5. Nội dung luận văn
2.2 Kết luận chương
- Đường bờ khu vực Phan Thiết tỉnh Bình Thuận bị xói lở mạnh trong thời kỳ gió mùa đông bắc, được bồi tụ trong thời kỳ gió mùa tây nam và cường độ của xói lở lớn hơn bồi tụ. Các quá trình xói lở - bồi tụ hiện nay chủ yếu là do tác động của các công trình bảo vệ bờ và cửa sông chưa có các giải pháp kỹ thuật để khắc phục.
- Đặc điểm xói lở - bồi tụ tại các đoạn bờ cụ thể như sau:
+ Đoạn bờ từ Mũi Né đến cửa Phú Hải; quá trình xói lở mạnh xảy ra ở khu vực bờ phía bắc cửa Phú Hải với chiều dài 1-1,2km, tốc độ 7-10m/năm
+ Đoạn bờ từ cửa Phú Hải đến cảng Phan Thiết: có công trình bảo vệ bãi Đồi Dương được thiết kế bằng kỹ thuật “mềm”. Tuy nhiên, hiện nay bãi và công trình đang bị phá huỷ nghiêm trọng.
+ Đoạn bờ cảng Phan Thiết – mũi Kê Gà: quá trình xói lở -bồi tụ xen kẽ nhau nhưng quá trình xói lở chiếm ưu thế vào mùa gió đông bắc, đặc biệt, quá trình xói lở rất mạnh ở khu vực phường Đức Long Tp.Phan Thiết.
27
CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÀ DIỄN BIẾN HÌNH THÁI KHU VỰC ĐỒI DƯƠNG, PHAN THIẾT, TỈNH
BÌNH THUẬN 3.1 Giới thiệu mô hình Mike 21
Các quá trình thủy động lực học như biến đổi mực nước, dòng chảy do thuỷ triều và dòng chảy từ sông ra cùng với dòng do sóng làm cho bùn cát vận chuyển từ nơi này đến nơi khác dẫn tới làm biến đổi hình thái ở vùng cửa sông ven biển.
Hệ thống các phương trình cơ bản bao gồm:
Phương trình liên tục, còn gọi là phương trình bảo toàn khối lượng:
S z w y v x u = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂
Phương trình bảo toàn động lượng theo phương ngang (x và y), còn gọi là phương trình chuyển động theo phương ngang:
= ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ z wu y vu x u t u 2 S u z u v z F dz x p p g x p p x g fv n z n z + ∂ ∂ ∂ ∂ + + ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∫ 0 0 0 1 η = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ z wu y vu x u t u 2 - S v z v v z F dz y p p g y p p y g fu v z n z + ∂ ∂ ∂ ∂ + + ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∫ 0 0 0 1 η
trong đó, t là thời gian; x, y và z là tọa độ Đề các, ηlà dao động mực nước, d là độ sâu; h=η+dlà độ sâu tổng cộng, u, v và w là thành phần vận tốc theo phương x, y và z; f=2Ωsinφlà tham số Coriolis (Ωlà vận tốc góc và φ là vĩ độ địa lý); g là gia tốc trọng trường; ρlà mật độnước, vt là nhớt rối thẳng đứng Pa là áp suất khí quyển, ρ0là mật độ chuẩn; S là lưu lượng của các nguồn nước đổ vào vùng nghiên cứu và (us, vs) là vận tốc của dòng nước chảy từ nguồn vào miền tính. Fu, Fv là các số hạng ứng suất theo phương ngang.
28
Phương trình bảo toàn vật chất hay phương trình vận chuyển bùn cát:
S C C k z C D z F z wC y vC x uC t C s p v C + + ∂ ∂ ∂ ∂ + = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂
trong đó: C là nồng độ của đại lượng vô hướng; kp là tốc độ phân hủy của đại lượng đó; Cs là nồng độ của đại lượng vô hướng tại điểm nguồn; Dv là hệ số khuếch tán thẳng đứng; và FC là số hạng khuếch tán ngang. MIKE 21 áp dụng sơ đồ sai phân hữu hạn và phương pháp giải hiệu quả là kỹ thuật ADI (Alternating Direction Imolicit) để giải các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong miền không gian và thời gian.
