Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vùng biển Tây Nam Việt Nam kéo dài từ Mũi Cà Mau đến biên giới Campuchia, bao gồm các đảo Phú Quốc và Thổ Chu, giữ vai trò chiến lược đối với sự phát triển kinh tế – xã hội và an ninh quốc phòng. Khu vực này cùng với toàn bộ Vịnh Thái Lan có đặc thù môi trường và thủy động lực học phức tạp. Khu vực đất liền tiếp giáp là Tứ Giác Long Xuyên có địa hình trũng thấp, độ dốc thủy lực rất nhỏ, hệ thống kênh rạch chằng chịt, chịu ảnh hưởng đồng thời của chế độ dòng chảy lũ từ sông Hậu và chế độ nhật triều biển Tây. Vào mùa mưa lũ, khả năng tiêu thoát nước ra biển gặp nhiều cản trở; vào mùa khô kiệt, hiện tượng xâm nhập mặn diễn ra sâu vào nội đồng, đe dọa trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt.

Mặc dù có tầm quan trọng lớn, mức độ nghiên cứu thủy động lực học và môi trường tại vùng biển Tây Nam trước đây còn tương đối thưa thớt, riêng lẻ và thiếu tính hệ thống so với các vùng biển khác của Việt Nam. Số liệu quan trắc thực địa tại khu vực cửa sông ven biển Tây Nam khan hiếm, không liên tục theo chuỗi thời gian, trong khi việc tổ chức đo đạc thực tế đòi hỏi kinh phí lớn và thời gian kéo dài. Do đó, việc xây dựng và ứng dụng một mô hình số trị liên kết 1-2 chiều (1D-2D) có khả năng mô phỏng chi tiết các quá trình thủy lực, lan truyền mặn và chất lượng nước là yêu cầu cấp thiết để phục vụ công tác quy hoạch, xây dựng công trình dân sinh - quốc phòng và ứng phó với biến đổi khí hậu.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực học (mực nước, trường dòng chảy, sóng, bùn cát) và môi trường (độ mặn, chất lượng nước, chu trình dinh dưỡng) tại vùng cửa sông và vùng biển Tây Nam Việt Nam.
  2. Thiết lập cơ sở khoa học và bộ thông số đặc trưng phục vụ tính toán thiết kế công trình ven biển, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội bền vững và bảo vệ an ninh lãnh thổ.
  3. Phát triển phần mềm mô hình số trị 1-2 chiều chuyên dụng tính toán quá trình thủy động lực học và lan truyền các yếu tố môi trường vùng cửa sông ven biển.

Đối tượng nghiên cứu

  • Chế độ thủy động lực học và môi trường nước vùng cửa sông ven biển Tây Nam Việt Nam.
  • Phần mềm tính toán số trị 1D-2D tích hợp quá trình thủy lực và chất lượng nước bằng ngôn ngữ Fortran.

Phạm vi nghiên cứu

  • Phạm vi không gian: Vùng biển ven bờ Tây Nam từ Cà Mau đến Kiên Giang (bao gồm các hải đảo Phú Quốc, Thổ Chu) và hệ thống sông kênh thuộc vùng Tứ Giác Long Xuyên (thuộc địa phận ba tỉnh Kiên Giang, An Giang và Cần Thơ).
  • Phạm vi thời gian: Sử dụng chuỗi số liệu khí tượng thủy văn, hải văn và chất lượng nước quan trắc qua các giai đoạn từ năm 1951 đến 2011 để phân tích, hiệu chỉnh, kiểm định mô hình và dự báo xu thế biến đổi theo các kịch bản phát triển.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các nghiên cứu về động lực học dòng chảy và vận chuyển vật chất trong môi trường nước đã hình thành từ sớm:

  • Cơ sở lý thuyết vận chuyển vật chất: Khởi đầu từ các nghiên cứu mối quan hệ chuyển động hạt của Bagnold (thập niên 1930), phát triển bởi Einstein và Chien (1955) về mô hình vận chuyển vật chất trong chất lỏng. Quá trình vận chuyển vật chất trong vùng cửa sông chịu ảnh hưởng của triều được mở rộng bởi De Vires cùng cộng sự, Smith và Kirby.
  • Hệ thống phần mềm thương mại và mã nguồn mở:
    • Mô hình 1D: SOBEK, DUFLOW, ISIS, MIKE 11, MOUSE, HYDROWORKS.
    • Mô hình 2D: MIKE 21, CE-QUAL-W2, WAQUA, DUCHESS, TELEMAC, TIDEWAY.
    • Mô hình 3D: Delft3D (WL | Delft Hydraulics), MIKE 3D (DHI), NAM (hoàn lưu đại dương 3 chiều tính đến sóng vỡ), BHS (Viện Khí tượng Thủy văn Thụy Điển), HAMSOM (Institute fur Meereskunde Hamburg và Clima Marítimo), ESCOMO (Đại học Bergen Nauy - kết hợp mô hình sinh học, băng và thủy động lực), IMR (Blumberg, Mellor, O'Connor), UCL/ULG (Đại học Liege Bỉ), POM (Blumberg và Mellor, 1987), ROMS.
  • Các nghiên cứu hải dương học tại Vịnh Thái Lan: K. Wyrtki (1961) tính toán thủy triều và hoàn lưu gió; K. Xecgayev (1964), Edward Brinton và William A. Yanagi, Takao (1997, 1998) nghiên cứu phân bố sóng triều và cơ chế dịch chuyển pha bán nhật triều; A. Siripong (1985) tính toán hoàn lưu theo mùa.
  • Các dự án và tổ chức quốc tế: Russian River Estuary Management Project (Mỹ), Thames Estuary 2100 (Cơ quan Môi trường Anh), chuỗi Hội thảo Cửa sông Quốc tế tại Nhật Bản (từ 1994), Liên minh các vùng cửa sông thế giới (WEA, thành lập tháng 6/2010 bởi WWF).

