Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ chế bồi, xói và đề xuất giải pháp chỉnh trị khu vực cửa lấp tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án nhằm làm rõ được nguyên nhân, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến bồi lấp luồng tàu, sạt lở bờ biển; đề xuất được giải pháp KH-CN khả thi cho việc ổn định luồng tàu, bảo vệ và tôn tạo bờ biển đang bị sạt lở ở khu vực Cửa Lấp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ chế bồi, xói và đề xuất giải pháp chỉnh trị khu vực cửa lấp tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN GIÁP NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BỒI, XÓI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CHỈNH TRỊ KHU VỰC CỬA LẤP TỈNH BÀ RỊA - VŨNG TÀU Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-40-01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2015
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Trung Việt Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Trương Văn Bốn Phản biện 1: PGS.TS. Phùng Đăng Hiếu Phản biện 2: GS.TS. Trần Đình Hợi Phản biện 3: GS.TS. Lương Phương Hậu Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường tại: Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc Gia; - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi.
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Cửa sông và bờ biển ngày càng có vai trò quan trọng đối với nền kinh tế của đất nước nói chung và kinh tế biển nói riêng. Ở nước ta, với 95 cửa sông được thống kê cho thấy mỗi cửa sông đổ vào các vùng biển rất khác nhau về điều kiện tự nhiên, diễn biến tại các cửa sông là rất đa dạng. Nhìn chung các cửa sông ở Việt Nam đều gây trở ngại lớn cho chạy tàu, kể cả tàu cá 40CV. Vì vậy, yêu cầu nghiên cứu về cửa sông ngày càng cấp thiết và có yêu cầu cao về mức độ hiện đại. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu về cửa sông nói chung, tuy nhiên, ngoài một số quy luật chung có tính vĩ mô, vùng miền, mỗi cửa sông đều là một trường hợp cá biệt cần nghiên cứu, không thể áp dụng những giải pháp chung giống nhau. Riêng Cửa Lấp, cho đến nay đã có một số nghiên cứu, nhưng vấn đề xác định nguyên nhân và cơ chế xói, bồi làm cơ sở khoa học đáng tin cậy cho giải pháp chỉnh trị và cải tạo Cửa Lấp hiện vẫn được coi là vấn đề cơ bản nhất cần giải quyết để bảo đảm công trình có hiệu quả kỹ thuật, phù hợp với yêu cầu cảnh quan của thành phố du lịch, khả thi về kinh tế. Vì vậy, đề tài luận án có tính cấp thiết về cả khoa học cửa sông nói chung và cả thực tiễn Cửa Lấp nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Làm rõ được nguyên nhân, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến bồi lấp luồng tàu, sạt lở bờ biển; Đề xuất được giải pháp KH-CN khả thi cho việc ổn định luồng tàu, bảo vệ và tôn tạo bờ biển đang bị sạt lở ở khu vực Cửa Lấp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Vùng biển và cửa sông khu vực Cửa Lấp. Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nội dung: Tập trung vào hai vấn đề liên quan đến sạt lở bờ biển và bồi lấp luồng tàu; phạm vi không gian: Luồng tàu từ cảng cá Phước Tỉnh ra đến độ sâu thiết kế cho tàu 1100CV; phía Đông đến bãi biển Long Hải, phía Tây đến bờ biển khu vực phường 11, phường 12, Thành phố Vũng Tàu. 1
