Tài liệu Luận văn xử lý khẩn cấp khắc phục xói lở bờ biển hải dương và chỉnh trị luồng cảng thuận an, tỉnh thừa thiên huế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Dương Công Điển TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỘNG ĐÁY BIỂN TẠI VÙNG LÂN CẬN CÔNG TRÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60 44 97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Minh Huấn Hà Nội MỤC LỤC MỞ ĐẤU ………………………………………………………………………….. 1 Chương 1 – TỔNG QUAN ……………………………………………………….. 2 1.1. Đặt vấn đề …………………………………………………………. 2 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ……………………………………………….. 3 1.3. Giới hạn nghiên cứu ……………………………………………….. 3 1.4. Phương pháp nghiên cứu …………………………………………… 4 Chương 2 – ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BIỂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU ………………………………. 5 2.1. Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng thủy văn khu vực cửa Thuận An …………………………………………………………………. 6 2.2. Hiện trạng công trình bảo vệ bờ tại cửa Thuận An…………………... 6 Chương 3 – MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ………………………………………………………………. 9 3.1. Cơ sở lý thuyết CMS-flow………………………………………….. 9 3.2. Cơ sở lý thuyết CMS-wave ………………………………………… 19 3.3. Kết nối giữa CMS-flow và CMS-wave …………………………….. 22 3.4. Thiết lập lưới tính, điều kiện biên, điều kiện ban đầu ……………… 22 3.5. Phân tích số liệu, xây dựng kịch bản tính toán……………………… 27 3.6. Thiết lập các thông số và hiệu chỉnh mô hình …………………….. 33 3.7. Kết quả tính toán …………………………………………………… 40 KẾT LUẬN ……………………………………………………………………… 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………. 56 i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình1: Bản đồ khu vực phá Tam Giang – Cầu Hai ……………………………… 5 Hình2. Hệ thống kè biển tại cửa Thuận An ……………………………………… 7 Hình 3. Chi tiết kết cấu kè (S1, S2 và B) tại phía bờ bắc cửa Thuận An…………. 7 Hình 4. Chi tiết kết cấu kè (N) tại bờ nam cửa Thuận An……………………….. 8 Hình 5. Lưới tính CMS-wave với biên sóng nước sâu và vị trí của kè biển .......... 23 Hình 6. Lưới tính CMS-flow với biên mực nước và vị trí các kè biển ................. 24 Hình 7. Lưới tính CMS-flow tại khu vực cửa Thuận An với địa hình đáy biển ..... 25 Hình 8. Vị trí các kè trong miền tính ..................................................................... 26 Hình 9. Dao động mực nước trong một chu kỳ triều tại Thuận An ........................ 27 Hình 10. So sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc tại trạm MSP-1 thời gian: 10 -12/2002 ................................................................................................... 28 Hình 11. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc trong cơn bão frankie 7/1996........................................................................................................ 28 Hình 12. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc trong cơn bão Wukong 9/2000 ....................................................................................................... 28 Hình 13. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc trong cơn bão Linda 11/1997 ....................................................................................................... 29 Hình 14. Vị trí điểm lấy các tham số sóng nước sâu.............................................. 29 Hình 15. Hoa sóng tại trạm ngoài khơi trong nhiều năm ....................................... 30 Hình 16. Hoa sóng tại trạm ngoài khơi trong mùa gió đông bắc và mùa gió tây nam ................................................................................................................... 31 Hình 17. Quy định về hướng sóng trong mô hình CMS-wave............................... 32 Hình 18. Vị trí các trạm quan trắc dao động mực nước và dòng chảy 21/4/2007... 34 Hình 19. Thiết lập các thông số chính của CMS-wave .......................................... 34 Hình 20. Điều kiện phổ sóng tại biên CMS-wave ................................................. 35 Hình 21. Thiết lập các thông số chính trong mô hình CMS-flow........................... 35 Hình 22. Các thông số tính toán vận chuyển trầm tích........................................... 36 Hình 23. Điều kiện biên dao động mực nước ....................................................... 