Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển hải phòng bằng mô hình delft3d
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (9.78 MB, 128 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
oo
VŨ DUY VĨNH
NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG
VÙNG VEN BIỂN HẢI PHỊNG BẰNG MƠ HÌNH DELFT3D
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Hà Nội – 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
oo
VŨ DUY VĨNH
NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG
VÙNG VEN BIỂN HẢI PHỊNG BẰNG MƠ HÌNH DELFT3D
Chuyên ngành: Hải dƣơng học
Mã số: 60.44.97
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. ĐINH VĂN ƢU
Hà Nội – 2012
Mơc Lơc
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... iv
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... v
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU................. 3
1.1. Tình hình nghiên cứu......................................................................................... 3
1.1.1. Nghiên cứu ngồi nƣớc ............................................................................... 3
1.1.2. Nghiên cứu trong nƣớc ............................................................................... 6
1.2. Điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu ....................................................... 9
1.2.1. Vị trí địa lý và địa hình ............................................................................... 9
1.2.2. Chế độ gió ................................................................................................ 10
1.2.3. Đặc điểm thủy văn .................................................................................... 11
1.2.4. Đặc điểm hải văn ...................................................................................... 12
1.2.5. Đặc điểm trầm tích .................................................................................... 14
CHƢƠNG 2. TÀI LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP .......................................................... 16
2.1. Tài liệu ............................................................................................................ 16
2.2. Phƣơng pháp ................................................................................................... 19
2.2.1. Xử lý số liệu ............................................................................................. 19
2.2.2. Mơ hình tốn học ...................................................................................... 23
2.2.3. Thiết lập mơ hình ...................................................................................... 38
2.2.4. Hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả của mơ hình ........................................ 44
2.2.5. Các kịch bản tính toán ............................................................................... 50
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 52
3. 1. Thủy động lực ................................................................................................ 52
3.1.1. Biến động theo không gian........................................................................ 52
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
3.1.2. Biến động theo thời gian ........................................................................... 59
3. 2. Vận chuyển trầm tích lơ lửng ......................................................................... 69
3.2.1. Theo khơng gian ....................................................................................... 69
3.2.2. Biến động theo thời gian ........................................................................... 74
3.2.3. Tác động của một số yếu tố ....................................................................... 83
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 91
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 97
Phụ lục A. Một số kết quả tính trƣờng hợp hiện tại .............................................. A-1
Phụ lục B. Ảnh hƣởng của dao động mực nƣớc .................................................... B-1
Phụ lục C. Ảnh hƣởng của gió .............................................................................. C-1
Phụ lục D. Ảnh hƣởng của sóng và gió................................................................. D-1
iii
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Tần suất vận tốc gió và các hƣớng trung bình năm tại Hịn Dáu (1960-2011) ...... 10
Bảng 1. 2. Tần suất độ cao sóng và các hƣớng tại Hịn Dáu (1970-2011)............................. 13
Bảng 2. 1. Tóm tắt các thơng số của mơ hình cho hiện tại (kịch bản 1-2) .............................. 50
Bảng 2. 2. Các kịch bản tính tốn khác nhau của mơ hình .................................................... 51
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng và khu vực nghiên cứu ................................................ 9
Hình 2. 1. Địa hình vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng số hóa từ bản đồ ...........................................16
Hình 2. 2. Biến đổi vận tốc và hƣớng gió tại Hịn Dáu trong năm 2009 ..............................................17
Hình 2. 3. Tƣơng quan lƣu lƣợng nƣớc tại một số sông trong khu vực nghiên cứu .............................20
Hình 2. 4. Tƣơng quan lƣu lƣợng nƣớc tại vị trí khảo sát và quan trắc định kỳ ...................................21
Hình 2. 5. Lƣu lƣợng nƣớc trung bình giờ tại các sơng chính khu vực Hải Phịng ..............................22
Hình 2. 6. Lƣới tính của mơ hình cho vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng và vùng ngồi ...................23
Hình 2. 7. Tƣơng tác sóng- dịng chảy và vận chuyển trầm tích trong mơ hình Delft3d ......................24
Hình 2. 8. Lƣới tính và lƣới độ sâu của mơ hình thủy động lực ..........................................................39
Hình 2. 9. Ví dụ điều kiện ban đầu cho kịch bản tính mùa khơ ...........................................................40
Hình 2. 10. Ví dụ điều kiện ban đầu cho kịch bản tính mùa mƣa ........................................................41
Hình 2. 11. Hàm lƣợng TTLL tại biên sơng Cấm và Văn Úc .............................................................42
Hình 2. 12. Hệ số Manning (m-1/3s) cho các điểm trong miền tính của mơ hình ................................43
Hình 2. 13. Vị trí các điểm hiệu chỉnh và trích xuất kết quả tính của mơ hình ....................................45
Hình 2. 14. So sánh số liệu đo đạc mực nƣớc và tính tốn từ mơ hình tại Hịn Dáu ............................46
Hình 2. 15. So sánh kết quả quan trắc dịng chảy và tính tốn từ mơ hình tại trạm B2 ........................47
Hình 2. 16. So sánh kết quả quan trắc dịng chảy và tính tốn từ mơ hình tại trạm Do Son .................48
Hình 2. 17. So sánh kết quả quan trắc hàm lƣợng TTLL và tính tốn từ mơ hình ...............................49
Hình 3. 1. Trƣờng dịng chảy vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng giữa pha triều lên – mùa khơ .........55
Hình 3. 2. Trƣờng dịng chảy vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng giữa pha triều xuống – mùa khơ ....56
Hình 3. 3. Trƣờng dịng chảy vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng giữa pha triều lên – mùa mƣa ........57
Hình 3. 4. Trƣờng dịng chảy vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng giữa pha triều xuống – mùa mƣa ...58
Hình 3. 5 . Biến động vận tốc dòng chảy và mực nƣớc khu vực phía trong cửa Nam Triệu (H1) ........60
Hình 3. 6. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nƣớc khu vực phía tây đảo Cát Hải (H2) .................61
Hình 3. 7. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nƣớc khu vực phía tây nam đảo Cát Hải (H3) ..........62
Hình 3. 8. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nƣớc khu vực phía nam đảo Cát Hải (H4)................63
Hình 3. 9. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nƣớc khu vực phía ngồi cửa Lạch Huyện (H5) .......64
Hình 3. 10. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nƣớc khu vực phía tây nam Cát Bà (H6) ................65
Hình 3. 11. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nƣớc khu vực phía nam Cát Hải (H7) ....................66
Hình 3. 12. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nƣớc khu vực ven bờ Đồ Sơn (H8) ........................67
Hình 3. 13. Phân bố TTLL vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng mùa khơ trong kỳ triều cƣờng ...........72
Hình 3. 14. Phân bố TTLL vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng trong kỳ triều cƣờng – mùa mƣa .......73
Hình 3. 15. Biến động hàm lƣợng TTLL và mực nƣớc khu vực phía trong cửa Nam Triệu (H1) ........75
Hình 3. 16. Biến động hàm lƣợng TTLL và mực nƣớc khu vực phía tây đảo Cát Hải (H2) .................76
Hình 3. 17. Biến động hàm lƣợng TTLL và mực nƣớc khu vực phía tây nam đảo Cát Hải (H3) .........77
Hình 3. 18. Biến động hàm lƣợng TTLL và mực nƣớc khu vực phía nam đảo Cát Hải (H4) ...............78
Hình 3. 19. Biến động hàm lƣợng TTLL và mực nƣớc khu vực phía ngồi cửa Lạch Huyện (H5) ......79
Hình 3. 20. Biến động hàm lƣợng TTLL và mực nƣớc khu vực phía tây nam Cát Bà (H6) .................80
Hình 3. 21. Biến động hàm lƣợng TTLL và mực nƣớc khu vực phía nam Cát Hải (H7) .....................81
Hình 3. 22. Biến động hàm lƣợng TTLL và mực nƣớc khu vực ven bờ Đồ Sơn (H8) .........................82
iv
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DĐMN:
Dao động mực nƣớc
ĐHKHTN: Đại học Khoa học Tự nhiên
E:
East (hƣớng đơng)
HDH:
Hải dƣơng học
KHTN:
Khoa học tự nhiên
KTTV:
Khí tƣợng thủy văn
NE:
NorthEast (hƣớng đông bắc)
nnk:
những ngƣời khác
MT:
Môi trƣờng
SE:
SouthEast (hƣớng đông nam)
S:
South (hƣớng nam)
TTLL:
Trầm tích lơ lửng
TĐL:
Thủy động lực
v
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
MỞ ĐẦU
Vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng có chế độ động lực phức tạp với sự tác
động và ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ sóng, dịng chảy, thủy triều và dịng nƣớc
ngọt từ sơng đƣa ra. Khu vực này cũng có hệ thống cảng biển quan trọng, đầu mối
ra biển của các tỉnh phía bắc. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau mà xu
hƣớng bồi lắng ở khu vực cảng Hải Phịng ln diễn ra mạnh mẽ, các tàu hàng lớn
thƣờng rất khó vào cảng chính mà phải chờ đến thời gian nƣớc lớn mới có thể vào
hoặc ra khỏi cảng.
