Tính toán vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển tại vùng lân cận công trình dưới tác động của sóng và dòng chảy

Tính toán vận chuyển trầm tích và biến động
đáy biển tại vùng lân cận công trình dưới tác
động của sóng và dòng chảy


Dương Công Điển

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn ThS chuyên ngành: Hải dương học; Mã số: 60 44 97
Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Minh Huấn
Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Nghiên cứu phân tích các quá trình động lực (sóng và dòng chảy) tác động đến
quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An. Nghiên cứu ứng dụng mô
hình SMS (các mô đun CMS-flow và CMS-wave) trong việc tính toán vận chuyển trầm
tích khu vực cửa Thuận An dưới tác động của công trình. Các thông số của công trình
cũng được đưa vào mô hình tính nhằm mục đích mô phỏng được các tác động của nó tới
sự vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển.
Keywords: Hải dương học; Biến động đáy; Trầm tích

Content
MỞ ĐẦU
Sự biến động bãi biển trong vùng nước nông ven bờ là kết qủa tác động của các quá trình
tự nhiên như gió, sóng, dòng chảy, sóng thần và biến động của mực nước biển. Tuy nhiên sự tác
động của con người cũng có ảnh hưởng đáng kể thông qua các công trình nhân tạo như xây dựng
kè, đê chắn sóng, tường đứng ven biển và các quá trình nạo vét luồng cũng như nuôi bãi. Do vậy
nghiên cứu sự biến động bãi biển trong vùng ven bờ là hết sức cần thiết và quan trọng đối với
các công trình ven bờ như: xây dựng cảng, thiết kế luồng tầu và các công trình bảo vệ bờ.
Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành các phân tích số liệu thủy động lực học có tác động
tới các quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy trong vùng nước nông ven bờ. Áp dụng
mô hình số (CMS) tính toán mô phỏng sự biến động bãi biển tại vùng cửa Thuận An sau khi xây

dựng công trình kè biển. Trong quá trình tính toán kiểm chứng mô hình, Các tham số sóng và
dòng chảy được hiệu chỉnh và kiểm chứng kỹ lưỡng. Ngoài ra bộ số liệu đo đạc biến động đường
bờ trong khuôn khổ dự án VS\RDE-03 được sử kiểm chứng với các kết quả biến động bãi biển
của mô hình.
Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, bước đầu các công trình xây dựng kè biển với mục
đích bảo vệ, ngăn chặn xói lở bờ biển ở khu vực Hải Dương – Thuận An – Hòa Duân đã có
những kết quả nhất định. Khu vực bờ biển Hải Dương đã được bảo vệ khỏi các tác động gây xói
lở, khu vực phía nam cửa Thuận An chuyển từ trạng thái xói lở sang bồi tụ. Các kết quả tính toán
đưa ra được bức tranh khá phù hợp với các kết quả đo đạc thực tế.
Để hoàn thành bài luận văn này tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới: Ban
giám hiệu trường Đại học Khoa học tự nhiên, Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học,
phòng sau đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Viện Cơ học, Viện KH và CN Việt Nam (địa chỉ; 18 Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô Cầu
Giấy, Hà Nội), cơ quan nơi tôi công tác đã cử đi đào tạo cũng như tạo điều kiện về mặt thời gian,
kinh phí và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập.
Ban giám đốc, các đồng nghiệp của Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu Tư vấn Môi trường
Biển và dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển VS\RDE-03 góp ý, cung cấp số liệu, tạo điều kiện
đi khảo sát đo đạc tại khu vực cửa biển Thuận An.
PGS. TS Nguyễn Minh Huấn - người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện
trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Khí tượng – Thủy văn và Hải dương
Học đã tận tính dạy dỗ và truyền thụ kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua


Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây dưới sự phát triển mạnh của nền kinh tế cũng như sự phát triển
nhanh của ngành du lịch và dịch vụ, nhiều các công trình ven bờ như đê biển, kè chắn sóng, mỏ
hàn được xây dựng với mục đích chỉnh trị nhằm đạt được mục tiêu phục vụ phát triển kinh tế,
bảo vệ các vùng dân cư khỏi sự xâm thực từ phía biển.

Khu vực cửa biển Thuận An – Thừa Thiên Huế là một trong những cửa ngõ quan trọng
của giao thông đường thủy kết nối hầu hết các con sông của tỉnh Thừa Thiên Huế và trong khu
vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai trong đó có cảng Thuận An với Biển Đông. Đây cũng là cửa
chính tiêu thoát lũ trong mùa mưa và là kênh trao đổi nước giữa đầm phá và biển. Thêm vào đó
phía bắc cửa là khu dân cư thuộc xã Hải Dương với số lượng dân cư lớn và phía nam cửa là khu
du lịch bãi tắm biển Thuận An. Đây là hai khu vực đang có hiện tượng xói lở mạnh gây ra tình
trạng nguy hiểm tới đời sống dân cư cũng như phát triển du lịch trong khu vực [3].
Với chủ trương ngăn chặn sự bồi lấp luồng tàu tại Thuận An và bảo vệ bờ hai phía bắc và
phía nam, đầu năm 2005 Ủy ban nhân dân Tỉnh Thừa Thiên Huế đã ra quyết định phê duyệt dự
án xây dựng “xử lý khẩn cấp khắc phục xói lở bờ biển Hải Dương và chỉnh trị luồng cảng Thuận
An, tỉnh Thừa Thiên Huế”. Giai đoạn 1 xây dựng công trình chống xói lở bờ biển Hải Dương –
Thuận An – Hòa Duân. Công trình đã được xây dựng vào đầu năm 2008 và hoàn thành vào cuối
năm 2010.
Với mục tiêu bảo vệ các vùng bị xói lở, công trình bước đầu đã có một số hiệu quả nhất
định. Khu vực phía bắc (khu bờ biển xã Hải Dương) có các kè S1, S2 và B bảo vệ cách ly khu vực
bờ khỏi các tác động của sóng và dòng chảy nên quá trình xói lở bờ biển tại đây không còn diễn ra.
Khu vực phía nam gần cửa (khu bờ biển Thuận An – Hòa Duân) hiện tượng xói lở không còn (đặc
biệt là bãi biển phía nam kè) và thay vào đó là quá trình bồi diễn ra mạnh mẽ dưới sự che chắn của
các công trình. Khu vực phía trong cửa Thuận An, quá trình bồi xói và biến động bãi biển và
đường bờ diễn ra phức tạp. Khu vực phía nam xa công trình quá trình bồi và xói diễn ra theo mùa
dưới tác động của các hướng sóng khác nhau trong gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam.
Như vậy kết quả sau khi xây dựng các kè biển trong giai đoạn 1 của dự án đã có các tác động
đến các quá trình thủy động lực và kết quả là tác động đến sự tiến triển của đường bờ và bãi biển
khu vực cửa Thuận An và vùng lận cận như sau:
- Quá trình sóng và dòng chảy khu vực gần công trình và cửa Thuận An có sự thay đổi.
- Các công trình cách ly hoặc ngăn cản dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ, làm thay đổi bức
tranh vận chuyển trầm tích.
- Với mục tiêu bước đầu là ngăn cản sự xói lở tại các bờ biển Hải Dương – Thuận An – Hòa
Duân, Các công trình kè đã phát huy được tính hiệu quả tại các vùng bờ biển lận cận công
trình, tuy nhiên chưa giải quyết được sự bồi lấp luồng tàu và xói lở tại các khu vực bờ phía

trong cửa.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu:
Để hiểu rõ quy luật các quá trình vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển, cần có sự
nghiên cứu chi tiết về các quá trình động lực gây ra quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực
cửa Thuận An, đặc biệt là các tác động của công trình. Có các nghiên cứu định lượng mô phỏng,
đưa ra bức tranh vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển, từ đó có các giải pháp khắc phục các
yếu điểm trong giai đoạn 1 của công trình cũng như đưa ra hướng giải quyết trong giai đoạn tiếp
theo. Các mục tiêu chính của nghiên cứu gồm có:
- Nghiên cứu phân tích các quá trình động lực (sóng và dòng chảy) tác động đến quá trình
vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An.
- Nghiên cứu ứng dụng mô hình SMS (các mô đun CMS-flow và CMS-wave) trong việc
tính toán vận chuyển trầm tích khu vực cửa Thuận An dưới tác động của công trình.
1.3 Giới hạn của nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung nghiên cứu vận chuyển trầm tích tại khu vực của
Thuận An, đặc biệt là khu vực lận cận công trình, dưới tác động chủ yếu của hai yếu tố sóng và
dòng chảy. Các thông số của công trình cũng được đưa vào mô hình tính nhằm mục đích mô
phỏng được các tác động của nó tới sự vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển.
Do việc sử dụng mô hình hai chiều trung bình theo độ sâu để mô phỏng các quá trình
thủy động lực và biến đổi đáy, cho nên các kết quả chỉ mô phỏng được quá trình biến đổi đáy
biển, sự biến đổi đường bờ không được mô phỏng ở đây. Tuy nhiên các kết quả đo đạc biến động
đường bờ vẫn được sử dụng để so sánh sự tương quan giữa kết quả tính biến động đáy biển với
sự biến động của đường bờ.
Các kịch bản tính toán sử dụng các kết quả phân tích sóng theo các hướng tác động khác
nhau, mỗi hướng tác động tiến hành lấy trung bình các tham số sóng theo một khoảng thời gian.
Dao động mực nước áp dụng tại biên được lấy bằng sự biến động mực nước trong một chu kỳ
triều đặc trưng. Lưu lượng trong các sông không được sử dụng trong các nghiên cứu tính toán.