Sóng là một trong các nhân tố quan trọng nhất tác động đến hình thái vùng cửa sông ven biển. Bùn cát được sóng nhấc lên với sự trợ giúp của dòng chảy, sau đó được dòng chảy vận chuyển đi. Trường dòng chảy và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông được tạo ra do sự kết hợp của cả dòng chảy từ sông ra, thuỷ triều, dòng chảy do gió, và dòng chảy do tác động của sóng. Các tác động kết hợp này chi phối động lực học hình thái của cửa sông. So với các bờ biển chạy liên tục hoặc dòng chảy trong sông thì động lực học các vùng cửa sông phức tạp hơn nhiều và còn ít được hiểu biết. Hiện nay, trên thế giới đã xây dựng và sử dụng khá thành công các mô hình số trị thuỷđộng mô phỏng các quá trình thủy động lực học và biến đổi hình thái. Ở Việt Nam và các nước trên thế giới đã sử dụng mô hình họMIKE như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 21 FM, MIKE FLOOD… với các module để mô phỏng các quá trình vận chuyển bùn cát (MIKE 21 - MT), tính toán vận chuyển bùn cát (MIKE 21 - ST) phục vụ cho việc chỉnh trị luồng tàu, chống sa bồi. MIKE là bộ phần mềm của viện Thuỷ Lợi Đan Mạch được ứng dụng trong việc tính toán về thuỷ lực, tài nguyên và môi trường nước, bao gồm cả trong sông, vùng cửa sông, ven biển và biển… Bộ phần mềm này đã được ứng dụng khá hiệu quả trong thực tế tại nhiều quốc gia trên thế giới.
29
Trong bộ phần mềm Mike có chia ra làm nhiều mô hình, như Mike Zero, Mike_11, Mike_21, Mike_3, Mike_She…
Mike_21: Là mô hình dòng chảy mặt 2D, mô hình Mike_21 được ứng dụng để mô phỏng các quá trình thuỷ lực và các hiện tượng về môi trường trong các hồ, các vùng cửa sông, vùng vịnh, vùng ven bờ và các vùng biển.
Mô hình MIKE 21 bao gồm một số module, mỗi module dùng cho các lĩnh vực cụ thể mà ta quan tâm như dòng chảy, sự tạo thành và truyền đi của sóng, chất lượng nước, chuyển tải bùn cát, hình thái, sinh thái… Bên cạnh đó còn có các công cụ hỗ trợ như phần mềm hiển thị, tạo lưới, nhập địa hình… Tất cả các module này có mối liên hệ động lực với nhau để trao đổi số liệu và kết quả khi quá trình mô phỏng yêu cầu.
Bảng 3.1. Các module tính toán trong MIKE21
MIKE21 Flow Model
Hydrodynamic Module (HD)
Mô đun tính toán về thủy động lực học Advection-Dispersion
Module (AD)
Mô đun tính toán về bình lưu – phân tán, truyền chất
Mud Transport Module (MT)
Mô đun tính toán về vận chuyển bùn ECO Lab Module (EL) Mô đun tính toán về
chất lượng nước
MIKE 21 Flow Model
HydrodynamicModule (HD)
Mô đun tính toán về thủy động lực học Transport Module (TR) Mô đun tính toán vận
chuyển
ECO Lab Module (EL) Mô đun tính toán về chất lượng nước
30
FM Mud Transport Module
(MT)
Mô đun tính toán về vận chuyển bùn Sand Transport Module
(ST)
Mô đun tính toán về vận chuyển cát Particle Tracking
Module (PT) MIKE 21 Spectral
Waves FM (SW)
Mô đun mô phỏng và tính toán phổ sóng MIKE 21 Boussinesq
Waves (BW)
MIKE 21 Nearshore Spectral Waves (NSW)
Mô đun mô phỏng và tính toán phổ sóng gần bờ MIKE 21 Elliptic Mild
Slope Waves (EMS)
Mô đun mô phỏng và tính toán sóng elip MIKE 21 Parabolic Mild
Slope Waves (PMS)
Mô đun mô phỏng và tính toán sóng parabol MIKE 21 Non-Cohesive
Sediment Transport (ST)
Mô đun mô phỏng và tính toán vận chuyển bùn cát không cố kết
MIKE 21 Curvilinear Flow Model
Mô đun mô phỏng và tính toán dòng chảy cong MIKE 21 Toolbox Mô đun các công cụ
Các ứng dụng của Mike 21:
- Thiết kế dữ liệu đánh giá cho khu vực ven biển và ngoài khơi. - Đánh giá các giải pháp cảng và công trình bảo vệ bờ.
- Phân tích khử mặn và tuần hoàn nước. - Đánh giá cửa sông.
