Nghiên cứu xây dựng mô hình số trị ba chiều cho vùng biển nước nông ven bờ1

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (20.28 MB, 184 trang )

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS. TS. Đinh Văn Ƣu, TS. Bùi
Xuân Thông, đã tận tình hƣớng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành bản luận án; Cảm ơn
các chuyên gia trong và ngoài trƣờng đã đọc bản thảo và đóng góp những ý kiến quý
báu cho bản luận án.
Luận án cũng đã nhận đƣợc sự hỗ trợ tích cực của đề tài cấp Nhà nƣớc : ‘Luận
chứng khoa học về mô hình phát triển kinh tế – sinh thái trên một số đảo, cụm đảo lựa
chọn vùng biển ven bờ Việt Nam‘, mã số KC-09-12 thuộc Chƣơng trình Biển do GS.
TS. Lê Đức Tố làm chủ nhiệm.
Những động viên, giúp đỡ đó đã giúp chúng tôi vƣợt qua khó khăn để hoàn
chỉnh bản luận án này.

NGUYỄN MINH HUẤN

MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY BA
CHIỀU VÙNG BIỂN VEN BỜ
1.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu dòng chảy ba chiều
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc
1.3 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA MÔ HÌNH THUỶ ĐỘNG LỰC BA
CHIỀU
2.1 Hệ phƣơng trình thủy động lực ba chiều trong
hệ toạ độ sigma
2.2 Các phƣơng pháp tham số hoá quá trình trao đổi rối
2.3 Các điều kiện biên và điều kiện đầu
2.4 Tác động của sóng trọng lực bề mặt
CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP SỐ GIẢI HỆ PHƢƠNG TRÌNH THỦY
ĐỘNG LỰC
3.1 Sơ đồ lƣới tính và các chỉ số ký hiệu
3.2 Thuật giải hệ phƣơng trình bảo toàn động lƣợng
3.3 Thuật giải hệ phƣơng trình đối với các biến vô hƣớng
3.4 Thuật giải hệ phƣơng trình đối với các đặc trƣng rối
3.5 Các bƣớc tính toán và sơ đồ khối tổng quát
CHƢƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG
LỰC BA CHIỀU
4.1 Kết quả thử nghiệm so sánh các sơ đồ bình lƣu
4.2 Kết quả thử nghiệm so sánh các sơ đồ khép rối
4.3 Kết quả thử nghiệm tác động của sóng trọng lực
trên bề mặt
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HOÀN LƢU
VÙNG BIỂN QUẢNG NAM KHU VỰC HỘI AN - CÙ LAO CHÀM

6
7

20
23

26

26
31
45
57

63
63
67
97
109
116

116
116
126
133

5.1 Ch khớ tng thy vn vựng bin Qung Nam khu vc
Hi An Cự Lao Chm
5.2 Ch hon lu vựng bin nghiờn cu qua kt qu tớnh
toỏn ca mụ hỡnh

Kết luận
Danh mục công trình của tác giả
Tài liệu tham khảo

136

137

146
169
172
173

i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Ý nghĩa
a
1
– a
15
Các hệ số của phương trình trạng thái.

a
w
Biên độ sóng trọng lực.
A
hx
Thành phần bình lưu theo phương ngang trên hướng X.
A
hy
Thành phần bình lưu theo phương ngang trên hướng Y.
A
h
Thành phần bình lưu tổng cộng theo phương ngang.
A
v
Thành phần đối lưu theo phương thẳng đứng.
hx
A
Thành phần bình lưu 2D trên hướng X.
hy
A
Thành phần bình lưu 2D trên hướng Y.
h
A
Thành phần bình lưu 2D tổng cộng.
b Độ nổi.
c Vận tốc sóng trọng lực.
C
g
Vận tốc nhóm sóng.
c

p
Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước biển.
s
D
C
Hệ số ma sát gió.
b
D
C
Hệ số ma sát đáy.
C
E
Hệ số Dalton.
C
H
Hệ số Stanton.
D
hx
Thành phần khuếch tán theo phương ngang trên hướng X.
D
hy
Thành phần khuếch tán theo phương ngang trên hướng Y.
D
h
Thành phần khuếch tán tổng cộng theo phương ngang.
D
xx
Thành phần khuếch tán của u trên hướng X.
D
yx

Thành phần khuếch tán của u trên hướng Y.
D
xy
Thành phần khuếch tán của v trên hướng X.
D
yy
Thành phần khuếch tán của v trên hướng Y.
D
v
Thành phần khuếch tán tổng cộng (u, v và các biến vô hướng).
xx
D
Thành phần khuếch tán của
U
trên hướng X.
yx
D
Thành phần khuếch tán của
U
trên hướng Y.
xy
D
Thành phần khuếch tán của
V
trên hướng X.
yy
D
Thành phần khuếch tán của
V
trên hướng Y.

f Tham số Coriolis.

ii
F Hàm toạ độ sigma.
F
har
Hàm điều hoà.
g Gia tốc trọng trường.
h Độ sâu bề mặt đáy so với mực nước trung bình.
H Độ sâu tổng cộng.
I Bức xạ mặt trời trong môi trường nước biển.
J Toán tử chuyển đổi giữa hệ toạ độ Đề Các và sigma.
k Năng lượng rối.
k
w
Số sóng.
l Độ dài xáo trộn.
L Độ dài tỉ lệ.
M
t
= t
3D
/t
2D
Số bước thời gian 2D (thành phần chính áp) trong một
bước tính 3D (thành phần tà áp).
M
tot
Số bước thời gian 2D tổng cộng.

