Nghiên cứu ổn định mặt cắt ngang của hệ thống vịnh hai cửa trong luận văn thạc sĩ

Nghiên cứu về ổn định mặt cắt ngang của hệ thống vịnh hai cửa trong luận văn Thạc sĩ Khoa học, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng trầm tích và dòng chảy.

• Tác giả: C. Borsje
• Trường học: Delft University of Technology
• Chuyên ngành: Hydraulic Engineering
• Đề tài: Cross-sectional Stability of a Two Inlet Bay System
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Delft

Mục lục chi tiết

• PREFACE
• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENTS
• List of FIGURES
• List of TABLES
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 2. CHAPTER 2: PROBLEM ANALYSIS
• 2.1. Introduction
• 2.2. One-inlet bay system
• 2.3. Two inlet bay system
• 2.4. Goal of this study
• 3. CHAPTER 3: MODEL FOR CROSS-SECTIONAL STABILITY
• 3.1. Principles of stability analysis
• 3.2. Classification of equilibrium flow curves
• 3.2.1. Type A
• 3.2.2. Type B
• 3.2.3. Type D
• 3.3. Inlet bay schematization
• 3.3.1. Two inlet bay system
• 3.3.2. Two inlet bay system with partition
• 4. CHAPTER 4: INLET HYDRODYNAMICS
• 4.1. One inlet bay system
• 4.3. Two inlet bay system
• 4.4. Two inlet bay system with partition
• 4.5. Verification of the solutions: Two inlet bay system
• 5.2.2. Two inlet bay system with partition
• 5. CHAPTER 5: DISCUSSION
• 5.3. Symmetrical ocean tide conditions to both inlets
• 5.3.1. Variations with one parameter
• 5.3.2. Variations with two parameters
• 5.3.3. Discussion
• 5.4. Different ocean tide conditions for both inlets
• 5.4.1. Variations with one parameter
• 5.4.2. Variations with two parameters
• 5.4.3. Discussion
• 5.5. Phase differences inside the bay
• 5.5.1. Variations with one parameter
• 5.5.2. Variations with two parameters
• 5.5.3. Discussion
• 6. CHAPTER 6: APPLICATION TO THE TAM GIANG— CAU HAI LAGOON, VIETNAM
• 6.1. Introduction
• 6.2. Description of the system
• 6.3. Objectives
• 6.3.1. Simulation excluding the Hoa Duan inlet
• 6.3.2. Simulation excluding the Thuan An inlet
• 6.3.3. Simulations excluding the Tu Hien inlet
• 7. CHAPTER 7: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• REFERENCES
• APPENDICES
• APPENDIX A. SOLUTION FOR A TWO INLET BAY SYSTEM
• APPENDIX B. SOLUTION FOR A TWO INLET BAY SYSTEM WITH PARTITION
• APPENDIX C. CALCULATIONS ON THE TWO INLET BAY SYSTEM
• APPENDIX D. CALCULATIONS ON THE TWO INLET BAY SYSTEM WITH PARTITION
• APPENDIX E. INLET AND BAY PARAMETERS OF THE TAM GIANG - CAU HAI LAGOON, VIETNAM
• APPENDIX F. SIMULATIONS ON THE TAM GIANG - CAU HAI LAGOON, VIETNAM

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về ổn định mặt cắt ngang của hệ thống vịnh hai cửa là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật thủy lực. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến mặt cắt ngang của các hệ thống vịnh, đặc biệt là trong bối cảnh các yếu tố môi trường như thủy triều, sóng và dòng chảy. Theo nghiên cứu, sự ổn định của mặt cắt ngang phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hình dạng kênh, điều kiện thủy lực và sự tương tác giữa các yếu tố này. Việc hiểu rõ về các yếu tố này sẽ giúp cải thiện khả năng quản lý và bảo vệ các hệ thống vịnh, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao. Việc hiểu rõ về ổn định của mặt cắt ngang giúp các kỹ sư thiết kế các công trình ven biển và quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn. Hệ thống vịnh hai cửa thường gặp phải các vấn đề như xói mòn và lấp cạn, do đó, việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của chúng là rất cần thiết.