36 Hình 24. Giao diện điều khiển tính toán cặp đồng thời giữa hai mô hình ............. 37 Hình 25. So sánh mực nước tính toán và đo đạc tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007 ................................................................................ 37 Hình 26. So sánh tốc độ dòng chảy tính toán với tốc độ dòng chảy đo đạc tại các tầng mặt, giữa và đáy tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007 .................................................................................................. 38 Hình 27. So sánh hướng dòng chảy tính toán với hướng dòng chảy đo đạc tại các tầng mặt, giữa và đáy tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007.................................................................................................... 38 ii Hình 28. Trường dòng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều lên........... 39 Hình 29. Trường dòng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều xuống...... 39 Hình 30. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 120 đến 150 độ......................................................... ...................................... 40 Hình 31. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 120 đến 150 độ.... ............................. 41 Hình 32. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 90 đến 120 độ......................................................... ......................................... 41 Hình 33. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 90 đến 120 độ.... .............................. 42 Hình 34. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 60 đến 90 độ......................................................... .......................................... 42 Hình 35. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 60 đến 90 độ.... ................................ 43 Hình 36. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 30 đến 60 độ......................................................... .......................................... 43 Hình 37. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 30 đến 60 độ.... ................................ 44 Hình 38. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 0 đến 30 độ......................................................... ......................................... 44 Hình 39. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 0 đến 30 độ.... ................................. 45 Hình 40. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 330 đến 0 độ......................................................... ............................................ 45 Hình 41. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 330 đến 0 độ.... ............................... 46 Hình 42. vị trí các mặt cắt từ 1 đến 5 ..................................................................... 47 Hình 43. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau .......................................................................................... 47 Hình 44. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ..................................................... 48 Hình 45. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau ....................................................................... 48 Hình 46. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ..................................................... 49 Hình 47. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau ....................................................................... 49 iii Hình 48. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu .................................................... 50 Hình 49. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau .......................................................................................... 50 Hình 50. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ..................................................... 51 Hình 51. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau ....................................................................... 