lực và vận chuyển trầm tích trong khu vực
Vùng cửa sông là nơi gặp nhau của dòng chảy sông và dòng triều. Chúng tác động lẫn nhau, làm suy giảm hoặc tăng cường lẫn nhau. Tuy nhiên, ở các đoạn khác nhau, tương quan của hai dòng này không giống nhau. Do đặc điểm càng về cửa sông lòng sông càng mở dộng dẫn đến dòng chảy sông từ thượng lưu đổ về dần dần bị yếu đi. Dòng triều từ ngoài biển truyền vào suy yếu dần khi tiến về thượng lưu và mất hẳn ranh giới phía trên cửa sông. Đặc tính của dòng chảy vùng cửa sông ảnh hưởng triều chịu sự chi phối của ba nhân tố động lực nổi bật: Thủy triều làm phát sinh dòng triều và rối; Lưu lượng nước ngọt vận chuyển từ sông ra biển; Trọng lực do sự khác nhau về mật độ hay bùn cát giữa nước ngọt và nước biển. Ba nhân tố này kiểm soát độ lớn và hướng của dòng chảy tại các độ sâu khác nhau và tại các khoảng cách khác nhau tính từ cửa sông. Quá trình tương tác giữa sông-biển diễn ra rất phức tạp, nó phụ thuộc chặt chẽ vào lưu lượng của sông và chế độ thủy triều trong khu vực. Ngoài ra, gió cũng là một nhân tố ảnh hưởng đến quá trình tương tác này, nó có thể thúc đẩy hay làm suy giảm quá trình tương tác sông-biển.
Trong khu vực nghiên cứu, cửa sông Lạch Tray và Nam Triệu có những ảnh hưởng quan trọng đến chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích. Quá trình
tương tác giữa chúng với biển là nguyên nhân chính dẫn đến sự biến đổi dòng chảy tại các cửa sông và vùng lân cận, ngoài ra chúng còn là nguồn cung cấp vật chất chính cho vùng biển như phù sa, các chất gây ô nhiễm môi trường có nguồn gốc từ lục địa. Do đó, trong bài toán thủy động lực và vận chuyển trầm tích cần thiết phải tính đến ảnh hưởng của các sông này.
Các kết quả tính toán thể hiện rõ quá trình tương tác sông-biển trong khu vực. So với trường hợp chỉ mô phỏng thủy triều, vận tốc dòng chảy tại các vị trí gần các cửa sông có sự biến đổi rõ rệt. Nhìn chung, dòng chảy sông làm tăng cường dòng triều rút và làm suy yếu dòng triều dâng. Mức độ tác động này còn tùy thuộc vào độ lớn của thủy triều, độ lớn của lưu lượng dòng chảy sông và khoảng cách đến cửa sông. Khi tăng dần giá trị chênh lệch mực nước (tương ứng với việc tăng lưu lượng) tại các biên cửa sông, mức độ biến đổi của vận tốc dòng chảy tại các vị trí trên tăng lên cho thấy được quá trình tương tác sông-biển tăng lên.
Khi phân tích giá trị vận tốc theo một chuỗi điểm xa dần cửa sông thu được sự biến động của vận tốc dòng chảy giảm dần. Tuy nhiên, tại một số điểm nằm trong vùng có độ sâu biến đổi mạnh, mức độ thay đổi của tốc độ dòng chảy lớn hơn những điểm ở gần cửa sông hơn. Ngoài ra, trong khu vực gần cửa sông, nếu hai điểm có cùng khoảng cách tới cửa sông thì điểm nằm trên lạch sâu liên kết với lòng sông cũng thể hiện sự biến đổi của vận tốc dòng chảy mạnh hơn điểm kia. Điều này chứng tỏ địa hình cũng có ảnh hưởng quan trọng trong quá trình tương tác sông- biển.
Khi xem xét dòng chảy dọc bờ Cát Hải có thể nhận thấy rõ những tác động của dòng chảy sông cửa Nam Triệu khi dòng chảy dọc bờ có hướng từ cửa Nam Triệu sang cửa Lạch Huyện trong phương án lưu lượng sông cực đại. Tốc độ dòng chảy có thể tăng lên trên 10 cm/s so với phương án mô phỏng triều.