1.4 Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên các đặc điểm khu vực nghiên cứu vùng đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và vùng cửa
sông lạch triều Thuận An, cho nên phương pháp nghiên cứu được hình thành trên cơ sở:

- Nghiên cứu các tài liệu liên quan tới vùng đầm phá, cửa sông và công trình. Dựa vào các
thông tin phù hợp với vùng nghiên cứu. Dựa trên thông tin, số liệu và các kết quả của các
nghiên cứu, công trình khoa học và các đề tài, dự án đã tiến hành tại khu vực. Xem xét
phân tích các số liệu, văn bản có liên quan.
- Thu thập các số liệu cơ bản về địa hình, đường bờ, thông số của công trình, các số liệu về
mực nước, chế độ sóng và tính chất trầm tích.
- Phân tích số liệu làm cơ sở thiết lập mô hình và xây dựng các kịch bản tính toán.
- Xác định mô hình phù hợp với nguồn số liệu và khu vực nghiên cứu.
- Thiết lập mô hình dựa trên các số liệu cơ bản, lựa chọn điều kiện trên biên và điều kiện
ban đầu.
- Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình.
- Mô phỏng mô hình theo các kịch bản tính toán.
- Phân tích kết quả tính toán.


Chương 2 – HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BIỂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU

2.1 Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng, thủy văn khu vực cửa Thuận An
Về đặc điểm tự nhiên: Cửa Thuận An cùng với cửa Tư Hiền là một trong hai cửa biển nối
hệ thống đầm phá Tam Giang – Cầu Hai với Biển Đông. Cửa Thuận An là cửa chính nằm ở phía
bắc của hệ đầm phá. Phía bắc cửa Thuận An là xã Hải Dương và phía nam là thị trấn Thuận An.
Cửa Thuận An có hình dạng không đối xứng có hệ thống bãi ngầm ở phía ngoài tại vị trí trung
tâm của cửa. Hệ thống luồng chủ yếu có 2 hướng chính: thứ nhất theo hướng đông bắc và thứ hai
có hướng đông nam, nguyên nhân là do các tác động của các yếu tố thủy động lực có tính chất
mùa và không đều nhau [6]. Cửa có độ rộng vào khoảng 350m và chiều dài khoảng 600m, chỗ
sâu nhất lên đến trên 15m. Cửa Thuận An giữ một vai trò điều hòa về sinh thái và môi trường
cho đầm phá Tam Giang. Trong mùa mưa nó còn đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu thoát lũ.
Về kinh tế xã hội đây là cửa biển và là tuyến luồng chính đi vào cảng Thuận An – cảng nằm sâu
trong đầm phá – và vào hầu hết các nhánh sông của tỉnh Thừa Thiên Huế. Bản đồ khu vực cửa
Thuận An và vùng lận cận được mô tả trên hình 1[4].

Về đặc điểm khí tượng: Khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai nằm trong khu vực có
khí hậu nhiệt đới gió mùa. Hai mùa gió chính đó là mùa gió đông bắc xảy ra vào các tháng 11,
12, 1 và 2 và mùa gió tây nam xảy ra vào các tháng 6, 7, 8 và 9. Ngoài ra khu vực này còn chịu
tác động của một số cơn bão nhiệt đới, đặc biệt nhiều cơn bão có cường độ mạnh đi thẳng trực
tiếp vào từ biển Đông.
Về đặc điểm thủy văn: Đây là khu vực có các đặc điểm về thủy, hải văn phức tạp. Về chế
độ thủy văn, cửa Thuận An là nơi tiêu thoát nước của hầu hết các con sông đổ vào đầm phá Tam
Giang. Trong thời gian mùa lũ (tháng 10 đến tháng 1 năm sau) lưu lượng trong các sông tăng rất
cao do địa hình khu vực phía sau là núi rất dốc. Cá biệt trong một số năm lượng nước lớn làm vỡ
đoạn bờ biển Hòa Duân tạo ra cửa thứ 2 thông ra biển. Độ cao mực nước thủy triều tại đây khá
nhỏ (biên độ dao động khoảng 0.25m [3]) và là khu vực bán nhật triều đều. Chế độ sóng chịu tác
động của chế độ gió mùa. Các sóng có hướng E và NE chiếm tới trên 90% trong tổng phần trăm
của năm.
2.2 Hiện trạng xây dựng công trình bảo vệ bờ tại cửa Thuận An
Từ năm 1980, tình hình xói lở ở ven bờ biển tỉnh Thừa Thiên Huế, dọc theo đoạn bờ biển
từ Hải Dương đến Hòa Duân trở thành một vấn đề nguy kịch. Xói lở chủ yếu tác động đến bờ
biển tại hai vị trí: xã Hải Dương (phía bắc cửa Thuận An) với cường độ xói lở 10m/năm và xã
Thuận An – Phú Thuận (phía nam cửa Thuận An) với cường độ xói lở 5-6m/năm. Xói lở gây tác
hại trầm trọng đến bãi biển du lịch Thuận An, đe dọa sự phát triển du lịch trong khu vực. Do vậy
đầu năm 2006 Ủy ban nhân dân tỉnh Thừa Thiên Huế đã phê duyệt dự án xây dựng công trình
“xử lý khẩn cấp khắc phục xói lở bờ biển Hải Dương và chỉnh trị luồng cảng Thuận An”. Trong giai
đoạn 1 xây dựng hai hệ thống kè biển chống xói lở tại bờ phía bắc (xã Hải Dương) và phía nam
(xã Thuận An). Hệ thống kè đã được khởi công xây dựng vào đầu năm 2008. Kết cấu hệ thống
kè tại Thuận An được mô tả trong hình vẽ :

Hình 1. Hệ thống kè biển tại cửa Thuận An

Sau thời gian xây dựng hệ thống kè, hiện tượng xói lở và bồi tụ tại các vùng bờ biển có
sự thay đổi mạnh mẽ. Trong thời gian từ tháng 1/2007 đến nay, trong khuôn khổ dự án hợp tác
Việt Nam – Thụy Điển về phát triển bền vững các vùng ven biển Việt Nam, Viện Cơ học đã tiến
hành đo đạc và quan trắc các yếu tố thủy động lực, biến động bãi biển và đường bờ tại khu vực
cửa Thuận An. Các số liệu đo đạc góp phần quan trọng trong việc đánh giá, hiệu chỉnh và kiểm
chứng các mô hình tính toán. Trong bảng 1 đưa ra thống kê các đợt khảo sát đo đạc tại cửa
Thuận An trong thời gian từ tháng 1/2007 đến nay.


Chương 3 - MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
Hệ thống mô hình ven bờ là tổ hợp của các mô hình tính toán sóng, dòng chảy, vận chuyển
trầm tích và biến động bãi biển trong khu vực ven bờ. Hệ thống được xây dựng nhằm áp dụng
tính toán trong các luồng tầu và vận chuyển trầm tích tại các cửa sông và biến động của bãi biển.

