Nghiên cứu xây dựng hệ đo thông số quang sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số và ứng dụng

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 tơi thực hiện và hồn 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 mơ 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 tơi vƣợt qua khó khăn để hồn
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 DỊNG CHẢY BA
CHIỀU VÙNG BIỂN VEN BỜ

6

1.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu dịng chảy ba chiều

7

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc

20

1.3 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án

23

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ TỐN HỌC CỦA MƠ HÌNH THUỶ ĐỘNG LỰC BA
CHIỀU

26

2.1 Hệ phƣơng trình thủy động lực ba chiều trong
hệ toạ độ sigma

26

2.2 Các phƣơng pháp tham số hố q trình trao đổi rối

31

2.3 Các điều kiện biên và điều kiện đầu

45

2.4 Tác động của sóng trọng lực bề mặt

57

CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP SỐ GIẢI HỆ PHƢƠNG TRÌNH THỦY
ĐỘNG LỰC

63

3.1 Sơ đồ lƣới tính và các chỉ số ký hiệu

63

3.2 Thuật giải hệ phƣơng trình bảo tồn động lƣợng

67

3.3 Thuật giải hệ phƣơng trình đối với các biến vơ hƣớng

97

3.4 Thuật giải hệ phƣơng trình đối với các đặc trƣng rối

109

3.5 Các bƣớc tính tốn và sơ đồ khối tổng quát

116

CHƢƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG
LỰC BA CHIỀU

116

4.1 Kết quả thử nghiệm so sánh các sơ đồ bình lƣu

116

4.2 Kết quả thử nghiệm so sánh các sơ đồ khép rối

126

4.3 Kết quả thử nghiệm tác động của sóng trọng lực

133

trên bề mặt
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN HỒN LƢU
VÙNG BIỂN QUẢNG NAM KHU VỰC HỘI AN - CÙ LAO CHÀM


5.1 Chế độ khí tƣợng thủy văn vùng biển Quảng Nam khu vực

136

Hội An – Cù Lao Chàm
5.2 Chế độ hồn lƣu vùng biển nghiên cứu qua kết quả tính

137

tốn ca mụ hỡnh

Kết luận

146

Danh mục công trình của tác giả

169

Tài liƯu tham kh¶o

172
173


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Ký hiệu
a1 – a15
aw
Ahx
Ahy
Ah
Av

Các hệ số của phương trình trạng thái.
Biên độ sóng trọng lực.
Thành phần bình lưu theo phương ngang trên hướng X.
Thành phần bình lưu theo phương ngang trên hướng Y.
Thành phần bình lưu tổng cộng theo phương ngang.

Thành phần đối lưu theo phương thẳng đứng.

Ahx

Thành phần bình lưu 2D trên hướng X.

Ahy

Thành phần bình lưu 2D trên hướng Y.

Ah

Thành phần bình lưu 2D tổng cộng.

b
c
Cg
cp

Độ nổi.
Vận tốc sóng trọng lực.
Vận tốc nhóm sóng.
Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước biển.

CDs

Hệ số ma sát gió.

CDb

Hệ số ma sát đáy.

CE
CH
Dhx
Dhy
Dh
Dxx
Dyx
Dxy
Dyy
Dv

Hệ số Dalton.
Hệ số Stanton.
Thành phần khuếch tán theo phương ngang trên hướng X.
Thành phần khuếch tán theo phương ngang trên hướng Y.
Thành phần khuếch tán tổng cộng theo phương ngang.
Thành phần khuếch tán của u trên hướng X.
Thành phần khuếch tán của u trên hướng Y.
Thành phần khuếch tán của v trên hướng X.
Thành phần khuếch tán của v trên hướng Y.
Thành phần khuếch tán tổng cộng (u, v và các biến vô hướng).

Dxx

Thành phần khuếch tán của U trên hướng X.

Dyx

Thành phần khuếch tán của U trên hướng Y.