II. Phân tích vấn đề

Phân tích vấn đề liên quan đến mặt cắt ngang của hệ thống vịnh hai cửa cho thấy rằng có nhiều yếu tố cần xem xét. Các yếu tố này bao gồm dòng chảy, địa hình, và môi trường xung quanh. Theo nghiên cứu, sự thay đổi trong điều kiện thủy triều có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong dòng chảy và ảnh hưởng đến sự ổn định của mặt cắt ngang. Hơn nữa, các yếu tố như sóng và gió cũng có thể tác động đến sự phân bố sediment trong khu vực vịnh. Việc phân tích các yếu tố này giúp xác định các điều kiện cần thiết để duy trì sự ổn định của mặt cắt ngang.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định

Các yếu tố như địa hình và dòng chảy là rất quan trọng trong việc xác định sự ổn định của mặt cắt ngang. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi dòng chảy tăng lên, khả năng xói mòn cũng tăng theo, dẫn đến sự thay đổi trong hình dạng của mặt cắt ngang. Điều này có thể gây ra sự không ổn định trong hệ thống vịnh, đặc biệt là trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

III. Mô hình cho ổn định mặt cắt ngang

Mô hình hóa là một công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu ổn định mặt cắt ngang của hệ thống vịnh hai cửa. Các mô hình này giúp dự đoán các điều kiện thủy lực và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định. Nghiên cứu đã sử dụng các mô hình thủy lực để phân tích các kịch bản khác nhau và đánh giá sự ổn định của mặt cắt ngang trong các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy rằng, việc sử dụng mô hình hóa có thể cung cấp những hiểu biết quý giá về cách thức hoạt động của hệ thống vịnh.

3.1. Phân tích mô hình

Phân tích mô hình cho thấy rằng, các yếu tố như dòng chảy và địa hình có thể được mô phỏng để dự đoán sự ổn định của mặt cắt ngang. Các mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra các kịch bản khác nhau và đánh giá tác động của các yếu tố môi trường đến sự ổn định. Kết quả từ các mô hình này có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế và quản lý các hệ thống vịnh.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về ổn định mặt cắt ngang của hệ thống vịnh hai cửa có nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường. Các kết quả từ nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc thiết kế các công trình ven biển, cải thiện khả năng chống chịu của các hệ thống vịnh trước các tác động của biến đổi khí hậu. Hơn nữa, việc hiểu rõ về sự ổn định của mặt cắt ngang cũng giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định hợp lý trong việc bảo vệ các hệ sinh thái ven biển.

4.1. Quản lý tài nguyên nước

Việc nghiên cứu và hiểu rõ về ổn định mặt cắt ngang giúp các nhà quản lý tài nguyên nước có thể đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc sử dụng và bảo vệ tài nguyên nước. Các kết quả từ nghiên cứu có thể được sử dụng để phát triển các chiến lược quản lý bền vững cho các hệ thống vịnh, đảm bảo rằng các nguồn tài nguyên nước được sử dụng một cách hiệu quả và bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống cửa sông có hai cửa ra biển là một dạng địa hình ven biển phổ biến, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi thủy triều, sóng, dòng chảy và quá trình vận chuyển trầm tích. Theo ước tính, sự ổn định mặt cắt ngang của các cửa sông này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng sinh thái, đảm bảo an toàn vùng hạ lưu và đáp ứng nhu cầu giao thông thủy. Tuy nhiên, việc dự đoán trạng thái ổn định của từng cửa sông trong hệ thống hai cửa vẫn còn nhiều thách thức do sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố thủy lực và hình thái học.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích sự ổn định mặt cắt ngang của hệ thống cửa sông hai cửa, tập trung vào ảnh hưởng của các đặc tính thủy triều đại dương khác nhau tại mỗi cửa, sự dao động không đồng đều của mực nước trong vịnh, cũng như vai trò của kênh phân cách giữa hai cửa. Nghiên cứu sử dụng mô hình toán học và mô phỏng số để xác định các điều kiện cân bằng dòng chảy và mặt cắt ngang ổn định, đồng thời áp dụng mô hình vào hệ thống đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, tỉnh Thừa Thiên Huế, Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mô hình vịnh có hai cửa kết nối với đại dương, với các tham số thủy triều, hình học cửa sông và đặc tính kênh phân cách được khảo sát trong khoảng thời gian và không gian phù hợp với điều kiện thực tế tại vùng nghiên cứu. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ dự báo ổn định cửa sông, hỗ trợ quản lý bền vững vùng ven biển, giảm thiểu rủi ro thiên tai và phát triển kinh tế - xã hội địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết ổn định mặt cắt ngang cửa sông thủy triều, trong đó:

• Lý thuyết Escoffier (1940): Mô tả sự cân bằng giữa dòng chảy thủy triều và vận chuyển trầm tích, xác định vận tốc cân bằng (vận tốc thủy triều tối đa đủ để duy trì mặt cắt cửa sông không bị bồi lấp hay xói mòn).
• Mô hình đường cong dòng cân bằng (equilibrium flow curve): Biểu diễn mối quan hệ giữa diện tích mặt cắt ngang cửa sông và vận tốc dòng chảy tối đa, từ đó xác định các điểm cân bằng ổn định và không ổn định.
• Phân loại các kiểu đường cong dòng cân bằng (Type A đến E): Mô tả các cấu hình ổn định và không ổn định của hệ thống hai cửa, trong đó kiểu E biểu thị trạng thái ổn định vô điều kiện với hai cửa cùng duy trì trạng thái cân bằng.
• Mô hình vịnh hai cửa với và không có kênh phân cách: Mô phỏng sự dao động mực nước trong vịnh và dòng chảy qua các cửa, cho phép phân tích ảnh hưởng của sự không đồng đều mực nước và pha thủy triều giữa các cửa.

Các khái niệm chính bao gồm: vận tốc cân bằng, diện tích mặt cắt ngang, dòng chảy thủy triều, kênh phân cách, pha và biên độ thủy triều, hệ số ma sát đáy, và các loại đường cong dòng cân bằng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thủy văn, địa hình và trầm tích tại hệ thống đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, cùng các tham số mô hình hóa được trích xuất từ các nghiên cứu trước và đo đạc thực địa.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán học dựa trên hệ phương trình vi phân mô tả cân bằng khối lượng và động lượng trong hệ thống vịnh hai cửa, được giải bằng phương pháp số kết hợp với phần mềm MATLAB để tạo các đồ thị bề mặt đóng cửa (closure surfaces) và đường cong dòng cân bằng.

Cỡ mẫu mô phỏng gồm 50x50 điểm tổ hợp diện tích mặt cắt ngang hai cửa, tương ứng 2500 trường hợp tính toán, nhằm khảo sát toàn diện không gian tham số. Phương pháp chọn mẫu là lưới đều trên miền tham số, đảm bảo bao phủ đầy đủ các biến đổi về biên độ, pha thủy triều, chiều dài cửa và diện tích kênh phân cách.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian phù hợp để thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả, với các bước chính: tổng hợp dữ liệu (tháng 1-3), xây dựng mô hình (tháng 4-6), mô phỏng và phân tích (tháng 7-9), viết báo cáo và luận văn (tháng 10-12).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của sự khác biệt biên độ thủy triều tại hai cửa: Khi biên độ thủy triều tại hai cửa khác nhau khoảng 18-40%, hệ thống có thể đạt trạng thái ổn định vô điều kiện (kiểu E), với diện tích mặt cắt ngang cân bằng lần lượt khoảng 5200 m² và 4200 m². Biên độ thủy triều lớn hơn tại cửa 1 làm tăng phạm vi ổn định và giá trị cực đại của diện tích mặt cắt ngang cửa 2 lên đến 47%.

2. Ảnh hưởng của pha thủy triều khác nhau: Sự chênh lệch pha thủy triều lớn hơn 15 phút làm giảm tính ổn định của hệ thống, dẫn đến trạng thái không ổn định (kiểu D hoặc C). Pha thủy triều gần như đồng bộ là điều kiện cần để duy trì ổn định vô điều kiện.

3. Vai trò của kênh phân cách: Kênh phân cách có diện tích mặt cắt nhỏ và chiều dài lớn làm tăng khả năng ổn định vô điều kiện của hệ thống. Khi diện tích kênh phân cách tăng lên, phạm vi ổn định giảm dần và có thể chuyển sang trạng thái không ổn định. Ví dụ, với kênh phân cách diện tích khoảng 2900 m² và thủy triều biên độ 0.5 m, hệ thống đạt trạng thái ổn định vô điều kiện.