Các môdun là một phần trong hệ thông mô hình SMS, được xây dựng và phát triển tính toán với
nhiều công cụ hỗ trợ về công nghệ GIS và được triển khai trên hệ thống máy tính cá nhân cũng
như hệ máy tính song song. [7,8,9,10,11]
3.1 Cơ sở lý thuyết CMS-flow
Phương trình chuyển động
CMS-flow sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải hệ phương trình chuyển động và
phương trình liên tục dưới dạng tích phân hai chiều trung bình theo độ sâu. Các thành phần vận
tốc được tính theo hai thành phần phương ngang. Dưới đây là hệ phương trình được sử dụng
trong CMS-flow.


+


+



+



= 0 (1)



+




+



+
1
2



+

2

=







+








+ (2)




+ 

+ 





+



+



+
1
2



+

2


=







+







 (3)




+ 

+ 


Trong đó:
h – độ sâu cột nước trong trạng thái tĩnh,
η – độ cao của dao động mực nước,

t – thời gian,
q
x
– thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương x,
q
y
– thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương y,
u – thành phần vận tốc theo hướng x,
v – thành phần vận tốc theo hướng y,
g – gia tốc trọng trường,
D
x
– hệ số khuyếch tán theo hướng x,
D
y
– hệ số khuyếch tán theo hướng y,
f - Tham số Coriolis,
τ
bx
- ứng suất đáy theo phương x,
τ
by
- ứng suất đáy theo phương y,
τ
wx
- ứng suất gió theo phương x,
τ
wy
- ứng suất gió theo phương y,
τ

Sx
- ứng suất sóng theo phương x,
τ
Sx
- ứng suất sóng theo phương y.
Các thành phần vận tốc được tính toán từ thông lượng như sau:
 =


+
(4)
 =


+
(5)
Trong trạng thái không có tác động của sóng, ứng suất đáy được tính như sau:


= 





(6)


= 






(7)
Phương trình tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển:
Trong CMS-flow các hệ phương trình tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển
được tính toán theo ba công thức:
- Công thức của Wantanabe (1987), tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng bao gồm:
tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy
- Công thức tính vận chuyển trầm tích của Lund-CIRP (Camenen và Larson 2006). Công
thức tính lượng trầm tích tổng cộng kết hợp từ công thức tính vận chuyển trầm tích lơ
lửng và công thức tính vận chuyển trầm tích di đáy.
- Tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng dựa theo công thức tính vận chuyển trầm tích
lơ lửng của VanRijn kết hợp công thức tính vận chuyển trầm tích di đáy của Lund-CIRP.
Trong báo cáo này các tác giả sử dụng công thức tính toán vận chuyển trầm tích của Lund-
CIRP.
Công thức Lund – CIRP sử dụng trong CMS-flow theo hai phương thức:
Thứ nhất, tính toán lượng vận chuyển tổng cộng dựa vào sự kết hợp của vận chuyển trầm tích
lơ lửng và di đáy. Cách thức thứ hai sử dụng phương trình bình lưu khuyếch tán. Trong phần tiếp
theo nhân tố độ nhám và ma sát đáy áp dụng trong CMS-flow sẽ được giới thiệu, tiếp đó là vận
chuyển trầm tích dạng lơ lửng và di đáy.
Độ nhám và hệ số ma sát:
Độ nhám của đáy được xem như tổng hợp của ba thành phần, tính chất của trầm tích k
sd
, hình
dạng k
sf
và kích thước k
ss

(Soulsby 1997). Độ nhám tổng cộng được xem như là tổng của ba
thành phần trên:


= 

+ 

+ 

(8)
Hệ số nhám gây ra do tính chất của trầm tích được xác định như sau:


= 2.5
50
(9)

Công thức tính vận chuyển trầm tích đáy
Công thức tính toán vận chuyển trầm tích đáy q
b
dưới tác động của sóng và dòng chảy được
Camenen và Larson (2005) đưa ra như sau:



(1)
50
3
= 






,








(1)
50
3
= 





,





 (10)

Trong đó chỉ số w và n tương ứng theo hướng của sóng và hướng vuông góc với hướng
truyền sóng, a và b là các hệ số, θ
cw,m
và θ
cw
là các giá trị của tham số Shield trung bình và cực
đại dưới tác động đồng thời của sóng và dòng chảy chưa kể đến độ nhám của đáy.
Vận chuyển trầm tích lơ lửng:
Công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng q
s
dựa trên giả thiết sự phân bố nồng độ
trầm tích theo hàm mũ dọc theo mặt cắt theo phương thẳng đứng và tốc độ dòng chảy là đồng
nhất. Công thức của Camenem và Larson (2006) đưa ra như sau:


= 






1 




 (11)
Trong đó: W
f

– tốc độ lắng đọng của trầm tích, C
R
– nồng độ trầm tích và ε- hệ số xáo
trộn. Hướng của vận chuyển trầm tích lơ lửng được xem như trùng với hướng dòng chảy, bởi vì
trong một chu kỳ sóng lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng là bằng 0.
Phương trình bình lưu khuyếch tán
Vận chuyển trầm tích tổng cộng gồm hai thành phần, vận chuyển trầm tích lơ lửng và vận
chuyển trầm tích di đáy. Các công thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy dựa trên ứng
suất trượt tại từng vị trí. Tuy nhiên trong một số trường hợp lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng
biến đổi mạnh như tại các cửa sông, lạch triều, luồng tàu và tại các chân công trình, khi đó không
thể tính vận chuyển trầm tích dựa vào các lực tác động tại chỗ. Trong trường hợp này phương
trình bình lưu khuyếch tán được sử dụng. Trong CMS-flow, phương trình bình lưu khuyếch tán
thu được từ tích phân liên tục trung bình theo độ sâu của thành phần vận chuyển trầm tích lơ
lửng.
()

+
(

)

+
(

)

=








+







+  (12)
Trong đó:
C – nồng độ trầm tích trung bình theo độ sâu,
d – độ sâu nước tổng cộng d=h+η,
h – độ sâu mực nước tĩnh,
η – độ cao dao động mực nước,
t – thời gian,
q
x
– thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục x,
q
y
– thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục y,
u – tốc độ dòng chảy trung bình theo độ sâu theo hướng x,
v – tốc độ dòng chảy trung bình theo độ sâu theo hướng y,
K
x
– hệ số khuyếch tán của trầm tích theo hướng x,

K
y
– hệ số khuyếch tán của trầm tích theo hướng y,
P – lượng trầm tích đến,
D – lượng trầm tích bị mất đi.
Phương trình thay đổi đáy được viết như sau:


=
1
1




+



+  (13)
Ở đây: q
bx
– Suất vận chuyển trầm tích di đáy theo hướng trục x,
q
by
– Suất vận chuyển trầm tích di đáy theo hướng trục y,
p – độ xốp của trầm tích.
Lượng trầm tích bị nhấc lên và lắng đọng được tính như sau:
 = 





=
= 



(14)
 = 
0



ở đây: c là nộng độ trầm tích cân bằng tại một độ sâu cho trước,
z là phương thẳng đứng.
Lưới tính:
Để tăng tối đa hiệu quả của bộ nhớ cho máy tính có thể áp dụng được trong các vùng bờ
phức tạp, lưới tính trong CMS- flow được lập dưới dạng các mảng một chiều.Trong CMS-flow
lưới tính cho dưới dạng lưới thẳng, các ô lưới có thể đều hoặc không đều. Mỗi một ô lưới gồm có
chỉ số i và j tương ứng với trục x và y của miền lưới tính. Mực nước được tính tại trung tâm ô
lưới, các thành phần tốc độ x và y được tính tại trung tâm cạnh phía bên trái và cạnh dưới đáy,
các giá trị thông lượng cũng được tính tại các vị trí giống như các thành phần tốc độ.
Điều kiện ổn định:
Để đảm bảo sự ổn định của sơ đồ hiện, bước thời gian cực đại được tính theo hệ số
Courant do Richtmyer và Morton đưa ra (
Δs
Δt
uξ 
)<1. Thông thường ngoài thuỷ triều còn có

nhiều tác động khác, các thành phần của dòng chảy có thể được tạo ra do gió, các sóng, và lưu
lượng của sông đổ ra. Mỗi tác động sẽ sinh ra một tốc độ tương ứng vì vậy số Courant được xác
định chính xác hơn bằng:
Δs
Δt
)uuu(uξ
tributarywaveswindtide

