CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÙNG CỬA SÔNG NINH CƠ TRÊN KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH TOÁN
4.3.2. Phân tích chế độ sóng, dòng chảy vùng cửa sông Ninh Cơ
Với các kịch bản đã đề xuất, đưa các điều kiện biên vào mô hình tiến hành tính toán mô phỏng sóng và dòng chảy tổng hợp khu vực nghiên cứu. Trên cơ sở phân tích các kết quả tính toán mô phỏng, xác định được các đặc trưng thủy động lực vùng cửa sông Ninh Cơ.
Để đánh giá về sự biến đổi các đặc trưng sóng, dòng chảy tổng hợp tại khu vực cửa sông Ninh Cơ, nghiên cứu đã lựa chọn trích kết quả tính toán mô phỏng tại một số vị trí đặc trưng trong phạm vi cửa sông Ninh Cơ. Vị trí các điểm trích kết quả được lựa chọn để có thể phân tích so sánh được sự biến đổi các đặc trưng về sóng, mực nước, lưu tốc dòng chảy giữa các phương án tính, gồm: các điểm phía trong cửa sông, các điểm phía ngoài cửa sông, các điểm dọc tuyến luồng và xung quanh vị trí công trình (vị trí công trình theo các phương án đề xuất, như Hình 34). Vị trí các điểm trích kết quả:
Bảng 8. Vị trí các điểm trích kết quả so sánh giữa các trường hợp
Điểm trích mực nước và sóng Điểm trích dòng chảy
Ký
hiệu Ghi chú hiệu Ký Ghi chú
W1 Trong cửa sông C1 Trong cửa sông
W2 Trong cửa sông C2 Trong cửa sông
W3 Trong cửa sông C3 Trong cửa sông
Điểm trích mực nước và sóng Điểm trích dòng chảy Ký
hiệu Ghi chú hiệu Ký Ghi chú
W5 Ngoài cửa sôngluồng tàu PA1 C5 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA1)
W6 Trong cửa sông C6 Ven bờ phía Nam cửa
W7 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA2) C7 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA2)
W8 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA2) C8 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA2)
W9 Ngoài cửa sông C9 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA2)
W10 Ngoài cửa sông C10 Ven bờ phía Nam cửa
C11 Ven bờ phía Bắc cửa
C12 Trong hệ thống kè mỏ L
4.3.2.1. Chế độ sóng khu vực cửa sông:
Sóng điển hình hướng NE (kịch bản KB-S1):
Mùa đông với hướng gió chính là hướng Đông Bắc, hướng sóng điển hình là hướng Đông Bắc. Khu vực phía ngoài cửa sông sóng có chiều cao phổ biến đạt khoảng 1,0 m; sóng giảm nhanh khi sóng truyền vào đến cửa sông, lúc này chiều cao sóng trung bình chỉ đạt khoảng 0,5 - 0,6 m; khi sóng vào trong cửa sông, do dòng chảy từ sông ra có hướng ngược với hướng sóng nên sóng bị triệt tiêu nhanh. Sóng trong gió mùa Đông Bắc có hướng không thuận với hướng cửa sông nên không truyền được vào sâu trong cửa sông, tại vị trí cách cửa sông giáp biển khoảng 0,8 km về phía trong sông lặng sóng (Bảng 10).
Tại vùng biển xa bờ trong gió Đông Bắc sóng có hướng ổn định là hướng Đông Bắc, khi sóng vào vùng biển tiếp giáp với cửa sông do ảnh hưởng của ma sát đáy nên sóng có hướng bị chuyển dần sang hướng Đông Đông Bắc và chính Đông, khi sóng tiếp tục truyền vào sâu trong cửa sông thì sóng có hướng Nam Đông Nam theo hướng cửa sông (Hình 23).
Hình 23. Trường sóng khu vực nghiên cứu trong gió Mùa đông
Sóng điển hình hướng SE (kịch bản KB-S2):
Mùa hè với hướng gió Đông Nam là chủ yếu, vùng biển Nam Định có hướng sóng điển hình là hướng Đông Nam. Khu vực phía ngoài cửa sông sóng có chiều cao phổ biến trong khoảng 1,2 m; khi sóng truyền vào đến cửa sông do hướng truyền sóng gần như vuông góc với đường bờ nên sóng vẫn duy trì được độ cao, chiều cao sóng phổ biến vẫn đạt khoảng 0,8 - 0,9 m; sóng vào trong cửa sông do ngược hướng với dòng chảy sông nên chiều cao sóng giảm nhanh. Sóng trong gió mùa Đông Nam có hướng thuận với hướng cửa sông nên có thể truyền vào sâu trong cửa sông hơn so với gió mùa Đông Bắc, tại vị trí cách cửa sông giáp biển khoảng 0,8 km về phía trong sông vẫn còn sóng có chiều cao 0,2 m (Bảng 10).
