Nghiên cứu xây dựng mô hình số trị ba chiều cho vùng biển nước nông ven bờ

  • Số trang: 184 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 26 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27700 tài liệu

Mô tả:

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS. TS. Đinh Văn Ƣu, TS. Bùi Xuân Thông, đã tận tình hƣớng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành bản luận án; Cảm ơn các chuyên gia trong và ngoài trƣờng đã đọc bản thảo và đóng góp những ý kiến quý báu cho bản luận án. Luận án cũng đã nhận đƣợc sự hỗ trợ tích cực của đề tài cấp Nhà nƣớc : ‘Luận chứng khoa học về mô hình phát triển kinh tế – sinh thái trên một số đảo, cụm đảo lựa chọn vùng biển ven bờ Việt Nam‘, mã số KC-09-12 thuộc Chƣơng trình Biển do GS. TS. Lê Đức Tố làm chủ nhiệm. Những động viên, giúp đỡ đó đã giúp chúng tôi vƣợt qua khó khăn để hoàn chỉnh bản luận án này. NGUYỄN MINH HUẤN MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY BA CHIỀU VÙNG BIỂN VEN BỜ 6 1.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu dòng chảy ba chiều 7 1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc 20 1.3 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án 23 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA MÔ HÌNH THUỶ ĐỘNG LỰC BA CHIỀU 26 2.1 Hệ phƣơng trình thủy động lực ba chiều trong hệ toạ độ sigma 26 2.2 Các phƣơng pháp tham số hoá quá trình trao đổi rối 31 2.3 Các điều kiện biên và điều kiện đầu 45 2.4 Tác động của sóng trọng lực bề mặt 57 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP SỐ GIẢI HỆ PHƢƠNG TRÌNH THỦY ĐỘNG LỰC 63 3.1 Sơ đồ lƣới tính và các chỉ số ký hiệu 63 3.2 Thuật giải hệ phƣơng trình bảo toàn động lƣợng 67 3.3 Thuật giải hệ phƣơng trình đối với các biến vô hƣớng 97 3.4 Thuật giải hệ phƣơng trình đối với các đặc trƣng rối 109 3.5 Các bƣớc tính toán và sơ đồ khối tổng quát 116 CHƢƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC BA CHIỀU 116 4.1 Kết quả thử nghiệm so sánh các sơ đồ bình lƣu 116 4.2 Kết quả thử nghiệm so sánh các sơ đồ khép rối 126 4.3 Kết quả thử nghiệm tác động của sóng trọng lực 133 trên bề mặt CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HOÀN LƢU VÙNG BIỂN QUẢNG NAM KHU VỰC HỘI AN - CÙ LAO CHÀM 5.1 Chế độ khí tƣợng thủy văn vùng biển Quảng Nam khu vực 136 Hội An – Cù Lao Chàm 5.2 Chế độ hoàn lƣu vùng biển nghiên cứu qua kết quả tính 137 toán của mô hình KÕt luËn 146 Danh môc c«ng tr×nh cña t¸c gi¶ 169 Tµi liÖu tham kh¶o 172 173 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa Ký hiệu a1 – a15 aw Ahx Ahy Ah Av Các hệ số của phương trình trạng thái. Biên độ sóng trọng lực. Thành phần bình lưu theo phương ngang trên hướng X. Thành phần bình lưu theo phương ngang trên hướng Y. Thành phần bình lưu tổng cộng theo phương ngang. Thành phần đối lưu theo phương thẳng đứng. Ahx Thành phần bình lưu 2D trên hướng X. Ahy Thành phần bình lưu 2D trên hướng Y. Ah Thành phần bình lưu 2D tổng cộng. b c Cg cp Độ nổi. Vận tốc sóng trọng lực. Vận tốc nhóm sóng. Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước biển. CDs Hệ số ma sát gió. CDb Hệ số ma sát đáy. CE CH Dhx Dhy Dh Dxx Dyx Dxy Dyy Dv Hệ số Dalton. Hệ số Stanton. Thành phần khuếch tán theo phương ngang trên hướng X. Thành phần khuếch tán theo phương ngang trên hướng Y. Thành phần khuếch tán tổng cộng theo phương ngang. Thành phần khuếch tán của u trên hướng X. Thành phần khuếch tán của u trên hướng Y. Thành phần khuếch tán của v trên hướng X. Thành phần khuếch tán của v trên hướng Y. Thành phần khuếch tán tổng cộng (u, v và các biến vô hướng). Dxx Thành phần khuếch tán của U trên hướng X. Dyx Thành phần khuếch tán của U trên hướng Y. Dxy Thành phần khuếch tán của V trên hướng X. Dyy Thành phần khuếch tán của V trên hướng Y. f Tham số Coriolis. i F Fhar Hàm toạ độ sigma. Hàm điều hoà. g h H I J Gia tốc trọng trường. Độ sâu bề mặt đáy so với mực nước trung bình. Độ sâu tổng cộng. Bức xạ mặt trời trong môi trường nước biển. Toán tử chuyển đổi giữa hệ toạ độ Đề Các và sigma. k kw l L Năng lượng rối. Số sóng. Độ dài xáo trộn. Độ dài tỉ lệ. Mt = t3D/t2D Số bước thời gian 2D (thành phần chính áp) trong một bước tính 3D (thành phần tà áp). Mtot Mx Số bước thời gian 2D tổng cộng. Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng X trong hệ phương trình truyền tải các biến vô hướng. My N Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng Y trong hệ phương trình truyền tải các biến vô hướng. Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng thẳng đứng trong hệ phương trình truyền tải các biến vô hướng. Tần số Brunvaisala. Nx Ny Nz Số lượng các nút lưới trên hướng X. Số lượng các nút lưới trên hướng Y. Số lượng các nút lưới trên hướng Z. Nt Số bước thời gian 3D. p Áp suất . p Thành phần thăng giáng mạch động của áp suất. Pa Qi Áp suất không khí. Thành phần gradien áp suất tà áp baroclin. R Biến đặc trưng Riemann tới và đi khỏi biên. Ri S Sm, Sh, Su, Sb T Số Richardson. Độ muối. Hàm ổn định trong các sơ đồ khép kín rối. Nhiệt độ nước. Ta TVD Nhiệt độ không khí. Thuật giải suy giảm biến động tổng cộng. Mz ii uF Vận tốc dòng chảy theo phương X tham gia vào quá trình bình lưu của các biến vô hướng. U, V, W u, v, w u*s, u*b Uw Các thành phần vận tốc tức thời. Các thành phần vận tốc trung bình theo thời gian. Vận tốc ma sát tại bề mặt và đáy. Vận tốc quỹ đạo sóng. u Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc u. UF Giá trị của dòng chảy tích phân U theo độ sâu lấy trung bình trong một bước thời gian tính 3D. Vận tốc dòng chảy theo phương Y tham gia vào quá trình bình lưu của các biến vô hướng. vF v Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc v. VF x, y , z Giá trị của dòng chảy tích phân V theo độ sâu lấy trung bình trong một bước thời gian tính 3D. Các trục toạ độ Đề Các. x1, x2, x3 Các trục toạ độ Đề Các. w ~ w Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc w. zr Cao độ từ đáy biển tới trung tâm của ô lưới sát đáy. x1 Độ lớn của bước lưới tính trên hướng X tại trung tâm ô. x2 Độ lớn của bước lưới tính trên hướng Y tại trung tâm ô. x3 Độ lớn của bước lưới tính trên hướng thẳng đứng tại trung tâm ô. k Độ lớn của bước lưới trên hướng thẳng đứng trong hệ toạ Thành phần vận tốc theo phương thẳng đứng trong hệ toạ độ sigma. độ sigma tại trung tâm ô. t2D Bước thời gian tính của thành phần 2D. t3D Bước thời gian tính của thành phần 3D. x Toán tử sai phân trên hướng X. y Toán tử sai phân trên hướng Y. z Toán tử sai phân trên hướng thẳng đứng. b Độ dày của lớp biên đáy. a Hệ số xác định tính chất của sơ đồ sai phân đối với thành phần đối lưu thẳng đứng, a = 0 hiện; a = 1 ẩn. v Hệ số xác định tính chất của sơ đồ sai phân đối với thành phần khuếch tán thẳng đứng, v = 0 hiện; v = 1 ẩn. iii (r) Hàm trọng số giữa sơ đồ sai phân ngược dòng và Lax-Wendroff đối với thành phần thông lượng bình lưu theo phương ngang và giữa sơ đồ sai phân ngược dòng và trung tâm đối với thành phần thông lượng đối lưu theo phương thẳng đứng.  Tần số quay của trái đất. T Hệ số nhớt rối theo phương thẳng đứng. H Hệ số khuếch tán động lượng theo phương ngang. T Hệ số khuếch tán rối theo phương thẳng đứng.  Mật độ nước. 11, 21, 12, 22 Các tenxơ ứng suất thành phần theo phương ngang. s1, s2 Tenxơ ứng suất trên bề mặt thoáng theo phương ngang. b1, b2 Tenxơ ứng suất trên bề mặt đáy theo phương ngang. c Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy do dòng chảy gây ra. w,max Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy cực đại do sóng gây ra. b,max Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy cực đại tổng cộng do sóng và dòng chảy gây ra.  