(Luận văn thạc sĩ) 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 luận văn ths hải dượng học 60 44 97

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Dương Cơng Điển

TÍNH TỐN VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỘNG ĐÁY
BIỂN TẠI VÙNG LÂN CẬN CƠNG TRÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA
SÓNG VÀ DÕNG CHẢY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Dương Cơng Điển

TÍNH TỐN VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỘNG ĐÁY
BIỂN TẠI VÙNG LÂN CẬN CƠNG TRÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA
SÓNG VÀ DÕNG CHẢY

Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 60 44 97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS. Nguyễn Minh Huấn

Hà Nội - 2012


MỤC LỤC
MỞ ĐẤU ………………………………………………………………………….. 1
Chương 1 – TỔNG QUAN ……………………………………………………….. 2
1.1. Đặt vấn đề …………………………………………………………. 2
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ……………………………………………….. 3
1.3. Giới hạn nghiên cứu ……………………………………………….. 3
1.4. Phương pháp nghiên cứu …………………………………………… 4
Chương 2 – ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ HIỆN TRẠNG CƠNG TRÌNH BẢO VỆ
BIỂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU ……………………………….

5

2.1. Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng thủy văn khu vực cửa Thuận
An ………………………………………………………………….

6

2.2. Hiện trạng công trình bảo vệ bờ tại cửa Thuận An…………………... 6
Chương 3 – MƠ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH
TỐN ……………………………………………………………….

9

3.1. Cơ sở lý thuyết CMS-flow………………………………………….. 9
3.2. Cơ sở lý thuyết CMS-wave ………………………………………… 19

3.3. Kết nối giữa CMS-flow và CMS-wave …………………………….. 22
3.4. Thiết lập lưới tính, điều kiện biên, điều kiện ban đầu ……………… 22
3.5. Phân tích số liệu, xây dựng kịch bản tính tốn……………………… 27
3.6. Thiết lập các thơng số và hiệu chỉnh mơ hình …………………….. 33
3.7. Kết quả tính tốn …………………………………………………… 40
KẾT LUẬN ……………………………………………………………………… 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………. 56

i


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình1: Bản đồ khu vực phá Tam Giang – Cầu Hai ……………………………… 5
Hình2. Hệ thống kè biển tại cửa Thuận An ……………………………………… 7
Hình 3. Chi tiết kết cấu kè (S1, S2 và B) tại phía bờ bắc cửa Thuận An…………. 7
Hình 4. Chi tiết kết cấu kè (N) tại bờ nam cửa Thuận An……………………….. 8
Hình 5. Lưới tính CMS-wave với biên sóng nước sâu và vị trí của kè biển .......... 23
Hình 6. Lưới tính CMS-flow với biên mực nước và vị trí các kè biển ................. 24
Hình 7. Lưới tính CMS-flow tại khu vực cửa Thuận An với địa hình đáy biển ..... 25
Hình 8. Vị trí các kè trong miền tính ..................................................................... 26
Hình 9. Dao động mực nước trong một chu kỳ triều tại Thuận An ........................ 27
Hình 10. So sánh độ cao sóng tính tốn và đo đạc tại trạm MSP-1 thời gian: 10 12/2002 ................................................................................................... 28
Hình 11. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính tốn và đo đạc trong cơn bão frankie
7/1996........................................................................................................ 28
Hình 12. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính tốn và đo đạc trong cơn bão Wukong
9/2000 ....................................................................................................... 28
Hình 13. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính tốn và đo đạc trong cơn bão Linda
11/1997 ....................................................................................................... 29
Hình 14. Vị trí điểm lấy các tham số sóng nước sâu.............................................. 29
Hình 15. Hoa sóng tại trạm ngồi khơi trong nhiều năm ....................................... 30

Hình 16. Hoa sóng tại trạm ngồi khơi trong mùa gió đơng bắc và mùa gió tây nam
................................................................................................................... 31
Hình 17. Quy định về hướng sóng trong mơ hình CMS-wave............................... 32
Hình 18. Vị trí các trạm quan trắc dao động mực nước và dịng chảy 21/4/2007... 34
Hình 19. Thiết lập các thơng số chính của CMS-wave .......................................... 34
Hình 20. Điều kiện phổ sóng tại biên CMS-wave ................................................. 35
Hình 21. Thiết lập các thơng số chính trong mơ hình CMS-flow........................... 35
Hình 22. Các thơng số tính tốn vận chuyển trầm tích........................................... 36
Hình 23. Điều kiện biên dao động mực nước ....................................................... 36
Hình 24. Giao diện điều khiển tính tốn cặp đồng thời giữa hai mơ hình ............. 37
Hình 25. So sánh mực nước tính tốn và đo đạc tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến
10 giờ ngày 22/4/2007 ................................................................................ 37
Hình 26. So sánh tốc độ dịng chảy tính tốn với tốc độ dịng chảy đo đạc tại các
tầng mặt, giữa và đáy tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày
22/4/2007 .................................................................................................. 38
Hình 27. So sánh hướng dịng chảy tính tốn với hướng dịng chảy đo đạc tại các
tầng mặt, giữa và đáy tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày
22/4/2007.................................................................................................... 38

ii


Hình 28. Trường dịng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều lên........... 39
Hình 29. Trường dịng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều xuống...... 39
Hình 30. Kết qủa tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 120
đến 150 độ......................................................... ...................................... 40
Hình 31. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày
dưới tác động của sóng có hướng từ 120 đến 150 độ.... ............................. 41
Hình 32. Kết qủa tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 90
đến 120 độ......................................................... ......................................... 41