51 Hình 52. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ...................................................... 52 Hình 53. Kết quả đo đạc đường bờ tại Thuận An tháng 6 năm 2012..................... 52 Hình 54. Ảnh chụp khu vực bồi cát phía nam kè tại cửa Thuận An 6/2012.......... 53 Hình 55. Ảnh chụp vị trí các bar cát ngầm tại cửa Thuận An 6/2012 .................... 54 Hình 56. Ảnh chụp các bar cát tại trung tâm luồng ra vào tại cửa Thuận An 6/2012 54 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng1: Các đợt đo đạc tại cửa Thuận An từ 1/2007 đến nay…………………… 8 Bảng 2. Bảng tần suất sóng trung bình nhiều năm ............................................ 30 Bảng3. Bảng tần suất sóng nước sâu theo các hướng tác động tới đường bờ........ 32 Bảng4. Kết quả phân tích các yếu tố sóng theo hướng tác động........................... 33 Bảng 5. Lượng trầm tích vận chuyển qua các mặt cắt............................................ 55 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải nghĩa SMS Surface-water Modeling System CMS – wave Coastal Modeling System - wave CMS – flow Coastal Modeling System - flow iv MỞ ĐẦU Sự biến động bãi biển trong vùng nước nông ven bờ là kết qủa tác động của các quá trình tự nhiên như gió, sóng, dòng chảy, sóng thần và biến động của mực nước biển. Tuy nhiên sự tác động của con người cũng có ảnh hưởng đáng kể thông qua các công trình nhân tạo như xây dựng kè, đê chắn sóng, tường đứng ven biển và các quá trình nạo vét luồng cũng như nuôi bãi. Do vậy nghiên cứu sự biến động bãi biển trong vùng ven bờ là hết sức cần thiết và quan trọng đối với các công trình ven bờ như: xây dựng cảng, thiết kế luồng tầu và các công trình bảo vệ bờ. Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành các phân tích số liệu thủy động lực học có tác động tới các quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy trong vùng nước nông ven bờ. Áp dụng mô hình số (CMS) tính toán mô phỏng sự biến động bãi biển tại vùng cửa Thuận An sau khi xây dựng công trình kè biển. Trong quá trình tính toán kiểm chứng mô hình, Các tham số sóng và dòng chảy được hiệu chỉnh và kiểm chứng kỹ lưỡng. Ngoài ra bộ số liệu đo đạc biến động đường bờ trong khuôn khổ dự án VS\RDE-03 được sử kiểm chứng với các kết quả biến động bãi biển của mô hình. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, bước đầu các công trình xây dựng kè biển với mục đích bảo vệ, ngăn chặn xói lở bờ biển ở khu vực Hải Dương – Thuận An – Hòa Duân đã có những kết quả nhất định. Khu vực bờ biển Hải Dương đã được bảo vệ khỏi các tác động gây xói lở, khu vực phía nam cửa Thuận An chuyển từ trạng thái xói lở sang bồi tụ. Các kết quả tính toán đưa ra được bức tranh khá phù hợp với các kết quả đo đạc thực tế. Để hoàn thành bài luận văn này tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới: Ban giám hiệu trường Đại học Khoa học tự nhiên, Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học, phòng sau đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Viện Cơ học, Viện KH và CN Việt Nam (địa chỉ; 18 Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô Cầu Giấy, Hà Nội), cơ quan nơi tôi công tác đã cử đi đào tạo cũng như tạo điều kiện về mặt thời gian, kinh phí và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập. Ban giám đốc, các đồng nghiệp của Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu Tư vấn Môi trường Biển và dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển VS\RDE-03 góp ý, cung cấp số liệu, tạo điều kiện đi khảo sát đo đạc tại khu vực cửa biển Thuận An. PGS. TS Nguyễn Minh Huấn - người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Khí tượng – Thủy văn và Hải dương Học đã tận tính dạy dỗ và truyền thụ kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua 1 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong những năm gần đây dưới sự phát triển mạnh của nền kinh tế cũng như sự phát triển nhanh của ngành du lịch và dịch vụ, nhiều các công trình ven bờ như đê biển, kè chắn sóng, mỏ hàn được xây dựng với mục đích chỉnh trị nhằm đạt được mục tiêu phục vụ phát triển kinh tế, bảo vệ các vùng dân cư khỏi sự xâm thực từ phía