4. Ảnh hưởng của chiều dài và ma sát đáy cửa sông: Cửa sông ngắn và ma sát đáy thấp làm tăng phạm vi ổn định và giá trị cực đại của diện tích mặt cắt ngang cân bằng. Cửa dài và ma sát cao làm giảm phạm vi ổn định, có thể dẫn đến trạng thái không ổn định.

5. Ứng dụng thực tế tại đầm phá Tam Giang - Cầu Hai: Mô hình cho thấy cửa Tu Hiền có vận tốc dòng chảy tối đa thấp hơn vận tốc cân bằng (khoảng 0.9 m/s so với 1.0 m/s), cho thấy cửa này có tính ổn định kém và có xu hướng thu hẹp. Cửa Thuận An và Hoa Duan có thể cùng tồn tại ổn định nhờ kênh phân cách hẹp giữa các vùng vịnh, với diện tích mặt cắt cân bằng lần lượt khoảng 1800 m² và 1250 m².

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt biên độ thủy triều giữa hai cửa là yếu tố quan trọng nhất để đạt được trạng thái ổn định vô điều kiện. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về sự ổn định cửa sông đa cửa. Sự khác biệt pha thủy triều có tác động tiêu cực, làm giảm khả năng ổn định, do làm mất đồng bộ dòng chảy và gây dao động mạnh trong mực nước vịnh.

Kênh phân cách đóng vai trò như một bộ điều chỉnh dòng chảy giữa hai vùng vịnh, giúp giảm sự tương tác trực tiếp giữa hai cửa và tạo điều kiện cho sự ổn định. Tuy nhiên, khi kênh phân cách quá lớn hoặc quá nhỏ, sự ổn định có thể bị ảnh hưởng tiêu cực.

Chiều dài cửa sông và ma sát đáy ảnh hưởng đến tổn thất năng lượng và vận tốc dòng chảy, từ đó tác động đến diện tích mặt cắt cân bằng. Cửa ngắn và ma sát thấp tạo điều kiện cho dòng chảy mạnh hơn, giúp duy trì mặt cắt ổn định.

Ứng dụng vào hệ thống đầm phá Tam Giang - Cầu Hai cho thấy mô hình có thể giải thích được hiện tượng ổn định tương đối của cửa Thuận An và Hoa Duan, đồng thời lý giải sự không ổn định của cửa Tu Hiền do đặc điểm hình học và thủy lực riêng biệt. Kết quả này hỗ trợ các quyết định quản lý vùng ven biển, như việc đóng mở cửa Hoa Duan để duy trì ổn định hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ 3D bề mặt đóng cửa, đường cong dòng cân bằng, và bảng tổng hợp các trạng thái ổn định theo các tham số biến đổi, giúp trực quan hóa và so sánh các kịch bản.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Theo dõi và điều chỉnh biên độ thủy triều tại các cửa sông: Cần thiết lập hệ thống quan trắc thủy triều liên tục để phát hiện và điều chỉnh sự khác biệt biên độ thủy triều giữa các cửa nhằm duy trì trạng thái ổn định. Mục tiêu giảm thiểu biến động biên độ dưới 20% trong vòng 1-2 năm, do cơ quan quản lý ven biển thực hiện.

2. Quản lý kênh phân cách và các kênh phụ trợ: Duy trì diện tích mặt cắt và chiều dài kênh phân cách trong khoảng cho phép (ví dụ dưới 3000 m²) để đảm bảo sự ổn định vô điều kiện của hệ thống. Thực hiện các biện pháp nạo vét hoặc xây dựng công trình điều tiết trong 3-5 năm tới, do các đơn vị kỹ thuật thủy lợi chủ trì.

3. Kiểm soát chiều dài và ma sát đáy cửa sông: Thực hiện các biện pháp giảm ma sát đáy như cải tạo đáy cửa, hạn chế bồi lắng để duy trì vận tốc dòng chảy đủ lớn. Thời gian thực hiện từ 2-4 năm, phối hợp giữa các cơ quan quản lý môi trường và kỹ thuật.

4. Ứng dụng mô hình vào quản lý vùng ven biển: Sử dụng mô hình ổn định mặt cắt ngang để dự báo và lập kế hoạch phát triển bền vững vùng cửa sông, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Triển khai mô hình trong các dự án quy hoạch ven biển trong 1-3 năm tới, do các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ven biển: Nhận diện các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định cửa sông, từ đó xây dựng chính sách quản lý hiệu quả, giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ môi trường.

