IV. Môphỏngdòngchảytạikhuvực nghiêncứu 4.1 Giới thiệu mô hình MIKE 21 Flow Model FM
CHƯƠNG IV: PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ GÂY BỒILẤP CỬA SA HUỲNH
CỬA SA HUỲNH
I. Phân tích trường dòng chảy – dòng triều trong trường hợp không có sóng
Mô phỏng dòng chảy tại khu vực có xu thế dòng chảy thuận nghịch. Phù hợp với quy luật tự nhiên của dòng chảy triều. Do ở khu vực cửa Sa Huỳnh là khu vực chịu ảnh hưởng của chế độ nhật triều không đều và bán nhật triều không đều nên khoảng thời gian triều lên và triều rút rất khác nhau.
Dòng chảy tại khu vực được chia thành 2 mùa rõ rệt, trong thời kỳ gió mùa mùa đông –gió mùa Đông Bắc (từ tháng IX đến cuối tháng I năm sau) dòng chảy có xu hướng di chuyển từ bắc xuống nam; trong thời kỳ gió mùa mùa hè – gió mùa Đông Nam(từ tháng II đến tháng VIII) dòng chảy có xu hướng di chuyển từ nam lên bắc đúng với hai kịch bản mô phỏng. Trong đó, kịch bản 1 (KB1) là trường hợp cửa Sa Huỳn chưa có đê chắn sóng ở bờ nam, và kịch bản 2 (KB2) là trường hợp cửa Sa Huỳnh đã có đê chắn sóng ở bờ nam.
Theo các tài liệu và các nghiên cứu, dòng chảy trong thời kỳ gió mùa Đông Nam hoạt động có ảnh hưởng mạnh đến cơ chế thủy động lực tại cửa Sa Huỳnh, kết hợp thêm các yếu tố gió mùa, cơ chế này thay đổi và gây ra hiện tượng bồi lấp cho cửa.
Vận chuyển cát đóng vai trò quan trọng trong diễn biến bồi lấp cửa Sa Huỳnh. Tại mặt cắt ngang cửa Sa Huỳnh, lưu tốc dòng chảy yếu đi do địa hình vòng cung phía trước cửa kết hợp với chuyển hướng của trường dòng chảy, vật liệu có điều kiện lắng đọng và phân bố thành dải dài bên ngoài cửa (Phạm Bá Trung, Lê Đình Mầu, Lê Phước Trình (2010), Vấn đề bồi lấp ở các cửa biển Sa Huỳnh (Quảng Ngãi), Tam Quan và Đề Gi (Bình Định) do tác động của các kiểu mỏ hàn, Viện Hải dương học).
Ngoài ra, dựa vào các công thức Shields tính vận tốc khởi động và ứng suất tiếp tới hạn của hạt bùn cát: (4.1) ( s ) ( )Re f gD τ ρ −ρ =
(4.2)
(4.3)
Trogn đó:
Re: Hệ số Reynold;
τ: Ứng suất tiếp tới hạn = τcrit; v: Hệ số nhớt động học;
V: vận tốc dòng chảy trung bình
Dựa vào số liệu thực đo lưu tốc tại cửa luồng (Phụ lục bảng 5), lưu tốc trung bình tại cửa 0,135 m/s; lưu tốc trung bình thực đo tại trạm Sa Huỳnh là 0,067 m/s; và lưu tốc trung bình thực đo tại trạm Long Thành là 0,1885 m/s.