M
x
Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng X trong hệ phương trình truyền tải các
biến vô hướng.
M
y
Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng Y trong hệ phương trình truyền tải các
biến vô hướng.
M
z
Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng thẳng đứng trong hệ phương trình truyền
tải các biến vô hướng.
N Tần số Brunvaisala.
N
x
Số lượng các nút lưới trên hướng X.
N
y
Số lượng các nút lưới trên hướng Y.
N
z
Số lượng các nút lưới trên hướng Z.
N
t
Số bước thời gian 3D.
p Áp suất .
p

Thành phần thăng giáng mạch động của áp suất.
P

a
Áp suất không khí.
Q
i
Thành phần gradien áp suất tà áp baroclin.
R

Biến đặc trưng Riemann tới và đi khỏi biên.
Ri Số Richardson.
S Độ muối.
S
m
, S
h
, S
u
, S
b
Hàm ổn định trong các sơ đồ khép kín rối.
T Nhiệt độ nước.
T
a
Nhiệt độ không khí.
TVD Thuật giải suy giảm biến động tổng cộng.

iii
u
F
Vận tốc dòng chảy theo phương X tham gia vào quá trình bình lưu của

các biến vô hướng.
U, V, W Các thành phần vận tốc tức thời.
u, v, w Các thành phần vận tốc trung bình theo thời gian.
u
*s
, u
*b
Vận tốc ma sát tại bề mặt và đáy.
U
w
Vận tốc quỹ đạo sóng.
u

Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc u.
F
U
Giá trị của dòng chảy tích phân
U
theo độ sâu lấy trung bình trong một
bước thời gian tính 3D.
v
F
Vận tốc dòng chảy theo phương Y tham gia vào quá trình bình lưu của
các biến vô hướng.
v

Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc v.
F
V
Giá trị của dòng chảy tích phân

V
theo độ sâu lấy trung bình trong một
bước thời gian tính 3D.
x, y , z Các trục toạ độ Đề Các.
x
1
, x
2
, x
3
Các trục toạ độ Đề Các.
w

Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc w.
w
~
Thành phần vận tốc theo phương thẳng đứng trong hệ toạ độ sigma.
z
r
Cao độ từ đáy biển tới trung tâm của ô lưới sát đáy.
x
1
Độ lớn của bước lưới tính trên hướng X tại trung tâm ô.
x
2
Độ lớn của bước lưới tính trên hướng Y tại trung tâm ô.
x
3
Độ lớn của bước lưới tính trên hướng thẳng đứng tại trung tâm ô.


k
Độ lớn của bước lưới trên hướng thẳng đứng trong hệ toạ
độ sigma tại trung tâm ô.
t
2D
Bước thời gian tính của thành phần 2D.
t
3D
Bước thời gian tính của thành phần 3D.

x
Toán tử sai phân trên hướng X.

y
Toán tử sai phân trên hướng Y.

z
Toán tử sai phân trên hướng thẳng đứng.

b
Độ dày của lớp biên đáy.

a
Hệ số xác định tính chất của sơ đồ sai phân đối với thành
phần đối lưu thẳng đứng, 
a
= 0 hiện; 
a
= 1 ẩn.


v
Hệ số xác định tính chất của sơ đồ sai phân đối với thành
phần khuếch tán thẳng đứng, 
v
= 0 hiện; 
v
= 1 ẩn.

iv
(r) Hàm trọng số giữa sơ đồ sai phân ngược dòng và Lax-Wendroff đối với
thành phần thông lượng bình lưu theo phương ngang và giữa sơ đồ sai
phân ngược dòng và trung tâm đối với thành phần thông lượng đối lưu
theo phương thẳng đứng.
 Tần số quay của trái đất.

T
Hệ số nhớt rối theo phương thẳng đứng.

H
Hệ số khuếch tán động lượng theo phương ngang.

T
Hệ số khuếch tán rối theo phương thẳng đứng.
 Mật độ nước.

11
, 
21
, 

12
, 
22
Các tenxơ ứng suất thành phần theo phương ngang.

s1
, 
s2
Tenxơ ứng suất trên bề mặt thoáng theo phương ngang.

b1
, 
b2
Tenxơ ứng suất trên bề mặt đáy theo phương ngang.

c
Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy do dòng chảy gây ra.

w,max
Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy cực đại do sóng gây ra.

b,max
Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy cực đại tổng cộng do sóng và dòng
chảy gây ra.
 Toạ độ sigma.
 Hệ số sóng trọng lực.
 Tần số sóng trọng lực.

n
Tần số của các phân triều.

 Thế vận tốc sóng trọng lực.

n0
Pha ban đầu của các phân triều.

n
Góc vị đặc trưng của các phân triều.
 Cao độ mặt thoáng so với mực nước trung bình.

n
Biên độ của các phân triều.

0p
, 
0m
Các giá trị ban đầu của hệ số nhớt rối.
 Cường độ tiêu tán năng lượng rối.

T
Hệ số dãn nở do nhiệt.

S
Hệ số dãn nở do muối.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Hệ toạ độ chuyển đổi sigma theo chiều thẳng đứng.

v
Hình 2.2 Biến động của hàm ổn định đối với động lượng và các biến vô hướng theo

số Richardson Ri.
Hình 2.3 Kết quả so sánh của 8 mô hình dự báo ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy
trung bình và cực đại dưới tác động của sóng và dòng chảy.
Hình 3.1 Sơ đồ lưới tính.
Hình 3.2 Sơ đồ xác định các thành phần thông lượng bình lưu.
Hình 3.3 Sơ đồ khối tổng quát mô hình dòng chảy 3 chiều.
Hình 4.1 Trạng thái ban đầu của phân bố nồng độ muối và dòng chảy.
Hình 4.2 Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T. Sơ đồ
ngược dòng – trường hợp A.
Hình 4.3 Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T Sơ đồ Lax
– Wendroff – trường hợp B.
Hình 4.4 Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T Sơ đồ suy
giảm biến động tổng cộng TVD với hàm giới hạn – trường hợp C.
Hình 4.5 Vị trí ban đầu của fron muối.
Hình 4.6 Biến trình phát triển của dòng chảy và phân bố độ muối
tại các chu kỳ triều của trường hợp A.
Hình 4.7 Biến trình phát triển của dòng chảy và phân bố độ muối
tại các chu kỳ triều của trường hợp B.
Hình 4.8 Biến trình phát triển của dòng chảy và phân bố độ muối
tại các chu kỳ triều của trường hợp C.
Hình 4.9 Biến trình phát triển của dòng chảy và phân bố độ muối
tại các chu kỳ triều của trường hợp D.
Hình 4.10 Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 0m; T = 0s
A - Địa hình đáy không đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x
2/3
m.
Hình 4.11 Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 0,5m; T = 7s
A - Địa hình đáy không đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x
2/3
m.

