Luận văn: Mô hình VNU/MDEC tính toán thủy động lực, trầm tích ven biển Hải Phòng

Luận văn phân tích chế độ thủy động lực, vận chuyển trầm tích vùng ven biển Hải Phòng qua việc ứng dụng mô hình VNU/MDEC và các kết quả tính toán chi tiết.

• Tác giả: Phạm Văn Tiến
• Người hướng dẫn: GS. Đinh Văn Ưu
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hải dương học
• Đề tài: Ứng Dụng Mô Hình (VNU/MDEC) Tính Toán Chế Độ Thủy Động Lực Và Vận Chuyển Trầm Tích Vùng Cửa Sông Ven Biển Hải Phòng
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sỹ Khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình VNU MDEC và ứng dụng trong nghiên cứu thủy động lực

Mô hình VNU/MDEC là một công cụ mô phỏng tiên tiến được phát triển bởi Đại học Quốc gia Hà Nội nhằm tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích ở các vùng cửa sông ven biển. Mô hình này kết hợp các phương trình động lực biển nguyên thủy với phương pháp biến đổi tọa độ cong σ, cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng phức tạp trong môi trường ven biển. Ứng dụng mô hình VNU/MDEC tại khu vực Hải Phòng đã cung cấp những thông tin quý báu về chế độ dòng chảy, mực nước triều, và các quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng. Đây là nền tảng khoa học quan trọng cho việc hiểu rõ động lực học biển và quản lý tài nguyên ven biển một cách bền vững.

1.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình thủy động lực

Mô hình thủy động lực trong VNU/MDEC dựa trên hệ phương trình động lực biển nguyên thủy, được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn. Sơ đồ lưới tính Arakawa C được áp dụng để rời rạc hóa theo không gian, đảm bảo tính ổn định số và độ chính xác cao. Phương pháp tách mod (mode-splitting) giúp tối ưu hóa quá trình tính toán, cho phép mô phỏng hiệu quả các hiện tượng có thang thời gian khác nhau trong vùng nước ven biển Hải Phòng.

1.2. Điều kiện biên và các phương án tính toán

Điều kiện biên của mô hình bao gồm điều kiện biên hở cửa sông với triều áp đảo, cho phép mô phỏng tác động của thủy triều lên dòng chảy sông. Các phương án tính toán bao gồm: chỉ tính đến thủy triều (HP01), tính đến thủy triều và lưu lượng sông (HP02-HP03), và tính đến thủy triều, lưu lượng sông cùng với tác động của gió theo hai mùa (HP04-HP07), tạo nên một bức tranh toàn diện về chế độ thủy động lực khu vực.

II. Đặc điểm khu vực nghiên cứu và dữ liệu đầu vào mô hình

Khu vực nghiên cứu tập trung vào vùng cửa sông ven biển Hải Phòng với các cửa sông chính như Lạch Tray, Nam Triệu và Lạch Huyện. Đặc điểm khí tượng, thủy-hải văn của vùng phản ánh sự tương tác phức tạp giữa dòng chảy sông, triều biển và gió theo mùa. Mùa hè (tháng 7) chịu ảnh hưởng của gió hướng Đông Nam, trong khi mùa đông (tháng 1) có gió hướng Bắc. Đặc điểm trầm tích ở vùng này bao gồm trầm tích lơ lửng với nồng độ biến đổi theo mùa lũ và mùa kiệt. Các số liệu đầu vào bao gồm địa hình dáy, nồng độ trầm tích biên, và các tham số thủy động lực được thu thập từ các quan trắc thực địa và các nguồn dữ liệu quốc tế.

2.1. Khí tượng và thủy hải văn khu vực Hải Phòng

Khu vực Hải Phòng có chế độ gió mùa rõ rệt với hai mùa chính. Mùa lũ (tháng 6-10) có lưu lượng sông tăng đáng kể và gió hướng Đông Nam. Mùa kiệt (tháng 11-5) có lưu lượng sông giảm và gió hướng Bắc. Triều biển ở vùng cửa sông là triều bán nhật có biên độ từ 1-2 mét. Sự kết hợp của các yếu tố này tạo nên chế độ thủy động lực phức tạp với dòng chảy tổng hợp phụ thuộc vào từng mùa và pha triều.