Hình 33. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày
dưới tác động của sóng có hướng từ 90 đến 120 độ.... .............................. 42
Hình 34. Kết qủa tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 60
đến 90 độ......................................................... .......................................... 42
Hình 35. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày
dưới tác động của sóng có hướng từ 60 đến 90 độ.... ................................ 43
Hình 36. Kết qủa tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 30
đến 60 độ......................................................... .......................................... 43
Hình 37. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày
dưới tác động của sóng có hướng từ 30 đến 60 độ.... ................................ 44
Hình 38. Kết qủa tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 0
đến 30 độ......................................................... ......................................... 44
Hình 39. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày
dưới tác động của sóng có hướng từ 0 đến 30 độ.... ................................. 45
Hình 40. Kết qủa tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 330
đến 0 độ......................................................... ............................................ 45
Hình 41. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày
dưới tác động của sóng có hướng từ 330 đến 0 độ.... ............................... 46
Hình 42. vị trí các mặt cắt từ 1 đến 5 ..................................................................... 47
Hình 43. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động của các hướng
sóng khác nhau .......................................................................................... 47
Hình 44. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động tổng hợp của tất
cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ..................................................... 48
Hình 45. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động của các hướng
sóng khác nhau .......................................................................
48
Hình 46. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động tổng hợp của tất
cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ..................................................... 49
Hình 47. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động của các hướng
sóng khác nhau .......................................................................

49

iii


Hình 48. 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 .................................................... 50
Hình 49. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động của các hướng
sóng khác nhau .......................................................................................... 50
Hình 50. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động tổng hợp của tất
cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ..................................................... 51
Hình 51. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động của các hướng
sóng khác nhau .......................................................................
51
Hình 52. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động tổng hợp của tất
cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ...................................................... 52
Hình 53. Kết quả đo đạc đường bờ tại Thuận An tháng 6 năm 2012..................... 52
Hình 54. Ảnh chụp khu vực bồi cát phía nam kè tại cửa Thuận An 6/2012.......... 53
Hình 55. Ảnh chụp vị trí các bar cát ngầm tại cửa Thuận An 6/2012 .................... 54
Hình 56. Ảnh chụp các bar cát tại trung tâm luồng ra vào tại cửa Thuận An 6/2012
54
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng1: Các đợt đo đạc tại cửa Thuận An từ 1/2007 đến nay…………………… 8
Bảng 2. Bảng tần suất sóng trung bình nhiều năm ............................................ 30
Bảng3. Bảng tần suất sóng nước sâu theo các hướng tác động tới đường bờ........ 32
Bảng4. Kết quả phân tích các yếu tố sóng theo hướng tác động........................... 33
Bảng 5. Lượng trầm tích vận chuyển qua các mặt cắt............................................ 55
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Giải nghĩa

SMS

Surface-water Modeling System

CMS – wave

Coastal Modeling System - wave

CMS – flow

Coastal Modeling System - flow

iv


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, dịng chảy, sóng thần và biến động của mực
nước biển. Tuy nhiên sự tác động của con người cũng có ảnh hưởng đáng kể thơng
qua các cơng trình nhân tạo như xây dựng kè, đê chắn sóng, tường đứng ven biển và
các q 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 cơng trình bảo vệ bờ.
Trong nghiên cứu này, tơi tiến hành các phân tích số liệu thủy động lực học
có tác động tới các q trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy trong vùng nước
nơng ven bờ. Áp dụng mơ hình số (CMS) tính tốn mơ phỏng sự biến động bãi biển
tại vùng cửa Thuận An sau khi xây dựng cơng trình kè biển. Trong q trình tính
tốn kiểm chứng mơ 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 mơ
hình.
Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, bước đầu các cơng trình xây dựng kè biển
với mục đích bảo vệ, ngăn chặn xói lở bờ biển ở khu vực Hải Dương – Thuận An –
Hịa Dn 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 tốn đưa ra được bức tranh khá phù hợp với
các kết quả đo đạc thực tế.
Để hoàn thành bài luận văn này tơi xin bày tỏ lịng 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 tơi hồn 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 q
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 q trình nghiên cứu và hồn 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

1


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 cơng 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 Đơng. Đây cũng là cửa chính tiêu thốt 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 cơng trình chống xói lở bờ biển Hải Dương – Thuận An – Hịa Dn. Cơng
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, cơng 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 dịng chảy nên q trình xói
lở bờ biển tại đây khơng cịn diễn ra. Khu vực phía nam gần cửa (khu bờ biển Thuận
An – Hịa Dn) hiện tượng xói lở khơng cịn (đặc biệt là bãi biển phía nam kè) và
thay vào đó là q trình bồi diễn ra mạnh mẽ dưới sự che chắn của các cơng trình.
Khu vực phía trong cửa Thuận An, q trình bồi xói và biến động bãi biển và đường
bờ diễn ra phức tạp. Khu vực phía nam xa cơng trình q trình bồi và xói diễn ra theo
mùa dưới tác động của các hướng sóng khác nhau trong gió mùa Đơng 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 q 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:

2


-

1.2

Q trình sóng và dịng chảy khu vực gần cơng trình và cửa Thuận An có sự
thay đổi.
Các cơng trình cách ly hoặc ngăn cản dịng 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 Dn, Các cơng trình kè đã phát huy được tính hiệu quả tại
các vùng bờ biển lận cận cơng trình, tuy nhiên chưa giải quyết được sự bồi lấp
luồng tàu và xói lở tại các khu vực bờ phía trong cửa.
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 q trình động lực gây ra q trình vận chuyển
trầm tích trong khu vực cửa Thuận An, đặc biệt là các tác động của cơng trình. Có
các nghiên cứu định lượng mơ 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 cơng trình cũng như đưa ra hướng giải quyết trong giai đoạn tiếp theo. Các
mục tiêu chính của nghiên cứu gồm có:
-

