Tài liệu Mô phỏng chế độ thủy động lực học và sự thay đổi hình thái khu vực cửa sông gành hào, cà mau (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TRUNG QUÂN MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ SỰ THAY ĐỔI HÌNH THÁI KHU VỰC CỬA SÔNG GÀNH HÀO, CÀ MAU C C R UT.L D Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 8580202 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Đà Nẵng - Năm 2020 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS-TS. Võ Ngọc Dương GS-TS. Lê Mạnh Hùng Phản biện 1: TS. Đoàn Thụy Kim Phương Phản biện 2: TS. Hoàng Ngọc Tuấn C C R UT.L Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 12 năm 2020. D Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Xây dựng Công trình thủy, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện trạng sạt lở đồng bằng sông Cửu Long hiện đang rất nghiêm trọng, trong những năm gần đây, dưới tác động của suy giảm dòng chảy thượng nguồn, hàm lượng phù sa thay đổi, kết hợp với sự phát triển cơ sở hạ tầng... dẫn tới tốc độ sạt lở ngày càng nhanh và phức tạp hơn. Thống kê năm 2010, Đồng bằng sông Cửu Long chỉ có 99 điểm xói lở và sạt lở; đến năm 2019 con số này đã lên đến 681 điểm, tăng gấp 7 lần. Các điểm sạt lở này ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người dân, gây cản trở giao thông cũng như phát triển kinh tế xã hội của địa phương. D C C R UT.L Hình 1: Hiện trạng sạt lở ở đồng Hình 2: Sạt lở nghiêm trọng tuyến bằng Sông Cửu Long (nguồn đường trên Quốc lộ 91 đoạn đi qua dangcongsan.vn) xã Bình Mỹ, An Giang. Ảnh: TTXVN Một trong những khu vực trọng điểm gây xói lở mạnh cũng như gây ra những khó khăn trong việc xử lý là cửa Gành Hào, Cà Mau. Tại đây xói lở bờ biển diễn biến ngày một phức tạp, gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống nhân dân cũng như tác động đến sự phát triển kinh tế xã hội của các địa phương ven biển. Trước đây dưới tác động của chế độ thủy thạch động lực biển Đông, kè chống sạt lở bờ trái cửa Gành Hào đã bị hư hỏng nghiêm trọng. Những diễn biến này càng phức tạp của biến đổi khí hậu, nước biển dâng, lún sụt đất….tạo ra những nguy cơ bất ổn cho khu vực (Trần et al. 2016). Để có cái nhìn tổng thể đến chi tiết chế độ thủy thạch động lực học khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau và xác định nguyên nhân, cơ chế xói lở khu vực này từ đó giúp cho việc đưa ra các giải pháp tổng thể chống xói lở phù hợp cho khu vực. Bên cạnh đó, đề tài xác định các thông số thủy động lực cực đoan làm tài liệu tham khảo thêm trong quá trình thiết kế công trình ở khu vực này. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu - Phân tích chế độ thủy động lực học khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau; - Đánh giá diễn biến hình thái khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Chế độ thủy động lực học khu vực cửa sông Gành Hào và vùng lân cận. 4. Nội dung nghiên cứu - Xây dựng mô hình thủy lực 2 chiều ngang khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau; - Áp dụng mô hình thủy lực 2 chiều ngang mô phỏng chế độ thủy động lực học khu vực Gành Hào, Cà Mau trong các điều kiện cực đoan; - Đánh giá diễn biến hình thái khu vực Gành Hào, Cà Mau. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích tài liệu; - Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan; - Phương pháp mô hình hóa; - Phương pháp nghiên cứu trường hợp điển hình; - Phương pháp thống kê khách quan . 