Các hướng nghiên cứu trong nước

Nhiều mô hình tính toán dòng chảy và chất lượng nước đã được ứng dụng trên các lưu vực sông và vùng biển Việt Nam:

  • Mô hình tính toán mạng sông và đồng bằng: SOGREAH, MASTER MODEL, MEKSAL, VRSAP, SAL, KODI, HYDROGIS, DELTA, TSIM2001.
  • Nghiên cứu thủy động lực học biển và ven bờ:
    • Đinh Văn Ưu (1984, 2000) phát triển mô hình GHER tính toán cấu trúc dòng chảy, trường nhiệt - muối Biển Đông (lưới 2 lớp, 7 tầng sigma lớp trên, 10 tầng lớp sâu) và mô hình 3D thủy nhiệt động lực học nước nông ven bờ Quảng Ninh.
    • Dương Hồng Sơn áp dụng mô hình ROMS với hệ tọa độ trực giao và sơ đồ Mellor – Yamada bậc 2.5 tính kích thước rối trên Biển Đông.
    • Nguyễn Thọ Sáo (1988, 2008) kết hợp mô hình khí tượng RAMS và Delft3D dự báo nước dâng do bão ven bờ Việt Nam (tọa độ $99^\circ - 121^\circ\text{E}, 1^\circ - 25^\circ\text{N}$).
    • Lê Trọng Đào xây dựng chương trình phần tử hữu hạn tính toán nước dâng bão và tối ưu hóa ma trận.
    • Nguyễn Minh Huấn nghiên cứu mô hình số trị 3D quy mô vừa mô phỏng trường dòng chảy không dừng và quá trình lưu khuếch tán.
    • Đinh Văn Mạnh và Tetsuo Yanagi ứng dụng mô hình 3D Saint Venant (lưới ngang 18 km, 6 lớp đứng và mô hình tọa độ Sigma 25 lớp) tính dòng triều và dòng dư Vịnh Bắc Bộ.
    • Nguyễn Thị Bảy và Nguyễn Kỳ Phùng nghiên cứu nước dâng do bão bằng phương pháp số trị phương trình 3D hệ tọa độ cầu.
    • Võ Thanh Tân sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3D tách miền không gian (5 bước tính) cho vùng nước nông Nam Bộ.
    • Nguyễn Tất Đắc và Lương Quang Xô xây dựng mô hình tính toán dòng chảy và chất lượng nước hệ thống kênh sông toàn Đồng bằng sông Cửu Long ghép nối vùng biển 2 chiều.
  • Các đề tài trọng điểm tại vùng biển Tây Nam:
    • Đề tài cấp Nhà nước KT.03 do Phạm Văn Ninh chủ nhiệm (1996–2000) điều tra đới bờ từ Móng Cái đến Hà Tiên.
    • Chuyên đề "Lập bản đồ thủy động lực học vùng biển ven bờ Hà Tiên - Cà Mau" (1995) thuộc Đề án của Nguyễn Biểu do Viện Cơ học chủ trì.
    • Đề tài KC.02/06-10 (2007–2009) do Đỗ Ngọc Quỳnh chủ nhiệm khảo sát điều kiện tự nhiên và môi trường vùng biển Tây Nam.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ giải quyết riêng lẻ mạng kênh sông 1D hoặc vùng biển mở 2D/3D mà chưa xây dựng một công cụ thống nhất, tự chủ về mã nguồn, có khả năng ghép nối đồng thời mạng sông 1 chiều Tứ Giác Long Xuyên với mô hình 2 chiều nhiều cấp lưới lồng nhau trên biển Tây Nam qua hệ thống cửa sông phức tạp, tích hợp đồng bộ các module truyền tải khuếch tán mặn, mô hình chất lượng nước 6 thông số và chu trình sinh thái dinh dưỡng.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết toán học

1. Hệ phương trình thủy lực 1 chiều (Saint-Venant 1D)

Áp dụng cho dòng chảy chuyển động một chiều trong lòng dẫn hở:

  • Phương trình liên tục: $$\frac{\partial A}{\partial t} + \frac{\partial Q}{\partial x} = q$$

  • Phương trình động lượng: $$\frac{\partial Q}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x}\left(\beta \frac{Q^2}{A}\right) + g A \frac{\partial H}{\partial x} + g A S_f = 0$$ Trong đó: $A$ là diện tích mặt cắt ướt; $Q$ là lưu lượng; $H = z + h$ là cao trình mực nước; $q$ là lưu lượng gia nhập hoặc rút ra dọc đường; $\beta \approx 1$ là hệ số hiệu chỉnh động lượng; $S_f = \frac{Q |Q|}{K^2}$ là độ dốc ma sát với môđun lưu lượng $K = C A \sqrt{R}$ ($R$ là bán kính thủy lực, $C$ là hệ số Chezy).

  • Điều kiện tương hợp tại các nút giao (hợp lưu/phân lưu):

    • Định luật bảo toàn khối lượng: $\sum_{i=1}^n Q_i = 0$
    • Cân bằng mực nước: $H_1 = H_2 = \dots = H_n$

2. Hệ phương trình thủy động lực học 2 chiều nước nông (2D Shallow Water)

Tích phân theo chiều sâu trong hệ tọa độ Descartes:

  • Phương trình liên tục: $$\frac{\partial \zeta}{\partial t} + \frac{\partial (u d)}{\partial x} + \frac{\partial (v d)}{\partial y} = 0$$
  • Phương trình động lượng theo phương $x$: $$\frac{\partial u}{\partial t} + u \frac{\partial u}{\partial x} + v \frac{\partial u}{\partial y} = -\gamma \frac{\partial \zeta}{\partial x} - f \frac{u \sqrt{u^2 + v^2}}{d} + \Omega v + \frac{\tau_x}{\rho d} + D_h \left(\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}\right)$$
  • Phương trình động lượng theo phương $y$: $$\frac{\partial v}{\partial t} + u \frac{\partial v}{\partial x} + v \frac{\partial v}{\partial y} = -\gamma \frac{\partial \zeta}{\partial y} - f \frac{v \sqrt{u^2 + v^2}}{d} - \Omega u + \frac{\tau_y}{\rho d} + D_h \left(\frac{\partial^2 v}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2}\right)$$ Trong đó: $\zeta$ là độ dâng mực nước so với mực nước tĩnh; $d = z + \zeta$ là tổng độ sâu cột nước; $u, v$ là thành phần vận tốc trung bình theo chiều sâu; $\Omega$ là tham số Coriolis; $f$ là hệ số ma sát đáy; $D_h$ là hệ số nhớt rối ngang; $\vec{\tau}(\tau_x, \tau_y) = \rho_a C_d \vec{W} |\vec{W}|$ là ứng suất gió tại mặt nước ($\rho_a$ là mật độ không khí, $C_d$ là hệ số kéo của gió, $\vec{W}$ là vận tốc gió ở độ cao 10 m).

3. Phương trình truyền tải - khuếch tán chất 1D và 2D

  • Phương trình lan truyền chất 1 chiều: $$\frac{\partial (A_t C)}{\partial t} + \frac{\partial (Q C)}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}\left(A_t D \frac{\partial C}{\partial x}\right) + G(C)$$ Với các chất cụ thể:
    • Muối: $G(C) = q C_q$ (khi $q > 0$) hoặc $G(C) = q C$ (khi $q < 0$).
    • BOD ($C_B$): $G(C_B) = -(K_1 + K_3) A L + q C_q$.
    • DO ($C_D$): $G(C_D) = -K_1 C_B A + K_2 (C_a - C_D) A + q C_q$.
  • Phương trình bảo toàn vật chất 2 chiều ngang: $$\frac{\partial (d C)}{\partial t} + \frac{\partial (u d C)}{\partial x} + \frac{\partial (v d C)}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial s}\left(d D_s \frac{\partial C}{\partial s}\right) + \frac{\partial}{\partial n}\left(d D_n \frac{\partial C}{\partial n}\right) + d F_D(C) + G(C)$$ Trong đó $D_s, D_n$ là hệ số khuếch tán rối theo phương dòng chảy và trực giao; $F_D(C)$ đại diện cho các tương tác sinh hóa và tốc độ phân hủy.

