MỞ ĐẦU Nghiên cứu thủy động lực, vận chuyển trầm tích và bồi xói là những lĩnh vực nghiên cứu khoa học quan trọng. Trong thực tế, quá trình vận chuyển trầm tích diễn ra dƣới sự tác động của sóng và dòng chảy gây bồi tụ, xói lở bờ bãi, ảnh hƣởng tiêu cực đến các hoạt động kinh tế xã hội ở vùng ven biển. Nhiều giải pháp quản lý, kỹ thuật khác nhau đã đƣợc xây dựng nhằm giải quyết vấn đề trên và mô hình số trị là một trong những công cụ quan trọng hữu ích trong việc xây dựng các giải pháp đó. Bãi biển Cửa Tùng, tỉnh Quảng Trị nằm ở vị trí địa lý phức tạp, chịu ảnh hƣởng của các điều kiện địa lý tự nhiên nhƣ: sóng biển, thủy triều, nƣớc dâng, dòng bùn cát, dòng chảy sông cùng với quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu và các hoạt động kinh tế xã hội đang diễn ra mạnh mẽ trong khu vực.
Đây là khu vực đặc thù, thể hiện đầy đủ các tác động ảnh hƣởng đến bãi biển, bờ biển. Từng là một trong những bãi tắm đẹp nhất của Việt Nam tuy nhiên trong những năm gần đây, bãi tắm Cửa Tùng ngày càng bị thu hẹp về không gian do sự xâm thực cả về quy mô lẫn cƣờng độ, dẫn tới các tổn thất kinh tế, đặc biệt là du lịch. Trong chiến lƣợc phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh Quảng Trị, du lịch đƣợc xem nhƣ mũi nhọn vì vậy việc khôi phục bãi biển Cửa Tùng là một trong những nhiệm vụ cấp bách. Có nhiều nguyên nhân gây ra sự biến đổi địa mạo khu vực Cửa Tùng, trong đó việc xây dựng các công trình là khá rõ rệt và cần đƣợc nghiên cứu.
Trong nội dung luận văn, học viên thực hiện tính toán suất vận chuyển cát biển dƣới tác động tổng cộng dòng chảy - sóng tại khu vực Cửa Tùng tỉnh Quảng Trị bằng mô hình số trị MIKE 21. Nội dung luận văn bao gồm: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chƣơng 2: GIỚI THIỆU KHU VỰC ÁP DỤNG TÍNH TOÁN SUẤT VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH: VÙNG BIỂN CỬA TÙNG - QUẢNG TRỊ Chƣơng 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21 TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ SUẤT VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH Kết luận Tài liệu tham khảo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Suất vận chuyển trầm tích là đại lƣợng có ý nghĩa quan trọng cần xác định trong các bài toán động lực hình thái khu vực ven bờ liên quan đến công trình biển. Suất vận chuyển là thể tích khối hạt trầm tích ( ) dịch chuyển trong một đơn vị thời gian (s) trên đơn vị độ dài (m), thƣờng đƣợc kí hiệu ( /s/m). Suất vận chuyển trầm tích tổng cộng là tổng của suất vận chuyển dòng di đáy và dòng lơ lửng, xét đến tác động của cả sóng và dòng chảy [1].
Tổng quan về quá trình động lực và vận chuyển bùn cát Động lực bờ biển là các quá trình tƣơng tác qua lại giữa bờ biển và các yếu tố thủy động lực. Thực tế bờ biển luôn biến đổi liên tục dƣới tác động của sóng và dòng chảy tại nhiều quy mô không gian và thời gian khác nhau. Ví dụ, khi bờ biển chịu tác động của một con sóng đơn làm bùn cát ở ven bờ lơ lửng trong nƣớc và dòng chảy do sóng sinh ra sẽ vận chuyển lƣợng bùn cát này về phía hạ lƣu của dòng chảy dọc bờ. Quá trình tác động của sóng đơn này chỉ diễn ra trong vòng vài giây và có phạm vi tác động trong dải sóng vỡ mà thôi.
