ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ---------------o0o--------------- TRẦN THỊ KIM
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ HÌNH THÁI ĐÁY TRONG HỆ TỌA ĐỘ CONG - ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO MỘT SỐ TRƢỜNG HỢP Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường Mã ngành: 9850101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Tp. Hồ Chí Minh, năm 2022
Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Địa chỉ: 142 Tô Hiến Thành, Quận 10, TP. Hồ Chí Minh
Điện thoại: 028.38651132; Fax: 028.38655670
Người hướng dẫn khoa học 1: GS. TS. Nguyễn Kỳ Phùng
Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. Nguyễn Văn Phước
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Phản biện độc lập 1: PGS.TS Triệu Ánh Ngọc
Phản biện độc lập 2: PGS.TS Trần Văn Tỷ
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp
tại......................... vào lúc .... giờ ngày .... tháng ..... năm ....
Có thể tìm hiều luận án tại thư viện:
- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM
- Thư viện Viện Môi trường và Tài nguyên - ĐHQG-TP.HCM
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện tượng xói lở, bồi tụ là kết quả tương tác các quá trình phức tạp
của các yếu tố thủy thạch động lực học do các tác động nội sinh, ngoại sinh
và nhân sinh. Đối với việc dự báo diễn biến đáy, phương pháp mô hình
toán đã được ứng dụng với độ tin cậy cao và đồng thời cũng đang được sử
dụng một cách phổ biến hiện nay, ưu điểm của mô hình toán là cho ta mô
phỏng và có tính đến khả năng dự báo. Khi giải các bài toán địa vật lý, một
trong những khó khăn đã gặp phải là sự hiện hữu của vùng bờ có địa hình
phức tạp, và phương pháp giải rộng rãi là chia vùng bờ thành những đoạn
nhỏ song song với trục tọa độ vuông góc (x,y), nhược điểm của phương
pháp này là lời giải bị sai nhiều ở vùng ven bờ. Để giải quyết vấn đề trên,
người ta có thể chuyển bài toán sang tọa độ cong (,) để tính. Theo
phương pháp này, vì trường vận tốc được tính toán trên lưới cong nên kết
quả mô phỏng ở những khu vực có địa hình phức tạp tốt hơn. Từ các phân
tích trên, đề tài ‘Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và
hình thái đáy trong hệ tọa độ cong – Áp dụng tính toán cho một số trường
hợp ở Đồng Bằng sông Cửu Long” được đề xuất thực hiện nhằm xây dựng
được mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ
tọa độ cong, là công cụ phục vụ quản lý rủi ro thiên tai và tìm các giải pháp
ngăn ngừa, giảm thiểu do sạt lở.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát: Xây dựng được module thủy động lực, vận
chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong - ứng dụng tính toán
cho một số vùng thuộc Đồng Bằng sông Cửu Long.
2.2. Mục tiêu cụ thể: Đề tài triển khai các mục tiêu cụ thể như sau:
(1) Xây dựng được module thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái
đáy trong hệ tọa độ cong; (2) Ứng dụng mô hình để tính toán hình thái đáy
2
cho đoạn sông Tiền chảy qua thị trấn Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai
thác cát; (3) Ứng dụng mô hình để tính toán dòng chảy vùng ven biển Sóc
Trăng dưới ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều.
3. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu này được thực hiện với các nội dung như sau: Nội dung
1: Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy
trong hệ tọa độ cong. Nội dung 2: Ứng dụng mô hình thủy lực, vận chuyển
bùn cát và hình thái đáy để tính toán hình thái đáy cho đoạn sông Tiền chảy
qua thị trấn Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát. Nội dung 3: Ứng
dụng mô hình thủy lực để tính toán dòng chảy vùng ven biển Sóc Trăng
dưới ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: Mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát
và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong.
Phạm vi nghiên cứu: Mô hình nghiên cứu được giới hạn trong
phạm vi: Khi áp dụng tính toán cho khu vực thượng lưu sông: có tính đến
ảnh hưởng của khai thác cát. Khi áp dụng tính toán cho khu vực ven biển:
có tính đến ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
5.1. Ý nghĩa khoa học
Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc góp phần phát triển
mô hình toán mô phỏng các quá trình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và
hình thái đáy. Khi tính toán trên tọa độ cong, vì trường vận tốc được tính
toán trên lưới cong nên kết quả mô phỏng dòng chảy ở những khu vực có
địa hình phức tạp tốt hơn.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Mô hình toán xây dựng được có thể triển khai ứng dụng tính toán bồi
xói đáy ở các khu vực sông và vùng ven biển Việt Nam phục vụ cho các
3
nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho quản lý rủi ro, thiên tai. Sự hiện diện
của nguồn khai thác cát trong mô hình tính toán hình thái đáy sẽ là công cụ
đắc lực cho việc mô phỏng diễn biến đáy khi có hoạt động khai thác cát
cũng như hoạt động nạo vét bùn thải, từ đó, hỗ trợ tốt cho công tác quy
hoạch khai thác cát, quản lý rủi ro thiên tai do sạt lở và quản lý môi trường
không chỉ cho ĐBSCL mà những sông ở lưu vực khác.
6. Tính mới của luận án
Luận án này tập trung phát triển mô hình thủy động lực, vận chuyển
bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong. Trong mô hình hình thái đáy,
nguồn khai thác cát đã được phát triển trong phương trình liên tục bùn cát
và diễn biến đáy để kết quả tính toán hình thái đáy phù hợp với thực tế hơn,
mà hiện nay trong phần lớn các mô hình hiện hữu vẫn chưa có nguồn này.