(15)
với
tide
u
là vận tốc dòng chảy do thủy triều,
wind
u
là tốc độ dòng chảy do tác động của gió
waves
u

là vận tốc dòng chảy sinh ra do sóng,
tributary
u
là tốc độ dòng chảy do sông đổ ra. Trong các vùng
có dòng chảy mạnh, như là tại vùng thuỷ triều dâng, rút mạnh (lạch triều) dòng triều chiếm ưu
thế còn trong vùng sóng đổ, dòng chảy sinh ra do sóng có thể mạnh hơn đáng kể so với dòng
triều. Tại các vùng này thông thường cần chia độ phân giải bước lưới theo không gian nhỏ hơn.
Sự kết hợp của các dòng chảy mạnh và các ô lưới nhỏ giới hạn kích thước bước thời gian cho
phép.
Điều kiện biên:
Mô hình CMS-flow sử dụng sáu loại điều kiện biên, và có thể chỉ ra cụ thể biên tác động và

không tác động. Nguồn số liệu CMS-flow sử dụng làm điều kiện biên là các số liệu quan trắc đo
đạc (do người sử dụng cung cấp dạng các file), số liệu từ các mô hình có miền tính lớn hơn như
ADCIR (thông qua các mô đun tự động) và các mô hình khác (dạng các file đầu vào). Các điều
kiện biên gồm có.
+ Đều kiện biên mực nước cho dưới dạng các sóng triều: trong mô hình CMS-flow có
thể cho phép tính toán với tám sóng triều khác nhau gồm có (M
2
, S
2
, N
2
, K
2
, K
1
, O
1
, M
4
, và M
6
).
+ Điều kiện biên mực nước cho dưới dạng chuỗi mực nước theo thời gian: loại điều kiện
này được cho bằng file các giá trị mực nước.
+ Điều kiện biên mực nước và tốc độ dòng chảy theo thời gian: loại điều kiện biên này áp
đặt các giá trị mực nước và tốc độ dòng chảy theo thời gian tại các ô lưới trên biên.
+ Điều kiện biên lưu lượng theo thời gian: theo cách này, tại các ô trên biên sẽ được gán
giá trị lưu lượng.
+ Điều kiện biên phản xạ, không thấm: loại biên này thường gặp tại nơi giao nhau giữa
đất và nước được coi như mặt tường. Tại các ô lưới biên kiểu này, nước chỉ có thể chảy theo

hướng song song với mặt tiếp giáp đất và nước mà không thấm qua nó.
+ Điều kiện biên thích ứng theo trường sóng và trường tốc độ: điều kiện bên này cho
phép tính đến các hiệu ứng của trường sóng đến mực nước ở vùng sát bờ (các hiệu ứng nước
dâng, nước rút do sự biến đổi của thành phần ứng suất bức xạ sóng vuông góc với bờ). Đây được
coi là một điểm mới đối với các mô hình tính toán dòng chảy khu vực sát bờ.
+Tính toán khô ướt: Trong CMS-flow đã sử dụng các kỹ thuật khác nhau để mô phỏng
hiện tượng khô ướt như phương trình bar cát, đập nước (Reid và Bodine 1968) và các bài toán
biên di động (Yeh và Chou 1978).
Mỗi ô ướt sẽ được kiểm tra sau mỗi bước tính xem nó có trở thành khô không sau khi tính được
các giá trị mực nước và tốc độ của bước tính đó cho toàn bộ lưới tính. Chỉ tiêu để ô tính nà trở
thành khô là:
crji,ji,ji,
DηdD 

(16)
Với
ji
D
,
là độ sâu nước tổng cộng,
cr
D
là độ sâu nước mà dưới đó các ô được coi là khô và
ngược lại mỗi ô khô sẽ được kiểm tra sau mỗi bước tính xem nó có trở thành ướt không khi độ
sâu nước tổng cộng vượt quá
cr
D
và nước chuyển động về phía ô khô.
3.2 Cơ sở lý thuyết CMS-wave
Mô hình CMS-wave là mô hình tính toán lan truyền phổ sóng dựa trên việc giải phương

trình cân bằng tác động sóng dạng ổn định trên lưới không đồng nhất trong hệ tọa độ Đề các. Mô
hình có khả năng tính toán quá trình phát triển và lan truyền sóng do gió, hiệu ứng khúc xạ, phản
xạ, mất mát năng lượng do ma sát đáy, sóng bạc đầu và sóng đổ. Ngoài ra các quá trình tương tác
giữa các sóng, sóng với dòng chảy, sóng leo, nước dâng do sóng và sóng truyền qua các công
trình cũng được tính toán.
Công thức sử dụng theo Mase 2001 như sau:
(

)

+
(

)

+
(

)

=

2





2








2

2





(17)
Trong đó,
 =
(,)

(18)
Là mật độ tác động sóng, E(σ,θ) là năng lượng sóng, σ tần số sóng, θ hướng sóng.
Nhiễu xạ sóng:
Thành phần nhiễu xạ sóng trong phương trình là.

2






2







2

2


 (19)
Trong dó κ là hệ số nhiễu xạ , hệ số này cần được hiệu chỉnh kỹ lưỡng khi sóng truyền
vào khu vực có các công trình. Nếu trong tính toán có sử dụng tính nhiễu xạ sóng hệ số κ được
lấy >0 và không tính đến nhiễu xạ sóng κ = 0. Trong CMS-wave hệ số κ được lấy giá trị mặc
định =4.
Tương tác sóng và dòng chảy
Các thành phần vận tốc C
x
, C
y
và C
θ
được viết như sau:


= 


+  (20)


= 

+  (21)


=

2






+ 



2



+ 
2








(22)
ở đây U và V là thành phần vận tốc dòng chảy theo hướng x và y. k là số sóng và h là độ sâu
nước. Mối liên hệ giữa tần số góc tương đối σ, tần số góc tuyệt đốiv ω, số sóng k và vận tốc dòng
chảy



= 
2
+ 
2
theo Jonsson 1990 là được mô tả theo công thức.
 = 


. 



(23)
Và

σ
2
= gktanh(kh)
Trong đó 



. 



được gọi là thành phần Doppler-shifting.
Sự khác biệt chính khi tính toán sự truyền sóng khi có và không có mặt dòng chảy chính
là tìm ra tần số thực sự của sóng. Xem xét sự phân tán của thành phần Doppler-shifting cho thấy
rằng sẽ không giải được khi các sóng bị chặn hoàn toàn bởi dòng chảy, theo Smith 1998, Larson
và Kraus 2002, nếu tốc độ nhóm sóng C
g
nhỏ hơn dòng chảy ngược hướng sẽ là.


=


< 



. 


/ (24)
Như vậy sóng không thể tiếp tục truyền khi bị dòng chảy đủ mạnh ngược hướng chặn lại.
Khi đó hầu hết năng lượng sẽ bị mất đi do sóng đổ, một phần nhỏ bị phản xạ hoặc chuyển xuống
các sóng có tần số nhỏ hơn. Trong CMS-wave khi sóng bị chặn, khi đó mật độ tác động sóng
được coi bằng 0.

3.3 Kết nối giữa CMS-flow và CMS-wave
Để giải quyết đồng thời các yếu tố động lực sóng, dòng chảy, và mực nước, mô hình CMS-
flow có thể kết nối với mô hình tính sóng CMS-wave. Việc kết kết nối được thực hiện thông qua
mô đun điều khiển trong hệ thống SMS. Nhờ khả năng kết nối này mà hai mô hình có thể trao
đổi các dữ liệu cho nhau. Trong khi kết nối, hai mô hình được đặt trên hai hệ trục toạ độ khác
nhau hoặc trùng nhau trong miền tính phụ thuộc vào sự định hướng của đường bờ với hệ trục toạ
độ. Hệ thống SMS tự động tính toán các phép quay cần thiết của các hệ trục toạ độ khi trao đổi
các trường kết quả tính giữa hai mô hình. Thông qua mô đun điều khiển, có sáu cách lựa chọn
tương tác cho việc kết nối giữa hai mô hình như sau:
+ Trao đổi một chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình
CMS-wave cung cấp cho mô hình CMS-flow.
+ Trao đổi một chiều: Dòng chảy từ mô hình CMS-flow cung cấp cho mô hình CMS-
wave
+ Trao đổi một chiều: Độ sâu tổng cộng và dòng chảy từ mô hình CMS-flow cung cấp
cho mô hình CMS-wave.
+ Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và tham số sóng từ mô hình CMS-
wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và dòng chảy, mực nước từ mô hình CMS-flow cung
cấp cho mô hình CMS-wave.
+ Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình CMS-
wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và độ sâu tổng cộng từ mô hình CMS-flow cung cấp cho
mô hình CMS-wave.
+ Trao đổi hai chiều: Các građien ứng suất bức xạ và các tham số sóng từ mô hình CMS-
wave cung cấp cho mô hình CMS-flow và độ sâu tổng cộng và dòng chảy từ mô hình CMS-flow
cung cấp cho mô hình CMS-wave. Đây là dạng trao đổi hai chiều đầy đủ nhất và chúng tôi đã sử
dụng dạng này để tính toán.
3.4 Thiết lập lưới tính, điều kiện biên, điều kiện ban đầu
Để phục vụ trong việc thiết lập và chia lưới tính toán sóng, dòng chảy và biến đổi đáy các
số liệu về địa hình và đường bờ được sử dụng. Về địa hình, số liệu địa hình trên toàn vùng Biển
Đông tỉ lệ 1/100.000 (bản đồ địa hình Hải quân Việt Nam), bản đồ địa hình chi tiết đo đạc các
vùng cửa sông ven bờ 1/25.000, 1/5.000 (dự án đo đạc thiết kế công trình ) năm 1999 cập nhật