Cũng ở khu vực này, bãi biển Đồ Sơn là bãi tắm khá nổi tiếng đƣợc phát hiện
từ thời Pháp. Đây là bãi tắm đẹp, sơn thủy hữu tình và có đƣờng giao thơng thuận
lợi đi Hà Nội và các tỉnh phía bắc. Chính vì vậy bãi biển Đồ Sơn có ý nghĩa hết sức
quan trọng đối với ngành du lịch nói riêng và sự phát triển kinh tế xã hội của thành
phố Hải Phịng nói chung. Tuy nhiên vấn đề đục nƣớc ở bãi biển Đồ Sơn đã làm
giảm sức hấp dẫn của khu du lịch này. Mặc dù đã có một số nghiên cứu để tìm ra
ngun nhân của hiện tƣợng này nhƣng các kết quả nghiên cứu đó vẫn cịn hạn chế.
Vì vậy, các kết quả của đề tài này sẽ góp phần tăng cƣờng sự hiểu biết về nguyên
nhân của hiện tƣợng đục nƣớc ở vùng ven bờ Đồ Sơn.
Do những nguyên nhân trên mà đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng (TTLL)
ở khu vực này đã đƣợc quan tâm nghiên cứu khá nhiều. Tuy nhiên do những nguyên
nhân khác nhau mà các kết quả của những nghiên cứu đó vẫn cịn các hạn chế.
Chính vì vậy trong khn khổ thực hiện đề tài QGTĐ 04-11, học viên đã đƣợc
tham gia đề tài và sử dụng các số liệu đo đạc khảo sát mới nhất để nghiên cứu đặc
điểm vận chuyển TTLL vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delf3D của Hà
Lan.
Với mục tiêu nhƣ trên, cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu chủ yếu sẽ là:
thu thập, xử lý các tài liệu liên quan để thiết lập đầu vào, kiểm chứng và hiệu chỉnh
mơ hình; triển khai các phƣơng án ứng dụng hệ thống các mơ hình thủy động lực
(TĐL), sóng và vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu theo các kịch bản khác
1
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
nhau: theo mùa, theo yếu tố tác động. Phạm vi khu vực nghiên cứu là vùng cửa
sơng ven biển Hải Phịng nhƣng chủ yếu tập trung vào khu vực phía đơng bắc bán
đảo Đồ Sơn. Sau thời gian tiến hành nghiên cứu các kết quả nhận đƣợc đã cung cấp
các đặc điểm vận chuyển TTLL ở vùng ven biển Hải Phòng, cũng nhƣ vai trò của
một số yếu tố nhƣ thủy triều, gió, sóng kết hợp với gió đến đặc diểm vận chuyển
TTLL ở khu vực nghiên cứu.
Báo cáo này trình bày các kết quả đó và đƣợc cấu trúc nhƣ sau:
Mở đầu: Giới thiệu sơ lƣợc về mục tiêu nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
của luận văn
Phần thứ nhất của báo cáo trình bày sơ lƣợc tổng quan tình hình nghiên cứu
trong và ngồi nƣớc có liên quan tới vấn đề. Cũng trong phần này, tổng quan về
điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu đƣợc đƣa ra, trong đó chủ yếu tập trung
vào các yếu tố có ảnh hƣởng trực tiếp và gián tiếp đến sự vận chuyển TTLL ở khu
vực nghiên cứu nhƣ chế độ gió, đặc điểm thủy văn sơng, hải văn và trầm tích.
Các tài liệu cơ bản và phƣơng pháp chính để thực hiện các nội dung và mục
tiêu nghiên cứu đã đặt ra của luận văn đƣợc trình bày trong phần thứ 2 của báo cáo.
Trong phần này, sẽ cung cấp các thông tin về những tài liệu chính để thiết lập mơ
hình, cơ sở tốn học của các mơ hình TĐL và vận chuyển TTLL. Ngoài ra, các
phƣơng pháp xử lý số liệu để thiết lập các điều kiện biên cho mô hình cũng đƣợc
trình bày trong phần này. Cũng trong phần thứ 2 của báo cáo, trình bày chi tiết việc
thiết lập các mơ hình tốn học để mơ phỏng điều kiện TĐL và vận chuyển TTLL
cho vùng cửa sông ven biển Hải Phòng. Một số kết quả hiệu chỉnh kiểm chứng mơ
hình cũng nhƣ những kịch bản tính tốn chính cũng đã đƣợc trình bày.
Các kết quả phân tích đánh giá điều kiện TĐL, vận chuyển TTLL ở khu vực
nghiên cứu đƣợc trình bày trong phần thứ 3 của báo cáo.
Cuối cùng là một vài kết luận và khuyến nghị.
2
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu
1.1.1. Nghiên cứu ngồi nƣớc
Trầm tích lơ lửng (TTLL) có một vai trị quan trọng ở nhiều khía cạnh khác
nhau đối với mơi trƣờng biển và cơng trình bờ. Tuy nhiên môi trƣờng ở vùng cửa
sông ven biển rất phức tạp, nơi diễn ra sự tƣơng tác của các khối nƣớc sơng- biển,
dịng triều, sóng, gió, lực Coriolis…nên những hiểu biết của con ngƣời các quá trình
nhƣ lắng đọng, tái lơ lửng, kết keo vẫn còn nhiều hạn chế. Ngồi phƣơng pháp phân
tích đánh giá các đặc điểm vận chuyển TTLL từ số liệu đo đạc khảo sát ngƣời ta đã
phát triển và ứng dụng các mơ hình toán học để dự báo các đặc điểm vận chuyển
TTLL ở vùng cửa sơng ven biển [30]. Các mơ hình này thơng thƣờng là các chƣơng
trình tính để giải các bài toán cơ bản của cơ học chất lỏng và phƣơng trình vận
chuyển trầm tich [22, 47].
Các phƣơng trình cơ bản của cơ học chất lỏng có thể đƣợc giải theo sơ đồ trong
không gian của 1 chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc 3 chiều (3D). Tƣơng ứng với các
phƣơng trình đó là các mơ hình số 1 chiều, 2 chiều hoặc 3 chiều đồng thời tính phức
tạp cũng lần lƣợt tăng dần. Trong tự nhiên, hầu hết các quá trình TĐL và vận
chuyển trầm tích ở vùng của sơng ven biển nhƣ dòng chảy rối, thủy triều, ứng suất
của gió, tác động của sóng, sự phân tầng nhiệt-muối, dịng chảy nói chung là các
q trình 3 chiều [47]. Vì vậy, khi áp dụng và phát triển các mơ hình tốn vào các
vùng cửa sơng ven biển ngƣời ta cố gắng lựa chọn các mơ hình 3 chiều.
