Ứng Dụng Mô Hình XBeach Để Nghiên Cứu Bồi Lắng Tại Cửa Sông Lạch Vàn

• Tác giả: Nguyen Quoc Anh
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Quang Chien
• Trường học: Thuy Loi University
• Chuyên ngành: Marine and Coastal Engineering
• Đề tài: Ứng dụng mô hình XBeach trong quản lý và kỹ thuật ven biển: Nghiên cứu bồi lắng cửa sông Lạch Vàn
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hanoi

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Research scope
• 1.2. Research Objective
• 1.3. Research content
• 1.4. Literature review
• 1.5. Research methods
• 2. CHAPTER 2: COMPUTING METHOD
• 2.1. Numerical method
• 2.2. Overview of One-dimensional modelling
• 2.3. Some limitations in considering changes in bottom topography when using One-dimensional model
• 2.4. Overview of multidimensional hydrodynamic modelling
• 3. CHAPTER 3: DATA COLLECTION
• 3.1. Coastline identification
• 4. CHAPTER 4: PROPOSED MODELING STUDY AND EXPECTED ISSUES
• 4.1. Sediment transport process
• 4.2. Wave simulation in big domain
• 4.3. Hydrodynamic and morphological simulation in small domain
• 4.4. Result for ESE wave scenario
• 4.5. Result for ENE wave scenario
• 5. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• ABSTRACT

I. Mô hình XBeach và ứng dụng trong quản lý ven biển

Mô hình XBeach là một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu và quản lý ven biển. Mô hình này được sử dụng để mô phỏng sự thay đổi địa hình đáy biển, đặc biệt là hiện tượng bồi lắng cửa sông. Trong nghiên cứu này, mô hình XBeach được áp dụng để dự đoán sự thay đổi địa hình tại cửa sông Lạch Vàn, tỉnh Nghệ An. Mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ cơ chế bồi lắng mà còn hỗ trợ trong việc đưa ra các giải pháp kỹ thuật để quản lý bờ biển hiệu quả.

1.1. Ưu điểm của mô hình XBeach

Mô hình XBeach có khả năng mô phỏng chi tiết các quá trình thủy động lực học và vận chuyển trầm tích. Nó cho phép dự đoán sự thay đổi địa hình đáy biển dựa trên các yếu tố như sóng, dòng chảy và thủy triều. Điều này giúp các nhà quản lý ven biển có cái nhìn toàn diện về các vấn đề liên quan đến bồi lắng cửa sông và đưa ra các quyết định kỹ thuật phù hợp.

1.2. Hạn chế của mô hình XBeach

Mặc dù mô hình XBeach có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng có một số hạn chế. Mô hình này đòi hỏi dữ liệu đầu vào chính xác và chi tiết, đặc biệt là các thông số về sóng và địa hình đáy biển. Ngoài ra, việc hiệu chỉnh và xác thực mô hình cũng là một quá trình phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức.

II. Kỹ thuật ven biển và quản lý bồi lắng cửa sông

Kỹ thuật ven biển đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và giảm thiểu tác động của hiện tượng bồi lắng cửa sông. Các giải pháp kỹ thuật như xây dựng đê chắn sóng, điều chỉnh dòng chảy và quản lý trầm tích được áp dụng để kiểm soát hiện tượng này. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng mô hình XBeach để đánh giá hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật tại cửa sông Lạch Vàn.

2.1. Giải pháp kỹ thuật cho bồi lắng cửa sông

Các giải pháp kỹ thuật như xây dựng đê chắn sóng và điều chỉnh dòng chảy được đề xuất để kiểm soát hiện tượng bồi lắng cửa sông. Mô hình XBeach được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp này. Kết quả cho thấy, việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật có thể giảm thiểu đáng kể tác động của bồi lắng, giúp cải thiện điều kiện giao thông và kinh tế tại khu vực cửa sông.

2.2. Quản lý trầm tích và bờ biển

Quản lý trầm tích là một phần quan trọng trong kỹ thuật ven biển. Việc kiểm soát lượng trầm tích được vận chuyển từ sông ra biển giúp giảm thiểu hiện tượng bồi lắng. Mô hình XBeach cung cấp các dữ liệu chi tiết về vận chuyển trầm tích, giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định chính xác trong việc quản lý bờ biển.

