ĐỀ TÀI: “Mô hình hoàn lưu nước vùng
cửa sông ven biển chịu ảnh hưởng mạnh
của thủy triều”
Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển
33
Mô hình hoàn lưu nước vùng cửa sông ven biển
chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều
Đinh Văn Ưu1, Hà Thanh Hương2
Tóm tắt: Điều kiện thủy thạch động lực và môi trường các thủy vực cửa sông ven bờ Việt Nam luôn bị chi
phối bởi các quá trình tương tác đất-biển-khí quyển hết sức mạnh mẽ trong đó thủy triều có vai trò quyết
định. Việc sử dụng hệ thống kết nối các mô hình một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) có thể giải
quyết vẫn đề phức tạp nêu trên nhưng lại đòi hỏi giải quyết nhiều khó khăn nẩy sinh liên quan tới các biên
ngoài cũng như điều kiện kết nối.
Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã ứng dụng mô hình thủy động lực học 3D có khả năng tính đến các ảnh
hưởng của sông, sóng và gió trên mặt biển trông điều kiện triều áp đảo. Mô hình phát triển tại Trung tâm
Động lực và Môi trường biển (MDEC) cho phép mô phỏng các đặc điểm thủy động lực cửa sông phức tạp
với yêu cầu tối thiểu các điều kiện biên liên quan đến lưu lượng sông và thủy triều.
Kết quả áp dụng mô hình cho vùng cửa sông cảng Hải Phòng đã cho phép lý giải bức tranh phức tạp của
hoàn lưu nước cũng như các hệ quả môi trường liên quan đến vận chuyển trầm tích lơ lửng và bồi xói bờ và
đáy. Kết quả kiểm chứng của mô hình tạo điều kiện hoàn thiện hệ thống mô hình thủy động lực-môi trường
MDEC có thể áp dụng cho các thủy vực cửa sông ven biển khác của Việt Nam.
Từ khoá: mô hình hoàn lưu, cửa sông ven biển, Hải Phòng, ảnh hưởng mạnh của triều
1. Mở đầu
Các quá trình tự nhiên liên quan đến ịân chuyển vật chất trong môi trường biển thường hết
sức phức tạp bao gồm ầinh lưu, đối lưu, khuếch tán và xáo trộn trong nước cũng như động
lực học của các lớp biên đáy và mặt. Ứng suất đáy có vai trò hết sức quan trọng đối với các
quá trình vận chuyển di đáy, bồi tụ và bứt xói trầm tích đáy. Bản thân ứng suất đáy lại phụ
thuộc vào điều kiện của lớp biên đáy được hình thành dưới tác động của triều, gió và sóng
trên mặt biển. Các giá trị tới hạn đối với dòng vận chuyển di đáy, bồi tụ và bứt xói còn phụ
thuộc vào các đặc trưng khác trong đó có kích thước, độ liên kết của trầm tích, v.v…
Để có thể đưa được ảnh hưởng của các tác nhân trên vào mô hình hoàn lưu của lớp nước
cần có được mô tả một cách hợp lý lớp biên đáy. Quá trinh tương tác giữa sóng và dòng
chảy trong lớp nước sát đáy đóng một vai trò quyết định và dòng vật chất chuyển động
cũng sẽ ảnh hưởng tới hoàn lưu nước và hình thái đáy.
Trong công trình này, chúng tôi sử dụng mô hình 3D hệ các phương trình thủy nhiệt động
lực nguyên thủy có tính đến tối đa các tác động đến điều kiện thủy động lực có nguồn gốc
từ các biên trên mặt biển, đáy biển, cửa sông và biển hở.
Việc thử nghiệm thành công của mô hình thủy động lực cho vùng biển cụ thể là cơ sở để
phát triển và hoàn thiện mô hình thủy động lực-môi trường dự báo và giám sát môi trường
cửa sông ven biển Việt Nam.
1 Trung tâm Động lực và Môi trường biển, Đại học Quốc gia Hà Nội; 334, Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà
Nội; Telephone: 84 4 8584945; E-mail: uudv@vnu.edu.vn
2 Trung tâm Động lực và Môi trường biển, Đại học Quốc gia Hà Nội; 334, Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà
Nội; Tel: 84 4 8584945; Email: huonghat@yahoo.com
Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển
34
2. Mô hình thủy động lực
Mô hình thủy đông lực biển ven bờ bao gồm mô hình hệ các phương trình động lực biển
nguyên thủy, mô hình tác động trên mặt , mô hình lớp biên đáy và kỹ thuật xử lý điều kiện
biên hở của sông có triều áp đảo.
