NGHIÊN cứu CHẾ độ SÓNG, DÒNG CHẢY và vận CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG nước BIỂN VEN bờ NAM ĐỊNH

®¹i häc quèc gia hμ néi
Tr−êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn

-------------------

Vũ Công Hữu

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ SÓNG, DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN
TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nộ1i - 2010


®¹i häc quèc gia hμ néi
Tr−êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn

-------------------

Vũ Công Hữu

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ SÓNG, DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN
TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH

Chuyên ngành : Hải dương học
Mã số
: 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN MINH SƠN

Hà Nội - 2010
2


Lời cảm ơn
Để hoàn thành luận văn này, tác giả mong muốn được bày tỏ lòng biết
ơn sâu sắc nhất tới TS. Nguyễn Minh Sơn – Viện Công nghệ Môi Trường –
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã định hướng, trực tiếp hướng dẫn
và tận tình giúp đỡ về nhiều mặt.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới TS. Lê Xuân Hoàn - Viện Cơ học Hà Nội
đã giúp đỡ về số liệu cũng như phương pháp luận để tiếp cận đến bài toán
thực tế.
Tác giả luôn biết biết ơn sâu sắc đối với các thầy cô trong Bộ môn Hải
Dương học - Khoa KT – TV - HDH đã truyền đạt những kinh nghiệm quý báu
trong quá trình đào tạo, nhờ đó học viên được nâng cao trình độ, mở rộng
tầm hiểu biết khi tiếp cận đến thực tế.
Cuối cùng, Tôi xin được cảm ơn Phòng Quy hoạch Môi trường – Viện
Công nghệ Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi để bản luận văn được hoàn
thành.
Trong quá trình thực hiện, luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu
sót. Vì vậy, rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn đồng nghiệp
để luận văn có thể hoàn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2010
Học viên

Vũ Công Hữu

3


Mục lục
Lời cảm ơn........................................................................................................................ 1
Mục lục ............................................................................................................................... 4
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ............................ 9
1.1. Chế độ gió ................................................................................................... 10
1.2. Chế độ sóng................................................................................................. 11
1.3. Chế độ thủy triều và nước dâng ............................................................. 12
1.4. Đặc điểm địa mạo ...................................................................................... 13
1.5. Đặc điểm địa hình vùng ven bờ ............................................................. 15
1.6. Chế độ dòng chảy ...................................................................................... 15
1.7. Diễn biến các cửa sông ............................................................................ 17
1.8. Tình hình xói lở và biến đổi đường bờ khu vực Hải Hậu................ 18
Chương 2. GIỚI THIỆU CÁC MÔ ĐUN TRONG HỆ THỐNG MÔ HÌNH
MIKE ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN ......... 21
2.1. Sơ lược về các bộ chương trình thủy động lực .................................. 21
2.2. Giới thiệu mô hình MIKE 21FM ........................................................... 26
2.3. Giới thiệu mô đun tính sóng Mike21 SW .......................................... 28
2.4. Giới thiệu mô đun dòng chảy Mike21 HD FM ................................. 34
2.5. Giới thiệu mô đun tính vận chuyển trầm tích Mike21 ST FM . .... 37
2.6. Sự liên kết giữa các mô đun ................................................................. 40
Chương 3. SỬ DỤNG MÔ HÌNH MIKE TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC
TRƯNG SÓNG, DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH
VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH ....................................................... 42
3.1. Thu thập số liệu khảo sát thực địa ......................................................... 42
3.2. Tính toán các đặc trưng trường sóng .................................................... 44

3.2.1. Hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình sóng........................................ 48

4


3.2.2. Tính toán các đặc trưng trường sóng ......................................... 53
3.3. Tính toán trường dòng chảy sóng .......................................................... 58
3.4. Tính toán vận chuyển trầm tích.............................................................. 59
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 60
4.1. Kết quả các phương án tính sóng .......................................................... 60
4.2. Kết quả các phương án tính dòng chảy sóng ...................................... 67
4.3. Kết quả tính toán vận chuyển trầm tích ............................................... 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 78
Phụ lục 1: Kết quả tính toán phân bố trường sóng của 20 phương án. .... 82
Phụ lục 2: Kết quả các phương án tính dòng chảy sóng............................... 103
Phụ lục 3: Kết quả các phương án tính vận chuyển trầm tích ................... 109

5


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Lan truyền sóng biển, vận chuyển trầm tích và bồi xói là những lĩnh
vực khoa học quan trọng, được các nhà khoa học rất quan tâm. Trong thực tế,
sóng và vận chuyển trầm tích nói chung, gây xói lở và gây ảnh hưởng tiêu cực
đến các hoạt động kinh tế xã hội ở nhiều vùng ven biển. Nhiều giải pháp quản
lý, kỹ thuật khác nhau đã được xây dựng nhằm giải quyết vấn đề trên và tính
toán mô hình là một trong những công cụ quan trọng giúp ích cho việc xây
dựng các giải pháp đó.