1.3

Nghiên cứu phân tích các q trình động lực (sóng và dịng chảy) tác động
đến q trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An.
Nghiên cứu ứng dụng mô hình SMS (các mơ đun CMS-flow và CMS-wave)
trong việc tính tốn vận chuyển trầm tích khu vực cửa Thuận An dưới tác
động của cơng trình.
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 cơng trình, dưới tác động chủ
yếu của hai yếu tố sóng và dịng chảy. Các thơng số của cơng trình cũng được đưa
vào mơ hình tính nhằm mục đích mơ phỏng được các tác động của nó tới sự vận
chuyển trầm tích và biến động đáy biển.
Do việc sử dụng mơ hình hai chiều trung bình theo độ sâu để mơ phỏng các
q trình thủy động lực và biến đổi đáy, cho nên các kết quả chỉ mơ phỏng được
q 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 tốn 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

3


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 tốn.

Phương pháp nghiên cứu

1.4

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 sơng và cơng trình.
Dựa vào các thơng tin phù hợp với vùng nghiên cứu. Dựa trên thông tin, số
liệu và các kết quả của các nghiên cứu, cơng 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, thơng số của cơng trình,
các số liệu về mực nước, chế độ sóng và tính chất trầm tích.
Phân tích số liệu làm cơ sở thiết lập mơ hình và xây dựng các kịch bản tính
tốn.
Xác định mơ hình phù hợp với nguồn số liệu và khu vực nghiên cứu.
Thiết lập mơ hình dựa trên các số liệu cơ bản, lựa chọn điều kiện trên biên và
điều kiện ban đầu.
Hiệu chỉnh và kiểm chứng mơ hình.
Mơ phỏng mơ hình theo các kịch bản tính tốn.
Phân tích kết quả tính tốn.

4


Hình1: Bản đồ khu vực phá Tam Giang – Cầu Hai [3]

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

5


2.1
An

Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng, thủy văn khu vực cửa Thuận

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 Đơng. 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 khơng đối
xứng có hệ thống bãi ngầm ở phía ngồi tại vị trí trung tâm của cửa. Hệ thống luồng
chủ yếu có 2 hướng chính: thứ nhất theo hướng đơng bắc và thứ hai có hướng đơng
nam, ngun nhân là do các tác động của các yếu tố thủy động lực có tính chất mùa
và khơng 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 trị điều hịa về
sinh thái và mơi trường cho đầm phá Tam Giang. Trong mùa mưa nó cịn đóng vai
trị quan trọng trong việc tiêu thốt 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 đơng 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 cơng 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 cơng trình “xử lý

6


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 mơ tả trong hình vẽ 3, 4:

Hình 2. Hệ thống kè biển tại cửa Thuận An

Hình 3. Chi tiết kết cấu kè (S1, S2 và B) tại phía bờ bắc cửa Thuận An

7


Hình 4. Chi tiết kết cấu kè (N) tại bờ nam 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 mơ
hình tính tốn. 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.
Bảng 1: Các đợt đo đạc tại cửa Thuận An từ 1/2007 đến nay
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Thời gian

01/2007
04/2007
07/2007
04/2008
12/2008
12/2009
03/2010
04/2010
08/2010
05/2011
11/2011
06/2012

Yếu tố đo đạc
Biến động đường bờ và địa hình đáy biển
Đo đạc địa hình, dịng chảy và dao động mực nước
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ
Biến động đường bờ

8

Chương 3 - MƠ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ CÁC KẾT QUẢ
TÍNH TỐN
Hệ thống mơ hình ven bờ là tổ hợp của các mơ hình tính tốn sóng, dịng chảy,
vận chuyển trầm tích và biến động bãi biển trong khu vực ven bờ. Hệ thống được
xây dựng nhằm áp dụng tính tốn trong các luồng tầu và vận chuyển trầm tích tại
các cửa sơng và biến động của bãi biển. Các mơdun là một phần trong hệ thơng mơ
hình SMS, được xây dựng và phát triển tính tốn 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
CMS- Flow là mơ hình tính tốn trường dịng chảy và vận chuyển trầm tích. Mơ
hình tính tốn vận chuyển các chất hịa tan (muối) và trầm tích dưới tác động của
thủy triều, gió và sóng. Mơ hình động lực dựa trên phương trình bảo tồn trong
vùng nước nơng và các thành phần lực Coriolis, ứng suất gió, ứng suất sóng, ứng
suất đáy, ma sát do vật cản, ảnh hưởng của đáy và khuyếch tán rối. Có ba phương
pháp tính tốn vận chuyển trầm tích là: Mơ hình tính tốn vận chuyển trầm tích tổng
cộng của Wantanabe (1997), tính tốn vận chuyển trầm tích kết hợp tính tốn trầm
tích lơ lửng và di đáy theo công thức của Lund-CIRP (Camenen và Larson 2006) và
tính tốn vận chuyển trầm tích lơ lửng theo công thức của Van Rijn kết hợp với
công thức vận chuyển trầm tích di đáy của Lund-CIRP. Trong trường hợp này các
tác giả lựa chọn phương pháp thứ hai – tính tốn vận chuyển trầm tích theo các
cơng thức của Lund-CIRP.
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.
𝜕 𝑕+𝜂
𝜕𝑡
𝜕𝑞 𝑥