Tra đường cong Shields trong đó sử dụng với các số liệu ở bảng dưới đây: STT Đường kính hạt D (mm) Hệ số Shields Số Re V khởi động (m/s) 1 0,075 0,1 0,75 0.19 2 0,3 0,04 5 0.32
Tính toán với công thức Reynold, sử dụng chung các hệ số sau: Số Chezy = 48 m1/2/s; Hệ số nhám sử dụng r = 0,08 m; khối lượng riêng của nước biển và hạt vật liệu lần lượt là ρ = 1030 kg/m3; ρs = 2650 kg/m3; Kết quả tính đối với các điểm tại cửa luồng, và cửa Sa Huỳnh (Hình 4.1.) như sau:
Vị trí điểm τcrit Vcrit VTB dòng chảy Ghi chú Cửa luồng khi cửa có công
trình (Phụ lục, bảng 5)
0.119 0.19 0.135 Lưu tốc thực đo 0.194 0.32 0.135 Lưu tốc thực đo Trạm Sa Huỳnh khi cửa có
công trình
0.121 0.19 0.067 Lưu tốc thực đo 0.194 0.32 0.067 Lưu tốc thực đo Trạm Long Thành khi cửa
có công trình 0.121 0.19 0.188 Lưu tốc thực đo 0.194 0.32 0.188 Lưu tốc thực đo * Re V D ν × = crit V g C τ ν ρ = =
Vị trí điểm τcrit Vcrit VTB dòng chảy Ghi chú Cửa luồng khi cửa chưa có
công trình
0.121 0.19 0.138 Lưu tốc mô phỏng tháng 3 0.194 0.32 0.138 Lưu tốc mô phỏng tháng 3 Cửa Sa Huỳnh khi cửa
chưa có công trình
0.121 0.19 0.269 Lưu tốc mô phỏng tháng 3 0.194 0.32 0.269 Lưu tốc mô phỏng tháng 3 Cửa luồng khi cửa chưa có
công trình
0.121 0.19 0.122 Lưu tốc mô phỏng tháng 10 0.194 0.32 0.122 Lưu tốc mô phỏng tháng 10 Cửa Sa Huỳnh khi cửa
chưa có công trình
0.121 0.19 0.235 Lưu tốc mô phỏng tháng 10 0.194 0.32 0.235 Lưu tốc mô phỏng tháng 10 Cửa luồng khi cửa có công (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trình
0.121 0.19 0.158 Lưu tốc mô phỏng tháng 3 0.194 0.32 0.158 Lưu tốc mô phỏng tháng 3 Cửa Sa Huỳnh khi cửa có
công trình
0.121 0.19 0.30 Lưu tốc mô phỏng tháng 3 0.194 0.32 0.30 Lưu tốc mô phỏng tháng 3 Cửa luồng khi cửa có công
trình
0.121 0.19 0.136 Lưu tốc mô phỏng tháng 10 0.194 0.32 0.136 Lưu tốc mô phỏng tháng 10 Cửa Sa Huỳnh khi cửa có
công trình
0.121 0.19 0.258 Lưu tốc mô phỏng tháng 10 0.194 0.32 0.258 Lưu tốc mô phỏng tháng 10
Nhận thấy, mô phỏng từ 0 giờ ngày 9/10/2000 đến 8 giờ ngày 17/10/2000 của kịch bản 1, dòng chảy tại thời điểm triều lên (lúc 20 giờ ngày 9/10/2000) có lưu tốc khá nhỏ, với lưu tốc tối đa đạt 0,12 m/s. Mực nước dao động có độ cao trung bình đạt 1,5 m. Tời thời gian triều rút (3 giờ ngày 10/10/2000), mực nước dao động có độ cao trung bình 1,3m, tuy nhiên lưu tốc dòng chảy đã thay đổi lớn hơn so với khoảng thời gian triều lên lúc đầu.
Sau khi so sánh với lưu tốc trung bình của dòng chảy mô phỏng tại các điểm trích trước cửa luồng và tại cửa Sa Huỳnh với cùng độ sâu 3m khi chưa có công trình, lưu tốc khởi động của vật liệu lớn hơn so với lưu tốc trung bình; vì thế, bùn cát có thể bị lắng đọng tại cửa luồng và cửa Sa Huỳnh rất dễ xảy ra.
Hình 4.3. Phân bố lưu tốc dòng chảy khi triều rút ngày 10/10/2000(KB 1) Trong mô phỏng từ 0 giờ ngày 18/2/2001 đến 8 giờ ngày 26/2/2001 của kịch bản 1, dòng chảy tại thời điểm lúc triều lên (20 giờ ngày 18/2/2001) có mực nước dao động dưới 1 m (0,85 m), dòng chảy có sự phân luồng tại thời điểm giao thoa khi triều lên và triểu rút; lưu tốc tại cửa nhỏ khoảng 0,06 m/s tại một số điểm tập trung nằm trên luồng tầu vào cửa.