Tỉnh Nam Định có trên 72 km bờ biển và là hạ lưu của nhiều sông lớn
như: sông Hồng, sông Ninh Cơ, sông Đáy. Đây là khu vực đặc thù, thể hiện
đầy đủ các tác động ảnh hưởng đến bãi biển, bờ biển.
Nguyên nhân gây ra sự bồi xói vùng ven biển là do tác động của sóng
và dòng chảy làm cho bùn cát dịch chuyển theo hai hướng: vuông góc với bờ
(cross shore) và dọc theo bờ (long shore). Quá trình bồi xói xảy ra trong thời
gian dài (long term) sẽ làm biến đổi đường bờ và được xem như là hệ qủa của
sự chuyển dịch bùn cát dọc bờ. Nhiều khu vực tại vùng bờ biển Nam Định,
đặc biệt là đoạn bờ trong khoảng từ Văn Lý tới Thịnh Long đã và đang bị xói
lở mạnh. Trong những năm gần đây, quy mô và cường độ xói lở có chiều
hướng gia tăng. Đặc biệt, trong cơn bão số 7 ngày 27 tháng 9 năm 2005, rất
nhiều đoạn đê biển trong khu vực này như đê biển Hải Triều, Hải Hoà, Hải
Thịnh đã bị vỡ, gây ngập lụt cho những khu vực rộng lớn ven bờ. Đặc biệt, tại
một số địa điểm du lịch như bãi biển Thịnh Long, sóng kết hợp với nước dâng
trong bão phá huỷ toàn bộ con đường ven biển và nhiều nhà nghỉ.
Thông thường, tại một số vùng biển, đặc biệt là biển miền Trung, hiện
tượng xói lở xảy ra vào mùa đông, khi sóng lớn kết hợp với triều cường tấn
công vào bờ, đào các hố xói tại bãi và làm sạt lở bờ biển và các công trình xây

6


dựng trên bờ. Vào mùa hè, sóng lặng hơn và sóng lừng mang cát từ ngoài xa
vào bồi lại bãi. Tuy nhiên, cơ chế xói lở tại bãi biển Nam Định vẫn chưa rõ
ràng. Đối với vùng biển này, hiện tượng xói lở xảy ra thường xuyên trong cả
năm, nhưng mạnh hơn vào mùa đông. Quá trình diễn biến xói lở bờ biển do
tác động của sóng là một quá trình khá phức tạp, nó bị tác động bởi các yếu tố
như chiều cao sóng, vị trí sóng vỡ, dòng chảy do sóng vỡ, ứng suất do sóng
tác dụng trên đáy, lượng bùn cát chuyển dịch và cách thức biến dạng mái dốc
bờ biển.

Hình 1. Một số hình ảnh xói lở bờ biển Nam Định
Để nghiên cứu bài toán xói lở đối với khu vực biển Nam Định, cần
nghiên cứu trong mối quan hệ tổng thể giữa các tác động liên quan hoạt động
kinh tế xã hội và do tự nhiên gây ra. Về mặt tự nhiên, cần xét đến sự tác động
tổng hợp của các tác nhân, sóng, dòng chảy, thủy triều, nước dâng, …. Vì
vậy, đề tài Nghiên cứu chế độ song, dòng chảy và vận chuyển trầm tích được
lựa chọn. Tuy nhiên, trong khuôn khổ của luận văn này, chỉ tập chung vào

7


nghiên cứu, tính toán phân bố trường sóng, dòng chảy sóng và lượng vận
chuyển cát gây ra do sóng đối với vùng nước biển ven bờ Hải Hậu - Nam
Định.
Mô hình là công cụ quan trọng, hỗ trợ xây dựng các giải pháp quản lý
nhằm giảm thiểu thiệt hại và phòng ngừa các tác động của biển. Mô hình
MIKE được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới và Việt Nam, có đủ các chức
năng đáp ứng việc giải quyết bài toán thực tế. Mô đun liên hợp Mike21
coupled model FM (hai chiều) trong bộ chương trình được sử dụng cho
nghiên cứu này. Mô đun này liên kết giữa các mô đun tính toán dòng chảy
(Mike21HD FM), mô đun tính toán sóng (Mike21 SW FM), mô đun tính toán
vận chuyển cát (Mike21ST FM) với lưới phi cấu trúc (phần tử hữu hạn) phù
hợp tốt với các dạng đường bờ và địa hình phức tạp.
Mục đích của đề tài: Việc sử dụng công cụ mô hình vào các bài toán
thực tế còn nhiều khó khăn và hạn chế. Trong tực tế, thường không có nhiều
thực nghiệm về các hệ số của mô hình cũng như các số liệu đo đạc hiện
trường phục vụ cho các tham số đầu vào. Vì vậy, mục đích của nghiên cứu
này là thử nghiệm áp dụng các mô đun của bộ chương trình MIKE nhằm tính
toán các đặc trưng trường sóng, dòng chảy sóng và vận chuyển tầm tích gây

ra do sóng. Do vậy, bố cục của luận văn gồm các phần như sau:
MỞ ĐẦU
Chương 1: Tổng quan về khu vực nghiên cứu.
Chương 2: Giới thiệu các mô đun trong hệ thống mô hình Mike được áp
dụng trong nghiên cứu của luận văn.
Chương 3: Tính toán các đặc trưng sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích
vùng nước biển ven bờ Nam Định.
Chương 4: Các kết quả và thảo luận
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

8


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Tỉnh Nam Định có đường bờ biển dài chạy theo hướng Tây Nam và
Đông Bắc (lệch khoảng 45o so với hướng Bắc) và một số cửa sông như cửa
Đáy, cửa Ninh Cơ, cửa Ba Lạt. Đặc điểm của các cửa sông này là lượng phù
sa vận chuyển hàng năm ra biển khá lớn. Chính vì vậy, tại các vùng cửa sông
này tồn tại rất nhiều bãi cát, doi cát và cồn cát ngầm. Vì cát do các sông đưa
ra là cát mịn nên độ dốc bãi trên toàn vùng bãi biển Nam Định là rất nhỏ. Tại
nhiều vị trí, độ dốc bãi biển là nhỏ hơn 1%.

