triều toàn cầu. Số liệu này cơ bản đảm bảo độ chính xác, hiện đang được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu. + Tài liệu biên sóng:
Do trong khu vực nghiên cứu không có đủ bộ số liệu sóng tại các vị trí biên cần thiết, nên trong nghiên cứu mô hình đã sử dụng số liệu sóng gồm độ cao sóng, hướng sóng, chu kỳ sóng được xác định từ mô hình toàn cầu WaveWatch III (điểm ngoài khơi vùng biển Nam Định có tọa độ 19°38.52'N, 106°42.03'E). Số liệu này cơ bản đảm bảo độ chính xác, đã được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu.
- Kết quả kiểm nghiệm mô hình:
Số liệu quan trắc sóng khu vực nghiên cứu còn nhiều hạn chế, nên chỉ tính toán kiểm nghiệm mô hình sóng cho khu vực nghiên cứu trong khoảng thời gian 5 ngày liên tục từ 20/7/2010 đến ngày 25/7/2010. Số liệu đo tại vị trí phía ngoài cửa sông Ninh Cơ (Hình 12) có đo đầy đủ các yếu tố sóng (Hs, Ts, Ds), số liệu đảm bảo độ tin cậy (nguồn từ đề tài KHCN độc lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu cơ sở Khoa học và đề xuất giải pháp tổng thể để ổn định vùng bờ biển Nam Định từ cửa Ba Lạt đến cửa Đáy” do Viện Khoa hoc Thủy lợi Việt Nam thực hiện năm 2010-2012).
Hình 12. Vị trí trạm đo sóng kiểm tra (20/7/2012 – 25/7/2012)
Hình 13. File số liệu sóng thực đo tại khu vực cửa sông Ninh Cơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sau khi đưa số liệu đầu vào trong khoảng thời gian hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, tiến hành hiệu chỉnh mô hình bằng cách thay đổi một số các thông số của mô hình sóng ta thu được kết quả như sau:
Hình 14. So sánh chiều cao sóng tính toán và thực đo tại trạm kiểm tra sóng
Kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình sóng cho thấy mức độ phù hợp về kết quả tính toán các đặc trưng sóng của mô hình so với sóng thực tế của khu vực ven biển và cửa sông Ninh Cơ.
Tuy nhiên, do hạn chế về mặt số liệu sóng trạm kiểm tra: thời gian quan trắc ngắn, chỉ có 1 trạm kiểm tra, chiều cao sóng trong khoảng thời gian quan trắc nhỏ nên việc đánh giá trường sóng cho cả khu vực cửa sông có giới hạn không gian rộng còn gặp nhiều hạn chế.