biển. Khu vực cửa biển Thuận An – Thừa Thiên Huế là một trong những cửa ngõ quan trọng của giao thông đường thủy kết nối hầu hết các con sông của tỉnh Thừa Thiên Huế và trong khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai trong đó có cảng Thuận An với Biển Đông. Đây cũng là cửa chính tiêu thoát lũ trong mùa mưa và là kênh trao đổi nước giữa đầm phá và biển. Thêm vào đó phía bắc cửa là khu dân cư thuộc xã Hải Dương với số lượng dân cư lớn và phía nam cửa là khu du lịch bãi tắm biển Thuận An. Đây là hai khu vực đang có hiện tượng xói lở mạnh gây ra tình trạng nguy hiểm tới đời sống dân cư cũng như phát triển du lịch trong khu vực [3]. Với chủ trương ngăn chặn sự bồi lấp luồng tàu tại Thuận An và bảo vệ bờ hai phía bắc và phía nam, đầu năm 2005 Ủy ban nhân dân Tỉnh Thừa Thiên Huế đã ra quyết định phê duyệt dự án xây dựng “xử lý khẩn cấp khắc phục xói lở bờ biển Hải Dương và chỉnh trị luồng cảng Thuận An, tỉnh Thừa Thiên Huế”. Giai đoạn 1 xây dựng công trình chống xói lở bờ biển Hải Dương – Thuận An – Hòa Duân. Công trình đã được xây dựng vào đầu năm 2008 và hoàn thành vào cuối năm 2010. Với mục tiêu bảo vệ các vùng bị xói lở, công trình bước đầu đã có một số hiệu quả nhất định. Khu vực phía bắc (khu bờ biển xã Hải Dương) có các kè S1, S2 và B bảo vệ cách ly khu vực bờ khỏi các tác động của sóng và dòng chảy nên quá trình xói lở bờ biển tại đây không còn diễn ra. Khu vực phía nam gầần cửa (khu bờ biển Thuận An – Hòa Duần) hiện tượng xói lở không còn (đặc biệt là bãi bi ển phía nam kè) và thay vào đó là quá trình bôầi diễễn ra mạnh mẽễ dưới sự chẽ chắắn c ủa các công trình . Khu vực phía trong cửa Thuận An, quá trình bồi xói và biến động bãi biển và đường bờ diễn ra phức tạp. Khu vực phía nam xa công trình quá trình bồi và xói diễn ra theo mùa dưới tác động của các hướng sóng khác nhau trong gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam. Như vậy kết quả sau khi xây dựng các kè biển trong giai đoạn 1 của dự án đã có các tác động đến các quá trình thủy động lực và kết quả là tác động đến sự tiến triển của đường bờ và bãi biển khu vực cửa Thuận An và vùng lận cận như sau: - Quá trình sóng và dòng chảy khu vực gần công trình và cửa Thuận An có sự thay đổi. 2 - Các công trình cách ly hoặc ngăn cản dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ, làm thay đổi bức tranh vận chuyển trầm tích. - Với mục tiêu bước đầu là ngăn cản sự xói lở tại các bờ biển Hải Dương – Thuận An – Hòa Duân, Các công trình kè đã phát huy được tính hiệu quả tại các vùng bờ biển lận cận công trình, tuy nhiên chưa giải quyết được sự bồi lấp luồng tàu và xói lở tại các khu vực bờ phía trong cửa. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: Để hiểu rõ quy luật các quá trình vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển, cần có sự nghiên cứu chi tiết về các quá trình động lực gây ra quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An, đặc biệt là các tác động của công trình. Có các nghiên cứu định lượng mô phỏng, đưa ra bức tranh vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển, từ đó có các giải pháp khắc phục các yếu điểm trong giai đoạn 1 của công trình cũng như đưa ra hướng giải quyết trong giai đoạn tiếp theo. Các mục tễu chính của nghiễn cứu gôầm có: 1.3 - Nghiên cứu phân tích các quá trình động lực (sóng và dòng chảy) tác động đến quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An. - Nghiên cứu ứng dụng mô hình SMS (các mô đun CMS-flow và CMS-wave) trong việc tính toán vận chuyển trầm tích khu vực cửa Thuận An dưới tác động của công trình. Giới hạn của nghiên cứu Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung nghiên cứu vận chuyển trầm tích tại khu vực của Thuận An, đặc biệt là khu vực lận cận công trình, dưới tác động chủ yếu của hai yếu tố sóng và dòng chảy. Các thông số của công trình cũng được đưa vào mô hình tính nhằm mục đích mô phỏng được các tác động của nó tới sự vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển. Do việc sử dụng mô hình hai chiều trung bình theo độ sâu để mô phỏng các quá trình thủy động lực và biến đổi đáy, cho nên các kết quả chỉ mô phỏng được quá trình biến đổi đáy biển, sự biến đổi đường bờ không