Sóng trong gió SE ở vùng ngoài khơi có hướng ổn định là hướng Đông Nam; khi sóng vào vùng biển nông tiếp giáp với cửa sông, do đường bờ biển có hướng Đông Băc - Tây Nam gần vuông góc với hướng sóng từ ngoài khơi truyền vào, nên gần như vẫn duy trì được hướng Đông Nam (Hình 24).
Hình 24. Trường sóng khu vực nghiên cứu trong gió Mùa hè
Sóng trong bão (kịch bản KB-S3):
Sóng trong bão từ ngoài khơi với chiều cao sóng và năng lượng sóng rất lớn, trên nền mực nước triều cao nên sóng có điều kiện thuận lợi để truyền sâu vào trong khu vực cửa sông. Sóng trong bão khu vực ven bờ và ngoài cửa sông Ninh Cơ có độ cao phổ ,biến trong khoảng 3.5 - 4,0 m; khi sóng vào khu vực cửa sông chiều cao sóng có giảm xuống phổ biến trong khoảng 2,1 - 3,1 m; trong cửa sông vẫn xuất hiện sóng có chiều cao lớn đạt 0,6 - 1,4 m (Bảng 10). Do sóng trong bão lớn, mực nước triều cao nên sóng từ ngoài khơi truyền vào vùng cửa sông không có sự biến đổi đáng kể về hướng. Sóng trong bão truyền sâu vào trong cửa sông, tại vị trí nằm sâu trong cửa sông khoảng 0,8 km vẫn còn sóng có chiều cao khoảng 0,6 m (Hình 25).
Như vậy các kết quả tính toán mô phỏng độ cao sóng ở trên cho thấy trong các điều kiện thời tiết bình thường, độ cao sóng khu vực ven bờ và cửa sông Ninh Cơ phổ biến trong khoảng 0,5 - 0,9m, độ cao sóng khu vực trong cửa sông chỉ phổ biến trong khoảng 0,2 - 0,7m. Khi có bão, khu vực ven bờ và cửa sông Ninh Cơ sóng có độ cao phổ biến trong khoảng 2,0 - 3,0 m; trong cửa sông có sóng cao khoảng 0,6 - 1,4m.
Bảng 9. Chiều cao sóng, hướng sóng các kịch bản tính tại các điểm đặc trưng
Kí hiệu điểm Kịch bản KB-S1 Kịch bản KB-S2 Kịch bản KB-S3 Ghi chú Hs (m) Ds (độ) (m) Hs Ds (độ) (m) Hs Ds (độ)
W2 0.1 187 0.2 193 0.6 190 Trong cửa sông
W3 0.2 138 0.5 158 1.4 153 Trong cửa sông
W4 0.5 95 0.8 125 2.4 121 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA1)
W5 0.6 91 0.9 127 3.1 125 Ngoài cửa sôngluồng tàu PA1
W6 0.4 96 0.7 124 1.9 120 Trong cửa sông
W7 0.5 93 0.8 126 2.1 125 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA2)
W8 0.6 95 0.9 131 2.9 130 Ngoài cửa sông (luồng tàu PA2)
W9 0.5 92 0.8 123 2.1 120 Trong cửa sông
W10 0.6 92 1.0 128 3.2 125 Trong cửa sông
4.3.2.2. Chế độ dòng chảy tổng hợp khu vực cửa sông:
Dòng chảy tổng hợp vùng cửa sông ven biển là kết quả của sự tương tác giữa các yếu tố dòng chảy từ sông đổ ra, dòng triều từ biển vào và dưới tác động của sóng, nên dòng chảy ở đây có chế độ phức tạp và biến đổi liên tục theo không gian và thời gian, không có quy luật rõ ràng phụ thuộc vào từng thời điểm yếu tố nào đóng vai trò trội sẽ chi phối. Luận văn đã đưa đầy đủ các yếu tố dòng chảy sông, thủy triều và sóng vào tính toán mô phỏng sao cho kết quả dòng chảy tổng hợp vùng cửa sông Ninh Cơ sát với thực tế nhất. Kết quả mô phỏng dòng chảy tổng hợp vùng cửa sông Ninh Cơ cho các trường hợp tính toán như sau:
Dòng chảy trong mùa lũ (kịch bản KB-DC1):
Kết quả tính toán dòng chảy tổng hợp vùng cửa sông Ninh Cơ trong mùa lũ với hướng sóng Đông Nam cho thấy: dòng chảy tổng hợp trong cửa sông Ninh Cơ có hướng chung là hướng Bắc Nam theo hướng cửa sông, khi ra tới khu vực biển tiếp giáp cửa sông do tác dụng của sóng, thủy triều và dòng ven theo hướng từ Đông Bắc xuống Tây Nam mà dòng chảy tổng hợp bị đổi hướng theo hướng Đông Bắc - Tây Nam. Lưu tốc dòng chảy trong cửa sông có độ lớn đạt khoảng 0,7 - 0,9 m/s, lưu tốc dòng chảy vùng biển tiếp giáp cửa sông có độ lớn khoảng 0,2 - 0,6 m/s (Bảng 11). Do dòng chảy mùa lũ từ sông ra lớn nên đã cắt đứt sự liên tục của hệ thống dòng ven bờ theo hướng từ Hải Thịnh xuống Nghĩa Phúc, làm cho dòng ven phía Nghĩa Phúc bị giảm nhiều so với dòng ven phía Hải Thịnh (Hình 26).
Hình 26. Trường dòng chảy vùng cửa sông trong mùa lũ
Dòng chảy trong mùa kiệt (kịch bản KB-DC2):
Trong điều kiện dòng chảy mùa kiệt từ sông ra nhỏ, khi tới khu vực biển tiếp giáp cửa sông do tác dụng của sóng và thủy triều và dòng ven bờ hướng Đông Bắc xuống Tây Nam phát triển mạnh mà dòng chảy tổng hợp ngay ngoài cửa sông có hướng Đông Bắc xuống Tây Nam theo hướng của đường bờ biển (Hình 27); dòng ven phía đê biển Thịnh Long có hướng ổn định và có giá trị đạt khoảng 0,5m/s, dòng chảy trong cửa sông có lưu tốc đạt 0,6 - 0,8 m/s nhưng khi ra ngoài khu vực cửa sông lưu tốc giảm nhỏ chỉ đạt khoảng 0,4 m/s (Bảng 11). Như vậy có thể nói, trong mùa
kiệt khi dòng chảy từ sông ra bị giảm nhỏ không lấn át được sự tác động mạnh mẽ của dòng ven bờ, dòng chảy tổng hợp khu vực cửa sông luôn có hướng chính theo hướng Đông Bắc - Tây Nam. Đây chính là nguyên nhân động lực dẫn đến việc hình thành mũi tên cát phía bờ Thịnh Long kéo dài xuống phía Nam, gây bồi lấp và kéo dài cửa sông Ninh Cơ về phía Nam.
Hình 27. Trường dòng chảy vùng cửa sông trong mùa kiệt
Dòng chảy trong lũ thiết kế (kịch bản KB-DC3):
Trong điều kiện có lũ thiết kế, dòng chảy lũ từ sông ra chiếm ưu thế rõ rệt với lưu tốc lớn hơn nhiều so với dòng triều và dòng ven bờ, nên dòng chảy lũ từ sông ra đã cắt hoàn toàn dòng ven bờ có hướng Đông Bắc - Tây Nam (Hình 28). Dòng chảy tổng hợp trong cửa sông Ninh Cơ có hướng chung là hướng Bắc - Nam theo hướng cửa sông, dòng chảy lũ từ sông ra có lưu tốc lớn đạt trên 1,5m/s; khi ra đến ngoài cửa sông do dòng chảy lũ từ sông ra mạnh với lưu tốc dòng chảy lớn đạt 0,5 - 1,3m/s nên đã lấn át hoàn toàn dòng ven có hướng Đông Bắc xuốngTây Nam; đối với các điểm nằm về hai phía cửa sông do ảnh hưởng của dòng chảy lũ từ sông ra chặn dòng ven theo hướng dọc bờ yếu nên lưu tốc dòng chảy nhỏ chỉ đạt 0,2 - 0,5m/s (Bảng 11).