4. Nội dung nghiên cứu Cơ chế tác động của sóng và dòng chảy đối với diễn biến hình thái Cửa Lấp; cơ chế bồi lắng trở lại luồng tàu do chạy tàu gây ra; bố trí không gian hệ thống công trình chỉnh trị. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1. Cách tiếp cận Luận án có cách tiếp cận đối tượng từ những yêu cầu của các ngành kinh tế - xã hội, môi trường có kế thừa từ các đề tài KH-CN và mang tính hiện đại phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, trong đó có sự tham gia của nghiên cứu sinh và từ các dự án đầu tư đã tiến hành đang được thẩm định. Tác giả coi trọng việc tiếp cận hiện trường để thu thập những tài liệu, hình ảnh, ý tưởng qua các cuộc phỏng vấn người dân và các cán bộ địa phương. Trong quá trình nghiên cứu, việc tiếp cận các kiến thức và thành tựu khoa học trên thế giới và trong nước có vai trò lớn trong triển khai tư duy của luận án, trong đó việc tiếp cận các mô hình toán có mã nguồn mở được quan tâm đặc biệt. Luận án liên quan một phần quan trọng đến luồng tàu và phương tiện vận tải thủy, việc tiếp cận kiến thức cơ bản, quy trình, quy phạm về giao thông thủy, đến kết cấu tàu thuyền... là không thể thiếu. 5.2. Phương pháp nghiên cứu Từ các cách tiếp cận trên, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: Phương pháp phân tích thống kê; phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có; phương pháp khảo sát, điều tra và đo đạc thực địa vùng nghiên cứu; phương pháp mô hình toán để triển khai các bước tính toán, viết chương trình phần mềm đưa vào các mô hình lớn đã có, tạo thành một ứng dụng mới. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1. Ý nghĩa khoa học Khu vực cửa sông Cửa Lấp có hướng sóng tác động xiên góc với bờ biển, dòng chảy tổng hợp có chế độ động lực phức tạp, luồng tàu Cửa Lấp thường xuyên bị bồi lấp nghiêm trọng, gây trở ngại cho tàu ra vào cảng cá. Làm rõ cơ chế này sẽ có giải pháp tác động thích hợp để cải thiện tình hình. Đồng thời, nghiên cứu 2
cũng nhằm đánh giá tác động của việc chạy tàu đối với bồi lấp trở lại luồng tàu. Qua kết quả nghiên cứu về trường thủy thạch động lực để lựa chọn tuyến luồng, chuẩn tắc luồng tàu, thiết kế luồng tàu và công trình bảo vệ luồng tàu. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Cửa Lấp hiện đang tồn tại ba vấn đề lớn cần giải quyết đó là: Sạt lở bờ biển và bãi tắm; bồi lấp luồng tàu; ô nhiễm môi trường. Do vậy giải quyết tốt ba vấn đề trên cho khu vực Cửa Lấp có ý nghĩa quyết định đến sự phát triển bền vững kinh tế - xã hội cho tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu. Luận án này lấy Cửa Lấp làm đối tượng nghiên cứu góp phần giải quyết một số vấn đề đang có tính thời sự cấp thiết đó. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung luận án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về cửa sông. Chương 2: Cơ sở lựa chọn mô hình thủy thạch động lực cho khu vực Cửa Lấp. Chương 3: Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và bồi, xói khu vực Cửa Lấp. Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu đánh giá hiệu quả kỹ thuật giải pháp chỉnh trị Cửa Lấp. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CỬA SÔNG 1.1 Tổng quan chung về nghiên cứu cửa sông Trong nghiên cứu về Cửa sông nói chung, các vấn đề về chuyển động bùn cát, diễn biến cửa sông, loại hình công trình chỉnh trị cửa sông…đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong phần tổng quan này, luận án đề cập đến bốn vấn đề cơ bản về nghiên cứu cửa sông: Phân loại cửa sông, động lực học cửa sông, công trình chỉnh trị cửa sông và phương pháp nghiên cứu về cửa sông. 1.2 Tổng quan các nghiên cứu về phân loại cửa sông 1.2.1 Các nghiên cứu về phân loại cửa sông trên thế giới Trên thế giới có nhiều cách phân loại khác nhau, tùy theo tiêu chí mà người nghiên cứu đặt ra để xem xét. Có thể chia ra 7 cách phân loại như: Theo biên độ triều; hình thái mặt bằng; hàm lượng bùn cát; chế độ triều; mức độ xáo trộn bùn cát; yếu tố động lực nổi trội và tỷ số lưu lượng sông biển… 1.2.2 Các nghiên cứu về phân loại cửa sông ở Việt Nam Phân loại cửa sông ở Việt Nam chủ yếu căn cứ vào các chỉ tiêu tổng hợp về hình dạng mặt bằng, yếu tố động lực, tính chất diễn biến cửa sông như: Cửa sông estuary trong vịnh nửa kín, cửa delta vùng biển hở, cửa sông lưỡng tính có yếu tố sông - biển cân bằng… 1.2.3 Các nghiên cứu về phân loại cửa sông Cửa Lấp Chưa có nghiên cứu nào đề cập đến việc phân loại cửa sông Cửa Lấp. 1.3 Tổng quan các nghiên cứu về động lực học cửa sông 1.3.1 Các nghiên cứu về động lực học cửa sông trên thế giới Vấn đề cốt yếu nhất trong nghiên cứu động lực học cửa sông là chuyển động bùn cát, nhất là bùn cát mịn. Vấn đề này được nghiên cứu từ đầu thế kỷ XX, các nghiên cứu tập trung vào một số chủ đề với sự vận dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại, cho đến nay, có thể nói là trên thế giới đã có những tiến bộ vượt bậc trong vấn đề nghiên cứu về động lực học cửa sông nói chung. 4
1.3.2 Các nghiên cứu về động lực học cửa sông ở Việt Nam Nghiên cứu về cửa sông ở nước ta đã được quan tâm và đẩy mạnh trong vài thập niên trở lại đây, tuy nhiên, cho đến nay các nghiên cứu nói chung vẫn chủ yếu ở mức học hỏi, tiếp cận dần với các thành tựu của thế giới. 1.3.3 Các nghiên cứu về động lực học cửa sông Cửa Lấp Các nghiên cứu về khu vực Cửa Lấp nhìn chung rất ít, mới chỉ có 4 nghiên cứu được đề cập đến cửa sông Cửa Lấp, trong đó nghiên cứu của tác giả Trương Văn Bốn và cộng sự (2013) là nghiên cứu mang tính toàn diện nhất. Kết quả đã phản ánh được một số vấn đề như: Dòng chảy ven bờ; biến đổi đường bờ khu vực Cửa Lấp, trường sóng, tính toán bồi, xói và vận chuyển bùn cát khu… 1.4 Tổng quan các nghiên cứu về công trình chỉnh trị cửa sông 1.4.1 Các nghiên cứu về công trình chỉnh trị cửa sông trên thế giới Về lĩnh vực công trình chỉnh trị cửa sông trên thế giới đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, nhiều công trình chỉnh trị đã hoàn thành và phát huy hiệu quả, cơ bản đáp ứng mục tiêu chỉnh trị đặt ra. 1.4.2 Các nghiên cứu về công trình chỉnh trị cửa sông ở Việt Nam Nghiên cứu về cửa sông ở nước ta đã được quan tâm và đẩy mạnh trong vài thập niên trở lại đây, tuy nhiên nhìn chung vẫn đang ở mức học hỏi, tiếp cận dần với các thành tựu của thế giới. Dù vậy, đến nay cũng đã có có nhiều công trình chỉnh trị cho kết quả khả quan và cơ bản đáp ứng mục tiêu nghiên. 1.4.3 Các nghiên cứu về công trình chỉnh trị cửa sông ở Cửa Lấp Trong nghiên cứu của Trương Văn Bốn, giải pháp KHCN chỉnh trị tổng thể chống bồi, xói để ổn định khu vực Cửa Lấp đã đề xuất được 2 phương án chỉnh trị. 1.5 Tổng quan các phương pháp nghiên cứu về cửa sông 1.5.1 Đặc điểm của các phương pháp nghiên cứu về cửa sông Do tính phức tạp của các hiện tượng vật lý cửa sông, nên nghiên cứu phải sử dụng tổng hợp nhiều phương pháp khác nhau để hỗ trợ nhau, trong thời gian gần đây, nghiên cứu cửa sông được thừa hưởng nhiều thành tựu hiện đại. 5