được mô phỏng ở đây. Tuy nhiên các kết quả đo đạc biến động đường bờ vẫn được sử dụng để so sánh sự tương quan giữa kết quả tính biến động đáy biển với sự biến động của đường bờ. Các kịch bản tính toán sử dụng các kết quả phân tích sóng theo các hướng tác động khác nhau, mỗi hướng tác động tiến hành lấy trung bình các tham số sóng theo một khoảng thời gian. Dao động mực nước áp dụng tại biên được lấy bằng sự biến động mực nước trong một chu kỳ triều đặc trưng. Lưu lượng trong các sông không được sử dụng trong các nghiên cứu tính toán. 3 1.4 Phương pháp nghiên cứu Dựa trên các đặc điểm khu vực nghiên cứu vùng đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và vùng cửa sông lạch triều Thuận An, cho nên phương pháp nghiên cứu được hình thành trên cơ sở: - Nghiên cứu các tài liệu liên quan tới vùng đầm phá, cửa sông và công trình. Dựa vào các thông tin phù hợp với vùng nghiên cứu. Dựa trên thông tin, số liệu và các kết quả của các nghiên cứu, công trình khoa học và các đề tài, dự án đã tiến hành tại khu vực. Xem xét phân tích các số liệu, văn bản có liên quan. - Thu thập các số liệu cơ bản về địa hình, đường bờ, thông số của công trình, các số liệu về mực nước, chế độ sóng và tính chất trầm tích. - Phân tích số liệu làm cơ sở thiết lập mô hình và xây dựng các kịch bản tính toán. - Xác định mô hình phù hợp với nguồn số liệu và khu vực nghiên cứu. - Thiết lập mô hình dựa trên các số liệu cơ bản, lựa chọn điều kiện trên biên và điều kiện ban đầu. - Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình. - Mô phỏng mô hình theo các kịch bản tính toán. - Phân tích kết quả tính toán. 4 Chương 2 – HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BIỂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU Hình1: Bản đồ khu vực phá Tam Giang – Cầu Hai [3] 5 2.1 Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng, thủy văn khu vực cửa Thuận An Về đặc điểm tự nhiên: Cửa Thuận An cùng với cửa Tư Hiền là một trong hai cửa biển nối hệ thống đầm phá Tam Giang – Cầu Hai với Biển Đông. Cửa Thuận An là cửa chính nằm ở phía bắc của hệ đầm phá. Phía bắc cửa Thuận An là xã Hải Dương và phía nam là thị trấn Thuận An. Cửa Thuận An có hình dạng không đối xứng có hệ thống bãi ngầm ở phía ngoài tại vị trí trung tâm của cửa. Hệ thống luồng chủ yếu có 2 hướng chính: thứ nhất theo hướng đông bắc và thứ hai có hướng đông nam, nguyên nhân là do các tác động của các yếu tố thủy động lực có tính chất mùa và không đều nhau [6]. Cửa có độ rộng vào khoảng 350m và chiều dài khoảng 600m, chỗ sâu nhất lên đến trên 15m. Cửa Thuận An giữ một vai trò điều hòa về sinh thái và môi trường cho đầm phá Tam Giang. Trong mùa mưa nó còn đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu thoát lũ. Về kinh tế xã hội đây là cửa biển và là tuyến luồng chính đi vào cảng Thuận An – cảng nằm sâu trong đầm phá – và vào hầu hết các nhánh sông của tỉnh Thừa Thiên Huế. Bản đồ khu vực cửa Thuận An và vùng lận cận được mô tả trên hình 1[4]. Về đặc điểm khí tượng: Khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa. Hai mùa gió chính đó là mùa gió đông bắc xảy ra vào các tháng 11, 12, 1 và 2 và mùa gió tây nam xảy ra vào các tháng 6, 7, 8 và 9. Ngoài ra khu vực này còn chịu tác động của một số cơn bão nhiệt đới, đặc biệt nhiều cơn bão có cường độ mạnh đi thẳng trực tiếp vào từ biển Đông. Về đặc điểm thủy văn: Đây là khu vực có các đặc điểm về thủy, hải văn phức tạp. Về chế độ thủy văn, cửa Thuận An là nơi tiêu thoát nước của hầu hết các con sông đổ vào đầm phá Tam Giang. Trong thời gian mùa lũ (tháng 10 đễắn tháng 1 nắm sau) lưu lượng trong các sông tắng rầắt cao do đ ịa hình khu v ực phía sau là núi rầắt dôắc . Cá biệt trong một số năm lượng nước lớn làm vỡ đoạn bờ biển Hòa Duân tạo ra cửa thứ 2 thông ra biển. Độ cao mực nước thủy triều tại đây khá nhỏ (biên độ dao động khoảng 0.25m [3]) và là khu vực bán nhật triều đều. Chế độ sóng chịu tác động của chế độ gió mùa. Các sóng có hướng E và NE chiếm tới trên 90% trong tổng phần trăm của năm. 2.2 Hiện trạng xây dựng công trình bảo vệ bờ tại cửa Thuận An Từ năm 1980, tình hình xói lở ở ven bờ biển tỉnh Thừa Thiên Huế, dọc theo đoạn bờ biển từ Hải Dương đến Hòa Duân trở