Tổng quan nghiên cứu

Vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đang đối mặt với tình trạng xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và đời sống người dân. Theo phân tích dữ liệu từ năm 1990 đến 2015, diện tích bờ biển bị xói lở có xu hướng gia tăng, với mức độ xói lở lớn nhất lên đến khoảng 50 m/năm tại một số khu vực như Gò Công, Tiền Giang và Cà Mau. Trước thực trạng này, việc nghiên cứu và ứng dụng các công trình bảo vệ bờ biển, đặc biệt là các công trình giảm sóng, trở nên cấp thiết nhằm hạn chế thiệt hại do sóng biển gây ra.

Luận văn tập trung nghiên cứu hiệu quả giảm sóng của cừ kiên lỗ rỗng – một dạng công trình phá sóng tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong bảo vệ bờ biển ĐBSCL. Mục tiêu chính là xác định hệ số truyền sóng qua công trình cừ kiên lỗ rỗng tại các mực nước khác nhau, từ đó tối ưu thiết kế công trình nhằm nâng cao hiệu quả giảm sóng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi vùng ven biển ĐBSCL, với dữ liệu sóng và dòng chảy thu thập tại khu vực Gò Công, Tiền Giang, trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2018.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế công trình bảo vệ bờ biển, góp phần giảm thiểu xói lở, bảo vệ rừng ngập mặn và phát triển bền vững vùng ven biển. Các chỉ số hiệu quả giảm sóng như hệ số truyền sóng (TC1) được đánh giá chi tiết, giúp các nhà thiết kế lựa chọn cấu trúc phù hợp với điều kiện tự nhiên đặc thù của ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết sóng tuyến tính và phi tuyến tính: Mô tả đặc tính lan truyền và tương tác của sóng biển với công trình phá sóng, bao gồm các thông số như chiều cao sóng, chu kỳ sóng, và hệ số truyền sóng.
  • Mô hình dòng chảy rối trong thủy lực: Sử dụng các mô hình rối như k-ε, RNG, và Large Eddy Simulation (LES) để mô phỏng dòng chảy phức tạp quanh công trình.
  • Mô hình toán học FLOW3D: Phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamics) dựa trên phương trình Navier-Stokes, cho phép mô phỏng 3D quá trình tương tác sóng với cấu trúc lỗ rỗng, bao gồm tính toán thành phần rối và truyền sóng.
  • Khái niệm chính:
    • Hệ số truyền sóng (TC1): Tỷ lệ năng lượng sóng truyền qua công trình so với năng lượng sóng ban đầu.
    • Tỷ lệ lỗ rỗng (porosity): Tỷ lệ diện tích lỗ so với tổng diện tích mặt cắt ngang công trình.
    • Mô hình rối LES: Mô hình mô phỏng dòng chảy rối có độ chính xác cao, phù hợp với các bài toán phức tạp về thủy lực.
    • Mô hình vật lý thí nghiệm: Mô hình tỷ lệ 1:7 được sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng số.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Dữ liệu sóng và dòng chảy thực tế thu thập tại vùng ven biển Gò Công, Tiền Giang trong giai đoạn 2016-2018, với chiều cao sóng trung bình từ 0.5 đến 1.2 m và chu kỳ sóng từ 2 đến 6 giây.
  • Dữ liệu thí nghiệm mô hình vật lý tại phòng thí nghiệm thủy lực Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, với tỷ lệ mô hình 1:7.
  • Dữ liệu mô phỏng số được thực hiện bằng phần mềm FLOW3D phiên bản 12.0, sử dụng mô hình LES để mô phỏng dòng chảy và sóng biển tương tác với công trình cừ kiên lỗ rỗng.

Phương pháp phân tích:

  • Thiết lập mô hình toán 3D chi tiết công trình cừ kiên lỗ rỗng dựa trên bản vẽ Autocad 3D.
  • Mô phỏng sóng biển với các điều kiện biên áp suất, vận tốc dòng chảy, và gia tốc trọng trường phù hợp với điều kiện thực tế.
  • So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thí nghiệm vật lý để hiệu chỉnh mô hình.
  • Phân tích ảnh hưởng của các thông số như tỷ lệ lỗ rỗng, bố trí lỗ, và mực nước đến hệ số truyền sóng.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích và tổng hợp kết quả.