năm 2001, 2005 và số liệu đo sâu hồi âm năm 2007 (dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển
VS\RDE-03). Số liệu đường bờ được sử dụng làm ranh giới biên đất và biển, các số liệu được số
hóa từ ảnh vệ tinh Landsat 2005 và chi tiết tại khu vực cửa Thuận An từ số liệu đo đạc bằng GPS
năm 2007.
3.4.1 Lưới tính CMS-wave
CMS-wave có thể tính toán trên các dạng lưới vuông và chữ nhật. Trong nghiên cứu này
tác giả tính toán CMS-wave trên lưới chữ nhật. Khu vực chia lưới gồm cửa Thuận An và vùng
lận cận (xem trong hình 5). Vùng tính có kích thước 15.000m (300 ô lưới) theo hướng song song
với đường bờ, 12000m (480 ô lưới) theo hướng vuông góc với bờ. Mỗi ô lưới có kích thước là
25m x 50m tương ứng với các hướng ngang bờ và dọc bờ. Với kích thước ô lưới này đáp ứng đủ
điều kiện có thể tính toán được ứng suất bức xạ sóng trong vùng sóng đổ. Vùng tính được xoay
một góc 240 độ so với trục hướng bắc sao cho biên sóng nước sâu tương đối song song với các
đường đẳng sâu. Ô lưới có độ sâu lớn nhất xấp xỉ 30m. Phần phía trong miền tính bao phủ một
phần của phá Tam Giang và sông Hương.

3.4.2 Lưới tính CMS-flow
CMS-flow tính toán trên lưới chữ nhật, trên lưới chữ nhật này kích thước các ô lưới có
thể linh động thay đổi với các kích thước khác nhau. Để tăng hiệu quả trong việc tính toán cũng
như tiết kiệm thời gian tính toán tác giả sử dụng lưới tính chữ nhật không đều. Để đảm bảo tính
thông nhất, trao đổi qua lại giữa hai mô hình sóng (CMS-wave) và dòng chảy, biến động đáy
biển (CMS-flow), hai mô hình sử dụng kích thước vùng tính giồng nhau và tránh những sai số
trong quá trình nội suy kích thước ô lưới tại khu vực cửa sông, vùng lận cận công trình được lấy
có kích thước tương đối giống nhau. Trong đó kích thước ô lưới nhỏ nhất tại điểm trung tâm là
vùng cửa sông gần chân công trình là 25m x 25m. Các ô lưới ở phạm vi phía ngoài được lấy kích
thước tăng theo hệ số bias 1.01, ô lưới có kích thước lớn nhất là 100m x 100m. Lưới tính CMS-
flow được mô tả như trong hình 6, chi tiết tại khu vực cửa Thuận An như trong hình 7.

Hình 2. Lưới tính CMS-flow với biên mực nước và vị trí các kè biển

3.4.3 Thông số của công trình kè biển sử dụng trong tính toán
Các thông số của hệ thống kè biển nêu trên phần trước được sử dụng trong miền tính bao
gồm kè biển dạng đê chắn sóng bờ phía bắc và kè mỏ hàn tại bờ phía nam
Tại bờ phía bắc cửa Thuận An: Các kè biển dạng đê chắn sóng kiên cố bao gồm hai kè

sếp thành tam giác cân tạo thành hệ thống khép kín ngăn cách hoàn toàn khu bờ biển bên trong
với biển phía ngoài. Do vậy mọi tác động của các yếu tố động lực lên vùng bờ biển khu vực bên
trong là không còn. Do không có sự trao đổi nước với bên ngoài, cho nên trong tính toán các kè
được cho là biên cứng và vùng phía trong được coi là biên cứng – không tính toán các yếu tố
thủy động lực cũng như biến đổi đáy tại khu vực này.
Tại bờ phía nam cửa Thuận An: Kè biển được thiết kế dạng mỏ hàn, xây dựng theo
hướng vuông góc với đường bờ. Trong tính toán các ô lưới dọc theo vị trí xây dựng kè được thiết
lập là dạng công trình. Với thiết lập như vậy kè có tính năng ngăn dòng chảy dọc bờ truyền qua
thân kè cũng như ngăn sóng truyền qua, cho phép sóng phản xạ trên thân và nhiễu xạ tại đầu kè.
Chi tiết thiết lập các kè trong miền tính xem hình vẽ 8.

3.4.4 Điều kiện biên
Trong mọi tính toán với mô hình số, các điều kiện cho trên biên quyết định tới độ chính
xác của kết quả tính. Các số liệu cho trên biên cần có độ chính xác cao và được lựa chọn một
cách hợp lý sao cho có hiệu quả cao nhất. Các vị trí được xác định để cho điều kiện biên phụ
thuộc vào tính chất của các yếu tố trên biên cũng như nó có mang tính đại diện cho vùng tính đến
đâu. Điều kiện biên trong mô hình CMS-wave yêu cầu là phổ sóng trên biên nước sâu. Điều kiện
biên trong mô hình CMS-flow sử dụng dao động mực nước trên biên nước sâu và lưu lượng tại
các biển trong sông, tuy nhiên biên lưu lượng không được sử dụng trong nghiên cứu này.
Điều kiện biên sóng: Biên sóng được lấy tại biên nước sâu dưới dạng phổ sóng. Các phổ
sóng được tính thông quá các tham số sóng: độ cao Hs, chu kỳ Tp và hướng sóng. Phổ tham số
sóng được sử dụng trong nghiên cứu này là phổ TMA. Trong tính toán cặp với mô hình CMS-
flow các tham số sóng trên biên được cho theo từng bước thời gian 3 giờ (bằng bước thời gian
trao đổi giữa hai mô hình).
Điều kiện biên mực nước: Dao động mực nước được cho trên biên nước sâu. Dao động
mực nước được lấy từ chuỗi số liệu mực nước trong một chu kỳ triều đặc trưng trong vùng cửa
Thuận An. Các giá trị mực nước cho trên biên với bước thới gian 1 giờ/obs.

Hình 2. Dao động mực nước trong một chu kỳ triều tại Thuận An
3.4.5 Điều kiện ban đầu

Địa hình đáy: Địa hình đáy trong các trường hợp tính toán được lấy là địa hình năm 2005.
Sau mỗi bước tính toán biến động đáy biển địa hình mới sẽ được cập nhật làm điều kiện ban đầu
cho các bước tính tiếp theo. Địa hình luôn được cập nhật mới trong từng bước tính toán trong cả
mô hình CMS-wave và CMS-flow.
Trước khi tiến hành tính toán mô hình CMS-wave tính toán trước trường sóng trên toàn miền
tính làm điều kiện sóng ban đầu cho mô hình CMS-flow. Ứng suất bức xạ sóng được sử dụng
tính toán dòng chảy do sóng trong mô hình CMS-flow.
Trường dòng chảy do biến đổi mực nước ban đầu được cho bằng 0. Các tham số thủy
động lực ban đầu tính toán được lấy bằng 0, do vậy để mô hình nhanh đạt được trạng thái ổn
định, hệ số khuyếch đại các đặc trưng động lực được sử dụng trong khoảng thời gian 24 giờ đầu
tiên.
Dao động mực nước và dòng chảy tại từng thời điểm trao đổi (thời gian 3 giờ) sẽ được
cập nhật vào CMS-wave. Ngược lại ứng suất bức xạ và các tham số sóng được cập nhật tại mỗi
bước thời gian kết nối.
3.5 Phân tích số liệu, xây dựng kịch bản tính toán
3.5.1 Chuỗi số liệu sóng nước sâu
Các tham số sóng nước sâu được tính toán bằng mô hình SWAN từ trường gió của
NCEP. Lưới tính sóng SWAN có độ phân giải 0.25 x 0.25 độ trên toàn vùng biển Việt Nam và
vùng lận cận có tọa độ từ 99
o
E đến 121
o
E và từ 1.25
o
S đến 24
o
N trong khoảng thời gian 20 năm.
Số liệu trường gió của NCEP được sử dụng có độ phân giải 0.5 x 0.5 độ với bước thời gian 3
giờ/obs. Khoảng thời gian lấy các tham số sóng là 3 giờ. Trong quá trình tính toán, các tham số
-0.4

