Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình Toán Trong Thủy Động Lực Vùng Ven Biển Cửa Sông Nhật Lệ, Tỉnh Quảng Bình

• Tác giả: Đào Thị Thảo
• Người hướng dẫn: TS. Đào Đình Châm
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Thủy Văn và Tài Nguyên Nước
• Đề tài: Mô Hình Toán Thủy Động Lực Ứng Dụng Tại Cửa Sông Nhật Lệ, Quảng Bình
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THỦY ĐỘNG LỰC VÙNG VEN BIỂN CỬA SÔNG TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.1. Các khái niệm và định nghĩa
• 1.2. Vũng cửa sông
• 1.3. Phân loại cửa sông Việt Nam
• 1.4. Tình hình nghiên cứu vùng cửa sông trong và ngoài nước
• 1.4.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ở vùng cửa sông Nhật Lệ
• 1.5. Các phương pháp nghiên cứu vùng cửa sông
• 1.5.1. Phương pháp thống kê phân tích hệ thống và tổng hợp
• 1.5.2. Phương pháp điều tra khảo sát ngoài hiện trường
• 1.5.3. Phương pháp mô hình số thủy động
• 1.6. KẾT LUẬN
• 2. CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI VÙNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Điều kiện tự nhiên
• 2.1.1. Đặc điểm địa hình - địa mạo và biển động hình thái địa hình khu vực cửa sông ven biển Nhật Lệ
• 2.1.2. Biển động hình thái địa hình khu vực cửa sông Nhật Lệ
• 2.1.3. Các hiện tượng thời tiết đặc biệt
• 2.2. Yếu tố thủy văn
• 2.2.1. Đặc điểm mạng lưới sông ngòi
• 2.2.2. Đặc trưng dòng chảy
• 2.2.3. Đặc điểm thủy văn mùa lũ
• 2.2.4. Đặc điểm thủy văn mùa kiệt
• 2.2.5. Yếu tố hải văn: Thủy triều và dao động mực nước
• 2.2.6. Nước dâng do bão
• 2.2.7. Chế độ dòng chảy
• 2.3. Điều kiện kinh tế - xã hội
• 2.3.1. Tình hình phân bổ dân cư
• 2.3.2. Đặc điểm các ngành kinh tế khu vực nghiên cứu
• 2.3.2.1. Ngành nông, lâm, thủy sản
• 2.3.2.2. Công nghiệp
• 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC VÙNG NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phân tích lựa chọn mô hình
• 3.2. Thiết lập mô hình tính toán
• 3.3. Thu thập và xử lý số liệu
• 3.4. Tạo lưới tính toán cho mô hình 2D (Mô hình tính toán)
• 3.5. Thiết lập điều kiện biên
• 3.6. Mô hình dòng chảy
• 3.7. Mô hình sóng
• 3.8. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 3.8.1. Hiệu chỉnh mô hình
• 3.8.2. Kiểm định mô hình
• 3.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21 MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÙNG VBCS NHẬT LỆ, TỈNH QUẢNG BÌNH
• 4.1. Phân tích đánh giá chế độ thủy động lực qua kết quả mô phỏng bằng mô hình MIKE 21
• 4.2. Kết quả phân tích vào mùa đông
• 4.3. Kết quả tính toán trong mùa hè
• 4.4. Định hướng về giải pháp ổn định của sông dựa trên cơ sở kết quả mô phỏng
• 4.4.1. Giải pháp công trình
• 4.4.2. Giải pháp phi công trình
• 4.5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

I. Giới thiệu về mô hình toán thủy động lực

Mô hình toán thủy động lực là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu và quản lý các quá trình thủy động lực tại cửa sông Nhật Lệ, tỉnh Quảng Bình. Mô hình toán này giúp mô phỏng các hiện tượng như dòng chảy, sóng, và sự tương tác giữa nước ngọt và nước mặn. Bằng cách sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại, mô hình này cho phép phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ thủy văn và môi trường tại khu vực cửa sông. Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa trong việc hiểu rõ hơn về các quá trình tự nhiên mà còn đóng góp vào việc quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường. "Việc áp dụng mô hình toán trong nghiên cứu thủy động lực đã chứng tỏ được tính hiệu quả trong việc dự báo các hiện tượng tự nhiên, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay."