Các mơ hình 2 chiều có thể là bình lƣu hoặc tổng hợp theo độ sâu. Một mơ hình
bình lƣu giải các phƣơng trình động lƣợng và liên tục cho chất lỏng và các pha
(phases) của trầm tích [54]. Những ứng dụng của mơ hình 2 chiều là các thiết kế
trong các mƣơng thoát nƣớc và hệ thống thủy lợi [32, 67]. Các mơ hình vận chuyển
trầm tích 2 chiều dựa trên phƣơng trình động lƣợng trung bình theo độ sâu và
phƣơng trình liên tục cho trầm tích ([27, 49]. Mực nƣớc, vận tốc dòng chảy, hàm
lƣợng TTLL và một số yếu tố khác đƣợc tính tại các điểm. Các tham số của mơ
hình đƣợc giả thiết là đồng nhất theo độ sâu tại mỗi điểm tính.
3
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
Những ví dụ của mơ hình 2 chiều có thể kể đến nhƣ các nghiên cứu của
Struiksma và nnk [59] và Wang [68]. Struiksma và nnk đã tính tốn biến động đáy
của một đoạn sơng với việc ứng dụng mơ hình vận chuyển trầm tích trên cơ sở các
cơng thức của Engelund và Hansen [37]. Wang [68] đã nghiên cứu phân bố trầm
tích ở gần cửa sơng với trƣờng hợp dịng chảy ít biến đối. Các mơ hình vận chuyển
trầm tích 2 chiều đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế nhƣ MIKE 21 [35] và TABSMD [60]. Mơ hình MIKE 21 đƣợc phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch và là mơ
hình sai phân hữu hạn. Mơ hình này cho các kết quả khá tốt và đƣợc sử dụng nhiều
ở Mỹ. Tƣơng tự nhƣ vậy, mơ hình TABS-MD đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực
cơng trình bờ từ khi ra đời trong những năm 1970. Một mơ hình 2 chiều là cần thiết
nếu tính đến các kiểu hồn lƣu phức tạp và dịng chảy khơng ổn định. Tuy nhiên so
với các mơ hình 1 chiều, các mơ hình 2 chiều địi hỏi thời gian tính tốn nhiều hơn,
số liệu cung cấp và các biến đầu vào nhiều hơn. Vì vậy trong một số trƣờng hợp có
thể cân nhắc lựa chọn giữa mơ hình một chiều và 2 chiều [50].
Mơ hình 3 chiều dựa trên các phƣơng trình cân bằng khối lƣợng hay khuyếch
tán đối lƣu của TTLL [67]. Trong phần lớn các mơ hình 3 chiều, trƣờng dịng chảy
và hàm lƣợng TTLL đƣợc tổng hợp (intergated) và tính tốn ở mỗi bƣớc thời gian.
Mơ hình 3 chiều tính đến cả các thành phần bình lƣu và đối lƣu của q trình vận
chuyển trầm tích và đƣợc dùng khi có sự phân tầng về dịng chảy và vận chuyển
trầm tích [47]. Các mơ hình 3 chiều cung cấp đầy đủ nhất bao gồm cả số lƣợng các
biến của bất kỳ hệ TĐL nào. Việc hiệu chỉnh mơ hình cũng địi hỏi lƣợng số liệu
lớn và phức tạp hơn [67], bởi vì các chƣơng trình đƣợc yêu cầu phải thể hiện đƣợc
tất cả các quá trình phức tạp của điều kiện TĐL diễn ra cả trong 3 hƣớng [50].
Thông thƣờng các số liệu đầu vào cho mơ hình 3 chiều có đƣợc từ các số liệu gần
đúng của các tài liệu nghiên cứu hơn là từ số liệu khảo sát do việc khảo sát các tham
số này ở điều kiện 3 chiều cho đến nay vẫn cịn nhiều khó khăn. Các mơ hình TĐL vận chuyển bùn cát 3 chiều cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về diễn biến và sự tƣơng
tác của các quá trình diễn ra trong thủy vực. Một ví dụ của kết quả mơ hình TĐL 2
chiều là kết quả đánh giá biến động của các nêm mặn vùng cửa sơng [67]. Nhiều
mơ hình 3 chiều đã đƣợc áp dụng với các qui mô khác nhau nhƣ trong phịng thí
4
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
nghiệm [51], hay quy mô các khu vực nhỏ [62]. Việc áp dụng mơ hình 3 chiều ở
quy mơ vùng lớn thƣờng gặp khó khăn do thời gian gian tính tốn lâu, vì vậy ngƣời
ta thƣờng chỉ mơ phỏng trong phạm vi một vài ngày hoặc một chu kỳ triều [51].
Việc ứng dụng mơ hình 3 chiều cần thiết nhất ở những vùng có cấu trúc thủy động
lực và q trình trầm tích phức tạp với các xốy và biến động mạnh theo khơng gian
[62, 63]. Một số mơ hình đã đƣợc sử dụng rộng rãi nhất phải kể đến nhƣ RMA11
[52], ECOMSED [38], CH3D-SED [31], Delft-3D [34]. Khi mơ hình CH3D-SED
đƣợc áp dụng gần đây ở vùng cửa sông Mississippi-Atchafalaya, mô hình này chỉ
đƣợc dùng để kiểm tra tính chính xác của một giả thuyết về sự sắp xếp đƣờng cong
trầm. Ngƣời ta đã đi đến kết luận rằng một mô hình 2 chiều đƣợc xử lý và thiết lập
tốt có thể trở thành một công cụ kỹ thuật chuyên nghiệp cho nghiên cứu động lực
học cơng trình bờ [43]. Một ví dụ khác, O‟Connor và Nicholson cung cấp một mơ
hình 3 chiều đầy đủ bao gồm một mơ hình vận chuyển TTLL, q trình ngƣng keo
và kết bơng [51]. Katopodi và Ribberink thơng báo về một mơ hình tựa 3 chiều
(quasi-3D) cho TTLL dựa trên việc giải gần đúng phƣơng trình khuếch tán- bình
lƣu cho sóng và dịng chảy [40]. Briand và Kamphuis đƣa ra một cách tiếp cận chi
tiết việc tính tốn vận chuyển trầm tích dựa trên kết hợp tính dịng chảy 3 chiều và
phân bổ hàm lƣợng TTLL theo phƣơng thẳng đứng [28]. Một mơ hình sai phân hữu
hạn 3 chiều cho TĐL và vận chuyển TTLL đã đƣợc mô tả bởi Cancino và Neves
[29].
Gần đây, trong một số nghiên cứu của Châu Âu về vùng cửa sông thuộc dự án
Khoa học và Công nghệ biển (MAST). Một trong những kết quả của dự án này là
một mơ hình kết hợp TĐL- sinh thái vùng thềm lục địa gọi là mơ hình
COHERENS. Đây là mơ hình tổng hợp của các thành phần vật lý nhƣ dòng chảy,
nhiệt độ, độ muối, các module sinh vật phù du, các q trình sinh- địa- hóa, TTLL
và module phát tán vật chất theo công thức của Eulerian và Lagrangian [44, 45].
Tuy nhiên, phần vận chuyển trầm tích trong mơ hình này chƣa tính đến những biến
động của địa hình đáy. Viện Thủy lực Delft cũng đã phát triển hệ thống mô hình
tổng hợp (2D/3D) để mơ phỏng điều kiện TĐL và vận chuyển trầm tích dƣới ảnh
hƣởng của các lực khí tƣợng và thủy triều. Mơ hình này tính đến những biến động
5
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
của địa hình đáy, q trình lắng đọng, xói lở và có thể tính kết hợp (coupling) các
điều kiện TĐL - sóng và vận chuyển trầm tích ở mỗi bƣớc thời gian (Online) trong
q trình tính tốn [34].