31
- Mô hình sinh thái học cho việc đánh giá hệ thống nuôi trồng thủy sản. - Đánh giá hệ thống năng lượng hồi phục.
- Dự đoán điều kiện nước cho họat động biển và hàng hải. - Cảnh báo về ngập lụt bờ biền và nước dâng do bão. - Mô hình hóa dòng chảy trong sóng.
Các bước phải thực hiện khi ứng dụng các mô hình số MIKE 21 để mô phỏng như sau:
Hiệu chỉnh mô hình hay còn gọi là tham số hóa: Thông qua các số liệu thực đo như mực nước, lưu tốc dòng chảy, sóng v.v… tại các trạm cố định hay các điểm có số liệu quan trắc, tiến hành hiệu chỉnh các thông số của mô hình để kết quả mô phỏng hay còn gọi là kết quả tính toán phù hợp tốt nhất với số liệu thực đo. Tính phù hợp được đánh giá theo các chỉ tiêu mô hình như hệ số Nash và hệ số tương quan R.
Kiểm định mô hình: Trong bước này các tham số đã tìm được trong bước hiệu chỉnh giữ nguyên và tiến hành mô phỏng với bộ số liệu mới để so sánh kết quả. Nếu kết quả mô phỏng thể hiện bằng các chỉ tiêu đều đạt thì có thể kết luận bộ thông số của mô hình là ổn định, đủ độ tin cậy cho việc mô phỏng các kịch bản.
Xây dựng và mô phỏng theo kịch bản: gồm 2 nội dung
+ Xây dựng tập kịch bản: Dựa vào mục tiêu đặt ra và các vấn đề thực tế tiến hành xây dựng các kịch bản. Bước này dựa vào chiến lược phát triển của địa phương, các vấn đề tự nhiên và các nhu cầu của thực tế trước mắt và lâu dài mà đưa ra các kịch bản. Tập kịch bản nên tham vấn ý kiến của các cấp, các ngành, các chuyên gia và cộng đồng để phản ánh trung thực với những vấn đề cần làm.
32
+ Tiến hành mô phỏng theo các kịch bản: Sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh và kiểm định và các số liệu đầu vào của tập kịch bản tiến hành mô phỏng, từ đó nhận xét kết quả, các kết luận và kiến nghị.
3.2 Thiếtlập mô hình dòng chảy và vận chuyển bùn cát cho khu Phan Thiết
Miền tính, lưới tính được thiết lập cho khu vực Phan Thiết, hệ tọa độ trong mô hình được quy đổi về hệ tọa độ UTM48.
Địa hình khu vực ven bờ được lấy từ số liệu thực đo trong đợt khảo sát tháng 8 năm 2009 do Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam thực hiện trong khuôn khổ Dựán điều tra cơ bản.
Địa hình khu vực ngoài khơi được lấy từ số liệu đo đạc của Hải Quân Việt Nam với tỷ lệ 1:25.000 và các số liệu địa hình này đã được quy đổi về cao độ quốc gia.
Lưới tính toán là lưới phi cấu trúc với 12268 ô lưới. Kích thước ô lưới lớn nhất là 400m, nhỏ nhất 40m
Miền tính gồm có 5 biên tính toán với:
- Ba biên biển là : biên Bắc, biên Biển, biên Nam - Hai biên sông (biên lưu lượng)
Lưới khu vực tính toán Địa hình khu vực tính toán Hình 3.1. Địa hình và lưới tính khu vực nghiên cứu
33
3.3 Hiệu chỉnh mô hình
3.3.1 Hiệu chỉnh mô hình triều
Nguyên tắc hiệu chỉnh mô hình để tìm ra thông số mô hình hợp lí sao cho kết quả tính toán bằng mô hình toán gần nhất với số liệu thực đo.
Để so sánh giá trị tính toán với giá trị thực đo, có thể dùng chỉ số NASH làm hàm mục tiêu. NASH càng tiến đến 1 thì kết quả càng chính xác. Công thức xác định chỉ sốNASH như sau:
NASH(EI) = 1- 2 0, , 2 0 0, ( ) ( ) i s i i H H H H − − ∑ ∑ Trong đó:
H0,i: là giá trị mực nước thực đo. Hs,i: là giá trị mô phỏng.