thành một vấn đề nguy kịch. Xói lở chủ yếu tác động đến bờ biển tại hai vị trí: xã Hải Dương (phía bắc cửa Thuận An) với cường độ xói lở 10m/năm và xã Thuận An – Phú Thuận (phía nam cửa Thuận An) với cường độ xói lở 5-6m/năm. Xói lở gây tác hại trầm trọng đến bãi biển du lịch Thuận An, đe dọa sự phát triển du lịch trong khu vực. Do vậy đầu năm 2006 Ủy ban nhân dân tỉnh Thừa Thiên Huế đã phê duyệt dự án xây dựng công trình “xử lý khẩn cấp khắc phục xói lở bờ biển Hải Dương và chỉnh trị luồng cảng Thuận An”. Trong 6 giai đoạn 1 xây dựng hai hệ thống kè biển chống xói lở tại bờ phía bắc (xã Hải Dương) và phía nam (xã Thuận An). Hệ thống kè đã được khởi công xây dựng vào đầu năm 2008. Kết cấu hệ thống kè tại Thuận An được mô tả trong hình vẽ 3, 4: Hình 2. Hệ thống kè biển tại cửa Thuận An Hình 3. Chi tiết kết cấu kè (S1, S2 và B) tại phía bờ bắc cửa Thuận An 7 Hình 4. Chi tiết kết cấu kè (N) tại bờ nam cửa Thuận An Sau thời gian xây dựng hệ thống kè, hiện tượng xói lở và bồi tụ tại các vùng bờ biển có sự thay đổi mạnh mẽ. Trong thời gian từ tháng 1/2007 đến nay, trong khuôn khổ dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển về phát triển bền vững các vùng ven biển Việt Nam, Viện Cơ học đã tiến hành đo đạc và quan trắc các yếu tố thủy động lực, biến động bãi biển và đường bờ tại khu vực cửa Thuận An. Các số liệu đo đạc góp phần quan trọng trong việc đánh giá, hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình tính toán. Trong bảng 1 đưa ra thống kê các đợt khảo sát đo đạc tại cửa Thuận An trong thời gian từ tháng 1/2007 đến nay. Bảng 1: Các đợt đo đạc tại cửa Thuận An từ 1/2007 đến nay TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Thời gian 01/2007 04/2007 07/2007 04/2008 12/2008 12/2009 03/2010 04/2010 08/2010 05/2011 11/2011 06/2012 Yếu tố đo đạc Biến động đường bờ và địa hình đáy biển Đo đạc địa hình, dòng chảy và dao động mực nước Biến động đường bờ Biến động đường bờ Biến động đường bờ Biến động đường bờ Biến động đường bờ Biến động đường bờ Biến động đường bờ Biến động đường bờ Biến động đường bờ Biến động đường bờ 8 Chương 3 - MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Hệ thống mô hình ven bờ là tổ hợp của các mô hình tính toán sóng, dòng chảy, vận chuyển trầm tích và biến động bãi biển trong khu vực ven bờ. Hệ thống được xây dựng nhằm áp dụng tính toán trong các luồng tầu và vận chuyển trầm tích tại các cửa sông và biến động của bãi biển. Các môdun là một phần trong hệ thông mô hình SMS, được xây dựng và phát triển tính toán với nhiều công cụ hỗ trợ về công nghệ GIS và được triển khai trên hệ thống máy tính cá nhân cũng như hệ máy tính song song. [7,8,9,10,11] 3.1 Cơ sở lý thuyết CMS-flow CMS- Flow là mô hình tính toán trường dòng chảy và vận chuyển trầm tích. Mô hình tính toán vận chuyển các chất hòa tan (muối) và trầm tích dưới tác động của thủy triều, gió và sóng. Mô hình động lực dựa trên phương trình bảo toàn trong vùng nước nông và các thành phần lực Coriolis, ứng suất gió, ứng suất sóng, ứng suất đáy, ma sát do vật cản, ảnh hưởng của đáy và khuyếch tán rối. Có ba phương pháp tính toán vận chuyển trầm tích là: Mô hình tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng của Wantanabe (1997), tính toán vận chuyển trầm tích kết hợp tính toán trầm tích lơ lửng và di đáy theo công thức của Lund-CIRP (Camenen và Larson 2006) và tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng theo công thức của Van Rijn kết hợp với công thức vận chuyển trầm tích di đáy của Lund-CIRP. Trong trường hợp này các tác giả lựa chọn phương pháp thứ hai – tính toán vận chuyển trầm tích theo các công thức của Lund-CIRP. Phương trình chuyển động CMS-flow sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải hệ phương trình chuyển động và phương trình liên tục dưới dạng tích phân hai chiều trung bình theo độ sâu. Các thành phần vận tốc được tính theo hai thành phần phương ngang. Dưới đây là hệ phương trình được sử dụng trong CMS-flow. (1) (2) (3) Trong đó: h – độ sâu cột nước trong trạng thái tĩnh, η – độ cao của dao động mực nước, t – thời gian, qx – thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương x, 9 qy – thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương y, u – thành phần vận tốc theo hướng x, v – thành phần vận tốc theo hướng y, g – gia tốc trọng trường, Dx – hệ số khuyếch tán theo hướng x, Dy – hệ số khuyếch tán theo hướng y, f - Tham số Coriolis, τbx- ứng suất đáy theo phương x, τby- ứng suất đáy theo phương y, τwx- ứng suất gió theo phương x, τwy- ứng suất gió theo phương y, τSx- ứng suất sóng theo phương x, τSx- ứng suất sóng theo phương y. Các thành phần vận tốc được tính toán từ thông lượng như sau: (4) (5) Trong trạng thái không có tác động của sóng, ứng suất đáy được tính như sau: (6) (7) Ở đây U là môđun vận tốc dòng chảy và Cb là hệ số ma sát đáy dạng thực nghiệm. (8) Hệ số ma sát được tính theo công thức. (9) Với C là hệ số Chezy. (10) Trong đó R là bán kính thủy lực và n là hệ số nhám Manning. Trong trạng thái có sóng tác động. Ứng suất đáy được tính theo sự phân bố tựa đồng nhất của dòng chảy (do thủy triều, gió và sóng trên mặt) và vận tốc quỹ đạo sóng tại đáy. Ứng suất tại đáy được tính trung bình cho từng chu kỳ của sóng tại từng nút lưới tại mỗi bước thời gian. Công thức tính ứng suất đáy khi có mặt sóng và dòng chảy được Nishimura 1988 đưa ra như sau: (11) (12) Trong đó α là góc của hướng sóng so với trục x. Uwc và ωb được tính theo công thức. (13) 10 (14) Với σ là tần số góc của sóng, H là chiều cao sóng và k là số sóng, Uwc tốc độ quỹ đạo sóng và ωb tần số góc sóng khi có mặt dòng chảy. Ứng suất gió được tính theo công thức: (15) (16) Trong đó Cd – hệ số kéo của gió, ρa - mật độ không khí , ρw - mật độ nước, W – tốc độ gió, θ – hướng gió, với quy ước hướng gió 0 độ là từ hướng Đông và quay ngược chiều kim đồng hồ. Ứng suất sóng: Ứng suất sóng được tính từ sự biến thiên của ứng suất bức xạ sóng theo không gian. (17) (18) Trong đó Sxx, Sxy và Syy là các thành phần ứng suất bức xạ sóng, được tính theo công thức: (19) (20) (21) Với σ=σ(ω,α) Ở đây Sxx - ứng suất bức xạ sóng theo hướng vuông góc với bờ Sxy – Thành phần ứng suất trượt Syy – Thành phần ứng suất bức xạ sóng theo hướng dọc bờ E – Mật độ năng lượng sóng ω- tần số góc của sóng α- góc của sóng so với trục x Tham số Coriolis: (22) Ω – tần số góc quay của trái đất, φ vĩ tuyến. Hệ số nhớt rối phụ thuộc vào độ dài xáo trộn của cột nước, trong trường hợp không có tác động sóng có thể tính theo hàm của độ sâu nước, tốc độ dòng chảy và độ nhám của đáy biển (Fanconer 1980) như sau: (23) 11 Trong vùng sóng đổ, dưới tác động của sóng, các xáo trộn theo phương ngang là rất đáng kể. Công thức tính hệ số nhớt rối như sau: (24) Trong đó εL mô phỏng sự thay đổi theo phương ngang, được Kraus và Larson 1991 đưa ra như sau. (25) Với Λ là hệ số thực nghiệm mô phỏng sự xáo trộn theo phương ngang. u m là thành phần theo phương ngang của tốc độ quỹ đạo sóng tại đáy. (26) ở đây T là chu kỳ sóng. Trong vùng chuyển đổi giữa vùng sóng đổ và vùng nước sâu, hệ số nhớt rối được tính theo công thức. (27) Trong đó θm là hàm tỉ trọng tính như sau: (28) Phân bố gió theo độ cao: Phân bố tốc độ gió theo chiều cao được tính theo công thức của Charnock 1955 và Hsu 1988. (29) Với Wz – tốc độ gió tại độ cao z so với mặt biển, Z0 – độ cao của mặt biển, W* - tốc độ gió ma sát, К – hằng số Von karman, Tốc độ gió ma sát có thể coi như một thành phần của ứng suất gió tại bề mặt. theo Hsu 1988 ta có: (30) Km – hệ số nhớt xoáy, Z là chiều cao. Giả thiết rằng lớp khí quyển sát mặt nước là ổn định, khi đó ứng suất gió tại độ cao 10 m trên mặt biển có thể tính theo Hsu 1988 như sau: (31) W10 – tốc độ gió tại độ cao 10 m trên mặt biển. Theo thực nghiệm có thể áp dụng công thức tính tốc độ gió tại độ cao 10 m như sau: (32) Phương trình tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển: Trong CMS-flow các hệ phương trình tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển được tính toán theo ba công thức: 12 - Công thức của Wantanabe (1987), tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng bao gồm: tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy - Công thức tính vận chuyển trầm tích của Lund-CIRP (Camenen và Larson 2006). Công thức tính lượng trầm tích tổng cộng kết hợp từ công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng và công thức