2.1 Mô hình hệ các phương trình động lực biển nguyên thủy
Quá trình biến đổi theo thời gian của mực nước, dòng chảy, nhiệt độ, độ muối nước biển
dưới tác động của khí quyến và nước sông đổ vào thủy vực được mô phỏng bằng mô hình
Trung tâm ĐL&MT biển (MDEC) được phát triển từ mô hình GHER, ĐH Liege. Mô hình
này đã được mô tả kỹ trong các công trình của Đinh Văn Ưu và các cộng tác viên [5,6,7],
trong đó sơ đồ tham số hóa hệ số nhớt rối được triển khai khác nhau theo phương ngang và
phương thẳng đứng. Để tính đến tác động của sóng trên mặt biển, chúng tôi đã phát triển
và ứng dụng mô hình tương tác sóng-gió và mô hình lớp biên đáy.
Mô hình tương tác sóng-gió trong lớp biên khí quyển sát mặt phục vụ tính toán các đặc
trưng sóng cũng như ứng suất gió trong điều kiện có sóng, theo đó ứng suất gió bao gồm
hai thành phần: do rối thuần túy at
τ
và do tác động sóng aw
τ
:
awataaDa uuC
ττρρτ
+=== ∗
2
10
2 (1)
Có thể tham số hóa các tác động này thông qua hệ số ma sát của mặt biển CD xem hệ số
này như một hàm của vận tốc gió tại khoảng cách z từ mặt biển. Vận tốc gió tại khoảng
cách z lại chịu tác động của tham số nhám trong các điều kiện không có sóng 0
zcũng như
có sóng e
z (Jansen, 1992):
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛−+
=∗
e
e
zz
zzz
u
u0
ln
κ
(2)
Trong đó e
zvà 0
z được xác định theo các công thức bán thực nghiệm phụ thuộc vào tỷ số
giữa vận tốc sóng và vận tốc gió: c/V hay c/u* (Đinh văn Ưu, 1981).
Mô hình lớp biên đáy cho phép tính toán ứng suất tổng cộng của dòng nước lên đáy. Giá trị
của ứng suất này cũng bao gồm hai thành phần: rối thuần túy do hiệu ứng trượt vận tốc
dòng chảy và do chuyển động sóng (Grant và Madsen, 1979, WAMDI,1988):
(
)
wccww
wcwcbb uuuuCvCvC *
2
*
22222 +==+=+== ∗
ρρρρττρτ
(3)
trong đó
2
1
*⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
ρ
τ
c
c
u, 2
1
*⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
ρ
τ
w
w
u .
Đối với ứng suất dòng chảy thuần túy, có thể sử dụng công thức sau:
2
vCcc
ρτ
=,
()
2
2
)/30ln(
2
1
bc
cc kz
fC
κ
== (4)
Trong đó kbc là tham số nhám thực tế được tính từ kết quả tổng hợp các tác động của cả
dòng lẫn sóng trong lớp biến đáy:
Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển
35
β
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
b
b
w
cw
bbc K
A
u
u
kk *
24 . (5)
Trong điều kiện không có sóng: 30
0
z
kk bbc == và hệ số ma sát dòng sẽ là
()
2
0
2
)/ln(
2
1
zz
fC cc
κ
== . (6)
Đối với ứng suất do sóng, ta có thế sử dụng công thức:
w
www ufvC 22
2
1
ρρτ
== . (7)
Với các hệ thức tính hệ số ma sát sóng fw, biên độ dao động Ab và vận tốc uw rút ra từ lý
thuyết sóng tuyến tính :
2.2 Kỹ thuật xử lý điều kiện biên hở của sông có triều áp đảo
Đối với các khu vực cửa sông có triều áp đảo, yêu cầu đưa ra được các điều kiện biên cho
biên hở kết nối sông với cửa sông trở nên hết sức cần thiết và đòi hỏi những kỹ thuật riêng.
Với các kỹ thuật hiện có việc cho lưu lượng sông và biến đổi mực nước thường dẫn đến
các kết quả xung đột về hướng dòng trên khu vực gần biên. Để khắc phục các hạn chế này
chúng tôi đề xuất một kỹ thuật mới cho phép khắc phục khả năng gây nên xung đột đó.
Dựa trên quy luật bảo toàn năng lượng dòng chảy dọc theo cửa sông có thể cho rằng tác
động của dòng chảy sông làm tăng mực nước tại khu vực sông-cửa sông lên một đại lượng
phụ thuộc vào giá trị vận tốc dòng. Mực nước thực tế đối với vùng biển cửa sông sẽ bao
gồm tổng mực nước do dao động triều và gia tăng mực nước do sông đổ ra
ξ
δ
ξ
ξ
=t,
trong đó phần gia tăng mực nước do sông
ξ
δ
sẽ bị triệt tiêu khi đi xa về phía biển. Đối với
khu vực ranh giới sông-cửa sông có thể đưa ra hệ thức sau cho phần gia tăng mực nước:
g
v
2
2
αδ ξ
= với hệ số tỷ lệ
α
phụ thuộc vào vị trí biên sông-cửa sông và hình thái thủy vực
nghiên cứu.
