Luận văn thạc sĩ về mô hình VNUMDEC và ứng dụng trong tính toán thủy động lực tại Hải Phòng

Luận văn thạc sĩ toán học phân tích ứng dụng mô hình vnumdec tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích vùng cửa sông ven, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Phạm Văn Tiến
• Người hướng dẫn: GS. Đinh Văn Ưu
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hải dương học
• Đề tài: Nghiên cứu mô hình VNUMDEC trong tính toán thủy động lực và vận chuyển trầm tích tại Hải Phòng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH
• 1.1. Các nghiên cứu của nước ngoài
• 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Đặc điểm khí tượng, thủy - hải văn và đặc điểm trầm tích
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VNU/MDEC
• 2.1. Mô hình thủy động lực
• 2.2. Hệ các phương trình động lực biển nguyên thủy
• 2.3. Phương pháp biến đổi tọa độ CONG Ø
• 2.4. Điều kiện biên trong mô hình
• 2.5. Điều kiện biên hở cửa sông có triều áp đảo
• 2.6. Mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng
• 2.7. Hệ phương trình lan truyền và khuếch tán vật chất
• 2.8. Mô hình biến đổi độ dày lớp trầm tích đáy lỏng
• 2.9. Các phương pháp tham số hóa của mô hình
• 2.10. Phương pháp thể tích hữu hạn
• 2.11. Sơ đồ lưới tinh Arakawa C rời rạc hóa theo không gian
• 2.12. Phương pháp tách mode (mode-spliting)
• 2.13. Kết quả nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI MÔ HÌNH
• 3.1. Các phương trình tính toán. Điều kiện tính toán
• 3.2. Kết quả hiệu chỉnh mô hình
• 3.3. Kết quả tính toán chế độ thủy động lực
• 3.4. Trường dòng chảy và mực nước tổng hợp 1 (khi tính đến thủy triều và lưu lượng sông)
• 3.5. Trường dòng chảy và mực nước tổng hợp 2 (khi tính đến thủy triều, lưu lượng sông và gió theo 2 mùa)
• 3.6. Kết quả tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng
• 3.7. Vận chuyển trầm tích lơ lửng dưới tác động của thủy triều
• 3.8. Vận chuyển trầm tích lơ lửng dưới tác động của dòng chảy tổng hợp
• 3.9. Ảnh hưởng của các cửa sông Lạch Tray, Nam Triệu đến chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích trong khu vực
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình VNUMDEC trong tính toán thủy động lực

Mô hình VNUMDEC là một công cụ mạnh mẽ trong việc tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích. Mô hình này được phát triển để giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến dòng chảy và sự tương tác giữa nước và trầm tích. Tại Hải Phòng, nơi có nhiều cửa sông và vùng biển, việc ứng dụng mô hình này trở nên cần thiết hơn bao giờ hết. Mô hình VNUMDEC không chỉ giúp mô phỏng dòng chảy mà còn cung cấp thông tin chi tiết về quá trình vận chuyển trầm tích, từ đó hỗ trợ cho công tác quản lý tài nguyên nước và quy hoạch bờ biển.

1.1. Đặc điểm nổi bật của mô hình VNUMDEC

Mô hình VNUMDEC có khả năng mô phỏng các quá trình thủy động lực học phức tạp. Nó sử dụng các phương trình động lực học để tính toán dòng chảy và vận chuyển trầm tích. Đặc biệt, mô hình này có thể áp dụng cho các khu vực có độ nghiêng lớn, nơi mà các hiệu ứng 3D trở nên quan trọng.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng mô hình VNUMDEC tại Hải Phòng

Việc áp dụng mô hình VNUMDEC tại Hải Phòng giúp cải thiện khả năng dự đoán dòng chảy và vận chuyển trầm tích. Điều này không chỉ hỗ trợ cho công tác quy hoạch mà còn giúp giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường và tài nguyên nước.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu thủy động lực tại Hải Phòng

Hải Phòng là một trong những khu vực có chế độ thủy động lực phức tạp nhất tại Việt Nam. Các yếu tố như triều, dòng chảy sông và tác động của con người đều ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển trầm tích. Việc nghiên cứu và tính toán chính xác các yếu tố này là một thách thức lớn. Các vấn đề như xói mòn bờ, lắng đọng trầm tích và quản lý tài nguyên nước cần được giải quyết một cách đồng bộ.