Toạ độ sigma.  Hệ số sóng trọng lực.  Tần số sóng trọng lực. n Tần số của các phân triều.  Thế vận tốc sóng trọng lực. n0 Pha ban đầu của các phân triều. n Góc vị đặc trưng của các phân triều.  Cao độ mặt thoáng so với mực nước trung bình. n Biên độ của các phân triều. 0p, 0m Các giá trị ban đầu của hệ số nhớt rối.  Cường độ tiêu tán năng lượng rối. T Hệ số dãn nở do nhiệt. S Hệ số dãn nở do muối. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Hệ toạ độ chuyển đổi sigma theo chiều thẳng đứng. iv Hình 2.2 Biến động của hàm ổn định đối với động lượng và các biến vô hướng theo số Richardson Ri. Hình 2.3 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Kết quả so sánh của 8 mô hình dự báo ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy trung bình và cực đại dưới tác động của sóng và dòng chảy. Sơ đồ lưới tính. Sơ đồ xác định các thành phần thông lượng bình lưu. Sơ đồ khối tổng quát mô hình dòng chảy 3 chiều. Hình 4.1 Hình 4.2 Trạng thái ban đầu của phân bố nồng độ muối và dòng chảy. Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T. Sơ đồ ngược dòng – trường hợp A. Hình 4.3 Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T Sơ đồ Lax – Wendroff – trường hợp B. Hình 4.4 Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T Sơ đồ suy giảm biến động tổng cộng TVD với hàm giới hạn – trường hợp C. Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Vị trí ban đầu của fron muối. Biến trình phát triển của dòng tại các chu kỳ triều của trường hợp A. Biến trình phát triển của dòng tại các chu kỳ triều của trường hợp B. Biến trình phát triển của dòng tại các chu kỳ triều của trường hợp C. Biến trình phát triển của dòng tại các chu kỳ triều của trường hợp D. chảy và phân bố độ muối chảy và phân bố độ muối chảy và phân bố độ muối chảy và phân bố độ muối Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 0m; T = A - Địa hình đáy không đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x2/3 m. Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 0,5m; T = A - Địa hình đáy không đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x2/3 m. 0s Hình 4.12 Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 1,5m; T A - Địa hình đáy không đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x2/3 m. 7s Hình 5.1 Hình 5.2 Hình 5.3 Bản đồ khu vực Quảng Nam – Hội An – Cù Lao Chàm. Hoa gió trung bình tháng. Biến trình mực nước thực đo tại đảo Cù Lao trong thời gian từ ngày 26-4-2002 đến 1-5-2002. Trường sóng gió trung bình tháng. Kết quả so sánh giá trị tính toán và tại trạm đo dòng chảy liên tục TK1. Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 5.4 Hình 5.5a v = 7s Chàm [m] thực đo Kết quả so sánh giá trị tại trạm đo dòng chảy liên tục TK2. Hình 5.6 Hình 5.7a Kết quả so sánh giá trị tính toán và thực đo mực nước. Hoàn lưu tháng VII đại diện mùa khô theo phương ngang tại tầng mặt (0,2H). Hoàn lưu tháng VII đại diện mùa khô theo phương ngang tại tầng giữa (0,5H). Hình 5.7b. tính toán và thực đo Hình 5.5b Hình 5.7c Hình 5.8 Hình 5.9a Hoàn lưu tháng VII đại diện mùa khô theo phương ngang tại tầng đáy (1H). Phân bố độ muối tháng VII đại diện mùa khô. Hoàn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng mặt (0,2H). Hình 5.9b Hoàn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng giữa (0,5H). Hoàn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng đáy (1H). Hình 5.9c Hình 5.10 Hình 5.11 Hình 5.12 Hình 5.13 Phân bố độ muối tháng XII đại diện mùa mưa. Phân bố dòng thăng mùa khô (tháng VII). Phân bố dòng thăng tháng XII đại diện mùa mưa. Phân bố dòng chảy theo mặt cắt: A. tháng VII đại diện mùa khô B. tháng XII đại diện mùa mưa. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị của các tham số sử dụng trong các sơ đồ khép kín rối Bảng 2.2 Giá trị trung bình của zo đối với các dạng đáy khác nhau. Bảng 2.3 Chỉ dẫn lựa chọn mô hình tính toán lan truyền sóng. Bảng 5.1 Tốc độ gió trung bình tháng và cực đại (m/s) vi Bảng 5.2 Số lượng bão (áp thấp nhiệt đới) đổ bộ hoặc ảnh hưởng trực tiếp đến khu vực nghiên cứu. Bảng 5.3 Bảng 5.4 Lưu lượng nước trung bình và lớn nhất thời kỳ quan trắc 1977 – 1985. Giá trị biên độ và góc vị đặc trưng các phân triều của trạm Sơn Trà vii MỞ ĐẦU Bờ biển Việt Nam trải dài trên 3200km với 114 cửa sông lớn nhỏ, vùng biển Việt Nam với diện tích trên 1 triệu km2, vùng nước ven bờ chiếm khoảng 11% diện tích đóng vai trò to lớn đối với sự phát triển của đất nước, là vùng phát triển kinh tế năng động nhờ tài nguyên thiên nhiên phong phú và điều kiện tự nhiên thuận lợi. Trong thời điểm hiện nay, quan điểm chung của nhiều nhà khoa học tại các viện nghiên cứu cho rằng môi trường biển của chúng ta đã bị ảnh hưởng xấu trong những thập kỷ cuối. Môi trường ven bờ Việt Nam đang đối mặt với những vấn đề như hiện tượng gia tăng các tai biến tự nhiên và kỹ thuật, hiện tượng nhiễm bẩn, suy giảm môi trường sống và tài nguyên sinh vật biển. Quá trình dịch chuyển của các khu công nghiệp về các khu vực ven bờ, sự phát triển của các bến cảng mới, sự bùng nổ của các trung tâm dân cư đông đúc, sự lạm dụng phân bón hoá học, hoá chất bảo vệ thực vật trong nông nghiệp, các chất độc trong đánh bắt thủy hải sản đã làm cho các vùng nước ven bờ bị nhiễm bẩn, phá hủy các hệ sinh thái biển và dẫn tới các vấn đề nghiêm trọng đối với sức khoẻ cho cộng đồng dân cư. Tại vùng biển khơi các hoạt động sử dụng thềm lục địa như khai thác khoáng sản biển nhất là dầu mỏ, sự thải loại các rác công nghiệp, sự phát triển của trao đổi mậu dịch trên biển, đã liên tục làm tăng mức độ ô nhiễm của biển và các vùng nước ven bờ. Môi trường biển là một hệ thống cực kỳ phức tạp, rất khó khăn trong việc dự báo những ảnh hưởng của hoạt động con người lên môi trường biển đặc biệt ở vùng nước ven bờ, nhưng một điều chắc chắn cần thiết và cấp bách trong giai đoạn hiện nay là phải quản lý, kiểm soát môi trường biển, tìm kiếm sự thỏa hiệp cần thiết giữa một bên là nhu cầu ngày một tăng cao của quá trình công nghiệp hoá cũng như nhu cầu của xã hội và một bên là sự cần thiết phải bảo tồn các giá trị của tự nhiên. Sự tăng cường nhận thức đối với các nguy cơ ảnh hưởng tới môi trường của các hoạt động nhân sinh đã tập trung được sự chú ý của các nhà khoa học trong vấn đề dự báo dòng chảy và hiện tượng phát tán các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước vùng ven bờ. Khác với vùng nước xa bờ, nơi mà nguồn nhiễm bẩn dễ phân tán và bị -3- làm loãng, nhiễm bẩn ở vùng ven bờ có xu hướng lưu tồn lâu dài hơn và phụ thuộc vào các đặc điểm động lực của vùng nước. Mô phỏng cấu trúc dòng chảy phải là một trong những trọng điểm đầu tiên trong quá trình nghiên cứu các hiện tượng liên quan từ độ ổn định của các công trình thủy, đến xâm nhập mặn, khuyếch tán các chất nhiễm bẩn, vận chuyển trầm tích, và sinh thái môi trường biển. Những thông tin tin cậy về chế độ động lực có thể nhận được từ các phương pháp nghiên cứu phù hợp như thu thập phân tích các số liệu đo đạc, mô hình vật lý và mô hình toán học. Luận án sẽ tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình số trị bài toán thủy động lực ba chiều quy mô vừa (mesoscale) mô phỏng dòng chảy không dừng và quá trình bình lưu khuếch tán dưới tác động tổng hợp của các quá trình thủy triều, khí hậu - khí tượng, biến động của mật độ nước do hiện tượng bất đồng