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Mô hình toán số mô phỏng quá trình thủy lực và hình thái dòng
sông phát triển từ những năm 1990, dựa trên lời giải của hệ phương
trình chuyển động (phương trình liên tục và phương trình động lượng)
kết hợp với phương trình chuyển tải và liên tục bùn cát đáy.
Các mô hình 2D hiện có điển hình gồm: MIKE 21: Danish acronym
of the word microcomputer; Danish Hydraulic Institute (1993), Delft 2D;
Walstra và cộng sự (1998), TELEMAC: Tập đoàn Điện lực Pháp (EDF)
(1987), RMA-2: được phát triển bởi Norton, King and Orlob (1973),
CCHE2D: The National Center for Computational Hydroscience and
Engineering; Jia and Wang (1999), FLUVIAL 12; Chang (1998),
SUTRENCH- 2D: SUspended sediment transport in TRENCHes; Van Rijn
và Tan (1985), TABS-2; Thomas and McAnally (1985), SERATRA:
SEdiment and RAdionuclide TRAnsport; UNIBEST- TC: UNIform BEach
Sediment Transport—Transport Cross-shore; Bosboom và cộng sự
4
(1997)... Tất cả các mô hình nói trên đều có thể áp dụng cho điều kiện dòng
chảy không ổn định, ngoại trừ SUTRENCH-2D của van Rijn và Tan (1985)
[1] và UNIBEST-TC2 của Bosboom và các cộng sự (1997) [2]. Các mô
hình hiện nay hầu như đều được tích hợp công nghệ GIS cho phép hiển thị,
mô phỏng các quá trình một cách trực quan. Tuy nhiên các phần mềm này
là phần mềm thương mại, giá thành cao hoặc các phần mềm khó sử dụng
(TELEMAC). Bên cạnh đó, việc sử dụng các phần mềm thương mại sẽ hạn
chế tính kết nối hệ thống trong trường hợp ứng dụng các mô hình để kết nối
dữ liệu quan trắc tự động hoặc cảnh báo sớm. Một điểm đáng lưu ý là phần
lớn các phần mềm vẫn chưa tính toán đến khai thác cát theo thời gian.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
1.2.1. Các mô hình tính toán
Mô hình Delta của Nguyễn Tất Đắc, Mô hình VRSAP (Vietnam
River System And Plains) của Nguyễn Như Khuê, Mô hình KOD-01 và
KOD-02 của Nguyễn Ân Niên, Mô hình HydroGIS do Nguyễn Hữu Nhân
phát triển, Mô hình MK4 và F28 là mô hình do Lê Song Giang, Đại học
Bách Khoa TP.HCM phát triển. Mô hình TREM: được Nguyễn Tiền Giang
và Izumi phát triển dựa trên mô hình dòng chảy hai chiều tương ứng của cố
tác giả Nagata, trường Đại học Kyoto, Nhật Bản. Mô hình HYDIST: được
phát triển bởi Nguyễn Thị Bảy và cộng sự (2021), HYDIST là mô hình có
khả năng tính dòng chảy 2 chiều, chuyển tải bùn cát, diễn biến lòng dẫn
sông... Mô hình tọa độ cong của Nguyễn Thị Bảy: được phát triển bởi
Nguyễn Thị Bảy trong luận án phó tiến sĩ năm 1996.
Nhìn chung, hầu hết những mô hình trên tập trung mô phỏng thủy
lực, lan truyền chất, lũ, cũng như mô phỏng diễn biến bùn cát và bồi lắng -
xói lở, các mô hình này đã được ứng dụng và cho kết quả khá tốt cho các
khu vực ở Việt Nam. Tuy nhiên, các mô hình vẫn còn những hạn chế sau:
5
Đối với mô hình tính toán diễn biến đáy, các ảnh hưởng cục bộ như khai
thác cát vẫn chưa được tính toán đến trong hầu hết các mô hình này.
1.2.2. Các nghiên cứu về thủy động lực và diễn biến bùn cát đáy ở Đồng
bằng sông Cửu Long
Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là một đồng bằng non trẻ được
hình thành cách đây 7000 năm. Với quá trình hình thành từ phù sa của sông
và biển nên toàn bộ ĐBSCL đều có nền địa chất yếu, có nguồn gốc trầm
tích sông biển và đầm lầy, đây cũng là nguyên nhân chính dẫn đến hiện
tượng xói lở ở ĐBSCL. Bên cạnh tính chất đặc thù của nền địa chất ở
ĐBSCL, chế độ dòng chảy trong sông, ảnh hưởng của thủy triều, cùng với
tác động của con người cũng là những tác nhân quan trọng gây ra biến đổi
lòng dẫn [3]. Theo thống kê hiện nay, trên địa bàn An Giang, hiện có 11
mỏ cát đang hoạt động theo Quyết định số 1697/QĐ - UBND ngày
18/7/2018 của UBND tỉnh An Giang. Các hố cát đã làm thay đổi trục động
lực trong khu vực, từ đó dẫn đến sự thay đổi lòng sông [4]. Sông Hậu là
một nhánh sông lớn của hệ thống sông Cửu Long, giữ vai trò quan trọng
trong đời sống kinh tế của nhân dân Nam Bộ, nhất là vùng cửa sông Hậu
(Định An – Trần Đề), nơi có quá trình phát triển phức tạp do tác động của
các yếu tố tự nhiên cũng như hoạt động của con người. Những tác động của
yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người gây ra hiện tượng xói lở - bồi
tụ, sụt lún, dịch chuyển bãi hoặc những biến động của đường bờ. Quy mô
và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên và các hoạt động của con
người ở lưu vực sông Mê Kông và sông Hậu, cùng với các tác động của
biến đổi khí hậu gây ra hiện tượng xói lở ở vùng cửa sông ven biển [5].
1.3 Nhận xét chung
1.3.1 Những thành tựu đạt được
Lý thuyết về mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái
đáy; các công thức thực nghiệm trong tính toán bùn cát lơ lửng và diễn biến
6
đáy; các phương pháp giải và sơ đồ giải gần như hoàn thiện. Các mô hình
hiện nay hầu như đều được tích hợp công nghệ GIS cho phép hiển thị, mô
phỏng các quá trình một cách trực quan và sinh động hơn. Để tối ưu hóa
cho khu vực gần bờ cũng như cho những nơi có địa hình phức tạp, một số
mô hình tọa độ cong đã ra đời để tính toán mô phỏng thủy động lực, bùn
cát lơ lửng và diễn biến đáy, điển hình như Mike 21C hay CCHE2D.
Về diễn biến luồng lạch trong sông và diễn biến đáy ven biển
ĐBSCL các nghiên cứu trên cũng đã cung cấp những kiến thức cơ bản về
quy luật dòng chảy và hình thái, xác định được những nguyên nhân cơ bản
và cơ chế gây ra biến đổi lòng dẫn của dòng chính sông Mekong cũng như
sơ bộ đánh giá được thực trạng những diễn biến về biến hình lòng sông
trong những năm gần đây. Diễn biến đáy ở khu vực cửa sông ven biển đã
được đánh giá và đưa ra quy luật bồi xói trong năm.
1.3.2 Những vấn đề tồn tại
Các mô hình hiện có có thể dự báo tổng tải lượng vận chuyển bùn
cát, tính toán vận chuyển bùn cát liên vùng, sự mất đi của tải lượng bùn cát
đáy theo thời gian dài với độ chính xác cao, điều này đã được thể hiện qua
các nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn. Tuy nhiên, một điểm đáng lưu ý là
tất cả các phần mềm vẫn chưa tính toán đến yếu tố dân sinh – kinh tế, điển
hình như khai thác cát theo thời gian.Các phần mềm hiện có trong tọa độ
cong là phần mềm thương mại, giá thành. Bên cạnh đó, việc sử dụng các
phần mềm thương mại sẽ hạn chế tính kết nối hệ thống trong trường hợp
ứng dụng các mô hình để kết nối dữ liệu quan trắc tự động hoặc cảnh báo
sớm và thời gian mô phỏng khá lâu.
1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án
Xây dựng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát trên hệ tọa
độ cong: Trong nghiên cứu này, học viên sẽ xây dựng mô hình thủy động
lực và vận chuyển bùn cát trên hệ tọa độ cong nhằm tối ưu hóa sai số ở
7
vùng ven bờ. Bên cạnh đó, mô hình xây dựng với mã nguồn mở sẽ ưu việt
trong kết nối hệ thống khi ứng dụng các mô hình để kết nối dữ liệu quan
trắc tự động hoặc cảnh báo sớm. Hơn vậy, đối với mô hình vận chuyển bùn
cát, yếu tố khai thác cát sẽ được đưa vào mô hình tính, nhờ vậy, sự thay đổi
luồng lạch ở những nơi khai thác cát và hạ lưu sẽ được mô phỏng phù hợp
với thực tế hơn.
CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Cơ sở lý thuyết phƣơng trình thủy lực và bùn cát hai chiều trên
hệ tọa độ vuông góc
2.1.1 Hệ phương trình thủy lực
Hệ phương trình động lực học mô tả dòng chảy hai chiều được tác
giả sử dụng trong bài toán thủy động lực dòng chảy có xét tới ảnh hưởng
̅
( )
thủy triều bao gồm phương trình động lượng được tích phân theo chiều sâu
̅
( ̅)
( )
( ) ̅
̅
( )
̅
̅
( ̅)
( )
và phương trình liên tục [6, 7]: ̅ (2.1)
(2.2)
( ) ̅ [( ) ̅]
[( ) ̅]
̅ ( ) ̅ ( )
(2.3)
2.1.2 Hệ phương trình vận chuyển bùn cát
)
)
)
Phương trình chuyển tải bùn cát lơ lửng như sau:
(
( ̅
( ̅
(2.4)
)
)
]
Phương trình liên tục bùn cát đáy như sau:
[( )
(
(
(2.5)
Trong đó: Ssm là nguồn cát (tốc độ khai thác cát m/s).
8
Điểm mới trong nghiên cứu này là thành phần khai thác cát được
tích hợp vào phương trình liên tục liên tục bùn cát đáy. Sau khi khai thác
cát, cát được đưa ra khỏi khu vực tính toán; do đó Ssm không tham gia vào
phương trình vận chuyển bùn cát lơ lửng. Việc khai thác cát sẽ dừng lại khi
cao trình đáy đạt đến mức cho phép khai thác của chính phủ. Với qb = (qbx, qby).