-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

23
24
25
Dao động mực nước tại Thuận an
sóng đã được hiệu chỉnh rất kỹ lưỡng với các tham số sóng nước sâu tại gian khoan Bạch Hổ
(trạm MSP-1) và đồng thời các tham số sóng cũng được kiểm chứng trong điều kiện sóng bão.

3.5.2 Kết quả phân tích sóng nước sâu
Các tham số sóng nước sâu phục vụ trong phân tích số liệu đầu vào được lấy tại vi trí
H01 (tọa độ 16.75
o
N, 107.75
o
E) như trong hình (14).
Các tham số sóng sử dụng trong thống kê phân tích được lấy trong khoảng thời gian 21
năm bắt đầu từ năm 1991 đến hết năm 2011. Đây là chuỗi số liệu sóng tương đối dài và đầy đủ
để có thể phân tích ra các yếu tố sóng đặc trưng trong khu vực tính toán.
Các kết quả phân tích đặc trưng sóng gồm có: Thông kê tần suất sóng nhiều năm, tần suất
trung bình theo từng tháng, tần suất trung bình trong mùa gió đông bắc (các tháng 1, 2, 11 và 12)
và tần suất trung bình trong mùa gió tây nam (các tháng 6, 7, 8 và 9)
Dưới đây là kết quả phân tích sóng:
Trong các hình 15 và 16 là kết quả phân tích chế độ sóng trong nhiều năm, trong mùa gió
đông bắc và mùa gió tây nam, được trình bày dưới dạng các hoa sóng.

Hình 4. Hoa sóng tại trạm ngoài khơi trong nhiều năm
Trong tính toán vận chuyển trầm tích các yếu tố sóng đóng vai trò quan trọng, sóng là tác
nhân chính trong việc khuấy động trầm tích và gây ra dòng chảy trong vùng nước nông ven bờ
đặc biệt là trong vùng sóng đổ. Trong các vùng biển như tại cửa Thuận An, dao động mực nước
khá nhỏ (trung bình 0.25m), gây ra dòng chảy thủy triều không lớn, khi đó các yếu tố sóng đóng
vai trò chính trong quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển. Do vậy các kết quả phân
tích chế độ các yếu tố sóng cho chúng ta thấy được bức tranh khái quát về chế độ vận chuyển
trầm tích dưới sự tác động của sóng. Từ các kết quả phân tích chế độ sóng là cơ sở hình thành
các kịch bản tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy trên mô hình số. Theo như các kết
quả trong bảng 2 ta có thể thấy tại khu vực Thuận An các sóng có tần suất lớn nhất có hướng
đông (E) và đông bắc (NE) và đồng thời cũng là các sóng có độ cao khá lớn. Các hướng sóng
khác nhỏ hơn cả về tần suất cũng như độ lớn của các tham số sóng.
Quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy là quá trình liên tục, kết quả tại thời điểm
sau có sự ảnh hưởng và kế thừa từ các thời điểm trước đó. Cho nên phương pháp tính toán cho
kết quả tốt nhất là mô phỏng với các tham số đầu vào trong thời gian thực, các kết quả tính toán
liên tục được so sánh và hiệu chỉnh. Tuy nhiên việc tính toán như trên không thể tiến hành cho
một thời gian dài, bởi lẽ các tính toán tiêu tốn khá nhiều thời gian cũng như tài nguyên máy tính.
Trong các trường hợp yêu cầu có một chế độ về vận chuyển trầm tích, khi đó đòi hỏi cần có
chuỗi số liệu đủ dài để làm các phân tích thống kê, phương pháp tính toán liên tục hoàn toàn
không khả thi. Do vậy cần thiết phải nghiên cứu sử dụng phương pháp tính toán trầm tích và biến
đổi đáy biển dựa trên các số liệu thông kê các tham số sóng. Các kết quả tính toán của phương
pháp này đòi hỏi có độ chính xác giống như các tính toán liên tục. Một phương pháp được

Roelvink J. A (2001) và các cộng sự đưa ra đó là sử dụng chuỗi tham số sóng từ đó thống kê,
phân tích xác định giá trị tham số sóng có tác động tới vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy.
Theo phương pháp này, giá trị chiều cao sóng có tác động đến quá trình vận chuyển trầm tích và
biến đổi đáy được sử dụng trong tính toán thay vì sử dụng giá chiều cao sóng hữu hiệu theo
thống kê thông thường. Roevink J. A đã đưa ra công thức xác định chiều cao sóng gây biến đổi
đáy từ chiều cao sóng hữu hiệu trong chuỗi sóng như sau:



i
ii
mor
P
HP
H
5.2
5.2
(85)

Trong đó H
mor
là chiều cao sóng có tác động đến biến đổi đáy mạnh nhất,
H
i
chiều cao sóng hữu hiệu i,
P
i
– là tần suất của sóng thứ i.
Thông kế tần suất sóng theo các hướng sóng có tác động tới khu vực bờ Thuận An, kết
quả thu được như trong bảng 3.

Bảng 3. Bảng tần suất sóng nước sâu theo các hướng tác động tới đường bờ
Hs
range
( -90÷ -60
)
( -60÷-30
)
( -30÷ 0
)
( 0 ÷
30)
( 30÷ 60
)
( 60÷ 90
)
hướng
khác
0.0-0.5
0.20
12.26
12.48
2.19
0.90
0.41
0.75
0.5-1.0
0.03
10.18
17.53

3.20
1.33
0.52
0.59
1.0-1.5
0.00
0.63
11.18
2.90
0.91
0.36
0.10
1.5-2.0
0.00
0.01
7.63
2.65
0.39
0.19
0.02
2.0-2.5
0.00
0.00
3.98
2.06
0.31
0.06
0.00
2.5-3.0
0.00

0.01
1.38
1.21
0.17
0.02
0.00
3.0-3.5
0.00
0.01
0.33
0.48
0.09
0.01
0.00
3.5-4.0
0.00
0.00
0.05
0.13
0.03
0.00
0.00
4.0-4.5
0.00
0.00
0.01
0.03
0.00
0.00
0.00

4.5-5.0
0.00
0.00
0.02
0.01
0.01
0.00
0.00
5.0-5.5
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
5.5-6.0
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
6.0-6.5
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00

0.00
0.00
6.5-7.0
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
7.0-7.5
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
>7.5
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Tổng
%
0.23
23.11

54.59
14.88
4.14
1.58
1.47
số số
liệu
141
14179
33497
9129
2538
972
904
Hướng
khí
tượng
150÷120
120 ÷ 90
90 ÷60
60 ÷30
30÷ 0
360 ÷330


Áp dụng công thức (85) tính toán tham các tham số sóng theo từng hướng ta được các kết quả
như trong bảng 4.
Bảng4. Kết quả phân tích các yếu tố sóng theo hướng tác động
Hướng
(-90 ÷ -60)

(-60 ÷ -30)
(-30 ÷ 0)
(0 ÷ 30)
(30 ÷ 60)
(60÷ 90)
Hmor
0.86
1.32
2.43
2.34
1.76
1.06
Tp
5.58
6.93
8.90
7.52
6.99
5.81
Dir
-67.98
-42.42
-19.11
12.17
42.67
72.57
Tổng %
0.23
23.11
54.59