nhất của nhiệt độ, độ muối và một số tác động của sóng bề mặt trong vùng nước nông ven bờ. Luận án này gồm phần mở đầu, 5 chương, kết luận, danh mục công trình của tác giả và tài liệu tham khảo. Chương I Tổng quan tình hình nghiên cứu dòng chảy ba chiều vùng biển ven bờ trình bày một cách tổng quát các phương pháp, kết quả nghiên cứu trên thế giới và ở trong nước về cấu trúc ba chiều của dòng chảy trong biển và vùng nước ven bờ. Chương II Cơ sở toán học của mô hình thuỷ động lực ba chiều trình bày các phương trình toán học của mô hình thủy động lực ba chiều, các giả thuyết xấp xỉ, các điều kiện biên, những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực tham số hoá quá trình xáo trộn rối, áp dụng để khép kín hệ phương trình và tác động của sóng trọng lực bề mặt. Chương III Phương pháp số giải hệ phương trình thủy động lực xét đến các phương pháp số trị sai phân hữu hạn xấp xỉ hệ phương trình toán học của mô hình như sơ đồ ngược dòng, sơ đồ Lax-Wendroff, sơ đồ trung tâm và thuật giải suy giảm biến động tổng cộng TVD, thiết lập các thuật toán chi tiết đối với từng thành phần của phương trình, xét cách đặt điều kiện biên mực nước cho biên lỏng dựa vào số đo mực nước tại một điểm trên biên cứng, điều kiện cho biên cửa sông trong điều kiện có phân tầng. -4- Chương VI Các kết quả thử nghiệm mô hình thủy động lực ba chiều trình bày các kết quả kiểm nghiệm đối với các sơ đồ sai phân, các phương pháp tham số hoá quá trình trao đổi rối và ảnh hưởng của sóng gió bề mặt, thông qua quá trình thử nghiệm số lựa chọn các phương án thích hợp phục vụ tính toán trường dòng chảy tại vùng nước ven bờ có cửa sông. Chương V Kết quả ứng dụng mô hình tính toán hoàn lưu vùng biển Quảng Nam khu vực Hội An – Cù Lao Chàm giành cho việc trình bày những nét cơ bản của chế độ khí tượng thủy văn và kết quả tính toán hoàn lưu vùng biển Hội An - Cù Lao Chàm, Quảng Nam minh chứng cho khả năng áp dụng thực tế của mô hình và góp phần cung cấp thông tin về chế độ thủy động lực của vùng biển nghiên cứu phục vụ các mục đích nghiên cứu khoa học, kinh tế và quốc phòng. -5- Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY BA CHIỀU Hoàn lưu vùng nước ven bờ là một đối tượng nghiên cứu rất phức tạp, dòng chảy ở đây được hình thành và tồn tại do nhiều nguyên nhân tác động khác nhau như thủy triều, gió, áp suất không khí trên bề mặt thoáng, biến động theo phương ngang của động lượng sóng trọng lực trên bề mặt do hiện tượng biến dạng khi sóng lan truyền, sự biến động của mật độ nước và ảnh hưởng của địa hình. Để nghiên cứu và làm sáng tỏ cơ chế thủy động lực của hiện tượng phức tạp này, hiện nay chúng ta đang sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, những phương pháp này phụ thuộc vào phương thức tiếp cận, mức độ phức tạp và hoàn thiện được phân loại thành ba phương pháp chính như sau: phương pháp đo đạc, thu thập và phân tích các số liệu hiện trường, phương pháp mô hình vật lý và phương pháp mô hình toán. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trên các mô hình thu nhỏ của một hệ thống vật lý được gọi là mô hình vật lý, song song với mô hình vật lý là mô hình toán học - biểu diễn toán học của một hệ thống vật lý, các mô hình số là các mô hình toán học trong đó các hệ phương trình toán học được rời rạc hoá và giải bằng sự trợ giúp của máy tính điện tử. Dưới đây chúng tôi xin đề cập tới những nét cơ bản nhất, những ưu điểm và hạn chế của các phương pháp nghiên cứu. 1.