2. Các kỹ sư thủy lợi và xây dựng công trình ven biển: Áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu để thiết kế, cải tạo cửa sông, kênh phân cách và các công trình liên quan nhằm duy trì sự ổn định và an toàn giao thông thủy.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy văn, địa chất biển: Tham khảo phương pháp luận, mô hình toán học và kết quả phân tích để phát triển nghiên cứu sâu hơn về động lực học cửa sông và vùng ven biển.

4. Các tổ chức bảo tồn môi trường và phát triển bền vững: Hiểu rõ cơ chế ổn định cửa sông để đề xuất các giải pháp bảo vệ hệ sinh thái ven biển, duy trì đa dạng sinh học và phát triển kinh tế xã hội hài hòa.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao sự khác biệt biên độ thủy triều giữa hai cửa lại quan trọng đối với sự ổn định?
   Sự khác biệt biên độ thủy triều tạo ra sự phân bố dòng chảy không đồng đều, giúp mỗi cửa duy trì vận tốc dòng chảy đủ để cân bằng trầm tích, từ đó giữ ổn định mặt cắt ngang. Ví dụ, khi biên độ cửa 1 lớn hơn cửa 2 khoảng 18%, hệ thống có thể đạt trạng thái ổn định vô điều kiện.

2. Pha thủy triều khác nhau ảnh hưởng thế nào đến ổn định cửa sông?
   Chênh lệch pha lớn gây dao động mực nước không đồng bộ, làm mất cân bằng dòng chảy và dễ dẫn đến đóng cửa hoặc bồi lấp. Nghiên cứu cho thấy pha lệch trên 15 phút làm giảm tính ổn định, trong khi pha gần đồng bộ giúp duy trì trạng thái ổn định.

3. Vai trò của kênh phân cách trong hệ thống hai cửa là gì?
   Kênh phân cách điều tiết dòng chảy giữa hai vùng vịnh, giảm tương tác trực tiếp giữa hai cửa, giúp duy trì sự ổn định. Kênh có diện tích nhỏ và chiều dài lớn tăng khả năng ổn định, nhưng nếu quá lớn hoặc quá nhỏ sẽ làm giảm tính ổn định.

4. Mô hình có thể áp dụng cho những hệ thống cửa sông nào?
   Mô hình phù hợp với các hệ thống cửa sông hai cửa có đặc điểm thủy triều chi phối, ít chịu ảnh hưởng mạnh của dòng chảy sông hoặc sóng lớn. Ví dụ điển hình là đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, nơi mô hình đã được áp dụng thành công.

5. Làm thế nào để sử dụng kết quả nghiên cứu trong quản lý thực tế?
   Kết quả giúp xác định các tham số quan trọng cần theo dõi và điều chỉnh như biên độ, pha thủy triều, kích thước kênh phân cách. Từ đó, các biện pháp kỹ thuật và chính sách quản lý có thể được thiết kế nhằm duy trì sự ổn định cửa sông, giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ môi trường.

Kết luận

• Phân tích mô hình cho thấy sự khác biệt biên độ thủy triều giữa hai cửa là yếu tố quyết định để đạt trạng thái ổn định vô điều kiện (kiểu E).
• Sự khác biệt pha thủy triều lớn làm giảm tính ổn định, trong khi pha gần đồng bộ hỗ trợ duy trì trạng thái ổn định.
• Kênh phân cách có diện tích và chiều dài phù hợp giúp tăng khả năng ổn định hệ thống hai cửa.
• Ứng dụng mô hình vào đầm phá Tam Giang - Cầu Hai cho thấy cửa Thuận An và Hoa Duan có thể cùng tồn tại ổn định, trong khi cửa Tu Hiền có tính ổn định kém.
• Nghiên cứu đề xuất các giải pháp quản lý thủy triều, kênh phân cách và cải tạo cửa sông nhằm duy trì ổn định, hỗ trợ phát triển bền vững vùng ven biển.

