Vùng cửa sơng Sồi Rạp, cửa Tiểu, cửa Đại, Hàm Luông và vùng ven bờ Gị Cơng, Cần Giờ, vịnh Gành Rái, địa hình được lấy từ kết quả khảo sát bình đồ tỉ lệ 1/5.000 trong các năm 2008, 2009, và 2010 trong khuôn khổ các dự án điều tra cơ bản thực hiện bởi Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam (Viện KHTLMN,
2010a, 2010b) và Viện Kỹ thuật Biển (Viện KTB, 2009).
Đối với các vùng ven bờ từ Tp. HCM đến Kiên Giang thì lấy theo địa hình trong bản đồ tỉ lệ 1/100.000 của Hải quân xuất bản năm 1982.
Địa hình tại các vùng khác của biển Đông được lấy từ GEBCO của Trung tâm dữ liệu hải dương học Anh Quốc có độ phân giải 30″ × 30″.
b) Số liệu trường gió
Số liệu trường gió được sử dụng từ kết quả mơ hình khí hậu toàn cầu CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) của Trung tâm dự báo môi trường thuộc Cơ quan quản lý đại dương và khí quyển Mỹ (NCEP/NOAA). Đây là kết quả trường gió thu được từ mơ phỏng “hồi tính” (reanalysis) bao gồm việc hiệu chỉnh mơ hình sử dụng các số liệu thực đo từ các hệ thống các trạm quan trắc hải văn tồn cầu nên có độ tin cậy cao. Số liệu trường gió này có bước thời gian là 3 giờ và bước lưới là 0.5o
× 0.5o. Đây là bộ số liệu rất tốt phục vụ nghiên cứu khí hậu sóng gió.
Mơ hình vùng nghiên cứu cần số liệu sóng tại 3 biên mở ra biển Đơng của miền tính tốn (Hình 2.8). Số liệu này được trích xuất từ mơ hình tính tốn cho tồn biển đơng (được xây dựng, kiểm định và công bố kết quả nghiên cứu trên bài báo số 2 trong Danh mục các cơng trình đã cơng bố của NCS). Đây là chuỗi số liệu thơng số sóng thay đổi theo thời gian (Δt =60 phút) và theo vị trí các điểm trên biên, các biến số chính: hướng sóng tới, chu kỳ sóng tới, độ cao sóng có nghĩa. Số liệu quan trắc sóng và dịng chảy tại 3 vị trí đo đạc năm 2011 và năm 2014 như hình 2.5 được sử dụng vào mục đích hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình MIKE21C SW. Hình 2. 5: Vị trí các trạm đo năm 2011 và năm 2014.
d) Số liệu thủy văn
Số liệu lưu lượng tại các trạm thủy văn Mỹ Thuận, Cần Thơ và số liệu mực nước tại các trạm Nhà Bè, Thị Vải (Hình 2.8) là tài liệu thực đo theo giờ, chuỗi số liệu cho tồn năm 2011 phục vụ tính tốn và tháng 8/2014 phục vụ kiểm định mơ hình.
Số liệu mực nước tại 3 biên mở ra biển Đơng của miền tính tốn (Hình 2.8) cũng được trích xuất từ mơ hình tính tốn cho tồn biển đông (được xây dựng, kiểm định và công bố kết quả nghiên cứu trên bài báo số 2 trong Danh mục các cơng trình đã cơng bố của NCS). Đây là chuỗi số liệu mực nước thay đổi theo thời gian và theo vị trí các điểm trên biên.
Số liệu mực nước, lưu lượng tại trạm Cổ Chiên (đo năm 2011) và trạm đo mực nước ven bờ năm 2014 được sử dụng vào mục đích hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình (xem hình 2.5).
e) Số liệu bùn cát
Số liệu về hàm lượng phù sa lơ lửng tại trạm Mỹ Thuận, Cần Thơ, Nhà Bè, Thị Vải (Hình 2.8) là tài liệu thực đo, phục vụ làm biên đầu vào cho mơ hình. Do các mặt cắt này cách rất xa bờ biển Trà Vinh, nên ta có thể dùng số liệu bình quân ngày.