2.1. Tác động của triều và dòng chảy sông

Triều và dòng chảy sông có ảnh hưởng lớn đến chế độ thủy động lực tại Hải Phòng. Sự biến đổi của triều có thể làm thay đổi dòng chảy và quá trình vận chuyển trầm tích, dẫn đến xói mòn và lắng đọng không đồng đều.

2.2. Tác động của con người đến môi trường

Hoạt động xây dựng và phát triển kinh tế tại Hải Phòng đã tạo ra nhiều áp lực lên môi trường. Việc khai thác tài nguyên nước và xây dựng các công trình ven biển có thể làm thay đổi chế độ thủy động lực, gây ra các vấn đề về xói mòn và lắng đọng.

III. Phương pháp nghiên cứu mô hình VNUMDEC trong thủy động lực

Phương pháp nghiên cứu mô hình VNUMDEC bao gồm việc thu thập dữ liệu thực địa, xây dựng mô hình toán học và thực hiện các phép tính mô phỏng. Các bước này giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Việc áp dụng mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về chế độ thủy động lực mà còn hỗ trợ cho việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả.

3.1. Thu thập dữ liệu thực địa

Dữ liệu thực địa được thu thập từ các trạm quan trắc tại Hải Phòng. Các thông số như mực nước, tốc độ dòng chảy và nồng độ trầm tích được ghi nhận để phục vụ cho việc xây dựng mô hình.

3.2. Xây dựng mô hình toán học

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các phương trình động lực học. Việc này giúp mô phỏng chính xác các quá trình thủy động lực và vận chuyển trầm tích trong khu vực nghiên cứu.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của mô hình VNUMDEC

Kết quả nghiên cứu từ mô hình VNUMDEC đã chỉ ra những đặc điểm quan trọng của chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích tại Hải Phòng. Những thông tin này có thể được sử dụng để cải thiện công tác quản lý tài nguyên nước và quy hoạch bờ biển. Việc áp dụng mô hình này không chỉ giúp dự đoán chính xác dòng chảy mà còn hỗ trợ cho việc bảo vệ môi trường.

4.1. Đặc điểm dòng chảy và vận chuyển trầm tích

Kết quả mô phỏng cho thấy dòng chảy tại Hải Phòng có sự biến đổi lớn theo thời gian và không gian. Quá trình vận chuyển trầm tích cũng diễn ra mạnh mẽ, đặc biệt là trong các thời điểm triều lên.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc quy hoạch các tuyến đường tàu, tính toán sa bồi luồng và quản lý tài nguyên nước. Điều này giúp giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường và phát triển bền vững.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô hình VNUMDEC

Mô hình VNUMDEC đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích tại Hải Phòng. Những kết quả đạt được không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn trong thực tiễn quản lý tài nguyên nước. Triển vọng tương lai của mô hình này là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự phát triển kinh tế ven biển.

5.1. Tính hiệu quả của mô hình trong nghiên cứu

Mô hình VNUMDEC đã cho thấy khả năng mô phỏng chính xác các quá trình thủy động lực và vận chuyển trầm tích. Điều này giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu và đưa ra các giải pháp hiệu quả hơn.

5.2. Triển vọng phát triển mô hình trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ và khoa học máy tính, mô hình VNUMDEC có thể được cải tiến và mở rộng để đáp ứng tốt hơn các yêu cầu nghiên cứu và quản lý tài nguyên nước trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển là một quá trình thủy động lực phức tạp, đa chiều và đa quy mô, ảnh hưởng trực tiếp đến sự biến đổi địa hình, môi trường và phát triển kinh tế ven biển. Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng, với 5 cửa sông chính gồm Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình, chịu tác động đồng thời của thủy triều, dòng chảy sông và gió mùa, tạo nên chế độ thủy động lực rất phức tạp. Theo số liệu quan trắc, nồng độ trầm tích lơ lửng trong khu vực biến động từ 10 đến 1000 mg/l, với giá trị cao nhất vào mùa lũ (53-215 mg/l) và thấp hơn vào mùa kiệt (42-94 mg/l). Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình thủy động lực ba chiều VNU/MDEC để tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích lơ lửng, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý, quy hoạch tuyến luồng tàu và tính toán sa bồi luồng trong khu vực. Nghiên cứu được thực hiện trên phạm vi vùng cửa sông ven biển Hải Phòng, với dữ liệu thu thập trong nhiều năm, đặc biệt tập trung vào các mùa lũ và kiệt để phản ánh biến động thủy văn và khí tượng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc dự báo biến động trầm tích, hỗ trợ phát triển bền vững kinh tế biển và bảo vệ môi trường ven biển.