Hình 4.12 Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 1,5m; T = 7s
A - Địa hình đáy không đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x
2/3
m.
Hình 5.1 Bản đồ khu vực Quảng Nam – Hội An – Cù Lao Chàm.
Hình 5.2 Hoa gió trung bình tháng.
Hình 5.3 Biến trình mực nước thực đo tại đảo Cù Lao Chàm [m]
trong thời gian từ ngày 26-4-2002 đến 1-5-2002.
Hình 5.4 Trường sóng gió trung bình tháng.
Hình 5.5a Kết quả so sánh giá trị tính toán và thực đo
tại trạm đo dòng chảy liên tục TK1.

vi
Hình 5.5b Kết quả so sánh giá trị tính toán và thực đo
tại trạm đo dòng chảy liên tục TK2.
Hình 5.6 Kết quả so sánh giá trị tính toán và thực đo mực nước.
Hình 5.7a Hoàn lưu tháng VII đại diện mùa khô theo phương ngang tại tầng mặt
(0,2H).
Hình 5.7b. Hoàn lưu tháng VII đại diện mùa khô theo phương ngang tại tầng giữa
(0,5H).
Hình 5.7c Hoàn lưu tháng VII đại diện mùa khô theo phương ngang tại tầng đáy (1H).
Hình 5.8 Phân bố độ muối tháng VII đại diện mùa khô.
Hình 5.9a Hoàn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng mặt
(0,2H).
Hình 5.9b Hoàn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng giữa
(0,5H).
Hình 5.9c Hoàn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng đáy (1H).
Hình 5.10 Phân bố độ muối tháng XII đại diện mùa mưa.
Hình 5.11 Phân bố dòng thăng mùa khô (tháng VII).

Hình 5.12 Phân bố dòng thăng tháng XII đại diện mùa mưa.
Hình 5.13 Phân bố dòng chảy theo mặt cắt:
A. tháng VII đại diện mùa khô
B. tháng XII đại diện mùa mưa.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Giá trị của các tham số sử dụng trong các sơ đồ khép kín rối
Bảng 2.2 Giá trị trung bình của z
o
đối với các dạng đáy khác nhau.
Bảng 2.3 Chỉ dẫn lựa chọn mô hình tính toán lan truyền sóng.
Bảng 5.1 Tốc độ gió trung bình tháng và cực đại (m/s)

vii
Bảng 5.2 Số lượng bão (áp thấp nhiệt đới) đổ bộ hoặc ảnh hưởng trực tiếp đến khu
vực nghiên cứu.
Bảng 5.3 Lưu lượng nước trung bình và lớn nhất thời kỳ quan trắc 1977 – 1985.
Bảng 5.4 Giá trị biên độ và góc vị đặc trưng các phân triều của trạm Sơn Trà

- 3 -
MỞ ĐẦU
Bờ biển Việt Nam trải dài trên 3200km với 114 cửa sông lớn nhỏ, vùng biển
Việt Nam với diện tích trên 1 triệu km
2

, vùng nước ven bờ chiếm khoảng 11% diện tích
đóng vai trò to lớn đối với sự phát triển của đất nước, là vùng phát triển kinh tế năng
động nhờ tài nguyên thiên nhiên phong phú và điều kiện tự nhiên thuận lợi.
Trong thời điểm hiện nay, quan điểm chung của nhiều nhà khoa học tại các viện
nghiên cứu cho rằng môi trường biển của chúng ta đã bị ảnh hưởng xấu trong những
thập kỷ cuối. Môi trường ven bờ Việt Nam đang đối mặt với những vấn đề như hiện
tượng gia tăng các tai biến tự nhiên và kỹ thuật, hiện tượng nhiễm bẩn, suy giảm môi
trường sống và tài nguyên sinh vật biển.
Quá trình dịch chuyển của các khu công nghiệp về các khu vực ven bờ, sự phát
triển của các bến cảng mới, sự bùng nổ của các trung tâm dân cư đông đúc, sự lạm
dụng phân bón hoá học, hoá chất bảo vệ thực vật trong nông nghiệp, các chất độc trong
đánh bắt thủy hải sản đã làm cho các vùng nước ven bờ bị nhiễm bẩn, phá hủy các hệ
sinh thái biển và dẫn tới các vấn đề nghiêm trọng đối với sức khoẻ cho cộng đồng dân
cư. Tại vùng biển khơi các hoạt động sử dụng thềm lục địa như khai thác khoáng sản
biển nhất là dầu mỏ, sự thải loại các rác công nghiệp, sự phát triển của trao đổi mậu
dịch trên biển, đã liên tục làm tăng mức độ ô nhiễm của biển và các vùng nước ven bờ.
Môi trường biển là một hệ thống cực kỳ phức tạp, rất khó khăn trong việc dự
báo những ảnh hưởng của hoạt động con người lên môi trường biển đặc biệt ở vùng
nước ven bờ, nhưng một điều chắc chắn cần thiết và cấp bách trong giai đoạn hiện nay
là phải quản lý, kiểm soát môi trường biển, tìm kiếm sự thỏa hiệp cần thiết giữa một
bên là nhu cầu ngày một tăng cao của quá trình công nghiệp hoá cũng như nhu cầu của
xã hội và một bên là sự cần thiết phải bảo tồn các giá trị của tự nhiên.
Sự tăng cường nhận thức đối với các nguy cơ ảnh hưởng tới môi trường của các
hoạt động nhân sinh đã tập trung được sự chú ý của các nhà khoa học trong vấn đề dự
báo dòng chảy và hiện tượng phát tán các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước
vùng ven bờ. Khác với vùng nước xa bờ, nơi mà nguồn nhiễm bẩn dễ phân tán và bị

