Báo cáo nghiên cứu khoa học " Mô hình vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hệ các mô hình ba chiều (3D) thuỷ động lực và biến động các đặc trưng môi trường biển đã được phát triển và ứng dụng cho khu vực cửa sông ven biển chịu tác động mạnh của thuỷ triều. Cùng với hệ các phương trình 3D thuỷ động lực biển nguyên thuỷ, hệ thống mô hình đã giải bài toán bình lưu-khuếch tán đối với hợp phần trầm tích lơ lửng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học " Mô hình vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng "

Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 Mô hình vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng Đinh Văn Ưu* Trung tâm Động lực và Môi trường biển, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Ngày nhận 02 tháng 01 năm 2009 Tóm tắt. Hệ các mô hình ba chiều (3D) thuỷ động lực và biến động các đặc trưng môi trường biển đã được phát triển và ứng dụng cho khu vực cửa sông ven biển chịu tác động mạnh của thuỷ triều. Cùng với hệ các phương trình 3D thuỷ động lực biển nguyên thuỷ, hệ thống mô hình đã giải bài toán bình lưu-khuếch tán đối với hợp phần trầm tích lơ lửng. Quá trình bứt tách và lắng đọng vật chất lơ lửng trên đây được tính theo các hệ thức thực nghiệm có kể đến tác động của lớp biên đáy dưới ảnh hưởng của sóng và dòng chảy. Một số kỹ thuật tính toán mới đã được phát triển cho phép linh hoạt hơn trong quá trình thiết lập các điều kiện biên có mực nước và lưu lượng biến đổi phức tạp. Hệ thống mô hình đã được hoàn thiện và thử nghiệm cho vùng cửa sông ven biển cảng Hải Phòng. Các kết quả nghiên cứu cho phép lý giải một số nguyên nhân của hiện tượng bồi xói đáy, gây đục nước Đồ Sơn và cảnh báo các vùng có nguyên cơ ngập lụt và xói lở bờ biển. Từ khoá: Mô hình ba chiều (3D) thủy động lực, cửa sông chịu tác động mạnh thủy triều, hiện tượng bồi xói đáy. 1. Đặt vấn đề* tối đa có thể các tác động của sông, biển và khí quyển. Các quá trình tự nhiên liên quan đến biến Hệ thống mô hình sẽ chú trọng đến các động và vận chuyển trầm tích và các chất ô tác động chủ yếu như lưu lượng sông, thuỷ nhiễm trong nước chịu tác động của bình lưu, triều, gió và sóng trên mặt biển. khuếch tán và xáo trộn của toàn bộ khối nước Việc triển khai thử nghiệm mô hình đối với cũng như động lực học của các lớp biên, đặc vùng cửa sông ven biển cảng Hải Phòng trong biệt là lớp biên đáy. Khả năng tính toán phân bố các điều kiện thực tế của địa hình và khí tượng, vận tốc vận chuyển của nước và ứng suất đáy thuỷ văn, hải văn phức tạp cho phép hoàn thiện cho phép xác định được các thông lượng trầm hệ thống mô hình có khả năng áp dụng cho các tích và vật chất trao đổi qua lớp biên đáy phục vùng cửa sông ven biển Việt Nam. vụ hoàn thiện mô hình biến động vật chất trong nước. Để đáp ứng yêu cầu này cần phải hoàn thiện mô hình thuỷ động lực bao gồm các lớp 2. Hệ thống mô hình biên mặt và đáy cho phép tính đến một cách _______ Hệ thống mô hình số bao gồm các mô hình * ĐT: 84-4-38584945. kết hợp thuỷ động lực và môi trường biển, trong E-mail: uudv@vnu.edu.vn 133
134 Đ.V. Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 đó các mô hình 3D hệ phương trình nguyên Trong đó Q là suất trao đổi trầm tích trên thuỷ thuỷ động lưc và biến đổi vật chất là phần một đơn vị diện tích bề mặt do kết quả của các cốt lõi. Mô hình 2D biến đổi lớp trầm tích trên quá trình lắng đọng (D) và bứt tách (E). đáy được ứng dụng để mô phỏng biến động địa Suất trao đổi trầm tích Q được xác định hình đáy. Các mô hình tác động bề mặt và lớp thông qua đặc trưng thu được trực tiếp từ mô biên đáy đóng vai trò kết nối các mô hình nêu trên hình thuỷ động lực như ứng suất đáy tổng cộng thông qua điều kiện biên giữa nước với không khí do sóng và dòng chảy u∗cw , các đại lượng này và đáy biển. Liên kết giữa thuỷ vực nghiên cứu phụ thuộc vào tính chất của trầm tích như các với sông và biển được xử lý thông qua các điều giá trị ứng suất tới hạn lắng đọng u ∗cd và bứt kiện biên hở với những kỹ thuật phù hợp. tách u ∗ce cũng như phân bố của nồng độ vật Mô hình 3D thuỷ động lực biển kèm theo các mô hình tác động trên mặt và lớp biên đáy chất lơ lửng trong lớp biên đáy. Quy luật phân đã được mô tả chi tiết trong các công trình bố này thường được chọn trong dạng sau đây trước đây [1,2]. Hệ thống mô hình này cho phép liên quan đến khoảng cách quy chiếu za và nồng tính đến các tác động phức tạp của sóng và gió độ quy chiếu Ca tương ứng. trên mặt biển đến quá trình thuỷ động lực học − ws / κu∗ ⎛z ⎞ nước biển trong đó có lớp biên đáy. Đối với C z = Ca ⎜ ⎟ ⎜z ⎟ điều kiện biên hở, đã triển khai một quy trình ⎝a ⎠ mới cho phép xấp xỉ lưu lượng nước sông trên Mô hình biến động địa hình đáy được xây biên sông-biển thông qua lượng gia tăng mực dựng trên cơ sở phương trình liên tục đối với nước so với mực nước chung trên thuỷ vực. Kỹ trầm tích đáy được viết trong dạng biến động thuật mới này đã khắc phục được khó khăn nẩy của độ dày một thể tích đơn vị trầm tích đáy do sinh trước đây, khi lưu lượng nước vào ra bị divergence của dòng di đáy và suất trao đổi triều chi phối. trầm tích qua mặt phân cách nước-đáy. Phương Trong mô hình vận chuyển trầm tích sử trình mô tả quá trình tiến triển này được lấy dụng phương trình 3D bình lưu-khuyếch tán trong dạng: nồng độ trầm tích lơ lửng không biến tính (c): ∂z b ∂q x ∂q y ∂c ∂ ∂ ∂ ∂ (1 − p ) = + +Q + (cu) + (cv) + (cw) + (cws ) = ∂t ∂x ∂y ∂t ∂x ∂y ∂z ∂z Trong đó z b là độ dày lớp trầm tích đáy, p ∂ ∂c ∂ ∂c ∂ ∂c = λx + λ y + λz là độ xốp của lớp trầm tích trên đáy, qx và qy là ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z các thành phần của dòng di đáy và Q là suất trao đổi trầm tích. Trong đó, bên cạnh các thành phần vận tốc Như đã trình bày trong các công trình trước (u,v, w) và hệ số khuếch tán (λx,λy,λz) theo 3 đây, dòng di đáy của trầm tích được tính toán hướng, vận tốc lắng đọng ws phụ thuộc vào đặc theo các hệ thức thực nghiệm (Mayer-Piter trưng của trầm tích lơ lửng. (1948), Van Rijn (1984),...). Trong hệ thống mô Quá trình lắng đọng và bứt tách trầm tích hình này, ứng suất đáy tổng cộng được lấy trực trên đáy được kết nối với mô hình vận chuyển tiếp từ mô hình 3D thuỷ động lực, các giá trị trầm tích thông qua điều kiện biên đáy: ứng suất tới hạn được xác định dựa vào đặc trưng của trầm tích lơ lửng. Như đã trình bày ở ∂c ⎤ ⎡ cws − λ z ⎥ = Q = D + E ⎢ phần trên, suất trao đổi trầm tích giữa đáy và ∂z ⎦ b ⎣ nước được tính toán thông qua kết quả kết hợp
135 Đ.V.Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 của mô hình 3D thuỷ động lực học và mô hình biến động lưu lượng sông ổn định cho từng thời 3D vận chuyển trầm tích lơ lửng. đoạn lớn hơn một chu kỳ triều. Các kết quả mô hình hóa đã cho ta thấy chênh lệch mực nước giữa các vị trí khác nhau của thuỷ vực thường không vượt quá 5-10cm 3. Kết quả ứng dụng hệ thống mô hình cho trong điều kiện gió bình thường. Tuy nhiên vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng trong điều kiện gió bão, quá trình dâng rút mực nước xẩy ra dẫn đến hiện tượng mực nước ven Vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng ở đây bờ cao hơn hoặc thấp hơn nhiều so với mực được xem là phần chuyển tiếp giữa hệ thống nước triều cỡ trên 50-60cm. Khu vực xẩy ra các sông Cấm, sông Bạch Đằng, sông Chanh và nước dâng và rút mạnh nhất là ven đê 14 Đồ vùng biển hở thông qua hai cửa chính là Nam Sơn cũng như ven bờ Cát Hải (hình 1). Hiện Triệu và Lạch Huyện. Khu vực nghiên cứu sẽ tượng dâng mực nước này sẽ trở nên cực kỳ nguy bao gồm toàn bộ thủy vực nước nông ven bờ hiểm nếu tính đến quá trình lan truyền sóng dài từ tây kéo dài từ Đình Vũ đến Đồ Sơn, bãi nước ngoài vào cũng như nước dâng do sóng. nông phía Nam Cát Hải và các lạch tàu chính Với kết quả mô phỏng này có thể thấy dải Nam Triệu và Lạch Huyện. Trong thuỷ vực ven bờ phía bắc Đồ Sơn đến thành phố là khu này, các quá trình thuỷ động lực bị chi phối chủ vực có nguy cơ ngập lụt đáng kể trong điều yếu bởi thuỷ triều và lưu lượng sông đổ ra biển. kiện bão tác động trực tiếp đến dải bờ biển Hải Do chu kỳ biến động của hai quá trình này Phòng. Cùng với nguy cơ ngập lụt, nguy cơ xói khác nhau nên trước mắt chúng tôi nghiên cứu lở đê biển và công trình ven biển tại các đoạn dao động của thuỷ triều và dòng triều trên nền bờ này cũng gia tăng trong điều kiện bão. Hình 1. Bản đồ phân bố độ cao mực nước với tác động của gió bão (trái) và không có gió trong pha triều cường. Đối với bức tranh hoàn lưu, dễ dàng nhận kết thúc tại một cửa lạch khác, trong khi dao thấy đặc điểm thuận nghịch hướng song song động mực nước tại hai cửa này lại hầu như bờ của dòng chảy phía ngoài Cát Hải (hình 2). đồng thời. Các dòng chảy này xuất phát từ một cửa lạch và
136 Đ.V. Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 Hình 2. Phân bố dòng triều tạo nên dòng liên tục qua khu vực nước nông ngoài khơi Cát Hải trong hai pha triều cao (trái) và thấp (phải). Chế độ dòng chảy thu được từ mô hình biến đổi nhất định dưới tác động của gió cũng khẳng định sự hiện diện của các lạch triều đáng như sóng và được tăng cường đáng kể trong kể trên khu vực bãi nam Cát Hải trong đó có trường hợp lưu lượng sông có giá trị trên mức lạch sâu giữa bờ Bến Gót và trương Hàng Dày. trung bình (hình 3). Kết quả ứng dụng mô hình vận chuyển trầm Kết quả thu được trong khi áp dụng mô tích lơ lửng đồng thời với mô hình thủy động hình thủy động lực kết hợp vận chuyển trầm lực cho thấy quá trình vận chuyển trầm tích lơ tích lơ lửng và biến đổi địa hình đáy cũng cho lửng từ cửa Nam Triệu dẫn đến sự gia tăng độ thấy khả năng ứng dụng của hệ thống mô hình đục của nước tại vùng biển ngoài khơi Đồ Sơn đối với vùng biển có điều kiện tự nhiên phức cũng như Cát Bà. Hiện tượng này sẽ có những tạp như Hải Phòng. Hình 3. Phân bố nồng độ chất lơ lửng với lưu lượng sông trên trung bình khi triều cao (trái) và triều thấp (phải). Có thể nhận thấy dòng chảy dọc bờ có giá Lạch Huyện. Chính sự khẳng định này đã góp trị lớn tại hai vùng tây-nam và đông-nam Cát phần lý giải hiện tượng vùng đáy biển gần bờ Hải đã tạo nên hai lạch triều liên kết dòng chảy nam Cát Hải có xu thế bị xói thường xuyên, trên hai lạch tàu-cửa sông chính Nam Triệu và trong khi phần đáy biển nằm phía ngoài cũng
137 Đ.V.Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 như Lạch tàu Nam Triệu và Lạch Huyện bị bồi Từ kết quả phân tích số liệu viễn thám [3] tụ. Hiện tượng hội tụ và phân kỳ dòng chảy trên có thể thấy các khu vực biển có xu thế bị xói vùng biên giữa lạch triều này cũng như các lạch đáy như dải ven bờ đông-nam Đình Vũ và Phú tàu với bãi bồi ngoài khơi Cát Hải là nguyên Long chủ yếu do dòng chảy triều mạnh sát bờ nhân dẫn đến sự ổn định của xu thế bồi tụ tại không cho phép trầm tích lắng đọng (hình 4). đây, đặc biệt là các dải cát dọc hai lạch tàu chính trương Hàng Dày và trương Hoàng Châu. Hình 4. Bản đồ biến động đường bờ và địa hình đáy vùng biển nghiên cứu [3]. Với các đặc trưng sóng chế độ không lớn cơn bão số 7 (Damrey) đổ bộ vào bờ biển các trên các khu vực ven bờ nêu trên, hiện tượng tỉnh từ Thanh Hoá đến Hải Phòng vào rạng xói đáy không thể do nguyên nhân chính là sáng ngày 27 tháng 9 năm 2005 với sức gió sóng như nhiều nhà nghiên cứu trước đây từng mạnh tới cấp 10, 11 có nơi giật trên cấp 12 đã khẳng định. Chính hệ thống dòng chảy mạnh làm vỡ một số đoạn trên tuyến đê Hoàng Châu - trên dải độ sâu chuyển tiếp này đã tạo nên dòng Văn Chấn (Cát Hải) và đê biển Đồ Sơn bị uy vận chuyển dọc bờ mang theo các trầm tích có hiếp nghiêm trọng. Sóng to đã sóng tràn qua đê nguồn gốc từ đới