III. Nghiên cứu bồi lắng cửa sông Lạch Vàn

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích hiện tượng bồi lắng cửa sông tại cửa sông Lạch Vàn, tỉnh Nghệ An. Mô hình XBeach được sử dụng để mô phỏng sự thay đổi địa hình đáy biển và dự đoán các kịch bản bồi lắng trong tương lai. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiện tượng bồi lắng tại cửa sông Lạch Vàn chủ yếu do tác động của sóng và dòng chảy ven bờ.

3.1. Nguyên nhân bồi lắng cửa sông Lạch Vàn

Nguyên nhân chính của hiện tượng bồi lắng cửa sông tại cửa sông Lạch Vàn là do tác động của sóng và dòng chảy ven bờ. Các dòng chảy này mang theo trầm tích từ phía bắc xuống phía nam, gây ra hiện tượng bồi lắng tại cửa sông. Ngoài ra, các yếu tố như xây dựng hồ chứa thủy lợi và khai thác vật liệu cũng góp phần làm phức tạp thêm hiện tượng này.

3.2. Kết quả mô phỏng và dự đoán

Kết quả mô phỏng bằng mô hình XBeach cho thấy, hiện tượng bồi lắng cửa sông tại cửa sông Lạch Vàn sẽ tiếp tục diễn ra trong tương lai nếu không có các biện pháp can thiệp kịp thời. Các kịch bản dự đoán cho thấy, việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật có thể giảm thiểu đáng kể tác động của bồi lắng, giúp cải thiện điều kiện giao thông và kinh tế tại khu vực này.

Tổng quan nghiên cứu

Lach Van là một cửa sông nhỏ thuộc huyện Diễn Châu, tỉnh Nghệ An, Việt Nam, có chiều rộng trung bình khoảng 500 m và chiều dài sông khoảng 48 km. Khu vực cửa sông này đang đối mặt với hiện tượng bồi tụ phức tạp, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động kinh tế và giao thông của ngư dân địa phương. Theo báo cáo, mực nước tại cửa sông đã giảm từ mức 1,8 m xuống còn khoảng 1 m, khiến tàu thuyền lớn không thể ra vào và tàu nhỏ chỉ hoạt động được vào thủy triều cao. Hiện tượng này diễn ra nghiêm trọng từ năm 2017, làm tắc nghẽn hoạt động của khoảng 500 tàu cá neo đậu tại đây.

Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng sự biến đổi địa hình đáy và dự báo sự phát triển địa hình cửa sông Lach Van trong khoảng thời gian gần đây, sử dụng mô hình số 2 chiều XBeach. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực cửa sông với diện tích mô hình khoảng 42 km x 121 km, tập trung vào các yếu tố thủy động lực học, vận chuyển trầm tích và sự tương tác giữa sóng, dòng chảy và địa hình đáy. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc điều chỉnh và quản lý cửa sông, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến hoạt động đánh bắt và giao thông thủy địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình thủy động lực học đa chiều và phương trình cân bằng trầm tích (Exner equation). Mô hình thủy động lực học đa chiều sử dụng các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong môi trường nước nông, bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng theo hai chiều không gian, được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn trên lưới tính toán. Phương trình Exner được áp dụng để mô phỏng sự thay đổi địa hình đáy dựa trên cân bằng trầm tích giữa lượng bồi tụ và xói mòn.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Vận chuyển trầm tích dọc bờ (longshore sediment transport) theo phương trình Soulsby–Van Rijn,
• Tác động của sóng và dòng chảy đến sự biến đổi địa hình,
• Mô hình XBeach với hệ tọa độ lưới cong, mô phỏng sóng ngắn, sóng dài, sự phá vỡ sóng và ma sát đáy,
• Tương tác giữa thủy động lực và biến đổi địa hình đáy thông qua vòng lặp tính toán liên tục.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm: dữ liệu thủy văn (mực nước triều, sóng, gió), dữ liệu địa hình đáy (bathymetry) từ SRTM30 và bản đồ hải đồ, dữ liệu trầm tích (kích thước hạt, thành phần địa chất), và dữ liệu quan trắc thực địa tại trạm Hon Ngu. Cỡ mẫu dữ liệu sóng được lấy từ WaveWatch III với độ phân giải 0,5° và khoảng thời gian từ năm 2005 đến 2017, dữ liệu gió từ NOAA, dữ liệu mực nước triều từ bảng thủy triều và quan trắc thực địa.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình số XBeach 2D để mô phỏng sự biến đổi địa hình đáy cửa sông trong các kịch bản sóng ENE và ESE phổ biến, với việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên dữ liệu quan trắc thực tế. Quá trình mô phỏng bao gồm thiết lập lưới tính toán dạng lưới cong, giải các phương trình thủy động lực và vận chuyển trầm tích, cập nhật địa hình đáy theo phương trình Exner. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 năm, tập trung vào phân tích biến đổi địa hình và vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa sông.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Sự biến đổi địa hình đáy cửa sông Lach Van: Mô hình XBeach cho thấy khu vực cửa sông có sự bồi tụ mạnh với tốc độ vận chuyển trầm tích dọc bờ khoảng 10^6 m³/năm, chủ yếu do dòng chảy dọc bờ từ phía bắc xuống nam. Vùng bồi tụ chiếm diện tích khoảng 1 km², phù hợp với quan trắc thực tế tại trạm Hon Ngu.