Hình 28. Trường dòng chảy vùng cửa sông trong lũ thiết kế
Bảng 10. Lưu tốc dòng chảy tổng hợp theo các kịch bản tại các điểm đặc trưng Kí hiệu điểm Kịch bản KB-DC1 (m/s) Kịch bản KB-DC2 (m/s) Kịch bản KB-DC3 (m/s) Ghi chú
C1 0.8 0.6 1.7 Điểm trong cửa sông
C2 0.8 0.7 1.6 Điểm trong cửa sông
C3 0.9 0.8 1.6 Điểm trong cửa sông
C4 0.5 0.5 0.9 Điểm ngoài cửa sông (luồng tàu PA1)
C5 0.3 0.3 0.3 Điểm ngoài cửa sông (luồng tàu PA1)
C6 0.3 0.5 0.6 Điểm ven bờ phía Nam cửa
C7 0.6 0.6 1.0 Điểm ngoài cửa sông (luồng tàu PA2)
C8 0.6 0.6 1.0 Điểm ngoài cửa sông (luồng tàu PA2)
C9 0.2 0.3 0.3 Điểm ngoài cửa sông (luồng tàu PA2)
C10 0.2 0.3 0.5 Điểm ven bờ phía Nam cửa
C11 0.3 0.6 0.3 Điểm ven bờ phía Bắc cửa
Nguyên nhân động lực gây bồi lấp và diễn biến luồng lạch cửa sông:
Từ những kết quả tính toán và phân tích chế độ thủy động lực vùng cửa sông Ninh Cơ theo các kịch bản sóng, dòng chảy điển hình, đã bước đầu xác định được nguyên nhân động lực gây bồi lấp cửa và diễn biến luồng lạch qua cửa sông như sau:
Hình 29. Sơ đồ cơ chế bồi lấp và diễn biến luồng lạch cửa sông Ninh Cơ Sự hình thành bar cát chắn cửa và diễn biến luồng lạch qua cửa sông Ninh Cơ xét theo nguyên nhân động lực là kết quả của sự tương tác giữa dòng chảy từ sông ra với thủy triều và sóng, trong đó yếu tố sóng và triều là hai yếu tố trội hơn và có tác động liên tục. Cơ chế bồi lấp cửa và diễn biến luồng lạch qua cửa sông Ninh Cơ có nét gần giống với cơ chế bồi lấp cửa sông miền Trung.
- Trong mùa kiệt trùng với mùa thịnh hành của gió và sóng hướng Đông Bắc: dòng chảy mùa kiệt từ sông ra nhỏ, khi ra tới khu vực ngoài cửa sông gặp thủy triều và sóng ngược hướng nên lưu tốc dòng chảy bị giảm, lượng bùn cát mịn do dòng chảy mang từ sông ra do đó bị bồi lắng lại ngay trước cửa sông. Trong sóng hướng Đông Bắc, dòng chảy ven bờ được hình thành có hướng Đông Bắc xuống Tây Nam mang theo lượng lớn bùn cát, khi đến cửa sông gặp dòng chảy từ sông ra, lưu tốc giảm nên lượng lớn bùn cát này bị lắng đọng lại ngay trước cửa sông; đây chính là
nguyên nhân hình thành mũi tên cát Thịnh Long. Do có bar cát chắn cửa nên trong mùa kiệt dòng chảy từ sông ra thường chỉ chảy theo lạch sâu hướng Nam ép sát phía đê Nghĩa Phúc, cửa sông bị đẩy dịch về phía Nam.
- Trong mùa lũ trùng với mùa thịnh hành của gió và sóng hướng Đông Nam: dòng chảy mùa lũ từ sông lớn, khi ra tới cửa dòng chảy thoát ra biển theo hai hướng, một phần dòng chảy theo lạch sâu phía Nam (như hướng dòng chảy mùa kiệt), một phần dòng chảy theo hướng Đông Nam cắt ngang qua khu vực bar cát chắn cửa. Khi dòng chảy lũ đủ lớn sẽ phá vỡ bar cát chắn cửa và hình thành thêm một lạch sâu hướng Đông Nam. Trong mùa lũ, dòng chảy trong sông mang theo lượng bùn cát lớn, một phần bùn cát này theo dòng chảy ra xuôi xuống phía Nam bồi đắp cho đoạn bờ phía Nam cửa, một phần bùn cát được dòng chảy lũ đưa ra xa ngoài cửa sông và được lắng đọng phía ngoài cửa sông. Trong sóng hướng Đông Nam dòng chảy ven bờ được hình thành có hướng Tây Nam lên Đông Bắc. Nhưng do hướng sóng gần vuông góc với đường bờ nên lưu tốc dòng ven nhỏ không vận chuyển được nhiều bùn cát.