2.2 Chuyển đổi các phƣơng trình cơ bản sang tọa độ cong
2.2.1 Phương trình liên tục trong hệ tọa độ cong
Sau một số phép biến đổi [8], dạng cuối cùng của phương trình liên
tục trong tọa độ đường cong là:
(2.6)
(2.7) p q 2.2.2 Phương trình chuyển động trong hệ tọa độ cong
Dạng cuối cùng của phương trình chuyển động trong tọa độ cong
sẽ như sau:
p g (g g ) { q g (g g )
(2.8)
)+
)+
| |( )+
C a
( ( ) ( ) ( )
a + ; a a * p q ( a * p q ( |v|p; - |v|q - - [g p g q]; - - [g p g q]; | |( )+; * C a * [ ( ) ( ))]
Trong đó:
9
[
( ( ) ( ) ( )
( ) ( ))]
2.2.3 Phương trình chuyển tải bùn cát lơ lửng trong tọa độ cong
Phương trình chuyển tải bùn cát cuối cùng có dạng:
(2.9)
2.2.4 Phương trình liên tục bùn cát đáy
Phương trình liên tục bùn cát đáy trong tọa độ cong có dạng sau:
(2.10)
10
2.3 Sơ đồ giải các mô hình
2.3.1 Thuật toán để giải hệ phương trình trong tọa độ cong
Hình 2-1: Trình tự giải mô hình
11
Phương pháp số áp dụng để tính toán ở đây là sai phân luân hướng
trên lưới C-Arakov [9, 10]. Trong thuật giải, sử dụng sơ đồ nửa ẩn nửa
hiện, biến thiên mực nước được giải theo sơ đồ ẩn, và thành phần phi tuyến
sẽ giải hiện.
2.3.2 Thuật toán để giải cho phương trình vận chuyển bùn cát
Thuật giải để cho ra lời giải số cho phương trình vận chuyển bùn
cát dựa trên phương pháp sai phân luân hướng. Trình tự giải phương trình
vận chuyển bùn cát được trình bày trong Hình 2-2.
Hình 2-2: Trình tự giải mô hình vận chuyển bùn cát
12
2.3.3 Thuật toán tính toán diễn biến đáy
Trình tự giải phương trình bồi xói đáy được trình bày trong Hình 2-3
sau:
Hình 2-3: Trình tự giải mô hình bồi xói đáy
13
CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kiểm tra module thủy động lực và vận chuyển bùn cát
3.1.1 Kiểm tra module thủy động lực trong tọa độ cong
3.1.1.1 Kiểm tra module thủy động lực trong tọa độ cong bằng bài toán
trong ênh hẹp bằng bài toán trong ênh chữ
Hình 3-1: Kết quả tính toán cho kênh chữ U bằng mô hình thủy động
lực trên tọa độ cong (a), thí nghiệm của Shukry [11] (b) và ttrên kênh
chữ U khi sử dụng mô hình thủy động lực trên hệ tọa độ Đề các (c)
Kết quả áp dụng tính cho đoạn kênh cong đáy phẳng rộng 10 m, dài 90 m, có góc quay 1800 với bán kính r = 15 m, bước không gian từ 0,5 m đến 1,5 m cho thấy trường vận tốc khi tính bằng mô hình thủy động lực
trên tọa độ cong khá phù hợp với kết quả từ thí nghiệm của Shukry [11].
Sau khu vực uốn cong, trường vận tốc bị ép về phía bên bờ lõm với vận tốc
là 1,75m/s, vận tốc sát bờ đạt 1,54 m/s và đây cũng là nguyên nhân chính
gây nên hiện tượng xói lở khu vực này trong các đoạn cong của sông thiên nhiên. 3.1.2 Kiểm tra module vận chuyển bùn cát
Tính toán được thực hiện cho miền tính vuông có độ sâu không đổi
bằng 5m, kích thước 5000m x 5000m, với x = y = 50 m, vận tốc lắng
14
đọng D = 0,00002 m/s, T = 10s, nguồn thải lan truyền với hệ số khuếch
tán = 4m2/s, nguồn đổ vào miền tính tại vị trí (x0 = 30x; y0 = 30y).
Hình 3-2: Kết quả tính toán cho TH1A bằng nghiệm giải tích (a) và
bằng mô hình (b)
Hình 3-3: Kết quả tính toán cho TH1B bằng nghiệm giải tích (a) và
bằng mô hình (b)
Hình 3-4: Kết quả tính toán cho TH1C bằng nghiệm giải tích (a) và
bằng mô hình (b)
Kết quả cho thấy không có sự sai biệt lớn giữa kết quả tính toán
trong 3 trường hợp khi sử dụng bằng mô hình và nghiệm giải tích: Trường
15
hợp 1A: Khi vận tốc theo phương u và v bằng nhau (bằng 0,1), (Hình 3-2).
Trường hợp 1B: Khi vận tốc theo phương thẳng đứng v = 0 m/s, (Hình
3-3). Trường hợp 1C: Khi vận tốc theo phương ngang u = 0 m/s (Hình
3-4).
3.1.3 Kiểm tra module sóng
Mô hình được áp dụng cho trường hợp đáy phẳng dốc với trục
hướng vuông góc với bờ và trục song song với bờ.
hông số tính tính toán: Địa hình đáy: Một đáy biển với độ dốc đáy
bằng 1/10 có chiều rộng và chiều dài 100 m, độ sâu mực nước bằng 5 m.