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 biển ven bờ, vận chuyển trầm tích và tương tác sóng-dòng chảy. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Mô hình thủy động lực ba chiều (3D) VNU/MDEC: Phát triển dựa trên mô hình GHER của Đại học Liege, mô hình này sử dụng hệ phương trình động lực biển nguyên thủy, phương trình bảo toàn khối lượng, và phương trình vận chuyển trầm tích lơ lửng. Mô hình áp dụng phương pháp biến đổi tọa độ sigma kép theo chiều thẳng đứng, phương pháp thể tích hữu hạn và sơ đồ lưới Arakawa C để rời rạc hóa không gian và thời gian. Hệ số nhớt rối được tham số hóa khác nhau theo phương ngang và phương thẳng đứng, đồng thời mô hình tính đến tác động của sóng trên mặt biển thông qua mô hình tương tác sóng-gió và lớp biên đáy.

2. Lý thuyết vận chuyển trầm tích: Sử dụng phương trình bình lưu-khuếch tán 3D để mô phỏng nồng độ trầm tích lơ lửng, kết hợp với mô hình biến đổi độ dày lớp trầm tích đáy lỏng. Vận tốc chìm lắng được tính theo công thức thực nghiệm của Van Rijn, vận tốc tới hạn cho quá trình lắng đọng và xói mòn được xác định dựa trên ứng suất trượt đáy và tham số Shields. Mô hình cũng tính đến quá trình bứt tách và lắng đọng trầm tích trên đáy, đồng thời mô phỏng sự biến đổi địa hình đáy do vận chuyển trầm tích.

Các khái niệm chính bao gồm: ứng suất trượt đáy, vận tốc chìm lắng, số Richardson, hệ số nhớt rối, phương pháp biến đổi tọa độ sigma kép, và sơ đồ lưới Arakawa C.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm số liệu địa hình biển và đất liền (bản đồ số độ sâu của Bộ Tư lệnh Hải quân, bản đồ DEM 90m), số liệu lưu lượng sông, nồng độ trầm tích lơ lửng tại các cửa sông, và số liệu gió thu thập từ trạm Hòn Dau trong giai đoạn 1960-2002. Các số liệu này được lựa chọn và hiệu chỉnh dựa trên các nghiên cứu trước đây và số liệu thực đo của Viện Tài nguyên Môi trường biển Hải Phòng.

Phương pháp phân tích chính là mô hình hóa số trị với mô hình VNU/MDEC, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải hệ phương trình động lực và vận chuyển trầm tích. Cỡ mẫu mô hình bao gồm lưới không gian với phân bố theo sơ đồ Arakawa C, gồm 5 tầng theo chiều thẳng đứng (1 tầng lớp nước mặt và 4 tầng lớp nước dưới), đảm bảo mô phỏng chi tiết các quá trình hoàn lưu và phân bố trầm tích theo chiều dọc. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu dựa trên các phương án tính toán khác nhau, mô phỏng trong khoảng thời gian 15 ngày, bao gồm các điều kiện thủy triều, lưu lượng sông cực tiểu và cực đại, nồng độ trầm tích mùa lũ và kiệt, cùng các hướng gió đặc trưng của mùa đông và mùa hè.

Timeline nghiên cứu trải dài từ thu thập số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và chạy mô phỏng, đến phân tích kết quả và đề xuất giải pháp ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của thủy triều và lưu lượng sông đến trường dòng chảy: Kết quả mô phỏng cho thấy vận tốc dòng chảy tổng hợp trong vùng cửa sông ven biển Hải Phòng dao động trong khoảng 0,4 - 1,0 m/s, với hướng dòng chủ yếu song song với đường bờ. Vận tốc dòng chảy tăng lên đáng kể khi lưu lượng sông đạt cực đại trong mùa lũ, tăng khoảng 30-40% so với mùa kiệt. Mực nước dao động theo chu kỳ thủy triều với biên độ có thể đạt tới 2,0 m, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố dòng chảy và trầm tích.