4. Mô hình chất lượng nước và chu trình dinh dưỡng

  • Hệ 6 thông số chất lượng nước: Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), oxy hòa tan (DO), amoniac ($\text{NH}_3$), nitrat ($\text{NO}_3$), phosphat ($\text{PO}_4$) và vi khuẩn Coliform tổng số ($CT$): $$F_D(\text{DO}) = k_2(\text{DOS} - \text{DO}) - k_3 \text{BOD} - Y_1 k_4 \text{NH}3 + P_o - R_o$$ Các hệ số phân hủy $k_3, k_4, k_5, k_6$ phụ thuộc nhiệt độ theo hàm mũ $k = k{20} \theta^{(T-20)}$ (với $\theta \in [1{,}02; 1{,}09]$). Cường độ ánh sáng theo độ sâu tuân theo định luật Beer: $I_z = I_0 e^{-\gamma z}$.
  • Chu trình sinh thái dinh dưỡng: Bao gồm 6 biến trạng thái: nitơ vô cơ hòa tan (DIN), phospho vô cơ hòa tan (DIP), thực vật phù du (PHY), động vật phù du (ZOO), mùn bã hữu cơ (DET) và DO. Tốc độ sinh trưởng của thực vật phù du phụ thuộc đồng thời vào ánh sáng, nhiệt độ và độ mặn theo công thức Yamaguchi (1991): $$V(T) = \exp\left(1 - \frac{T}{T_{\text{opt}}}\right), \quad V(S) = \exp\left(1 - \frac{S}{S_{\text{opt}}}\right)$$

Phương pháp tính toán và giải số

  1. Giải phương trình 1D: Sử dụng sơ đồ sai phân ẩn 4 điểm Preissman với trọng số ổn định $\theta = 2/3$. Hệ phương trình đại số tuyến tính tại các đoạn sông và các nút được giải bằng thuật toán truy đuổi (chasing method).
  2. Giải phương trình 2D: Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn hiện trên lưới so le (staggered grid), tuyến tính hóa các số hạng đối lưu phi tuyến bậc hai.
  3. Kỹ thuật ghép lưới 2D (Patching): Áp dụng kỹ thuật chia lẻ kích thước bước lưới $\Delta x / (2n+1)$ để đảm bảo các nút lưới thô trùng khít chính xác với các nút của lưới mịn tại biên tiếp giáp, đảm bảo tính liên tục và bảo toàn thông lượng.
  4. Kỹ thuật ghép nối 1D-2D: Thiết lập trao đổi động lực học qua hơn 20 vị trí cửa sông/cửa kênh tiếp giáp giữa mạng sông nội đồng và lưới biển.
  5. Kỹ thuật tính toán song song: Áp dụng mô hình đa luồng Fork-Join trên ngôn ngữ lập trình Fortran để tối ưu hóa thời gian tính toán trên máy tính đa nhân.
  6. Phương pháp phân tích điều hòa triều: Xác định các hằng số điều hòa biên độ ($H_i$) và góc pha ($g_i$) cho các sóng triều thành phần dựa trên phương pháp bình phương nhỏ nhất từ dữ liệu quan trắc mực nước: $$z_t = A_0 + \sum_{i=1}^r f_i H_i \cos\left[q_i t + (V_0 + u)_i - g_i\right]$$
  7. Đánh giá độ tin cậy mô hình: Sử dụng chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSE): $$\text{NSE} = 1 - \frac{\sum_{i=1}^N (Y_i^{\text{obs}} - Y_i^{\text{sim}})^2}{\sum_{i=1}^N (Y_i^{\text{obs}} - Y^{\text{mean}})^2}$$
Chỉ số NSE Đánh giá mức độ chính xác của mô hình
$\text{NSE} > 0{,}75$ Rất tốt
$0{,}65 < \text{NSE} \le 0{,}75$ Tốt
$0{,}50 < \text{NSE} \le 0{,}65$ Đạt yêu cầu
$\text{NSE} \le 0{,}50$ Dưới trung bình

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tình hình nghiên cứu vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam

Chương I tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về thủy động học, môi trường đới bờ, các hệ thống mô hình số trị, đồng thời phân tích các điều kiện tự nhiên đặc thù của vùng nghiên cứu:

  • Địa hình: Biển Tây tương đối nông, độ sâu trung bình 45 m, sâu nhất khoảng 80 m. Vùng đất liền Tứ Giác Long Xuyên có diện tích tự nhiên 489.000 ha, địa hình trũng bằng phẳng với cao trình từ 0,4 m đến 2,0 m so với mực nước biển.
  • Khí tượng - Thủy văn - Hải văn:
    • Gió: Chế độ gió phân mùa rõ rệt; mùa đông bắc (tháng XI - III) gió hướng đông, cường độ yếu; mùa tây nam (tháng V - IX) gió hướng tây, cường độ mạnh.
    • Nhiệt độ: Nhiệt độ không khí trung bình năm ngoài khơi là 27,2°C; nhiệt độ nước biển trung bình năm đạt 29,2°C (lớn hơn nhiệt độ không khí).
    • Bão: Tần suất bão thấp, trung bình 3 năm có 1 cơn bão ảnh hưởng. Thống kê giai đoạn 1951–2007 ghi nhận 17 cơn bão hoạt động trong Vịnh Thái Lan trên tổng số 343 cơn bão trên toàn vùng biển Việt Nam.
Cấp bão Cấp 6 Cấp 7 Cấp 8 Cấp 9 Cấp 10 Cấp 11 Cấp 12 Cấp 13 Cấp 14 Cấp 15 Cấp 16 Cấp 17 > Cấp 17 Tổng
Vịnh Thái Lan 1 2 6 2 4 1 1 0 0 0 0 0 0 17
Biển Việt Nam 4 3 32 94 44 32 52 50 18 3 8 1 2 343
  • Mưa & Độ ẩm: Phú Quốc là tâm mưa lớn với lượng mưa trên 3.000 mm/năm. Độ ẩm trung bình năm tại Phú Quốc là 80,9% (mùa mưa đạt 89,3%, mùa khô có thời điểm xuống 24%). Sương mù hiếm gặp (trung bình 1,54 ngày/năm).
  • Độ mặn & Oxy hòa tan: Độ mặn nước biển Vịnh Thái Lan cao (>30‰). Nồng độ DO cao ở cửa vịnh tiếp giáp biển khơi (đạt 4,8 ml/l trong mùa gió đông bắc) và giảm dần vào đỉnh vịnh cũng như theo độ sâu.
  • Động lực biển: Chế độ nhật triều không đều chiếm ưu thế, biên độ triều trung bình khoảng 1,0 m, cực đại đạt 1,5 m. Sóng biển yếu nhất trong các vùng biển Việt Nam, độ cao sóng hữu hiệu trung bình cực đại năm từ 2,5 m đến 3,0 m. Dòng bùn cát tịnh di chuyển từ bắc xuống nam tích tụ mạnh tại Mũi Cà Mau.
  • Thủy văn Tứ Giác Long Xuyên: Trong 2 trận lũ lịch sử năm 2000 và 2001, lượng lũ thoát từ Tứ Giác Long Xuyên ra Vịnh Thái Lan chiếm 78%, phần thoát sang Tây sông Hậu chiếm 22%.

Chương II: Thu thập, phân tích và xử lý số liệu

Chương II trình bày quy trình số hóa, xử lý và chuẩn hóa các trường dữ liệu đầu vào phục vụ mô hình hóa:

  • Dữ liệu địa hình: Thu thập bản đồ độ sâu đáy biển Vịnh Thái Lan từ Cục Thủy văn Nhật Bản (1987, tỷ lệ 1/3.000.000), Hải quân Việt Nam (1977 tỷ lệ 1/1.000.000; 1982 tỷ lệ 1/100.000; 2000 tỷ lệ 1/5.000), bản đồ quân đội Mỹ (1965 tỷ lệ 1/50.000). Toàn bộ dữ liệu được số hóa bằng ArcGIS và xử lý nội suy lưới qua phần mềm Surfer.
  • Dữ liệu mạng sông: Thu thập thông tin trắc ngang của các trục kênh sông chính. Sử dụng module "Khái toán mặt cắt" chia mặt cắt thực tế thành các dải thẳng đứng để xác định bảng quan hệ giữa mực nước với chiều rộng $B(z)$, diện tích $A(z)$ và môđun lưu lượng $K(z)$ theo 13 cấp độ sâu.
TT Tên trạm Kinh độ Vĩ độ Tên sông / Kênh Tỉnh / Thành phố
1 Cần Thơ $105^\circ02'$ $10^\circ02'$ Sông Hậu Cần Thơ
2 Châu Đốc $105^\circ42'$ $10^\circ42'$ Sông Hậu An Giang
3 Long Xuyên $105^\circ35{,}2'$ $10^\circ22{,}8'$ Sông Hậu An Giang
4 Vàm Nao $105^\circ34'$ $10^\circ30'$ Sông Vàm Nao An Giang
5 Xuân Tô $104^\circ58'$ $10^\circ38'$ Kênh Vĩnh Tế An Giang
6 Tri Tôn $105^\circ00'$ $10^\circ25'$ Kênh Tri Tôn An Giang
7 Rạch Giá $105^\circ04{,}3'$ $10^\circ00'$ Sông Kiên Kiên Giang
8 Tân Hiệp $105^\circ15{,}7'$ $10^\circ07'$ Kênh Cái Sắn Kiên Giang
  • Dữ liệu hải văn & môi trường: Chuỗi mực nước và lưu lượng giờ tại các trạm Châu Đốc, Vàm Nao, Cần Thơ, Rạch Giá, Long Xuyên, Tân Hiệp (giai đoạn 2005, 2008, 2010, 2011). Hằng số điều hòa 8 sóng triều chính ($K_1, O_1, M_2, S_2, N_2, K_2, P_1, Q_1$) tại các trạm Ông Đốc, Xẻo Rô, Rạch Giá, Phú Quốc từ Đề tài KC.02 và 10 sóng triều từ vệ tinh. Dữ liệu dòng chảy tầng mặt, tầng giữa, tầng đáy từ máy tự ghi DNC (15 phút/lần) và Sontek (60 phút/lần) tại các trạm hải văn LT-14, LT-21, LT-37, LT-38, LT-43. Dữ liệu độ mặn 2 giờ/lần tại Rạch Giá và Kiên Lương (2005, 2008).