Đối với quá trình vận chuyển trầm tích, dòng chảy từ các sông có vai trò vô cùng quan trọng, nó đẩy nhanh quá trình vận chuyển trầm tích ra biển. Kết quả tính
toán cho thấy, trong trường hợp chênh lệch mực nước và nồng độ trầm tích tại biên cửa sông là lớn nhất, trầm tích lan truyền rất rộng gần như hết miền tính. Kết hợp với phân tích trường dòng chảy cho thấy, trong trường hợp này dòng chảy sông có ảnh hưởng tới vùng nằm ngoài đường đẳng sâu 4 m theo các lạch sâu nối với cửa sông trong pha triều rút. Vùng nằm ngoài đường đẳng sâu 4m có độ sâu giảm nhanh so với khu vực gần bờ tạo điều kiện thuận lợi cho dòng triều rút mang trầm tích ra xa hơn.
Kết quả tính toán cho thấy ảnh hưởng mạnh mẽ của của trường gió bề mặt đến quá trình tương tác sông-biển làm thay đổi ranh giới vùng tác động của sông và biển. Phân tích kết quả tính toán trong các phương án HP12 đến HP15 cho thấy các trường gió hướng Đông, Đông Nam và Nam đều có tác động làm thu hẹp ảnh hưởng của sông đến quá trình động lực và vận chuyển trầm tích trong khu vực.
KẾT LUẬN
Kết quả tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển Hải Phòng bằng mô hình thủy động lực 3D VNU/MDEC cho thấy khả khả năng ứng dụng cao của mô hình cho các khu vực cửa sông ven biển có địa hình phức tạp.
Trong chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích vùng cửa sông ven biển Hải Phòng, thủy triều đóng vai trò chủ đạo.
Trường gió trong khu vực không làm thay đổi bức tranh hoàn lưu triều áp đảo, tuy nhiên gió làm biến đổi giá trị của dòng tổng hợp.
Ảnh hưởng của lưu lượng sông đến dòng chảy chỉ xẩy ra trong phạm vi gần các cửa sông vận tốc dòng chảy biến đổi từ vài centimet đến trên 10 cm/s tùy thuộc vào độ lớn chênh lệch mực nước .
Kết quả tính toán cho thấy luôn có sự hiện diện của dòng chảy thuận nghịch dọc bờ Cát Hải và dòng chảy ven bờ Đồ Sơn – An Dương. Các dòng này đóng vai trò quan trong trong quá trình vận chuyển, lan chuyền trầm tích trong khu vực.
Cửa Nam Triệu, Lạch Tray là hai nguồn cung cấp trầm tích chính trong khu vực. Ảnh hưởng của cửa Nam Triệu đến chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích trong khu vực lớn hơn so với cửa Lạch Tray.
Các kết quả tính toán ở đây còn chưa tính đến một số nhân tố có khả năng ảnh hưởng đến nồng độ trầm tích trong khu vực như phân bố của trầm tích đáy biển, tác động của trường gió trong bão. Tác động của trường sóng đến chế độ thủy thạch động lực trong khu vực cần được nghiên cứu chi tiết hơn. Vì vậy, cần thiết phải hoàn thiện hoàn thiện mô hình 3D VNU/MDEC phục vụ tính toán thủy động lực và môi trường đáp ứng được các yêu cầu thực tiễn đối với bài toán vận chuyển, lan truyền trầm tích, chất ô nhiễm, quá trình bồi tụ biến đổi địa hình và tích tụ các chất ô nhiễm trong nước và trầm tích đáy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phạm Hải An (2011), “Mô phỏng trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng”, Hội nghị Khoa học và Công nghệ biển toàn quốc lần thứ V.
2. Nguyễn Thị Bảy, Mạnh Quỳnh Trang (2005), “Mô hình chuyển tải bùn cát kết dích vùng ven biển”, Phần 1: Mô hình toán, Tạp chí phát triển Khoa học và Công, Tập 9, Số 2-2006.