Nhƣng khi quá trình này diễn ra liên tục trong nhiều ngày hoặc nhiều năm, nó có thể gây ra hiện tƣợng xói lở bờ biển kéo dài trên một vùng rộng vài trăm mét đến hàng chục kilômét. Quá trình xói lở bãi biển, xói lở tại chân các đụn cát do ảnh hƣởng của bão lại có thể xảy ra chỉ trong vài giờ, hoặc 1 ngày. Do ảnh hƣởng của sóng bão và nƣớc dâng do bão, đƣờng bờ thay đổi rất nhanh chóng nhƣng quá trình tự khôi phục lại bãi biển sau đó có thể diễn ra trong một vài tháng hoặc trong cả mùa kế tiếp. Hiện tƣợng xói lở hoặc bồi tụ liên tục trong thời gian nhiều tháng, nhiều năm sẽ dẫn tới đƣờng bờ bị suy thoái hoặc phát triển.
Theo Dean và Dalrymple (2004), trong vòng 50 năm trở lại đây, kỹ thuật bờ biển đã trở thành một ngành khoa học hoàn chỉnh với các nghiên cứu chuyên sâu với mục tiêu là nắm bắt đƣợc các quy luật của quá trình diễn biến bờ biển và phát triển các chiến lƣợc ứng phó có hiệu quả đối với hiện tƣợng xói lở bờ biển. Với các tiếp cận nghiên cứu ngày càng cụ thể và sâu sắc hơn, cho tới nay những vấn đề về quá trình diễn biến bờ biển đã đƣợc hiểu biết một cách tƣơng đối toàn diện và hiệu quả bao gồm: khả năng phân tích, tổng hợp các quá trình diễn ra trong tự nhiên cũng nhƣ năng lực diễn giải, giải thích các hiện tƣợng phức tạp; đôi khi tồn tại sự mâu thuẫn giữa các căn cứ, bằng chứng và các kinh nghiệm đạt đƣợc từ các nghiên 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cứu trên một loạt các bờ biển cũng nhƣ công việc thực hiện tại các dự án có liên quan tới kỹ thuật bờ biển [1]. Sóng biển Khi sóng tiến vào bờ, một số đặc trƣng sóng thay đổi, chủ yếu do độ sâu nƣớc thay đổi. Tốc độ truyền sóng và bƣớc sóng giảm khi đi vào vùng nƣớc nông.
Bỏ qua ma sát đáy thì năng lƣợng truyền qua một đơn vị dài sẽ không đổi. Sóng gây ra vận chuyển trầm tích ròng bằng một số cơ chế [2]: - Sóng cuốn theo trầm tích nhiều hơn so với dòng chảy và khuếch tán chúng thông qua lớp biên sóng. Khi có mặt của dòng chảy, rối do dòng chảy sinh ra làm khuếch tán trầm tích lơ lửng lên cao hơn và mang chúng đi với dòng chảy ròng; - Khi sóng vỡ, sóng phát sinh dòng chảy dọc bờ, dòng này vận chuyển trầm tích theo phƣơng dọc bờ; - Vận tốc quỹ đạo dƣới đỉnh sóng lớn hơn dƣới chân sóng do đó cuốn theo nhiều trầm tích hơn. Chúng gây ra vận chuyển trầm tích ròng theo hƣớng lan truyền sóng (nói chung hƣớng vào bờ); - Vận chuyển khối lƣợng nƣớc theo hƣớng lan truyền sóng đƣợc sản sinh trong lớp biên sóng, mang trầm tích theo hƣớng sóng; - Trong vùng sóng đổ, sóng sản sinh vận tốc dòng sóng dội sát đáy hƣớng ra khơi, mang trầm tích ra xa bờ.
Dòng chảy Dòng chảy ven bờ là kết quả tổng hợp của các quá trình tác động, theo lực tác động, dòng chảy ven bờ chủ yếu sinh ra do dòng chảy gây ra bởi sóng, gió và dao động triều. Dòng chảy sinh ra do sóng và gió là yếu tố quan trọng trong quá trình vận chuyển và lan truyền bùn cát trong vùng ven bờ. Trong khi đó, dòng chảy do triều thƣờng mang tính chi phối chính trong vịnh, các vùng cửa sông. Theo tính chất và đặc điểm, có thể phân dòng chảy ven bờ ra các loại: dòng chảy dọc bờ và dòng chảy ngang bờ.