Thông số sóng: Chiều cao sóng ở biên: H0 = 0,5 m; Chu kỳ sóng: T0 = 3s ; Hướng sóng: =450. Thông số dòng chảy: Hệ số ma sát: K = 0.06
hông số mô hình: Miền tính được chia thành 101 nút theo phương
và phương với = = 1m. Bước thời gian: t= 0.1s. Điều kiện biên:
Cho mô hình sóng (được tính bằng mô hình Mike 21 SW): Sóng truyền vô
tại biên biển, điều kiện biên ngang là biên mở, không có sóng phản xạ tại
bờ. Cho mô hình dòng chảy: Ở biên biển z=0, điều kiện biên ngang là z =
0, điều kiện ban đầu: u = v = 0 và z = 0.
o sánh với ết quả mô hình: Kết quả mô hình cho ta thấy dòng chảy
do sóng có vận tốc lớn tại vùng sóng vỡ, giá trị vận tốc lớn nhất tại đây đạt
0,6811 m/s và hướng dòng chảy song song với đường bờ. Trong khi đó với
lời giải giải tích vận tốc dòng chảy lớn nhất đạt 0,6371 m/s (Hình 3-5). Ta
thấy hai lời giải có kết quả phù hợp nhau.
Hình 3-5: Mặt cắt ngang vận tốc
16
3.2 Ứng dụng mô hình để tính toán hình thái đáy cho đoạn sông
Tiền chảy qua thị trấn Tân Châu dƣới ảnh hƣởng của khai thác
cát
3.2.1 Các kịch bản tính toán
Nghiên cứu đã tiến hành tính toán ứng với ba kịch bản sau: KB 1:
Mô phỏng diễn biến đáy cho giai đoạn 1999 – 2001 khi mà khi mà mỏ cát
Tân An chưa đi vào hoạt động; KB2a: Mô phỏng diễn biến đáy cho năm
2002 khi không khai thác cát; KB2b: Mô phỏng diễn biến đáy cho năm 2002 với trường hợp có khai thác cát tại mỏ cát Tân An (200.000 m3/năm). 3.2.2 Giai đoạn năm 1999 đến 2001 (KB 1)
Hình 3-6: Kết quả tính trƣờng vận tốc năm 1999 (a) và năm 2001 (b)
Tại khu vực A (đoạn cồn Chính Sách): Nhìn từ thượng lưu xuống,
hình ảnh cho thấy luồng dòng chảy tập trung luồng bên trái cồn Chính
Sách, với vận tốc năm 1999 đạt 3,15 m/s (vị trí 1). Trong năm 1999, chỉ có
1 luồng xói như Hình 3-7a với cao độ đáy gần -23m, đến năm 2001 thì có
thêm một luồng xói bên phải cồn chính sách (Hình 3-7b). Kết quả tính toán
diễn biến đáy cho thấy xu thế xói ở giữa dòng và bồi tụ hai bên bờ.
Tại khu vực B, dòng chảy sau khi đi qua cồn Chính Sách có xu
hướng đẩy về phía An Giang, đến năm 2001 mở ra một luồng mới nối với
luồng bên phải cồn Chính Sách từ trên chạy xuống, luồng trái xói mở rộng
về phía hạ lưu. Tại đây vận tốc đạt tới 2,12 m/s (vị trí 3 ở Hình 3-6).
17
Hình 3-7: Kết quả mô phỏng địa hình đáy năm 1999 (a), năm 2001 (b)
Tại khu vực hố xói Tân Châu, đoạn sông cong đột ngột khoảng 1200, dòng chảy từ thượng lưu chuyển xuống có khuynh hướng vào bờ phải thị xã Tân Châu, nơi này có hố xói sâu khoảng -42 m tạo nên vận tốc ở đây
rất lớn đến năm 2001 (đạt 2,99 m/s) và gây xói lở nghiêm trọng tại bờ phải
ở An Giang.
3.2.3 Năm 2002 (KB2a và KB2b)
Để so sánh diễn biến lòng dẫn trong năm này, đề tài đã tính toán
tương ứng với 2 kịch bản: KB 2a: không có sự hoạt động của mỏ cát Tân
An và KB 2b: có sự hoạt động của mỏ cát Tân An.
(1) KB 2a: Diễn biến đáy cho năm hi hông hai thác cát
Tại khu vực A (đoạn cồn Chính Sách): Đến năm 2002 luồng phát
triển thêm về phía hạ lưu và nối dài với một luồng mới (nằm trong khu vực
B). Cao độ của đáy luồng đạt tới giá trị sâu nhất - 22 -25 m. Tại đây vận
tốc đạt đến 3,18 m/s (vị trí 1). Luồng cũng được mở rộng hơn từ 205 m
(năm 1999) tới khoảng 280 m (năm 2002). Luồng bên trái cồn Chính Sách
xói nhẹ hơn với cao độ đáy luồng đạt từ -14 m (1999) đến -16,5 m (2002).
Tại đuôi cồn Chính Sách (vị trí 2) vận tốc đạt giá trị khá nhỏ (khoảng 0,12
m/s), khu vực nơi đây vẫn có xu hướng bồi lắng.
Khu vực B: đến năm 2002 mở ra một luồng mới nối với luồng bên
phải cồn Chính Sách từ trên chạy xuống, giá trị cao độ của luồng tại đây đạt
18
tới khoảng -16 -18,5 m. Tại đây vận tốc đạt tới 2,49 m/s (vị trí 3 ở Hình
3-8). Vùng sông gần bờ trái Đồng Tháp dòng chảy có vận tốc giảm đáng kể
(< 0,146 m/s – vị trí 4), nhỏ hơn vận tốc khởi động của hạt bùn cát, do đó,
nơi đây vẫn bồi tụ khá nhiều.