3. Nguyễn Thị Bảy, Mạnh Quỳnh Trang (2005), “Mô hình chuyển tải bùn cát kết dích vùng ven biển”, Phần 2: Áp dụng tính toán và mô phỏng dòng bùn cát vùng biển Cần Giờ, Tạp chí phát triển Khoa học và Công, Tập 9, Số 4-2006. 4. Vũ Thanh Ca (2010), “Mô hình dòng chảy tổng hợp và vận chuyển bùn cát kết
dính vùng ven bờ”, Tuyển tập báo cao Hội thảo khoa học lần thứ 10 Viện KHKTTV&MT.
5. Vũ Thanh Ca, Nguyễn Quốc Trinh (2010), “Nghiên cứu về nguyên nhân xói lở bờ biển Nam Định”, Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 Viện KHKTTV&MT.
6. Nguyễn Đức Cự (2011), “Nghiên cứu, đánh giá tác động của các công trình hồ chứa thượng nguồn đến diễn biến hình thái và tài nguyên - môi trường vùng cửa sông ven biển đồng bằng Bắc Bộ”, Báo cáo tổng hợp Đề tài độc lập cấp Nhà nước (Mã số: ĐTĐL. 2009T/05).
7. Phạm Sỹ Hoàn và Lê Đình Mầu (2011), “Tính toán vận chuyển vật chất lơ lửng tại dải ven biển cửa sông Mê Kông bằng mô hình toán”, Hội nghị Khoa học và Công nghệ biển toàn quốc lần thứ V.
8. Trần Đình Lân, Nguyễn Văn Thảo, Nguyễn T. T. Hà (2010), “Đánh giá hiện trạng môi trường và xác định các vấn đề ưu tiên phục vụ quản lý tổng hợp vùng bờ biển Hải Phòng”, Báo cáo Tổng hợp Đề tài cấp thành phố Hải Phòng, Mã số: ĐT.MT.2008.498.
9. Nguyễn Kỳ Phùng, Đào Khôi Nguyên (2009), “Đánh giá biến đổi đáy ven bờ biển Rạch Giá”, Tạp chí phát triển Khoa học và Công, Tập 12, Số 6-2009. 10. Nguyễn Thọ Sáo, Nguyễn Minh Huấn, Ngô Chí Tuấn, Đặng Đình Khá (2010),
“Biến động trầm tích và diễn biến hình thái khu vực cửa sông ven bờ Cửa Tùng, Quảng Trị”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 427-434.
11. Trần Hồng Thái, Lê Vũ Việt Phong, Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Văn Hải (2010), “Mô phỏng, dự báo quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng khu vực Cửa Ông”, Tuyển tập báo cao Hội thảo khoa học lần thứ 10 Viện KHKTTV&MT.
12. Đinh Văn Ưu (2003), “Các kết quả phát triển và ứng dụng mô hình ba chiều (3D) thuỷ nhiệt động lực biển ven và nước nông ven bờ Quảng Ninh”, Tạp chí Khoa học ĐHQG Hà Nội, XIX, 1, trang 108-117.
13. Đinh Văn Ưu (2005), “Phát triển mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng đối với vùng biển vịnh Hạ Long và khả năng ứng dụng trong việc xây dựng hệ thống mô hình monitoring và dự báo môi trường biển”, Tạp chí Khoa học ĐHQG Hà Nội
14. Đinh Văn Ưu, Đoàn Văn Bộ, Hà Thanh Hương, Phạm Hoàng Lâm (2005), “Ứng dụng mô hình dòng chảy ba chiều (3D) nghiên cứu quá trình lan truyền chất lơ lửng tại vùng biển ven bờ Quảng Ninh”, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học thuỷ khí toàn quốc năm 2005, Hà Nội, trang 623-632.
15. Đinh Văn Ưu (2006), “Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng và biến động trầm tích đáy cho vùng biển Vịnh Hạ Long”, Tạp chí Khoa học ĐHQG Hà Nội, T. XXII, 1PT-2006, trang 11-19.