tính vận chuyển trầm tích di đáy. - Tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng dựa theo công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng của VanRijn kết hợp công thức tính vận chuyển trầm tích di đáy của Lund-CIRP. Trong báo cáo này các tác giả sử dụng công thức tính toán vận chuyển trầm tích của Lund-CIRP. Công thức Lund – CIRP sử dụng trong CMS-flow theo hai phương thức: Thứ nhất, tính toán lượng vận chuyển tổng cộng dựa vào sự kết hợp của vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy. Cách thức thứ hai sử dụng phương trình bình lưu khuyếch tán. Trong phần tiếp theo nhân tố độ nhám và ma sát đáy áp dụng trong CMS-flow sẽ được giới thiệu, tiếp đó là vận chuyển trầm tích dạng lơ lửng và di đáy. Độ nhám và hệ số ma sát: Độ nhám của đáy được xem như tổng hợp của ba thành phần, tính chất của trầm tích ksd, hình dạng ksf và kích thước kss (Soulsby 1997). Độ nhám tổng cộng được xem như là tổng của ba thành phần trên: (33) Hệ số nhám gây ra do tính chất của trầm tích được xác định như sau: (34) Hệ số nhám gây ra do hình dạng được tính theo công thức của Soulsby 1997. (35) Trong đó Hr độ cao gồ ghề của hạt cát. Lr độ dài gồ ghề của hạt cát. (36) (37) Với dòng chảy Soulsby 1997 đưa ra công thức (38) Với sóng VanRijn 1993 đưa ra với tham số: (39) 13 Trong đó s là tỉ số của mật độ trầm tích và nước. (40) Nhám liên quan tới kích thước hạt được Wilson (1966, 1989) đưa ra như sau: (41) θi – tham số Shields ứng với sóng hoặc dòng chảy. Ứng với dòng chảy, ta có: (42) Ứng với sóng (43) Dựa trên hệ số nhám ta có thể tính toán được hệ số ma sát tương ứng với sóng và dòng chảy. Theo công thức của Soulsby(1994) và Swart (1997) ta có. (44) Ứng suất trượt gây ra do dòng chảy được tính là. (45) Ứng suất trượt cực đại do sóng được tính như sau: (46) ứng suất trung bình được xác định là (47) Công thức tính vận chuyển trầm tích đáy Công thức tính toán vận chuyển trầm tích đáy q b dưới tác động của sóng và dòng chảy được Camenen và Larson (2005) đưa ra như sau: (48) Trong đó chỉ số w và n tương ứng theo hướng của sóng và hướng vuông góc với hướng truyền sóng, a và b là các hệ số, θ cw,m và θcw là các giá trị của tham số Shield trung bình và cực đại dưới tác động đồng thời của sóng và dòng chảy chưa kể đến độ nhám của đáy. Hệ số an được lấy bằng 12 cho thành phần vận chuyển vuông góc với hướng sóng. Hệ số b được xem như điều kiện ban đầu của chuyển động, được lấy giá trị là 4.5. Các giá trị θnet và θcn được xác định theo công thức: (49) trong đó: (50) 14 và (51) Trong đó Twc – chu kỳ dòng chảy theo hướng dương, Twt – chu kỳ dòng chảy theo hướng âm (T=Twc+Twt). Ma sát đáy trong trường hợp có mặt cả sóng và dòng chảy được tính theo công thức của Madsen và Grant (1976) như sau: (52) Với và fc , fw là hệ số ma sát trong trường hợp chỉ có dòng chảy và sóng. Vận chuyển trầm tích lơ lửng: Công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng q s dựa trên giả thiết sự phân bố nồng độ trầm tích theo hàm mũ dọc theo mặt cắt theo phương thẳng đứng và tốc độ dòng chảy là đồng nhất. Công thức của Camenem và Larson (2006) đưa ra như sau: (53) Trong đó: Wf – tốc độ lắng đọng của trầm tích, C R – nồng độ trầm tích và εhệ số xáo trộn. Hướng của vận chuyển trầm tích lơ lửng được xem như trùng với hướng dòng chảy, bởi vì trong một chu kỳ sóng lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng là bằng 0. Công thức phân bố của CR được đưa ra là. (54) Trong đó AcR là hệ số. (55) Và d* là kích thước hạt. (56) Hệ số khuyếch tán tính theo công thức. (57) Trong đó De là hệ số thực nghiệm, xác định bằng. (58) Trong đó kc,kw,kb là các hệ số. Phương trình bình lưu khuyếch tán Vận chuyển trầm tích tổng cộng gồm hai thành phần, vận chuyển trầm tích lơ lửng và vận chuyển trầm tích di đáy. Các công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy dựa trên ứng suất trượt tại từng vị trí. Tuy nhiên trong một số trường hợp lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng biến đổi mạnh như tại các cửa sông, lạch triều, luồng tàu và tại các chân công trình, khi đó không thể tính vận chuyển trầm tích dựa vào các lực tác động tại chỗ. Trong trường hợp này phương trình bình lưu 15