Hình 3-8: Địa hình đo đạc đoạn sông Tiền qua thị xã Tân Châu năm
1999 (Hình a) và trƣờng vận tốc tính toán đƣợc lúc đỉnh lũ 21 giờ ngày
29/09/2002 (Hình b)
Hình 3-9: Kết quả tính toán diễn biến đáy mùa lũ năm 2002 (Hình a -
với giá trị dH dƣơng - bồi và dH âm - xói), kết quả địa hình mô phỏng
đƣợc cuối năm 2002 (Hình b) theo KB 2a
Tại khu vực C, khi qua đoạn co hẹp và mở rộng đột ngột, kết quả vận
tốc bên phía bờ Đồng Tháp khá nhỏ (<0,5 m), xu thế tính toán ở đây là bồi.
Tuy nhiên, khi tính toán trên tọa độ cong, ở đây vẫn còn tồn tại vận tốc (từ
19
0,5 đến 1,5 m/s), Điều này làm luồng xói ở khu vực 3 rộng hơn khi tính
trên tọa độ vuông góc.
(2) KB 2a: Mô phỏng diễn biến đáy cho năm hi có hai thác cát
Hình 3-10: Kết quả tính toán diễn biến đáy mùa lũ năm 2002 khi có
khai thác cát (Hình a), kết quả địa hình mô phỏng đƣợc cuối năm 2002
(Hình b) theo KB 2b
Tại khu vực A, so với khi không có khai thác cát, bồi xói ở trong khu vực
này không có gì thay đổi. Tại khu vực B, dòng chảy luồng chính có hướng
lệch về sát bờ phải An Giang nơi hoạt động khai thác cát diễn ra, giá trị vận
tốc đạt khoảng 2,6 m/s. Tại đây, dòng chảy có xu hướng ép sát bờ phải An
Giang và gây xói mạnh làm cho dòng chảy từ giữa dòng sông dịch chuyển
về gần sát bờ An Giang. Tốc độ dịch chuyển của luồng này khoảng 18 m.
Luồng mới sau tính toán đến năm 2002 đạt giá trị z khoảng -16,2 m. So với
khi không có khai thác cát, luồng xói ở đây mở rộng và phát triển sâu hơn.
Tại khu vực hố xói Tân Châu (khu vực C), sự hoạt động của mỏ cát Tân
An đã làm giảm dòng bùn cát di đẩy và làm cho hố xói thêm (tại đây vận
tốc đạt tới 3,65 m/s), hố bị xói mạnh hơn (cao độ hố xói đạt khoảng -22,5
m) và hố có xu hướng mở rộng về cả hai phía thượng nguồn và hạ nguồn.
Như vậy, khi có hoạt động khai thác cát, lòng dẫn về phía hạ nguồn sẽ bị
tác động rất lớn. Điển hình là sự mở rộng của hố xói ngay tại khu vực hố
xói Tân Châu (vị trí 5), hố xói phát triển nhanh và mở rộng hơn.
20
3.3 Ứng dụng mô hình để tính toán dòng chảy vùng ven biển Sóc
Trăng dƣới ảnh hƣởng của sóng, gió và thủy triều
(1) Dòng chảy do gió
Dòng chảy gió mùa gió Đông Bắc được mô phỏng từ tháng 11 đến
tháng 3 năm 2017. Kết quả mô phỏng dòng chảy do yếu tố gió gây ra cho
thấy: dòng chảy trong khu vực tính chảy dọc theo bờ theo hướng Đông Bắc
– Tây Nam, vận tốc dòng chảy ở khu vực biển Sóc Trăng lớn hơn các khu
vực khác và lớn nhất khoảng 2,5 cm/s, vân tốc dòng chảy ở khu vực ven bờ
nhỏ hơn vì chịu ảnh hưởng bởi địa hình và ma sát đáy lớn. Gió Đông Bắc
ảnh hưởng rất ít trong khu vực cửa sông Hậu, vận tốc dòng chảy trong khu
vực này rất nhỏ khoảng 0,4 cm/s vì những vùng này địa hình nhỏ và hep,
chính điều này làm giảm ảnh hưởng của gió lên dòng chảy. Mực nước
trong khu vực tăng theo hướng gió.
Dòng chảy gió mùa gió Tây Nam được mô phỏng từ tháng 6 đến
tháng 9 năm 2017. Trong mùa gió Tây Nam, dòng chảy trong khu vực tính
có xu hướng chảy dọc theo bờ theo hướng Tây Nam - Đông Bắc (theo
hướng gió). Vận tốc toàn miền khá nhỏ, tuy nhiên, vận tốc dòng chảy nhỏ
hơn so với đợt gió mùa Đông Bắc. Vận tốc dòng chảy ở khu vực biển Sóc
Trăng khoảng 2 cm/s; vận tốc dòng chảy ở khu vực ven bờ nhỏ hơn.
(2) Dòng chảy ven bờ dòng dư do sóng
Dòng ven bờ trong mùa gió Đông Bắc chảy dọc bờ, có hướng từ
Đông Bắc sang Tây Nam và vào biển Tây. Khi chỉ tính độc lập dòng chảy
dưới ảnh hưởng của sóng thì bề rộng của dòng ven bờ khoảng 6 – 7m, song
song bờ, nằm trong đới sóng vỡ, dòng ven bờ chạy quanh Côn Đảo với bề
rộng chỉ đạt 3 – 4m . Vận tốc lớn nhất của dòng ven là 5 cm/s, tại khu vực
cửa sông Hậu, vận tốc khá nhỏ, chỉ đạt 0,2 cm/s.