Đáng chú ý là phần lớn các mơ hình TĐL - vận chuyển trầm tích đều giả thiết
là phân bố áp suất thủy tĩnh và dùng các sơ đồ phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu
hạn, phƣơng pháp chuyển đổi hệ tọa độ thẳng đứng sigma, ảnh hƣởng của các lực
đƣợc phân chia giống nhau lên tồn bộ cột nƣớc. Phần lớn các mơ hình này dùng
các biểu diễn đại số để tham số hóa các hệ số rối và dùng các phƣơng trình bán thực
nghiệm với các hệ số đã đƣợc đơn giản hóa. Những so sánh, đánh giá về tính năng,
khả năng áp dụng, mức độ mạnh yếu của các mơ hình đƣợc sử dụng rộng rãi nhất
hiện nay đã đƣợc so sánh và thảo luận chi tiết trong cuốn “A Review on Coastal
Sediment Transport Modelling” của Laurent Amoudry [23].
1.1.2. Nghiên cứu trong nƣớc
Với trên 3200 km chiều dải bờ biển, vùng ven bờ biển Việt Nam tiếp nhận một
lƣợng trầm tích rất lớn từ hệ thống sơng Hơng-Thái Bình ở Bắc Bộ và hệ thống
sơng Mê Kơng ở Nam Bộ. Dịng trầm tích từ lục địa đi vào vùng ven bờ không chỉ
gây ra những tác động về môi trƣờng nhƣ ơ nhiễm, đục hóa mà cịn là một trong
những ngun nhân gây sa bồi luồng lạch cản trở các hoạt động giao thơng thủy.
Chính vì vậy nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích ở các vùng cửa sơng ven
biển Việt Nam có ý nghĩa cả lý luận và thực tiễn cũng nhƣ nhận đƣợc sự quan tâm
của các nhà quản lý và các nhà khoa học. Trong giai đoạn đầu khi các mơ hình tốn
chƣa phát triển, các nghiên cứu về vận chuyển TTLL ở vùng biển Việt Nam chủ yếu
dựa trên các phân tích đánh giá từ số liệu khảo sát. Tiêu biểu trong số đó là nghiên
cứu của về động lực vùng ven biển và cửa sông Việt Nam [2]. Trong nghiên cứu
này, các tác giả đã dựa trên việc phân tích số liệu đo đạc để đánh giá tƣơng quan
giữa các yếu tố động lực và q trình trầm tích ở vùng cửa Văn Úc và Ba Lạt. Một
nghiên cứu khác về thủy thạch động lực chủ yếu dựa trên những số liệu quan trắc
[3]. Theo đó, dịng bồi tích dọc bờ vùng ven biển Hải Thịnh- Hà Nam Ninh đã đƣợc
6
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
tính tốn bằng các công thức của CERC và sự vận động của dòng bùn cát ven bờ
chủ yếu là do TTLL (chiếm tới 90%).
Trong những năm gần đây, do sự phát triển của các cơng cụ tính tốn nên mơ
hình tốn học đã dần đƣợc đƣa vào sử dụng trong việc tính tốn TĐL và vận chuyển
bùn cát. Các mơ hình đƣợc sử dụng nhiều ở Việt Nam là Mike 21 (Viện Địa lý, ĐH
Thủy lợi, Viện KTTV và MT), SMS (Viện KTTV và MT, Viện Cơ học, trƣờng
ĐHKHTN), MDEC (Trƣờng ĐHKHTN), Delft3D (Viện Tài nguyên và Môi trƣờng
biển, Đại học Thủy lợi). Những lĩnh vực ứng dụng nhiều của mô hình vận chuyển
trầm tích nhƣ phục vụ đánh giá bồi tụ xói lở vùng cửa sơng ven biển Bắc Bộ [16],
vùng ven biển miền Trung [5] và vùng biển Nam Bộ [11], đánh giá xu thế bồi tụxói lở khu vực Cửa Đáy [10], vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy vùng
cửa sơng ven biển Hải Phịng [18]. Trong những nghiên cứu trên, các mơ hình vận
chuyển trầm tích chủ yếu đƣợc dùng để tính tốn dự báo cân bằng của các dòng bùn
cát ở vùng ven bờ. Ứng dụng khác liên quan đến mơ hình vận chuyển TTLL liên
quan đến lĩnh vực môi trƣờng là đánh giá phân bố của TTLL ở các vùng cửa sông
ven biển. Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này nhƣ ứng dụng mơ hình
Mike và SMS đánh giá ảnh hƣởng do hoạt động của nhà máy nhiệt điện Mơng
Dƣơng đến q trình vận chuyển bùn cát lơ lửng ở khu vực này [12]; ứng dụng mơ
hình 3 chiều để nghiên cứu lan truyền TTLL ở vùng biển ven bờ Quảng Ninh [19];
nghiên cứu phân bố và biến động của TTLL, biến động địa hình đáy khu vực vịnh
Hạ Long- Bái Tử Long bằng mơ hình 3 chiều (Dellft3D) để phục vụ đánh giá sức
tải môi trƣờng của khu vực này [14]; trên cơ sở ứng dụng mơ hình Delft3D các tác
giả tại Viện Tài nguyên và Môi trƣờng biển đã thiết lập đồng thời mơ hình thủy
động lực-sóng và vận chuyển TTLL để đánh giá ảnh hƣởng của đập Hịa Bính đến
phân bố TTLL ở vùng ven bờ châu thổ sông Hồng [21].
Vùng cửa sông ven biển Hải Phịng là nơi hằng năm tiếp nhận một lƣợng trầm
tích khá lớn từ lục địa của hệ thống sông Hồng- Thái Bình qua 5 cửa sơnng chính là
Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình. Trong đó sơng Cấm và Văn Úc
là 2 trong số 4 cửa ra biển chính của dịng vật chất từ sơng Hồng- Thái Bình ra vùng
ven bờ châu thổ sơng Hồng. Dịng bùn cát từ lục địa đƣa ra vùng cửa sông ven biển
7
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
góp phần hình thành nên các bãi bồi phì nhiêu, tăng nhanh quá trình lấn biển mở
rộng đất đai, cung cấp nguồn dinh dƣỡng cho sinh vật. Tuy nhiên, dòng bùn cát này
cũng gây ra các vấn đề môi trƣờng khác nhƣ đục nƣớc, sa bồi luồng lạch. Chính vì
vậy đặc điểm vận chuyển trầm tích ở vùng ven biển Hải Phịng đã đƣợc quan tâm
nghiên cứu từ khá lâu. Điển hình là các nghiên cứu về điều kiện TĐL và vận chuyển
trầm tích trong mối liên hệ với hiện tƣợng biến dạng bờ và xói lở bờ đảo Cát Hải
[13]. Cũng dựa trên những số liệu khảo sát, trong nghiên cứu về động lực vùng cửa
Văn Úc, Nguyễn Văn Cƣ và nnk đã đƣa ra những đánh giá về quan hệ của các yếu
tố động lực với quá trình vận chuyển trầm tích ở khu vực này [6]. Một nghiên cứu
tổng hợp khác dựa trên các điều kiện địa chất- thủy động lực- vận chuyển trầm tích
để xác định nguyên nhân đục nƣớc ở bãi biển Đồ Sơn cũng đã đƣợc tiến hành [4].
Những nghiên cứu liên quan về vận chuyển trầm tích ở khu vực này đã đƣợc tiến
hành thơng qua ứng dụng mơ hình tốn học trong thời gian gần đây. Đáng chú ý là
nghiên cứu áp dụng mô hình Mike21 để đánh giá điều kiện động lực, dự báo vận
chuyển trầm tích khu vực cửa Văn Úc và Lạch Huyện ([6, 7]. Một số nghiên cứu
khác bằng mô hình 3 chiều (3D) cũng đã đƣợc thực hiện ở khu vực này [20, 18, 1,
8]. Trong Luận văn cao học với nội dung đánh giá đặc trƣng TTLL vùng cửa sơng
ven biển Hải Phịng, tác giả Trần Anh Tú cũng đã sử dụng module chất lƣợng nƣớc
(Delf3d-WAQ) trong mô hình Delft3d để mơ phỏng điều kiện TĐL – vận chuyển
TTLL [17]. Tuy nhiên trong nghiên cứu này, tác giả chỉ dùng mơ hình 2 chiều và
khơng tính đến các yếu tố sóng nên khơng thể hiện đƣợc sự ảnh hƣởng do tƣơng tác
của các quá trình thủy động lực- sóng và vận chuyển TTLL ở diễn ra ở khu vực
nghiên cứu.