1.1. Khái niệm về mô hình thủy động lực

Mô hình thủy động lực là công cụ mô phỏng các quá trình vật lý của nước trong các hệ thống thủy văn. Mô hình thủy động lực tại cửa sông Nhật Lệ được xây dựng dựa trên các phương pháp toán học và vật lý, cho phép tái tạo các điều kiện thực tế của dòng chảy và sóng. Các yếu tố như tốc độ dòng chảy, mực nước, và các biến động môi trường được đưa vào mô hình nhằm tạo ra một bức tranh rõ nét về các quá trình diễn ra trong khu vực này. "Mô hình hóa các quá trình thủy động lực là cần thiết để đánh giá tác động của các hoạt động con người và thiên nhiên đến hệ sinh thái và kinh tế khu vực."

II. Đặc điểm địa lý và kinh tế xã hội vùng nghiên cứu

Khu vực cửa sông Nhật Lệ có đặc điểm địa lý phong phú với sự tương tác giữa dòng sông và biển. Đặc điểm địa lý này tạo điều kiện cho sự hình thành các quá trình thủy động lực phức tạp. Bên cạnh đó, khu vực này cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố kinh tế - xã hội như hoạt động đánh bắt, nuôi trồng thủy sản, và phát triển hạ tầng. "Cửa sông Nhật Lệ không chỉ là nơi giao thoa giữa nước ngọt và nước mặn mà còn là trung tâm kinh tế quan trọng của tỉnh Quảng Bình." Việc nghiên cứu sâu về các yếu tố này sẽ giúp đưa ra các giải pháp quản lý hiệu quả, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

2.1. Điều kiện tự nhiên

Điều kiện tự nhiên tại cửa sông Nhật Lệ bao gồm khí hậu, địa hình và thủy văn. Điều kiện tự nhiên này có ảnh hưởng lớn đến các quá trình thủy động lực. Với địa hình đa dạng, khu vực này thường xuyên bị tác động bởi các hiện tượng thời tiết như bão và lũ lụt. "Những biến đổi trong điều kiện tự nhiên sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ thủy văn và các hoạt động kinh tế tại khu vực này." Việc nắm rõ các điều kiện tự nhiên sẽ giúp xác định các yếu tố nguy cơ và đưa ra các biện pháp ứng phó phù hợp.

III. Thiết lập mô hình toán thủy động lực

Việc thiết lập mô hình toán thủy động lực tại cửa sông Nhật Lệ là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều bước từ lựa chọn mô hình đến hiệu chỉnh và kiểm định. Thiết lập mô hình này không chỉ yêu cầu kiến thức sâu rộng về thủy văn mà còn cần sự kết hợp giữa các mô hình một chiều và hai chiều để mô phỏng chính xác các quá trình diễn ra. "Mô hình MIKE 21 được sử dụng để tính toán các đặc trưng dòng chảy và sóng, từ đó cung cấp thông tin cần thiết cho việc đánh giá tác động của các hoạt động con người và thiên nhiên." Sự chính xác của mô hình sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả nghiên cứu và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

3.1. Phân tích lựa chọn mô hình

Phân tích lựa chọn mô hình là bước quan trọng trong quá trình thiết lập mô hình toán. Phân tích lựa chọn mô hình dựa trên các yếu tố như tính khả thi, độ chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tế. Việc lựa chọn mô hình phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa quá trình mô phỏng và cung cấp kết quả đáng tin cậy. "Mô hình MIKE 21 đã được chứng minh là hiệu quả trong việc mô phỏng các quá trình thủy động lực tại cửa sông Nhật Lệ, giúp cung cấp cái nhìn sâu sắc về diễn biến của môi trường nước."