Số liệu bùn cát lơ lửng quan trắc tại các điểm lấy mẫu năm 2011 và 2014 để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình. Vị trí các điểm lấy mẫu năm 2011 và năm 2014 được thể hiện trên hình 2.6 và 2.7.
Hình 2. 6: Vị trí các điểm lấy mẫu bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy mẫu bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy
năm 2011
Hình 2. 7: Vị trí các điểm lấy mẫu bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy mẫu bùn cát lơ lửng, bùn cát đáy
năm 2014
2.3.2. Thiết lập mơ hình tốn số
a) Xác định miền tính tốn
Ảnh hưởng đến diễn biến bờ biển Trà Vinh ngoài các yếu tố tác động từ sơng Mê Cơng, sóng – dịng chảy biển Đơng,... cịn có ảnh hưởng của hệ thống sơng Sài Gịn – Đồng Nai. Vì vậy, luận án chọn miền tính tốn đủ lớn để bao trọn những yếu tố có thể ảnh hưởng đến bờ biển Trà Vinh và đảm bảo giảm thiểu ảnh hưởng do các sai số tính tốn từ các biên mở tới vùng nghiên cứu chính, cũng
như tối ưu nhất về mặt thời gian chạy mơ hình. Phạm vi khơng gian miền tính tốn như sau (xem hình 2.8):
- Các biên mở phía sơng gồm: (1) Mỹ Thuận (sông Tiền); (2) Cần Thơ
(sông Hậu); (3) Nhà Bè và (4) Thị Vải. Vị trí các biên này được lựa chọn trùng với vị trí các trạm thủy văn hiện có để thuận tiện cho việc thu thập số liệu thực đo về mực nước và lưu lượng;
- Các biên mở phía biển Đơng gồm: (1) biên phía Bắc (mũi Long Hải –
Vũng Tàu); (2) biên phía Nam (gần cửa sơng Mỹ Thanh - tỉnh Sóc Trăng); (3) biên phía Đơng (cách bờ biển Trà Vinh khoảng 40 km);
- Các ranh giới cịn lại của miền tính tốn là các đường bờ biển, bờ sông hiện hữu được xác định tọa độ từ Google Earth và định dạng là các biên đóng (khơng có sự giao thoa của mực nước, lưu lượng, thơng lượng bùn cát,...).
b) Thiết lập lưới tính và dữ liệu đầu vào tại các biên mở (Hình 2.8)
- Lưới tính được tạo ra bằng cơng cụ Mesh Generator, là sự kết hợp giữa lưới tam giác và lưới tứ giác. Với mục đích mơ phỏng tương đối chính xác địa hình thực tế và tối ưu nhất về mặt thời gian chạy mơ hình, lưới được chia theo quy tắc: lưới tam giác để mơ phỏng địa hình có đường bờ phức tạp, kích thước lưới tăng dần từ lưới chi tiết (VNC chính) đến lưới thô (xa VNC). Số ô lưới khoảng 13.000 (ơ) với kích thước lưới nhỏ nhất khoảng 50m và kích thước lớn nhất khoảng 2500m. Tổng số nút lưới khoảng 12.000 (nút).
Hình 2. 8: Lưới tính, địa hình đáy biển và ba đoạn biên mở của miền tính - Mơ phỏng địa hình: cơ sở dữ liệu về địa hình được gán cho các nút lưới - Mơ phỏng địa hình: cơ sở dữ liệu về địa hình được gán cho các nút lưới bao gồm thông số về tọa độ và cao trình đáy.
- Mơ phỏng tác động từ sông Mê Công: hai biên mở Mỹ Thuận và Cần
Thơ được khai báo dữ liệu về lưu lượng dòng chảy và hàm lượng phù sa lơ lửng. - Mô phỏng tác động từ hệ thống sơng Sài Gịn – Đồng Nai: hai biên mở Nhà Bè và Thị Vải được khai báo dữ liệu về mực nước và hàm lượng phù sa lơ lửng.
- Mô phỏng tác động từ biển Đông: 03 biên mở biên phía Bắc, biên phía
Đơng và biên phía Nam được khai báo dữ liệu về mực nước và các thơng số sóng.