Dòng chảy dọc bờ do sóng và gió sinh ra chảy song song với bờ biển, thƣờng là mạnh nhất ở vùng ven bờ và giảm nhanh khi ra biển bên ngoài dải sóng vỡ. Các dòng này đƣợc sinh ra bởi gradient thông lƣợng động lƣợng (ứng suất phát xạ) do sự suy giảm của trƣờng sóng tới xiên góc và thành phần dọc bờ của gió. Nói chung, dòng chảy dọc bờ có vận tốc trung bình khoảng 0,3 m/s hoặc nhỏ hơn, nhƣng cũng có thể vƣợt 1 m/s khi có bão. Vận tốc dòng ven 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bờ gần nhƣ không đổi theo độ sâu (Visser, 1991) [10].
Không nhƣ dòng chảy dọc bờ, dòng chảy ngang bờ thay đổi theo chiều sâu. Phần vật chất do sóng vận chuyển về phía bờ biển tập trung giữa chân sóng và đỉnh sóng. Vì gần nhƣ toàn bộ vật chất truyền tới bị bờ biển ngăn lại nên dòng vật chất phía trên chân sóng cân bằng với dòng chảy ngƣợc phía dƣới chân sóng (dòng rút). Dòng tách bờ (rip current) thƣờng mạnh và hẹp, có hƣớng chảy về phía biển và đi qua vùng sóng vỡ, thƣờng có tác dụng vận chuyển các vật trôi nổi và bùn cát tạo thành những luồng dòng chảy có màu sắc hoàn toàn khác biệt với vùng nƣớc ở xung quanh nó.
Vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng kết hợp với dòng chảy Vận chuyển bùn cát vùng bờ chủ yếu do tác động sóng kết hợp dòng chảy. Sóng khuấy cát lên và dòng chảy vận chuyển nó đi. Đồng thời sóng cũng sinh ra dòng chảy thông qua ứng suất phát xạ trong quá trình sóng vỡ. Vận chuyển bùn cát ở vùng ven biển thƣờng đƣợc phân thành hai hình thức vận chuyển bùn cát riêng biệt, đó là vận chuyển bùn cát dọc bờ và vận chuyển bùn cát ngang bờ.
Vận chuyển bùn cát dọc bờ và cụ thể là gradient của vận chuyển bùn cát dọc bờ là nguyên nhân chính gây nên sự biến động của đƣờng bờ trong thời đoạn dài. Ngƣợc lại, vận chuyển bùn cát theo phƣơng ngang trên các mặt cắt ngang bãi biển thƣờng gây nên những diễn biến bờ biển trong thời đoạn ngắn. Nếu những diễn biến theo phƣơng ngang diễn ra lặp lại trong nhiều năm thì nó cũng có thể là nguyên nhân gây nên hiện tƣợng bồi xói bờ biển trong thời đoạn dài, tuy nhiên cũng rất khó có thể nhận thấy đƣợc điều này vì bản thân các quá trình vận chuyển bùn cát trong tự nhiên rất đa dạng và bản chất tự nhiên của chúng cũng khác nhau. Vận chuyển bùn cát dọc bờ thƣờng xuất hiện trong một vùng tƣơng đối hẹp dọc theo bờ biển và hƣớng, độ lớn vận chuyển bùn cát chủ yếu đƣợc xác định từ độ cao, chu kỳ và hƣớng sóng.
Sự hiện diện của dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ có thể nhận thấy rất dễ khi quan sát sự phát triển của đƣờng bờ cũng nhƣ địa hình ở gần các cửa sông, các mũi đất nhô ra biển, các đập mỏ hàn, các đê chắn sóng ngoài cảng. Các ảnh hƣởng của vận chuyển bùn cát theo phƣơng ngang trên bãi biển trong thời đoạn ngắn cũng có thể nhận thấy một cách dễ dàng từ sự thay đổi độ lớn và vị trí của các dải cát ngầm tạo thành khi sóng vỡ, xói lở các đụn cát do nƣớc dâng do bão. Thông thƣờng, ảnh hƣởng do sự biến đổi mang tính mùa của trƣờng sóng đối với bờ biển và địa hình đáy biển đều đƣợc xem nhƣ là các ảnh hƣởng mang tính ngắn hạn.