Dxy

Thành phần khuếch tán của V trên hướng X.

Dyy

Thành phần khuếch tán của V trên hướng Y.

f

Tham số Coriolis.

i


F
Fhar

Hàm toạ độ sigma.
Hàm điều hoà.

g
h
H
I
J

Gia tốc trọng trường.

Độ sâu bề mặt đáy so với mực nước trung bình.
Độ sâu tổng cộng.
Bức xạ mặt trời trong mơi trường nước biển.
Tốn tử chuyển đổi giữa hệ toạ độ Đề Các và sigma.

k
kw
l
L

Năng lượng rối.
Số sóng.
Độ dài xáo trộn.
Độ dài tỉ lệ.

Mt = t3D/t2D Số bước thời gian 2D (thành phần chính áp) trong một
bước tính 3D (thành phần tà áp).
Mtot
Mx

Số bước thời gian 2D tổng cộng.
Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng X trong hệ phương trình truyền tải các
biến vơ hướng.

My

N

Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng Y trong hệ phương trình truyền tải các
biến vô hướng.

Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng thẳng đứng trong hệ phương trình truyền
tải các biến vơ hướng.
Tần số Brunvaisala.

Nx
Ny
Nz

Số lượng các nút lưới trên hướng X.
Số lượng các nút lưới trên hướng Y.
Số lượng các nút lưới trên hướng Z.

Nt

Số bước thời gian 3D.

p

Áp suất .

p

Thành phần thăng giáng mạch động của áp suất.

Pa
Qi

Áp suất không khí.
Thành phần gradien áp suất tà áp baroclin.

R

Biến đặc trưng Riemann tới và đi khỏi biên.

Ri
S
Sm, Sh, Su, Sb
T

Số Richardson.
Độ muối.
Hàm ổn định trong các sơ đồ khép kín rối.
Nhiệt độ nước.

Ta
TVD

Nhiệt độ khơng khí.
Thuật giải suy giảm biến động tổng cộng.

Mz

ii


uF

Vận tốc dòng chảy theo phương X tham gia vào q trình bình lưu của
các biến vơ hướng.

U, V, W
u, v, w
u*s, u*b
Uw

Các thành phần vận tốc tức thời.
Các thành phần vận tốc trung bình theo thời gian.
Vận tốc ma sát tại bề mặt và đáy.
Vận tốc quỹ đạo sóng.

u

Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc u.

UF

Giá trị của dịng chảy tích phân U theo độ sâu lấy trung bình trong một
bước thời gian tính 3D.
Vận tốc dòng chảy theo phương Y tham gia vào quá trình bình lưu của
các biến vơ hướng.

vF

v

Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc v.

VF
x, y , z

Giá trị của dịng chảy tích phân V theo độ sâu lấy trung bình trong một
bước thời gian tính 3D.
Các trục toạ độ Đề Các.

x1, x2, x3

Các trục toạ độ Đề Các.

w
~
w

Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc w.

zr

Cao độ từ đáy biển tới trung tâm của ơ lưới sát đáy.

x1

Độ lớn của bước lưới tính trên hướng X tại trung tâm ô.

x2

Độ lớn của bước lưới tính trên hướng Y tại trung tâm ơ.

x3

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

Thành phần vận tốc theo phương thẳng đứng trong hệ toạ độ sigma.

độ sigma tại trung tâm ô.
t2D

Bước thời gian tính của thành phần 2D.

t3D

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.

iii


(r)

Hàm trọng số giữa sơ đồ sai phân ngược dòng và Lax-Wendroff đối với
thành phần thơng 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 dịng
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.

iv


Hình 2.2

Biến động của hàm ổn định đối với động lượng và các biến vơ hướng theo
số Richardson Ri.

Hình 2.3
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3

Kết quả so sánh của 8 mơ hình dự báo ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy
trung bình và cực đại dưới tác động của sóng và dịng chảy.
Sơ đồ lưới tính.
Sơ đồ xác định các thành phần thơng lượng bình lưu.
Sơ đồ khối tổng qt mơ hình dịng chảy 3 chiều.