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY BA CHIỀU 1.1.1 Phƣơng pháp đo đạc, thu thập và phân tích các số liệu đo đạc hiện -6- trƣờng: Đây là phương pháp truyền thống, đo đạc và quan trắc các hiện tượng thủy động lực tại hiện trường là các biện pháp tối cần thiết để tìm hiểu đánh giá chế độ thủy động lực của khu vực nghiên cứu và vai trò của nó đối với các quá trình thạch động lực, quá trình lan truyền các chất gây ô nhiễm và ảnh hưởng của chế độ động lực khu vực lên các công trình đã tồn tại hoặc dự kiến xây dựng. Số liệu thực đo tại hiện trường có thể dùng để xây dựng mối liên hệ tương quan với các khu vực liên quan khác có số liệu thực đo nhiều năm hơn và có thể sử dụng làm số liệu đầu vào xác định các lực tác động cho mô hình vật lý hay toán học hoặc là các số liệu hiệu chỉnh hoặc kiểm định độ chính xác đầu ra của các mô hình nghiên cứu này. Nội dung chính của phương pháp bao gồm: + Tiến hành khảo sát, đo đạc tại khu vực nghiên cứu. + Xử lý các số liệu đo đạc. + Phân tích diễn biến, phán đoán xu thế. + Thiết lập mối quan hệ các yếu tố thủy động lực với các tác nhân trong tự nhiên. Phương pháp thu thập và phân tích các số liệu đo đạc là phương pháp truyền thống, những kết quả của phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá biến động ngắn hạn và dài hạn, đánh giá tổng hợp nguyên nhân. Các thiết bị đo đạc tại hiện trường đối với các đặc trưng thủy động lực ba chiều hiện nay đều là các thiết bị kỹ thuật cao, được phân loại theo nguyên lý hoạt động dựa trên những đặc trưng cơ bản của quá trình lan truyền sóng âm, sóng ánh sáng và sóng điện từ trong môi trường nước. Những thiết bị này có thể đo được giá trị của vận tốc dòng chảy theo ba chiều không gian tại một điểm hoặc giá trị vận tốc của dòng chảy theo phương ngang tại nhiều lớp khác nhau. Có thể liệt kê một số thiết bị của các hãng sản xuất khác nhau như DCM-12 của hãng Aanderaa, 3D MAVS của hãng NOBSKA, 3D Wave/Curent của hãng Famouth Scientific, ADCP của hãng RDI, ADP của hãng -7- Sontek... Phương pháp đo đạc tại hiện trường sẽ cho phép thu nhận được số liệu chính xác nhất, nhưng lại yêu cầu rất lớn về chi phí cho trang thiết bị và kinh phí thực hiện. 1.1.2 Phƣơng pháp mô hình vật lý Khác biệt với phương pháp đo đạc, thu thập và phân tích các tài liệu đo đạc tại hiện trường, mô hình vật lý có không gian nhỏ hơn, chi phí ít hơn, dễ dàng hơn trong nghiên cứu, đơn giản hơn so với tự nhiên, mô hình vật lý có thể chỉ tính đến những khía cạnh quan trọng nhất của hiện tượng cần nghiên cứu. Ngoài ra trong mô hình vật lý, các điều kiện đầu vào có thể biến động theo quy luật và kiểm soát được, điều này không thể có được trong các nghiên cứu tại hiện trường trong tự nhiên. Các mô hình vật lý được xây dựng và hoạt động với tỷ lệ thu nhỏ là một lựa chọn cho phép chúng ta kiểm tra quá trình thủy động lực vùng ven bờ khi không thể có các nghiệm giải tích. Mô hình vật lý tích hợp được hoàn toàn các hệ phương trình chủ yếu của quá trình thủy động lực không cần tới các giả thiết đơn giản hoá phải sử dụng trong các mô hình giải tích và mô hình số, kích thước nhỏ của mô hình vật lý cho phép thu thập số liệu đo đạc tổng thể với chi phí tiết kiệm, trong khi đo đạc số liệu tại hiện trường thường khó khăn và tốn kém hơn rất nhiều và hầu như không thể đo đạc được số liệu đồng bộ về thời gian, một lợi thế nữa của mô hình vật lý là cho phép chúng ta mô phỏng được các điều kiện biến động hoặc các điều kiện có tần suất hiếm trong tự nhiên ngoài ra chúng ta còn có thể quan sát được tác động ngược của mô hình một cách trực quan. Bên cạnh các ưu điểm như trên mô hình vật lý cũng có những mặt hạn chế, trước hết là hiệu ứng thu nhỏ, mô hình vật lý nhỏ hơn thực tế nên không thể mô phỏng toàn bộ biến động của các đặc trưng trong mối liên hệ chính xác giữa chúng, thí dụ đối với các mô hình vùng ven bờ lực nhớt thường lớn hơn so với tự nhiên. Trong mô hình vật lý, đôi khi các lực truyền động và điều kiện biên trong tự nhiên không thể lặp