NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI: “TÍNH TOÁN VÀ PHÂN
TÍCH XU THẾ BỒI TỤ, XÓI LỞ
KHU VỰC CỬA ĐÁY”
TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH XU THẾ BỒI TỤ, XÓI LỞ
KHU VỰC CỬA ĐÁY
Nguyễn Xuân Hiển(1), Dương Ngọc Tiến(1), Nguyễn Thọ Sáo(2)
(1) Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường
(2) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Bồi tụ và xói lở là một trong những quá trình thủy thạch động lực quan trọng nhất của
mối tương tác động lực sông – biển. Trong nghiên cứu này đã phân tích xu thế bồi tụ và xói lở
khu vực cửa Đáy bằng cách ứng dụng bộ mô hình MIKE. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khu
vực cửa Đáy có xu thế bồi tụ là chủ yếu, tạo thành các cồn cát trước cửa Đáy và các doi cát
dọc bờ thuộc địa phận huyện Nghĩa Hưng tỉnh Nam Định. Nguyên nhân do khu vực này được
tiếp nhận 2 nguồn bổ sung trầm tích từ: i) sông Đáy đưa ra và lắng động dưới tác động của
động lực biển; ii) lượng bùn cát được vận chuyển dọc theo bờ biển từ phía bắc (cửa Ba Lạt
và Ninh Cơ). Ngoài ra, qua nghiên cứu này cho thấy, vào 4 tháng mùa lũ từ tháng 6 tới tháng
10 lượng trầm tích tích được các con sông đưa ra chiếm khoảng 80% lượng trầm tích cả năm.
1. Mở đầu
Sông Hồng là con sông lớn nhất của miền bắc Việt Nam, hằng năm mang phù
sa làm giàu thêm cho đồng bằng sông Hồng. Các con sông của hệ thống sông Hồng
đưa bùn cát ra biển qua các cửa sông trong đó phải kể đến là 3 sông lớn: Sông Hồng
chảy qua cửa Ba Lạt, sông Ninh Cơ và sông Đáy. Quá trình tương tác giữa động lực
sông – biển gây ra quá trình bồi tụ, lắng đọng và xói lở vùng ven biển. Khu vực cửa
sông Đáy đang có những thay đổi đáng kể về quá trình bồi tụ và lắng đọng trầm tích.
Quá trình bồi tụ đang diễn ra rất mạnh tại đây làm tăng thêm diện tích đất tự nhiên
nhưng cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình động lực sông.
Muốn xem xét sự phân bố trầm tích và mức độ bồi tụ và xói lở trầm tích chúng
có thể sử dụng các bộ mô hình toán để xác định tốt hơn về mặt định lượng. Đã có
nhiều mô hình tính toán quá trình vận chuyển trầm tích, trong đó có bộ mô hình MIKE
của Đan Mạch. Đây là sản phẩn của Viện Thủy lực Đan Mạch, bộ mô hình gồm nhiều
các mô đun nhỏ để có thể tính toán các yếu tố thủy động lực và môi trường nước.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã ứng dụng để xác định sựu phân bố trầm tích trên
khu vực ven biển xung quanh cửa sông Đáy.
2. Mô hình mô phỏng trường động lực và vận chuyển trầm tích
2.1. Xây dựng bộ số liệu cơ sở cho mô hình
Nghiên cứu này sử dụng bộ mô hình MIKE của Viện Nghiên cứu Thủy lực Đan
Mạch với các môđun MIKE 11 để tính lưu lượng và nồng độ bùn cát từ trong sông đổ
ra, mô đun MIKE 21 SW để tính sóng, môđun MIKE 21 HD tính toán và mô phỏng
thủy lực và môđun MIKE 21 ST tính vận chuyển trầm tích.
Địa hình miền tính cho mô hình MIKE 21 được lấy từ Hải đồ của Bộ Tư lệnh
Hải quân với tỉ lệ khác nhau từ 1:10 000 đến 1:1 000 000. Tọa độ miền tính từ
19046’N đến 20021’N và 105056’E đến 106045’E. Trong đó, các bản đồ tỉ lệ lớn được
dùng cho khu vực ven bờ và các đảo; bản đồ tỉ lệ nhỏ dùng cho vùng ngoài khơi. Để
thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, đã lựa chọn lưới phần tử hữu hạn tăng dần độ phân
giải từ ngoài biển vào trong sát bờ. Diện tích nhỏ nhất của 1 phần tử là 1250m2 ở khu
vực các cửa sông như: cửa Đáy, cửa Ninh Cơ và cửa Ba Lạt. Diện tích lớn nhất là
25km2 ở khu vực biên ngoài khơi. Miền tính có 2879 nút điểm, với độ phân giải thô
nhất ở vùng ngoài khơi là 5000m, mịn nhất ở vùng bờ khu vực cửa sông là 50m. Các
biên trong sông được lấy đến các trạm đo thủy văn Ba Lạt trên sông Hồng, Phú Lễ trên
sông Ninh Cơ và Như Tân trên sông Đáy.
Trong mô hình MIKE 11, bộ thông số mô hình cho mạng lưới sông Hồng –
Thái Bình của nhóm Dự báo thủy văn của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi
trường được sử dụng nhằm cung cấp điều kiện biên lưu lượng, nồng độ bùn cát tại các
trạm thủy văn Ba Lạt, Phú Lễ và Như Tân trên các sông Hồng, Ninh Cơ và Đáy.