Tiếp theo, cần triển khai hệ thống quan trắc thủy triều và dòng chảy tại các cửa sông, đồng thời áp dụng mô hình vào các kịch bản biến đổi khí hậu để dự báo và quản lý hiệu quả hơn. Mời các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả quản lý vùng cửa sông đa cửa.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ và phát triển bền vững hệ thống cửa sông ven biển!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Cross-sectional Stability of a Two Inlet Bay System C. Borsje March 2003 TUDelft Faculty of Civil Engineering and Geosciences Delft University of Technology Section of Hydraulic Engineering Cross-sectional Stability of a Two Inlet Bay System Master Thesis his Borsle Supervisors: Profi MAF. Siue (Tu Dela) Drlr A van Mazik (Tu Den) Ie HJ. Verhagen (Tu Der) Profit v-van de Kreeke (University of Mam) TU Delt, Facul of Cul Engineering and Geosciences, Section of Hydrauic Engineering Det, March 2005 Preface.

‘This master thesis deals witha study on cross-sectional stably of estuaries with wo inlets. This hao been caried out within the framework of the Faculty of Cill Engineering at Daft Unversity of Technology. ‘Special thanks go to the examination committee, for heir supervision during my work: prot. Site, lr Verhagen, dr.

van Mazik and prot van de Kreeke for heir devotion and much valuable Information {and assistance, Also, | would Ike to thank i. Tghiem Tien Lam for helping me out with his report. his Borsje Absiract ‘Tidal inlets are connections between smal, shallow bays and the sea In a tde-dominates environment, the status c ths inlet isa balance between local given condtions such ag channel ‘geometry and the hydraulic environment. According to Escoffet, when the equilorium is disrupted Ít Should generally retur to is orginal state In tidal lagoon systems with more ines, t's more uncertain to predict a stable canston foreach inlet ‘There are cases where some channels wil close and others stay open, while other systems remain overall stable, Le.

each inlet has an equllum state, An analytical method to determine this tabi I Yet no avaliable. Therefore, the focus attends to researeh a model bay system with two ocean inlets, were there could be an unconditional stale environment. For this, th fllowing important ‘assumptions and starting angles are set up + Thewalerlewelinthe bay area moves uniformly: +. Vardalone in ocean tide and phase levels may give new insights + A hirởinlet imaginary or real, wih esuting small wate level differences inthe bay, s added, For his case, a double inlet lagoon system is modelled ths consists ofa bay area with nosignificant shape, two channels wit relevant ficton and inertia parameters and an idealized ocean tde wath a tial range and phase at each niet troat Further, a variaton of tis done by (vifualy) spliting up the bay.

On each model a series of tats has been done wih calculation and graphic sofware, Every inlet has an equllorum flow curve, ie. a ctass-sectonal area where the maximum curents ate just enough to fush sediment and Keeping the channel open If this is the case fr both cross-sections, the hole lagoon system i refered to a8 stable (E-type flow condition). In the graphic images, tis is ‘Shown by the inlersections ofthe equilbrum flow curves, ‘The normal medel bay system showed that thera is ø stable condton when the túa range atthe seaside s diferent at each inlet. provided tha his isnot oo large.

In adaton, the channels should be Suffcienlly short with icon not lo high. This is also vald fr higher tidal ranges, where the iferences are even smaller ‘The bay system withthe parifon had the same stablty conditions. Higher ie levels at both inlets could also ensure stability, a9 the thd niet becomes relatively smal. Next, the E-ype flow condtton Is ‘more key if the thi inlet is smaller or longer.

Further, the rato in bay area on either sie ofthe partiton channel has some negative influence on tis, but in combination with tie đfferenee, a Balanced system can remain. “The models are futher implemented on a present-day situation, a lagoon inlet system located inthe Huệ province In Vietnam. Here, there are two inlets, located far apar, eting the system be relatively stable. In his patcular case, repeated flooding and breaching of the sand barrer resulted into ‘another init next tothe main inet inthe northern part of he lagoon, The appearance ofthis tied ‘channel has raised the question whether the two close inlats could be stable, although the authoriies would rather have tis channel closed.

The pattion made! indicated that his can be the case. Although the lagoon is also largely influenced by wave acton, frequent storm surges and river runo, the tidal inlet models 9 useful ool in order fo understand the basie behaviour ofthis lagoon beter. should be understood thatthe models that were used could never fly represent real hydraulic environments, as there are aways other influencing factors present For tde-dominated estuaries, they can however be a valuable stating point Nevertheless, the resulls show by both models are salstactory. A deeper investigation could be made on pars of this subject.

w Table of Contents PREFACE, ABSTRACT. ‘TABLE oF CONTENTS. List oF FIGURES. List oF TABLES CHAPTER INTRODUCTION CHAPTER2 PROBLEM ANALYSIS.4 Introduction 3 22 One- het bay system 3 2.3 Twain bay system 4 24 Goalofthssudy 8 CHAPTER3 MODEL FOR CROSS-SECTIONAL STABILITY.4 Principles of stably analysis 9 32.__ Classification of equilrium flow curves „ 321 TyBBA „" 322 TypeB 2 323° Typed.__Inletbay schematization hà 331.

Two inlet bay system hệ 332 Two inlet bay system with partion 18 vụ CHAPTER 4 INLETHYDRODYNAMCS. Onesiniet bay system 19 43. Twosnlet bay system 2 444. Twornlet bay system with partion, 23 45.

Veriication ofthe solutons. Two inlet bay syst 27 522 Two inlet bay system with partion 28 823 Discussion 2 S3 __ Symmetical ocean tide conditions lo both inlets.1 "Variations with one parameter 20 53.2 Variations with two parameters, 31 533 Discussion u 54 Different acean tide conditions for both ines, 3 5441. Vaialonswdone parameter 3 542 Variations with two parameters 39 543 Discussion 3g 55.__ Phase ferences inside the bay, 40 ‘551 Variations with one parameter 40 55.2 Variations wth two parameters, 48 553 Discussion 49 CHAPTER6 APPLICATION TO THE TAM GIANG— CAUHAILAGOON, VIETNAM 641 Invoduetion st 6.2 Description of the system 52 B3 Objectives.1 Simulation excluding the Hoa Duan inet 54 83.2 Simulaton exclusing the Thuan An inlet. sẽ 633 Simulations excluding the Tu Hien inet sĩ CHAPTER7 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS REFERENCES ‘APPENDICES.

vụ APPENDIX SOLUTION FOR ATWOINLET BAY SYSTEM. APPENDIX SOLUTION FOR A TWO INLET BAY SYSTEM WITH PARTITION. APPENDIXG CALCULATIONS ON THE Two INLET BAY SYSTEM. Variations in tidal wave " C21.

Tidal Period " 622, Tidal amplitude. Short lengths combined with tal amplitude 18 C24. Tidal amplitude dierence 14 C25. Shor lengins combined with an amplitude diference.

Tide mbalance at higher dal anges 6 C27. Tidal diference in bath amplitude and phase 18 3, _ Inet characteristics 19 31. Diferences nile iength 2 C34. Frection 2 APPENDIXD CALCULATIONS ON THE TWO INLET BAY SYSTEM WITH PARTITION, D4.

Reference siuation + D22 _ Variations in tide and inlet parameters 25 D21. Tidal amplitude: 25 D22 Short lengths combined with tial ampitude 2 D23 Ampltude aiterence 27 D21. Shor lengths combined with ampltude dference 28 D25. Stability condiuonslorinefeasing taldifeence 29 126.

Stability conaitons for increasing Soa diference (big parton) 30 27. Shor inets % Ø3 _ Vaisiens with pariton inet 2 D31. Large cross-sectional area 32 D32. Larger cross-sectional area 33 03.

Small cross-sectional area 4 D34. Variations with bay ratio 4t Dat. Bay Ratio with smal partion inlets +“ D43. Bay Ratio with tdal ampltude difference 49 APPENDIXE — INLET AND BAY PARAMETERS OF THE TAM GIANG - CAU HAI LAGOON, VietNam APPENDIXF SIMULATIONS ON THE TAM GIANG - CAU HAI LAGOON, VIETNAM F.

Hoa Duan inlet closed, with partion sẽ F2. Thuan An nit closed, with partion 61 F4.4, Tubien inlet closed wit patton. 6 List of Figures Figure 24, (Closure curve ofa stable ta inet. Closure surface of init 1 potted against init 2 5 Figure 23 Equlirium flow curve of niet1, potted against inet 2.