𝜕𝑡

+

+

𝜕𝑞 𝑥
𝜕𝑥

𝜕𝑢𝑞 𝑥
𝜕𝑥

+

+

𝜕𝑞 𝑦

𝜕𝑦
𝜕𝑣𝑞 𝑦
𝜕𝑦

=0

(1)

1

𝜕 𝑕+𝜂 2

2

𝜕𝑥

+ 𝑔

=

𝜕
𝜕𝑥

𝐷𝑥

𝜕𝑞 𝑥
𝜕𝑥

+

𝜕
𝜕𝑦

𝐷𝑦

𝜕𝑞 𝑥
𝜕𝑦

+

(2)

−

(3)

𝑓𝑞𝑦 − 𝜏𝑏𝑥 + 𝜏𝑤𝑥 + 𝜏𝑆𝑥
𝜕𝑞 𝑦
𝜕𝑡

+

𝜕𝑢𝑞 𝑦
𝜕𝑥

+

𝜕𝑣𝑞 𝑦
𝜕𝑦

1

𝜕 𝑕+𝜂 2

2

𝜕𝑦

+ 𝑔

=

𝜕
𝜕𝑥

𝐷𝑥

𝜕𝑞 𝑦
𝜕𝑥

𝑓𝑞𝑦 − 𝜏𝑏𝑦 + 𝜏𝑤𝑦 + 𝜏𝑆𝑦
Trong đó:
h – độ sâu cột nước trong trạng thái tĩnh,

9

+

𝜕
𝜕𝑦

𝐷𝑦

𝜕𝑞 𝑦
𝜕𝑦


η – độ cao của dao động mực nước,
t – thời gian,
qx – thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương x,
qy – 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,
Dx – hệ số khuyếch tán theo hướng x,
Dy – hệ số khuyếch tán theo hướng y,
f - Tham số Coriolis,
τbx- ứng suất đáy theo phương x,
τby- ứng suất đáy theo phương y,
τwx- ứng suất gió theo phương x,
τwy- ứng suất gió theo phương y,
τSx- ứng suất sóng theo phương x,
τSx- ứng suất sóng theo phương y.
Các thành phần vận tốc được tính tốn từ thơng lượng như sau:
𝑞
𝑢= 𝑥
𝑣=

𝑕+𝜂
𝑞𝑦

(4)
(5)

𝑕+𝜂

Trong trạng thái khơng có tác động của sóng, ứng suất đáy được tính như sau:
𝜏𝑏𝑥 = 𝐶𝑏 𝑢 𝑈
(6)
𝜏𝑏𝑦 = 𝐶𝑏 𝑣 𝑈
(7)
Ở đây U là mơđun vận tốc dịng chảy và Cb là hệ số ma sát đáy dạng thực nghiệm.

𝑈 = 𝑢2 + 𝑣 2
Hệ số ma sát được tính theo cơng thức.
𝑔
𝐶𝑏 = 2

(8)
(9)

𝐶

Với C là hệ số Chezy.
𝐶=

𝑅 1/6

(10)

𝑛

Trong đó R là bán kính thủy lực và n là hệ số nhám Manning.
Trong trạng thái có sóng tác động. Ứng suất đáy được tính theo sự phân bố
tựa đồng nhất của dịng chảy (do thủy triều, gió và sóng trên mặt) và vận tốc quỹ
đạo sóng tại đáy. Ứng suất tại đáy được tính trung bình cho từng chu kỳ của sóng tại
từng nút lưới tại mỗi bước thời gian. Cơng thức tính ứng suất đáy khi có mặt sóng
và dòng chảy được Nishimura 1988 đưa ra như sau:
𝜏𝑏𝑥 = 𝐶𝑏

𝑈𝑤𝑐 +

𝜔 𝑏2

𝑈𝑤𝑐

𝑐𝑜𝑠 2 𝛼 𝑢 +

10

𝜔 𝑏2
𝑈𝑤𝑐

𝑐𝑜𝑠𝛼𝑠𝑖𝑛𝛼 𝑣

(11)


𝜔 𝑏2

𝜏𝑏𝑦 = 𝐶𝑏

𝑈𝑤𝑐

𝑐𝑜𝑠𝛼𝑠𝑖𝑛𝛼 𝑢 + 𝑈𝑤𝑐 +

𝜔 𝑏2
𝑈𝑤𝑐

𝑠𝑖𝑛2 𝛼 𝑣

(12)

Trong đó α là góc của hướng sóng so với trục x. Uwc và ωb được tính theo cơng

thức.
𝑈𝑤𝑐 =
1

𝑢2 + 𝑣 2 + 𝜔𝑏2 + 2(𝑢𝑐𝑜𝑠𝛼 + 𝑣𝑠𝑖𝑛𝛼)𝜔𝑏 +

2

𝑢 2 + 𝑣 2 + 𝜔𝑏2 − 2(𝑢𝑐𝑜𝑠𝛼 + 𝑣𝑠𝑖𝑛𝛼)𝜔𝑏
𝜔𝑏 =

𝜍𝐻

(14)

𝜋sinh ⁡
[𝑘 𝑕+𝜂 ]

Với σ là tần số góc của sóng, H là chiều cao sóng và k là số sóng,
Uwc tốc độ quỹ đạo sóng và ωb tần số góc sóng khi có mặt dịng chảy.
Ứng suất gió được tính theo cơng thức:
𝜌
𝜏𝑤𝑥 = 𝐶𝑑 𝑎 𝑊 2 sin⁡
(𝜃)
𝜏𝑤𝑦 = 𝐶𝑑