Chương III: Phát triển mô hình 1-2 chiều thủy động lực học vùng cửa sông

Chương III tập trung vào kiến trúc giải thuật và kiểm nghiệm chương trình tính toán:

  • Cấu trúc phần mềm: Xây dựng bằng ngôn ngữ Fortran, cấu trúc module hóa gồm: Module giải thủy lực 1D (sơ đồ Preissman), Module giải thủy động lực 2D, Module ghép nối 1D-2D tại ranh giới cửa sông, Module lan truyền - khuếch tán chất và Module chu trình dinh dưỡng sinh thái.
  • Tính toán song song: Tích hợp mô hình đa luồng Fork-Join. Kết quả đo đạc thời gian thực thi cho các phương án tính toán 10 giờ, 20 giờ và 30 giờ cho thấy cấu hình tính toán song song giúp giảm đáng kể thời gian chạy mô hình so với xử lý tuần tự truyền thống.
  • Kiểm nghiệm mô hình qua bài toán mẫu:
    • Bài toán phân lưu: Kiểm tra sự bảo toàn lưu lượng và tính ổn định mực nước tại nút ngã ba.
    • Bài toán kênh chữ nhật phẳng: So sánh trực tiếp kết quả dao động mực nước và lưu lượng tính toán tại các điểm kiểm tra A, B, C giữa chương trình tự phát triển với phần mềm thương mại DUFLOW, kết quả cho thấy sự trùng khớp chặt chẽ về pha và biên độ.
    • Bài toán ghép lưới: Kiểm tra tính liên tục mực nước tại điểm tiếp giáp lưới thô và lưới mịn.

Chương IV: Ứng dụng mô hình số trị cho vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam

Chương IV thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho toàn bộ vùng Tứ Giác Long Xuyên và Biển Tây Nam:

  • Thiết lập mô hình: Mạng 1D bao gồm toàn bộ các trục kênh sông chính vùng Tứ Giác Long Xuyên (kênh Vĩnh Tế, kênh Tri Tôn, kênh Cái Sắn, kênh Rạch Giá - Hà Tiên, sông Hậu...). Miền 2D trên biển gồm 3 hệ thống lưới lồng nhau có độ phân giải tăng dần về phía bờ và cửa sông. Hệ thống 1D và 2D kết nối tương hỗ qua hơn 20 điểm nối tại các cửa sông, cửa cống ven biển Kiên Giang.
  • Hiệu chỉnh mô hình:
    • Hiệu chỉnh hệ số nhám đáy lòng dẫn ($n$) và hệ số khuếch tán rối trên cơ sở so sánh mực nước thực đo và hằng số điều hòa 4 sóng triều chính ($K_1, O_1, M_2, S_2$) tại trạm Hà Tiên và Rạch Giá.
    • So sánh trường dòng triều của 4 sóng chính với số liệu đo dòng chảy thực tế tại hai trạm ngoài khơi LT1 ($10^\circ12'33''\text{N}, 104^\circ35'\text{E}$) và LT2 ($10^\circ15'\text{N}, 104^\circ20'\text{E}$).
  • Kiểm định mô hình:
    • Kiểm định mực nước mùa khô triều cường và triều kiệt các năm 2005, 2008, 2010, 2011 tại trạm Rạch Giá, Long Xuyên, Châu Đốc.
    • Kiểm định mực nước mùa lũ triều cường và triều kiệt các năm 2010, 2011 tại Rạch Giá.
    • Kiểm định xâm nhập mặn (độ mặn ‰) tại trạm Rạch Giá vào các thời kỳ triều cường mùa khô năm 2005, 2008 và 2011.
    • Đánh giá định lượng qua chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSE) cho thấy mực nước và độ mặn tại hầu hết các trạm kiểm định đều đạt mức tốt và rất tốt ($\text{NSE} > 0{,}65$).

Chương V: Một số kết quả ứng dụng cho vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam

Chương V trình bày các kết quả tính toán mô phỏng thủy động lực và môi trường theo các kịch bản:

  • Đặc trưng thủy động lực học:
    • Xác định biên độ dao động mực nước cực trị trên các tuyến kênh chuyển nước chính: kênh Tri Tôn – Hòn Sóc, kênh Rạch Giá – Long Xuyên và kênh Cái Sắn.
    • Phân tích ảnh hưởng của trường gió mùa ngoài biển: Gió mùa tây nam làm gia tăng mực nước cực đại trong các kênh ven biển Tây so với trường hợp không xét đến ứng suất gió.
    • Mô phỏng bức tranh trường vận tốc 2D trên toàn vùng biển Tây Nam và vận tốc dòng chảy chi tiết tại các vùng cửa sông Hòn Đất và cửa sông Rạch Giá qua các pha triều.
  • Đặc trưng môi trường và xâm nhập mặn:
    • Thiết lập bản đồ phân bố nồng độ mặn tại thời điểm đỉnh triều và chân triều.
    • Xác định ranh giới và diện tích vùng bị ảnh hưởng bởi độ mặn $> 4‰$ trong các kịch bản triều cường và triều kiệt mùa khô.
    • Phân tích diễn biến đồng thời giữa dao động mực nước (m), vận tốc dòng chảy (m/s) và độ mặn (‰) theo chuỗi thời gian tại Rạch Giá và các điểm quan sát dọc kênh Tri Tôn – Hòn Sóc.
  • Mô phỏng chất lượng nước và dự báo xu thế:
    • Mô phỏng trường phân bố nồng độ BOD cực đại và DO cực tiểu trên hệ thống kênh sông và vùng biển ven bờ theo mức phát thải cơ sở năm 2008 (đối chiếu Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt và nước biển ven bờ).
    • Dự báo xu thế lan truyền ô nhiễm BOD, DO trên vùng 1D và vùng biển 2D theo kịch bản gia tăng tải lượng xả thải tương ứng với tốc độ tăng trưởng kinh tế - xã hội của vùng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và phương pháp