- 4 -
làm loãng, nhiễm bẩn ở vùng ven bờ có xu hướng lưu tồn lâu dài hơn và phụ thuộc vào

các đặc điểm động lực của vùng nước. Mô phỏng cấu trúc dòng chảy phải là một trong
những trọng điểm đầu tiên trong quá trình nghiên cứu các hiện tượng liên quan từ độ
ổn định của các công trình thủy, đến xâm nhập mặn, khuyếch tán các chất nhiễm bẩn,
vận chuyển trầm tích, và sinh thái môi trường biển. Những thông tin tin cậy về chế độ
động lực có thể nhận được từ các phương pháp nghiên cứu phù hợp như thu thập phân
tích các số liệu đo đạc, mô hình vật lý và mô hình toán học.
Luận án sẽ tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình số trị bài toán thủy động
lực ba chiều quy mô vừa (mesoscale) mô phỏng dòng chảy không dừng và quá trình
bình lưu khuếch tán dưới tác động tổng hợp của các quá trình thủy triều, khí hậu - khí
tượng, biến động của mật độ nước do hiện tượng bất đồng nhất của nhiệt độ, độ muối
và một số tác động của sóng bề mặt trong vùng nước nông ven bờ.
Luận án này gồm phần mở đầu, 5 chương, kết luận, danh mục công trình của tác
giả và tài liệu tham khảo.
Chương I Tổng quan tình hình nghiên cứu dòng chảy ba chiều vùng biển
ven bờ trình bày một cách tổng quát các phương pháp, kết quả nghiên cứu trên thế giới
và ở trong nước về cấu trúc ba chiều của dòng chảy trong biển và vùng nước ven bờ.
Chương II Cơ sở toán học của mô hình thuỷ động lực ba chiều trình bày các
phương trình toán học của mô hình thủy động lực ba chiều, các giả thuyết xấp xỉ, các
điều kiện biên, những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực tham số hoá quá trình xáo trộn
rối, áp dụng để khép kín hệ phương trình và tác động của sóng trọng lực bề mặt.
Chương III Phương pháp số giải hệ phương trình thủy động lực xét đến các
phương pháp số trị sai phân hữu hạn xấp xỉ hệ phương trình toán học của mô hình như
sơ đồ ngược dòng, sơ đồ Lax-Wendroff, sơ đồ trung tâm và thuật giải suy giảm biến
động tổng cộng TVD, thiết lập các thuật toán chi tiết đối với từng thành phần của
phương trình, xét cách đặt điều kiện biên mực nước cho biên lỏng dựa vào số đo mực
nước tại một điểm trên biên cứng, điều kiện cho biên cửa sông trong điều kiện có phân
tầng.

- 5 -

Chương VI Các kết quả thử nghiệm mô hình thủy động lực ba chiều trình
bày các kết quả kiểm nghiệm đối với các sơ đồ sai phân, các phương pháp tham số hoá
quá trình trao đổi rối và ảnh hưởng của sóng gió bề mặt, thông qua quá trình thử
nghiệm số lựa chọn các phương án thích hợp phục vụ tính toán trường dòng chảy tại
vùng nước ven bờ có cửa sông.
Chương V Kết quả ứng dụng mô hình tính toán hoàn lưu vùng biển Quảng
Nam khu vực Hội An – Cù Lao Chàm giành cho việc trình bày những nét cơ bản của
chế độ khí tượng thủy văn và kết quả tính toán hoàn lưu vùng biển Hội An - Cù Lao
Chàm, Quảng Nam minh chứng cho khả năng áp dụng thực tế của mô hình và góp phần
cung cấp thông tin về chế độ thủy động lực của vùng biển nghiên cứu phục vụ các mục
đích nghiên cứu khoa học, kinh tế và quốc phòng.

- 6 -
Chương 1
TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
DÒNG CHẢY BA CHIỀU
Hoàn lưu vùng nước ven bờ là một đối tượng nghiên cứu rất phức tạp, dòng
chảy ở đây được hình thành và tồn tại do nhiều nguyên nhân tác động khác nhau như
thủy triều, gió, áp suất không khí trên bề mặt thoáng, biến động theo phương ngang của
động lượng sóng trọng lực trên bề mặt do hiện tượng biến dạng khi sóng lan truyền, sự
biến động của mật độ nước và ảnh hưởng của địa hình.
Để nghiên cứu và làm sáng tỏ cơ chế thủy động lực của hiện tượng phức tạp
này, hiện nay chúng ta đang sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, những phương
pháp này phụ thuộc vào phương thức tiếp cận, mức độ phức tạp và hoàn thiện được
phân loại thành ba phương pháp chính như sau: phương pháp đo đạc, thu thập và phân
tích các số liệu hiện trường, phương pháp mô hình vật lý và phương pháp mô hình
toán. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trên các mô hình thu nhỏ của một hệ
thống vật lý được gọi là mô hình vật lý, song song với mô hình vật lý là mô hình toán

học - biểu diễn toán học của một hệ thống vật lý, các mô hình số là các mô hình toán
học trong đó các hệ phương trình toán học được rời rạc hoá và giải bằng sự trợ giúp của
máy tính điện tử. Dưới đây chúng tôi xin đề cập tới những nét cơ bản nhất, những ưu
điểm và hạn chế của các phương pháp nghiên cứu.