Như vậy điều kiện biên sông-cửa sông đối với khu vực thủy triều áp đảo có thể cho trong
dạng mực nước bao gồm hai thành phần: mực nước triều căn cứ theo số liệu quan trắc triều
thực tế và gia tăng mực nước do sông đổ ra phụ thuộc vào lưu lượng sông.
3. Kết quả và thảo luận
Bên cạnh những kết quả ứng dụng cho toàn Biển Đông, mô hình MDEC đã được triển khai
cho vịnh Bắc Bộ, vùng biển Đông Nam Bộ và vùng biển Quảng Ninh-Hải Phòng mô
phỏng các trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối, lan truyền chất lơ lửng và dầu nhiều pha
trong nước và trầm tích với quy mô thời gian tháng và mùa. Trong khuôn khổ báo cáo này
chúng tôi tập trung phân tích một số kết quả thu được đối với trường dòng chảy và mực
nước tại vùng cửa sông cảng Hải Phòng.
Vùng cửa sông cảng Hải Phòng là thủy vực mở chịu tác động mạnh mẽ của biển trong đó
có chế độ triều áp đảo nhưng lại chịu ảnh hưởng mạnh của hệ thống song Cấm, Bạch
Đằng, song Chanh đổ trực tiếp qua cửa Nam Triệu và một phần nhỏ qua cửa Lạch Huyện
Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển
36
(Hình 1). Đây là một thủy vực có hiện tượng bồi tụ đáng kể gây nên khó khăn cho vận
hành cảng Hải Phòng, nhưng lại có những vùng có nguy cơ xói lở bờ rất lớn như Cát Hải,
bắc Đồ Sơn (đặc biệt trong mùa bão) và đây cũng là vùng biển có nước đục thường xuyên
gây tác động xấu đến hoạt động nghỉ dưỡng ven biển Đồ Sơn.
Mô hình 3D MDEC được triển khai cho vùng biển nghiên cứu với kích thước lưới ngang là
200m và 5 tầng theo biến đổi sigma kép. Việc thử nghiệm mô hình được triển khai với các
điều kiện khác nhau của từng tác động: gió trên mặt biển, lưu lượng sông đổ vào thủy vực
với các đặc trưng thực tế của địa hình và mực nước triều.
Hình 1. Địa hình khu vực cửa sông cảng Hải Phòng
Để kiểm nghiệm mô hình, bước đầu chúng tôi đã triển khai với điều kiện không có gió tác
động trên mặt biển. Trường dòng chảy và mực nước được mô phỏng trong thời gian 7 ngày
với các điều kiện về mực nước trên các biên hở Nam Triệu, Lạch Huyện, Nam Cát Bà và
đông Hòn Dấu. Bước tiếp theo, các điều kiện biên về lưu lượng nước sông đổ vào thủy vực
và các điều kiện gió tác động trên mặt nước cũng được thử nghiệm nhằm đánh giá bức
tranh hoàn lưu và mực nước thực tế trên toàn vùng.
Trường mực nước thu được đã mô tả khá hợp lý hiện tượng lan truyền triều trong một thủy
vực hẹp và phức tạp. Với bộ hằng số điều hòa cho 4 sóng chính trên các trạm cửa sông và
ven biển, mô hình đã cho thấy chênh lệch mực nước giữa các khu vực khác nhau trong
cùng một thời điểm là không đáng kể, có giá trị tối đa không vượt quá 0,3m . So với
khoảng cách tối đa giữa các điểm tính không vượt quá 30km, thì mức độ chênh lệch mực
nước này là hoàn toàn phù hợp với đặc điểm thủy triều thực tế.
Phân tích các trường hoàn lưu triều có thể nhận thấy có sự khác biệt đáng kể giữa chế độ
mực nước và dòng triều trên các vị trí các nhau của thủy vực. Đáng chú ý nhất là hiện
tượng ngược pha dòng chảy trên các khu vực cửa Nam Triệu và Lạch Huyện (hình 2).
Trong khi đó biến trình của dòng triều trên các vùng biển sâu lại có sự tương đồng về cả
pha lẫn biên độ (hình 3).
Với đặc điểm phân bố của dòng triều như trên đã dẫn đến sự hình thành chế độ dòng triều
đặc thù cho thủy vực này, trong đó đáng chú ý là sự biến dạng của ellips dòng triều với xu
thế chuyển dòng triều theo hướng đông-tây tương ứng đường bờ đối với phần nước nông