𝜌𝑤
𝜌𝑎

𝜌𝑤

(13)

𝑊 2 cos⁡
(𝜃)

(15)
(16)

Trong đó
Cd – hệ số kéo của gió,
ρa - mật độ khơng khí ,
ρw - mật độ nước,
W – tốc độ gió,
θ – hướng gió, với quy ước hướng gió 0 độ là từ hướng Đơng và quay
ngược chiều kim đồng hồ.
Ứng suất sóng:
Ứng suất sóng được tính từ sự biến thiên của ứng suất bức xạ sóng theo khơng gian.
𝜏𝑆𝑥 = −
𝜏𝑆𝑦 = −

1

𝜕𝑆𝑥𝑥

𝜌𝑤
1

𝜕𝑥
𝜕𝑆𝑥𝑦

𝜌𝑤

𝜕𝑥

+
+

𝜕𝑆𝑥𝑦

(17)

𝜕𝑦
𝜕𝑆𝑦𝑦

(18)

𝜕𝑦

Trong đó Sxx, Sxy và Syy là các thành phần ứng suất bức xạ sóng, được tính theo
cơng thức:
𝑆𝑥𝑥 =

𝜍

𝑆𝑥𝑦 =

𝜍

𝑆𝑦𝑦 =

𝜍

𝐸(𝜔, 𝛼) 0.5 1 +
𝐸(𝜔 ,𝛼)
2

0.5 1 +

2𝑘 𝑕+𝜂

𝑠𝑖𝑛 𝑕2𝑘(𝑕+𝜂 )
2𝑘 𝑕 +𝜂

𝑠𝑖𝑛 𝑕2𝑘(𝑕+𝜂 )
2𝑘 𝑕+𝜂

𝐸(𝜔, 𝛼) 0.5 1 +

𝑠𝑖𝑛 𝑕2𝑘(𝑕+𝜂 )

Với σ=σ(ω,α)
Ở đây

11

𝑐𝑜𝑠 2 𝛼 + 1 − 0.5 𝑑𝜔𝑑𝛼
𝑐𝑜𝑠 2 𝛼 + 1 − 0.5 𝑑𝜔𝑑𝛼
𝑠𝑖𝑛2 𝛼 + 1 − 0.5 𝑑𝜔𝑑𝛼

(19)
(20)
(21)


Sxx - ứng suất bức xạ sóng theo hướng vng góc với bờ
Sxy – Thành phần ứng suất trượt
Syy – Thành phần ứng suất bức xạ sóng theo hướng dọc bờ
E – Mật độ năng lượng sóng
ω- tần số góc của sóng
α- góc của sóng so với trục x
Tham số Coriolis:
𝑓 = 2Ω sin 𝜑
(22)
Ω – tần số góc quay của trái đất, υ vĩ tuyến.
Hệ số nhớt rối phụ thuộc vào độ dài xáo trộn của cột nước, trong trường hợp
khơng có tác động sóng có thể tính theo hàm của độ sâu nước, tốc độ dòng chảy và
độ nhám của đáy biển (Fanconer 1980) như sau:
𝐷0 =

1
2

1.156𝑔(𝑕 + 𝜂)

𝑈

(23)

𝐶2

Trong vùng sóng đổ, dưới tác động của sóng, các xáo trộn theo phương
ngang là rất đáng kể. Công thức tính hệ số nhớt rối như sau:
𝐷𝑤 = 𝜀𝐿
(24)
Trong đó εL mô phỏng sự thay đổi theo phương ngang, được Kraus và
Larson 1991 đưa ra như sau.
𝜀𝐿 = Λ𝑢𝑚 𝐻
(25)
Với Λ là hệ số thực nghiệm mô phỏng sự xáo trộn theo phương ngang. u m là
thành phần theo phương ngang của tốc độ quỹ đạo sóng tại đáy.
𝑢𝑚 =

𝑔𝐻𝑇

(26)

2𝜋 (𝑕 +𝜂 )
𝜆

2𝜆𝑐𝑜𝑠 𝑕

ở đây T là chu kỳ sóng.
Trong vùng chuyển đổi giữa vùng sóng đổ và vùng nước sâu, hệ số nhớt rối
được tính theo cơng thức.
𝐷 = 1 − 𝜃𝑚 𝐷0 + 𝜃𝑚 𝐷𝑤
(27)
Trong đó θm là hàm tỉ trọng tính như sau:
𝜃𝑚 =

𝐻

3

(28)

𝑕+𝜂

Phân bố gió theo độ cao:
Phân bố tốc độ gió theo chiều cao được tính theo cơng thức của Charnock
1955 và Hsu 1988.
𝑊𝑧 =

𝑊∗
𝜅

𝑙𝑛

𝑍

(29)

𝑍0

Với
Wz – tốc độ gió tại độ cao z so với mặt biển,
Z0 – độ cao của mặt biển,

12

W* - tốc độ gió ma sát,
К – hằng số Von karman,
Tốc độ gió ma sát có thể coi như một thành phần của ứng suất gió tại bề mặt.
theo Hsu 1988 ta có:
𝜏0 = 𝜌𝑎 𝑊∗2 = 𝜌𝑎 𝐾𝑚

𝜕𝑊

(30)

𝜕𝑧

Km – hệ số nhớt xoáy, Z là chiều cao.
Giả thiết rằng lớp khí quyển sát mặt nước là ổn định, khi đó ứng suất gió tại
độ cao 10 m trên mặt biển có thể tính theo Hsu 1988 như sau:
𝐶10 =