Hình 1.1. Bản đồ tỉnh Nam Định (Dự án VNICZM, Hà Nội)

9


1.1. Chế độ gió
Tại vùng biển Nam Định tồn tại hai mùa gió rõ ràng, gió mùa đông bắt
đầu vào khoảng tháng 10 hàng năm và kết thúc vào khoảng giữa tháng 3 năm

sau, gió mùa hè (nam, đông nam và tây nam) trong thời gian còn lại của năm,
từ tháng 5 đến tháng 9. Gió mùa đông được đặc trưng bởi tốc độ mạnh thổi từ
phía Bắc, nhiệt độ thấp hơn và lượng mưa thấp hơn. Gió mùa hè được đặc
trưng bởi gió vừa, thổi từ phía nam, nhiệt độ cao hơn và lượng mưa cao hơn.
Ngoài ra, có một giai đoạn chuyển tiếp giữa hai gió mùa chính (tháng 4 và
tháng 10), đặc trưng bởi gió mậu dịch hướng đông mang theo luồng khí mát.
Xung quanh khu vực Hải Hậu có 4 trạm đo gió, cho thấy trường gió
trong Vịnh Bắc Bộ bị ảnh hưởng bởi địa hình rất rõ. Vì trạm Bạch Long Vĩ
nằm ở giữa Vịnh Bắc Bộ (trên đảo Bạch Long Vĩ), cách xa đất liền, dữ liệu
gió ghi nhận tại trạm này sẽ đại diện cho tính sóng nước sâu ở bãi biển Hải
Hậu [18], [26].

Hình 1.2. Hoa gió tại các trạm xung quanh khu vực Hải Hậu
(dựa trên chuỗi số liệu từ năm 1976 - 1995)

10


1.2. Chế độ sóng
Chế độ sóng nước sâu ở Vịnh Bắc Bộ có các tính chất rõ ràng theo
mùa. Dựa trên những dữ liệu quan trắc tại trạm Hòn Dấu, các tác giả Pruszak
(2002) và Vinh (1996) đã chỉ ra rằng; trong mùa đông, sóng thịnh hành đến từ
phía đông bắc, trong khi đó vào mùa hè sóng đến từ phía đông và đông nam.
Tốc độ gió trong mùa đông mạnh hơn trong mùa hè, tạo ra sóng cao hơn so
với mùa hè. Ước tính độ cao sóng trung bình trong nước sâu vào khoảng 1,82,0m đối với mùa đông và 1,2-1,4 m đối với mùa hè. Tuy nhiên, sự khác biệt
theo mùa rõ rệt nhất có lẽ là tần số xuất hiện độ cao sóng ý nghĩa (Hs). Vào
mùa Đông, Hs đạt giá trị 3m chiếm tới 10%, trong khi vào mùa hè Hs đạt giá
trị 2m chiếm 10% [24].
Ở phía Bắc của Việt Nam, bão chủ yếu xảy ra vào tháng 7 và tháng 8
(trong thời gian mùa hè). Trong bão, độ cao sóng vùng nước sâu có thể đạt giá

trị 8-10m. [16], [18].
Đối với Việt Nam nói chung và Hải Hậu nói riêng, chuỗi số liệu đo
sóng trong thời gian dài thường là rất hiếm. Trong khuôn khổ của một chương
trình viện trợ của quốc tế Cơ quan Hợp tác Phát triển Thụy Điển (SIDA), 4
đợt đo sóng tại bãi biển Hải Hậu được thực hiện vào năm 2005 và 2006 [14],
[20]. Tuy nhiên, các đợt đo này thực hiện trong điều kiện thời tiết ôn hòa và
trong thời gian ngắn hạn (khoảng 10 ngày). Các tần xuất xuất hiện độ cao
sóng ý nghĩa dựa trên dữ liệu đo được tại độ sâu 20m (trạm S1), cho thấy rằng
trong mùa đông, độ cao của sóng đo được cao hơn trong mùa hè. Trong mùa
đông, độ cao sóng ý nghĩa lớn hơn 1,0m chiếm tới 10% , trong khi đó vào
mùa hè độ cao sóng ý nghĩa lớn hơn 0,6m chiếm tới 10% [12] .

11


Hình 1.3. Tần xuất độ cao sóng ý nghĩa dựa trên số liệu đo trong các
đợt khảo sát năm 2005 và 2006
Vịnh Bắc Bộ nối với biển Đông qua cửa vịnh mở rộng theo hướng
Đông - Nam nên các sóng lừng sẽ xảy ra trong vịnh Bắc Bộ khi có sóng lớn
trong vùng biển Đông. Các phép đo đồng thời tại các trạm ven vờ Hải Hậu
trong các đợt của năm 2005 và 2006 cho thấy xuất hiện sóng lừng cao hơn 1m
trong điều kiện lặng gió [14]. Như vậy, các sóng lừng phát sinh phía Nam của
biển Đông có thể truyền vào và làm ảnh hưởng đến bãi biển Hải Hậu.
1.3. Chế độ thủy triều và nước dâng
Thuỷ triều đóng vai trò động lực quan trọng ở khu vực ven biển và cửa
sông nói chung và khu vực đồng bằng Bắc Bộ nói riêng. Thuỷ triều ở đây
mang tính chất nhật triều đều với độ cao triều tới trên 3,5m. Trong năm, độ
lớn triều đạt giá trị cực đại vào các tháng đầu năm, giữa năm và cuối năm.
Các sóng triều truyền từ Biển Đông và một phần bị phản xạ ở khu vực cuối
vịnh Bắc Bộ. Với độ dài 50km và độ sâu 50m, thời gian cộng hưởng trong

vinh vào cỡ 25h [23], khoảng thời gian này xấp xỉ với chu kỳ của các sóng
triều O1, K1 dẫn đến sự cộng hưởng làm tăng biên độ triều dọc bờ biển Việt
Nam [10]. Dòng triều trung bình đạt 20-30cm/s, dòng triều lớn nhất đạt

12


60cm/s và ở các bãi triều là 50cm/s (Thanh, 1997). Độ cao trung bình đạt
1,92m, lớn nhất 3,64m (23-12-1987 đến 01-07-1988) [15].
Hiện tượng nước dâng do gió mùa chủ yếu xuất hiện vào mùa đông do
ảnh hưởng của hệ thống gió mùa Đông Bắc với tốc độ cao và hướng khá ổn
định. Các kết quả phân tích các tài liệu quan trắc trong 40 năm (1962 - 2002)
qua cho thấy trị số nước dâng do gió mùa Đông Bắc kết hợp với sóng lớn ở
đây xấp xỉ cỡ 50 - 80cm. Hiện tượng nước dâng do bão xảy ra tương tự như
gió mùa nhưng trị số cao và cường độ mạnh trong khoảng thời gian ngắn gây
tác động rất mạnh ở vùng ven biển gây ra hiện tượng phá huỷ, làm hư hỏng
đến các công trình ven bờ nói chung và đê kè nói riêng. Các kết quả nghiên
cứu trước đây cho thấy nước dâng cực đại tại vùng biển Nam Định khá cao,
có thể đạt trên 2m. Thí dụ trong cơn bão số 7 ngày 27 tháng 9 năm 2005,
nước dâng do bão với độ cao cực đại tại Quất Lâm khoảng 1,90m, tại Thịnh
Long trên 1,8m, kết hợp với triều cường đã gây ra vỡ đê biển và ngập lụt tại
nhiều xã [2].
1.4. Đặc điểm địa mạo
Tất cả các vị trí bờ biển bị xói mòn tại vùng biển Nam Định đều là
vùng bờ cát. Với các vùng bờ này, sóng phải lớn hơn một giá trị nào đó mới
có khả năng gây vận chuyển cát và biến đổi địa hình đáy một cách đáng kể.
Đối với vùng bờ biển Nam Định, các tính toán sơ bộ cho thấy chỉ có sóng với
độ cao lớn hơn 0,75 m mới có khả năng gây vận chuyển cát một cách đáng kể
[1]

13


Hinh 1.4. Đường cong cấp phối hạt tại bãi biển Nam Định (Viện Cơ
học)
Kết quả đo và phân tích các mẫu trầm tích tại các mặt cắt vuông
góc với bờ của dự án SIDA ở khu vực Hải Hậu cho thấy, đường kính
D 50 của trầm tích có giá trị trong khoảng 0,14 - 0,18mm [12].

14


1.5. Đặc điểm địa hình vùng ven bờ
Địa hình khu vực bãi biển hải hậu có độ dốc thoải, tạo ra đới rộng làm
giảm năng lượng sóng [17], các đường đẳng sâu chạy dọc theo đường bờ.
Tuy nhiên, khu vực cửa Ba Lạt có độ dốc lớn và địa hình phức tạp tạo lên sự
mất trầm tích ở khu vực ngoài [25]. Độ dốc trung bình tính từ bờ đến độ
sâu khoảng 7-8m vào khoảng 1–1,6%. Xung quanh cửa Ba Lạt, gần các
bãi bồi có độ dốc khoảng 4% [25].

1.6. Chế độ dòng chảy
Các thành phần dòng chảy chủ yếu trong đới ven bờ bao gồm dòng
chảy phát sinh do sóng, dòng thủy triều, dòng chảy gió và chảy ra từ các cửa
sông. Những thành phần dòng chảy tương tác với địa hình hình tạo ra các
dạng hoàn lưu phức tạp [17]. Đường bờ của bờ biển Hải Hậu, chạy theo
hướng Đông Bắc-Tây Nam, hướng sóng chiếm ưu thế trong cả hai mùa đông
và mùa hè chủ yếu chéo so với đường bờ, hình thành dòng chảy sóng dọc bờ.
Tại bãi biển Hải Hậu, dòng chảy sóng có vai trò chủ đạo gây lên vận chuyển
trầm tích và thay đổi hình thái [17].
Theo tác giả Phạm Văn Ninh, vận tốc dòng chảy gió tại vùng biển ven

bờ Nam Định có thể đạt tới 25-30cm/s vào mùa đông và 10-15 cm/s vào mùa
hè [2].
Dòng triều thể hiện vai trò chủ đạo trong quá trình hình thành bãi triều
và lạch triều ở khu vực ven bờ và các đầm phá. Ở Vịnh Bắc Bộ, các sóng triều
truyền từ phía Nam đến Bắc, dẫn đến dòng triều hướng lên phía Bắc trong
thời gian của pha triều lên và hướng xuống phía Nam trong pha triều rút.
Dòng triều trung bình trong khu vực gần bờ, ở độ sâu khoảng 5m, có vận tốc
trong khoảng 25 đến 40cm/s. Vận tốc tối đa có thể đạt 60 đến 80cm/s [17]. Do
sự bất đối xứng của dòng triều ở khu vực ven bờ, thời gian triều lên ngắn hơn

15


so thời gian triều lên xuống, tương ứng 42% và 58% thời gian, dẫn đến dòng
triều thực hướng xuống phía Nam ở khu vực ven biển [24].
Đáng chú ý là dựa trên dữ liệu đo và mô hình số, Ninh, Quỳnh, Việt
Liên (2001) và Van Mar en và Hoekstra (2004) cho thấy hoàn lưu do gió quay
ngược chiều kim đồng hồ, trung tâm của nó nằm ở giữa Vịnh Bắc Bộ trong cả
mùa gió đông và mùa hè. Do đó, trong vùng ven bờ biển Hải Hậu, dòng dư
luôn hướng về phía nam. Như đã đề cập ở trên, tốc độ gió trong mùa đông là
mạnh hơn trong mùa hè và dòng chảy gió trong mùa đông lớn hơn trong mùa
hè [24].
Trong dự án SIDA, đặt 4 trạm đo tại khu vực biển ven bờ Hải Hậu
trong 2 các đợt (10 ngày mỗi đợt) năm 2005 và 2006, tháng 2 đặc trưng cho
mùa đông và tháng 8 đặc trưng cho mùa hè. Chế độ dòng chảy dựa trên các
đợt đo cho thấy dòng dư luôn hướng xuống phía Nam trong cả mùa đông và
mùa hè, ngoại trừ trạm S2. Dòng chảy trung bình trong các đợt đo khoảng
30cm/s và dòng chảy lớn nhất đạt khoảng 50–80 cm/s [12].

Hình 1.5. Chế độ dòng chảy dựa trên các đợt đo tại 4 trạm (2005 và 2006)

16


1.7. Diễn biến các cửa sông
Sông Hồng mang đến một lượng lớn trầm tích được thải vào vịnh Bắc
Bộ qua 7 cửa sông. Lượng trầm tích đổ ra biển hàng năm thay đổi theo mùa rõ
ràng. Lượng mưa trong mùa hè cao hơn rất nhiều so với mùa đông (khoảng
80% tổng lượng mưa hàng năm), dẫn đến tải lượng trầm tích được vận
chuyển vào mùa hè chiếm khoảng 91- 96% tổng tải lượng của năm. Tổng tải
lượng trầm tích do sông Hồng vận chuyển ra biển khoảng 75-100 triệu
tấn/năm. Trong đó, khoảng 30% bồi ở khu vực gần bờ tạo thành các bãi triều
(độ sâu dưới 2m) và các roi cát, phần còn lại vận chuyển qua các lạch triều ra
ngoài nước sâu (độ sâu 2m đến 30m [8], [17]... Tải lượng trầm tích do hệ
thống sông hồng được phân bố qua các của sông; cửa Văn Úc khoảng 19%,
cửa Thái Bình khoảng 6%, cửa Trà Lý khoảng 9%; cửa Ba Lạt khoảng 21%;
cửa Lạch Giang khoảng 6%, cửa Đáy khoảng 19%, và 20% cho tất cả các
phân lưu nhỏ hơn [24]. Một số hình ảnh về sự biến đổi các cửa sông [3];

Hình 1.7. Cửa sông Ba Lạt trong giai
đoạn 1965-2001

Hình 1.6. Cửa sông Ba Lạt trong giai
đoạn 1912-1965

17


Hình 1.9. Cửa sông Đáy trong giai
đoạn 1965-2001

Hình 1.8. Cửa sông Đáy trong giai đoạn
1921-1965

1.8. Tình hình xói lở và biến đổi đường bờ khu vực Hải
Hậu Nam Định
Bờ biển Hải Hậu từ cửa sông Sò đến cửa Ninh Cơ dài trên 27,42km đi
qua 7 xã: Hải Lộc, Hải Đông, Hải Lý, Hải Chính, Hải Triều, Hải Hoà và Hải
Thịnh. Đây là đoạn bờ sạt lở dài nhất, nghiêm trọng nhất ven bờ châu thổ
sông Hồng và Bắc Việt Nam.
Bờ biển Hải Hậu (Nam Định) bị xói sạt trên đoạn dài chừng 17km, tốc
độ trung bình 14,5m/năm; lớn nhất 20,5m/năm. Đến nay, có thể xác định
được Hải Hậu có 10,4 km bờ rất nguy hiểm, do tính xung yếu của đê kè và
mật độ dân cư tập trung cao [3], [15].
Đoạn bờ thuộc xã Hải Đông (dài khoảng 2,5km). Trong đó 1km đầu tiên
giáp xã Hải Lộc, bờ đang bị xói lở mạnh làm sập mái đê tạo vách đứng 2m.
Khoảng 1,5km đê thuộc làng Xuân Hà hiện đang bị xói lở, phía trước cồn cát
lộ ra lớp bùn nâu đỏ.

18


Đoạn bờ thuộc xã Hải Lý (dài 3km), với 1,8km đoạn phía Bắc giáp Hải
Đông tiếp giáp trực tiếp với biển nhờ các cồn cát, phi lao-dứa dại rộng 50100m. Phía trong là đường đê đất đắp cao không kè. Sạt lở bờ cát tự nhiên đã
tạo ra vách xói cao 0,6 – 1,0m. Khoảng 1,2km phía Nam đoạn bờ Văn Lý có
kè lát mái và kè ô vuông chống xói lở. Đoạn đê này hiện nay là đoạn đầu tiên
xuất hiện quá trình xói lở mãnh liệt nhất từ đầu những năm 70 của thế kỷ
trước. Hiện nay, tuyến đê biển 1 tại khu vực này hầu như bị phá hủy hoàn
toàn. Đoạn đê này thường bị phá huỷ nghiêm trọng ở nhiều giai đoạn, đặc biệt
vào mùa gió mùa Đông Bắc và bão.

Đoạn bờ thuộc xã Hải Chính (dài khoảng 3,4km), có 1,6km bờ đê tuyến
ngoài đã bị phá huỷ gần như hoàn toàn, chỉ còn 320m nền đê cũ sót lại ở đầu
phía Bắc nối tuyến giáp xã Hải Lý và 120m đê nối tuyến cũ sót lại ở phía Bắc
xã. Tuyến đê chính diện với sóng biển đã được kè lát mái PAM và đã hình
thành một tuyến đê trong cách 100-250m.
Đoạn bờ thuộc xã Hải Triều (dài khoảng 3,6km) có 2km đầu tiên giáp xã
Hải Chính cũng đang bị sạt lở nghiêm trọng. Tuyến đê ngoài đang bị phá hoại
với cường độ mạnh nhất vào những năm 80, vào thời kỳ cuối những năm 90
nhà thờ “Lái Tim” thuộc xóm Quang Phục bị phá huỷ hoàn toàn trước sóng
biển. Trong đoạn này có 1,2km kè bê tông của dự án PAM và 0,8km đê đang
được tu bổ, đắp cao và kè. Khoảng 1,5km đê còn lại phía Nam tương đối ổn
định bởi phía trước của tuyến đê ngoài có cồn cát - phi lao rộng 100m. Tuyến
đê trong đang được hình thành, cách 120m.
Đoạn bờ thuộc xã Hải Hoà (dài khoảng 4km) có 0,5km đầu tiên giáp xã
Hải Triều. Tuyến đê ngoài đã được kè bê tông theo dự án PAM, phía trước
mặt kè có cồn cát phi lao thưa rộng 40-70m. Tuyến đê phòng hộ phía trong
cách tuyến đê ngoài khoảng 200m. Trong cơn bão số 7/2005 khu vực Cồn

19


Tròn tại đây bị tràn trên chiều dài 40m, sau đó bị tràn vỡ tuyến đê chính,
chiều dài đê bị tràn vỡ trên 300m.
Đoạn bờ xã Hải Thịnh (dài 7km): Chiều dài 1,4km bờ phía Bắc giáp xã
Hải Hoà có di cồn cát-phi lao-dứa dại, rộng khoảng 50-100m áp sát đê biển.
Trong cơn bão số 7/2005 đoạn Hải Thịnh III (Thị trấn Thịnh Long): Vỡ chiều
dài 40m, lúc 11 giờ 53 phút, sau đó lỗ vỡ tiếp tục mở rộng thêm; chiều dài
đoạn đê vỡ tới 174m, có chỗ sâu tới (- 2,5)m; (kẹp giữa 2 đê có dân cư của
làng Tân Anh - thị trấn Thịnh Long. (trích dẫn từ “Báo cáo Hiện trạng sạt lở
bờ biển, phá hoại đê, kè biển Hải Hậu- Giao Thuỷ- Nam Định thời kỳ gần

đây”).

Hình 1.10. Các đoạn đường bờ bị xói

20


Chương 2. GIỚI THIỆU CÁC MÔ ĐUN TRONG HỆ THỐNG MÔ
HÌNH MIKE ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
CỦA LUẬN VĂN
2.1. Sơ lược về các bộ chương trình thủy động lực
Hiện nay, có rất nhiều mô hình, phần mềm tính toán quá trình thuỷ
động lực được xây dựng trên thế giới. Mỗi phần mềm đều có đặc thù riêng do
mối quan tâm cụ thể khác nhau. Vì vậy, nó cũng có những ưu điểm và hạn
chế riêng. Có thể kể đến một số phần mềm tiên tiến, giải quyết được khá đầy
đủ các mối quan tâm về đặc trưng thủy động lực vùng cửa sông, ven biển,
biển được áp dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam như sau:
Phần mềm SMS: do Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công trình
Quân đội Mỹ và Phòng Nghiên cứu Đường thuỷ và Phòng Nghiên cứu Thuỷ
động lực xây dựng. Phần mềm có thể tính toán dòng chảy một chiều, hai
chiều và ba chiều ổn định và không ổn định. SMS được có các hợp phần khác
nhau (SMS, manual, version 8.1):
•

