Loại bùn cát Kích thước hạt Khả năng kết bơng
Đất sét (bùn kết dính) < 4μm Cao
Phù sa (bùn kết dính) 4-63 μm Trung bình
Cát mịn 63-125 μm Rất thấp/không kết bông
a) Vận chuyển bùn [35]
Sự vận chuyển bùn (trong bài tốn mơ hình dịng chảy 2 chiều) được mơ phỏng bởi phương trình bảo tồn vật chất:
S h C Q y c hD y h x c hD x h y c v x c u t c L L y x 1 1 1 (2.13)
Trong đó: t biến thời gian (s); x,y các tọa độ Decartes trên mặt phẳng nằm ngang (m); u,v các thành phần vận tốc trung bình chiều sâu theo phương x và y (m/s); h độ sâu nước (m); S Số hạng nguồn bùn do xói hoặc bồi (deposition/erosion term) (kg/m3/s); c Nồng độ bùn cát lơ lửng trung bình chiều
unit horizontal area) (m3/s/m2); CL Nồng độ bùn cát lơ lửng tại nguồn vào (kg/m3); Dx, Dy Hệ số khuếch tán rối (m2
/s).
Sự bồi tụ (SD) biểu thị bằng công thức: (2.14)
Trong đó: Ws – tốc độ lắng (m/s), cb – nồng độ bùn cát (kg/m3), pd – xác
suất bồi trên đáy (probability of deposition) được tính bằng:
,
Với, - ứng suất đáy (N/m2), - ứng suất đáy tới hạn bồi (N/m2).
Sự xói lở (SE) được tính riêng cho từng loại lớp đáy (đối với mơ hình đa
lớp đáy gồm lớp bùn lỏng ở phía trên và lớp bùn chặt ở dưới). Xem hình 2.11. Đối với lớp bùn chặt, (
) , . Trong đó: E – khả
năng xói của đáy (erodibility of bed) (kg/m2/s), - ứng suất đáy tới hạn xói (N/m2), n – cường độ xói.
Đối với lớp bùn lỏng, [ ( ) ] , , với – hệ số ( √ ) (2.15)
Mơ phỏng hình thái lịng dẫn
Mơ hình biến đổi hình thái cập nhật địa hình lịng dẫn theo tốc độ bồi và xói cho mỗi bước thời gian (nested) và được tính bằng phương trình:
batn+1 = batn + nested n (2.16)
Ở đây: batn là địa hình tại bước thời gian hiện hành; batn+1 là địa hình tại bước kế tiếp; n là bước thời gian.
Cập nhật địa hình đáy (cho đáy 1 lớp và bùn 1 thành phần): Lượng bồi
tụ lên đáy tính bằng: ND = Σ(SD– SE)Δt; Khối lượng lớp đáy M đã được tính; Nếu xói đang xảy ra (ND < 0) và M+ND <0, thì cần phải điều chỉnh tốc độ xói và bồi sao cho M+ND=0. Tiếp theo, bề dày và tỷ trọng lớp đáy sẽ được cập nhật như sau:
(2.17)
trên đáy qb [tính theo công thức Engelund và Fredsøe (1976)]:
qt = qb + qs = S (2.18)
Dòng cát di đẩy trên đáy qb:
Hướng vận chuyển bùn cát đáy: (2.19)
Trong đó, ;
- thông số Shields và c - giá trị tới hạn của thông số Shields Hướng vận chuyển bùn cát đáy theo hướng chính của dịng chảy:
(2.20) Hướng vận chuyển bùn cát đáy theo hướng vng góc với hướng chính của dịng chảy: (2.21) Dòng cát di đẩy trên đáy theo hướng chính của dịng chảy:
(2.22) Dòng cát di đẩy trên đáy theo hướng vng góc với hướng chính của dịng chảy:
(2.23)
Trong đó, d50 -Đường kính trung bình của hạt cát (m); g- Gia tốc trọng trường (m/s2); (t) - Hướng tức thời của dòng chảy; s /s , với s - Khối lượng riêng của cát (kg/m3
), - Khối lượng riêng của nước biển (kg/m3);
Dòng cát lơ lửng qs:
Nồng độ bùn cát (c) theo thời gian được tính từ phương trình tính chảy rối sau:
(2.24)
Trong đó, εs - Hệ số khuếch tán rối; W - Tốc độ lắng;
Dòng cát lơ lửng qs: (2.25)
Trong đó, D - Độ sâu nước; d - Đường kính của hạt cát; T - Chu kỳ sóng; U1 – vận tốc tức thời của dòng tổng hợp.