Việc ứng dụng các mơ hình tốn học nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích
ở nƣớc ta tuy nhiều nhƣng vẫn cịn có những hạn chế, đặc biệt là vấn đề số liệu đầu
vào cho mơ hình. Nguồn số liệu cung cấp cho các mơ hình ở nƣớc ta thƣờng thiếu
số lƣợng, thiếu đồng bộ, hệ thống và cả độ chính xác. Do đó việc xử lý số liệu đầu
vào, hiệu chỉnh các tham số tính tốn để lựa chọn đƣợc những tham số phù hợp cho
mơ hình vẫn là một vấn đề tồn tại cần giải quyết trong thời gian tới.
8
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
1.2. Điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu
1.2.1. Vị trí địa lý và địa hình
Khu vực nghiên cứu nằm trong khoảng tọa độ 20.5-20.9 độ vĩ bắc và 106.5107.1 độ kinh đông, vùng biển ven bờ tây vịnh Bắc Bộ, rìa Đơng Bắc của châu thổ
sơng Hồng thuộc thành phố Hải Phịng, cách Hà Nội khoảng 102km về phía đơng
(Hình 1. 1).
Hình 1. 1. Vùng cửa sơng ven biển Hải Phòng và khu vực nghiên cứu
Khu vực này đƣợc tạo thành bởi các q trình động lực sơng, biển và sơng biển hỗn hợp. Đây là vùng biển có chế độ nhật triều đều với biên độ triều lớn, lại
nằm trong vành đai khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, cho nên vai trò động lực thuỷ
triều và thực vật ƣa mặn đã đóng vai trị quan trọng cho sự thành tạo và phát triển
địa hình ở đây. Mặt khác, do hoạt động giao thông thuỷ, quai đê lấn biển, khai thác
tài nguyên thiên nhiên ở vùng cửa sông của con ngƣời cũng làm cho động lực phát
triển của địa hình khu vực nghiên cứu thêm phức tạp. Bờ biển ven bờ Hải Phịng có
dạng đƣờng cong lõm của bờ tây vịnh Bắc Bộ, thấp và khá bằng phẳng, cấu tạo chủ
yếu là bùn cát do năm cửa sông đổ ra. Địa hình vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng
có độ sâu không lớn, độ dốc nhỏ.
9
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
1.2.2. Chế độ gió
Khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng bị chi phối bởi 2 hệ thống gió mùa, đó là
gió mùa đơng bắc và gió mùa tây nam. Vào mùa đông, khu vực này chịu sự ảnh
hƣởng giao tranh giữa hai hệ thống gió mùa từ áp cao Xibiri và gió mùa tín phong
từ áp cao phụ biển Đơng Trung Hoa. Hai hệ thống này khi thì tác động luân phiên
xen kẽ, khi thì đồng thời tác động đã gây nên tình trạng biến động khá mạnh mẽ của
thời tiết trong mùa. Hệ thống gió mùa từ áp cao cực đới chiếm ƣu thế vào các tháng
giữa mùa đông (khoảng tháng 10 năm trƣớc đến tháng 3 năm sau), lấn át hẳn hệ
thống tín phong. Trái lại vào những tháng đầu mùa đông (khoảng tháng 11) và cuối
mùa đông (tháng 2-3) hệ thống tín phong lại vƣợt lấn át hệ thống cực đới. Do đó
trong thời kỳ mùa đơng thời tiết thƣờng có những giai đoạn lạnh (khơ hay ẩm) đặc
trƣng cho gió mùa cực đới (khi xuất hiện gió mùa đơng bắc) xen kẽ với những ngày
nóng ấm đặc trƣng của thời tiết tín phong. Trong mùa gió đơng bắc với các hƣớng
thịnh hành là Bắc, Đông Bắc vận tốc gió trung bình thƣờng đạt 3,2-3,7 m/s. Hàng
tháng trung bình có 3 - 4 đợt gió mùa đơng bắc, kéo dài từ 5 - 7 ngày, gây ra mƣa
nhỏ, vận tốc gió những ngày đầu đạt đến cấp 5 - 6 (tƣơng đƣơng 8 - 13 m/s), vận
tốc gió lớn nhất ở các đảo có thể đạt tới 25 – 30 m/s, sau đó giảm dần.
Bảng 1. 1. Tần suất vận tốc gió và các hƣớng trung bình năm tại Hòn Dáu (1960-2011)
Hƣớng
1.0 - 2.0
4.14
N
0.91
NNE
2.52
NE
1.08
ENE
5.72
E
1.88
ESE
3.42
SE
0.96
SSE
1.60
S
0.40
SSW
0.56
SW
0.12
WSW
0.47
W
0.21
WNW
1.63
NW
1.16
NNW
Tổng số (%)
26.78
Tần suất lặng gió (%)
Khoảng vận tốc (m/s)
2.0 - 3.0 3.0 - 4.0 4.0 - 5.0 5.0 - 6.0 6.0 - 7.0
2.74
1.55
0.74
0.26
0.14
0.76
0.46
0.32
0.12
0.06
2.17
1.32
0.59
0.20
0.10
1.15
0.88
0.59
0.28
0.13
6.70
5.33
2.82
1.08
0.41
2.05
1.31
0.52
0.16
0.07
3.44
2.09
0.84
0.22
0.08
1.02
0.94
0.59
0.25
0.10
1.72
1.79
1.25
0.86
0.37
0.39
0.44
0.42
0.25
0.14
0.39
0.43
0.25
0.10
0.07
0.04
0.04
0.02
0.00
0.00
0.17
0.06
0.01
0.01
0.01
0.07
0.02
0.02
0.01
0.00
0.62
0.21
0.08
0.03
0.02
0.49
0.22
0.11
0.05
0.01
23.91
17.09
9.19
3.87
1.71
10
>= 7.0
0.10
0.05
0.07
0.10
0.18
0.05
0.04
0.05
0.08
0.07
0.04
0.00
0.01
0.00
0.02
0.02
0.89
Tổng số
(%)
9.67
2.70
6.96
4.20
22.25
6.03
10.13
3.91
7.68
2.10
1.84
0.22
0.74
0.34
2.61
2.06
83.44
16.56
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
Tƣơng tự nhƣ thời kỳ mùa đông, vào thời kỳ mùa hè ln có sự tranh chấp ảnh
hƣởng giữa gió mùa tây nam và các khối khí lạnh yếu từ phía bắc. Hai khối khí này
thay nhau thống trị thời tiết trong các tháng mùa hè với các hƣớng gió thịnh hành là
đông, đông nam và tây nam chiếm tần suất khoảng trên 50%. Tốc độ gió trung bình
đạt 3,5 - 4,0 m/s, cực đại đạt 20 – 25 m/s.
Trong thời kỳ chuyển tiếp khí hậu (tháng 4 và tháng 10), sự ảnh hƣởng của gió
mùa giảm, thƣờng xuất hiện gió biển-đất liền với vận tốc khoảng cấp 3 - cấp 4, ban
ngày có gió thổi từ biển vào đất liền, ban đêm có gió thổi ngƣợc lại từ đất liền ra
biển.