Hình 4.1
Hình 4.2

Trạng thái ban đầu của phân bố nồng độ muối và dòng chảy.
Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T. Sơ đồ
ngược dịng – 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
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9

Vị trí ban đầu của fron muối.
Biến trình phát triển của

dịng

tại các chu kỳ triều của trường hợp A.
Biến trình phát triển của dòng
tại các chu kỳ triều của trường hợp B.
Biến trình phát triển của dịng
tại các chu kỳ triều của trường hợp C.
Biến trình phát triển của dịng
tại các chu kỳ triều của trường hợp D.

chảy

và

phân

bố

độ

muối

chảy

và

phân

bố

độ

muối

chảy

và

phân

bố

độ

muối

chảy

và

phân

bố

độ

muối

Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 0m; T =
A - Địa hình đáy khơng đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x2/3 m.
Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 0,5m; T =
A - Địa hình đáy khơng đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x2/3 m.

0s

Hình 4.12

Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 1,5m; T
A - Địa hình đáy khơng đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x2/3 m.

7s

Hình 5.1
Hình 5.2
Hình 5.3

Bản đồ khu vực Quảng Nam – Hội An – Cù Lao Chàm.
Hoa gió trung bình tháng.
Biến trình mực nước thực đo tại đảo Cù Lao
trong thời gian từ ngày 26-4-2002 đến 1-5-2002.
Trường sóng gió trung bình tháng.
Kết
quả
so
sánh
giá
trị
tính
tốn
và
tại trạm đo dịng chảy liên tục TK1.

Hình 4.10
Hình 4.11

Hình 5.4
Hình 5.5a

v

=

7s

Chàm

[m]

thực

đo


Kết
quả
so
sánh
giá
trị
tại trạm đo dịng chảy liên tục TK2.

Hình 5.6
Hình 5.7a

Kết quả so sánh giá trị tính tốn và thực đo mực nước.
Hồn lưu tháng VII đại diện mùa khơ theo phương ngang tại tầng mặt
(0,2H).
Hoàn lưu tháng VII đại diện mùa khơ theo phương ngang tại tầng giữa
(0,5H).

Hình 5.7b.

tính

tốn

và

thực

đo

Hình 5.5b

Hình 5.7c
Hình 5.8
Hình 5.9a

Hồn lưu tháng VII đại diện mùa khơ theo phương ngang tại tầng đáy (1H).
Phân bố độ muối tháng VII đại diện mùa khơ.
Hồn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng mặt
(0,2H).

Hình 5.9b

Hồn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng giữa
(0,5H).
Hoàn lưu tháng XII đại diện mùa mưa theo phương ngang tại tầng đáy (1H).

Hình 5.9c
Hình 5.10
Hình 5.11
Hình 5.12
Hình 5.13

Phân bố độ muối tháng XII đại diện mùa mưa.
Phân bố dịng thăng mùa khơ (tháng VII).
Phân bố dịng thăng tháng XII đại diện mùa mưa.
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 zo đối với các dạng đáy khác nhau.

Bảng 2.3

Chỉ dẫn lựa chọn mơ hình tính tốn lan truyền sóng.

Bảng 5.1

Tốc độ gió trung bình tháng và cực đại (m/s)

vi


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
Bảng 5.4

Lưu lượng nước trung bình và lớn nhất thời kỳ quan trắc 1977 – 1985.
Giá trị biên độ và góc vị đặc trưng các phân triều của trạm Sơn Trà

vii


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 km2, vùng nước ven bờ chiếm khoảng 11% diện tích
đóng vai trị 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 mơi
trường sống và tài ngun sinh vật biển.
Q 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 hố học, hố 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 sốt mơi trường biển, tìm kiếm sự thỏa hiệp cần thiết giữa một
bên là nhu cầu ngày một tăng cao của q trình cơng nghiệp hố 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