Cỡ mẫu mô hình vật lý là tỷ lệ 1:7, lựa chọn phương pháp mô phỏng CFD vì khả năng mô phỏng chi tiết dòng chảy rối và tương tác sóng với cấu trúc phức tạp, giúp nâng cao độ chính xác và tính ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác của mô hình FLOW3D so với mô hình vật lý:
    Khi mực nước bằng 0 (công trình ngập hoàn toàn), hệ số truyền sóng TC1 giữa mô hình số và mô hình vật lý có sự tương đồng rất cao, sai số dưới 5%. Ở mực nước 0.41 m (đỉnh công trình bằng mực nước đứng), sai số vẫn duy trì trong khoảng 10%. Tuy nhiên, tại mực nước 0.25 m (công trình nhô cao hơn mực nước), sai số tăng lên khoảng 15%, nhưng vẫn nằm trong phạm vi chấp nhận được.

  2. Ảnh hưởng của tỷ lệ lỗ rỗng và bố trí lỗ đến hiệu quả giảm sóng:
    Mô hình FLOW3D cho thấy tỷ lệ lỗ rỗng càng lớn thì hệ số truyền sóng càng tăng, nghĩa là hiệu quả giảm sóng giảm. Bố trí lỗ không đều làm tăng sự phân tán sóng, giúp giảm hệ số truyền sóng trung bình khoảng 8% so với bố trí lỗ đều.

  3. So sánh giữa hai loại cừ kiên lỗ rỗng TC1 và R2:
    Cừ kiên R2 với bán kính lỗ lớn hơn (2.57 cm so với 2 cm của TC1) có hệ số truyền sóng cao hơn khoảng 12%, cho thấy công trình TC1 có hiệu quả giảm sóng tốt hơn trong điều kiện tương tự.

  4. Hiệu quả mô hình rối LES trong mô phỏng:
    Mô hình LES cho kết quả mô phỏng gần sát nhất với dữ liệu thực nghiệm, với hệ số xác định (R²) đạt trên 0.9, vượt trội so với các mô hình rối khác như k-ε hay RNG.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sự khác biệt giữa mô hình số và vật lý tại mực nước thấp có thể do hiện tượng dòng chảy phức tạp và sự tương tác không tuyến tính giữa sóng và công trình khi công trình nhô cao hơn mực nước. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tương tác sóng-công trình lỗ rỗng, cho thấy mô hình số cần được hiệu chỉnh kỹ lưỡng khi áp dụng cho các điều kiện mực nước thay đổi.

Việc tỷ lệ lỗ rỗng và bố trí lỗ ảnh hưởng mạnh đến hệ số truyền sóng nhấn mạnh tầm quan trọng của thiết kế cấu trúc công trình phù hợp với điều kiện sóng và mực nước địa phương. Mô hình FLOW3D với khả năng mô phỏng chi tiết dòng chảy rối và truyền sóng là công cụ hữu hiệu hỗ trợ kỹ sư trong việc tối ưu thiết kế.

Kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm rõ vai trò của mô hình rối LES trong mô phỏng thủy lực phức tạp, giúp nâng cao độ tin cậy của các dự báo thiết kế công trình bảo vệ bờ biển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số truyền sóng TC1 giữa mô hình số và vật lý tại các mực nước khác nhau, bảng tổng hợp ảnh hưởng tỷ lệ lỗ rỗng và bố trí lỗ đến TC1, cùng biểu đồ R² đánh giá độ phù hợp của các mô hình rối.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu thiết kế tỷ lệ lỗ rỗng và bố trí lỗ
    Khuyến nghị các nhà thiết kế lựa chọn tỷ lệ lỗ rỗng khoảng 20-30% và bố trí lỗ không đều để tăng hiệu quả giảm sóng, giảm hệ số truyền sóng ít nhất 8% trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: các công ty thiết kế công trình ven biển.

  2. Áp dụng mô hình FLOW3D kết hợp mô hình rối LES trong thiết kế
    Đề xuất sử dụng FLOW3D với mô hình LES làm công cụ chuẩn trong quá trình thiết kế và đánh giá công trình giảm sóng, nhằm nâng cao độ chính xác và giảm thiểu sai số so với mô hình vật lý. Thời gian áp dụng: ngay lập tức, chủ thể: viện nghiên cứu và các đơn vị tư vấn kỹ thuật.

  3. Xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng tại các vùng ven biển khác nhau
    Khuyến khích thu thập và cập nhật dữ liệu sóng, dòng chảy và hiệu quả công trình tại nhiều địa phương trong ĐBSCL để hiệu chỉnh mô hình phù hợp với điều kiện địa phương. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý biển.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực sử dụng phần mềm mô phỏng CFD
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về FLOW3D và mô hình rối LES cho kỹ sư thiết kế và nghiên cứu nhằm nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ số trong bảo vệ bờ biển. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ven biển
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu thiết kế cừ kiên lỗ rỗng, nâng cao hiệu quả giảm sóng và giảm thiểu chi phí xây dựng.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách bảo vệ bờ biển
    Áp dụng các khuyến nghị khoa học để xây dựng các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật cho công trình bảo vệ bờ biển tại ĐBSCL.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, kỹ thuật xây dựng
    Tham khảo phương pháp mô phỏng số và kết quả thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về tương tác sóng-công trình.

  4. Các tổ chức tư vấn và doanh nghiệp thi công công trình biển
    Ứng dụng mô hình FLOW3D và các kết quả phân tích để nâng cao chất lượng thi công, đảm bảo công trình hoạt động hiệu quả và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình FLOW3D có ưu điểm gì so với mô hình vật lý?
    FLOW3D cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy rối và tương tác sóng với công trình trong không gian 3D, tiết kiệm thời gian và chi phí so với thí nghiệm vật lý, đồng thời dễ dàng điều chỉnh các tham số thiết kế.

  2. Hệ số truyền sóng TC1 là gì và tại sao quan trọng?
    TC1 là tỷ lệ năng lượng sóng truyền qua công trình so với năng lượng sóng ban đầu, phản ánh hiệu quả giảm sóng của công trình. Xác định TC1 giúp tối ưu thiết kế để đạt hiệu quả bảo vệ cao nhất.

  3. Tại sao mô hình rối LES được ưu tiên sử dụng?
    LES mô phỏng chính xác các cấu trúc dòng chảy rối lớn, phù hợp với các bài toán phức tạp như tương tác sóng-công trình lỗ rỗng, cho kết quả gần sát thực tế hơn các mô hình rối khác.

  4. Ảnh hưởng của mực nước đến hiệu quả giảm sóng như thế nào?
    Khi công trình ngập hoàn toàn, hiệu quả giảm sóng cao và mô hình số khớp tốt với thực nghiệm. Khi công trình nhô cao hơn mực nước, dòng chảy phức tạp hơn, hiệu quả giảm sóng giảm và sai số mô hình tăng.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các vùng ven biển khác không?
    Có thể, nhưng cần hiệu chỉnh mô hình theo điều kiện sóng, dòng chảy và địa hình đặc thù của từng vùng để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả thiết kế.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình toán 3D bằng FLOW3D để mô phỏng tương tác sóng với cừ kiên lỗ rỗng tại vùng ven biển ĐBSCL.
  • Mô hình số cho kết quả phù hợp cao với mô hình vật lý, đặc biệt khi công trình ngập hoàn toàn, với sai số dưới 10%.
  • Tỷ lệ lỗ rỗng và bố trí lỗ ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số truyền sóng, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả giảm sóng của công trình.
  • Mô hình rối LES được xác định là mô hình phù hợp nhất trong mô phỏng dòng chảy rối quanh công trình.
  • Đề xuất áp dụng FLOW3D kết hợp mô hình LES trong thiết kế công trình bảo vệ bờ biển, đồng thời xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm và đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình FLOW3D trong các dự án thực tế, mở rộng nghiên cứu tại các vùng ven biển khác, và phát triển các giải pháp thiết kế công trình giảm sóng tối ưu hơn.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế công trình ven biển nên tích cực ứng dụng mô hình số FLOW3D để nâng cao hiệu quả và độ bền vững của các công trình bảo vệ bờ biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu và xói lở ngày càng nghiêm trọng.