Luận văn thạc sĩ về đánh giá vận chuyển trầm tích dưới tác động của dòng chảy và sóng

• Tác giả: Nguyễn Thị Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Huấn
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hải dương học
• Đề tài: Đánh Giá Suất Vận Chuyển Trầm Tích Dưới Tác Động Tổng Cộng Của Dòng Chảy Và Sóng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• Lời cám ơn
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.1. Vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng kết hợp với dòng chảy
• 1.2. Sơ lƣợc các phƣơng pháp tính suất vận chuyển trầm tích
• 1.3. Phƣơng pháp điều tra, khảo sát
• 1.4. Phƣơng pháp thống kê
• 1.5. Phƣơng pháp mô hình vật lý
• 1.6. Phƣơng pháp mô hình số trị
• 1.7. Lựa chọn mô hình
• 1.8. Giới thiệu các modun trong hệ thống mô hình MIKE
• 1.9. Mô hình tính thủy lực MIKE 21 HD-FM
• 1.10. Mô hình tính sóng MIKE 21SW
• 1.11. Mô hình tính vận chuyển trầm tích MIKE 21ST
• 2. CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU KHU VỰC ÁP DỤNG TÍNH TOÁN SUẤT VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH: VÙNG BIỂN CỬA TÙNG - QUẢNG TRỊ
• 2.1. Điều kiện tự nhiên
• 2.2. Vị trí địa lý
• 2.3. Đặc điểm khí tƣợng
• 2.4. Đặc điểm thủy, hải văn
• 2.5. Hiện trạng bồi tụ và xói lở
• 3. CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21 TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ SUẤT VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH
• 3.1. Thiết lập mô hình
• 3.2. Nguồn số liệu địa hình, miền tính và lƣới tính
• 3.3. Điều kiện biên
• 3.4. Kịch bản tính toán
• 3.5. Hiệu chỉnh mô hình
• 3.6. Hiệu chỉnh mô hình dòng chảy
• 3.7. Hiệu chỉnh mô hình sóng
• 3.8. Kết quả tính toán
• 3.9. Kết quả tính toán trƣờng sóng
• 3.10. Kết quả trƣờng dòng chảy
• 3.11. Kết quả vận chuyển trầm tích
• 3.12. Đánh giá suất vận chuyển trầm tích tổng cộng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu về vận chuyển trầm tích dưới tác động của dòng chảy và sóng biển là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học thủy động lực. Quá trình này không chỉ ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên mà còn tác động đến các hoạt động kinh tế xã hội tại các khu vực ven biển. Để đánh giá chính xác suất vận chuyển trầm tích, cần phải hiểu rõ các yếu tố tác động như tác động môi trường, quá trình vận chuyển, và động lực học. Theo Dean và Dalrymple (2004), việc nghiên cứu các quy luật của quá trình diễn biến bờ biển là cần thiết để phát triển các chiến lược ứng phó hiệu quả với hiện tượng xói lở. Mô hình số trị, như MIKE 21, đã được áp dụng để mô phỏng và tính toán các quá trình này, giúp cung cấp dữ liệu chính xác cho việc quản lý và bảo vệ bờ biển.

1.1. Động lực bờ biển

Động lực bờ biển là sự tương tác giữa bờ biển và các yếu tố thủy động lực. Các quá trình này diễn ra liên tục và có thể gây ra hiện tượng xói lở hoặc bồi tụ. Khi dòng chảy và sóng tác động lên bờ biển, chúng có thể làm thay đổi địa hình và cấu trúc bờ. Sự biến đổi này có thể diễn ra nhanh chóng trong thời gian ngắn, đặc biệt là trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như bão. Việc hiểu rõ các cơ chế này là rất quan trọng để dự đoán và quản lý các tác động tiêu cực đến bờ biển.

II. Giới thiệu khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu là bãi biển Cửa Tùng, tỉnh Quảng Trị, nơi có điều kiện tự nhiên phức tạp. Địa chất biển tại đây chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như sóng biển, dòng chảy, và thủy triều. Các yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến suất vận chuyển trầm tích mà còn đến sự ổn định của bờ biển. Hiện trạng bồi tụ và xói lở tại khu vực này đã được ghi nhận, cho thấy sự cần thiết phải có các giải pháp quản lý hiệu quả. Việc nghiên cứu và đánh giá các yếu tố này sẽ giúp đưa ra các biện pháp bảo vệ bờ biển, đồng thời phát triển kinh tế du lịch tại khu vực.