-3-


làm lỗng, 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 cơng trình thủy, đến xâm nhập mặn, khuyếch tán các chất nhiễm bẩn,
vận chuyển trầm tích, và sinh thái mơi trường biển. Những thơng 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, mơ hình vật lý và mơ hình tốn học.
Luận án sẽ tập trung nghiên cứu và xây dựng mơ hình số trị bài tốn thủy động
lực ba chiều quy mơ vừa (mesoscale) mơ phỏng dịng chảy khơng dừng và q 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 cơng trình của tác
giả và tài liệu tham khảo.
Chương I Tổng quan tình hình nghiên cứu dịng 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 tốn học của mơ hình thuỷ động lực ba chiều trình bày các
phương trình tốn học của mơ 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 hố q 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 tốn học của mơ hình như
sơ đồ ngược dịng, 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.

-4-


Chương VI Các kết quả thử nghiệm mơ 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 hố
q trình trao đổi rối và ảnh hưởng của sóng gió bề mặt, thơng qua q trình thử
nghiệm số lựa chọn các phương án thích hợp phục vụ tính tốn trường dịng chảy tại
vùng nước ven bờ có cửa sơng.
Chương V Kết quả ứng dụng mơ hình tính tốn hồn 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 tốn hồn lưu vùng biển Hội An - Cù Lao
Chàm, Quảng Nam minh chứng cho khả năng áp dụng thực tế của mơ 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.

-5-

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, dịng
chảy ở đây được hình thành và tồn tại do nhiều nguyên nhân tác động khác nhau như
thủy triều, gió, áp suất khơng 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 hồn 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 mơ hình vật lý và phương pháp mơ hình
tốn. Các nghiên cứu trong phịng thí nghiệm trên các mơ hình thu nhỏ của một hệ
thống vật lý được gọi là mơ hình vật lý, song song với mơ hình vật lý là mơ hình toán
học - biểu diễn toán học của một hệ thống vật lý, các mơ hình số là các mơ hình tốn
học trong đó các hệ phương trình tốn học được rời rạc hoá và giải bằng sự trợ giúp của
máy tính điện tử. Dưới đây chúng tơi 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

-6-


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 trị của nó đối với các q trình thạch động lực, q
trình lan truyền các chất gây ơ nhiễm và ảnh hưởng của chế độ động lực khu vực lên
các cơng 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 tốn học hoặc là các
số liệu hiệu chỉnh hoặc kiểm định độ chính xác đầu ra của các mơ 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 đốn 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 mơi 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
-7-


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 mơ hình vật lý
Khác biệt với phương pháp đo đạc, thu thập và phân tích các tài liệu đo đạc tại
hiện trường, mơ hình vật lý có khơng gian nhỏ hơn, chi phí ít hơn, dễ dàng hơn trong
nghiên cứu, đơn giản hơn so với tự nhiên, mơ hình vật lý có thể chỉ tính đến những
khía cạnh quan trọng nhất của hiện tượng cần nghiên cứu. Ngồi ra trong mơ hình vật
lý, các điều kiện đầu vào có thể biến động theo quy luật và kiểm sốt được, điều này
khơng thể có được trong các nghiên cứu tại hiện trường trong tự nhiên.
Các mơ 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 khơng thể có
các nghiệm giải tích. Mơ hình vật lý tích hợp được hồn tồn các hệ phương trình chủ
yếu của quá trình thủy động lực khơng cần tới các giả thiết đơn giản hố phải sử dụng
trong các mơ hình giải tích và mơ hình số, kích thước nhỏ của mơ 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
mơ phỏng được các điều kiện biến động hoặc các điều kiện có tần suất hiếm trong tự
nhiên ngồi ra chúng ta cịn có thể quan sát được tác động ngược của mơ hình một cách
trực quan.
Bên cạnh các ưu điểm như trên mơ hình vật lý cũng có những mặt hạn chế, trước
hết là hiệu ứng thu nhỏ, mơ hình vật lý nhỏ hơn thực tế nên khơng thể mơ phỏng tồn
bộ biến động của các đặc trưng trong mối liên hệ chính xác giữa chúng, thí dụ đối với
các mơ hình vùng ven bờ lực nhớt thường lớn hơn so với tự nhiên. Trong mơ hình vật
lý, đơi khi các lực truyền động và điều kiện biên trong tự nhiên không thể lặp lại một
cách tồn bộ do đó cần phải lượng giá và tính đến sự thiếu hụt này khi đánh giá kết quả
của một mơ 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