𝜅

2

(31)

14.56−2𝑙𝑛 𝑊10

W10 – tốc độ gió tại độ cao 10 m trên mặt biển.
Theo thực nghiệm có thể áp dụng cơng thức tính tốc độ gió tại độ cao 10 m
như sau:
𝑊10 = 𝑊𝑧

10 1/7

(32)

𝑍

Phương trình tính tốn vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển:
Trong CMS-flow các hệ phương trình tính tốn vận chuyển trầm tích và biến đổi
đáy biển được tính tốn theo ba cơng thức:
- Cơng thức của Wantanabe (1987), tính tốn vận chuyển trầm tích tổng cộng
bao gồm: tính tốn vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy
- Cơng thức tính vận chuyển trầm tích của Lund-CIRP (Camenen và Larson
2006). Cơng thức tính lượng trầm tích tổng cộng kết hợp từ cơng thức tính
vận chuyển trầm tích lơ lửng và cơng thức tính vận chuyển trầm tích di đáy.
- Tính tốn vận chuyển trầm tích tổng cộng dựa theo cơng thức tính vận
chuyển trầm tích lơ lửng của VanRijn kết hợp cơng thức tính vận chuyển
trầm tích di đáy của Lund-CIRP.
Trong báo cáo này các tác giả sử dụng cơng thức tính tốn vận chuyển trầm tích
của Lund-CIRP.
Cơng thức Lund – CIRP sử dụng trong CMS-flow theo hai phương thức:
Thứ nhất, tính tốn 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 ksd, hình dạng ksf và kích thước kss (Soulsby 1997). Độ nhám tổng cộng được
xem như là tổng của ba thành phần trên:

13


𝑘𝑠 = 𝑘𝑠𝑑 + 𝑘𝑠𝑓 + 𝑘𝑠𝑠
(33)
Hệ số nhám gây ra do tính chất của trầm tích được xác định như sau:
𝑘𝑠𝑑 = 2.5𝑑50
(34)
Hệ số nhám gây ra do hình dạng được tính theo cơng thức của Soulsby 1997.
𝑘𝑠𝑓 = 7.5

𝐻𝑟2

(35)

𝐿𝑟

Trong đó Hr độ cao gồ ghề của hạt cát. Lr độ dài gồ ghề của hạt cát.
𝐿𝑟 = 1000𝑑50
𝐿𝑟

𝐻𝑟 =

(36)
(37)

7

Với dịng chảy Soulsby 1997 đưa ra cơng thức

𝐻𝑟 = 0.22𝐴𝑤
𝐿𝑟 = 1.25𝐴𝑤
𝜓𝑤 < 10
−13
5
𝐻𝑟 = 2.8. 10 (250 − 𝜓𝑤 ) 𝐴𝑤
𝐿𝑟 = 1.4. 10−6 (250 − 𝜓𝑤 )2.5 𝐴𝑤
10 ≤ 𝜓𝑤 < 250
𝐻𝑟 = 0
𝐿𝑟 = 0
𝜓𝑤 > 250

(38)

Với sóng VanRijn 1993 đưa ra với tham số:
𝜓𝑤 =

2
𝑈𝑤

(39)

𝑠−1 𝑔𝑑 50

Trong đó s là tỉ số của mật độ trầm tích và nước.
𝜌
𝑠= 𝑠
𝜌𝑤

(40)

Nhám liên quan tới kích thước hạt được Wilson (1966, 1989) đưa ra như sau:
𝑘𝑠𝑠 = 5𝑑50 𝜃𝑖
(41)
θi – tham số Shields ứng với sóng hoặc dịng chảy.
Ứng với dịng chảy, ta có:
𝜏𝑐
𝜃𝑐 =
(42)
𝜌(𝑠−1)𝑔𝑑 50

Ứng với sóng
𝜃𝑐𝑤 =

𝜏𝑤

(43)

𝜌(𝑠−1)𝑔𝑑 50

Dựa trên hệ số nhám ta có thể tính tốn được hệ số ma sát tương ứng với sóng và
dịng chảy. Theo cơng thức của Soulsby(1994) và Swart (1997) ta có.
𝑓𝑐 = 2

𝜅

2

1+ln ⁡
(𝑘 𝑠 /30𝑑 )

𝐴𝑤

𝑓𝑤 = exp 5.21𝑅−0.19 − 6.0

𝑘𝑠

> 1.57

𝐴𝑤
≤ 1.57
𝑘𝑠

𝑓𝑤 = 0.3

14

(44)


Ứng suất trượt gây ra do dịng chảy được tính là.
1

𝜏𝑐 = 𝜌𝑤 𝑓𝑐 𝑈𝑐2

(45)

2

Ứng suất trượt cực đại do sóng được tính như sau:

1

𝜏𝑤 = 𝜌𝑤 𝑓𝑤 𝑈𝑤2

(46)

2

ứng suất trung bình được xác định là
𝜏𝑤𝑚 = 0.5𝜏𝑤

(47)

Cơng thức tính vận chuyển trầm tích đáy
Cơng thức tính tốn vận chuyển trầm tích đáy qb dưới tác động của sóng và
dịng chảy được Camenen và Larson (2005) đưa ra như sau:
𝑞𝑏𝑤
𝜃𝑐𝑟
= 𝑎𝑤 𝜃𝑛𝑒𝑡 𝜃𝑐𝑤 ,𝑚 𝑒𝑥𝑝 −𝑏
3
𝜃𝑐𝑤
(𝑠 − 1)𝑔𝑑50
𝑞 𝑏𝑛
3
(𝑠−1)𝑔𝑑 50