IV. Ứng dụng mô hình trong nghiên cứu thủy động lực

Mô hình toán thủy động lực không chỉ giúp nghiên cứu các quá trình tự nhiên mà còn có ứng dụng thực tiễn trong quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường. Ứng dụng mô hình này trong nghiên cứu cửa sông Nhật Lệ cho phép đánh giá tác động của các yếu tố như triều, sóng và dòng chảy đến môi trường và kinh tế. "Kết quả từ mô hình sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho các nhà quản lý trong việc đưa ra các quyết định về phát triển bền vững khu vực ven biển." Việc ứng dụng mô hình toán trong nghiên cứu thủy động lực là cần thiết để đảm bảo sự phát triển kinh tế - xã hội mà vẫn bảo vệ được môi trường tự nhiên.

4.1. Đánh giá tác động

Đánh giá tác động của các quá trình thủy động lực là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Đánh giá tác động giúp xác định các rủi ro và cơ hội cho phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng mô hình toán trong đánh giá này cho phép phân tích chi tiết và đưa ra các giải pháp hiệu quả. "Thông qua mô hình, các nhà nghiên cứu có thể dự đoán các biến động trong tương lai và từ đó đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời."

Tổng quan nghiên cứu

Vùng ven biển cửa sông Nhật Lệ, tỉnh Quảng Bình, là khu vực có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng của địa phương. Với diện tích lưu vực sông Kiến Giang lên đến 2.650 km², địa hình chủ yếu là đồi núi thấp với độ cao trung bình 234 m và độ dốc 20,1%, vùng cửa sông này chịu tác động phức tạp của các yếu tố thủy động lực như thủy triều, sóng biển, dòng chảy sông và biển. Trong giai đoạn 2015-2016, các hiện tượng thiên tai như bão, lũ, xâm nhập mặn và bồi tụ - xói lở bờ biển diễn ra thường xuyên, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và hoạt động kinh tế biển của tỉnh.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình toán bộ chương trình MIKE để mô phỏng và tính toán các đặc trưng thủy động lực (sóng, dòng chảy) nhằm xây dựng bức tranh chi tiết về quá trình thủy động lực vùng ven biển cửa sông Nhật Lệ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực ven biển, cửa sông Nhật Lệ với giới hạn không gian đến đường đẳng sâu 10 m về phía biển, cách cửa sông 2 km về hai bên và kéo dài đến cầu Nhật Lệ về phía thượng lưu. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc dự báo, quản lý và đề xuất các giải pháp ổn định cửa sông, góp phần phát triển bền vững vùng ven biển Quảng Bình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu thủy động lực vùng cửa sông ven biển, bao gồm:

• Lý thuyết thủy động lực học cửa sông: Nghiên cứu sự tương tác giữa nước ngọt sông và nước mặn biển, ảnh hưởng của thủy triều, sóng và dòng chảy đến biến động địa hình cửa sông.
• Mô hình toán thủy động lực MIKE 21: Mô hình 2 chiều mô phỏng trường sóng và dòng chảy, vận chuyển bùn cát, được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên số liệu thực tế.
• Khái niệm cửa sông kiểu Delta: Cửa sông Nhật Lệ thuộc loại cửa sông lồi (Delta), đặc trưng bởi sự phát triển các bãi bồi, bar cát và biến động mạnh mẽ của lòng dẫn do tác động của dòng chảy sông và sóng biển.

Các khái niệm chính bao gồm: vùng cửa sông, chế độ thủy văn cửa sông, dòng chảy đồng chảy, bồi tụ - xói lở bờ biển, và mô hình số trị thủy động lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm số liệu khí tượng thủy văn từ các trạm quan trắc trong giai đoạn 2015-2016, số liệu địa hình, trầm tích và khảo sát thực địa tại vùng cửa sông Nhật Lệ. Cỡ mẫu dữ liệu được thu thập từ nhiều trạm thủy văn và khí tượng, đảm bảo tính đại diện cho khu vực nghiên cứu.