(a) (b)
Hình 1. Địa hình khu vực nghiên cứu (a) và lưới tính sử dụng trong mô phỏng (b)
Trường khí tượng tại khu vực nghiên cứu được lấy theo số liệu thống kê tại
trạm khí tượng Văn Lý. Các đặc trưng về cấp hạt và nồng độ trầm tích ban đầu được
lấy từ số liệu đo đạc tại khu vực Cửa Đáy trong 2 đợt khảo sát: tháng 7 và tháng 11
năm 2009. Ngoài ra, các số liệu theo các công bố về địa chất, địa mạo khu vực này
trước đây cũng được sử dụng trong nghiên cứu này [2,4].
2.2. Hiêu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình
Mô hình MIKE 11
Mô hình MIKE 11 cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình trong dự báo tác
nghiệp được sử dụng để tính toán lưu lượng dòng chảy và nồng độ bùn cát tại các trạm
thủy văn cửa sông Ba Lạt, Phú Lễ và Như Tân. Do không có số liệu bùn cát thực đo tại
các sông Hồng và Ninh Cơ số liệu nồng độ bùn cát đo đạc tại mặt cắt trạm thủy văn
Như Tân từ ngày 1/11/2009 đến ngày 30/11/2009 được sử dụng để hiệu chỉnh bằng.
Kết quả tính toán cho thấy, có sự tương đồng lớn về pha và độ lớn giữa nồng độ bùn
cát tính toán và giá trị thực đo.
0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
1/11/2009
0:00 7/11/2009
0:00 13-11-2009
00:00:00 19-11-2009
00:00:00 25-11-2009
00:00:00
Thời gian (giờ)
Nồng độ (kg/m3)
Tính toán Thực đo
Hình 2. So sánh nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Như Tân trên sông Đáy
Mô hình thủy lực MIKE 21 FM
Mô hình được hiệu chỉnh theo số liệu đo đạc mực nước tại cửa sông Đáy (tọa
độ: 10606’42’’E, 19056’18’’N) trong đợt khảo sát thuộc đề tài: “Nghiên cứu phương
pháp dự báo biên triều cho các cửa sông” của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và
Môi trường từ ngày 19/08/2010 tới ngày 26/08/2010. Bộ thông số hiệu chỉnh sau đó
được kiểm nghiệm với mực nước phân tích từ bộ hằng số điều hòa cho vị trí cửa sông
Đáy cũng từ kết quả đề tài trên trong thời gian từ 01/09 tới 01/10/2010. Hình 3a, 3b
dưới đây đưa ra biến trình mực nước tính toán và thực đo khi hiệu chỉnh và kiểm
nghiệm tại cửa sông Đáy. Kết quả tính toán cho thấy có sự tương đồng cao về pha và
biên độ mực nước giữa kết quả mô phỏng của mô hình và số liệu thực đo/phân tích
trong cả hiệu chỉnh (hệ số tương quan là 0,99548) và kiểm nghiệm mô hình (hệ số
tương quan là 0,88089). Do vậy, có thể sử dụng mô hình trong mô phỏng và tính toán
vận chuyển trầm tích tại khu vực cửa sông Đáy.
(a) Hiệu chỉnh (b) Kiểm nghiệm
Hình 3. So sánh mực nước tính toán và thực đo/phân tích tại điểm cửa sông Đáy
3. Kết quả tính toán
Để tính toán, đánh giá sự biến động , xu thế bồi xói tại khu vực cửa Đáy, nghiên
cứu tiến hành tính toán trong vòng 1 năm với đầu vào là các trường thủy động lực
được tính bằng mô hình MIKE 21 HD, biên lưu lượng và bùn cát từ sông được tính từ
mô hình MIKE 11, các đặc trưng sóng có nghĩa cho các tháng trong năm được tính
bằng mô hình MIKE SW với số liệu gió đặc trưng tháng được lấy từ số liệu thống kê
tại trạm Văn Lý.
a. Tháng 2 - 4
b. Tháng 5 - 7
c. Tháng 8 -10
d. Tháng 11 - 1
Hình 4. Độ cao và hướng sóng có nghĩa đặc trưng cho các tháng trong năm
Hình 4 a, b, c, d đưa ra trường sóng có nghĩa đặc trưng tại các tháng trong năm
tại khu vực ven biển và cửa sông Đáy. Có thể thấy rằng, chế độ sóng tại khu vực chịu
sự chi phối mạnh của bởi chế độ gió với hướng sóng chủ đạo là hướng Đông Bắc vào
mùa Đông và hướng Nam vào mùa hè. Độ cao sóng có nghĩa đặc trưng vào mùa Đông
lớn hơn so với các mùa trong năm.
a. 0h ngày 15/1/2010 (mùa đông)
b. 0h ngày 15/8/2010 (mùa hè)
Hình 5. Trường mực nước và dòng chảy tổng cộng tại một số thời điểm trong pha triều
xuống đại diện cho đặc trưng mùa
(a)
(b)
Hình 6. Mức độ biến đổi đáy (a) và địa hình đáy biển
lúc 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu mùa lũ)
(a)
(b)
Hình 7. Mức độ biến đổi đáy (a) và địa hình đáy biển
lúc 0h ngày 1-10-2010 (thời điểm cuối mùa lũ)
(a)
(b)
Hình 8. Mức đ ộbiến đổi đáy (a) và địa hình đáy biển
lúc 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm tính toán)
Hình 5 a, b đưa ra trường mực nước và dòng chảy tại các thời điểm mùa hè và
mùa đông trong năm tại khu vực ven biển và cửa sông Đáy.
Mô hình MIKE 21 ST với các đầu vào kể trên được sử dụng mô phỏng chế độ
vận chuyển bùn cát trong thời gian 1 năm, từ ngày 1/1/2010 đến 31/12/2010. Các hình