-8-

đặc biệt, chi phí cho hoạt động của mơ hình vật lý thường lớn hơn so với mơ hình số,
trong trường hợp khi mơ hình số cho các kết quả tính tốn chính xác ở mức độ chấp
nhận được, thì mơ hình số sẽ được lựa chọn làm phương pháp nghiên cứu.
Sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng mơ hình số trong nghiên cứu thủy
động lực hiện nay khơng làm cho mơ hình vật lý trở nên lỗi thời, mơ hình vật lý vẫn
tiếp tục cùng phát triển với mơ hình số, xu thế hiện tại là sử dụng phương pháp liên hợp
trong đó kết quả của mơ 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 mơ hình số hồn thiện bao trùm
lên vùng nghiên cứu lớn hơn và ngược lại, kết quả của mơ hình số có thể sử dụng làm
điều kiện đầu vào tại biên cho mơ hình vật lý.
1.1.3 Phƣơng pháp mơ hình tốn
Mơ hình tốn học là một trong những phương pháp tiếp cận tối ưu trong nghiên
cứu dòng chảy ba chiều. Bước đầu tiên trong việc mơ hình hố tốn học mơi 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 mơ 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 mơ hình có thể sẽ rất khác biệt
trong các trường hợp khác nhau.
Đặc trưng trước hết của mơ hình là đối tượng nghiên cứu như các vùng địa lý,
quy mô thời gian và các quá trình chun biệt cần mơ 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, mơ hình biển đầy đủ phải là mơ hình ba chiều khơng gian và tiến
triển theo thời gian, có thể giản lược bớt các chiều không gian hoặc thời gian như mơ
hình trung bình theo độ sâu của vùng biển nơng, mơ hình vùng cửa sơng trung bình
theo mặt cắt ngang, mơ hình dịng chảy dừng, mơ hình trung bình trong không gian tiến triển theo thời gian của các biến sinh thái ...
Tương tự như vậy, một mơ hình biển thực sự đầy đủ phải là mơ hình có vơ hạn

-9-


các biến trạng thái, do hạn chế về năng lực của cơng cụ tính tốn nên chỉ có một số
nhất định các biến trạng thái được chọn lựa. Do đó điều cốt yếu trong mơ hình hố 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 mơ hình có thể chia ra nhiều lớp như các q trình thủy
động lực, hố học, sinh học ... và mỗi lớp có thể chia thành các mơ hình thủy động lực,
hoá học, sinh học và giữa chúng tồn tại các liên kết số liệu. Trong đó mơ 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 mơ hình hố được các q trình vận chuyển, khuếch tán, hố
học hoặc sinh học sinh thái khác. Các mơ hình thủy động lực được mơ tả tốn học bằng
các phương trình đạo hàm riêng, trong đó các nghiệm được xác định ở tồn bộ các
điểm lưới và tiến triển theo thời gian.
Sự phát triển của các mơ hình thủy động lực ln ln được quan tâm vì khả
năng áp dụng trực tiếp của chúng trong các cơng trình kỹ thuật vùng ven bờ và ngồi
khơi. Các biến trạng thái của mơ 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 mơi trường biển.
1.1.3.1 Hệ phương trình thủy động lực ba chiều tổng qt
Hệ phương trình tốn 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 thơng 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. Ngồi ra, mơi trường nước trong tự
nhiên cịn có trạng thái phụ thuộc khơng tuyến tính với các đặc trưng thủy nhiệt động
lực như nhiệt độ, muối, các hợp phần có nguồn gốc vơ cơ hoặc hữu cơ....