Các kết quả phân tích thống kê dựa trên số liệu quan trắc gió tại Hịn Dáu
(1960-2011) cho thấy trung bình trong nhiều năm các hƣớng gió có tần suất xuất
hiện lớn là E, SE, NE và S (Bảng 1. 1). Vận tốc gió ở khu vực này với giá trị nhỏ
hơn 3m/s chiếm tần suất tới trên 50%. Tần suần xuất hiện gió có vận tốc từ 3-5m/s
chiếm khoảng 26.3%. Tần suất xuất hiện gió trên 5m/s chỉ chiếm khoảng 6.5%
(Bảng 1. 1)
Trong mùa khơ, hƣớng gió thịnh hành chủ yếu là E, N và NE với tần suất lần
lƣợt là 35.2, 16.6 và 11.1%. Vận tốc gió lớn hơn 6m/s trong mùa này chiếm tần suất
khoảng 29%. Trong mùa mƣa các hƣớng gió thịnh hành là E, SE, S, N và NE. Vận
tốc gió lớn hơn 6m/s chiếm tần suất khoảng 37.9%.
1.2.3. Đặc điểm thủy văn
Lƣợng nƣớc của vùng châu thổ sơng Hồng ảnh hƣởng bởi gió mùa Tây Nam
(mùa hè), xoáy thuận nhiệt đới (mùa thu) và bão (hè thu). Thời kỳ nhiều nƣớc kéo
dài từ tháng (VI - X), dịng chảy lớn nhất trên sơng Hồng xuất hiện vào tháng VIII,
dòng chảy nhỏ nhất xuất hiện vào tháng III.
Hàng năm, hệ thống sơng Hồng- Thái bình cung cấp khoảng 120 tỷ m3 nƣớc và
114 triệu tấn phù sa cho vùng ven bờ. Lƣợng vật chất này chủ yếu qua 9 cửa sơng
chính: Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình, Trà Lý, Ba Lạt, Ninh Cơ
và Đáy. Trong đó vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng chịu tác động trực tiếp của các
sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình. Chế độ dịng chảy ở các
11
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
sơng này cũng nhƣ các sông khác thuộc hệ thống sông Hồng-Thái Bình có đặc điểm
là biến động mạnh theo mùa. Phân tích từ các chuỗi số liệu nhiều năm cho thấy tải
lƣợng nƣớc hằng năm tập trung chủ yếu vào các tháng mùa mƣa (từ tháng 6 đến
tháng 9) hằng năm. Trong khi đó các tháng cịn lại lƣợng chảy hầu nhƣ rất nhỏ [14].
Trong mùa mƣa, lƣu lƣợng chảy trung bình của các sơng ra biển biến đổi trong
khoảng 300-2200m3/s, trong khi các tháng mùa khô, lƣu lƣợng nƣớc trung bình chỉ
dao động quanh giá trị 50-300m3/s.
1.2.4. Đặc điểm hải văn
Dao động mực nƣớc (DĐMN) ở vùng cửa sông ven biển Hải Phịng thuộc kiểu
nhật triều đều điển hình với hầu hết số ngày trong tháng là nhật triều, bán nhật triều
chỉ xuất hiện 2-3 ngày trong kì nƣớc kém. Trong một pha triều có một lần nƣớc lớn
và một lần nƣớc rịng. Trong một tháng mặt trăng có hai kỳ nƣớc cƣờng, mỗi kỳ 1113 ngày, biên độ trung bình dao động 2,6-3,6m và hai kỳ nƣớc kém, mỗi kỳ 3-4
ngày có biên độ 0,5-1,0m. Sóng triều có tính chất sóng đứng với ƣu thế thuộc các
sóng nhật triều O1, K1 có biên độ 70-90cm, trong khi các sóng bán nhật triều M2, S2
chỉ có vai trị thứ yếu với biên độ khá nhỏ.
Trong năm, dao động triều đạt giá trị lớn nhất vào thời kì triều chí điểm khi độ
xích vĩ mặt trời cực đại vào tháng 6 và 12, và ngƣợc lại, nhỏ nhất vào triều phân
điểm khi độ xích vĩ mặt trời bằng “0” vào tháng 3 và 9. Trong các tháng 3, 4, 8 và 9
độ lớn triều giảm và xuất hiện triều bán nhật 3-4 ngày mỗi tháng.
Chế độ sóng
Vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng là vịnh nƣớc nơng ven bờ có cấu tạo địa
hình đáy rất phức tạp do hệ thống val bãi ngầm và luồng lạch ln biến động. Sóng
ở ngồi vùng nƣớc sâu truyền vào bờ, do ảnh hƣởng của ma sát đáy, các đặc trƣng
của sóng (tốc độ lan truyền, độ cao, chu kỳ, độ dài) cũng nhƣ hƣớng vận động ln
thay đổi. Vì vậy, chế độ sóng khác biệt hẳn với chế độ sóng vùng nƣớc sâu cả về
hƣớng thịnh hành và cấp độ cao.
Trong thời kỳ mùa đơng gió mùa NE hoạt động mạnh cả về tần suất lẫn tốc độ,
song do đảo Cát Hải, Cát Bà che chắn làm giảm khá lớn năng lƣợng gió tác động
12
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
lên mặt biển, hơn nữa đà sóng lại ngắn và độ sâu nhỏ nên ở khu vực nghiên cứu
sóng gió kém phát triển hơn so với ngoài khơi. Tuy nhiên vào thời gian triều cƣờng,
sóng gió vẫn có điều kiện phát triển và khúc xạ lan truyền sóng vào vùng ven bờ.
Trong mùa này hƣớng sóng thịnh hành là E và NE. Độ cao sóng trung bình đạt 0,5 0,6 m. Độ cao sóng lớn nhất khoảng 2,0 - 2,5 m, ở khu vực ven bờ phía đơng bán
đảo Đồ Sơn độ cao sóng có thể lên tới 3,0 m.
Về mùa hè chế độ sóng gió có đặc điểm ngƣợc lại so với mùa đơng cả hƣớng
lẫn cấp độ cao. Sóng gió có hƣớng thịnh hành, ảnh hƣởng lớn đến q trình thuỷ
thạch động lực khu vực nghiên cứu là SE và S với tần suất xuất hiện cao. Đặc biệt
trong các tháng VI, VII sóng gió hƣớng N chiếm ƣu thế gây ảnh hƣởng mạnh đến
xói lở bờ bãi phía N bán đảo Đình Vũ và đảo Cát Hải cũng nhƣ khu vực luồng tàu.
Độ cao sóng trung bình đạt 0,6 - 0,8 m. Trong thời kỳ này thƣờng có bão và áp thấp
nhiệt đới đổ bộ vào khu vực gây sóng to, gió lớn.