= 𝑎𝑛 𝜃𝑐𝑛 𝜃𝑐𝑤 ,𝑚 𝑒𝑥𝑝 −𝑏

𝜃𝑐𝑟
𝜃𝑐𝑤

(48)

Trong đó chỉ số w và n tương ứng theo hướng của sóng và hướng vng góc
với hướng truyền sóng, a và b là các hệ số, θcw,m và θcw là các giá trị của tham số
Shield trung bình và cực đại dưới tác động đồng thời của sóng và dịng chảy chưa
kể đến độ nhám của đáy.
Hệ số an được lấy bằng 12 cho thành phần vận chuyển vng góc với hướng
sóng. Hệ số b được xem như điều kiện ban đầu của chuyển động, được lấy giá trị là
4.5.
Các giá trị θnet và θcn được xác định theo công thức:
𝜃𝑛𝑒𝑡 = 𝜃𝑐𝑤 ,𝑜𝑚 + 𝜃𝑐𝑤 ,𝑜𝑓𝑓
(49)
trong đó:
𝜃𝑐𝑤 ,𝑜𝑛

1
=
𝑇𝑤𝑐

𝜃𝑐𝑤 ,𝑜𝑓𝑓 =

𝑇𝑤𝑐

0

1 𝑓𝑐𝑤 (𝑢𝑤 𝑡 + 𝑈𝑐 𝑐𝑜𝑠𝜙)2
𝑑𝑡
2
𝑠 − 1 𝑔𝑑50

𝑇 1 𝑓𝑐𝑤 (𝑢 𝑤 𝑡 +𝑈𝑐 𝑐𝑜𝑠𝜙 )2
𝑇𝑤𝑡 𝑇𝑤𝑐 2
𝑠−1 𝑔𝑑 50
1

𝑑𝑡

(50)

và
1

(𝑈𝑐 𝑠𝑖𝑛𝜙 )2

2

(𝑠−1)𝑔𝑑 50

𝜃𝑐𝑛 = 𝑓𝑐

(51)

Trong đó Twc – chu kỳ dịng chảy theo hướng dương, Twt – chu kỳ dòng chảy
theo hướng âm (T=Twc+Twt).
Ma sát đáy trong trường hợp có mặt cả sóng và dịng chảy được tính theo
cơng thức của Madsen và Grant (1976) như sau:
𝑓𝑐𝑤 = 𝑋𝑣 𝑓𝑐 + (1 − 𝑋𝑣 )𝑓𝑤
(52)

15


Với 𝑋𝑣 = 𝑈𝑐 /( 𝑈𝑐 + 𝑈𝑤 ) và fc , fw là hệ số ma sát trong trường hợp chỉ có
dịng chảy và sóng.

Vận chuyển trầm tích lơ lửng:
Cơng thức tính vận chuyển trầm tích lơ lửng qs 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
dịng chảy là đồng nhất. Cơng thức của Camenem và Larson (2006) đưa ra như sau:
𝑞𝑠 = 𝑈𝑐 𝑐𝑅

𝜀
𝑤𝑠

1 − 𝑒𝑥𝑝 −

𝑤𝑓 𝑑

(53)

𝜀

Trong đó: Wf – tốc độ lắng đọng của trầm tích, CR – nồng độ trầm tích và εhệ số xáo trộn. Hướng của vận chuyển trầm tích lơ lửng được xem như trùng với
hướng dịng chảy, bởi vì trong một chu kỳ sóng lượng vận chuyển trầm tích lơ lửng
là bằng 0.
Cơng thức phân bố của CR được đưa ra là.
𝐶𝑅 = 𝐴𝑐𝑅 𝜃𝑐𝑤 ,𝑚 𝑒𝑥𝑝 −𝑏

𝜃𝑐𝑟

(54)

𝜃𝑐𝑤

Trong đó AcR là hệ số.
𝐴𝑐𝑅 = 3.5. 10−3 exp⁡
(−0.3𝑑∗ )
Và d* là kích thước hạt.

(55)

1/3

𝑑∗ = 𝑠 − 1 𝑔/𝑣 2
𝑑50
Hệ số khuyếch tán tính theo cơng thức.
𝜀=

𝐷𝑒 1/3
𝜌

(56)

𝑑

(57)

Trong đó De là hệ số thực nghiệm, xác định bằng.
𝐷𝑒 = 𝑘𝑐3 𝐷𝑒𝑐 + 𝑘𝑤3 𝐷𝑒𝑤 + 𝑘𝑏3 𝐷𝑒𝑏

(58)
Trong đó kc,kw,kb là các hệ số.
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 cơng 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 cơng trình, khi đó khơng 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.
𝜕(𝐶𝑑 )
𝜕𝑡

+

𝜕(𝐶𝑞 𝑥 )
𝜕𝑥

+

𝜕(𝐶𝑞 𝑦 )
𝜕𝑦

=

𝜕
𝜕𝑥

𝐾𝑥 𝑑

16

𝜕𝐶
𝜕𝑥

+

𝜕
𝜕𝑦

𝐾𝑦 𝑑

𝜕𝐶
𝜕𝑦

+𝑃−𝐷

(59)


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,
qx – thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục x,
qy – thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục y,

u – tốc độ dịng chảy trung bình theo độ sâu theo hướng x,
v – tốc độ dòng chảy trung bình theo độ sâu theo hướng y,
Kx – hệ số khuyếch tán của trầm tích theo hướng x,
Ky – 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:
𝜕𝑕
𝜕𝑡