  1. Xây dựng và hoàn thiện bộ chương trình số trị 1-2D tích hợp bằng ngôn ngữ Fortran, cho phép mô phỏng đồng thời chế độ thủy động lực học, quá trình lan truyền mặn và các chỉ tiêu chất lượng nước (DO, BOD, dinh dưỡng) trong một hệ thống liên kết sông - biển mở.
  2. Ứng dụng thành công kỹ thuật ghép lưới chia lẻ $\Delta x / (2n+1)$ trong miền 2 chiều và cơ chế liên kết động lực học 1D-2D qua hơn 20 điểm nối cửa sông, giải quyết bài toán chênh lệch quy mô không gian giữa hệ thống kênh rạch nội đồng và vùng biển ven bờ rộng lớn.
  3. Ứng dụng kỹ thuật tính toán song song Fork-Join kết hợp liên kết dữ liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS), nâng cao hiệu suất tính toán và trực quan hóa kết quả mô phỏng.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu số hóa hoàn chỉnh và đồng bộ về địa hình đáy biển Vịnh Thái Lan, mạng lưới kênh sông Tứ Giác Long Xuyên, cùng các chuỗi số liệu thủy văn, hải văn và chất lượng nước giai đoạn 2004–2011.
  2. Định lượng chi tiết các đặc trưng thủy động lực học vùng cửa sông Tây Nam: xác định tác động dâng cao mực nước do gió mùa ngoài khơi vào sâu trong mạng kênh nội đồng (kênh Tri Tôn, Cái Sắn, Rạch Giá - Long Xuyên), cơ chế lan truyền dòng chảy tại các cửa sông chính (Hòn Đất, Rạch Giá).
  3. Khoanh vùng chính xác phạm vi xâm nhập mặn (ngưỡng $> 4‰$) theo các pha triều cường/triều kiệt mùa khô và mô phỏng bức tranh lan truyền chất ô nhiễm (BOD, DO) phục vụ kiểm soát chất lượng nước nuôi trồng thủy sản và cấp nước sinh hoạt.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Cần ứng dụng mô hình số trị đã thiết lập vào công tác vận hành hệ thống công trình thủy lợi kiểm soát mặn và thoát lũ tại vùng Tứ Giác Long Xuyên (hệ thống cống dọc kênh Rạch Giá - Hà Tiên).
  • Bổ sung các kịch bản nước biển dâng kết hợp với biến động xả lũ từ thượng nguồn sông Mê Kông để chủ động các phương án bảo vệ đê biển và công trình hạ tầng ven bờ Tây Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mật độ mạng lưới trạm quan trắc thực địa về chất lượng nước và độ mặn tại vùng biển Tây Nam còn thưa; chuỗi số liệu quan trắc môi trường liên tục theo giờ còn hạn chế ở một số trạm ven bờ.
  • Phạm vi mô phỏng 2 chiều trên biển giả định các điều kiện biên lỏng dựa trên nội suy số liệu vệ tinh và hằng số điều hòa từ các trạm lân cận, chưa xét đầy đủ tương tác hoàn lưu quy mô toàn Biển Đông trong điều kiện bão lớn cực đoan.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Bổ sung và cập nhật chuỗi số liệu quan trắc thực địa chuyên sâu về bùn cát lơ lửng và chất lượng nước để tăng cường độ chính xác cho module sinh thái dinh dưỡng.
  • Mở rộng mô hình 2D thành mô hình 3 chiều (3D) tại các khu vực cửa sông sâu và vùng ven bờ có hiện tượng phân tầng mật độ nhiệt - muối rõ rệt.

Giá trị tham khảo

Đối tượng sử dụng

  • Nghiên cứu sinh và giảng viên: Chuyên ngành Cơ học thủy khí, Hải dương học, Thủy văn, Kỹ thuật tài nguyên nước và Khoa học môi trường; sử dụng làm tài liệu tham khảo về phương pháp số, kỹ thuật ghép lưới sai phân 1D-2D và mô hình hóa chất lượng nước.
  • Kỹ sư và đơn vị tư vấn thiết kế: Ứng dụng thuật toán và các bộ thông số nhám, hệ số khuếch tán rối đã được kiểm định để tính toán thủy lực công trình thủy lợi, cảng biển, luồng tàu và công trình chỉnh trị bờ biển Kiên Giang – Cà Mau.
  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn, Sở Tài nguyên & Môi trường các tỉnh Kiên Giang, An Giang, Cần Thơ, Cà Mau sử dụng các kịch bản xâm nhập mặn và dự báo tải lượng xả thải để xây dựng quy hoạch cấp thoát nước, bảo vệ môi trường đới bờ.