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Cung cấp cho các cơ quan chức năng những thông tin hữu ích về chế độ thủy động lực học và diễn biến hình thái khu vực cửa sông Gành Hào; - Căn cứ để cơ quan chức năng bố trí quy hoạch dân cư cũng như các giải pháp cho khu vực hợp lý. C C R UT.L D 6. Cấu trúc của luận văn Mở đầu Chương 1: Tổng quan về khu vực nghiên cứu Chương 2: Mô hình toán thủy động lực hai chiều ngang Chương 3: Ứng dụng mô hình toán mô phỏng chế độ thủy động lực học khu vực cửa sông Gành Hào, Cà Mau Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. Đặc điểm tự nhiên 1.1.1. Vị trí địa lý Sông Gành Hào là tên gọi một con sông chảy qua hai tỉnh Cà Mau và Bạc Liêu Bắt đầu từ thành phố Cà Mau bởi dòng nước từ các kênh Phụng Hiệp, kênh xáng Cà Mau-Bạc Liêu và sông Giống Kè hợp lưu. Sông Gành Hào đổ về hướng nam, đến ngã ba ranh giới giữa thành phố Cà Mau, huyện Đầm Dơi và huyện Cái Nước sông đổi sang hướng đông làm thành ranh giới tự nhiên giữa hai huyện Đầm Dơi và Đông Hải (Bạc Liêu) và đổ ra Biển Đông tại cửa Gành Hào. 1.1.2. Đặc điểm địa hình Sông Gành Hào thuộc vùng giáp ranh giữa địa phận 2 tỉnh Bạc Liêu và Cà Mau, có đặc điểm địa hình chung từng khu vực như sau: - Bạc Liêu có địa hình tương đối bằng phẳng, chủ yếu nằm ở độ cao trên dưới 1,2 m so với mặt biển, còn lại là những giồng cát và một số khu vực trũng ngập nước quanh năm. Địa hình có xu hướng dốc từ bờ biển vào nội đồng, từ Đông Bắc xuống Tây Nam, với chiều dài bờ biển 56 km. Trên địa bàn tỉnh Bạc Liêu chỉ có hai con sông tự nhiên nằm ở phía bắc và phía nam, còn lại trên địa bàn tỉnh là các kênh đào. - Cà Mau là vùng đồng bằng, có nhiều sông rạch, có địa hình thấp, bằng phẳng và thường xuyên bị ngập nước. Độ cao bình quân 0,5 m đến 1,5 m so với mặt nước biển. Hướng địa hình nghiêng dần từ bắc xuống nam, từ đông bắc xuống tây nam. 1.1.3. Đặc điểm khí tượng a) Chế độ gió Hàng năm vùng nghiên cứu có hai mùa gió chính: gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam. - Gió mùa Đông Bắc thường bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, với hướng gió chủ đạo là Đông Bắc, Đông và Đông Nam, trong đó hướng gió Đông và Đông Bắc là chủ yếu. Vận tốc gió trung bình đạt khoảng 8-10 m/s, cao nhất là từ 12- 14 m/s. - Gió mùa Tây Nam thường bắt đầu từ tháng 5 và kéo dài đến hết tháng D C C R UT.L 4 9, với hướng gió thịnh hành là Tây Nam, Tây Tây Nam và Tây, trong đó hướng gió Tây Nam chiếm tới 80%. Vận tốc gió trung bình theo hướng này từ 4-6 m/s, tốc độ lớn nhất vào khoảng 8-10 m/s. b) Chế độ mưa - Mưa là nhân tố khí hậu phân bố theo mùa rõ rệt nhất và là yếu tố khí tượng thủy văn tác động mạnh nhất đối với sản xuất. Hàng năm, mưa bắt đầu từ tháng 5 và kết thúc vào khoảng tháng 10; tháng 11 đến tháng 4 năm sau là mùa khô. - Trong năm, lượng mưa phân bố không đồng đều. Mùa mưa trùng với mùa gió Tây Nam. Lượng mưa mùa mưa chiếm từ 86 đến 90% lượng mưa năm và khá ổn định qua các năm (hệ số Cv nhỏ). - Lượng mưa trung bình năm ở khu vực tỉnh Bạc Liêu-Cà Mau khoảng 2360 mm. Tháng có lượng mưa cao nhất trong năm thường từ tháng VIII đến tháng X. c) Bốc hơi Vùng nghiên cứu (Bạc Liêu- Cà Mau) là nơi quanh năm nền nhiệt độ cao, nên lượng bốc hơi hàng năm khá lớn khoảng 1022 mm. Trong năm lượng bốc hơi lớn nhất thường xảy ra vào tháng III (140 – 160 mm). Mùa mưa, lượng bốc hơi giảm nhiều, nhất là tháng X (60 – 70 mm). d) Chế độ nhiệt Chế độ nhiệt vùng Bạc Liêu -Cà Mau có nhiệt độ trung bình hàng năm vào khoảng 26,50C, nhiệt độ trung bình cao nhất trong năm là vào tháng IV khoảng 27,60C, nhiệt độ trung bình thấp nhất vào tháng I khoảng 250C. Biên độ nhiệt độ trung bình trong 1 năm là 2,70C. Tuy nhiên do tính chất biến động của khí hậu, nên trong từng năm cụ thể có sự xê dịch của tháng nóng nhất và tháng lạnh nhất. e) Chế độ nắng Hàng năm vùng nghiên cứu có thời kỳ dài 6 - 7 tháng mùa khô ít mây nên rất dồi dào về ánh sáng. Số giờ nắng trung bình khá cao, thời gian nắng trung bình 2.200 giờ/năm. Từ tháng XII đến tháng IV, số giờ nắng trung bình 7,6 giờ/ ngày; từ tháng V đến tháng XI, trung bình 5,1 giờ/ ngày. Lượng bức xạ trực tiếp cao, với tổng nhiệt khoảng 9.500 đến 10.0000C. f) Độ ẩm Độ ẩm quan hệ mật thiết với chế độ mưa và chế độ gió mùa khu vực. Độ ẩm biến đổi theo mùa rõ rệt. Độ ẩm tương đối trung bình cao hàng năm D C C R UT.L 5 vào khoảng từ 82,2 – 87,5%. Tháng IX, X độ ẩm tương đối trung bình cao nhất vào khoảng 86,0 -89,0%. Tháng I và II độ ẩm tương đối trung bình thấp nhất vào khoảng 75,6 – 83,2%. Bảng 1 2 thống kê độ ẩm trung bình các tháng và trung bình năm tỉnh Cà Mau. 1.1.4. Đặc điểm thủy văn, bùn cát a) Chế độ thủy triều Khu vực sông Gành Hào chịu tác động của chế độ bán nhật triều không đều biển Đông. - Triều biển Đông có biên độ triều lớn (300cm-350cm), biên độ dao động mực nước chân triều lớn (160-300 cm), biên độ dao động mực nước đỉnh triều nhỏ hơn (80-100cm), khoảng thời gian duy trì mực nước cao dài hơn khoảng thời gian duy trì mực nước thấp và đường mực nước bình quân ngày nằm gần với đường mực nước đỉnh triều; - Triều có đặc điểm là biên độ tăng dần, song thời gian xuất hiện đỉnh và chân triều chậm dần. Chính vì thế, các pha truyền triều vào các nhánh sông phía Bắc sớm hơn những nhánh sông phía Nam. Mặt khác, trong vùng biển này thủy triều có dạng bán nhật triều không đều (hai lần lên, hai lần xuống trong ngày), mực nước của hai đỉnh và hai chân không bằng nhau. b) Đặc trưng chế độ thủy văn, thủy lực - Mùa khô Trong mùa khô, chế độ thủy văn thủy lực bị chi phối chủ yếu bởi chế độ thủy triều biển Đông, đường mặt nước trung bình nằm gần với đường mặt nước bình quân đỉnh triều. - Mùa mưa Vào mùa mưa, chế độ thủy văn thủy lực trong vùng chịu ảnh hưởng đồng thời của cả chế độ lũ ở phía Bắc và chế độ mưa trong vùng. Vào tháng VIII, mực nước trong các kênh rạch khu vực phía Bắc vùng bán đảo Cà Mau gia tăng nhanh bởi nước từ vùng Tứ giác Long Xuyên chuyển xuống và từ sông Hậu chuyển vào. Trong khi đó, ở phía biển Tây, do ảnh hưởng gió mùa Tây Nam nên xuất hiện lượng mưa lớn nhất trong năm từ 300÷350mm làm cho mực nước gia tăng nhanh. Nhiều nơi bị ngập từ 0,30÷0,40m, nơi đất trũng thường bị ngập từ 0,50÷0,75m. Đơn cử như trong đợt triều cường tháng I và tháng II năm 2000 vùng đất trũng thuộc phía Bắc Tp. Cà Mau ngập từ 0,50÷0,75m, thời gian ngập kéo dài khoảng 2 tháng. c) Đặc trưng chế độ bùn cát D C C R UT.L 6 - Chế độ phù sa lơ lửng vùng nghiên cứu phụ thuộc vào chế độ phù sa của sông Mekong. Sông Mekong hàng năm cung cấp một lượng phù sa khoảng 150 triệu tấn, chủ yếu vào mùa lũ (trung bình vào mùa lũ nồng độ phù sa trên sông Tiền và Hậu khoảng 200g/m3). Một phần lượng phù sa này lắng đọng trong đồng, sông, phần khác chuyển ra biển bồi lắng ở các cửa sông và các vùng ven biển. - Thành phần hạt cát đáy chủ yếu là loại bùn sét lẫn cát màu xám xanh, hạt sét có đường kính d<0,002 mm chiếm tỷ lệ lớn khoảng từ 40% -50%; - Thành phần hạt trung bình (50%) có đường kính trung bình khoảng từ D50=0,005-0,01mm. d) Tài liệu khảo sát thủy văn, bùn cát bổ sung D C C R UT.L Đường quá trình mực nước thực đo Đường quá trình hàm lượng bùn cát -trạm Gành Hào lơ lửng thực đo 1.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội Sông Gành Hào là địa giới của huyện Đông Hải, tỉnh Bạc Liêu và huyện Đầm Dơi, tỉnh Cà Mau, đổ ra biển bằng cửa biển Gành Hào tại khu vực thị trấn Gành Hào. 1.2.1. Dân số - Dân số huyện Đông Hải: năm 2018 là 149.814 người, mật độ dân số của huyện là 259 người/km2. Trong đó, dân số sống ở thành thị là 17.893 người chiếm tỉ lệ 11,94% và dân số sống ở nông thôn là 131.975 người chiếm tỉ lệ 88,06%. - Trên địa bàn huyện Đầm Dơi có 41.729 hộ, với 183.648 người, chiếm 15% trong tổng dân số của tỉnh. Trong đó, có 92.182 nam và 91.467 nữ. Ở khu vực thành thị có 2.539 hộ, với 9.802 người. Ở khu vực nông thôn có 39.190 hộ, với 173.846 người. 