Biên phía Bắc
Biên phía Đơng
Biên phía Nam Mỹ Thuận Cần Thơ Nhà Bè Thị Vải Trà Vinh Trên Độ sâu (m) Dưới
- Mơ phỏng chế độ gió: khai báo số liệu trường gió biển Đơng trong năm 2011 (nguồn gốc các dữ liệu đã được nhắc tới trong phần “cơ sở số liệu”).
- Mô phỏng các cơng trình bảo vệ bờ và hiện trạng kênh chính tại thời
điểm tính tốn: Năm 2011, tại bờ biển Trà Vinh có 2 cơng trình là kè bảo vệ bờ biển xã Hiệp Thạnh (dài 1,3km) và kè bảo vệ bờ biển ấp Cồn Trứng, xã Trường Long Hòa (dài 1,5km), các vị trí này được mô phỏng là các biên cứng, giới hạn dòng chảy và tác động sóng; Hệ thống kênh Quan Chánh Bố và kênh Tắt (đang đào dở, đến năm 2016 mới thơng dịng) (Hình 2.9).
Hình 2. 9: Mơ phỏng các cơng trình bảo vệ bờ và kênh chính trên lưới tính
c) Bộ thơng số mơ hình cơ bản
Các module sử dụng đồng thời trong mơ hình MIKE 21/3 Coupled model FM bao gồm (xem hình 2.10):
- Module thủy động lực học (Hydrodynamic – HD) để xác định trường dòng chảy và cao độ mặt nước;
- Module phổ sóng (Spectral Wave – SW) để xác định trường sóng và ứng suất tán xạ sóng;
- Module vận chuyển bùn, cát mịn và bồi xói (Mud transport – MT) để mơ phỏng q trình diễn biến hình thái do vận chuyển bùn cát mịn (đường kính hạt <0,063mm); Kè xã Hiệp Thạnh Kè xã Trường Long Hòa Kênh Tắt (đang đào dở) Kênh Quan Chánh Bố
- Module vận chuyển cát rời (Sand transport – ST) để mơ phỏng q trình diễn biến hình thái do vận chuyển cát rời (có đường kính hạt >0,063mm).
Trình tự các bước cân chỉnh mơ hình như sau: (1) Cân chỉnh các thơng số module HD; (2) Cân chỉnh các thông số module SW; (3) Cân chỉnh thông số các module tính M-ST và bồi xói. Riêng bước thứ 3 được chia ra làm 2 bước nhỏ:
1. Bước 1, cân chỉnh module MT liên quan đến bùn cát lơ lửng kết dính và đáy trầm tích là bùn.
2. Bước 2, cân chỉnh cả module MT và ST thông qua kết quả mơ phỏng bồi xói.
Hình 2. 10: Các module sử dụng trong mơ hình Mike 21/3 FM Bảng 2. 3: Các thông số thiết lập trong mô hình Mike 21/3 FM Bảng 2. 3: Các thơng số thiết lập trong mơ hình Mike 21/3 FM
STT Thông số Điều kiện
1 Thời gian mô phỏng Từ ngày 1/1/2011 đến ngày
31/12/2011.
2 Bước thời gian tính tốn 10 giây
3 Hệ số nhám Manning (M)(1) file hệ số nhám theo địa hình miền tính tốn, giá trị thay đổi từ 20÷45 (m1/3/s ) tùy thuộc vào đặc trưng địa hình từng khu vực. 4 Hệ số nhớt rối(2)
0,28 (Smagorinsky formulation)
5 Hệ số ma sát gió 0,0013
6 Tính chất của bùn cát khi nằm trong trong khối nước được mô tả bởi các tham số (3):
- Sự kết bông (tạo thành các flocs) bắt đầu khi nồng độ ≥ 0,01 kg/m3 và ngưng khi nồng độ ≥ 3,0 kg/m3;
- Tỷ trọng khô là 2650 kg/m3; - Hệ số khuyếch tán bằng 50% hệ số nhớt rối ngang.