2. Ảnh hưởng của sóng đến vận chuyển trầm tích: Hai kịch bản sóng ENE và ESE chiếm tần suất xuất hiện lên đến 30%, trong đó sóng ESE gây ra dòng chảy mạnh hơn và vận chuyển trầm tích lớn hơn khoảng 15% so với sóng ENE, dẫn đến sự thay đổi địa hình đáy rõ rệt hơn ở phía nam cửa sông.

3. Tác động của các yếu tố kinh tế xã hội: Các hoạt động như xây dựng hồ chứa, thủy điện, khai thác vật liệu và nuôi trồng thủy sản góp phần làm thay đổi dòng chảy và nguồn cung trầm tích, làm phức tạp thêm quá trình bồi tụ và xói mòn tại cửa sông.

4. Độ chính xác của mô hình: So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu quan trắc cho thấy sai số vị trí bờ biển dưới 5%, sai số mực nước dưới 0,1 m, chứng tỏ mô hình XBeach có khả năng dự báo biến đổi địa hình cửa sông Lach Van với độ tin cậy cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng bồi tụ là do dòng chảy dọc bờ mang trầm tích từ phía bắc xuống nam, kết hợp với tác động của sóng và thủy triều. Mô hình 2D XBeach vượt trội hơn mô hình 1D trước đây nhờ khả năng mô phỏng chi tiết sự tương tác giữa sóng, dòng chảy và địa hình đáy, giúp dự báo chính xác hơn sự biến đổi bờ biển và đáy sông. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về mô hình thủy động lực học và vận chuyển trầm tích tại cửa sông và vùng ven biển.

Biểu đồ thể hiện sự thay đổi vị trí bờ biển theo thời gian và bản đồ mô phỏng sự thay đổi độ cao đáy biển minh họa rõ ràng quá trình bồi tụ và xói mòn tại các khu vực khác nhau của cửa sông. Bảng so sánh số liệu mô hình và quan trắc cho thấy sự phù hợp cao, khẳng định tính ứng dụng của mô hình trong quản lý và điều chỉnh cửa sông.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống quan trắc liên tục để cập nhật dữ liệu sóng, dòng chảy và trầm tích nhằm hiệu chỉnh mô hình định kỳ, nâng cao độ chính xác dự báo. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, Viện Hải dương học.

2. Thiết kế và thi công công trình điều chỉnh cửa sông dựa trên kết quả mô hình, nhằm giảm thiểu bồi tụ và cải thiện khả năng lưu thông tàu thuyền. Thời gian: 3-5 năm; chủ thể: Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng.