Trong mùa gió Tây Nam, dòng ven bờ có hướng chủ yếu là Tây
Nam – Đông Bắc. Nhìn chung, kết quả mô phỏng dòng chảy dưới ảnh
21
hưởng của sóng cho thấy vận tốc ở ngoài khơi rất nhỏ nhưng khi vào gần
điểm sóng vỡ thì vận tốc tăng lên, đạt vận tốc lớn nhất taị điểm sóng vỡ và
giảm đột ngột khi tiến vào bờ. Để xem xét sự đóng góp của dòng chảy ven
bờ đến dòng chảy toàn khu vực, ta tiếp tục xem xét ảnh hưởng chung của
các yếu tố sóng, sông và dòng chảy triều.
(3) Dòng chảy ảnh hưởng do triều
Trong pha triều dâng, vận tốc tại của sông đạt lớn nhất (gần 1m/s),
trong khu vận tốc toàn miền thì nhỏ hơn. Vận tốc dòng triều sát bờ khá nhỏ,
gần như bằng 0. So với vận tốc dòng ven thì vận tốc dòng triều lớn hơn rất
nhiều. Trong pha triều rút, chênh lệch vận tốc ở cửa sông so với vùng xung
quanh cao hơn khi triều dâng, vận tốc lớn nhất tại cửa sông 0,9 m/s. Tại
luồng cửa sông Định An có vận tốc dòng triều từ 0,44 - 0,87 m/s và Trần
Đề có vận tốc dòng triều từ 0,35 - 0,76 m/s.
(4) Dòng chảy tổng cộng
Dòng chảy tổng cộng là dòng chảy chịu ảnh hưởng của các yếu tố:
sóng, gió, thủy triều và dòng chảy sông.
Hình 3-11: Dòng chảy tổng hợp trong pha triều dâng mùa gió Đông
Bắc (a) và triều rút (b)
Vào mùa gió Đông Bắc, trong pha triều lên, khi xét đến cả ảnh
hưởng của yếu tố sóng, dòng chảy trong khu vực vẫn chịu chi phối của
dòng. Tuy nhiên, vào mùa gió đông bắc, dòng triều lên từ phía Đông Bắc –
22
Tây Nam, có hướng cùng với dòng ven bờ chảy, dẫn đến dòng tổng hợp
tăng khi triều lên (khoảng 3 - 5%) triều xuống (giảm 2 - 5%). Ảnh hưởng
của gió lên vùng nghiên cứu là không đáng kể. Tương tự vậy trong mùa gió
Tây Nam, dòng triều có hướng từ Đông Bắc – Tây Nam có hướng ngược
với dòng ven bờ chảy từ Tây Nam – Đông Bắc, dẫn đến dòng tổng hợp
giảm khi triều lên (3 - 4%) và triều xuống (3 - 4,5%).
Hình 3-12: Dòng chảy tổng hợp trong pha triều dâng mùa gió Tây
Nam (a) và triều rút (b)
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận án đã tập trung vào xây dựng mô hình thủy động lực và diễn
biến bùn cát đáy trên hệ tọa độ cong và áp dụng tính toán cho một số
trường hợp ở Đồng bằng sông Cửu Long đã đáp ứng các mục tiêu đề ra, cụ
thể:
(1) Về xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và
hình thái đáy trên hệ tọa độ cong: Một điểm mới mà mô hình đã phát triển
được là đã đưa vào hàm khai thác cát biến động theo thời gian để kết quả
tính toán diễn biến đáy phù hợp với thực tế hơn mà hiện nay trong phần lớn
các mô hình kể cả mô hình thương mại trên thế giới vẫn chưa có hàm
nguồn này.
(2) Áp dụng tính toán diễn biến đáy cho khu vực Tân Châu dưới
ảnh hưởng của khai thác cát: Để thấy rõ ứng dụng hàm khai thác cát, mô
23
hình sẽ áp dụng để tính toán diễn biến đáy cho khu vực Tân Châu dưới ảnh
hưởng của khai thác cát. Thời gian tính toán từ năm 1999 đến năm 2002,
với 3 kịch bản: diễn biến đáy từ năm 1999 đến năm 2001 trong điều kiện
không có khai thác cát, diễn biến đáy năm 2002 khi có và không có hoạt
động khai thác cát. Kết quả cho thấy, khi có hoạt động khai thác cát, lòng
dẫn về phía hạ nguồn sẽ bị tác động rất lớn. Khi mỏ cát đi vào hoạt động thì
lòng dẫn dịch chuyển nhanh và gần sát bờ An Giang, góp phần làm cho bờ
sông sụt lở nhanh hơn.
(3) Áp dụng tính toán dòng chảy tổng cộng cho khu vực ven biển
Sóc Trăng: Mô hình tiếp tục áp dụng để tính toán dòng chảy tổng cộng ven
bờ tỉnh Sóc Trăng, là khu vực ven biển, nơi có ảnh hưởng của thủy triều,
sóng, gió. Khi tính toán dòng chảy tổng cộng cho khu vực nghiên cứu, ta
thấy: Vào mùa gió Đông Bắc, dòng triều lên từ phía Đông Bắc – Tây Nam,
có hướng cùng với dòng ven bờ chảy, dẫn đến dòng tổng hợp tăng khi triều
lên và triều xuống. Tương tự vậy trong mùa gió Tây Nam, dòng triều có
hướng từ Đông Bắc – Tây Nam có hướng ngược với dòng ven bờ chảy từ
Tây Nam – Đông Bắc, dẫn đến dòng tổng hợp giảm khi triều lên và triều
xuống. Dòng chảy gió ảnh hưởng đến khu vực là không đáng kể.