5 Figure 24 Closure surface of Inlet 2 potted against net 1 6 Figure 25 Equilorium fow curve of niet 2, potted against inet1 6 Figure 26. Possible configurations of equliolum flow areas. 7 Figure 31 (Cross-sectional area ~ Tidal Prism Relationship for nets in the USA 1m Figure 32 Type A fow cure. H Figure 33 ‘Type 8 flow curve.

2 Figure 34 Type C flow curve. 3 Figure 35 Type D flow curve 8 Figure 36. Examples of instability in type D „ Figure 3.7 Type E flow curve. Examples of stayin Type E 1 Figure 39 Two = niet bay system 7 Figure 3.10 Two inlet bay system with partion 18 Figure 44, Triangular cross section 20 Figure 42 Closure scenario, 20 Figure 43 Top view of Matagorda Bay, In the cenre below is Pass Cavallo; aie to the north, splting the barr, is Matagorda Inlet 24 Figure 44.

EEquilorum flow curves for Pass Cavalo and Matagorda Inet (van de Kreeke. 1980) 25 Figure 45 Equilorium flow curves for Pass Cavalo and Matagorda inlet, calculated by the wo inlet bay system model 26 Figure 5.1 Equitorlum flow curve forthe two nit bay system. 28 Figure 52 Equlorium flow curve or the two init ba system with te partion. (Changes inthe equim fow curves around lọ, = 0.59 m, % Figure S4 Equllrium fow curves at higher tide diferences.

35 Figure 55 Closure surfaces of Inlats 1 and 2 at increasing de diferences, 36 Figure Số. Equlorium flow curves at increasing phase differences 38 Figure 57 ype flow curve as a result of tae aference. ctype flow curve, caused by a smaler partion init ái Figure 59 Limit E-type condition aLA3 = 2000 m2 and a main tide of 0.10, Limit E-type condition at A3 = 6500 m2 and a man de of 1 00 m.11 Limit E-type condition at AS = 10400 mỡ and a main ide of 1.12 Limit E-type condition at A3 = 14000 m2 and a main te of2 00 m 4 Figure 5.13, Limit E-type condition at AS = 18500 mỡ and a main tde of2 60m. ‘Water evel amplitude differences inside the bay ata bay ratio of 1 (a), 2 (0) and 10 (2) 46 Figure 5.15, Phase level differences inside the bay at abay rao of 1 (a), 2 (b) and 10 (6) .16 Equitorium flow cura at ho) = 0.4 ‘Map of the Tam Giang ~ Cau Hal lagoon system 51 Figure 62 (Overview of lagoon areas and inlets with cross-sectional profs s Figure 63 Model of the lagoon system 53 Figure 64 3D image of the closure cuve of Thuan An inlet (ross section A), ploted against Tu Hien init (cross section A).

3D image of the closure curve of Tu Hien inlet (cross section A), plotted against Thuan ‘An inlet (cross section A) sẻ Figure 66. EEquilorium flow curves for Thuan An inlet and Tu Hien inlet, at Ao = 0. Equlibrium flow curves for Hoa Duan niet and Tu Hien Inlet, at Mp = 0 16x rad. Equiibium flow curves for Thuan an and Hoa Duan inlet.02% rad sr Figure 6.

Equiibdum flow curves for Thuan An and Hoa Duan inlet atAe = 0.10, Cloture surfaces for Thuan An inlet (ef) and Hoa Duan iit (ght). Flow curves for amplitudes at inlet1 of 6,60 m (green, 0.3, Equlbum Row curves for AlAs valves of 0 1 (red), 1 (green) and 10 (blue). Equilibrium flow curves for bay area ratios of 0. 43 Figure D5 Equilbium flow curves for bay area ratios of 0 10 (a), 1 (0) and 10).

Equllbvum flow curves for bay area ratios of 0. Equilbum flow curves for bay area ratios of 0 103) 1 (0) and 10 (e) 52 Figure E. Map of te lagoon system wih dept profes. Simulation wth @: = 18x rad sẽ Figure E2.4 — Simulaton with @: 61 Figure FS.

Simulabon with gs s2 Figure E6. Simulaton with 9: 64 Figure E8. Simulabon with gs 85 Figure E8. Simulaton with @: 67 FigureF 11.

Simulabon with gs 88 Figure F.12 Simulation wth @,=-002: rad 68 xi List of Tables Table 41 Val of paramete ues rs used in Matagorda Bay, 25 Table S1 Reference valves, 28 Table 52.