=

1

𝜕𝑞 𝑏𝑥

1−𝑝

𝜕𝑥

+

𝜕𝑞 𝑏𝑦
𝜕𝑦

+𝑃−𝐷

(60)

Ở đây: qbx – Suất vận chuyển trầm tích di đáy theo hướng trục x,

qby – 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:
𝑃 = −𝜀

𝜕𝑐
𝜕𝑧 𝑧=𝑎

= 𝑐𝑎 𝑤𝑓

(61)

𝐷 = 𝑐0 𝑤𝑓
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 ơ lưới có thể đều
hoặc khơng đều. Mỗi một ơ 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 ( ξ  u

17

Δt

)<1. Thơng thường ngồi
Δs


thuỷ triều cịn có nhiều tác động khác, các thành phần của dịng chảy có thể được
tạo ra do gió, các sóng, và lưu lượng của sơng đổ ra. Mỗi tác động sẽ sinh ra một tốc
độ tương ứng vì vậy số Courant được xác định chính xác hơn bằng:
ξ  (utide  u wind  u waves  utributary )

Δt
Δs

(62)

với utide là vận tốc dòng chảy do thủy triều, uwind là tốc độ dịng chảy do tác động
của gió uwaves là vận tốc dịng chảy sinh ra do sóng, utributary là tốc độ dịng chảy do
sơng đổ ra. Trong các vùng có dịng chảy mạnh, như là tại vùng thuỷ triều dâng, rút
mạnh (lạch triều) dòng triều chiếm ưu thế cịn trong vùng sóng đổ, dịng chảy sinh
ra do sóng có thể mạnh hơn đáng kể so với dịng triều. Tại các vùng này thông
thường cần chia độ phân giải bước lưới theo không gian nhỏ hơn. Sự kết hợp của
các dịng chảy mạnh và các ơ lưới nhỏ giới hạn kích thước bước thời gian cho phép.
Điều kiện biên:
Mơ 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 mơ 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 mơ hình
CMS-flow có thể cho phép tính tốn với tám sóng triều khác nhau gồm có (M2, S2,
N2, K2, K1, O1, M4, và M6).

+ 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 dịng chảy theo thời gian tại các
ơ 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 khơng 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 vng góc với bờ). Đây được coi là một điểm mới đối với các mơ hình tính
tốn dịng chảy khu vực sát bờ.
+Tính tốn khơ ướt: Trong CMS-flow đã sử dụng các kỹ thuật khác nhau để
mô phỏng hiện tượng khơ ướt như phương trình bar cát, đập nước (Reid và Bodine
1968) và các bài toán biên di động (Yeh và Chou 1978).

18


Mỗi ô ướt sẽ được kiểm tra sau mỗi bước tính xem nó có trở thành khơ khơng sau
khi tính được các giá trị mực nước và tốc độ của bước tính đó cho tồn bộ lưới tính.
Chỉ tiêu để ô tính nà trở thành khô là:
Di, j  d i, j  ηi, j  Dcr

(63)

Với Di , j là độ sâu nước tổng cộng, Dcr là độ sâu nước mà dưới đó các ơ được coi là
khơ và ngược lại mỗi ô khô sẽ được kiểm tra sau mỗi bước tính xem nó có trở thành
ướt khơng khi độ sâu nước tổng cộng vượt quá Dcr và nước chuyển động về phía ơ
khơ.
3.2 Cơ sở lý thuyết CMS-wave
Mơ hình CMS-wave là mơ hình tính tốn lan truyền phổ sóng dựa trên việc giải
phương trình cân bằng tác động sóng dạng ổn định trên lưới khơng đồng nhất trong
hệ tọa độ Đề các. Mơ hình có khả năng tính tốn q 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. Ngồi ra các q trình tương tác giữa các sóng, sóng với dịng
chảy, sóng leo, nước dâng do sóng và sóng truyền qua các cơng trình cũng được
tính tốn.
Cơng thức sử dụng theo Mase 2001 như sau:
𝜕(𝐶𝑥 𝑁)
𝜕𝑥

+

𝜕(𝐶𝑦 𝑁)
𝜕𝑦

+

𝜕(𝐶𝜃 𝑁)
𝜕𝜃

=

𝜅
2𝜍

𝐶𝐶𝑔 𝑐𝑜𝑠 2 𝜃𝑁𝑦

𝑦

−

𝐶𝐶𝑔
2

𝑐𝑜𝑠 2 𝜃𝑁𝑦𝑦 −

𝜀𝑏 𝑁 − 𝑆
(64)
Trong đó,
𝑁=

𝐸(𝜍,𝜃 )

(65)

𝜍

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.
𝜅
2𝜍

𝐶𝐶𝑔 𝑐𝑜𝑠 2 𝜃𝑁𝑦

𝑦

−

𝐶𝐶𝑔
2

𝑐𝑜𝑠 2 𝜃𝑁𝑦𝑦

(66)

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 cơng trình. Nếu trong tính tốn có sử dụng tính
nhiễu xạ sóng hệ số κ được lấy >0 và khơng tính đến nhiễu xạ sóng κ = 0. Trong
CMS-wave hệ số κ được lấy giá trị mặc định =4.
Tương tác sóng và dịng chảy
Các thành phần vận tốc Cx, Cy và Cθ được viết như sau:
𝐶𝑥 = 𝐶𝑔 𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑈
(67)
𝐶𝑦 = 𝐶𝑔 𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑉
(68)

19