Tuy nhiên, đề tài vẫn còn những hạn chế sau: Do ảnh hưởng của điều
kiện biên nên khi tính toán vận chuyển bùn cát vẫn còn có sai số tại các khu
vực gần biên, trong tương lai, nghiên cứu sinh sự kiến sẽ sử dụng phương
pháp đường đặc trưng để xử lý biên; Nghiên cứu này chỉ mới chọn một thời
điểm đặc trưng khi có khai thác cát để mô phỏng, trong tương lai, sự phục
hồi của mỏ cát dự kiến được thực hiện trong thời gian dài trên toàn hệ
thống sông Tiền và sông Hậu để thấy rõ ảnh hưởng của khai thác cát cũng
như xu thế biến đổi lòng dẫn trong tương lai khi thiếu hụt phù sa và khai
thác cát nhằm phục vụ cho việc quản lý khai thác cát cũng như quản lý
giảm nhẹ thiên tai.
24
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN
1. Tạp chí quốc tế (ISI/SCOPUS)
Tran Thi Kim, Nguyen Thi Mai Huong, Nguyen Dam Quoc Huy,
Pham Anh Tai, Sumin Hong, Tran Minh Quan, Nguyen Thi Bay, Won-Ki
Jeong, Nguyen Ky Phung. Assessment of the Impact of Sand Mining on
Bottom Morphology in the Mekong River in An Giang Province, Vietnam,
Using a Hydro-Morphological Model with GPU Computing,
Water, 12(10), doi: 10.3390/w12102912, 2912, 2020 (ISI).
Kim Tran Thi, Toai Nguyen Cong, Long Nguyen Khac Thanh,
Phung Nguyen Ky, and Bay Nguyen Thi. Mapping ocean tidal for the
coastal of east sea area, Viet Nam by using numerical model in curvilinear
coordinates. Journal of Hunan University Natural Sciences, 49 (2), 2022
(SCOPUS).
Tran Thi Kim, Nguyen Dam Quoc Huy, Truong Thien Phuc,
Phung Thi My Diem, Nguyen Thi Bay. Evaluation of sea-level rise
influence on tidal characteristics using a numerical model approach:
a case study of a southern city coastal area in Vietnam. Modeling Earth
Systems and Environment, doi.org/10.1007/s40808-022-01536-x, 2022
(SCOPUS).
Tran Thi Kim, Nguyen Dam Quoc Huy, Nguyen Van Phuoc,
Nguyen Ky Phung, Nguyen Thi Bay. A study on simulation the coastal flow
in Soc Trang, Vietnam using the hydraulic model on curvilinear
coordinates. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences (ISI - In
progress).
25
2. Hội nghị quốc tế (có Scopus)
Tran Thi Kim, Nguyen Thi Thu Hong, Nguyen Khac Thanh Long,
Nguyen Ky Phung, Nguyen Thi Bay. Research on tidal energy from Vung
Tau – Bac Lieu, Viet Nam by using a numerical model in curvilinear
coordinate. In ICSCEA 2021, pp. 701-709. Springer, Singapore, 2022.
Tran Thi Kim, Nguyen Dam Quoc Huy, Nguyen Van Phuoc,
Nguyen Ky Phung, Nguyen Thi Bay. Integration of a numerical model in
curvilinear coordinates with sand mining component for bottom
morphology simulation. 7th Annual IIES Workshop on Science & Policy
and ICES conference, 2022, 23-28 October 2022.
3. Tạp chí trong nước Trần Thị Kim, Nguyễn Khắc Thành Long, Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Kỳ Phùng, Nguyễn Thị Bảy. Xây dựng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát lơ lửng trên hệ tọa độ cong – Kiểm nghiệm mô hình với nghiệm của lời giải lý thuyết, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, Số 728, 14-30; doi:10.36335/VNJHM.2021(728).14-30, 2021. Tran Thi Kim, Nguyen Thi Thu Hong, Nguyen Khac Thanh Long, Nguyen Ky Phung, Nguyen Thi Bay. Mapping the residual tidal ellipse from Vung Tau – Bac Lieu, Viet Nam by using a numerical model in curvilinear coordinate, Vietnam Journal of Hydro-Meteorology, Volume 8, 50-63; doi:10.36335/VNJHM.2021(8).50-63, 2021.
Trần Thị Kim, Nguyễn Thị Bảy, Trà Nguyễn Quỳnh Nga, Nguyễn Thị Thanh Minh, Nguyễn Kỳ Phùng. Nghiên cứu diễn biến đáy hu vực cửa sông Hậu thuộc tỉnh óc răng, tạp chí Khí tượng thủy văn, số 717, DOI: 10.36335/VNJHM.2020(717). 44–55, 2020. Tran Thi Kim, Nguyen Dam Quoc Huy, Nguyen Ky Phung, Nguyen Thi Bay. Using a numerical model with moving boundary conditions to study the bed change of a Mekong river segment in Tan Chau,