2. Phân bố nồng độ trầm tích lơ lửng: Nồng độ trầm tích lơ lửng tại các cửa sông biến động mạnh theo mùa, với giá trị trung bình mùa lũ từ 53 đến 215 mg/l, cao hơn khoảng 2-3 lần so với mùa kiệt (42-94 mg/l). Tại các điểm gần cửa Nam Triệu và Lạch Tray, nồng độ trầm tích cao nhất đạt tới 700-964 mg/l trong mùa lũ, phản ánh sự tập trung trầm tích do dòng chảy mạnh và tác động của thủy triều.

3. Ảnh hưởng của gió mùa và sóng: Gió mùa Đông Nam Á và sóng ven biển có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh trường dòng chảy và vận chuyển trầm tích. Mùa đông với gió hướng Bắc, Đông Bắc làm giảm vận tốc dòng chảy trung bình xuống khoảng 15-20 cm/s, trong khi mùa hè với gió hướng Nam, Đông Nam làm tăng vận tốc lên 20-25 cm/s. Sóng có độ cao trung bình từ 0,64 m (mùa đông) đến 0,72 m (mùa hè), với sóng cực đại lên tới 5,6 m trong điều kiện bão, góp phần làm tăng ứng suất đáy và thúc đẩy quá trình xói mòn, vận chuyển trầm tích.

4. Hiệu quả mô hình VNU/MDEC: Mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng với số liệu thực tế, cho kết quả phù hợp với các quan trắc mực nước, vận tốc dòng chảy và nồng độ trầm tích. Mô hình cho phép mô phỏng chi tiết sự biến đổi theo thời gian và không gian của trường thủy động lực và trầm tích, hỗ trợ đánh giá tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo trong khu vực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến động mạnh về vận tốc dòng chảy và nồng độ trầm tích là do sự kết hợp phức tạp giữa thủy triều, lưu lượng sông và tác động của gió mùa. So với các nghiên cứu trước đây tại các cửa sông khác trong khu vực Đông Nam Á, kết quả mô hình VNU/MDEC cho thấy khả năng mô phỏng chi tiết hơn nhờ áp dụng tọa độ sigma kép và phương pháp thể tích hữu hạn, giúp giảm sai số tại các vùng có biến đổi độ sâu đột ngột.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến thiên vận tốc dòng chảy theo thời gian tại các điểm cửa sông, bản đồ phân bố nồng độ trầm tích lơ lửng theo mùa, và bảng so sánh vận tốc dòng chảy giữa các phương án tính toán với điều kiện thủy triều và gió khác nhau. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng yếu tố đến quá trình vận chuyển trầm tích, từ đó giúp định hướng các giải pháp quản lý hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc dự báo biến động trầm tích, hỗ trợ quy hoạch luồng tàu, phòng chống xói lở và bồi tụ, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường ven biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế biển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường giám sát thủy động lực và trầm tích: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động tại các cửa sông chính để thu thập dữ liệu vận tốc dòng chảy, mực nước và nồng độ trầm tích theo thời gian thực, nhằm cập nhật và hiệu chỉnh mô hình định kỳ. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng; Thời gian: 1-2 năm.

2. Ứng dụng mô hình VNU/MDEC trong quy hoạch luồng tàu: Sử dụng kết quả mô hình để xác định các khu vực có nguy cơ bồi tụ hoặc xói lở cao, từ đó điều chỉnh tuyến luồng tàu và kế hoạch nạo vét hợp lý, giảm thiểu chi phí duy tu và đảm bảo an toàn giao thông thủy. Chủ thể thực hiện: Cảng vụ Hải Phòng; Thời gian: 6-12 tháng.

3. Phát triển các giải pháp bảo vệ bờ biển và cửa sông: Áp dụng các biện pháp kỹ thuật như xây dựng kè chắn sóng, bãi triều nhân tạo, và trồng rừng ngập mặn để giảm thiểu tác động của sóng và dòng chảy mạnh, hạn chế xói mòn và giữ ổn định trầm tích. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án phát triển ven biển; Thời gian: 2-3 năm.

4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích cho cán bộ kỹ thuật và nhà khoa học, đồng thời thúc đẩy hợp tác quốc tế để cập nhật công nghệ và phương pháp mới. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN; Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ven biển: Nhận được thông tin khoa học chính xác để xây dựng các chính sách quản lý bền vững, quy hoạch phát triển kinh tế biển và bảo vệ môi trường.