2.1. Điều kiện tự nhiên

Điều kiện tự nhiên tại bãi biển Cửa Tùng rất đa dạng, bao gồm các yếu tố như khí hậu, địa hình và thủy văn. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tự nhiên và vận chuyển trầm tích. Sự thay đổi của các yếu tố này có thể dẫn đến hiện tượng xói lở hoặc bồi tụ, ảnh hưởng đến các hoạt động kinh tế xã hội trong khu vực. Việc nghiên cứu kỹ lưỡng các điều kiện tự nhiên sẽ giúp hiểu rõ hơn về các tác động của dòng chảy và sóng biển đến bờ biển.

III. Ứng dụng mô hình MIKE 21

Mô hình MIKE 21 đã được áp dụng để tính toán các quá trình thủy động lực và suất vận chuyển trầm tích tại khu vực Cửa Tùng. Mô hình này cho phép mô phỏng các điều kiện biên và kịch bản tính toán khác nhau, từ đó đưa ra các kết quả chính xác về vận chuyển trầm tích. Kết quả tính toán cho thấy sự tương tác giữa dòng chảy và sóng có ảnh hưởng lớn đến suất vận chuyển trầm tích tổng cộng. Việc sử dụng mô hình số trị không chỉ giúp đánh giá chính xác tình hình hiện tại mà còn dự đoán các diễn biến trong tương lai, từ đó hỗ trợ cho công tác quản lý bờ biển.

3.1. Kết quả tính toán

Kết quả từ mô hình MIKE 21 cho thấy sự thay đổi đáng kể trong suất vận chuyển trầm tích dưới tác động của dòng chảy và sóng biển. Các số liệu thu được cho phép đánh giá chính xác hơn về tình hình xói lở và bồi tụ tại khu vực Cửa Tùng. Những thông tin này rất quan trọng cho việc xây dựng các chiến lược bảo vệ bờ biển, đồng thời hỗ trợ cho các hoạt động phát triển kinh tế bền vững trong khu vực.

Tổng quan nghiên cứu

Vận chuyển trầm tích dưới tác động tổng hợp của dòng chảy và sóng là một trong những vấn đề trọng yếu trong nghiên cứu hải dương học, đặc biệt tại các vùng ven biển chịu ảnh hưởng phức tạp của các yếu tố thủy động lực. Tại bãi biển Cửa Tùng, tỉnh Quảng Trị, quá trình xói lở và bồi tụ diễn ra mạnh mẽ, gây ảnh hưởng tiêu cực đến phát triển kinh tế - xã hội, đặc biệt là ngành du lịch. Theo số liệu từ năm 1979 đến 2017, khu vực này chịu ảnh hưởng chủ yếu của ba hướng sóng chính: Đông (45,67%), Đông Bắc (27,28%) và Đông Nam (13,27%), với độ cao sóng trung bình dao động từ 0,25 đến 3,5 m, có thể lên đến 6 m trong các đợt bão lớn. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá suất vận chuyển trầm tích tổng cộng dưới tác động đồng thời của dòng chảy và sóng tại khu vực Cửa Tùng bằng mô hình số trị MIKE 21, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho các giải pháp quản lý bờ biển và khôi phục bãi tắm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng biển Cửa Tùng, với dữ liệu thu thập từ năm 2010 và các chuỗi số liệu sóng, dòng chảy từ 1979 đến 2017. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc dự báo biến động địa hình bờ biển, hỗ trợ phát triển bền vững kinh tế ven biển và giảm thiểu thiệt hại do xói lở gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy động lực học kết hợp vận chuyển trầm tích, bao gồm:

• Lý thuyết sóng biển: Mô tả sự phát triển, phân hủy và biến đổi của sóng gió, sóng lừng vùng ven bờ, dựa trên phương trình bảo toàn mật độ tác động sóng, tính đến các quá trình như tán xạ, ma sát đáy, sóng đổ và tương tác sóng-dòng chảy.

• Lý thuyết dòng chảy ven bờ: Phân tích dòng chảy dọc bờ và ngang bờ sinh ra do sóng, gió và thủy triều, với vận tốc dòng chảy trung bình khoảng 0,3 m/s, có thể vượt 1 m/s trong bão.

• Mô hình vận chuyển trầm tích tổng cộng: Tổng hợp vận chuyển di đáy và lơ lửng, xét đến ảnh hưởng của sóng và dòng chảy, sử dụng công thức Bijker để tính toán suất vận chuyển trầm tích.

Các khái niệm chính bao gồm: suất vận chuyển trầm tích (m³/s/m), vận chuyển dọc bờ và ngang bờ, ứng suất phát xạ sóng, lớp biên sóng, và mô hình số trị thủy động lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu địa hình từ hải đồ IA-100-09 (1997) và đo sâu hồi âm (2010), số liệu sóng tái phân tích từ ECMWF (1979-2017), số liệu mực nước triều và dòng chảy thực đo tại trạm K1, K2 (2010), cùng các thông số vật liệu đáy (d50 = 0,27 mm).

Phương pháp phân tích sử dụng bộ mô hình MIKE 21 gồm các mô đun MIKE 21 HD-FM (dòng chảy), MIKE 21 SW (sóng), và MIKE 21 ST (vận chuyển trầm tích), liên kết động để mô phỏng tương tác sóng - dòng chảy - trầm tích. Mô hình được hiệu chỉnh với dữ liệu thực đo, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với lưới phi cấu trúc gồm 9315 phần tử tam giác, kích thước lưới từ 10 m đến 320 m.

Timeline nghiên cứu tập trung vào các kịch bản mô phỏng năm 2017 với ba trường hợp: có kè phía Nam (KB1), không có kè (KB2), và có cả kè phía Nam và Bắc (KB3). Quá trình hiệu chỉnh mô hình diễn ra trong tháng 4/2010 với dữ liệu thực đo 15 phút, đánh giá độ phù hợp bằng chỉ số Nash.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của công trình kè đến trường sóng: Trong trường sóng Đông Nam (SE), kè phía Nam tạo vùng khuất sóng, giảm độ cao sóng từ 0,45 m trước kè xuống còn 0,15 m phía trong cửa sông, làm thay đổi đáng kể đặc trưng sóng tại khu vực bờ. Trong khi đó, kè phía Bắc có ảnh hưởng không đáng kể đến trường sóng.

2. Đặc điểm dòng chảy ven bờ: Vận tốc dòng chảy trong pha triều lên đạt 0,11 m/s, cao hơn pha triều xuống (0,075 m/s). Dưới tác động của sóng, vận tốc dòng chảy tăng lên đến 0,66 m/s tại các điểm mũi Si và đầu kè. Kè phía Nam và Bắc gây ngăn dòng chảy dọc bờ, tạo xoáy cục bộ trước cửa sông và sát chân kè phía Nam.

3. Vận chuyển trầm tích tổng cộng: Trong trường sóng NE, dòng trầm tích vận chuyển từ Bắc xuống Nam, gây xói lở tại mũi Si và bồi tụ tại cửa sông. Trường sóng E và SE, sự có mặt của kè phía Nam giữ lại phần lớn trầm tích từ phía Nam, hạn chế nguồn bổ sung cho bãi tắm, góp phần làm thu hẹp bãi biển. Suất vận chuyển trầm tích tại các mặt cắt MC1, MC2 cho thấy vận chuyển ngang bờ và dọc bờ có sự biến đổi rõ rệt theo từng kịch bản, với sự giảm vận chuyển trầm tích qua kè phía Nam lên đến khoảng 40-50%.

4. Hiệu quả mô hình: Chỉ số Nash cho mực nước đạt 0,87, vận tốc dòng chảy 0,72 và hướng dòng 0,67, cho thấy mô hình có độ tin cậy cao. Độ cao sóng mô phỏng đạt chỉ số Nash 0,79, chu kỳ sóng 0,68 và hướng sóng 0,73, phù hợp với số liệu thực đo.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương tác phức tạp giữa sóng, dòng chảy và công trình kè ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển trầm tích và biến động địa hình bờ biển. Việc kè phía Nam che chắn sóng làm giảm năng lượng sóng tại cửa sông, dẫn đến giảm vận chuyển trầm tích vào bãi tắm, gây xói lở cục bộ. So sánh với các nghiên cứu trước đây tại khu vực cho thấy kết quả mô hình số trị MIKE 21 có độ chính xác cao hơn, đặc biệt trong việc mô phỏng vận tốc dòng chảy và độ cao sóng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh vận tốc dòng chảy, độ cao sóng giữa mô hình và thực đo, cũng như bản đồ trường vận chuyển trầm tích tổng cộng theo từng kịch bản, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của công trình kè và hướng sóng đến quá trình bồi xói.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng và duy trì hệ thống quan trắc thủy động lực và trầm tích: Tăng cường thu thập số liệu thực đo liên tục tại các trạm quan trắc để cập nhật và hiệu chỉnh mô hình, nâng cao độ chính xác dự báo. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường, các viện nghiên cứu; Thời gian: liên tục hàng năm.