7 Đáy lòng dẫn Đáy lòng dẫn vùng nghiên cứu
được chia ra làm hai lớp: lớp bùn nhão chảy ở phía trên (lớp 1) và lớp bùn chặt ở phía dưới (lớp 2). 8 Thơng số cơ bản của lớp bùn nhão
chảy ở phía trên (lớp 1)(3)
- Hệ số xói: 5.10-5 kg/m2/s - Ứng suất xói: 0,1 N/m2 - Mật độ: 180kg/m3 9 Thông số cơ bản của lớp bùn chặt ở
phía dưới (lớp 2): được thiết lập là các files theo tồn miền tính tốn, giá trị thay đổi tùy thuộc vào đặc trưng địa chất từng khu vực(3) . - Hệ số xói: từ 2,2 ÷ 5,7.10-5 (kg/m2/s). - Ứng suất xói: từ 0,25 ÷ 0,35 (N/m2). - Mật độ: từ 350 ÷ 650 (kg/m3). 10 Điều kiện ban đầu về bề dày lớp đáy
lòng dẫn.
- Lớp 1: 0m;
- Lớp 2: file “bề dày lớp bùn chặt” theo tồn miền tính tốn, giá trị thay đổi từ 0,1 ÷ 1,7 (m), tùy thuộc vào đặc trưng địa chất từng khu vực. Xem hình 2.11.
11 Đường kính hạt d50 (cát rời) file đường kính hạt d50 theo địa hình miền tính tốn, giá trị thay đổi từ 0,07 ÷ 0,2 (mm) tùy thuộc vào đặc trưng địa chất từng khu vực.
12 Độ rỗng (lớp cát rời) 0,4
- Ảnh hưởng của dòng chảy và mực nước lên sóng được xử lý bằng cách chạy đồng thời mơ hình thủy lực HD với mơ hình sóng SW;
- Module vận chuyển và bồi xói bùn cát mịn kết dính MT và cát rời ST tích hợp đồng thời với module thủy lực và module phổ sóng.
Ghi chú:
- (1): Hệ số nhám M có trị số 43÷45 trên vùng biển sâu; giảm dần 36÷20
trên vùng nước cạn, sông rạch, rừng ngập mặn, cỏ biển,... Vùng sát bờ khơng có cây và phủ bùn nhão, trị số M đạt khoảng 35÷40. Hệ số M tại các vùng có cây
rừng ngập mặn có bộ rễ phát triển, M đạt 20÷25. Tại các nhánh sơng chính và biển ven bờ với đáy là bùn và có độ sâu nằm trong khoảng 3÷5m, hệ số M = 35÷40; Tại vùng rừng ngập mặn, vùng ngập nước bán thời gian, đáy là cát có độ sâu <3m, hệ số M = 20÷35 (Kết quả này là khá tương đồng với các nghiên cứu trước [9] [10] [23]).
- (2): Hệ số nhớt rối tính theo cơng thức Smagorinsky (1964) dạng:
với hệ số β tối ưu là 0,28 và A hạn chế trong khoảng 0,5÷100,0 m2/s ( [9] [10]).
- (3): Các thông số liên quan đến tính chất bùn cát được tham khảo từ
nhiều đề tài, dự án đã thực hiện cho vùng nghiên cứu và ĐBSCL [9] [10] [75], cũng như được hiệu chỉnh, kiểm định kỹ lưỡng từ kết quả thực đo, và cho thấy sự tương đồng tốt với nghiên cứu của Nicolas Gratiot (2017) đối với vùng cửa Định An [58].
- Các thông số khác cũng được tham khảo từ kinh nghiệm của nhiều đề tài
trước, kết quả đo đạc thực tế và cân chỉnh nhiều lần để đạt được kết quả phù hợp nhất với thực tế.