sóng đổ. Điều này khẳng định biển Đồ Sơn khiến tuyến đường chạy ven biển sự hiện diện của các khu vực bờ biển bị ăn mòn bị ngập nước sâu 1m. nằm tại các vị tương ứng bị xói đáy phía ngoài. Các kết quả sơ bộ mô phỏng quá trình bồi, Bên cạnh các quá trình thường xuyên chu xói địa hình đáy biển cũng đã cho thấy, bên kỳ lớn, các quá trình mang tính tới hạn quy mô cạnh đặc điểm bồi tụ và xói lở đáy dài hạn như synop như bão, lũ, v.v... lại có thể gây nên đã phân tích ở phần trên với các vùng bồi tụ và những hậu quả đáng kể, bao gồm các hiện xói nằm xen kẽ nhau với quy mô tương đối nhỏ tượng cực đoan như xói lở bờ, công trình hay (hình 5). ngập lụt dải ven bờ. Trong số đó có ví dụ về
138 Đ.V. Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 Hình 5. Bản đồ phân bố các vùng bồi-xói đáy biển theo kết quả mô hình (0,1m là độ dày lớp trầm tích ban đầu). Những kết quả thu được cho thấy khả năng hệ thống mô hình có khả năng áp dụng cho các ứng dụng hệ thống mô hình Trung tâm Động vùng cửa sông ven biển Việt Nam. lực và Môi trường biển (MDEC) trong yêu cầu đưa ra cảnh báo về những nguy cơ ngập lụt và xói lở bờ biển trong điều kiện thủy thạch động Lời cảm ơn lực phức tạp như các cửa sông vùng triều Việt Nam. Vấn đề này càng có ý nghĩa hơn khi Những kết quả thu được với sự hỗ trợ kinh nghiên cứu các hiện tượng này trong tác động phí của đề tài Trọng điểm ĐHQG QGTD.07.04 ngày càng tăng của biến đổi khí hậu và mực Đề tài NC Cơ bản 706106 và đề tài KC nước biển dâng. 09.23/06-10. Tác giả chân thành cảm ơn. 4. Kết luận Tài liệu tham khảo Hệ thống mô hình MDEC cho phép tính đến [1] Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang các tác động chủ yếu đến hệ thống cửa sông ven Lam, Development of system of Hydrodynamic- biển như lưu lượng sông, thuỷ triều, gió và sóng environmental models for coastal area (Case study trên mặt biển. in Quangninh-Haiphong region), Journal of Science, Earth Sciences T. XXIII, No1 (2007) 59. Việc triển khai thử nghiệm mô hình đối với [2] Dinh Van Uu, Towards a coastal ocean vùng cửa sông ven biển cảng Hải Phòng trong monitoring and prediction system for các điều kiện thực tế của địa hình và khí tượng, Vietnamese Sea Waters, The 4th seminar on thuỷ văn, hải văn phức tạp cho phép hoàn thiện environmental science and technology issues
139 Đ.V.Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 related to the sustainable development for urban ngập lụt và xói lở trên vùng cửa sông ven biển and coastal area, The 7th general seminar of Hải Phòng, Báo cáo Hội thảo khoa học Xói lở bờ CUP between JSPS and VAST, Danang, 2007. biển Việt Nam và các biện pháp phòng tránh, VUSTA, Đồ Sơn, 2008. [3] Đinh Văn Ưu, Nguyễn Tiền Giang, Nguyễn Hiệu, Tiến tới cảnh báo các khu vực có nguy cơ Application of the sediment transport and bottom morphological change model for a marine estuarine area of Hải Phòng Port Dinh Van Uu Marine Dynamics and Environment Centre, College of Science, VNU A system of three-dimentional (3D) marine hydrodynamics and environement was developed and applied for tidal dominated estuarine basin. The full 3D thermo-dynamic primitive equations were used with a 3D advection-diffusion equations for suspended sedimentary matters. The sedimentation and resuspension rate was calculated by semi-empirical formula for bottom boundary layer at presence of wave and current. A special computation procedure was developed and applied for open-river boundary where water level and river discharge are in complex interaction. The modeling system was applied to marine estuarine basin of Hai Phong Port. Simuted results can help to explain different aspects of sediment transport, bottom morphological change and inundation risk for study area. Keywords: 3 dimension hydrodynamic model, tidal dominated estuarine regions, bed erosion and deposition.