1.2.2. Kinh tế - xã hội - Huyện Đông Hải 7 Năm 2018, huyện Đông Hải tập trung đầu tư xây dựng hệ thống kết cấu hạ tầng giao thông, hạ tầng đô thị; các tiềm năng, lợi thế từng bước được khai thác và phát huy hiệu quả; kinh tế - xã hội tiếp tục phát triển. Chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng tích cực, tăng dần khu vực công nghiệp và dịch vụ trong cơ cấu GDP. Hiện, khu vực nông nghiệp giảm còn 43%, công nghiệp - xây dựng chiếm 26%, thương mại - dịch vụ chiếm 31%, thu nhập bình quân đầu người đạt 47 triệu đồng/năm. - Huyện Đầm Dơi Huyện Đầm Dơi có chiều dài bờ biển 22 km, có cửa biển Gành Hào, Hố Gùi, Giá Lồng Đèn...là điều kiện thuận lợi đề phát triển nghề nuôi trồng thủy sản và kinh tế biển. Đặc biệt nghề nuôi tôm quảng canh và nuôi tôm công nghiệp phát triển mạnh. Toàn huyện Đầm Dơi có 65.584 ha đất nuôi tôm và 7.720 ha rừng ngập mặn. 1.3. Chế độ thủy động lực và các nghiên cứu trước đây 1.3.1. Các nghiên cứu về chế độ dòng hoàn lưu trên biển Đông Chế độ dòng hải lưu tuần hoàn theo mùa trên biển Đông chịu chi phối chủ yếu bởi chế độ gió mùa. Dòng hải lưu ở phía bắc biển Đông cũng liên quan đến sự trao đổi nước giữa biển Đông (nước ta) và biển Đông Trung Hoa qua eo biển Đài Loan và giữa biển Đông và dòng hải lưu Kuroshio qua eo biển Luzon của Philipin. Tuy nhiên, do số liệu quan trắc là rất hạn chế trong vùng biển Đông, các kết quả phần lớn dừng ở mức phân tích định tính dạng của dòng hải lưu, chỉ một số ít dựa trên các phân tích định lượng bằng mô hình toán. Về các công trình nghiên cứu động lực học, sóng, bồi xói riêng cho vùng ven biển Miền Trung rất ít, hầu như không có các nghiên cứu về vận chuyển bùn cát. 1.3.2. Chế độ thủy động lực Đồng bằng sông Cửu Long Căn cứ vào mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nguồn theo không gian và thời gian, về tổng quát, có thể chia ĐBSCL thành ba vùng thủy văn khác nhau là: - Vùng ảnh hưởng dòng chảy lũ là chính - phía Bắc đồng bằng, bao gồm một phần lãnh thổ của hai tỉnh An Giang và Đồng Tháp, diện tích khoảng 300.000ha; - Vùng ảnh hưởng phối hợp lũ-triều được giới hạn bởi sông Cái Lớn rạch Xẻo Chít - kênh Lái Hiếu - sông Măng Thít - sông Bến Tre - kênh Chợ D C C R UT.L 8 Gạo đến giới hạn vùng (a), với diện tích khoảng 1,6 triệu ha; - Vùng ảnh hưởng triều là chính bao gồm toàn bộ vùng ven biển, với diện tích khoảng 2,0 triệu ha. 1.3.3. Xu hướng vận chuyển bùn cát Quá trình vận chuyển trầm tích chịu ảnh hưởng lớn bởi chế độ dòng chảy ven bờ do sự chi phối của gió, thủy triều và các hoạt động của sóng trong vùng sát bờ biển. Trầm tích được vận chuyển chủ yếu về phía tây nam, khi vượt qua Mũi Cà Mau dòng chảy ven bờ vận chuyển trầm tích theo hướng tây bắc, bắc dọc theo bờ tây bán đảo Cà Mau. 1.3.4. Chế độ thủy động lực vùng nghiên cứu (ven biển Cà Mau) Chế độ thủy động lực đặc trưng bởi 5 kiểu dao động chính với chu kỳ ½ ngày, 1 ngày, ½ tháng, 6 tháng và 12 tháng. Do đó, khi trích dẫn những giá trị cụ thể của các yếu tố thủy động lực (dòng chảy, và độ sâu cột nướcmực nước) tại đây, cần nói rõ là vào thời điểm nào, đặc biệt ở pha triều nào (triều dâng/rút, đỉnh/chân triều, …), vào mùa khí hậu nào, mùa gió mùa Đông Bắc-kiệt hay mùa gió mùa Tây Nam-lũ, … 1.3.5. Chế độ sóng biển vùng cửa sông Gành Hào Sóng tại khu vực cửa sông Gành Hào chủ yếu chịu ảnh hưởng mạnh của địa hình đáy, đường bờ biển và dao động mực nước (do triều là chính), do đó sóng tại đây khác hẳn sóng biển sâu, nhất là bên trong đới bãi bồi. Khi tiến vào bên trong nội địa, sóng do gió tại chỗ sinh ra tăng dần vai trò và sóng lừng từ biển sâu truyền vào giảm dần vai trò. 1.4. Hiện trạng dữ liệu khu vực nghiên cứu - Diễn biến sạt lở bờ sông Gành Hào xảy ra nhiều vào những năm đầu thập kỷ 21, khi hoạt động khai thác dòng sông nhiều hơn, mạnh hơn. Khu dân cư, nhà cửa xây cất lấn chiếm lòng sông, rạch ngày một gia tăng, cống ngăn mặn giữ ngọt, ao hồ nuôi thủy hải sản xuất hiện nhiều hơn, mật độ giao thông thủy gia tăng cả về số lượng, vận tốc và tải trọng tàu thuyền; - So với các địa phương khác vùng ĐBSCL, diễn biến sạt lở khu vực D C C R UT.L 9 này diễn ra ở mức độ không cao, không quá căng thẳng và nghiêm trọng về quy mô cũng như mức độ thiệt hại, tuy vậy sạt lở phần lớn uy hiếp các hộ dân nghèo sống ven sông, do vậy rất cần sự hỗ trợ của chính quyền và sự giúp đỡ của cộng đồng xã hội; - Sạt lở bờ trên địa bàn hai tỉnh chủ yếu xảy ra tại các khu tập trung dân cư, nhà cửa lấn chiếm lòng sông, rạch, nơi gặp nhau các con sông hoạt động giao thông thủy tấp nập, tiếp đến là khu vực cống ngăn mặn (hai bờ, phía trước và sau cống), sau đó là khu vực bờ vùng cửa sông đổ ra biển Đông, chịu đồng thời của sóng biển lớn, sóng tàu thuyền đi biển công suất lớn, vận tốc dòng chảy lớn, thời đoạn pha triều rút những ngày triều cường vào mùa mưa bão; - Phần lớn các đợt sạt lở đều diễn ra vào những tháng đầu mùa mưa hàng năm (tháng 5, tháng 6); - Đoạn bờ sông, rạch sạt lở không xảy ra một đợt mà nhiều nhiều đợt (thường đợt sau quy mô lớn hơn, mức độ thiệt hại nhiều hơn đợt trước), nếu tại đó chưa xây dựng công trình bảo vệ; C C R UT.L Thống kê các khu vực sạt lở bờ hệ thống sông, rạch trên địa bàn tỉnh Bạc Liêu Ấp, Xã Chiều dài sạt lở (m) Tốc độ (m/năm) 1 Gành Hào Đông Hải Khu vực Cảng cá đến Rạch Cóc 1300 5-7 2 Gành Hào Đông Hải Khu vực cửa Gành Hào 1700 15-20 TT Sông D Huyện Khu vực sạt lở bờ sông Gành Hào, xảy ra ngày 24/6/2013 Ghi chú Khu vực cửa sông, tập trung dân cư Khu vực sạt lở nghiệm trọng, cửa sông, tập trung đông dân cư Khu vực sạt lở bờ cửa sông Gành Hào, huyện Đầm Dơi ảnh chụp tháng 01/2017 10 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN THỦY ĐỘNG LỰC HAI CHIỀU NGANG 2.1. Lý thuyết chung về mô hình toán Bộ chương trình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) được đánh giá là phần mềm công nghệ cao ở trên thế giới và áp dụng được cho nhiều khu vực, lưu vực sông có đặc điểm khác nhau về địa hình, điều kiện KTTV. Nhiều nước như Thái Lan, Nhật Bản, Trung Quốc,... đã áp dụng mô hình này cho các nhiệm vụ quy hoạch, tính toán, dự báo lũ và lập bản đồ ngập lụt cho các lưu vực sông. Ở Việt Nam, mô hình này hiện đang được Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Khoa học KTTV & MT, Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương sử dụng để tính toán cho các dự án, các đề tài nghiên cứu cho các lưu vực sông như hệ thống sông Hồng, sông Vu Gia Thu Bồn, sông Ba, sông Cái Phan Rang, sông Lũy, sông Đồng Nai và đồng bằng sông Cửu Long. Với những đặc trưng về tính năng của mô hình thủy văn, thủy lực, qua tình hình sử dụng cụ thể mô hình này hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy bộ phầm mềm MIKE là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng, đã được kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính toán thủy lực, diễn biến đường bờ với độ chính xác cao, giao diện thân thiện dễ sử dụng và đặc biệt có ứng dụng kỹ thuật GIS, là một kỹ thuật mới với tính hiệu quả cao. Như vậy bộ mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch hoàn toàn đáp ứng yêu cầu mô phỏng chính xác nhất quá trình tập trung nước, diễn biến quá trình dòng chảy và bùn cát trong vùng nghiên cứu. Mô hình thủy lực 1 chiều có thể mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong kênh dẫn chính xác, có thể kết hợp trực tiếp với mô hình thủy văn (mưa ràodòng chảy), thời gian mô phỏng ngắn tuy nhiên không thể mô phỏng các đặc trưng theo phương ngang nên gặp khó khăn khi mô phỏng dòng chảy tràn. Do vậy, kiến nghị trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21 FM mô phỏng chế độ thủy động lực học và diễn biến bồi xói (phân bổ dòng chảy bùn cát) khu vực sông Gành Hào. D C C R UT.L 11 2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình 2 chiều mike 21 FM 2.2.1. Cơ sở toán học Mô hình MIKE 21 HD là gói công cụ trong bộ phần mềm DHI được xây dựng bởi Viện Thủy Lực Hà Lan, đây là mô hinh tính toán dòng chảy hai chiều trong một lớp chất lỏng đồng nhất theo phương thẳng đứng. Các phương trình nước nông Các phương trình động lượng và liên tục tích phân trên toàn bộ cột nước h = η+d trong các phương trình nước nông được viết lại như sau: C C R UT.L D Trong đó: + t là thời gian; + x, y là tọa độ Đề Các; +  là mực nước bề mặt; + d là độ sâu của nước tĩnh; + h    d là độ sâu nước tổng cộng; + u, v là thành phần vận tốc theo phương x và y; 12 f  2 sin  là tham số Coriolis (  là vận tốc góc của Trái đất; + +  là vĩ độ địa lý);  sx , sy  ,  bx , by  tương ứng là các thành phần ứng suất theo phương x và y tại mặt và tại đáy; + g là gia tốc trọng trường; +  là mật độ của nước; + sxx , sxy , syx , s yy là các thành phần tenxo ứng suất bức xạ; + vt là nhớt rối theo phương thẳng đứng; + Pa là áp suất khí quyển; +  0 là mật độ quy ước của nước; + S là cường độ lưu lượng cung cấp cho các điểm nguồn;  us , vs  là vận tốc tại đó nước được đổ ra môi trường xung quanh. + C C R UT.L Phương trình truyền tải nhiệt độ và độ mặn Các phương trình truyền tải nhiệt và độ mặn được tích phân trên toàn bộ cột nước được viết dưới dạng: D Trong đó: + T , s tương ứng là nhiệt độ và độ mặn trung bình theo độ sâu; + FT , Fs ương ứng là các hệ số khuếch tán ngang nhiệt độ mà độ mặn; + Ĥ là nhóm nguồn liên quan đến quá trình trao đổi nhiệt với khí quyển. 13 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC KHU VỰC CỬA SÔNG GÀNH HÀO, CÀ MAU 3.1. Xây dựng mô hình thủy động lực Để đạt được mục tiêu đề ra của đề tài, sử dụng mô hình toán số mô phỏng chế độ thủy động lực và hình thái vùng cửa sông, ven biển, có kiểm chứng bằng số liệu khảo sát thực tế là một phần không thể thiếu của dự án. Hình dưới minh họa cách tiếp cận chung trong việc nghiên cứu đánh giá nguyên nhân sạt lở các vùng nghiên cứu trọng điểm của Cà Mau, Bạc Liêu, trong đó các mô hình với tỉ lệ và mức độ chi tiết khác nhau được thiết lập. C C R UT.L D Phần vùng nghiên cứu mô hình - Mô hình 1 (mô hình biển Đông) là mô hình thủy động lực cho toàn bộ biển Đông và vịnh Thái Lan. Mô hình sử dụng cho vùng nghiên cứu này là MIKE 21 Coupled FM với các module HD (thủy động lực), SW (phổ sóng). Mục đích của mô hình 1 là mô phỏng chế độ dòng chảy (thủy triều, dòng chảy ven bờ) và chế độ sóng nhằm cung cấp biên mở phía biển cho các mô hình với phạm vi nhỏ hơn (nhóm mô hình 2). Kết quả của mô hình biển Đông được tác giả trích xuất từ Dự án trước đó do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện. - Nhóm mô hình 2 (mô hình mở rộng) bao gồm các mô hình: (i) 1D cho hệ thống sông kênh Mekong và Sài Gòn - Đồng Nai, và (ii) 2D cho vùng nghiên cứu mở rộng phía biển từ Bà Rịa - Vũng Tàu đến Campuchia. Kết quả của mô hình này được dùng để trích xuất biên cho mô hình nghiên cứu 14 chi tiết (nhóm mô hình 3). Đối với các mô hình 1D độc lập, các module được sử dụng sẽ là MIKE 11 HD, AD. Đối với mô hình 2D độc lập, các module sử dụng sẽ là MIKE 21 FM HD, SW và MT. - Nhóm mô hình 3 (mô hình chi tiết) bao gồm các mô hình 2D chi tiết được