3. Quản lý khai thác nguồn nước và trầm tích thượng nguồn, hạn chế các hoạt động gây ảnh hưởng đến dòng chảy và nguồn cung trầm tích như xây dựng hồ chứa, khai thác vật liệu. Thời gian: liên tục; chủ thể: UBND tỉnh, các ngành liên quan.

4. Tuyên truyền và đào tạo nâng cao nhận thức cộng đồng ngư dân về tác động của bồi tụ cửa sông và các biện pháp phòng tránh, giảm thiểu thiệt hại. Thời gian: 1 năm; chủ thể: Hội Nông dân, các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách vùng ven biển: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các kế hoạch điều chỉnh cửa sông, bảo vệ bờ biển và phát triển kinh tế bền vững.

2. Các nhà khoa học và nghiên cứu thủy văn, địa chất biển: Tham khảo phương pháp mô hình và dữ liệu để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về biến đổi địa hình cửa sông và vận chuyển trầm tích.

3. Các kỹ sư và chuyên gia thiết kế công trình thủy lợi, cảng biển: Áp dụng mô hình XBeach và kết quả mô phỏng để thiết kế các công trình điều chỉnh dòng chảy, giảm thiểu bồi tụ và xói mòn.

4. Ngư dân và cộng đồng địa phương: Hiểu rõ nguyên nhân và tác động của hiện tượng bồi tụ cửa sông, từ đó phối hợp với các cơ quan chức năng trong việc bảo vệ và khai thác nguồn lợi thủy sản hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình XBeach có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   XBeach là mô hình 2D có khả năng mô phỏng chi tiết sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích, bao gồm cả sóng ngắn, sóng dài và sự phá vỡ sóng, giúp dự báo biến đổi địa hình đáy chính xác hơn so với mô hình 1D đơn giản.

2. Dữ liệu nào là quan trọng nhất để mô hình hóa cửa sông?
   Dữ liệu bathymetry (địa hình đáy) và dữ liệu sóng là quan trọng nhất vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thủy động lực và vận chuyển trầm tích, quyết định sự biến đổi địa hình cửa sông.

3. Hiện tượng bồi tụ cửa sông Lach Van ảnh hưởng thế nào đến ngư dân?
   Bồi tụ làm giảm mực nước tại cửa sông, gây khó khăn cho tàu thuyền ra vào, làm tăng nguy cơ mắc cạn và giảm hiệu quả khai thác thủy sản, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh kế của ngư dân.

4. Các yếu tố tự nhiên và nhân tạo nào ảnh hưởng đến bồi tụ cửa sông?
   Yếu tố tự nhiên gồm sóng, thủy triều, dòng chảy dọc bờ; yếu tố nhân tạo gồm xây dựng hồ chứa, thủy điện, khai thác vật liệu, nuôi trồng thủy sản và du lịch ven sông.

5. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng bồi tụ tại cửa sông?
   Có thể áp dụng các giải pháp kỹ thuật như xây dựng công trình điều chỉnh dòng chảy, quản lý khai thác nguồn nước thượng nguồn, đồng thời duy trì hệ thống quan trắc để theo dõi và điều chỉnh kịp thời.

Kết luận

• Mô hình XBeach 2D đã thành công trong việc mô phỏng và dự báo biến đổi địa hình đáy cửa sông Lach Van với độ chính xác cao.
• Hiện tượng bồi tụ tại cửa sông chủ yếu do dòng chảy dọc bờ và tác động của sóng ENE, ESE với vận tốc vận chuyển trầm tích khoảng 10^6 m³/năm.
• Các hoạt động kinh tế xã hội thượng nguồn góp phần làm phức tạp quá trình bồi tụ và xói mòn tại cửa sông.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế các giải pháp điều chỉnh cửa sông, bảo vệ hoạt động đánh bắt và giao thông thủy.
• Đề xuất xây dựng hệ thống quan trắc liên tục, quản lý khai thác nguồn nước và tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng là các bước tiếp theo cần thực hiện trong 1-5 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và chuyên gia nên phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật và chính sách quản lý dựa trên kết quả nghiên cứu để giảm thiểu tác động tiêu cực của bồi tụ cửa sông Lach Van.