1.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY BA CHIỀU
1.1.1 Phƣơng pháp đo đạc, thu thập và phân tích các số liệu đo đạc hiện

- 7 -
trƣờng:
Đây là phương pháp truyền thống, đo đạc và quan trắc các hiện tượng thủy động
lực tại hiện trường là các biện pháp tối cần thiết để tìm hiểu đánh giá chế độ thủy động
lực của khu vực nghiên cứu và vai trò của nó đối với các quá trình thạch động lực, quá
trình lan truyền các chất gây ô nhiễm và ảnh hưởng của chế độ động lực khu vực lên
các công trình đã tồn tại hoặc dự kiến xây dựng.
Số liệu thực đo tại hiện trường có thể dùng để xây dựng mối liên hệ tương quan
với các khu vực liên quan khác có số liệu thực đo nhiều năm hơn và có thể sử dụng làm
số liệu đầu vào xác định các lực tác động cho mô hình vật lý hay toán học hoặc là các
số liệu hiệu chỉnh hoặc kiểm định độ chính xác đầu ra của các mô hình nghiên cứu này.
Nội dung chính của phương pháp bao gồm:
+ Tiến hành khảo sát, đo đạc tại khu vực nghiên cứu.
+ Xử lý các số liệu đo đạc.
+ Phân tích diễn biến, phán đoán xu thế.
+ Thiết lập mối quan hệ các yếu tố thủy động lực với các tác nhân trong tự
nhiên.
Phương pháp thu thập và phân tích các số liệu đo đạc là phương pháp truyền
thống, những kết quả của phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc xây
dựng các cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá biến động ngắn hạn và dài hạn, đánh giá tổng
hợp nguyên nhân.

Các thiết bị đo đạc tại hiện trường đối với các đặc trưng thủy động lực ba chiều
hiện nay đều là các thiết bị kỹ thuật cao, được phân loại theo nguyên lý hoạt động dựa
trên những đặc trưng cơ bản của quá trình lan truyền sóng âm, sóng ánh sáng và sóng
điện từ trong môi trường nước. Những thiết bị này có thể đo được giá trị của vận tốc
dòng chảy theo ba chiều không gian tại một điểm hoặc giá trị vận tốc của dòng chảy
theo phương ngang tại nhiều lớp khác nhau. Có thể liệt kê một số thiết bị của các hãng
sản xuất khác nhau như DCM-12 của hãng Aanderaa, 3D MAVS của hãng NOBSKA,
3D Wave/Curent của hãng Famouth Scientific, ADCP của hãng RDI, ADP của hãng

- 8 -
Sontek
Phương pháp đo đạc tại hiện trường sẽ cho phép thu nhận được số liệu chính xác
nhất, nhưng lại yêu cầu rất lớn về chi phí cho trang thiết bị và kinh phí thực hiện.
1.1.2 Phƣơng pháp mô hình vật lý
Khác biệt với phương pháp đo đạc, thu thập và phân tích các tài liệu đo đạc tại
hiện trường, mô hình vật lý có không gian nhỏ hơn, chi phí ít hơn, dễ dàng hơn trong
nghiên cứu, đơn giản hơn so với tự nhiên, mô hình vật lý có thể chỉ tính đến những
khía cạnh quan trọng nhất của hiện tượng cần nghiên cứu. Ngoài ra trong mô hình vật
lý, các điều kiện đầu vào có thể biến động theo quy luật và kiểm soát được, điều này
không thể có được trong các nghiên cứu tại hiện trường trong tự nhiên.
Các mô hình vật lý được xây dựng và hoạt động với tỷ lệ thu nhỏ là một lựa
chọn cho phép chúng ta kiểm tra quá trình thủy động lực vùng ven bờ khi không thể có
các nghiệm giải tích. Mô hình vật lý tích hợp được hoàn toàn các hệ phương trình chủ
yếu của quá trình thủy động lực không cần tới các giả thiết đơn giản hoá phải sử dụng
trong các mô hình giải tích và mô hình số, kích thước nhỏ của mô hình vật lý cho phép
thu thập số liệu đo đạc tổng thể với chi phí tiết kiệm, trong khi đo đạc số liệu tại hiện
trường thường khó khăn và tốn kém hơn rất nhiều và hầu như không thể đo đạc được
số liệu đồng bộ về thời gian, một lợi thế nữa của mô hình vật lý là cho phép chúng ta
mô phỏng được các điều kiện biến động hoặc các điều kiện có tần suất hiếm trong tự

nhiên ngoài ra chúng ta còn có thể quan sát được tác động ngược của mô hình một cách
trực quan.
Bên cạnh các ưu điểm như trên mô hình vật lý cũng có những mặt hạn chế, trước
hết là hiệu ứng thu nhỏ, mô hình vật lý nhỏ hơn thực tế nên không thể mô phỏng toàn
bộ biến động của các đặc trưng trong mối liên hệ chính xác giữa chúng, thí dụ đối với
các mô hình vùng ven bờ lực nhớt thường lớn hơn so với tự nhiên. Trong mô hình vật
lý, đôi khi các lực truyền động và điều kiện biên trong tự nhiên không thể lặp lại một
cách toàn bộ do đó cần phải lượng giá và tính đến sự thiếu hụt này khi đánh giá kết quả
của một mô hình vật lý, thí dụ ứng suất gió, tác động của lực Coriolis trong tự nhiên
không thể mô phỏng lại trong bất kỳ mô hình vật lý nào. Ngoại trừ một số trường hợp