14.88
4.14
1.58
Hướng khí
tượng
150÷120
120 ÷ 90
90 ÷60
60 ÷30
30÷ 0
360 ÷330
Trên bảng 4 là số liệu phân tích thống kê các tham số sóng cho 6 hướng truyền sóng có
tác động đến vận chuyển trầm tích và biển đổi đáy. Trong đó hướng truyền sóng có tần suất lớn
nhất là sóng có hướng từ 60 đến 90 độ (theo hướng khí tượng) tương ứng với sóng hướng từ
đông bắc đến đông. Đây cũng là 6 phương án với các tham số sóng sẽ được sử dụng trong tính
toán vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển được trình bày trong phần tiếp theo.
3.6 Thiết lập các thông số và hiệu chỉnh mô hình
Trước khi tính toán mô hình cần được hiệu chỉnh các thông số sao cho kết quả tính phù
hợp với thực tế đo đạc. Đây là bước quan trọng cần được thực hiện kỹ lưỡng trước khi sử dụng
bất kỳ một mô hình số nào. Trong phần nghiên cứu này tác giả tiến hành hiệu chỉnh các thông số
thông qua việc so sánh các kết quả tính toán mực nước và dòng chảy trong đợt khảo sát đo đạc
ngày 21/4/2007 tại trạm V1, thuộc dự án VS\RDE-03. Trạm quan trắc dòng chảy nằm phía ngoài
cửa Thuận An quan trắc đồng thời dao động mực nước triều và đo đạc dòng triều tại 3 tầng mặt,
giữa và đáy.

Hình5. Vị trí các trạm quan trắc dao động mực nước và dòng chảy V1

Dạng phổ sóng sử dụng trên biên nước sâu là phổ TMA. Phổ sóng được tính toán từ các
tham số sóng: Độ cao Hs, chu kỳ đỉnh phổ Tp và hướng sóng với các tham số của ԑ=3.3 và n=4
tại độ sâu nước d=25m.
3.6.3 Thiết lập thông số kết nối giữa hai mô hình CMS-flow và CMS-wave
Hai mô hình tính toán sóng và dòng chảy được sử dụng tính cặp đồng thời. Phương pháp
tính cặp sử dụng dạng trao đổi hai chiều, cho phép tính toán và trao đổi các tham số của sóng và
dòng chảy qua lại giữa hai mô hình theo từng bước thời gian. Theo đó các tham số sóng và ứng
suất bức xạ được CMS-flow sử dụng trong mỗi bước tính để tính dòng chảy do sóng và vận
chuyển trầm tích. Quá trình song song với nó là CMS-wave sử dụng trường dòng chảy, điều kiện
địa hình đã được cập nhật mực nước và biến đổi đáy vào trong tính toán trường sóng. Hai quá
trình tính toán diễn ra song song với bước thời gian trao đổi cập nhật các tham số là 3 giờ. Tổng
lượng thời gian tính toán trong một phương án hướng sóng là 720 giờ (30 ngày).

Hình 6. So sánh tốc độ dòng chảy tính toán với tốc độ dòng chảy đo đạc tại các tầng Mặt, giữa
và đáy tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007













Hình 7. So sánh hướng dòng chảy tính toán với hướng dòng chảy đo đạc tại các tầng Mặt,
giữa và đáy tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007

Để đánh giá mức độ chính xác của các kết quả tính toán và đo đạc, độ lệch chuẩn và sai
số trung bình quân phương đã được sử dụng. Công thức xác định giá trị của độ lệch chuẩn (hệ số
bias) và sai số trung bình quân phương như sau:
BIAS =
1
N

(V
comi
V
obsi
) (86)
RMS =

1
N

(V
comi
V
obsi
)
2

1/2
(87)
Trong đó N – là tổng số số liệu, V
comi
- giá trị tính toán thứ i, V
obsi

– giá trị đo đạc thứ i.
Kết quả tính toán sai số của dao động mực nước đo đạc và tính toán:
Bias = 0.065, Rms = 0.177
Kết quả tính toán sai số của vận tốc dòng chảy đo đạc tại tầng giữa và vận tốc tính toán:
Bias = 0.0352, Rms = 0.0963
Từ các kết quả trên cho thấy kết quả tính toán mực nước, tốc độ và hướng dòng chảy ứng
với các thông số cài đặt trong mô hình là khá phù hợp. Các kết quả về giá trị có sự sai khác nhỏ.
Các hệ số bias mang giá trị dương chứng tỏ các giá trị tính toán lớn hơn so với các giá trị đo đạc.
3.7. Kết quả tính toán
Mô hình tính cặp đồng thời mô phỏng sự vận chuyển trầm tích và biến động bãi biển
được thiết lập theo các thông số đã được hiệu chỉnh tại phần trên. Tính toán vận chuyển trầm tích
và biến đổi đáy được thực hiện theo 6 hướng sóng chính, trong mỗi hướng sóng được tính toán
trong 720 giờ (30 ngày). Kết quả tính toán vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển được trình
bày theo 3 dạng: Thứ nhất, kết quả được trình bày trên các hình vẽ theo mặt rộng. Thứ hai, chọn
ra 5 mặt cắt đặc trưng, biểu thị biến động đáy biển trên hình vẽ của các mặt cắt ngang. Thứ ba,
dựa trên số liệu tại các mặt cắt ngang tính toán, lập bảng thống kê giá trị tổng lượng trầm tích
vận chuyển qua mỗi mặt cắt theo các hướng sóng khác nhau.
3.7.1 Kết quả tính toán biến động đáy
Hướng sóng 1 (120 đến 150 độ): Các tham số sóng tính toán: H
mor
=0.86, Tp =5.58, hướng trung
bình= -67.98, tần suất=0.23 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow.

Hình 8. Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 120 đến 150 độ
Hướng sóng 2 (90 đến 120 độ): Các tham số sóng tính toán: H
mor
=1.32, Tp =6.93, hướng trung
bình =-42.42, tần suất= 23.11 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow.

Hình 9 Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 90 đến 120 độ

Hướng sóng 5(0 đến 30 độ): Các tham số sóng tính toán: H
mor
=1.76, Tp =6.99, hướng trung bình
=42.67, tần suất=4.14 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow.















Hình 10. Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 0 đến 30 độ
Hướng sóng 6 (330 đến 0 độ): Các tham số sóng tính toán: H

mor
=1.06, Tp =5.81, hướng trung
bình = 72.57, tần suất = 1.58% và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow.






















Hình 11 Kết quả tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 330 đến 0 độ

Như vậy từ các tính trên ta thấy, các hướng sóng có tác động mạnh nhất đến quá trình vận
chuyển trầm tích và biến đổi đáy là các hướng sóng trong trường hợp 2, 3 và 4 tương ứng với
trường sóng có hướng Đông và Đông bắc. Các hướng sóng này chiếm tới 92.58 % trong chuỗi

sóng. Các tác động của sóng tới quá trình vận chuyển trầm tích là đáng kể. Phía trước và sau
công trình kè trên bờ phía nam cửa Thuận An có sự biến động rất lớn và có xu thế bồi lắng tại
vùng lân cận chân công trình. Quá trình vận chuyển trầm tích cũng làm cho khu vực luồng tàu tại
trung tâm cửa có biến động lớn, quá trình bồi lắng ở giữa cửa làm cho tuyến luồng giảm độ sâu
đáng kể. Để có sự đánh giá rõ ràng hơn chúng ta xem xét đến sự biến động tại các mặt cắt đặc
trưng.
3.7.2 Phân tích kết quả tính toán biến động bãi đáy biển qua một số mặt cắt đặc trưng
Năm mặt cắt được chọn để đánh giá mức độ biến động trên đáy biển bao gồm: 3 mặt cắt
phía trước công trình kè biển phía nam và 2 mặt cắt phía trong cửa Thuận An. Các mặt cắt từ 1
đến 4 có gốc nằm trên bờ biển, mặt cắt số 5 gốc nằm trên bờ phía nam. Sơ đồ các mặt cắt tại khu
vực cửa Thuận An được mô tả trong hình 42.

Hình 12. vị trí các mặt cắt từ 1 đến 5
Kết quả tính toán cho từng hình thế hướng sóng tại mỗi mặt cắt được trình bày trên hai
hình vẽ: Hình vẽ biểu diễn sự biến động đáy biển tại mỗi mặt cắt dưới sự tác động của từng hình
thế hướng sóng và Hình vẽ so sánh địa hình đáy trước và sau khi tính toán biến động đáy biển
dưới tác động tổng hợp của tất cả các hình thế sóng. Dựa trên sự phân bố tần suất phần trăm của
các hình thế hướng sóng theo bảng tần suất (bảng 4) chúng ta tính toán được mức độ biến động
tổng cộng của từng mặt cắt dưới tác động tổng hợp của các hình thế hướng sóng. Giá trị độ sâu
trên mỗi mặt cắt trước và sau khi tính toán cho thấy bức trang về biến động đáy biển trong mỗi
mặt cắt.

Hình 13. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động của các hướng sóng khác
nhau






















Hình 14. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động tổng hợp của tất cả các
hướng sóng với độ sâu ban đầu

Từ các hình 44, 46 và 48 ta thấy trên mặt cắt 1, 2 và 3 có sự bồi lắng trầm tích mạnh ở ngay sát

đường bờ. Theo thứ tự tự gần đến xa công trình kè biển độ bồi lắng gần bờ biển giảm dần, lớn
nhất tại mặt cắt số 1, độ bồi lắng lên tới trên 300m tính từ đường bờ. Tiếp theo trên mặt cắt 2 độ
bồi tụ là 200m và trên mặt cắt số 3 là 50 m. Các kết quả tính toán này khá phù hợp với số liệu đo
đặc sự biến động đường bờ















Hình 15. Kết quả đo đạc đường bờ tại Thuận An tháng 6 năm 2012
Tại vị trí mặt cắt số 4 có sự bồi lập khá mạnh ở phía ngoài và xói lở trong vùng gần bờ.
Tại mặt cắt số 5, đây là mặt cắt ngang của luông chính đi vào cửa Thuận An, có sự bồi lắng khá
mạnh tại phía giữa luông tàu. Các kết quả này một lần nữa minh chứng tính sát thực của các kết
quả tính toán là khá phù hợp với thực tế diễn ra trong vùng. Từ hình vẽ 53 ta thấy rằng phần bờ
phía bắc công trình kè mỏ hàn có sự xâm thực mạnh, bờ biển bị xói lở tiến sâu vào trong đất liền.
Nhưng cũng do hạn chế của mô hình nên không thể mô phỏng sự biến đổi của đường bờ. Các
bức ảnh chụp tại hiện trường vào thời gian tháng 6/2012 (xem hình 54, 55 và 56) một lần nữa
minh chứng, cho thấy có sự bồi tụ mạnh ở đầu kè mỏ hàn và bồi tụ tạo ra vùng nước khá nông
phía trong cửa nằm gần kè phía nam và tạo nên một số bar cát lớn tại vị trí trung tâm luồng ra
vào của cửa.

3.7.3 Phân tích đánh giá định lượng
Kết quả tính toán lượng trầm tích vận chuyển trên một đơn vị bề rộng bãi biển trong năm
mặt cắt được trình bày trong bảng 5.
Bảng 5. Lượng trầm tích vận chuyển qua các mặt cắt (m
3
/năm)
Hướ
ng
sóng
150÷1
20
120 ÷
90
90 ÷60
60
÷30
30÷ 0
360
÷330
SW
NE
Tổng
Mặt
cắt 1
2.05
-
2385.7
3
-

10976.
68
-
2638.
52
145.9
1
29.5
7
-
13360.
37
-
2463.
03
-
15823.
41
Mặt
cắt 2
-1.50
-
1757.0
5
-
9141.9
2
-
959.2
1

-
144.2
9
-
17.2
2
-
10900.
46
-
1120.
72
-
12021.
18
Mặt
cắt 3
1.86
157.88
-
6587.1
2
-
1311.
61
53.46
15.9
4
-
6427.3

9
-
1242.
21
-
7669.6
0
Mặt
cắt 4
1.66
1106.1
4
1844.2
2
5855.
86
742.9
7
45.7
0
2952.0
3
6644.
53
25430.
90
Mặt
cắt 5
4.64
1957.3

4
-
54971.
25
3983.
98
384.6
3
61.7
0
-
53009.
27
4430.
30
-
48578.
97
Theo quy ước về hướng vận chuyển trầm tích, đối với đường bờ tại Thuận An hướng dương là
hướng trầm tích đi từ bắc xuống nam, hướng âm là hướng trầm tích đi từ nam lên bắc. Như vậy
xu hướng trầm tích nói chung trong các mặt cắt 1, 2, 3 và 5 có hướng từ phía nam lên phía bắc.
Mặt cắt số 4 có xu hướng đi ngược lại từ phía bắc xuống phía nam.
KẾT LUẬN
Đã sử dụng bộ mô hình tính toán sóng, dòng chảy, mực nước vận chuyển trầm tích và
biến động đáy để tính toán chế độ động lực và biến đổi đáy khu vực cửa Thuận An và các khu
vực lận cận với sự có mặt của các công trình chỉnh trị.
Qua phân tích tài liệu và kết quả tính toán, các quá trình động lực học, vận chuyển trầm
tích và biến đổi đáy biển đã có sự thay đổi khi có mặt của công trình chỉnh trị tại cửa Thuận An.
Trong thời gian đầu công trình kè ở bờ nam cửa Thuận An gây biến động rất lớn địa hình đáy và
bờ biển tại khu vực lân cận (bồi tại phía nam và xói tại phía bắc kè). Tuy nhiên theo thời gian do

bờ phía nam tiến dần ra biển khả năng ngăn cát của kè giảm dần và tác động mùa của các yếu tố
động lực biển đối với bờ biền khu vực Thuận An trở lại trạng thái ban đầu khi chưa có công
trình.
Các công trình bước đầu đã phát huy tác dụng bảo vệ các vùng bờ biển lận cận khỏi trạng
thái xói lở, đặc biệt hiệu quả với kè phía nam. Tuy nhiên vấn đề tránh bồi lấp luồng tàu chưa thể
khắc phục được.
Sự phù hợp giữa các kết quả tính toán và số liệu đo đạc biến động bãi biển và đường bờ
cho thấy khả năng mô phỏng của mô hình SMS trong khu vực này là khá chính xác. Qua đó có
thể sử dụng tính toán các khả năng biến động trong tương lai, lập các phương án khả thi trong
xây dựng kè biển giai đoạn 2 tại khu vực



References
Tiếng Việt
1. Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KHCN-06-10. “Cơ sở khoa học và các đặc trưng
đới bờ phục vụ yêu cầu xây dựng công trình biển ven bờ”. Viện Cơ học, Hà Nội, 2000
2. Nguyễn Mạnh Hùng, Phạm Văn Ninh, Dương Công Điển, Mô hình tính cặp đồng thời
các yếu tố sóng, dòng chảy và mực nước phục vụ nghiên cứu biến động bờ biển vùng
châu thổ sông Hồng, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí Toàn
quốc năm 2005

Tiếng Anh
3. Lam Tien Nghiem, “Modelling for Thuan An inlet, Vietnam”. Marcel J. F. Stive, Henk
Jan Verhagen and Zheng Bing Wang, 2003. Morphodynamic Modelling for Thuan An
inlet, Vietnam
4. Nghiem Tien Lam, A preliminary study on hydrodynamics of the Tam Giang – Cau Hai
lagoon and tidal inlet system in Thua Thien Hue province, Vietnam. Master thesis.
International Institute for Infrastructural Hydraulic and Environmental Engineering (IHE)
Delft, Netherlands, 2002

5. Tran Thanh Tung, Vu Minh Cat, Le Dinh Thanh, 2006, conceptual model of seasonal
opening/closure of tidal inlets and estuaries at the Central coast, Viet nam. Proceeding of
Vietnam- Japan Extuary Workshop 2006 August 22
nd
-24
th
, Hanoi, Vietnam.
6. Tung, T.T., Stive, M.J.F, Graaff J.v.d. (2008): Strategy for stabilization tidal inlets in the
Central Coast of Vietnam. Proc. Of the COPEDEC-2008, Dubai, United Arab Emirates
7. CMS User Manual, Envinronment Modeling Research Laboratory 03/2012
8. Coastal Engineering Manual. Chapter 6. Hydrodynamic of tidal inlets. U.S Army Crops.
Of Engineers. Washington. DC. 2001
9. SMS Surface Water Modeling System – Tutorials Version 10.1. Brigham Young
University – Envinronment Modeling Research Laboratory 03/2011
10. Shore Protection Manual Coastal Engineering Research Center, US Navy, 1984
11. Van Rijn Leo C. Principles of Fluid Flow and Waves in Rives, Estuaries, Seas and
Ocean. Aqua Publications, the Netherlands, 1989