Các nội dung đáng tham khảo

  • Thuật toán giải sai phân ẩn 4 điểm Preissman và phương pháp giải phương trình nút cho mạng sông phức tạp (Chương III).
  • Kỹ thuật phân tích điều hòa triều và quy trình ghép lưới lồng 2D trên nền tảng tính toán song song (Chương II & III).
  • Tập bản đồ mô phỏng ranh mặn $> 4‰$, trường dòng chảy cực trị và lan truyền BOD/DO vùng Tứ Giác Long Xuyên (Chương V).

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng ngôn ngữ và phương pháp số nào để giải hệ phương trình thủy lực 1D và 2D?

Luận án phát triển phần mềm bằng ngôn ngữ Fortran. Phương pháp giải số bao gồm:

  • Đối với 1D: Sử dụng sơ đồ sai phân ẩn 4 điểm Preissman (với trọng số $\theta = 2/3$) giải hệ phương trình Saint-Venant kết hợp phương pháp truy đuổi để giải hệ phương trình mực nước tại các nút giao.
  • Đối với 2D: Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn hiện trên lưới chữ nhật so le, tuyến tính hóa các số hạng phi tuyến và áp dụng kỹ thuật ghép lưới chia lẻ $\Delta x / (2n+1)$.

2. Mô hình số trị được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên những nguồn dữ liệu và chỉ số thống kê nào?

Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định qua:

  • Dữ liệu: Mực nước, lưu lượng giờ và độ mặn tại các trạm Châu Đốc, Vàm Nao, Cần Thơ, Long Xuyên, Rạch Giá, Tân Hiệp (giai đoạn 2005, 2008, 2010, 2011); hằng số điều hòa 4 sóng triều chính ($K_1, O_1, M_2, S_2$) tại Hà Tiên, Rạch Giá và 2 trạm đo dòng chảy ngoài khơi LT1, LT2.
  • Chỉ số đánh giá: Sử dụng chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($\text{NSE}$). Kết quả kiểm định tại các trạm đa số đạt $\text{NSE} > 0{,}65$, phản ánh độ chính xác từ mức tốt đến rất tốt.

3. Tác động của gió mùa đến chế độ thủy động lực vùng biển Tây Nam và nội đồng Tứ Giác Long Xuyên diễn ra như thế nào?

Vào mùa gió tây nam (tháng V - IX), gió hướng tây mạnh tạo hoàn lưu xoáy nghịch lớn trong Vịnh Thái Lan, đẩy nước dâng ven bờ Kiên Giang - Cà Mau, làm gia tăng mực nước cực đại truyền sâu vào các tuyến kênh nội đồng (kênh Tri Tôn, Cái Sắn, Rạch Giá - Long Xuyên). Ngược lại, vào mùa gió đông bắc (tháng XI - III), hoàn lưu xoáy thuận chiếm ưu thế với hướng dòng chảy ven bờ từ nam lên bắc.

4. Hệ phương trình chất lượng nước trong mô hình mô phỏng những thông số và chu trình sinh hóa nào?

Mô hình chất lượng nước mô phỏng đồng thời 6 thông số: DO, BOD, $\text{PO}_4$, $\text{NH}_3$, $\text{NO}_3$ và Coliform tổng số ($CT$). Ngoài ra, mô hình tích hợp chu trình dinh dưỡng gồm 6 biến trạng thái (DIN, DIP, thực vật phù du PHY, động vật phù du ZOO, mùn bã DET, DO), tính toán chi tiết các quá trình quang hợp (phụ thuộc bức xạ ánh sáng theo định luật Beer, nhiệt độ và độ mặn theo công thức Yamaguchi), hô hấp, bài tiết và nitrat hóa.


Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán xây dựng và ứng dụng mô hình số trị 1-2 chiều chuyên dụng bằng ngôn ngữ Fortran, kết nối hệ thống kênh sông vùng Tứ Giác Long Xuyên với vùng biển Tây Nam qua hơn 20 điểm nối cửa sông. Kết quả tính toán đã làm rõ các quy luật thủy động lực học, biên độ dao động mực nước cực trị, tác động của gió mùa và bức tranh xâm nhập mặn cũng như lan truyền chất ô nhiễm (BOD, DO). Đây là công trình nghiên cứu có giá trị khoa học và thực tiễn cao, cung cấp cơ sở dữ liệu và công cụ tính toán tin cậy phục vụ quy hoạch hạ tầng ven biển, bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu tại khu vực Tây Nam Bộ.