- 9 -
đặc biệt, chi phí cho hoạt động của mô hình vật lý thường lớn hơn so với mô hình số,
trong trường hợp khi mô hình số cho các kết quả tính toán chính xác ở mức độ chấp
nhận được, thì mô hình số sẽ được lựa chọn làm phương pháp nghiên cứu.
Sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng mô hình số trong nghiên cứu thủy
động lực hiện nay không làm cho mô hình vật lý trở nên lỗi thời, mô hình vật lý vẫn
tiếp tục cùng phát triển với mô hình số, xu thế hiện tại là sử dụng phương pháp liên hợp
trong đó kết quả của mô hình vật lý đối với một vùng nghiên cứu phức tạp có thể sử
dụng làm số liệu đầu vào hoặc điều kiện biên cho một mô hình số hoàn thiện bao trùm
lên vùng nghiên cứu lớn hơn và ngược lại, kết quả của mô hình số có thể sử dụng làm
điều kiện đầu vào tại biên cho mô hình vật lý.
1.1.3 Phƣơng pháp mô hình toán
Mô hình toán học là một trong những phương pháp tiếp cận tối ưu trong nghiên
cứu dòng chảy ba chiều. Bước đầu tiên trong việc mô hình hoá toán học môi trường
biển là việc xác định giới hạn của hệ thống, đó là phạm vi về không gian và trạng thái,
giới hạn của hệ thống sẽ xác định các điều kiện biên và các biến trạng thái của mô hình,
xác định bản chất, vị trí và qui mô thời gian của những điều kiện biên và điều kiện ban
đầu cần thiết. Phạm vi về không gian và trạng thái của mô hình có thể sẽ rất khác biệt

trong các trường hợp khác nhau.
Đặc trưng trước hết của mô hình là đối tượng nghiên cứu như các vùng địa lý,
quy mô thời gian và các quá trình chuyên biệt cần mô phỏng, đặc trưng thứ hai là quy
mô về không gian và các biến trạng thái, đặc trưng thứ ba là độ phân giải của mô hình
và cuối cùng là độ chính xác.
Trên thực tế, mô hình biển đầy đủ phải là mô hình ba chiều không gian và tiến
triển theo thời gian, có thể giản lược bớt các chiều không gian hoặc thời gian như mô
hình trung bình theo độ sâu của vùng biển nông, mô hình vùng cửa sông trung bình
theo mặt cắt ngang, mô hình dòng chảy dừng, mô hình trung bình trong không gian -
tiến triển theo thời gian của các biến sinh thái
Tương tự như vậy, một mô hình biển thực sự đầy đủ phải là mô hình có vô hạn

- 10 -
các biến trạng thái, do hạn chế về năng lực của công cụ tính toán nên chỉ có một số
nhất định các biến trạng thái được chọn lựa. Do đó điều cốt yếu trong mô hình hoá là
việc chọn lựa một số lượng hạn chế các biến trạng thái đặc trưng, số lượng này phải
vừa nhỏ để đủ khả năng phân tích các phương trình thể hiện chúng nhưng cũng phải
vừa đủ lớn để thể hiện được tính chất đặc trưng của hệ thống cần mô phỏng.
Các biến trạng thái của mô hình có thể chia ra nhiều lớp như các quá trình thủy
động lực, hoá học, sinh học và mỗi lớp có thể chia thành các mô hình thủy động lực,
hoá học, sinh học và giữa chúng tồn tại các liên kết số liệu. Trong đó mô hình thủy
động lực là phát triển nhất, vì việc tìm hiểu thấu đáo các quá trình thủy động lực là điều
kiện tiên quyết để có thể mô hình hoá được các quá trình vận chuyển, khuếch tán, hoá
học hoặc sinh học sinh thái khác. Các mô hình thủy động lực được mô tả toán học bằng
các phương trình đạo hàm riêng, trong đó các nghiệm được xác định ở toàn bộ các
điểm lưới và tiến triển theo thời gian.
Sự phát triển của các mô hình thủy động lực luôn luôn được quan tâm vì khả
năng áp dụng trực tiếp của chúng trong các công trình kỹ thuật vùng ven bờ và ngoài
khơi. Các biến trạng thái của mô hình thủy động lực phụ thuộc vào mức độ phức tạp

của các mô hình là các đặc trưng cơ nhiệt, vận tốc, áp suất, độ nổi, nhiệt độ, độ muối,
năng lượng rối , mô hình thủy động lực có thể dễ dàng mở rộng đối với các hợp phần
thụ động và bán thụ động tồn tại trong môi trường biển.
1.1.3.1 Hệ phương trình thủy động lực ba chiều tổng quát
Hệ phương trình toán học mô tả chuyển động của nước trong biển và đại dương
là những biến thể của hệ phương trình Navier-Stokes – hệ phương trình thông dụng
trong cơ học chất lỏng. Sự khác biệt căn bản giữa chúng là thành phần xác định ảnh
hưởng do quá trình quay của trái đất và những giả thiết xấp xỉ được áp dụng cho lớp
chất lỏng mỏng và bị phân tầng trên bề mặt cầu. Ngoài ra, môi trường nước trong tự
nhiên còn có trạng thái phụ thuộc không tuyến tính với các đặc trưng thủy nhiệt động
lực như nhiệt độ, muối, các hợp phần có nguồn gốc vô cơ hoặc hữu cơ
Mô hình số trị mô phỏng trường phân bố vận tốc và mật độ của môi trường nước

- 11 -
trong tự nhiên sẽ dựa trên hệ các phương trình thủy động lực và nhiệt động lực liên hệ
với nhau thông qua quy luật bảo toàn động lượng, khối lượng và năng lượng. Hệ các
phương trình sẽ được xây dựng trong toạ độ Đề Các, các thành phần của vận tốc theo
các trục x, y và z tuần tự sẽ là U, V và W. Để thuận tiện và ngắn gọn trong biểu diễn
toán học trong một số trường hợp chúng tôi sử dụng các ký hiệu x
i
(i = 1,2,3) thay thế
cho ký hiệu các trục x, y, z và các thành phần vận tốc là U
i
(i = 1,2,3).
Phương trình bảo toàn đối với các đặc trưng của chất lỏng (động lượng, khối
lượng, nhiệt độ, độ muối ) ở dạng tổng quát được thể hiện như sau:
q
x
F

x
U
t
i
i
i
i











(1.1)
trong đó:

- mật độ nước; t – thời gian; F
i
– các thông lượng thành phần của đặc trưng

; q – nội nguồn tổng cộng của đặc trưng

.
Hệ phương trình trên có thể mô tả chi tiết đặc trưng chuyển động rối của chất
lỏng, nhưng những đặc trưng chi tiết này vẫn chưa thể xác định được bằng các phương

pháp số. Để đơn giản hoá hệ phương trình nhưng vẫn thể hiện được hiện tượng, chúng
ta sử dụng phương pháp phân tách các đặc trưng thành hai thành phần: một thành phần
biểu diễn chuyển động trung bình và thành phần còn lại biểu diễn giá trị thăng giáng
mạch động xung quanh giá trị trung bình.




 ;uuU
iii
(1.2)
Giá trị trung bình theo Osborne Reynolds được xác định bằng biểu thức sau:



2
1
t
t
i
12
i
dtU
tt
1
u
(1.3a)




2
1
t
t
12
dt
tt
1

(1.3b)
trong đó: thời gian lấy trung bình (t
2
– t
1
), đủ lớn khi so sánh với qui mô thời gian của
rối nhưng đủ nhỏ trong so sánh với dòng chảy trung bình tức thời.
Phương pháp này thường được sử dụng để phân tách chuyển động của chất lỏng
thành hai thành phần chuyển động trung bình và nhiễu động rối (Hinze, 1975 [23];

- 12 -
Monin và Yaglom, 1975 [38]; Rouse, 1976 [47]; Van Rjin Leo, 1989 [59]; Kowalik và
Murty, 1993 [27]).
Ý nghĩa của các giá trị trung bình và nhiễu động phụ thuộc vào chu kỳ lấy trung
bình, khi thay đổi chu kỳ lấy trung bình, chúng ta có thể phân lập được các hiện tượng
động lực khác nhau.
Hệ phương trình cơ bản đối với dòng chảy áp dụng phương pháp phân tách
thành phần sẽ có dạng như sau:
Phương trình liên tục
0

x
w
x
v
x
u
321









(1.4)
Phương trình chuyển động
321
2
1321
2
x
wu
x
vu
x
u
fv
x

P1
x
)wu(
x
)vu(
x
u
t
u





























(1.5)
32
2
1
232
2
1
x
wv
x
v
x
vu
fu
x
P1
x
)wv(
x
)v(
x
)uv(
t

v




























(1.6)

3
2
21
33
2
21
x
w
x
wv
x
wu
g
x
P1
x
)w(
x
)vw(
x
)uw(
t
w





























(1.7)
Phương trình bảo toàn các đặc trưng vô hướng
321321
x
w
x
v
x
u

S
x
)w(
x
)v(
x
)u(
t 

























(1.8)
Hệ phương trình (1.4 – 1.8) chưa phải là một hệ phương trình khép kín đầy đủ,
do bản chất quan hệ phi tuyến của hệ phương trình, sau khi phân tách, qua quá trình lấy

- 13 -
trung bình trong hệ phương trình xuất hiện các số hạng thành phần thể hiện mối quan
hệ tương tác giữa các thành phần thăng giáng mạch động của vận tốc
),vu,v,u(
22

, giữa vận tốc và các đặc trưng vô hướng
)w,v,u(


.
Các thành phần thể hiện mối liên hệ tương tác giữa các thành phần thăng giáng
mạch động của vận tốc tác động như ứng suất lên chất lỏng và được gọi là ứng suất
Reynolds trên một khối lượng đơn vị. Các thành phần tương tác vận tốc với các đặc
trưng vô hướng thể hiện qua thông lượng nhiệt rối hoặc thông lượng của đặc trưng vô
hướng do rối.
Từ hệ phương trình có thể thấy rằng, ảnh hưởng của dòng chảy rối trong chuyển
động trung bình có thể được biểu diễn hoàn toàn bằng tenxơ ứng suất Reynolds, R
ij
.
Ứng suất Reynolds trong phương trình chuyển động đóng vai trò tiêu tán và ta có thể
kết luận rằng chuyển động của một qui mô thời gian xác định trước có thể nhận được
động lượng chủ yếu từ chuyển động có qui mô thời gian dài hơn và bị tiêu tán động

lượng vào các chuyển động có qui mô thời gian nhỏ hơn.
Đối với chất lỏng, chuyển động rối đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiêu
tán năng lượng. Thông thường, hiện tượng tiêu tán do rối được biểu diễn dưới giả thiết
rằng ứng suất Reynolds tỉ lệ với cường độ chuyển tải của dòng chảy trung bình, tương
tự như đối với nhớt phân tử, hệ số tỉ lệ được coi là độ nhớt rối. Trên thực tế, độ nhớt rối
sẽ có giá trị rất khác nhau theo phương ngang và phương thẳng đứng, ứng suất
Reynolds tổng hợp có thể viết dưới dạng sau:
i
j
j
i
jiij
x
u
)i(
x
u
) j(uuR









(1.9)
trong đó: (i) = 
H

khi i, j

3 và (j) = 
T
khi i, j = 3; 
H
– hệ số nhớt rối theo phương
ngang và 
T
– hệ số nhớt rối theo phương thẳng đứng.
Trong trường hợp nhiệt độ và độ muối biến động, trao đổi động lượng trong
dòng chảy rối kết hợp với trao đổi truyền tải khối lượng, dạng truyền tải này được biểu
diễn thông qua hệ số khuếch tán rối:

- 14 -
i
ii
x
)(uQ







(1.10)
Hệ số khuếch tán rối 
H

theo phương ngang có giá trị khác biệt so với hệ số
khuếch tán rối theo phương thẳng đứng 
T
.
Hệ các phương trình 1.4 – 1.8 là hệ phương trình tổng quát mô tả chuyển động
của chất lỏng có mặt thoáng và quá trình truyền tải. Trên thực tế, khi xây dựng mô hình
cần phải đơn giản hoá hệ phương trình này ngoại trừ trường hợp khi quá trình cần mô
phỏng có gia tốc theo chiều thẳng đứng lớn.
1.1.3.2 Hệ phương trình thủy động lực ba chiều áp dụng cho vùng nước nông
ven bờ
Hệ phương trình của mô hình thủy động lực ba chiều áp dụng cho vùng nước
nông ven bờ sử dụng xấp xỉ phẳng (f-plan) bỏ qua ảnh hưởng độ cong của bề mặt trái
đất, khi tần số Coriolis được coi là không thay đổi, các trục (x
1
, x
2
) có thể định hướng
tự do trên mặt phẳng ngang, toạ độ thẳng đứng được lựa chọn sao cho x
3
= 0 tương ứng
với mực nước trung bình. Các phương trình thể hiện bề mặt thoáng và bề mặt đáy sẽ có
dạng sau:
)t,x,x(z
21


tại mặt thoáng (1.11)
)x,x(hz
21


tại bề mặt đáy (1.12)
với

- dao động mặt nước; h – cao độ của mặt nước trung bình; H - độ sâu của biển, H
=

+ h.
Hệ phương trình cơ bản của mô hình thủy động lực ba chiều bao gồm các
phương trình sau:
 Phương trình bảo toàn động lượng sử dụng xấp xỉ Bussinesq và xấp xỉ thủy
tĩnh:
fv
x
u
w
x
u
v
x
u
u
t
u
321














- 15 -
21
2
11
13
T
310
xxx
u
xx
p1

























(1.13)
22
2
12
13
T
320
321
xxx
u
xx
p1
fu
x
v
w

x
v
v
x
v
u
t
v





































(1.14)
g
x
p
3




(1.15)
 Phương trình liên tục – bảo toàn khối lượng
0
x
w
x
v

x
u
321









(1.16)
 Phương trình cân bằng nhiệt























































2
H
21
H
13
T
3
3p0321
x
T
xx
T
xx
T
x
x
I
c
1
x
T
w
x

T
v
x
T
u
t
T


(1.17)
 Phương trình cân bằng muối hoà tan




















































2
H
21
H
13
T
3
321
x
S
xx
S
xx
S
x
x
S
w
x
S
v
x
S
u
t
S

(1.18)
 Phương trình trạng thái


(T, S) = a
1
+ a
2
T + a
3
T
2
+ a
4
T
3
+ a
5
T
4
+ a
6
T
5

+ S (a
7
+ a
8
T + a
9
T
2

+ a
10
T
3
+ a
11
T
4
)
+ S
3/2
(a
12
+ a
13
T + a
14
T
2
) + a
15
S
2
(1.19)
với: (u,v,w) – các vận tốc thành phần của dòng chảy ; T – nhiệt độ nước biển; S - độ
muối ; f = 2

sin

– tần số Coriolis;


=2/86164 [rad/s] – tần số quay của trái đất;


- 16 -
- vĩ độ địa lý; g – gia tốc trọng trường, p – áp suất,

T
và

T
– các hệ số nhớt rối và
khuyếch tán rối theo phương thẳng đứng,

H
– hệ số khuyếch tán rối nhiệt độ và độ
muối theo phương ngang,

– mật độ nước biển,

0
– mật độ nước biển ở điều kiện tiêu
chuẩn; c
p
– nhiệt dung riêng đẳng áp của nước biển và I (x, y, z, t) – bức xạ mặt trời; a
1 -
15
– các hệ số thực nghiệm tính mật độ nước theo công thức UNESCO-1981[58]. Các

tenxơ ứng suất theo phương ngang được xác định bằng các biểu thức sau:
1
H11
x
u
2




(1.20)














12
H1221
x
v
x

u

(1.21)
2
H22
x
v
2




(1.22)
với

H
– hệ số nhớt rối hay khuếch tán động lượng theo phương ngang.
Giá trị của áp suất có thể biểu diễn dưới dạng tổng cộng của giá trị trung bình
cân bằng và giá trị thăng giáng mạch động
dooo
qpppp




(1.23)
với: q
d
– thành phần tà áp baroclin của áp suất.
Giá trị của áp suất trung bình có thể xác định bằng:

g
x
p
o
3
o




(1.24)
với điều kiện p
o
cân bằng với áp suất khí quyển P
a
tại bề mặt thoáng, do đó:
a3oo
P)x(gp 

(1.25)
i
d
i
a
oiio
x
q
x
P
1

x
g
x
p1














(1.26)
với: i = 1 và 2.
Biểu thức (1.26) biểu diễn građien của áp suất theo phương ngang, hai thành
phần đầu tiên là thành phần chính áp barotrop, thành phần thứ ba là thành phần tà áp
brocline, thành phần này được xác định khi thay thế (1.23) – (1.25) vào phương trình

- 17 -
cân bằng động lượng theo phương thẳng đứng (1.15):
bg
x
q

o
o
3
d















(1.27)
với b là độ nổi.
Do sử dụng phương pháp phân tách các thành phần trung bình theo độ sâu và
thăng giáng để giải hệ phương trình động lượng và liên tục nên ta cần phải bổ sung
thêm hệ phương trình bảo toàn động lượng của dòng chảy tích phân theo độ sâu và
phương trình liên tục của dao động bề mặt thoáng

với:


