Mô hình toán mô phỏng trưng độ cao sóng và dòng chảy do sóng vùng biển Thuận An Hòa Duân tỉnh Thừa Thiên Huế

phụ Lục III
Mô hình toán mô phỏng trờng độ cao sóng và
dòng chảy do sóng vùng biển Thuận An - Hòa
Duân tỉnh Thừa Thiên Huế


II. Phơng pháp tính toán
2.1. Cơ sở lý thuyết và giới thiệu các phần mềm tính toán MIKE
21 NSW và MIKE 21 EMS.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế là phải tính toán đến sự ảnh hởng
của sóng vào khu vực dự án, với các trờng hợi bất lợi nhất nh khi có bão,
gió mùa ..... Nên trờng sóng trong khu vực nghiên cứu cần phải tính
đến trờng sóng đợc truyền từ ngoài khơi, trờng sóng do gió tại địa
phơng sinh ra. Để tính toán đợc sự ảnh hởng của trờng sóng truyền từ
ngoài khơi thì miền tính phải dủ lớn và rộng ra phía ngoài khơi để
có thể coi sóng ngoài khơi là sóng nớc sâu. Mặt khác biên hai bên về
phía khu vực có công trình phải càng xa công trình càng tốt để
tránh những sai số ảnh hởng. Hơn nữa hiện nay có nhiều phơng pháp
để tính toán ảnh hởng của công trình cũng nh sự tác động của sóng
lên công trình bằng phơng pháp hiện đại. Voí điều kiện hạn chế về
tốc độ máy tính hiện nay cũng nh về khả năng đáp ứng số liệu đầu
vào. Nên chúng tôi lựa chọn miềm tính với kích thớc 91 km X 63,1km
với bớc lới 100 m nh trình bày trên Hình 2.1.1 để tính toán cho trờng
sóng lớn khúc xạ bằng phần mềm MIKE 21 NSW và miền tính nhỏ hơn
với bớc lới 5 km khu vực bố trí công trình bằng phần mềm MIKE 21
EMS. Cơ sở về lý thuyết của các phần mềm này độc giả có thể tham
khảo trong các tài liệu [1, 2]. Các phần mềm này trớc khi đợc đa vào
áp dụng sẽ đợc kiểm định trong điều kiện thực tế cho phép và sẽ đợc
trình bày trong các mục sau. Các phần mềm này đề là những phần
mềm tiên tiến và hiện đại do DHI (Dan Mạch) sản suất và đâ đợc áp
dụng rộng rãi ở trong và nhiều nớc trên thế giới.

2.2. Kiểm định mô hình MIKE 21 NSW.
Việc thẩm định mô hình tính toán trờng sóng khúc xạ và nhiễu
xạ hiện nay còn rất hạn chế do những lý do thực tế nh:
Phải có ít nhất 2-3 trạm đo sóng tự ghi liên tục trong trhời gian
1-2 ngày đồng thời phải có trạm đo sóng ngoài vùng nớc sâu và trong
vùng nớc nông.
Trong thời gian đo sóng để kiểm định, thời tiết phải tơng đối
ổn định nghĩa là trờng gió phải khá đồng nhất để tránh những
nhiễu động sóng hình thành tại địa phơng.
Trong hoàn cảnh hiện nay chúng ta thực sự cha có đợc những
chuỗi số liệu có đủ các yêu cầu nêu trên. Tuy nhiện Trung tâm
ĐLCSVB&HĐ, Viện KHTL đẫ tiến hành quan trắc sóng tại ven bờ biển
Thuận An-Hoà Duân từ ngày 16 tháng 4 năm 1999 đến 23 tháng 4
năm 1999 tại trạm V4 (Hình 2.2.1). Để lựa chọn gió làm tham số tính
toán sóng cho vùng biển sâu, chúng tôi lựa chọn đợc 5 ngày có hớng
gió và vận tốc gió tơng đối ổn định: 14, 15, 16, 17 và 19 tháng 4
năm 1999 tại trạm KTTV Cồn cỏ. Vì trạm Cồn Cỏ đã đợc nghiên cứu và


tính toán trong phụ lục I nên chúng tôi sử dụng số liệu gió tại Cồn Cỏ là
đại diện cho gió tại vùng nớc để tính toán cho sóng ngoài khơi. Số liệu
quan trắc gió 4 obs tại trạm Cồn Cỏ đợc trình bày trên Bảng 2.2.1.


Bảng 2.2.1. Số liệu quan trắc gió tại trạm cồn cỏ 10 mét trên
mặt biển.
Ngày/G
iò

1

14
15
16
17
18
19
20

ESE
SE
SSE
SW
SE

7
0
4
4
5
0
3
1

W
ESE
SSW
SSW
SSW
SE

13
5
1
2
4
2
0
4

ENE
E
E
E
E
ESE

19
4
1
3
4
4
0
5

SE
SE
SE
SW

ESE

Vtb
5
0
4
5
1
0
6

3.5
1.5
3.25
4.5
1.75
0.75
4.0

Để tính toán các tham số sóng đầu vào chúng tôi sử dụng phần
mềm ACESS của mỹ. Gió ở đây chúng tôi lấy giá trị trung bình của 4
obs quan trắc trên Bảng 2.2.1 nh trình bày trên Bảng 2.2.1.
Đây là phần mềm đã đợc hiệu chỉnh, kiểm chứng nhiều đồng
thời đang đợc sử dụng rộng rãi ở cả nớc ta vả trên thế giới để tính
toán và dự báo sóng tại vùng biển. Kết quả tính toán sóng vùng nớc sâu
cho từng ngày đợc thể hiện trên các Bảng 2.2.2.
Bảng 2.2.2: Sóng nớc sâu khu vực Thuận An-Hoà Duân
Ngày 14/4/1999
_______________________________________________________________________
WIND ADJUSTMENT and WAVE GROWTH

Elevation of Observed Wind
Observation Type
Observed Wind Speed
Air-Sea Temp. Difference
(ship)
Duration of Observed Wind
Duration of Final Wind
Latitude of Observation
Length of Wind Fetch
Equations
Equiv. Neutral Wind Speed
Adjusted Wind Speed
Fetch
Wave Height
Wave Period
Developed

Zobs:

10.00

meters

Wind

Uobs:
delT:

3.50
25.00

mps
deg C

------------Overwater

DurO:
DurF:
LAT:
F:

24.00
24.00
17.00
20.00

hr
hr
deg
mi

Wave Growth

Ue:
Ua:

2.39
2.28

mps

mps

------------Open Water

Hm0:
Tp:

0.14
1.98

m
sec

Deep-water
Fully-

Ngày 15/4/1999
_______________________________________________________________________
WIND ADJUSTMENT and WAVE GROWTH


Elevation of Observed Wind
Observation Type
Observed Wind Speed
Air-Sea Temp. Difference
(ship)
Duration of Observed Wind
Duration of Final Wind
Latitude of Observation
Length of Wind Fetch

Equations
Equiv. Neutral Wind Speed
Adjusted Wind Speed
Fetch
Wave Height
Wave Period
Developed

Zobs:

10.00

meters

Wind

Uobs:
delT:

1.50
25.00

mps
deg C

------------Overwater

DurO:
DurF:
LAT:

F:

24.00
24.00
17.00
20.00

hr
hr
deg
mi

Wave Growth

Ue:
Ua:

0.07
0.06

mps
mps

------------Open Water

Hm0:
Tp:

0.00
0.06

m
sec

Deep-water
Fully-

Ngµy 16/4/1999
_______________________________________________________________________
WIND ADJUSTMENT and WAVE GROWTH
Elevation of Observed Wind
Observation Type
Observed Wind Speed
Air-Sea Temp. Difference
(ship)
Duration of Observed Wind
Duration of Final Wind
Latitude of Observation
Length of Wind Fetch
Equations
Equiv. Neutral Wind Speed
Adjusted Wind Speed
Fetch
Wave Height
Wave Period
Developed

Zobs:

10.00

meters

Wind

Uobs:
delT:

3.25
25.00

mps
deg C

------------Overwater

DurO:
DurF:
LAT:
F:

24.00
24.00
17.00
20.00

hr
hr
deg
mi

Wave Growth

Ue:
Ua:
Hm0:
Tp:

1.96 mps
1.85 mps
0.10
1.63

m
sec

------------Open Water
Deep-water
Fully-

Ngµy 17/4/1999
_______________________________________________________________________
WIND ADJUSTMENT and WAVE GROWTH
Elevation of Observed Wind
Observation Type
Observed Wind Speed
Air-Sea Temp. Difference
(ship)
Duration of Observed Wind
Duration of Final Wind

Latitude of Observation
Length of Wind Fetch
Equations
Equiv. Neutral Wind Speed
Adjusted Wind Speed
Fetch

Zobs:

10.00

meters

Wind

Uobs:
delT:

4.50
25.00

mps
deg C

------------Overwater

DurO:
DurF:
LAT:
F:

24.00
24.00
17.00
20.00

hr
hr
deg
mi

Wave Growth

Ue:
Ua:

3.87 mps
3.89 mps

------------Open Water


Wave Height
Wave Period

Hm0:
Tp:

0.36
3.12

m
sec

Deep-water
Fetch-limited

Ngµy 18/4/1999
__________________________________________________________________
WIND ADJUSTMENT and WAVE GROWTH
Elevation of Observed Wind
Observation Type
Observed Wind Speed
Air-Sea Temp. Difference
(ship)
Duration of Observed Wind
Duration of Final Wind
Latitude of Observation
Length of Wind Fetch
Equations
Equiv. Neutral Wind Speed
Adjusted Wind Speed
Fetch
Wave Height
Wave Period
Developed

Zobs:

10.00

meters

Wind

Uobs:
delT:

1.75
25.00

mps
deg C

------------Overwater

DurO:
DurF:
LAT:
F:

24.00
24.00
17.00
20.00

hr
hr
deg
mi

Wave Growth

Ue:
Ua:

0.13
0.11

mps
mps

------------Open Water

Hm0:
Tp:

0.00
0.11

m
sec

Deep-water
Fully-

Ngµy 19/4/1999
_______________________________________________________________________
WIND ADJUSTMENT and WAVE GROWTH
Elevation of Observed Wind

Observation Type
Observed Wind Speed
Air-Sea Temp. Difference
(ship)
Duration of Observed Wind
Duration of Final Wind
Latitude of Observation
Length of Wind Fetch
Equations
Equiv. Neutral Wind Speed
Adjusted Wind Speed
Fetch
Wave Height
Wave Period
Developed

Zobs:

10.00

meters

Wind

Uobs:
delT:

0.75
25.00

mps
deg C

------------Overwater

DurO:
DurF:
LAT:
F:

86400.00
86400.00
17.00
32186.88

hr
hr
deg
mi

Wave Growth

Ue:
Ua:

0.00
0.00

mps
mps

------------Open Water

Hm0:
Tp:

0.00
0.00

m
sec

Deep-water
Fully-

UNABLE TO CONVERGE ON MONIN-OBUKHOV LENGTH (L)

Ngµy 20/4/1999
___________________________________________________________________
WIND ADJUSTMENT and WAVE GROWTH
Elevation of Observed Wind
Observation Type
Observed Wind Speed

Zobs:

10.00

Uobs:

4.00

meters

Wind

mps

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


Air-Sea Temp. Difference
(ship)
Duration of Observed Wind
Duration of Final Wind
Latitude of Observation
Length of Wind Fetch
Equations
Equiv. Neutral Wind Speed
Adjusted Wind Speed
Fetch
Wave Height
Wave Period
Developed

delT:

25.00

DurO:

DurF:
LAT:
F:

24.00
24.00
17.00
32186.88

Ue:
Ua:
Hm0:
Tp:

deg C

Overwater

hr
hr
deg
mi

Wave Growth

3.16 mps
3.10 mps
0.25
2.62

m
sec

------------Open Water
Deep-water
Fully-

Hiệu chỉnh mô hình MIKE 21 NSW vùng ven biển Thuận An-Hoà
Duân
Để hiệu chỉnh mô hình MIKE 21 NSW chúng tôi tiến hành tính
toán trờng sóng khúc xạ vùng biển Thuận An - Hoà Duân bằng các số
liệu sóng đầu vào trình bày trên Bảng 2.2.1. Đối với phần mềm
MIKE21 NSW miền tính toán phải đợc xoay và bố trí nh Hình 2.2.1.
Cần phải nhận thấy rằng những sai số về độ cao cũng nh chu kỳ sóng
hiện nay khi đa vào làm đầu vào tính toán không thể khắc phục đợc
vì với lợng số liệu quá ngắn trong khi đó trờng sóng và gió mà thực tế
quan trắc biến đổi về độ cao, chu kỳ và tốc độ theo từng giờ đồng
thời khi lấy số liệu để tính toán sóng ngoài khơi chúng tôi phải lấy
một con sóng với độ cao nhất định và chu kỳ nhất định. Hình 2.2.3
thể hiện sự so sánh độ cao sóng quan trắc và tính toán tại trạm V4.
Với các kết quả thu đợc có thể khẳng định mô hình tính toán sự lan
truyền sóng trong khu vực tơng đối đảm bảo độ chính xác. Vì số
liệu trạm quan trắc còn ít và sóng tơng đối nhỏ không quan trắc hớng nên chúng tôi cha có điều kiện để đánh giá và so sánh hớng
sóng.


N

H×nh 2.1.1. B¶n ®å ®é s©u vµ miÒn tÝnh trêng sãng lín khu vùc
ThuËn An- Hoµ Du©n.

Đầm Cầu

N
Trạm V4

N

Phá Tam

Hình 2.2.1: Vị tri quan trắc sóng, gió V4 khu vực Thuận An-Hoà
Duân (tọa độ i=483, j=323)


H×nh 2.2.2. So s¸nh ®é cao sãng quan tr¾c vµ tÝnh to¸n b»ng m«
h×nh MIKE 21 NSW


III. Kết quả tính toán
3.1. Kết quả mô phỏng tính toán trờng khúc xạ sóng trong
điều kiện tự nhiên vùng ven bờ biển Thuận An-Hòa Duân
bằng phần mềm MIKE21 NSW.
Theo kết quả tính toán trong phần "Báo cáo kết quả tính toán
xác định các thông số Động lực biển", chúng tôi tiến hành tính toán
cho 3 hớng sóng chính N, NE và E với các tham số sóng nh trình bày
trong Bảng 3.1.1. Mực nớc đợc lấy là 2.5 mét theo hệ cao độ Quốc gia.
Bảng 3.1.1. Các yếu tố sóng tính toán ngoài khơi (sóng có
nghĩa Hs)
Hớng

N
NE
E

Độ cao (m)
10,68
10,68
10,68

Chu kỳ (s)
10,83
10,83
10,83

Phuwong án
NO1
NO2
NO3

Trờng khúc xạ sóng, hớng, độ cao thể hiện bằng các véc tơ khu
vực ven bờ Thuận An-Hòa Duân đợc thể hiện trên các Hình 3.1.13.1.3.
Vì miền tính toán rất lớn (631 x 901) ô nên chúng tôi chỉ trích
in độ sâu (hệ cao độ Quốc gia đồng thời độ cao sóng, hớng sóng
cho ở phạm vi theo trục x từ ô 450-500 và theo trục y từ 250-350 trên
các Bảng 3.1.2, 3.1.8. Trong các Bảng 3.1.2-3.1.8 độ sâu và độ cao
sóng tính bằng mét và góc tính theo chiều kim đồng hồ từ trục y
đến hớng sóng ngoài khơi.
Từ kết quả tính toán có thể nhận thấy rằng:
- Sóng hớng N tạo ra các vùng hội tụ ở khu vực bãi tắm Thuận An Hoà Duân. Sóng hớng NE và E tạo ra các vùng hội tụ ở khu vực bãi tắm
Thuận An - Hoà Duân và Hải Dơng. Gây xói lở mạnh tại những vùng

hội tụ. Đặc biệt là sóng NE có tần suất 95% lại tác dụng trực diện
vuông góc với bờ.


H×nh 3.1.1. Trêng ®é cao vµ híng sãng khu vùc ThuËn An Hoµ Du©n trong ph¬ng ¸n NO1(sãng híng B¾c).


H×nh 3.1.2. Trêng ®é cao vµ híng sãng khu vùc ThuËn An Hoµ Du©n trong ph¬ng ¸n NO2 (sãng híng §«ng B¾c).


H×nh 3.1.3. Trêng ®é cao vµ híng sãng khu vùc ThuËn An Hoµ Du©n trong ph¬ng ¸n NO3 (sãng híng §«ng).


B¶ng 3.1.2. TrÝch ®é s©u khu vùc tÝnh to¸n (hÖ cao ®é Quèc
gia, ®é s©u tÝnh b»ng mÐt).
B¶ng 3.1.3. TrÝch ®é cao sãng khu vùc tÝnh to¸n trêng hîp NO1 (
®é cao sãng tÝnh b»ng mÐt).
B¶ng 3.1.4. TrÝch híng sãng khu vùc tÝnh to¸n trêng hîp NO1. Híng sãng tÝnh b»ng ®é theo chiÒu kim ®ång hå vµ hîp víi trôc y nh
tr×nh bµy díi ®©y.

Y

MiÒn tÝnh to¸n

Gãc cña sãng

X

Tia sãng
B¶ng 3.1.5. TrÝch ®é cao sãng khu vùc tÝnh to¸n trêng hîp NO2 (

®é cao sãng tÝnh b»ng mÐt).
B¶ng 3.1.6. TrÝch híng sãng khu vùc tÝnh to¸n trêng hîp NO2. Híng sãng tÝnh b»ng ®é theo chiÒu kim ®ång hå vµ hîp víi trôc y nh
tr×nh bµy díi ®©y.


B¶ng 3.1.7. TrÝch ®é cao sãng khu vùc tÝnh to¸n trêng hîp NO3 (
®é cao sãng tÝnh b»ng mÐt).
B¶ng 3.1.8. TrÝch híng sãng khu vùc tÝnh to¸n trêng hîp NO3. Híng sãng tÝnh b»ng ®é theo chiÒu kim ®ång hå vµ hîp víi trôc y nh
tr×nh bµy díi ®©y.


3.2. Kết quả mô phỏng trờng độ cao sóng và dòng chảy do
sóng vùng ven bờ Thuận An-Hòa Duân trong điều kiện tự
nhiên và có công trình bằng phần mềm MIKE21 EMS.
3.2.1. Trờng hợp trong điều kiện tự nhiên
Bảng 3.2.1: Các phơng án tính toán trờng độ cao sóng và
dòng chảy sóng cho các phơng án tự nhiên (không có công
trình) với lới tính 5x5m.

TT

PA

Khu vực

Hớng
sóng

1

PO1

2

PO2

3

PO3

E

4

PO4

N

5

PO5

6

PO6

Ghi chú

N
Hải Dơng

Hoà Duân

NE

NE
E

Không có đê
chắn sóng và
không có công
trình bảo vệ bờ
biển.

Kết quả tính toán trờng dòng chảy sóng trên miền nhỏ thể hiện
trên các hình từ hình 3.2.1.1 đến 3.2.1.6.
Từ kết quả tính toán có thể nhận thấy rằng:
- Trong điều kiện tự nhiên sóng hớng N và NE (phơng án PO2,
PO4 và PO5) dễ gây bồi lấp cửa Thuận An hơn cả đặc biệt là sóng hớng N.
- Tại các vùng sát bờ dọc bờ biển từ Hải Dơng - Hoà Duân dới tác
dụng của sóng hình thành những vùng sóng đổ, nơi mà sự xáo trội
xói lở và vận chuyển bùn cát xẩy ra mạnh mẽ.


H×nh 3.2.1.1: Trêng dßng ch¶y song ph¬ng ¸n PO1


H×nh 3.2.1.2: Trêng dßng ch¶y sãng ph¬ng ¸n PO2

H×nh 3.2.1.3: Trêng dßng ch¶y sãng ph¬ng ¸n PO4


H×nh 3.2.1.4: Trêng dßng ch¶y sãng ph¬ng ¸n PO4


H×nh 3.2.1.5: Trêng dßng ch¶y sãng ph¬ng ¸n PO5


H×nh 3.2.1.6: Trêng dßng ch¶y sãng ph¬ng ¸n PO6


3.2.2. Trờng hợp có công trình
Các phơng án tính toán trong trờng hợp có công trình đợc trình bày
trên Bảng 3.2.2.
Bảng 3.2.2 : Các phơng án tính toán trờng độ cao sóng và
dòng chảy sóng cho các phơng án công trình với lới tính 5 x 5m
TT

PA

Khu vực

Phơng án CT

Hớng
sóng

Ghi chú

1

PA1

AIII

N

2

PA2

AIII

NE

3

PA3

AIII

E

4

PA4

AII

NE

5

PA5

AII

E

6

PA6

HI

N

7

PA7

HI

NE

8

PA8

HII

N

9

PA9

HII

NE

AIII

NE

AIII

E

Không đê chắn
sóng bờ Nam

HI

N

HI

NE

Không đê chắn
sóng bờ Bắc

10

PA10

11

PA11

12

PA12

13

PA13

Hoà Duân

Hải Dơng
Hoà Duân

Hải Dơng

Có đê chắn
sóng bờ Nam
(TEDI)

Có đê chắn
sóng bờ Bắc
(TEDI)

Các kết quả tính toán về trờng dòng chảy sóng cho thấy:
Đối với khu vực cửa Thuận An - Hải Dơng dòng chảy sóng hớng
Bắc (hình 3.2.2.12,3.2.2.16 ) trong bão đạt từ 1-2m/s theo hớng Tây
Bắc - Đông Nam tạo thành quá trình vận chuyển bùn cát cục bộ từ
phía Bắc tới phía Nam cửa Thuận An. Dòng chảy sóng hớng Đông Bắc
(hình 3.2.2.14, 3.2.2.18) tạo thành 2 xoáy khá lớn ngay phía trớc cửa
Thuận An. Dòng chảy sóng hớng Đông bắc (hình 3.2.2.14, 3.2.2.18) tạo
thành xoáy ngay tại Hải Dơng và dòng chảy sóng có hớng Tây Nam Đông Bắc. Dới tác động của dòng chảy sóng sẽ gây xói lở bờ biển xã
Hải Dơng và tạo ra các khu vực bồi đối diện vùng bờ lõm cách xa bờ từ


200 ữ 500m. Quá trình xói sẽ tiếp tục phát triển không ngừng lại nếu
không có biện pháp lập lại cân bằng của đờng bờ trớc lũ 1999. Tại khu
vực đờng bờ đổi hớng dòng chảy sóng sẽ tạo các vùng bồi vuông góc với
bờ.
Tại vùng cửa Thuận An các vùng xoáy cách cửa 800 ữ 1000m tại điều
kiện hình thành các bãi bồi trớc cửa.
Đối với khu vực bờ biển từ Thuận An - Hoà Duân:
Trờng dòng chảy sóng do sóng hớng N và E (hình 3.2.2.2, 3.2.2.6,
3.2.2.10) hình thành ra các dòng chảy ven bờ tơng ứng có hớng SE NW và ngợc lại với vận tốc đạt tới 1ữ 2m/s. Dới tác dụng của sóng NE
(hình 3.2.2.4, 3.2.2.8): phía Nam cửa Thuận An (khu B) hình thành
các vùng xoáy lớn kéo dài cách bờ 200ữ 300m đến 2000m tạo điều
kiện bồi đọng. Vùng bãi tắm Thuận An - Hoà Duân phía sát bờ dòng
chảy gây xói lở và cách xa bờ 300 ữ 500m hình thành các khu xoáy
ngay phía ngoài tạo ra các vùng bồi tụ.

Kết quả tính toán dòng chảy ven bờ do sóng cũng cho phép
xác định vận tốc cực đại của dòng dọc bờ đợc trình bày trên bảng
3.2.3. và các hình từ 3.2.2.1đến hình 3.2.2.26.

Bảng 3.2.3. Vận tốc cực đại dòng chảy dọc bờ.

Vị trí mặt
cắt
Vmax (m/s)

9

9.5

10

10.
5

11

11.
5

12.
5

13

13.

5

14

15

2.1

1.9

1.9
0

1.6
0

2.4
0

2.5

2.6

2.0

2.6

2.8

3.2

1080

100
0

110 400
0

400

950

400

380

400

200

Khoảng
800
cách từ bờ
(m)
Địa danh

Hải Dơng

Cửa Thuận An

Xã Thuận An

Bãi tắm