Mô tả thủy động lực: ECOM được mơ tả như là một mơ hình thủy động lực ba chiều, phụ thuộc vào thời gian được phát triển bởi Blumberg (1980) và Mellor (1987). Nó là một thành phần trong mơ hình ECOMSED với một lịch sử lâu dài sau những ứng dụng thành công đối với khu vực ven biển, vùng nước cửa sông và đại dương. Hiện tại, ngày càng nhiều hơn các ứng dụng của mơ hình này trong việc tính tốn trường thủy động lực khu vực như các tính tốn trên địa bàn: vịnh Chesapeake (Blumberg và Goodrich, 1990), khu vực bờ biển New York (Blumberg và Galperin, 1990), vịnh Delaware và sông Delaware (Galperin và Mellor, 1990), khu vực GulfStream (Ezer và Mellor, 1992), vịnh Massachusetts (Blumberg và cộng sự, 1993), Georges (Chen và cộng sự, 1995), Oregon (Allen và cộng sự, 1995), hồ Pontcharttrain (1997). Gần đây nhất là ở bờ biển New York và New York Harbor (Blumberg và cộng sự, 1999), hồ Onondaga (Ahsan và Blumburg, 1999) [99], sông Mississippi (2003), vùng biển BoHai (2004) và vũng vịnh Hanzhou (2009). Hệ phương trình thủy động lực mơ tả trong ECOM dựa trên phương trình chuyển động và phương trình bảo tồn nhiệt muối khi chấp nhận hai phép xấp xỉ: xấp xỉ thủy tính và xấp xỉ boussinesq (Bryan, 1969) kết hợp với phương trình đóng kín rối dựa trên lý thuyết của Mellor và Yamaha (1974). Trong đó, các hệ số khuyếch tán bình lưu được xác định theo đề nghị của Smagorinsky (1963) còn thành phần nhớt thẳng đứng được xác định theo Mellor và Yamaha năm 1982 [9,10].
Mơ tả sóng: Dự đốn về động lực sóng được quyết định bởi mơ hình GLERL trong một hệ thống tọa độ cong trực giao do Donelan phát triển năm 1977 và sửa đổi bởi Schwab năm 1984. Đây là một loại mơ hình tham số dựa trên phương pháp bảo tồn động lượng áp dụng cho sóng nước sâu (khi đó tỷ lệ độ sâu tới chiều dài sóng lớn hơn 0.5). Hệ phương trình chủ đạo mô tả sự cân bằng động lượng địa phương hơn là việc vận chuyển năng lượng. Mô tả động lượng đầu vào cho việc tính sóng bởi đà sóng phụ thuộc vào chiều cao sóng và tốc độ khác biệt giữa sóng và gió. Một tính năng quan trọng trong tương lai của mơ hình này là cung cấp một trường sóng ngay tại thời điểm phía sau gây ra khi có sự thay đổi nhanh chóng thành phần gió (Schwab, 1984). Mơ hình này xác định bước thời gian tính tốn của nó tự động dựa trên sức gió tối đa cho mỗi giờ. Đưa ra các kết quả về việc mô tả độ sâu ven biển và một mảng hai chiều theo thời gian phụ thuộc vào trường gió, dự báo chiều cao sóng có ý nghĩa, chu kỳ sóng và hướng sóng [9].
39
Ban đầu, mơ hình GLERL đã thành cơng khi áp dụng cho hồ Michigan (Liu, 1984) và hồ Erie (Schwab, 1984). Sau đó là những sử dụng trong chương trình GLWC (Great Lakes Watch Coast) và các nghiên cứu về dự đốn sóng ở vịnh Chesapeake (Lin, 1999). Mơ hình này cũng đã được so sánh với bốn mơ hình sóng hiện có và được cơng nhận như mơ hình ACES (Leenknecht, 1992), mơ hình HISWA (Booij-Holthuijsen, 1995), mơ hình WAVD (Resio-Perrie, 1989) và mơ hình SWAN (Holthuijsen, 1993). Bên cạnh đó, mơ hình GLERL cũng đã thực hiện khá tốt trong việc mơ phỏng trường sóng được tạo ra bởi cơn bão nhiệt đới Danielle ở phía Bắc vịnh Chesapeake (1992). Mơ hình GLERL đã đưa ra các dự đốn chiều cao sóng có nghĩa và cho thấy một phản ứng tốt với một cơn gió mạnh từ biến. Như vậy, hiện tại đã có một số cải tiến so với GLERL ban đầu. Thứ nhất, mơ hình sóng được chuyển thành một hệ thống phối hợp cong tận dụng lợi thế mạng lưới cong trực giao từ mơ hình thủy động lực ECOM. Sau đó kết hợp với hiệu ứng ma sát trên làn sóng khi nó di chuyển vào vùng nước nơng. Trong đó, mơ phỏng sóng dựa trên giả định năng lượng tiềm năng và động năng có giá trị như nhau, sử dụng sóng tuyến tính với vận tốc nhóm bằng một nửa tốc độ pha trong vùng nước sâu.