2. Các chuyên gia và kỹ sư cảng biển, giao thông thủy: Áp dụng kết quả mô hình để thiết kế, duy tu và vận hành các luồng tàu, cảng biển hiệu quả, giảm thiểu rủi ro do biến động trầm tích.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực hải dương học, thủy văn: Tham khảo phương pháp mô hình hóa tiên tiến, dữ liệu thực nghiệm và kết quả phân tích để phát triển nghiên cứu sâu hơn về thủy động lực và vận chuyển trầm tích.

4. Các tổ chức bảo vệ môi trường và phát triển bền vững: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá tác động môi trường, đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ hệ sinh thái ven biển.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình VNU/MDEC có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   Mô hình VNU/MDEC sử dụng tọa độ sigma kép và phương pháp thể tích hữu hạn, giúp mô phỏng chính xác các vùng có biến đổi độ sâu đột ngột như cửa sông, đồng thời tính đến tương tác sóng-gió và lớp biên đáy, nâng cao độ tin cậy kết quả so với các mô hình 2D hoặc 3D truyền thống.

2. Dữ liệu đầu vào quan trọng nhất để mô hình hoạt động hiệu quả là gì?
   Dữ liệu địa hình biển và đất liền, lưu lượng sông, nồng độ trầm tích lơ lửng và số liệu gió là các yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mô hình trong việc mô phỏng trường dòng chảy và vận chuyển trầm tích.

3. Mô hình có thể áp dụng cho các khu vực ven biển khác không?
   Có, mô hình VNU/MDEC có thể được điều chỉnh và áp dụng cho nhiều khu vực ven biển khác nhau, đặc biệt là các vùng cửa sông có chế độ thủy động lực phức tạp, với điều kiện có đủ dữ liệu đầu vào phù hợp.

4. Ảnh hưởng của gió mùa đến vận chuyển trầm tích như thế nào?
   Gió mùa thay đổi hướng và cường độ dòng chảy ven bờ, làm tăng hoặc giảm vận tốc dòng chảy, từ đó ảnh hưởng đến khả năng xói mòn và lắng đọng trầm tích. Ví dụ, gió mùa hè với hướng Nam, Đông Nam làm tăng vận tốc dòng chảy lên 20-25 cm/s, thúc đẩy vận chuyển trầm tích mạnh hơn.

5. Làm thế nào để sử dụng kết quả mô hình trong quản lý thực tế?
   Kết quả mô hình cung cấp bản đồ phân bố dòng chảy, mực nước và nồng độ trầm tích theo thời gian, giúp các nhà quản lý xác định khu vực nguy cơ cao, lập kế hoạch nạo vét, xây dựng công trình bảo vệ bờ biển và điều chỉnh hoạt động khai thác, vận tải phù hợp.

Kết luận

• Mô hình VNU/MDEC đã được phát triển và hiệu chỉnh thành công để mô phỏng chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích lơ lửng tại vùng cửa sông ven biển Hải Phòng.
• Kết quả mô hình cho thấy sự biến động rõ rệt của dòng chảy và nồng độ trầm tích theo mùa, chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều, lưu lượng sông và gió mùa.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho công tác quản lý, quy hoạch luồng tàu và bảo vệ môi trường ven biển.
• Đề xuất các giải pháp giám sát, ứng dụng mô hình trong quy hoạch và phát triển bền vững khu vực ven biển.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng hệ thống quan trắc, nâng cao năng lực mô hình hóa và đào tạo chuyên môn cho cán bộ kỹ thuật.

Hành động ngay hôm nay để ứng dụng mô hình VNU/MDEC trong quản lý vùng cửa sông ven biển, góp phần phát triển kinh tế biển bền vững và bảo vệ môi trường sống!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tống quan về mô hình thủy động lực và vận chuyền trầm tích 1. Các nghiên của nước ngoài Vận chuyền trầm tích được nghiên cứu từ rất sớm như ở Trung Quốc cô đại, Lương Hà, Hy Lạp và Đề 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 chuyên động dọc theo đáy và chuyên 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 day đầu tiên dựa vào độ dốc và độ sâu được DuBoys (1847-1924) người Pháp đề xuất, Ông khái quát quá trình vận chuyên như chuyên động của các hạt tram 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 chuyền 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 chuyền tram 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 doc 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 dé xuất gọi là đường cong “Shislds”.