2. Thiết kế và cải tạo công trình kè phù hợp: Điều chỉnh thiết kế kè phía Nam nhằm giảm thiểu tác động ngăn cản vận chuyển trầm tích, kết hợp các giải pháp kỹ thuật như kè mềm hoặc kè chắn sóng có khe hở. Chủ thể: Ban quản lý dự án, chính quyền địa phương; Thời gian: 2-3 năm.

3. Phát triển mô hình số trị đa kịch bản: Mở rộng mô hình để đánh giá tác động của các giải pháp kỹ thuật và biến đổi khí hậu trong tương lai, hỗ trợ ra quyết định quản lý bền vững. Chủ thể: Các viện nghiên cứu, trường đại học; Thời gian: 1-2 năm.

4. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình giáo dục về bảo vệ bờ biển, hạn chế khai thác cát trái phép, góp phần giảm thiểu xói lở. Chủ thể: UBND địa phương, các tổ chức phi chính phủ; Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ven biển: Nhận diện nguyên nhân xói lở, đánh giá hiệu quả công trình kè, từ đó xây dựng chính sách quản lý bền vững.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành hải dương học, kỹ thuật biển: Tham khảo phương pháp mô hình số trị MIKE 21, kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình và phân tích vận chuyển trầm tích.

3. Các đơn vị thi công và thiết kế công trình ven biển: Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế công trình phù hợp, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường bờ biển.

4. Cộng đồng địa phương và các tổ chức bảo vệ môi trường: Hiểu rõ tác động của các hoạt động kinh tế xã hội đến bờ biển, từ đó tham gia bảo vệ và phát triển bền vững khu vực ven biển.

Câu hỏi thường gặp

1. Suất vận chuyển trầm tích là gì và tại sao quan trọng?
   Suất vận chuyển trầm tích là thể tích trầm tích di chuyển trên một đơn vị thời gian và chiều dài bờ biển, phản ánh quá trình bồi tụ và xói lở. Nó quan trọng để dự báo biến động địa hình bờ và thiết kế công trình ven biển hiệu quả.

2. Mô hình MIKE 21 có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   MIKE 21 cho phép mô phỏng đồng thời tương tác sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích với độ chính xác cao, dễ hiệu chỉnh và áp dụng cho các vùng biển phức tạp như Cửa Tùng.

3. Tác động của công trình kè đến vận chuyển trầm tích như thế nào?
   Công trình kè phía Nam làm giảm vận chuyển trầm tích từ phía Nam lên bãi tắm, gây thiếu hụt nguồn bùn cát bổ sung, dẫn đến xói lở và thu hẹp bãi biển.

4. Dữ liệu nào được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình?
   Số liệu mực nước, vận tốc và hướng dòng chảy, độ cao, chu kỳ và hướng sóng thu thập tại các trạm quan trắc K1, K2 trong tháng 4/2010 được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình.

5. Giải pháp nào được đề xuất để khôi phục bãi tắm Cửa Tùng?
   Đề xuất bao gồm cải tạo công trình kè, tăng cường quan trắc, phát triển mô hình đa kịch bản và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm giảm thiểu xói lở và phục hồi bãi tắm.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thành công trong việc mô phỏng trường sóng, dòng chảy và suất vận chuyển trầm tích tổng cộng tại khu vực Cửa Tùng bằng mô hình số trị MIKE 21 với độ chính xác cao.
• Công trình kè phía Nam có ảnh hưởng lớn đến quá trình vận chuyển trầm tích, gây ra sự mất cân bằng nguồn bùn cát và thu hẹp bãi tắm.
• Kết quả mô hình được hiệu chỉnh và kiểm chứng với số liệu thực đo, đảm bảo độ tin cậy cho các phân tích và đề xuất.
• Các giải pháp kỹ thuật và quản lý được đề xuất nhằm khôi phục và bảo vệ bờ biển Cửa Tùng trong tương lai gần.
• Tiếp tục mở rộng nghiên cứu với các kịch bản biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội để hỗ trợ quản lý bền vững vùng ven biển.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà quản lý và chuyên gia ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, đồng thời phát triển các dự án quan trắc và mô hình hóa nâng cao nhằm bảo vệ bờ biển hiệu quả.