Mơ tả trầm tích: thành phần SED là một phần trong việc mô tả vận chuyển trầm tích ba chiều (3D) được phát triển bởi HydroQual. Nó mơ phỏng thực tế các q trình trầm tích ngưng keo, kết bơng và không kết bông trong một loạt các hệ thống thuỷ vực trong hồ, trong sông, vùng cửa sông, vũng vịnh ven biển. Vào giữa những năm 1990, những khái niệm như tái lơ lửng trầm kết keo, lắng đọng và kết tủa của Lick và cộng sự (1984) đã được đưa vào trong mơ hình ECOM để thành lập ra mơ hình ECOMSED. Chỉ trong khoảng thời gian vài năm sau, mơ hình ECOMSED đã có nhiều thay đổi đáng kể. Nổi cộm lên là một số vấn đề như: xây dựng các điều kiện biên mở tổng quát, mô tả chất đánh dấu, mô phỏng ứng suất trượt tại đáy tốt hơn thơng qua một mơ hình con trong lớp biên đáy vật lý, tính đến các tương tác giữa sóng gió bề mặt, mơ phỏng q trình vận chuyển trầm tích khơng kết keo và hịa tan và ràng buộc khả năng đánh dấu. Mở ra khả năng ứng dụng mơ hình ECOMSED trong hoạt động nghiên cứu vận chuyển bùn cát tại nhiều khu vực như: sông Pawtuxet ở Rhode Island (Ziegler và Nisbet, 1994), hồ chứa Watts Bar tại Tennessee (Ziegler và Nisbet, 1995), vịnh Lavaca ở Texas (HydroQual 1998), vịnh Tannery ở Michigan (Cannelton Industries, 1998) và vịnh Green ở Wisconsin (Shrestha và cộng sự, 2000).
40
Tiếp đến, thành phần SED ngày nay đã được cấu hình để chạy kết hợp với mơ hình thủy động lực học và mơ hình sóng (nếu mơ tả bao gồm sóng). Mơ hình SED sử dụng cấu trúc lưới và phạm vi miền tính từ mơ hình thủy động lực học ECOM. Q trình động lực trầm tích vốn có trong mơ hình bao gồm q trình tái lơ lửng trầm tích, vận chuyển và lắng đọng trầm tích kết keo (kết dính) và khơng kết keo (khơng kết dính). Trầm tích kết keo, như đã đề cập ở đây, đại diện cho các lớp trầm tích hạt mịn và chất thải với kích thước đường kính hạt nhỏ hơn 75m (kiểu loại như đất sét và phù sa). Trong khi lớp trầm tích khơng kết keo lại là những thơ hạt với kích thước đường kính từ 75m đến 500m (kiểu loại cát mịn và cát trung). Cát không mịn và sỏi thơ với kích thước đường kính hạt lớn hơn 500m như vận chuyển tại đáy sẽ không được xem xét trong mơ hình ECOMSED bởi vì các trầm tích hạt thơ thơng thường bao gồm một phần nhỏ tại đáy trong hệ thống cửa sông và trên đại dương. Sự ảnh hưởng của thành phàn này là không đáng kể đối với kết quả đầu ra của mơ hình. Cả hai q trình tái lơ lửng và cơ chế lắng đọng phụ thuộc vào ứng suất trượt tại lớp tương tác giữa nước và trầm tích. Quấ trình tính tốn ứng suất trượt phía dưới là một phần khơng thể tách rời của q trình mơ phỏng vận chuyển trầm tích.
Tái lơ lửng trầm tích từ kết dính tại đáy cho trong phương trình đặc trưng cho tái lơ lửng của trầm tích kết dính, kết quả là một thơng lượng khối lượng nhất định của trầm tích sẽ đi vào trong cột nước. Tái lơ lửng của trầm tích khơng kết dính tại đáy được lấy từ những nghiên cứu dựa trên lý thuyết truyền tải trầm tích của Van Rijn năm 1984 và nhứng nghiên cứu năm 1993. Trong cả hai trường hợp, tổng khối lượng trầm tích tái lơ lửng trong cột nước sau đó sẽ được phân ra thàng từng phần giữa trầm tích kết dính và trầm tích khơng kết dính dựa trên sự phân chia tương ứng trong nền đáy. Sự lắng xuống của trầm trầm tích kết dính trong cột nước được mô phỏng như một chức năng của sự thu nạp của q trình keo tụ, kết bơng trầm tích. Tác động của sự phân chia lớp nước theo phương thắng đứng với một tỷ lệ cho trước và nồng độ trầm tích trong cột nước là cơ sở cho việc xác định tốc độ lắng đọng. Trầm tích khơng kết dính hay sự tham gia của các nguồn khác tương tự như vậy là những giả định rời rạc, khơng có sự tương tác với các hạt khác. Duy có một đặc điểm độc đáo trong mơ hình là khả năng sử dụng kết quả đã được thử nghiệm để mô tả các thơng số trong cơng thức tính tái lơ lửn và lắng đọng, bao gồm cả những tác động của sự kết bơng đối với các hạt trầm tích kết dính.
41
Trầm tích kết dính được củng cố theo thời gian. Theo phương thẳng đứng, mơ hình tính tốn trầm tích có thể tách thành nhiều lớp khác nhau tính đến ảnh hưởng của trầm tích tại đáy. Khi đó, một số thành phần như thời gian tải trầm tích từ các dịng sơng khác nhau và nồng độ của các chất rắn tại biên mở có thể dễ dàng quy định hơn. Đầu ra của mơ hình trầm tích SED bao gồm sự phân bố theo khơng gian và theo thời gian của tổng chất rắn lơ lửng, nồng độ trầm tích kết dính và khơng kết dính trong cột nước, khối lượng trầm tích được tích tự hay bị xói mịn, và sự thay nền đáy khu vực nghiên cứu.