RMA2, HIVEL2D và Flo2dh dùng để tính toán dòng chảy hai chiều
cho các khu vực trong sông và vùng cửa sông;

•

RMA10 và CH3D dùng để tính toán dòng chảy ba chiều cho các khu

vực trong sông và cửa sông;

•

ADCIRC và M2D dùng để tính toán dòng chảy trong các biển và đại
dương;

•

CGWAVE và BOUS2D dùng để tính toán sóng ổn định;

•

STWAVE dùng để tính toán sóng không ổn định;

•

RMA4 và SED2D-WES dùng để tính toán lan truyền chất ô nhiễm và
vận chuyển trầm tích;

•

HEC-RAS dùng để tính toán dòng chảy một chiều trong sông và trong
kênh hở.

21


Phần mềm Telemac: do Phòng Thủy động lực và Môi trường Quốc gia
(LNHE) thuộc Cục Nghiên cứu và Phát triển, Ủy ban Năng lượng Pháp (EDFDRD) xây dựng. TELEMAC được thiết kế để tính toán các quá trình vật lý

diễn ra trong sông, cửa sông và các vùng nước ven bờ. TELEMAC dựa trên
những kỹ thuật phần tử hữu hạn áp dụng cho lưới tam giác phi cấu trúc cho
phép mô tả thực tế với dạng đường bờ phức tạp và biến đổi độ sâu. Bộ
chương trình có thể áp dụng mô phỏng đối với cả nước mặt và nước ngầm.
Phần mềm bao gồm các mô đun sau (TELEMAC Packages, manual):
•

TELEMAC-2D: mô đun dòng chảy hai chiều;

•

TELEMAC-3D: mô đun dòng chảy ba chiều kết hợp với vận chuyển
trầm tích lơ lửng;

•

SUBIEF-2D: mô đun chất lượng nước và vận chuyển trầm tích lơ lửng
hai chiều;

•

SUBIEF-3D: mô đun chất lượng nước và vận chuyển trầm tích lơ lửng
ba chiều;

•

SISYPHE: mô đun vận chuyển trầm tích lơ lửng và dòng di đáy (không
kết dính);

•

ARTEMIS: mô đun tính toán thủy động lực cho vùng cảng;

•

TOMAWAC: mô đun tính sóng;

•

ESTEL-2D: mô đun thuỷ động lực nước ngầm hai chiều;

•

ESTEL-3D: mô đun thuỷ động lực nước ngầm ba chiều.
Phần mềm Delft3D: là hệ thống tổng hợp các mô đun thành phần của

Viện Thuỷ lực Delft – Hà Lan, bao gồm nhiều mô đun khác nhau và thể hiện
được mối quan hệ giữa các mô đun đó. Ngoài ra, còn có các công cụ hỗ trợ
như khác để biễu diễn kết quả tính toán, tạo lưới tính toán, nhập và xử lý các
số liệu đầu vào (Delft3D, manual 2002).
•

Delft3D FLOW: tính dòng chảy không ổn định

22


•

Delft3D WAVE: tính toán sự lan truyền sóng ngắn không ổn định ở

vùng nước nông, tính đến tác động của gió, sự tiêu tán năng lượng do ma
sát đáy, sóng vỡ, khúc xạ, hiệu ứng nước nông.

•

Delft3D-WAQ: tính toán chất lượng nước và lan truyền vật chất, sự
phát tán, phân huỷ, chuyển đổi giữa các chất ...

•

Delft3D-PART: đánh giá phân bố nồng độ theo quá trình động lực và
theo không gian và thời gian của các hạt.

•

Delft3D-ECO: mô hình sinh thái tính toán quá trình động lực phát triển
loài tảo và chất dinh dưỡng, …

•

Delft3D-SED: tính toán vận chuyển trầm tích, xói lở và bồi lắng trầm
tích kết dính, không kết dính, hữu cơ và vô cơ, lơ lửng và đáy.

•

Delft3D-MOR: tính toán biến đổi hình thái đáy biển do sự chênh lệch
vận chuyển trầm tích, là hệ quả của tác động của cả dòng chảy và sóng.
Phần mềm Mike Zero: được phát triển bởi Viện Tài nguyên và Môi

trường nước Đan Mạch (DHI Water & Environment), MIKE Zero là tên

chung của tất cả các mô hình liên quan đến môi trường nước của DHI, bao
gồm (Mike Zero, manual, 2008):
•

MIKE 11 - mô hình 1 chiều cho sông và kênh;

•

MIKE 21 - mô hình 2 chiều cho cửa sông, vùng nước ven bờ và biển;

•

MIKE 31 - mô hình 3 chiều cho biển sâu, vùng cửa sông và ven bờ;

•

LITPACK - mô hình cho các quá trình ở vùng ven biển, đường bờ;

•

MIKE SHE - mô hình thủy văn cho lưu vực sông.
Ở Việt Nam cũng có nhiều tổ chức, cơ quan, tiến hành xây dựng các

mô hình toán tính dòng chảy và chất lượng nước 2 chiều. Tuy nhiên. các mô
hình đó chủ yếu phục vụ cho mục đích nghiên cứu chưa đạt được yêu cầu ứng
dụng trong thực tiễn, kể cả về tính tăng, độ tin cậy và sự thuận tiện trong việc
khai thác. Đặc biệt, các mô hình chất lượng nước vẫn đang ở mức độ sơ khai.

23

Hầu như chỉ có một số mô hình tính toán sự lan truyền của các chất bảo toàn,
như độ mặn là đảm bảo độ tin cậy, còn đối với các chất không bảo toàn như
trầm tích (có sự tương tác giữa nước và nền đáy), chất gây ô nhiễm (có sự
phân huỷ vật chất) thì chưa đạt được độ tin cậy cần thiết. Ngoài ra, việc quan
trắc và thu thập các số liệu để hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình chất
lượng nước rất khó khăn và tốn kém; điều đó cũng hạn chế sự phát triển của
các mô hình này.
Một xu hướng phổ biến ở Việt Nam trong thập kỷ qua là chuyển giao
và áp dụng các phầm mềm thương mại tiên tiến trên thế giới. Việc tiếp cận
đến các phần mềm tiên tiến như vậy đã hỗ trợ giải quyết được một số bài toán
trong thực tế (như kiểm soát lũ, thiết kế cảng, quản lý nguồn thải ...), đồng
thời nâng cao năng lực của các chuyên gia phần mềm trong nước. Các phần
mềm thương mại trên thế giới liệt kê ở trên đã được chuyển giao cho một số
cơ quan khác nhau ở Việt Nam và được áp dụng cho một số vùng của Việt
Nam.
Phần mềm Delft3D đã được chuyển giao cho các cơ quan của Việt nam
như: Viện Nghiên cứu và Kinh tế Thuỷ lợi, Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn,
Viện Nghiên cứu Tài nguyên và Môi trường biển (Hải Phòng), Viện Khí
tượng Thủy văn (Bộ TN&MT) ... và được áp dụng trong một số nghiên cứu
như: Mô phỏng chất lượng nước Hồ Tây (Luận án Tiến sĩ của TS. Hoàng
Dương Tùng - Cục Bảo vệ Môi trường; 2004); hay: Ứng dụng mô hình
Delft3D nghiên cứu sự ảnh hưởng của thủy triều đến hình thái cửa sông ven
biển Hải Phòng (ThS. Nguyễn Thị Phương Thảo - Viện Khoa học Thuỷ lợi,
2003).
Phần mềm Mike Zero cũng đã được chuyển giao cho một số cơ quan:
Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, Viện Nghiên cứu và Kinh tế Thuỷ lợi, Viện Thiết
kế Giao thông và Công trình Đường thuỷ, Viện Công nghệ Môi trường ... Một

24

số mô đun của phần mềm đã được tính toán và áp dụng trong một số đề tài:
Trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước KC08.11, Trung tâm Động
lực Sông thuộc Viện Khoa học Thủy lợi đã ứng dụng Mike21C cho bốn khu
vực trọng điểm trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình trong việc đánh
giá những biến động về thủy lực, bùn cát và diễn biến lòng dẫn dưới những
kịch bản về địa hình, về dòng chảy khác nhau. Năm 2006 - 2007, trong khuôn
khổ của đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới (MIKE 21) vào
đánh giá và dự báo phòng chống sạt lở bờ sông (miền Bắc, miền Trung, miền
Nam)” với 2 trọng điểm ở miền Bắc được lựa chọn là đoạn sông ngã ba Thao
- Đà, đã ứng dụng mô hình Mike 21 vào đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn
ở 2 khu vực. Dự án “Thiết lập quy hoạch cơ bản phát triển sông Hồng đoạn
qua Hà Nội” là một dự án quy hoạch lớn có sự phối hợp thực hiện giữa các
chuyên gia Hàn Quốc và Việt Nam. Một trong những nội dung quan trọng của
Dự án là sử dụng mô hình toán để đánh giá hiệu quả về khả năng thoát lũ và
dự báo mức độ bồi, xói lòng sông khi thực hiện các phương án quy hoạch
tuyến đê mới và chỉnh trị lòng dẫn trên đoạn sông Hồng dài 40km thuộc địa
phận thành phố Hà Nội. Sau khi phân tích các ưu nhược điểm của một số mô
hình, Dự án đã lựa chọn mô hình Mike 21.
Ngoài ra, mô hình MIKE 21 còn được ứng dụng trong nghiên cứu chế
độ thuỷ lực do Công ty Thiết kế và Xây dựng Cảng đường thuỷ thực hiện năm
2001; đánh giá ảnh hưởng của đập ngăn mặn Hà Ra, xóm Bóng đối với thoát
lũ sông Cái Nha Trang- Viện Khoa học Thuỷ lợi thực hiện, năm 2006.
Các phần mềm khác cũng được chuyển giao cho một số cơ quan và
viện nghiên cứu khác như: Phần mềm SMS được chuyển giao cho Đại học
Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Viện Cơ học. Phần mềm TELEMAC được
chuyển giao cho Viện Cơ học, Đại học Đà Nẵng.

25