lại một cách toàn bộ do đó cần phải lượng giá và tính đến sự thiếu hụt này khi đánh giá kết quả của một mô hình vật lý, thí dụ ứng suất gió, tác động của lực Coriolis trong tự nhiên không thể mô phỏng lại trong bất kỳ mô hình vật lý nào. Ngoại trừ một số trường hợp -8- đặc biệt, chi phí cho hoạt động của mô hình vật lý thường lớn hơn so với mô hình số, trong trường hợp khi mô hình số cho các kết quả tính toán chính xác ở mức độ chấp nhận được, thì mô hình số sẽ được lựa chọn làm phương pháp nghiên cứu. Sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng mô hình số trong nghiên cứu thủy động lực hiện nay không làm cho mô hình vật lý trở nên lỗi thời, mô hình vật lý vẫn tiếp tục cùng phát triển với mô hình số, xu thế hiện tại là sử dụng phương pháp liên hợp trong đó kết quả của mô hình vật lý đối với một vùng nghiên cứu phức tạp có thể sử dụng làm số liệu đầu vào hoặc điều kiện biên cho một mô hình số hoàn thiện bao trùm lên vùng nghiên cứu lớn hơn và ngược lại, kết quả của mô hình số có thể sử dụng làm điều kiện đầu vào tại biên cho mô hình vật lý. 1.1.3 Phƣơng pháp mô hình toán Mô hình toán học là một trong những phương pháp tiếp cận tối ưu trong nghiên cứu dòng chảy ba chiều. Bước đầu tiên trong việc mô hình hoá toán học môi trường biển là việc xác định giới hạn của hệ thống, đó là phạm vi về không gian và trạng thái, giới hạn của hệ thống sẽ xác định các điều kiện biên và các biến trạng thái của mô hình, xác định bản chất, vị trí và qui mô thời gian của những điều kiện biên và điều kiện ban đầu cần thiết. Phạm vi về không gian và trạng thái của mô hình có thể sẽ rất khác biệt trong các trường hợp khác nhau. Đặc trưng trước hết của mô hình là đối tượng nghiên cứu như các vùng địa lý, quy mô thời gian và các quá trình chuyên biệt cần mô phỏng, đặc trưng thứ hai là quy mô về không gian và các biến trạng thái, đặc trưng thứ ba là độ phân giải của mô hình và cuối cùng là độ chính xác. Trên thực tế, mô hình biển đầy đủ phải là mô hình ba chiều không gian và tiến triển theo thời gian, có thể giản lược bớt các chiều không gian hoặc thời gian như mô hình trung bình theo độ sâu của vùng biển nông, mô hình vùng cửa sông trung bình theo mặt cắt ngang, mô hình dòng chảy dừng, mô hình trung bình trong không gian tiến triển theo thời gian của các biến sinh thái ... Tương tự như vậy, một mô hình biển thực sự đầy đủ phải là mô hình có vô hạn -9- các biến trạng thái, do hạn chế về năng lực của công cụ tính toán nên chỉ có một số nhất định các biến trạng thái được chọn lựa. Do đó điều cốt yếu trong mô hình hoá là việc chọn lựa một số lượng hạn chế các biến trạng thái đặc trưng, số lượng này phải vừa nhỏ để đủ khả năng phân tích các phương trình thể hiện chúng nhưng cũng phải vừa đủ lớn để thể hiện được tính chất đặc trưng của hệ thống cần mô phỏng. Các biến trạng thái của mô hình có thể chia ra nhiều lớp như các quá trình thủy động lực, hoá học, sinh học ... và mỗi lớp có thể chia thành các mô hình thủy động lực, hoá học, sinh học và giữa chúng tồn tại các liên kết số liệu. Trong đó mô hình thủy động lực là phát triển nhất, vì việc tìm hiểu thấu đáo các quá trình thủy động lực là điều kiện tiên quyết để có thể mô hình hoá được các quá trình vận chuyển, khuếch tán, hoá học hoặc sinh học sinh thái khác. Các mô hình thủy động lực được mô tả toán học bằng các phương trình đạo hàm riêng, trong đó các nghiệm được xác định ở toàn bộ các điểm lưới và tiến triển theo thời gian. Sự phát triển của các mô hình thủy động lực luôn luôn được quan tâm vì khả năng áp dụng trực tiếp của chúng trong các công trình kỹ thuật vùng ven bờ và ngoài khơi. Các biến trạng thái của mô hình thủy động lực phụ thuộc vào mức độ phức tạp của các mô hình là các