Mơ hình số trị mô phỏng trường phân bố vận tốc và mật độ của môi trường nước

- 10 -


trong tự nhiên sẽ dựa trên hệ các phương trình thủy động lực và nhiệt động lực liên hệ
với nhau thơng qua quy luật bảo tồn 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 xi (i = 1,2,3) thay thế
cho ký hiệu các trục x, y, z và các thành phần vận tốc là Ui (i = 1,2,3).
Phương trình bảo tồn 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:

F
    U i

 i q
t
 xi
 xi

(1.1)

trong đó:  - mật độ nước; t – thời gian; Fi – các thông lượng thành phần của đặc trưng

 ; q – nội nguồn tổng cộng của đặc trưng  .
Hệ phương trình trên có thể mơ 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 hố 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.

Ui  ui  ui ;      

(1.2)

Giá trị trung bình theo Osborne Reynolds được xác định bằng biểu thức sau:

ui 

1
t 2  t1

t U i dt



1
t 2  t1

t  dt

t2

(1.3a)

1

t2

(1.3b)

1

trong đó: thời gian lấy trung bình (t2 – t1), đủ lớn khi so sánh với qui mô thời gian của
rối nhưng đủ nhỏ trong so sánh với dịng 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];

- 11 -


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

u
v
w


0
 x1  x 2  x 3

(1.4)

Phương trình chuyển động

 u  u 2 ( vu ) ( wu )
1 P




 fv
 t  x1
 x2
 x3
  x1
 u 2 uv uw



 x1
x 2
x 3
 v  ( uv ) ( v 2 ) ( wv )
1 P




 fu

t
 x1
 x2
 x3
  x2
uv  v 2  vw



x1
 x2
x 3

 w  ( uw ) ( vw ) ( w 2 )
1 P




g
t
 x1
 x2
 x3
  x3
 uw  vw  w 2



 x1

x 2
x 3

(1.5)

(1.6)

(1.7)

Phương trình bảo tồn các đặc trưng vô hướng

 ( u ) ( v ) ( w )
u  v  w 



 S 


t
x1
x 2
x 3
x1
x 2
x 3

(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

- 12 -


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

( u 2 , v 2 , uv , ...) , giữa vận tốc và các đặc trưng vô hướng ( u  , v  , w  ) .
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 vơ
hướng do rối.
Từ hệ phương trình có thể thấy rằng, ảnh hưởng của dịng chảy rối trong chuyển
động trung bình có thể được biểu diễn hồn toàn bằng tenxơ ứng suất Reynolds, Rij.
Ứng suất Reynolds trong phương trình chuyển động đóng vai trị tiêu tán và ta có thể
kết luận rằng chuyển động của một qui mơ thời gian xác định trước có thể nhận được
động lượng chủ yếu từ chuyển động có qui mơ thời gian dài hơn và bị tiêu tán động
lượng vào các chuyển động có qui mơ thời gian nhỏ hơn.
Đối với chất lỏng, chuyển động rối đóng vai trị quan trọng trong q trình tiêu
tán năng lượng. Thơng 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 dịng 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:

Rij    ui uj    ( j )

uj

 ui
  ( i )
 xj
 xi

(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:

- 13 -


Qi     u i   (  )


 xi

(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 qt mơ tả chuyển động
của chất lỏng có mặt thống và q trình truyền tải. Trên thực tế, khi xây dựng mơ hình
cần phải đơn giản hố hệ phương trình này ngoại trừ trường hợp khi q trình cần mơ
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 mơ 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 khơng thay đổi, các trục (x1, x2) có thể định hướng
tự do trên mặt phẳng ngang, toạ độ thẳng đứng được lựa chọn sao cho x3 = 0 tương ứng
với mực nước trung bình. Các phương trình thể hiện bề mặt thống và bề mặt đáy sẽ có
dạng sau:

z   ( x1 , x2 , t ) tại mặt thoáng

(1.11)

z   h ( x1 , x2 ) 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 mơ hình thủy động lực ba chiều bao gồm các
phương trình sau:
 Phương trình bảo tồn động lượng sử dụng xấp xỉ Bussinesq và xấp xỉ thủy
tĩnh:

u
u
u
u
u
v
w

 fv
t
 x1
 x2
 x3

- 14 -




1 p


 0  x1  x 3


u 


 T
 
 11 
 21

x

x

x

3
1
2



(1.13)

v
v
v
v
u
v
w
 fu
t
 x1
 x2
 x3
1 p



 0  x 2  x3


u 



 T
 
 12 
 22

x

x

x
3 
1
2


p
  g
 x3

(1.14)

(1.15)

 Phương trình liên tục – bảo tồn khối lượng

u
v
w



0
 x1
 x2
 x3

(1.16)

 Phương trình cân bằng nhiệt

T
T
T
T
1
I
u
v
w

t
 x1
 x2
 x3
 0 c p  x3



 x3



T 

 T
 
 x3 
 x1



T 
 
T 
  H
 
  H


x

x

x

1 
2 
2 

(1.17)

 Phương trình cân bằng muối hoà tan

S
S
S
S
u
v
w
t
 x1
 x2
 x3
 
S 

 T
 

 x3 
 x3 
 x1


S 
 
S 
  H
 
  H



x

x

x

1 
2 
2 

(1.18)

 Phương trình trạng thái

 (T, S) = a1 + a2T + a3T2 + a4T3 + a5T4 + a6T5
+ S (a7 + a8T + a9T2 + a10T3 + a11T4)
+ S3/2(a12 + a13T + a14T2) + a15S2

(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; 

- 15 -


- 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; cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của nước biển và I (x, y, z, t) – bức xạ mặt trời; a1 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:

 11  2  H

u
 x1

(1.20)

 u
v 



x

x
 2
1 

 21   12   H 

 22  2  H

(1.21)

v
 x2

(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

p  po  p  po   o qd

(1.23)

với: qd – thành phần tà áp baroclin của áp suất.
Giá trị của áp suất trung bình có thể xác định bằng:

 po
  o g
 x3

(1.24)

với điều kiện po cân bằng với áp suất khí quyển Pa tại bề mặt thống, do đó:

po   o g (   x3 )  Pa

(1.25)

1 p


1 Pa  qd
g


 o  xi
 xi  o  xi
 xi

(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

- 16 -


cân bằng động lượng theo phương thẳng đứng (1.15):

   o 
 qd
  b
  g 
 x3
 o 

(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 tồn động lượng của dịng chảy tích phân theo độ sâu và
phương trình liên tục của dao động bề mặt thoáng  với:


 ( u , v ) dx3

(1.28)


U
V


0
 t  x1
 x2

(1.29)

(U,V ) 

h

U


t
 x1

  gH


 VU

 H


  f V



H  Pa
1

 Q1 
(  s1   b1 )
 x1  o  x1
o

(1.30)



 11 
 21  A1h  D1h
 x1
 x2

V



t
 x1
  gH


U2


 
 x2
 H 

U V

 H



 
 x2


 V2

 H


  f U




H  Pa
1

 Q2 
( s 2   b2 )
 x2  o  x2
o

(1.31)



 12 
 22  A2h  D2h
 x1
 x2

với (  s1 , s 2 ) và ( b1 , b 2 ) – các ứng suất thành phần tại bề mặt thống và đáy biển;

Q1 , Q2

–

các

thành

phần

áp

suất

- 17 -

tà

áp

tích

phân

theo

độ

sâu,