Bảng 1. 2. Tần suất độ cao sóng và các hƣớng tại Hịn Dáu (1970-2011)
Hƣớng
N
NNE
NE
ENE
E
ESE
SE
SSE
S
SSW
SW
WSW
W
WNW
NW
NNW
Tổng số (%)
Khoảng độ cao (m)
0.3- 0.5 0.5- 0.8
0.8 -1.0 1.0 -1.5
1.95
0.41
1.80
0.93
9.42
1.31
5.13
0.48
1.08
0.06
0.19
0.13
0.12
0.26
0.31
0.06
23.63
1.40
0.30
1.38
0.92
6.58
1.30
4.10
0.80
1.96
0.10
0.39
0.24
0.05
0.13
0.10
0.03
19.78
1.04
0.23
1.07
0.74
5.25
0.81
2.61
0.47
0.64
0.05
0.15
0.08
0.03
0.09
0.10
0.04
13.38
0.59
0.13
0.67
0.51
3.58
0.56
2.50
0.95
2.30
0.15
0.37
0.40
0.01
0.04
0.03
0.01
12.81
Tần suất lặng gió (%)
1.5-2.0
0.07
0.03
0.09
0.06
0.29
0.10
0.31
0.20
0.44
0.02
0.07
0.06
0.00
0.01
0.01
0.00
1.74
Tổng số
(%)
2.0- 2.5 2.5-3.0 >= 3.0
0.02
0.00
0.02
0.01
0.05
0.02
0.05
0.02
0.02
0.00
0.00
0.01
0.00
0.00
0.00
0.00
0.24
0.00
0.00
0.00
0.00
0.01
0.02
0.01
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.04
0.01
0.00
0.01
0.01
0.04
0.01
0.02
0.00
0.01
0.01
0.01
0.01
0.00
0.00
0.00
0.00
0.16
5.08
1.09
5.04
3.18
25.22
4.13
14.73
2.92
6.45
0.39
1.19
0.93
0.21
0.53
0.55
0.14
71.78
28.22
Kết quả phân tích thống kê số liệu quan tắc sóng trong nhiều năm (1970-2011)
tại Hịn Dáu cho thấy các hƣớng sóng chủ yếu tác động vào khu vực này là E, SE, S
13
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
và NE với tần suất xuất hiện lần lƣợt là 25.2, 14.7, 6.5 và 5%. Cũng theo kết quả
phân tích trên, độ cao sóng nhỏ hơn 0.5m chiếm tới 52% (trong đó khoảng 28.2%
là lặng sóng), độ cao sóng lớn hơn 1.5m chỉ chiếm khoảng 15% tổng số số liệu
(Bảng 1. 2)
1.2.5. Đặc điểm trầm tích
Trầm tích lơ lửng trong nƣớc ở vùng cửa sơng ven bờ Hải Phịng ven bờ chủ
yếu do sơng cung cấp, ngồi ra cịn do sóng khuấy đục. Hàm lƣợng TTLL trong
nƣớc ở các cửa sông từ cửa Thái Bình, Văn Úc đến cửa Cấm, Bạch Đằng vào mùa
mƣa có giá trị dao động trong khoảng 0.09- 0.2kg/m3 và khoảng 0.05- 0.1kg/m3 vào
mùa khô. Hàm lƣợng TTLL của các cửa sông đƣa ra đạt giá trị cao nhất vào lúc
mực nƣớc thấp trung bình từ 1,5-1,86 m (so với 0 mHĐ). Khi triều cƣờng, TTLL
các cửa sông đƣa ra biển đã bị trung hồ điện tích hạt keo đƣợc dòng triều đƣa trở
lại vùng ven bờ biển Hải Phịng, bồi tụ cho trầm tích bãi triều. Trung bình hàm
lƣợng TTLL của nƣớc ven bờ biển vào lúc triều cƣờng trong mùa mƣa là 0.070.1kg/m3, trong mùa kiệt là 0.02-0.05kg/m3. Nhìn chung, TTLL từ các cửa sơng đƣa
ra khá cao, nhờ thuỷ triều, TTLL đƣợc ngƣng keo, bồi tụ để duy trì và mở rộng diện
tích bãi triều [6].
Trầm tích tầng mặt
Các cấp độ hạt của trầm tích ở vùng ven biển cửa sơng Hải Phịng có kích
thƣớc thay đổi từ 0,001 - 1 mm, trong đó hàm lƣợng cấp hạt 1- 0,5 mm chiếm dƣới
5%, cấp hạt từ 0,25- 0,01 mm chiếm 45-95%, cấp hạt nhỏ hơn 0,01 mm chiếm từ
10- 45%. Giá trị đƣờng kính trung bình (Md) của trầm tích nằm trong khoảng từ
0,01- 0,17 mm, hàm lƣợng % cấp hạt có sự biến đổi quan hệ với nhau theo chế độ
động lực sông biển.
- Cát nhỏ: Ngồi cửa sơng trầm tích cát nhỏ phân bố chủ yếu ở đới sóng vỡ với
bề mặt địa hình dƣơng có cao độ trên 0,5 m, tạo nên các cồn cát. Trong lịng dẫn
sơng trầm tích cát nhỏ phân bố chủ yếu dƣới dạng các bãi bồi ven sơng. Trầm tích
cát nhỏ ở đây có cấp hạt 0,25- 0,5 mm chiếm 2,82%, cấp hạt 0,25- 0,1 mm chiếm
83%, cấp hạt 0,1- 0,05 mm chiếm 7,96%, cấp hạt 0,05- 0,01 mm chiếm 5,42%, cấp
14
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
hạt nhỏ hơn 0,01 mm chiếm 5- 10%, giá trị Md đạt 0,17 mm, giá trị trung bình của
S0 khoảng 1,34.
- Cát bột: Trầm tích cát bột nằm bao quanh trầm tích cát nhỏ phân bố trên bề
mặt địa hình có cao độ từ “0” m trở lên. Trầm tích cát bột có hàm lƣợng trung bình
đối với cấp hạt 0,25- 0,1mm chiếm 31,9%, cấp hạt 0,1- 0,05 mm chiếm 42%, cấp
hạt 0,05- 0,01 chiếm 12%, cấp hạt nhỏ hơn 0,01 chiếm 19%, giá trị M d đạt 0,1 mm,
S0 đạt giá trị 1,8.
- Bột lớn: Trầm tích bột phân bố chủ yếu ở phía khuất sóng sau cồn cát, val cát
đó là bề mặt bãi triều. Trầm tích bột lớn có cấp hạt 0,05 - 0,01 mm chiếm 24,55%
cấp hạt 0,01- 0,005 mm chiếm 5%, cấp hạt nhỏ hơn 0,005mm chiếm 11%. Giá trị
Md nằm trong khoảng 0,06 mm, S0 đạt 2,7.
- Bột: Trầm tích bột phân bố chủ yếu ở trong các rừng ngập mặn ven bờ ứng với
bề mặt bãi triều nằm ở cao trình trên (+1,0) m. Trầm tích bột có hàm lƣợng cấp hạt
0,1- 0,01 mm chiếm 59% (trong đó cấp hạt 0,1 -0,05 mm chiếm 29,6%, cấp hạt
0,05- 0,01 mm chiếm 29,3%), cấp hạt 0,01- 0,05 mm chiếm 10,5%, cấp hạt nhỏ hơn
0,05 mm chiếm 23%, giá trị Md đạt 0,03 mm, S0 đạt 3,8.
- Cát - bột - sét: Trầm tích cát bột sét trong khu vực nghiên cứu phân bố ở trong
cửa sông, trầm tích này có hàm lƣợng cấp hạt 0,25- 0,1 mm chiếm 37,5%, cấp hạt
0,1- 0,05 mm chiếm 9,76%, cấp hạt 0,05- 0,01 mm chiếm 12,05%, cấp hạt 0,010,005 mm chiếm 13,6%, cấp hạt 0,005- 0,001 mm chiếm 12,28% còn lại là của cấp
hạt nhỏ hơn 0,001 mm, giá trị trung bình của Md = 0,03 mm, S0 = 6,7.
- Bột sét: Trầm tích bột sét thƣờng gặp ở hai khu vực: sƣờn bờ ngầm tƣơng ứng
với độ sâu từ 3- 10 m, ở vùng bãi triều chúng nằm trên các bề mặt trũng thấp của bãi
triều hoặc đƣợc phân bố ở dọc lạch triều. Trầm tích này có hàm lƣợng cấp hạt 0,10,05 mm chiếm 22,49%, cấp hạt 0,05 - 0,01 mm chiếm 23,67%, cấp hạt 0,01- 0,005
mm chiếm 15%, cấp hạt 0,005- 0,001 mm chiếm 20% còn lại là của cấp hạt nhỏ hơn
0,001 mm, giá trị trung bình của Md = 0,01 mm, S0 = 4,6
15
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
CHƢƠNG 2. TÀI LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP
2.1. Tài liệu
Để thực hiện các nội dung nghiên cứu của luận văn, các tài liệu cần thiết đã
đƣợc thu thập xử lý. Đây là những tài liệu đã đƣợc tổng hợp từ các kết quả nghiên
cứu có liên quan đến đối tƣợng và nội dung nghiên cứu của luận văn.