Phương pháp phân tích chính là mô hình toán số trị thủy động lực MIKE 21, kết hợp mô hình 1 chiều cho dòng chảy trong sông và mô hình 2 chiều cho vùng cửa sông và ven biển. Quá trình nghiên cứu gồm các bước: thu thập và xử lý số liệu, tạo lưới tính toán, thiết lập điều kiện biên, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực đo tại các trạm AWAC và trạm thủy văn.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ thu thập số liệu, xây dựng mô hình, đến phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng thủy động lực vùng cửa sông Nhật Lệ: Mô hình MIKE 21 cho thấy dòng chảy và sóng biển tại cửa sông có sự biến đổi rõ rệt theo mùa. Mùa đông, dòng chảy và sóng có xu hướng mạnh hơn với tốc độ dòng chảy trung bình đạt khoảng 0,5-1,2 m/s, trong khi mùa hè giảm xuống còn 0,3-0,7 m/s. Sóng biển có chu kỳ trung bình từ 6-8 giây, với biên độ sóng dao động từ 0,5 đến 1,5 m.

2. Biến động địa hình và bồi tụ - xói lở: Khu vực phía Bắc cửa sông Nhật Lệ bị xói lở với tốc độ từ 5-10 m/năm, trong khi phía Nam lại có hiện tượng bồi tụ với tốc độ khoảng 0,5 m/năm. Lòng dẫn sông có xu hướng dịch chuyển về phía Đông, làm thay đổi cấu trúc bờ biển và ảnh hưởng đến hoạt động giao thông thủy.

3. Ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng thủy văn: Các hiện tượng bão, áp thấp nhiệt đới và gió mùa Tây Nam khô nóng tác động mạnh đến chế độ thủy động lực. Trong năm 2010-2012, có khoảng 6-10 cơn bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động trên Biển Đông, gây mưa lớn và lũ lụt tại vùng nghiên cứu. Lượng mưa trung bình năm dao động từ 1952 đến 2600 mm, tập trung chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 7 đến tháng 10.

4. Hiệu quả mô hình toán: Mô hình MIKE 21 được hiệu chỉnh và kiểm định với sai số mực nước và vận tốc dòng chảy dưới 10%, cho phép mô phỏng chính xác các quá trình thủy động lực trong vùng cửa sông. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ biến động mực nước, trường dòng chảy và trường sóng tại các điểm trích kết quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của biến động thủy động lực vùng cửa sông Nhật Lệ là sự tương tác phức tạp giữa dòng chảy sông, thủy triều và sóng biển. Sự dịch chuyển lòng dẫn và biến động bờ biển phản ánh tác động của dòng chảy lũ và sóng biển mùa mưa, đồng thời chịu ảnh hưởng của các công trình nhân tạo và hoạt động kinh tế ven bờ.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả mô phỏng phù hợp với các mô hình thủy động lực vùng cửa sông kiểu Delta, đồng thời phản ánh đúng đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa và tác động của biến đổi khí hậu tại khu vực. Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý, quy hoạch và đề xuất các giải pháp ổn định cửa sông, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và phát triển bền vững vùng ven biển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng công trình chắn sóng và kè bảo vệ bờ: Thiết kế các công trình chắn sóng và kè ven bờ nhằm giảm thiểu xói lở bờ biển phía Bắc cửa sông, bảo vệ khu vực dân cư và hạ tầng kinh tế. Thời gian thực hiện dự kiến trong 3-5 năm, do Sở Xây dựng và Ban Quản lý dự án địa phương chủ trì.

2. Nạo vét và duy tu luồng tàu: Thực hiện nạo vét định kỳ lòng dẫn sông để đảm bảo luồng tàu thông suốt, giảm thiểu bồi lấp gây cản trở giao thông thủy. Mục tiêu duy trì độ sâu luồng đạt 6,5 m, tiến hành hàng năm bởi Cảng vụ Hàng hải Quảng Bình.

3. Phát triển hệ thống cảnh báo và dự báo thủy động lực: Ứng dụng mô hình MIKE 21 để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm biến động mực nước, sóng và dòng chảy, hỗ trợ công tác phòng chống thiên tai. Thời gian triển khai trong 2 năm, phối hợp giữa Viện Địa lý và Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh.

4. Quản lý và bảo vệ môi trường vùng cửa sông: Tăng cường giám sát và kiểm soát các hoạt động khai thác, nuôi trồng thủy sản và xây dựng ven cửa sông nhằm hạn chế tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và thủy động lực. Chủ thể thực hiện là Sở Tài nguyên và Môi trường cùng các địa phương liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách quản lý vùng ven biển, quy hoạch phát triển kinh tế và phòng chống thiên tai hiệu quả.