Hình 2. 11: Q trình bồi/xói đáy trong mơ hình “đa lớp bồi tụ” (lớp bùn nhão và lớp bùn chặt) Xói đáy Bồi đáy Kết bông/ Lắng Nước Bề dày lớp bùn chặt Tái lơ lửng Lớp bùn nhão Cao độ địa hình Lớp bùn chặt Bề dày lớp bồi tụ
2.3.3. Kết quả hiệu chỉnh – kiểm định mơ hình
Miền nghiên cứu được thiết lập đã được hiệu chỉnh các thông số như trong bảng 2.3 và đạt được các tiêu chí sau:
- Tốc độ tính tốn đạt tối ưu để bảo đảm tính khả thi và tiến độ nghiên cứu, bảo đảm thông số CFL ≤ 1 (công thức 2.27) trong mọi trường hợp tính tốn;
- Mơ hình được hiệu chỉnh và kiểm định thông qua việc so sánh giá trị tính tốn với giá trị thực đo của mực nước, lưu lượng dòng chảy, lưu tốc dòng chảy, chiều cao sóng có nghĩa, chu kỳ sóng, nồng độ bùn cát lơ lửng. Các số liệu thực đo có được từ dự án điều tra cơ bản cũng như từ một số đề tài do Hoàng Văn Huân chủ nhiệm vào năm 2011 (từ 13/09/2011 đến 16/9/2011) và năm 2014 ( từ 11/08/ 2014 đến 14/08/2014) [1] [3]. Chi tiết kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình thể hiện trong phụ lục 1.
Tóm lại, việc hiệu chỉnh và kiểm định các thông số mô hình thủy lực, mơ hình tính tốn sóng và bùn cát đã được thực hiện cẩn thận, tận dụng tối đa các điều kiện hiện có. Kết quả bước nghiên cứu này có ý nghĩa then chốt cho việc tính tốn tốn dịng chảy, tính tốn sóng và vận chuyển bùn cát cho các phương án trên vùng nghiên cứu.
2.3.4. Các kịch bản tính tốn
Để phục vụ tính tốn các nội dung nghiên cứu, luận án xây dựng 05 kịch bản chạy như sau:
- Kịch bản 1: Tính tốn dự báo chế độ thủy động lực (dịng chảy, sóng) và
diễn biến bồi xói hiện trạng.
- Kịch bản 2: Tính tốn dự báo chế độ thủy động lực (dịng chảy, sóng) và
diễn biến bồi xói có xem xét đến yếu tố NBD 13cm.
- Kịch bản 3: Tính tốn dự báo chế độ thủy động lực (dịng chảy, sóng) và
- Kịch bản 4: Tính tốn dự báo chế độ thủy động lực (dịng chảy, sóng) và
diễn biến bồi xói có xem xét đến yếu tố suy giảm lượng bùn cát sông Mê Công 20% (so với năm 2011).
- Kịch bản 5: Tính tốn dự báo chế độ thủy động lực (dịng chảy, sóng) và
diễn biến bồi xói có xem xét đến yếu tố suy giảm lượng bùn cát sông Mê Công 30% (so với năm 2011).
Trong đó:
“Kịch bản 1” để nghiên cứu các yếu tố thủy động lực và vận chuyển bùn cát khu vực bờ biển Trà Vinh trong điều kiện thực tế, với các số liệu và các biên đầu vào đã được thuyết minh cụ thể trong phần “Thiết lập mơ hình tốn số”.
Các kịch bản 2,3,4,5 để phục vụ mục tiêu nghiên cứu “xây dựng quan hệ đường giữa chiều dày bồi lắng theo thời gian, chế độ phù sa sông Mê Công và nước biển dâng”.
a) Cơ sở xây dựng các kịch bản
Đánh giá tác động do biến đổi khí hậu tồn cầu đến diễn biến BBTV
Dưới ảnh hưởng của BĐKH, hiện tượng mực nước biển dâng cao sẽ tác động đến diễn biến ven biển các tỉnh ĐBSCL, trong đó có Trà Vinh. Các kịch bản về mực nước biển dâng được lấy theo tài liệu về kịch bản BĐKH đã được công bố của Bộ TNMT năm 2016.
Bảng 2. 4: Kịch bản nước biển dâng xét cho tồn khu vực biển Đơng (Kịch bản BĐKH 2016 của Bộ TNMT)
Với: - PCP8.5: Kịch bản nồng độ khí nhà kính cao;