đặc trưng cơ nhiệt, vận tốc, áp suất, độ nổi, nhiệt độ, độ muối, năng lượng rối..., mô hình thủy động lực có thể dễ dàng mở rộng đối với các hợp phần thụ động và bán thụ động tồn tại trong môi trường biển. 1.1.3.1 Hệ phương trình thủy động lực ba chiều tổng quát Hệ phương trình toán học mô tả chuyển động của nước trong biển và đại dương là những biến thể của hệ phương trình Navier-Stokes – hệ phương trình thông dụng trong cơ học chất lỏng. Sự khác biệt căn bản giữa chúng là thành phần xác định ảnh hưởng do quá trình quay của trái đất và những giả thiết xấp xỉ được áp dụng cho lớp chất lỏng mỏng và bị phân tầng trên bề mặt cầu. Ngoài ra, môi trường nước trong tự nhiên còn có trạng thái phụ thuộc không tuyến tính với các đặc trưng thủy nhiệt động lực như nhiệt độ, muối, các hợp phần có nguồn gốc vô cơ hoặc hữu cơ.... Mô hình số trị mô phỏng trường phân bố vận tốc và mật độ của môi trường nước - 10 - trong tự nhiên sẽ dựa trên hệ các phương trình thủy động lực và nhiệt động lực liên hệ với nhau thông qua quy luật bảo toàn động lượng, khối lượng và năng lượng. Hệ các phương trình sẽ được xây dựng trong toạ độ Đề Các, các thành phần của vận tốc theo các trục x, y và z tuần tự sẽ là U, V và W. Để thuận tiện và ngắn gọn trong biểu diễn toán học trong một số trường hợp chúng tôi sử dụng các ký hiệu xi (i = 1,2,3) thay thế cho ký hiệu các trục x, y, z và các thành phần vận tốc là Ui (i = 1,2,3). Phương trình bảo toàn đối với các đặc trưng của chất lỏng (động lượng, khối lượng, nhiệt độ, độ muối ...) ở dạng tổng quát được thể hiện như sau: F     U i   i q t  xi  xi (1.1) trong đó:  - mật độ nước; t – thời gian; Fi – các thông lượng thành phần của đặc trưng  ; q – nội nguồn tổng cộng của đặc trưng  . Hệ phương trình trên có thể mô tả chi tiết đặc trưng chuyển động rối của chất lỏng, nhưng những đặc trưng chi tiết này vẫn chưa thể xác định được bằng các phương pháp số. Để đơn giản hoá hệ phương trình nhưng vẫn thể hiện được hiện tượng, chúng ta sử dụng phương pháp phân tách các đặc trưng thành hai thành phần: một thành phần biểu diễn chuyển động trung bình và thành phần còn lại biểu diễn giá trị thăng giáng mạch động xung quanh giá trị trung bình. Ui  ui  ui ;       (1.2) Giá trị trung bình theo Osborne Reynolds được xác định bằng biểu thức sau: ui  1 t 2  t1 t U i dt  1 t 2  t1 t  dt t2 (1.3a) 1 t2 (1.3b) 1 trong đó: thời gian lấy trung bình (t2 – t1), đủ lớn khi so sánh với qui mô thời gian của rối nhưng đủ nhỏ trong so sánh với dòng chảy trung bình tức thời. Phương pháp này thường được sử dụng để phân tách chuyển động của chất lỏng thành hai thành phần chuyển động trung bình và nhiễu động rối (Hinze, 1975 [23]; - 11 - Monin và Yaglom, 1975 [38]; Rouse, 1976 [47]; Van Rjin Leo, 1989 [59]; Kowalik và Murty, 1993 [27]). Ý nghĩa của các giá trị trung bình và nhiễu động phụ thuộc vào chu kỳ lấy trung bình, khi thay đổi chu kỳ lấy trung bình, chúng ta có thể phân lập được các hiện tượng động lực khác nhau. Hệ phương trình cơ bản đối với dòng chảy áp dụng phương pháp phân tách thành phần sẽ có dạng như sau: Phương trình liên tục u v w   0  x1  x 2  x 3 (1.4) Phương trình chuyển động  u  u 2 ( vu ) ( wu ) 1 P      fv  t  x1  x2  x3   x1  u 2 uv uw     x1 x 2 x 3  v  ( uv ) ( v 2 ) ( wv ) 1 P      fu t  x1  x2  x3   x2 uv  v 2  vw    x1  x2 x 3  w  ( uw ) ( vw ) ( w 2 ) 1 P     g t  x1  x2  x3   x3  uw  vw  w 2     x1 x 2 x 3 (1.5) (1.6) (1.7) Phương trình bảo toàn các đặc trưng vô hướng  ( u ) ( v ) ( w ) u  v  w      S    t x1 x 2 x 3 x1 x 2 x 3 (1.8) Hệ phương trình (1.4 – 1.8) chưa phải là một hệ phương trình khép kín đầy đủ, do bản chất quan hệ phi tuyến của hệ phương trình, sau khi phân tách, qua quá trình lấy - 12 -
- Xem thêm -