2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy văn, địa lý biển: Tài liệu tham khảo quan trọng về mô hình toán thủy động lực, phương pháp nghiên cứu và phân tích dữ liệu thực tế vùng cửa sông.

3. Các kỹ sư và chuyên gia thiết kế công trình ven biển: Cung cấp thông tin chi tiết về đặc điểm thủy động lực và biến động địa hình, hỗ trợ thiết kế các công trình chắn sóng, kè bờ và luồng tàu.

4. Cơ quan quản lý môi trường và tài nguyên nước: Giúp đánh giá tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo đến môi trường cửa sông, từ đó đề xuất các biện pháp bảo vệ và khai thác bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình MIKE 21 có ưu điểm gì trong nghiên cứu thủy động lực vùng cửa sông?
   Mô hình MIKE 21 cho phép mô phỏng trường sóng và dòng chảy 2 chiều với độ chính xác cao, hiệu chỉnh dựa trên số liệu thực tế, giúp dự báo biến động thủy động lực nhanh và chi tiết. Ví dụ, mô hình đã mô phỏng chính xác biến động mực nước tại trạm AWAC trong nghiên cứu này.

2. Tại sao cửa sông Nhật Lệ lại bị xói lở mạnh ở phía Bắc?
   Nguyên nhân chính là do dòng chảy lũ mạnh kết hợp với tác động của sóng biển và sự dịch chuyển lòng dẫn sông về phía Đông, làm mất cân bằng bồi tụ-xói lở. Tốc độ xói lở có thể lên đến 10 m/năm, ảnh hưởng đến hạ tầng và môi trường ven bờ.

3. Các yếu tố khí tượng thủy văn ảnh hưởng như thế nào đến thủy động lực vùng cửa sông?
   Bão, áp thấp nhiệt đới và gió mùa Tây Nam khô nóng gây mưa lớn, lũ lụt và thay đổi dòng chảy, sóng biển. Ví dụ, trong giai đoạn 2010-2012, có khoảng 6-10 cơn bão hoạt động trên Biển Đông, làm tăng biến động mực nước và dòng chảy tại cửa sông.

4. Phương pháp thu thập số liệu trong nghiên cứu này là gì?
   Số liệu được thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn, trạm thủy văn, khảo sát thực địa và quan trắc ngoài hiện trường, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao cho việc hiệu chỉnh mô hình.

5. Giải pháp nào được đề xuất để ổn định cửa sông Nhật Lệ?
   Bao gồm xây dựng công trình chắn sóng, kè bảo vệ bờ, nạo vét luồng tàu định kỳ, phát triển hệ thống cảnh báo thủy động lực và quản lý môi trường vùng cửa sông nhằm giảm thiểu xói lở và bồi tụ không kiểm soát.

Kết luận

• Luận văn đã ứng dụng thành công mô hình toán MIKE 21 để mô phỏng các quá trình thủy động lực vùng ven biển cửa sông Nhật Lệ, cung cấp bức tranh chi tiết về dòng chảy và sóng biển.
• Phát hiện chính gồm biến động mạnh mẽ của dòng chảy và sóng theo mùa, xói lở bờ biển phía Bắc với tốc độ 5-10 m/năm và bồi tụ phía Nam khoảng 0,5 m/năm.
• Các yếu tố khí tượng thủy văn như bão, áp thấp nhiệt đới và gió mùa Tây Nam có ảnh hưởng lớn đến chế độ thủy động lực vùng nghiên cứu.
• Đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình nhằm ổn định cửa sông, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững.
• Nghiên cứu mở ra hướng tiếp tục phát triển hệ thống cảnh báo thủy động lực và ứng dụng mô hình toán trong quản lý vùng ven biển.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu mô phỏng dài hạn và tích hợp dữ liệu đa nguồn để nâng cao độ chính xác dự báo.

Call to action: Các nhà quản lý, chuyên gia và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý và phát triển bền vững vùng cửa sông ven biển.