16. Đinh Văn Ưu (2009), “Mô hình vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133-139.
17. Đinh Văn Ưu (2011), “Tiến tới xây dựng hệ thống mô hình dự báo và kiểm soát môi trường Biển Đông”, Hội nghị Khoa học và Công nghệ biển toàn quốc lần thứ V.
18. Đinh Văn Ưu (2012), “Tiến tới hoàn thiện mô hình ba chiều (3D) thủy động lực cửa sông ven biển”, Tạp chí Khoa học ĐHQG Hà Nội, Tập 28, Số 3S-2012, trang 182-187.
19. A. Decoene, J.F. Gerbeau (2009), “Sigma transformation and ALE formulation for three dimensional free surface flow”, International Journal for Numerical Methods in Fluids Vol 59, Issue 4, pages 357–386.
20. Changsheng Chen and Hedong Liu (2003), “An Unstructured Grid, Finite- Volume, Three-Dimensional, Primitive Equations Ocean Model: Application to Coastal Ocean and Estuaries”. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol 20, pages 159-186.
21. C.H. Wang, Onyx W.H. Wai and C.H. Hu (2005), “Three demensional modeling of sediment in the pearl river estuary”, Us-China Workshop on advanced computational modelling in hydroscience & Engineering September 19-21, Oxford, Mississippi, USA.
22. Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang Lam, “Development of system of Hydrodynamic-environmental models for coastal area (Case study in Quangninh-Haiphong region)”, Journal of Science, Earth Sciences, T. XXIII, No.1, pp. 59-68 (2007).
23. Eric Deleersnijder and Jean-Marie Beckers (1992), “On the use of the σ- coordinate system in regions of large bathymetric variations”, Journal of Marine Systems, Vol 3, Issue 4-5, pages 381-390.
24. Guy Simpsona Sébastien Castelltort (2006), “Coupled model of surface water flow, sediment transport and morphological evolution”, Computers & Geosciences 32 (2006) 1600–1614.
25. Idris Mandang and Testsuo Yanagi (2008), “Cohesive sediment transport in the 3D-hydrodynamic-baroclinic circulation model in the Mahakam Estuary, East Kalimantan, Indonesia”, Coastal Marine Science 32(3): 000-000, 2009.
26. I. M. Radjawane and Riandini (2009), “Numerical simulation of cohesive sediment transport in Jakarta bay”, International Journal Sensing and Earth
Sciences Vol. 6: 65-76.J. M. Beckers, M. Gregoire, P. Nomerange University of
Liege (1999), User Manual of the GHER, 3D Primitive equation model Version 3.0.
27. J. M. Beckers, (1991), “Application of the GHER 3D general circulation model to the Western Mediterranean”, J. Mar. Syst., 1: 315-332.
28. John C. Warner, Christopher R. Sherwooda, Richard P. Signell, Courtney K. Harris, Hernan G. Arangoc (2008), “Development of a three-dimensional, regional, coupled wave current, and sediment-transport model”, Computers & Geosciences 34 (2008) 1284–1306.
29. Leo Van Rijn (1993), “Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas”, Printed by Bariet, Ruinen, The Netherlands.
30. Leonor Cancino, Ramiro Neves (1999), “Hydrodynamic and sediment suspension modelling in estuarine systems”, Part I: Description of the numerical models, Journal of Marine Systems, Vol 22, pages 105-116.
31. Leonor Cancino, Ramiro Neves (1999), “Hydrodynamic and sediment suspension modelling in estuarine systems”, Part II: Application to Western Scheldt and Gironde estuaries, Journal of Marine Systems, Vol 22, pages 117- 131.
32. Nguyen Kim Cuong, Dinh Van Uu, Umeyama Motohiko (2011), “Development of Modeling System to Simulate Hydrodynamic and Environmental Quantities in the Hai Phong Estuary”, Vietnam, Proceedings of the 34th IAHR World Congress, 26 June-1 July 2011, Brisbane, Australia, 3255-3262.