Các nghiên cứu đâu tiên liên quan đên động lực học chât lỏng và vận chuyên bùn cát được thực hiện bởi Bagnold năm 1936, 1937. Đến năm 1950, Einstein và các cộng sự nhờ vào sự phát triển của năng lực tính toán, biến các mô hình toán vận chuyền bùn cát thành một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực khoa hoc 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 tan 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 va Chien năm 1955, hai quá trình kết bông và có kết đáy đã được nghiên cứu. Tác giả đã nhận định rằng độ mặn tối thiểu 1%o là giới hạn khởi đầu cho quá trình kết bông.

Odd và Owen, 1972 sử dụng mô hình ID 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 dung các mô hình 1D dé mô phỏng vận chuyền bùn cát và thay đổi hình thái quy mô lớn ở các sông De Vries, trong kênh thủy triều Dyer va Evans, mô phỏng quá trình hình thành “lutocline” ở các cửa sông Ross và Mehta. Năm 1971, O'Connor trình bay mô hình 2D tích phân theo độ sâu. Ariathurai va Krone, 1976 đã trình bay một mô hình phan tử hữu hạn áp dụng các yếu tô 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 cô điển xác định quá trình xói mòn và lắng đọng trầm tích. Quá trình keo tụ được tính toán băng cách xác định vận tốc chim lắng trên mỗi phan 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 gid. 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 lăng đọng trầm tích và sử dụng các giá trị đồng nhất cho ứng suất trượt tới hạn của quá trình xói mòn, lăng đọng và vận tôc chìm lăng. 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 tram 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 chuyền bùn cát lơ lửng trong cửa sông của hệ thong 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 băng mô hình GHER-3D, cho rằng mô hình có thé khôi phục các quá trình vật ly 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 câu trúc va sự bat ôn định cua dong Algeria.

O'Connor và Nicholson, 1988 cung cấp một mô hình 3D đầy đủ, bao gồm một mô hình vận chuyền 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 chuyên 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 chuyên 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 dung tọa độ sigma kép cho chiều thăng đứng với lưới so le và sơ đồ bán ân bậc hai.

Ngoài phương trình động lượng và phương trình liên tục, mô hình giải hai phương trình vận chuyền nhiệt độ, độ muối và một phương trình trạng II thái có tính đến hiệu ứng nghiêng áp. Mô phỏng quá trình vận chuyền 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 bang 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 biên 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 rỗi bậc 2,5 của Mellor va Yamada. Mô hình sử dụng hệ tọa độ chuyền đổi sigma cho phương thắng 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 va Billy L. Edge ứng dung mô hình ADCIRC-3D tính toán dong chảy va vận chuyền bùn cát doc 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 dôc nhỏ.

Hu phát triển mô hình tính toán vận chuyên trầm tích cho vùng cửa sông Pearl River (vịnh Lingding). Mô hình sử dung kỹ thuật tách dé 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 thăng đứng. Sơ đồ khép kín rối bậc 2,5 của Mellor- Yamada được sử dụng kết hợp đề xác định tham số nhớt rối thắng đứng. 12 Guy Simpsona, Sebastien Castelltort, 2005 trình bay mô hình coupled giữa mô hình dòng chảy mặt, vận chuyên 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 va Hernan G. Arangoc phát triển mô hình 3D couple sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát bang công cu MCT (Model Coupling Toolkit) va 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 tinh 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 chuyền 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 chuyên trầm tích lơ lửng trong cột nước được tính giống thuật toán bình lưu khéch tán và bổ sung thuận toán giải theo chiều thăng đứng mà không phụ thuộc vào tiêu chuén 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 sat day, tạo ra tác động ngược trở lại dòng chảy. Năm 2008, Idris Mandang va Tetsuo Yanagi 4p dụng mô hình 3D ECOMSED được phát triển bởi HydroQual (2002) vào tính toán vận chuyền tram tích khu vực cửa sông Mahakam, phía Đông Kalimantan, Indonesia. Mô hình có sử dụng phép xấp xỉ Bousinesq và xấp xi thủy tĩnh. Mô phỏng qúa trình vận chuyển tram tích dựa trên cơ sở giải đồng thời các phương trình bình lưu — khuếch tán — bảo toàn 3 chiêu.