0
H : là giá trị thực đo trung bình.
a. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
Các biên biển là biên mực nước với số liệu mực nước tại 3 biên này được tính toán từ số liệu hằng số điều hòa của mô hình Mike 21, công cụ Mike 21 Toolbox. Số liệu mực nước tại biên này được thiết lập từ 0 giờ ngày 22/8/2010 đến 23 giờ ngày 5/9/2010. Trong mô hình Mike 21 dao động triều được tính theo giờ thế giới GMT vì thế sau khi thiết lập biên mực nước được quy đổi giữa số liệu tính toán và số liệu thực đo về cùng một múi giờ. Ở đây quy đổi về múi giờ Việt Nam, tức là 0 giờ trong tính toán tương ứng là 7 giờ ngoài thực tế.
Biên sông là biên lưu lượng (tài liệu thực đo).
b. Bộ thông số mô hình
- Thời gian bắt đầu tính toán: 0 giờngày 22/8/2010 đến 23 giờ ngày 5/9/2010; - Bước thời gian tính toán: ∆t = 30s;
34
- Độ nhớt theo phương ngang tính toán theo công thức Smagorinsky và lấy trung bình trên toàn miền tính là: 0,28;
- Số Manning lấy trung bình trên toàn miền tính là: 35 m1/3/s; - Lực Coriolis: có tính đến;
- Điều kiện ban đầu: mực nước = 0; - Điều kiện biên:
+ 3 biên biển: mực nước + 2 biên sông: lưu lượng;
Kết quả tính toán: dạng vùng, bước thời gian xuất kết quả: 1 giờ 1 giá trị.
c. Kết quả hiệu chỉnh mô hình triều
Tiến hành hiệu chỉnh về mực nước tại trạm Phan Thiết trong 13 ngày từ 0h ngày 22/8/2010 đến 23 giờ ngày 5/9/2010. Sau khi thiết lập các thông số mô hình ta có kết quả hiệu chỉnh mực nước thực đo và tính toán tại (Hình 3.2).
Hình 3.2. So sánh quá trình mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phan Thiết
Nhận xét: Từ số liệu thiết lập điều kiện biên triều từ các hằng số điều hòa, sử dụng mô hình tính toán kiểm nghiệm lại số liệu thực đo, cho thấy đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tương đối đồng pha và độ lớn, hệ số Nash (F2 = 0.87)R>0,8 cho nên sai số cho phép chấp nhận được vì vậy bộ thông số phục vụ tính toán được thiết lập là đảm bảo và sử dụng tính toán cho các trường hợp khác.
35
3.3.2 Hiệu chỉnh mô hình sóng
a. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
- Điều kiện biên mực nước: được tính toán từ số liệu hằng số điều hòa của mô hình Mike 21, công cụ Mike 21 Toolbox. Số liệu mực nước tại biên này được thiết lập từ 0h ngày 22/8/2010 đến 23 giờ ngày 5/9/2010. Trong mô hình Mike 21 dao động triều được tính theo giờ thế giới GMT vì thế sau khi thiết lập biên mực nước được quy đổi giữa số liệu tính toán và số liệu thực đo về cùng một múi giờ. Ở đây quy đổi về múi giờ Việt Nam, tức là 0 giờ trong tính toán tương ứng là 7 giờ ngoài thực tế.
- Điều kiện biên lưu lượng sông (tài liệu thực đo)
- Điều kiện biên sóng: biên sóng ngoài khơi được lấy từ số liệu sóng quan trắc tại trạm Phú Quý trong thời gian kiểm định (0h ngày 22/8/2010 đến 23 giờ ngày 5/9/2010);
Điều kiện biên gió: biên gió được lấy từ số liệu gió quan trắc tại trạm Phú Quý.
b. Bộ thông số mô hình
Thời gian bắt đầu tính toán từ 0h ngày 22/8/2010 đến 23 giờ ngày 5/9/2010;
Bước thời gian tính toán: ∆t = 30s;
Điều kiện biên mực nước: file HD_T8.dfsu Hệ số sóng vỡ: 0,68;
Hệ sốma sát đáy: tính theo Nikuradse roughness: 0,28;
Điều kiện ban đầu: phổ sóng sử dụng tính toán là JONSWAP; Điều kiện biên sóng: biên sóng được lấy từ số liệu thực đo;
36
c. Kết quả tính toán kiểm định mô hình sóng
Hình 3.3. Trường sóng khu vực Đồi Dương lúc 13giờ ngày 22/8/2010
Hình 3.4 .So sánh chiều cao sóng thực đo và tính toán
Nhận xét:Số liệu tính toán mô phỏng chiều cao sóng bằng mô hình so với số liệu thực đo cho kết quả tương đối tốt, chiều cao sóng tính toán bám sát