Mơ phỏng hình thái lịng dẫn
(2.26)
Trong đó: n Độ rỗng đáy; z - cao trình đáy; t - thời gian; Sx - Dòng vận chuyển
cát tổng hợp theo phương x; Sy - Dòng vận chuyển cát tổng hợp theo phương y;
ΔS Số hạng nguồn bùn cát (bổ sung vào hoặc bị chìm xuống).
Cập nhật địa hình:
Các phương trình 2.1, 2.2, 2.3, 2.8, 2.13, 2.18,… là các phương trình vi phân đạo hàm riêng, nói chung khơng giải được bằng phương pháp giải tích. Do đó, người ta đã giải các hệ phương trình này bằng phương pháp số với lược đồ sai phân hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn bằng cách chia miền tính thành các ơ lưới. Việc quy định cách chia lưới và phương pháp giải phương trình thuộc về lựa chọn của các đơn vị xây dựng phần mềm mơ hình tốn và phải đảm bảo điều kiện ổn định Courant – Friedrichs – Lewy (CFL).
Trong toán học, điều kiện CFL được trình bày trong các nghiên cứu của Richard Courant, Kurt Friedrichs và Hans Lewy năm 1928 là điều kiện cần cho hội tụ khi giải số các phương trình vi phân đạo hàm riêng [34].
Với bài toán hai chiều, điều kiện CFL được cho như sau:
1 y t v gh x t u gh CFL (2.27)
Trong đó: t bước thời gian tính tốn (s); x,y kích thước lưới chia (m); x,y
các tọa độ Decartes trên mặt phẳng nằm ngang (m); u,v các thành phần vận tốc trung bình chiều sâu theo phương x và y (m/s); ggia tốc trọng trường (m/s2
); h
là độ sâu cột nước (m).
2.2.4. Phương pháp xây dựng bản đồ
Các kết quả của mơ hình mới chỉ cho ta bức tranh mơ phỏng thuỷ động lực, sóng, phân bố bùn cát dưới dạng hình ảnh, số liệu. Số liệu thơ này chỉ thể hiện được một số ít thông tin cần đề cập mà chưa mang được giá trị tổng hợp, đầy đủ thơng tin hữu ích cần thiết trên một bản đồ, sơ đồ.
Từ các kết quả tính tốn về chế độ dịng chảy, sóng, phân bố bùn cát,…, luận án sử dụng phần mềm ARCGIS để chồng xếp các lớp dữ liệu, từ đó xây dựng nên sơ đồ phân bố trầm tích đáy và hướng dịng chảy chủ đạo gió mùa đơng bắc – tây nam ven biển Trà Vinh.
Quy trình tiến hành xây dựng sơ đồ thủy động lực vùng nghiên cứu bằng phương pháp GIS được thể hiện trong hình 2.3. Hình 2. 3: Qui trình xây dựng sơ đồ thủy động lực bằng phương pháp GIS 2.3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN 2.3.1. Cơ sở số liệu a) Số liệu địa hình
Số liệu địa hình đóng vai trị quan trọng hàng đầu trong tính tốn mơ phỏng số nhưng cũng yêu cầu nguồn kinh phí rất lớn từ đo đạc khảo sát. Do miền tính tốn rộng lớn, các số liệu được lấy từ nhiều nguồn tin cậy khác nhau. Riêng vùng ven biển Trà Vinh số liệu được tham khảo từ kết quả thực đo của đề tài [1], đây là nguồn số liệu quan trọng giúp cho các kết quả tính tốn thêm chính xác và sát với thực tế. Các số liệu ở vùng xa hơn được lấy vào các thời điểm khác nhau, sai số này là chấp nhận được đối với phạm vi luận án NCS và phù hợp với các cơng trình nghiên cứu khác hiện nay về diễn biến bờ biển.
Địa hình vùng ven biển Trà Vinh được lấy từ kết quả thực đo vào năm 2011.
Thu thập dữ liệu Chọn lọc và xử lý dữ liệu Phân tích chuẩn hố dữ liệu
Nhập và quản lý dữ liệu Kết quả từ tính
tốn mơ hình
Dữ liệu GIS đã được cập nhật Xử lý và phân tích dữ liệu bằng cơng cụ GIS Xuất và trình bày kết quả sơ đồ thủy động lực
Hình 2. 4: Phạm vi địa hình đo đạc trên cạn và dưới nước thu thập cho VNC
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 Đơng 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 tồn 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 công 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 qn 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, thông 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 công 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 thơ (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 thơng số về tọa độ và cao trình đáy.
- Mô 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 Đơng: 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 mơ 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 thơng 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 mô phỏng bồi