Địa hình là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến các điều kiện
thủy động lực của mỗi khu vực nghiên cứu. Số liệu độ sâu và đƣờng bờ của khu vực
cửa sông ven biển Hải Phịng đƣợc số hóa từ các bản đồ địa hình UTM hệ tọa độ địa
lý VN 2000 tỷ lệ 1:50000 và 1:25 000 do Cục Đo đạc Bản đồ (Bộ Tài nguyên và
Môi trƣờng Việt Nam) xuất bản năm 2005 (Hình 2. 1). Những số liệu này đã đƣợc
số hóa và hiệu chỉnh theo các số liệu đo độ sâu gần đây.
Hình 2. 1. Địa hình vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng số hóa từ bản đồ
Độ sâu và địa hình của khu vực phía ngồi và cũng nhƣ vùng vịnh Bắc Bộ sử
dụng cơ sở dữ liệu GEBCO -1/8 của Trung tâm tƣ liệu Hải dƣơng học Vƣơng quốc
Anh. Đây là số liệu địa hình có độ phân dải 0.5 phút đƣợc xử lý từ ảnh vệ tinh kết
hợp với các số liệu đo sâu [26, 48].
16
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
Số liệu khí tượng
Các đặc trƣng khí tƣợng có ảnh hƣởng nhất định đến điều kiện động lực của
khu vực. Đây cũng là một trong những yếu tố góp phần quan trọng hình thành tính
chất mùa của chế độ động lực ở vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng. Trong nghiên
cứu này, các số liệu gió quan trắc trong nhiều năm ở trạm hải văn Hòn Dáu đã đƣợc
thu thập và xử lý. Ngoài ra số liệu quan trắc với tần suất 6h/lần trong thời gian
tháng 2-3 và tháng 7-8-9 năm 2009 cũng đƣợc thu thập để đƣa vào mơ hình tính cho
các kịch bản hiện trạng (Hình 2. 2).
400
8
vận tốc
350
7
300
6
250
5
200
4
150
3
100
2
50
1
0
(a)
vận tốc (m/s)
hướng (độ)
hướng
0
1
2 3
4 5 6
7 8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
thời gian (ngày)
400
7
hướng
vận tốc
350
6
5
250
4
200
3
150
2
100
1
50
0
(b)
vận tốc (m/s)
hướng (độ)
300
0
1
2 3
4 5 6
7 8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
thời gian (ngày)
Hình 2. 2. Vận tốc và hƣớng gió tại Hòn Dáu trong năm 2009 (a- tháng 3-2009; b- tháng 8-2009)
17
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
Thuỷ triều
Số liệu về DĐMN ở vùng cửa sông ven biển Hải Phịng đƣợc thu thập để hiệu
chỉnh mơ hình và cung cấp cho các điều kiện biên mở phía biển. Số liệu mực nƣớc
để hiệu chỉnh mơ hình là các kết quả đo đạc mực nƣớc (1h/lần) tại Hòn Dáu trong
tháng 3 và tháng 8 năm 2009.
Ngoài ra, các số liệu DĐMN tại các biên mở phía biển cũng đã đƣợc thu thập
xử lý để thiết lập mơ hình TĐL. Đó là các số liệu đã đƣợc phân tích thành các hằng
số điều hịa thủy triều của 4 sóng triều chính là O1, K1, M2, S2. Tại các điểm biên
mở gần bờ, các số liệu đƣợc thu thập xử lý dựa trên các kết quả quan trắc đã đƣợc
thực hiện của một số cơ quan nhƣ Trung tâm KTTV biển, Viện Địa lý, Viện Cơ học
và Viện Tài nguyên và Môi trƣờng biển. Các hằng số điều hòa thủy triều ở phía
ngồi xa bờ đƣợc thu thập từ cơ sở dữ liệu các hằng số điều hòa thủy triều FES2004
[41, 46] của LEGOS (Laboratoire d'Etude en Géophysique et Océanographie
Spatiales, Toulouse) và CLS (Collecte Localisation Satellites) thuộc Trung tâm
Quốc gia nghiên cứu không gian Pháp (CNES) nghiên cứu phát triển.
Lưu lượng nước sông
Khu vực nghiên cứu chịu ảnh hƣởng mạnh mẽ của dịng nƣớc ngọt từ hệ thống
sơng Hồng – Thái Bình. Do chịu sự chi phối của chế độ khí hậu mang tính chất
nhiệt đới gió mùa nên tải lƣợng nƣớc từ các sơng này có đặc điểm quan trọng là
biến đổi mạnh theo mùa: chủ yếu tập trung vào các tháng trong mùa mƣa trong khi
khá nhỏ vào mùa khô.
Cho đến nay việc đo đạc đồng thời lƣu lƣợng nƣớc ở các của sơng chính trong
khu vực rất khó thực hiện, các số liệu thu thập đƣợc thiếu tính đồng bộ và hệ thống.
Vì vậy ngồi các số liệu thu thập đƣợc từ các đề tài liên quan ở khu vực này trong
các sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình, các số liệu quan trắc
định kỳ trên sông Cấm và Văn Úc của Trung tâm KTTV Quốc gia cũng đã đƣợc thu
thập xử lý để xây dựng các hàm tƣơng quan tuyến tính, qua đó tính toán các chuỗi
số liệu lƣu lƣợng nƣớc cho các biên mở sơng của mơ hình.
18
Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phịng bằng mơ hình Delft3d
Số liệu nhiệt muối
Số liệu về nhiệt độ và độ muối nƣớc biển ở vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng
và vùng vịnh Bắc Bộ đƣợc thu thập từ các kết quả nghiên cứu của Chƣơng trình
„„Điều tra cơ bản và nghiên ứng dụng công nghệ Biển‟‟ mã số KC.09 (Bộ Khoa học
và công nghệ, 2008) và kết quả quan trắc, nghiên cứu của một số đề tài, dự án có
liên quan trong khu vực. Ngồi ra, để sử dụng cho mơ hình tính ở phía ngồi cho
các điều kiện biên mở phía biển đƣợc thu thập từ cơ sở dữ liệu WOA09 [71] cho
khu vực biển Đông.
Số liệu hải văn
Số liệu dịng chảy đo đạc tại một số vị trí khảo sát trong khu vực nghiên cứu
của một số đề tài dự án vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng đã đƣợc thu thập xử lý
để phụ vụ hiệu chỉnh kiểm chứng độ tin cậy của mơ hình TĐL. Đặc biệt là số liệu
đo đạc dòng chảy từ đề tài liên quan [1, 8]. Số liệu quan trắc sóng của Trung tâm
KTTV Quốc gia tại trạm KTTV Hòn Dáu và Bạch Long Vỹ trong nhiều năm đã
đƣợc thu thập và xử lý. Đây là các số liệu quan trắc vào các Obs 7h, 13h và 19h
hằng ngày. Đây là những số liệu sẽ đƣợc dùng để tham khảo cho việc thiết lập mơ
hình lan truyền sóng vùng cửa sơng ven biển Hải Phòng.
2.2. Phƣơng pháp
2.2.1. Xử lý số liệu
Để phục vụ cho việc thiết lập mơ hình theo các kịch bản tính tốn dự báo khác
nhau, cần thiết phải xử lý các số liệu thu thập để tạo số liệu đầu vào cho mơ hình.
Các phƣơng pháp xử lý số liệu khác cũng đã đƣợc xử dụng trong nghiên cứu này:
- Phương pháp GIS để số hóa và xử lý số liệu địa hình từ các bản đồ địa hình.
Từ các bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50000 và 1 :25000 do Cục đo đạc bản đồ (Bộ Tài
nguyên và Môi trƣờng) xuất bản với hệ tọa độ UTM-VN2000 ở vùng cửa sơng ven
biển Hải Phịng, sử dụng các phần mềm MapInfo và Arcview để số hóa và tại thành
các file địa hình số ở khu vực nghiên cứu (Hình 2. 1). Các phần mềm GIS cũng
19