Hình 4.5. Phân bố lưu tốc dòng chảy khi triều rút ngày 19/2/2001 (KB 1) Tóm lại, đối với mô phỏng khi cửa chưa có công trình trong cả hai khoảng thời gian, lưu tốc trung bình nhỏ hơn so với lưu tốc khỏi động của bùn cát.Tuy nhiên, lưu tốc tại đỉnh triều trong tháng III ở vị trí cửa Sa Huỳnh khá lớn có thể đẩy bùn cát ra khỏi mặt cắt cửa luồng và cửa Sa Huỳnh.
Từ Hình 3.24. So sánh lưu tốc tại các vị trí – tháng III (Kịch bản 1) và Hình 3.28. So sánh lưu tốc tại các vị trí – tháng X (Kịch bản 1) các giá trị lưu tốc tại đỉnh triều được thống kê và so sánh với vận tốc khởi động của vật liệu:
STT Thời gian Vị trí điểm Vận tốc tại đỉnh triều
Vận tốc khởi động của vật liệu
1 Tháng III Cửa luồng 0.3 m/s 0.19 m/s; 0.32 m/s 2 Tháng III Cửa Sa Huỳnh 0.62 m/s 0.19 m/s; 0.32 m/s 3 Tháng X Cửa luồng 0.24 m/s 0.19 m/s; 0.32 m/s 4 Tháng X Cửa Sa Huỳnh 0.22 m/s 0.19 m/s; 0.32 m/s
Đối với trường hợp dòng chảy tại cửa khi có công trình sẽ được phân tích trong mục IV. Phân tích, đánh giá tác động của đê chắn sóng tới chế độ dòng chảy tại cửa.
II. Phân tích trường dòng chảy khi có sóng Đông Bắc
Đối với cả hai kịch bản mô phỏng, thời gian từ tháng X đến tháng III năm sau, chế độ gió thịnh hành là gió Đông Bắc (NE) tạo thành trường sóng bề mặt có hướng lan truyền tương ứng.
Kết quả mô phỏng phổ sóng trong thời gian 2 ngày 10/9/2000 đến 10/9/200 trong kịch bản 1, cho thấy trên dải ven bờ sự chuyển hướng gió cục bộ từ hướng NE thành hướng Đông Nam (SE) khi vào cửa Sa Huỳnh (Hình 4.10.). Nguyên nhân là do tại tại bờ bắc của cửa có dải bờ núi đá chắn sóng NE tới, kết hợp với các hiện tượng khúc xạ và nhiễu xạ nên hướng sóng được chuyển từ hướng NE thành SE, và E.
Hình 4.7. Phân bố hướng sóng NE (KB 1)
Dòng chảy ven bờ trong thời gian này có xu hướng di chuyển từ Bắc xuống Nam; lưu tốc dòng chảy khá nhỏ, kết hợp với sóng NE sau khi truyền vào trong cửa bị chuyển hướng sẽ là yếu tố tạo ra quá trình bồi lấp cửa. Nguyên nhân là do dòng chảy trong cửa khá nhỏ (0,06 – 0,1 m/s) khi triều lên kết hợp với gió SE và E (sau khi bị chuyển từ sóng NE) bùn cát lơ lửng đủ điều kiện để lắng động tạo ra đụn cát chắn luồng tàu di chuyển.
Trong kịch bản 2, kết quả mô phỏng cho thấy hướng sóng NE cũng đã bị thay đổi do hiện tượng khúc xạ và nhiễu xa, nên hướng sóng cũng đã bị thay đổi từ hướng NE thành hướng SE và E (Hình 4.12.). Hướng sóng chủ đạo vào đến cửa là hướng sóng SE, kết hợp với lưu tốc dòng chảy nhỏ (0,09 – 0,12 m/s) gây ra bồi lấp cục bộ trong thời gian này.
Công trình đê chắn sóng được xây dựng mặc dù để ngăn chặn sóng SE chủ yếu trong thời kỳ gió mùa mùa hè nhưng trong thời kỳ gió mùa mùa đông, hướng sóng NE vẫn có thể gây ra các hiện tượng bồi tụ tại cửa.
Hình 4.8. Trường sóng NE khi truyền vào cửa (KB 2)
Hình 4.9. Phân bố hướng sóng NE (KB 2)