xây dựng để nghiên cứu chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến đổi hình thái của các khu vực, xem xét nguyên nhân sạt lở của các vùng nghiên cứu chi tiết là khu vực Gành Hào. Các module của bộ mô hình MIKE được sử dụng cho các mô hình chi tiết tương tự các module được sử dụng cho mô hình 2D mở rộng ở trên. 3.2. Tài liệu sử dụng 3.2.1. Tài liệu địa hình C C R UT.L D Địa hình biển Đông Địa hình vùng nghiên cứu chi tiết Gành Hào 3.2.2. Mực nước triều Mực nước thực đo tại các trạm thủy hải văn quốc gia ven biển và trong khu vực nghiên cứu bao gồm Qui Nhơn, Vũng Tàu, Phú An, Nhà Bè, Vàm Kênh, Bình Đại, An Thuận, Bến Trại, Mỹ Thanh, Gành Hào, Ông Đốc; các trạm ngoài khơi như Phú Quí, Côn Đảo, Phú Quốc; các trạm ven biển Đông ở các nước khác như KoLak (Thái Lan), Cindering (Malaysia), ... những năm gần đây (2007 - 2016) đã được thu thập và sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình. 15 3.2.3. Số liệu sóng Số liệu sóng quan trắc từ vệ tinh sử dụng để kiểm định mô hình sóng biển Đông trong nghiên cứu này được cung cấp bởi tổ chức AVISO của Pháp. Cụ thể số liệu được sử dụng là bộ sản phẩm trường sóng Ssalto/Duacs được tổng hợp từ số liệu quan trắc của rất nhiều vệ tinh như Jason-1 và -2, Topex/Poseidon, Envisat, GFO, ERS-1 và- 2, và Geosat. Số liệu này chỉ bao gồm chiều cao sóng có nghĩa, có bước thời gian là 1 ngày, bước lưới khá thô 1o × 1o, và hiện sẵn có từ 14/9/2009 đến nay. 3.2.4. Số liệu thủy văn Số liệu lưu lượng thực đo tại các trạm của dự án điều tra cơ bản năm (2009-2010) và kế thừa số liệu từ các đề tài, dự án trước thực hiện bởi viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, bên cạnh đó số liệu lưu lượng tại các trạm trong sông vẫn đang trong quá trình khảo sát thuộc khuôn khổ của đề tài. Đề tài đã kế thừa được cơ sở dữ liệu khá đầy đủ về lưu lượng và mực nước các trạm thủy văn cố định trong khu vực đồng bằng châu thổ sông Mekong (từ Kratie trở xuống) và sông Sài Gòn - Đồng Nai và Vàm Cỏ (từ đập Dầu Tiếng trên sông Sài Gòn, đập Trị An trên sông Đồng Nai, Phước Hòa trên sông Bé, Gò Dầu Hạ trên sông Vàm Cỏ Đông). Các số liệu này đã được thu thập, bổ sung cập nhật đến hầu hết đến 12/2013. Bên cạnh đó, lưu lượng quan trắc tại trong các đề tài dự án trước tại vùng hạ lưu và các cửa sông những năm gần đây cũng được thu thập phục vụ công tác hiệu chỉnh, kiểm định mô hình. 3.2.5. Số liệu trường gió, áp suất nền Số liệu trường gió và áp suất khí quyển bề mặt là thông số đầu vào quan trọng nhất đối với mô hình tính toán sóng. Số liệu trường gió và áp suất khí quyển nền sử dụng trong nghiên cứu này được trích từ kết quả mô hình khí hậu toàn cầu CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) của Trung tâm dự báo môi trường thuộc Cơ quan quản lý đại dương và khí quyển Mỹ (NCEP/NOAA). D C C R UT.L 16 3.2.6. Số liệu bùn cát Số liệu bùn cát quan trắc tại trạm Gành Hào cho thấy, trong thời kỳ quan trắc (thuộc thời kỳ gió mùa Tây nam) nồng độ bùn cát tại Gành Hào cao nhất đạt 500mg/l. Các khu vực trọng điểm khác nồng độ bùn cát trung bình khoảng 20÷50mg/l. 3.2. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình Việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được thực hiện trên cơ sở sử dụng các số liệu thực đo (mực nước tổng hợp tại các trạm ven biển, lưu lượng tại các cửa sông, dòng chảy tổng hợp, sóng, và bùn cát) từ các thủy hải trạm hải văn quốc gia, các đề tài, dự án trước. Trong số các số liệu thủy hải văn quan trắc vùng cửa sông ven biển khu vực nghiên cứu thu thập được trong những năm gần đây thì bộ số liệu từ kết quả các dự án điều tra cơ bản vùng ven biển và cửa sông Cửu Long và Đồng Nai do Viện Khoa học thủy lợi miền Nam và Viện Kỹ thuật biển thực hiện trong các năm 2009 - 2010 (Viện KHTLMN, 2010a, b; Viện KTB, 2010) được đánh giá là đồng bộ và dài nhất: thời đoạn quan trắc là 15 ngày liên tục và đồng thời cho hầu hết các cửa sông chính, các yếu tố quan trắc khá đầy đủ như địa hình, mực nước tổng hợp, lưu lượng dòng chảy các cửa sông, sóng gió, dòng chảy tổng hợp, bùn cát. 3.2.1. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô phỏng mực nước tổng hợp Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với mực nước tổng hợp thực đo tại cửa sông Gành Hào trong khoảng tháng 2/2007 và tháng 7/2014 được trình bày trên các Hình dưới đây. Kết quả cho thấy sự tương đồng khá cao giữa số liệu thực đo và kết quả mô phỏng. D C C R UT.L 17 So sánh mực nước tính và mực nước So sánh mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm Gành Hào 2014 thực đo trạm Gành Hào năm 2007 Kết quả đánh giá hệ số Nash và hệ số tương quan mực nước Hệ số Nash Tương quan R 0.947 0.988 7/2014 Rất tốt Rất tốt 0.922 0.990 2/2007 Rất tốt Rất tốt 3.2.2. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô phỏng dòng chảy (lưu lượng các cửa sông, dòng chảy tổng hợp) Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với lưu lượng thực đo tại trạm Gành Hào trong khoảng tháng 6/2009 được trình bày trên các Hình sau. Kết quả cho thấy sự tương đồng khá cao giữa số liệu thực đo và kết quả mô phỏng. C C R UT.L D So sánh Q mô phỏng và thực đo tại So sánh vận tốc tính toán và thực trạm Gành Hào đo tại trạm Gành Hào 3.2.3. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô phỏng vận chuyển bùn cát Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình với các số liệu thực đo tại các trạm Gành Hào của các dự án điều tra cơ bản năm 2009 (Viện KHTLMN, 2009a, b) được thể hiện trên Hình. Tuy vẫn còn còn một số sự khác biệt giữa số liệu thực đo và kết quả mô hình, nhưng nhìn chung là độ chính xác của mô hình là chấp nhận được. 18 3.2.4. Nhận xét, đánh giá Kết quả mô phỏng thủy động lực của mô hình đã được kiểm định bởi số liệu thực đo, quan trắc từ vệ tinh, kết quả dự báo từ mô hình triều toàn cầu FES2012 và các mô hình khác như WAVEWATCH III. Tuy vẫn còn một số khác biệt nhưng từ các kết quả kiểm định có thể kết luận rằng mô hình mô phỏng chế độ thủy động lực học vùng nghiên cứu với độ chính xác khá tốt. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy việc bao gồm đồng thời các quá trình vật lý thủy động lực-sóng-vận chuyển bùn cát đóng vai trò rất quan trọng trong mô phỏng chế độ vận chuyển bùn cát và diễn biến hình thái vùng nghiên cứu dưới tác động của các mùa khí hậu khác biệt trong năm. Kết quả kiểm định về vận chuyển bùn cát cho thấy mô hình dự báo khá hợp lý xu thế vận chuyển bùn cát trong cả mùa gió Tây Nam và Đông Bắc. Từ đây có thể nhận định là mô hình mô phỏng các quá trình động lực dòng chảy và bùn cát với độ tin cậy chấp nhận được. 3.3. Áp dụng mô hình toán 3.3.1. Đánh giá chế độ thủy động lực khu vực Các hình dưới trình bày trường vận tốc tại thời điểm triều rút và thời điểm triều lên trong mùa lũ. Phía dưới các hình này là biểu đồ đường quá trình lưu tốc, mực nước tại các vị trí P1 ÷ P4, trong đó có thể hiện các thời điểm trích xuất trường vận tốc tương ứng ở trên. Các đường quá trình này một lần nữa thể hiện chế độ triều khu vực Gành Hào chịu chi phối triều biển Đông (bán nhật triều).Kết quả cho thấy vận tốc dòng chảy trên sông Gành Hào trong mùa lũ nói chung là khá lớn, lưu tốc lớn nhất khi triều rút có thể đạt hơn 1.4 m/s, tại các vị trí co hẹp sông uốn cong, vận tốc lớn nhất khi (vị trí P4). Đây là lý do mà tại các vị trí này độ sâu lòng dẫn cũng như đường bờ có xu thế bị xói. Vận tốc dòng chảy pha triều lên nhỏ hơn nhiều so với vận D C C R UT.L