2.2. Trầm tích và các cửa sông chính

Trầm tích lơ lửng trong vùng có nguồn gốc chủ yếu từ sông Hồng và các sông phụ. Nồng độ trầm tích tại các biên của mô hình dao động từ giá trị cực tiểu (mùa kiệt) đến cực đại (mùa lũ). Các cửa sông Lạch Tray, Nam Triệu là những đầu mối chính cho lưu lượng nước ngọt vào vùng biển, ảnh hưởng mạnh mẽ đến vận chuyển trầm tích và cấu trúc dòng chảy ven biển.

III. Kết quả mô phỏng chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích

Các kết quả tính toán chế độ thủy động lực cho thấy sự phân bố không đều của trường dòng chảy và mực nước triều trong khu vực. Khi chỉ tính đến thủy triều, dòng chảy có chiều hướng chủ yếu theo hướng triều và hình thành các vùng hoàn lưu quanh các cửa sông. Khi thêm vào lưu lượng sông, dòng chảy tầng mặt tăng cường hướng ra biển, nhất là trong mùa lũ. Tác động của gió theo hai mùa làm thay đổi đáng kể cường độ và hướng dòng chảy. Kết quả vận chuyển trầm tích lơ lửng cho thấy nồng độ cao nhất trong mùa lũ khi lưu lượng sông lớn và gió hướng Đông Nam tạo điều kiện thuận lợi cho sự lôi cuốn trầm tích ra khơi.

3.1. Trường dòng chảy và mực nước trong các phương án tính toán

Trường dòng chảy tầng mặt ở thời điểm 102h và 115h cho thấy sự hình thành hoàn lưu tầng mặt khi chỉ tính đến triều. Mực nước tính toán so với thực đo tại điểm P5 cho kết quả hiệu chỉnh tốt. Khi thêm lưu lượng sông cực đại vào phương án HP03, vận tốc dòng chảy tầng mặt tại các điểm P2 (Lạch Tray) và P5 (Nam Triệu) tăng đáng kể, với sự biến thiên rõ rệt theo các pha triều khác nhau.

3.2. Nồng độ trầm tích lơ lửng và các mùa vận chuyển

Nồng độ trầm tích lơ lửng tính toán tại điểm P4 trong mùa lũ cao hơn đáng kể so với mùa kiệt. Vận chuyển trầm tích dọc các mặt cắt cho thấy trầm tích phân bố dày đặc gần cửa sông và giảm dần hướng ra khơi. Ảnh hưởng của cửa sông Lạch Tray và Nam Triệu đến vận chuyển trầm tích là khác nhau, phụ thuộc vào lưu lượng sông và chế độ gió mùa, tạo nên những vùng nguồn và vùng tích tụ trầm tích khác nhau trong khu vực.

IV. Ứng dụng thực tiễn và ý nghĩa của mô hình VNU MDEC

Mô hình VNU/MDEC cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho việc hiểu rõ động lực học biển và quá trình vận chuyển trầm tích ở vùng cửa sông Hải Phòng. Kết quả mô phỏng có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như dự báo chế độ dòng chảy, quản lý chất lượng nước, đánh giá tác động môi trường của các công trình ven biển, và quy hoạch phát triển bền vững khu vực. Ảnh hưởng của các cửa sông Lạch Tray và Nam Triệu đến chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích được làm rõ thông qua các mô phỏng riêng biệt và so sánh. Nghiên cứu này là nền tảng cho các công trình nghiên cứu tiếp theo về biến đổi động lực học ven biển dưới tác động của biến đổi khí hậu và các hoạt động nhân sinh.

4.1. Ứng dụng trong dự báo và quản lý môi trường biển

Mô hình VNU/MDEC có khả năng dự báo chế độ dòng chảy và nồng độ trầm tích lơ lửng trong các điều kiện khác nhau, hỗ trợ công tác dự báo ngắn hạn và trung hạn. Ứng dụng tính toán vận chuyển trầm tích giúp đánh giá tác động của các công trình kè bờ, cảng biển đến môi trường ven biển. Mô hình cũng hỗ trợ quản lý chất lượng nước bằng cách mô phỏng sự phân bố các chất ô nhiễm trong vùng cửa sông.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến mô hình trong tương lai

Các nghiên cứu tương lai có thể bao gồm việc tích hợp thêm các quá trình sinh học, hóa học vào mô hình để mô phỏng chu trình dinh dưỡng và chất lượng nước. Ứng dụng mô hình VNU/MDEC để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu trên chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích cũng là một hướng phát triển quan trọng. Kết hợp với các công nghệ quan trắc hiện đại sẽ nâng cao độ chính xác và ứng dụng thực tiễn của mô hình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích 1. Các nghiên của nước ngoài Vận chuyển trầm tích được nghiên cứu từ rất sớm như ở Trung Quốc cổ đại, Lương Hà, Hy Lạp và Đế quốc La Mã. Nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm sớm nhất được thực hiện bởi nhà khoa học DuBuat (1738-1809) người Pháp.

Ông xác định vận tốc dòng chảy gây ra xói mòn đáy, trong đó có xem xét đến sự khác nhau của vật liệu đáy. DuBuat đã phát triển khái niệm ma sát trượt. Hagen (1797-1884) người Đức và Dupuit (1804-1866) người Pháp mô tả về chuyển động dọc theo đáy và chuyển động lơ lửng của trầm tích. Brahms (1753) đề xuất một công thức tính vận tốc tới hạn trên đáy với vật liệu là đá.

Công thức vận tải đáy đầu tiên dựa vào độ dốc và độ sâu được DuBoys (1847-1924) người Pháp đề xuất, Ông khái quát quá trình vận chuyển như chuyển động của các hạt trầm tích trong một loạt các lớp. Đến khoảng năm 1900, mô hình biến đổi đáy đầu tiên được Fargue (1827- 1910) người Pháp và Reynolds (1892-1912) người Anh xây dựng. Cơ sở nghiên cứu vận chuyển trầm tích trong các máng thí nghiệm được bắt đầu bởi Engels (1854- 1945) người Đức và Gilbert (1843-1918) người Mỹ. Lý thuyết vận chuyển trầm tích được viết bởi Forchheimer (1852-1933) và Schoklitsch (1888-1969) người Đức.

Đến năm 1914, phát triển phương trình tích ứng suất trượt đáy tới hạn (bắt đầu chuyển động của một hạt) theo chiều dọc của đáy dốc. Phương trình tương tự cho một hạt dừng chuyển động theo chiều ngang một đáy dốc được Leiner đề xuất năm 1912. Năm 1936, Shields có một đóng góp quan trọng liên quan đến ứng suất trượt đáy tới hạn cho sự khởi đầu chuyển động của các hạt trầm tích. Các đường cong được đề xuất gọi là đường cong “Shislds”.

Các nghiên cứu đầu tiên liên quan đến động lực học chất lỏng và vận chuyển bùn cát được thực hiện bởi Bagnold năm 1936, 1937. Đến năm 1950, Einstein và 9 các cộng sự nhờ vào sự phát triển của năng lực tính toán, biến các mô hình toán vận chuyển bùn cát thành một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực khoa học ven biển. Apmann và Ralph R. Rumer nghiên cứu quá trình phát tán các hạt trầm tính do khuếch tán rối trong dòng chảy bất đồng nhất dựa trên mô hình toán.

Thí nghiệm được tiến hành trong một máng dài với 3 lớp trầm tích. Hệ số khuếch tán được xác định là một hàm của đặc trưng trầm tích và vận tốc dòng chảy. Một trong những nghiên cứu đầu tiên liên quan đến điều kiện bùn lỏng được thực hiện bởi Einstein và Chien năm 1955, hai quá trình kết bông và cố kết đáy đã được nghiên cứu. Tác giả đã nhận định rằng độ mặn tối thiểu 1‰ là giới hạn khởi đầu cho quá trình kết bông.

Odd và Owen, 1972 sử dụng mô hình 1D xem xét tốc độ xói mòn và lắng đọng dựa trên công thức đề xuất của Krone 1962 và Partheniades 1965. Smith và Kirby, 1989 đã ứng dụng các mô hình 1D để mô phỏng vận chuyển bùn cát và thay đổi hình thái quy mô lớn ở các sông De Vries, trong kênh thủy triều Dyer và Evans, mô phỏng quá trình hình thành “lutocline” ở các cửa sông Ross và Mehta. Năm 1971, O'Connor trình bày mô hình 2D tích phân theo độ sâu. Ariathurai và Krone, 1976 đã trình bày một mô hình phần tử hữu hạn áp dụng các yếu tố hình tam giác với một xấp xỉ bậc hai cho nồng độ và phương pháp trọng số thặng dư Galerkian.

Mô hình sử dụng các công thức cổ điển xác định quá trình xói mòn và lắng đọng trầm tích. Quá trình keo tụ được tính toán bằng cách xác định vận tốc chìm lắng trên mỗi phần tử lưới là một hàm của thời gian. Mulder và Udink 1991 áp dụng mô hình 2D cho cửa sông Western Scheldt có tính đến thủy triều và sóng gió. Mô hình giải một phương trình cân bằng tác động phổ, nội suy độ cao và chu kỳ sóng tính toán theo các thời kỳ triều khác nhau để xác định vận tốc quỹ đạo và thành phần ứng suất trượt đáy do sóng.

Sử dụng các công thức thực nghiệm để tính toán xói mòn và lắng đọng trầm tích và sử dụng các giá trị đồng nhất cho ứng suất trượt tới hạn của quá trình xói mòn, lắng đọng và vận tốc chìm lắng. 10 Li và cộng sự, 1994 phát triển mô hình 2DV tích hợp giữa mô hình thủy động lực học và mô hình vận chuyển bùn cát cho cửa sông Gironde nước Pháp, trong đó có sử dụng mô hình khép kín rối để tính hệ số nhớt rối và hệ số khuếch tán, mô hình có tính đến quá trình trao đổi trầm tính đáy. Năm 2002, Wen-Cheng Liu, Ming-Hsi Hsu và Albert Y. Kuo áp dụng mô hình hai chiều trung bình độ sâu nghiên cứu đặc điểm thủy động lực và vận chuyển bùn cát lơ lửng trong cửa sông của hệ thống sông Tanshui Rivers, Đài Loan.

Beckers, 1991, trong một nghiên cứu dòng chảy tổng hợp vùng biển Tây Địa Trung Hải trong điều kiện mùa đông điển hình bằng mô hình GHER-3D, cho rằng mô hình có thể khôi phục các quá trình vật lý và xu hướng chính của dòng chảy tổng hợp trong khu vực. Năm 1994, Beckers và cộng sự nghiên cứu thủy động lực học vùng biển Tây Địa Trung Hải bằng mô hình 3D. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng 2 mô hình: mô hình “metagnostic” (định hướng hệ thống) và mô hình chuẩn đoán (định hướng quá trình), được chạy đồng thời và có tính đến tương tác. Nghiên cứu chỉ ra quá cấu trúc và sự bất ổn định của dòng Algeria.

O'Connor và Nicholson, 1988 cung cấp một mô hình 3D đầy đủ, bao gồm một mô hình vận chuyển bùn lỏng, có tính đến sự kết bông và cố kết. Katopodi và Ribberink 1992 đã phát triển một mô hình tựa 3D cho vận chuyển bùn cát lơ lửng trên cơ sở của phương trình bình lưu khuếch tán cho dòng chảy và sóng, phân tích độ nhạy của các tham số sóng và dòng chảy. Năm 1994, Leonor Cancino và Ramiro Neves mô tả và ứng dụng hệ thống mô hình thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích 3D (dạng nghiêng áp, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn). Mô hình thủy động lực dựa trên xấp xỉ thuỷ tĩnh và xấp xỉ Boussinesq, sử dụng tọa độ sigma kép cho chiều thẳng đứng với lưới so le và sơ đồ bán ẩn bậc hai.

Ngoài phương trình động lượng và phương trình liên tục, mô hình giải hai phương trình vận chuyển nhiệt độ, độ muối và một phương trình trạng 11 thái có tính đến hiệu ứng nghiêng áp. Mô phỏng quá trình vận chuyển trầm tích gắn kết được thực hiện bằng cách giải các phương trình bảo toàn, bình lưu - khuếch tán 3D, trong cùng một lưới sử dụng trong mô hình thủy động lực. Qúa trình cố kết, xói mòn và lắng đọng của trầm tích được biểu diễn bằng các công thức thực nghiệm. Các mô hình đã được thử nghiệm và hiệu chỉnh bằng cách mô phỏng dòng triều và vận chuyển bùn cát lơ lửng ở các cửa sông.

Hai ứng dụng ở cửa sông Western Scheldt (Hà Lan) và Gironde (Pháp) cho thấy sự phù hợp tốt giữa kết quả tính toán và đo đạc thực địa. Năm 2003, Changsheng Chen và Hedong Liu phát triển mô hình 3D tính hoàn lưu khu vực ven biển và cửa sông. Mô hình dựa trên hệ phương trình nguyên thủy 3 chiều gồm các phương trình động lượng, liên tục, nhiệt, muối, mật độ và sử dụng mô hình khép kín rối bậc 2,5 của Mellor và Yamada. Mô hình sử dụng hệ tọa độ chuyển đổi sigma cho phương thẳng đứng, phương ngang sử dụng lưới cấu trúc hình tam giác.

Mô hình toán sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, thể tích hữu hạn và phần tử hữu hạn. Mô hình đã được áp dụng cho biển Bột Hải, cửa sông Satilla River. Pandoe và Billy L. Edge ứng dụng mô hình ADCIRC-3D tính toán dòng chảy và vận chuyển bùn cát dọc bờ biển vịnh Mexico và dọc bờ biển Texas, kết quả cho thấy mô hình cho kết quả tốt khi áp dụng cho các khu vực cửa sông có độ dốc nhỏ.

Hu phát triển mô hình tính toán vận chuyển trầm tích cho vùng cửa sông Pearl River (vịnh Lingding). Mô hình sử dụng kỹ thuật tách để giải các phương trình chủ đạo: giải các số hạng bình lưu bằng phương pháp Eulerian-Lagrangian, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho các số hạng khuếch tán theo phương ngang và phương pháp sai phân hữu hạn cho số hạng khuếch tán theo phương thẳng đứng. Sơ đồ khép kín rối bậc 2,5 của Mellor- Yamada được sử dụng kết hợp để xác định tham số nhớt rối thẳng đứng. 12 Guy Simpsona, Sebastien Castelltort, 2005 trình bày mô hình coupled giữa mô hình dòng chảy mặt, vận chuyển trầm tích và diễn biến hình thái.

Mô hình sử dụng các phương trình nước nông cho dòng chảy, bảo toàn nồng độ trầm tích, hàm thực nghiệm cho ma sát đáy, xói mòn và lắng đọng. Quá trình xói mòn và lắng đọng được xử lý độc lập và tác động đến thông lượng trầm tích thông qua trao đổi vuông góc với biên đáy của dòng chảy. Harris và Hernan G. Arangoc phát triển mô hình 3D couple sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát bằng công cụ MCT (Model Coupling Toolkit) và áp dụng tính toán cho vịnh Massachusetts.

Mô hình là sự kết hợp giữa mô hình hoàn lưu ven biển ROM v3.0 và mô hình tính sóng vùng nước nông SWAN. Ứng suất sóng 2 chiều được đưa vào phương trình động lượng, cùng với hiệu ứng của sóng mặt. Vận chuyển trầm tích được xem xét trong nhiều lớp, mỗi lớp có các đặc điểm riêng như đường kính hạt, mật độ, vận tốc lắng đọng, ứng suất tới hạn cho quá trình xói mòn. Vận chuyển trầm tích lơ lửng trong cột nước được tính giống thuật toán bình lưu khếch tán và bổ sung thuận toán giải theo chiều thẳng đứng mà không phụ thuộc vào tiêu chuển CFL.

Ngoài ra, còn có mô hình lớp biên đáy tính toán tương tác sóng - dòng chảy, làm tăng ứng suất đáy, tạo điều kiện thuận lợi cho vận chuyển trầm tích và làm tăng ma sát đáy, tạo ra tác động ngược trở lại dòng chảy. Năm 2008, Idris Mandang và Tetsuo Yanagi áp dụng mô hình 3D ECOMSED được phát triển bởi HydroQual (2002) vào tính toán vận chuyển trầm tích khu vực cửa sông Mahakam, phía Đông Kalimantan, Indonesia. Mô hình có sử dụng phép xấp xỉ Bousinesq và xấp xỉ thủy tĩnh. Mô phỏng qúa trình vận chuyển trầm tích dựa trên cơ sở giải đồng thời các phương trình bình lưu – khuếch tán – bảo toàn 3 chiều.