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu truyền thống Đây là phương pháp được sử dụng sớm nhất, hiện nay được nâng cấp nhờ hiện đại hoá, chính xác hoá các thiết bị đo và kỹ thuật tin học. Sự thâm nhập và hỗ trợ nhau giữa phương pháp mô hình vật lý và mô hình toán ngày càng đa dạng và cho kết quả phù hợp cả về thời gian cũng như chất lượng của kết quả nghiên cứu. 1.5.3 Các phương pháp nghiên cứu hiện đại Các phương pháp nghiên cứu đặc thù có điều kiện hoàn thiện về mặt kỹ thuật cũng như phạm vi ứng dụng. Các phương pháp đặc thù hiện đại được kể đến như: Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám; phương pháp đánh dấu phóng xạ… 1.6 Nhận xét chung về thành tựu nghiên cứu cửa sông Nghiên cứu cửa sông đi từ kinh nghiệm đơn giản đến lý thuyết phức tạp và đã có những chuyển biến về chất, đang ngày càng đi vào hoàn thiện, đã có thể mô phỏng nhiều hiện tượng vật lý phức tạp trong vùng cửa sông. Ở Việt Nam, nghiên cứu về cửa sông, sa bồi luồng tàu đã được quan tâm và đạt được một số kết quả nhất định. Một số cửa sông đã đảm bảo được điều kiện thoát lũ, giao thông thủy. 1.7 Các tồn tại trong nghiên cứu về cửa sông 1.7.1 Các tồn tại chung Toán học chưa đủ sức mô tả chính xác, đầy đủ các hiện tượng vật lý diễn ra ở cửa sông nên ảnh hưởng đến kết quả tính toán; tài liệu chưa đủ dài, khối lượng khảo sát đo đạc và nghiên cứu lớn, kinh phí cao nên hạn chế đối với các nước chưa phát triển; thiếu một số chỉ dẫn chi tiết hay công thức tính toán về các loại hình công trình chỉnh trị; tác động của chạy tàu đối với bồi lấp trở lại luồng tàu chưa được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là nghiên cứu trên mô hình toán. 1.7.2 Những tồn tại trong các nghiên cứu đối với Cửa Lấp Chưa có nghiên cứu về loại hình cửa sông và ảnh hưởng đặc trưng hình thái của nó đến kết cấu động lực học; chưa làm rõ được vai trò của từng yếu tố là sóng và dòng chảy; chưa đánh giá ảnh hưởng của tàu thuyền tới diễn biến bồi xói luồng tàu; chưa có những nghiên cứu sâu về sự hình thành dòng ríp; những giải pháp công trình được đề xuất cho Cửa Lấp chưa có tính thuyết phục vì chưa xuất phát 6
từ những yêu cầu định lượng cụ thể của các ngành kinh tế - xã hội, chưa đánh giá hiệu quả kỹ thuật của nó và tác động của nó đối với môi trường. 1.8 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án Trong phạm vi luận án, nghiên cứu sinh lựa chọn một số vấn đề sau đây để làm nội dung nghiên cứu của luận án: Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế xói, bồi khu vực Cửa Lấp; đánh giá tác động của chân vịt tàu thủy đến bồi lấp trở lại luồng tàu; bố trí không gian hệ thống công trình chống sạt lở bờ và ổn định luồng tàu. 1.9 Kết luận chương 1 Việc nghiên cứu về cửa sông vẫn chưa dừng lại, cho đến nay nó vẫn là đề tài hấp dẫn nhiều nhà khoa học. Ở Việt Nam, nghiên cứu về cửa sông được phát triển mạnh trong những năm gần đây, gắn liền với nhu cầu khai thác và phát triển tiềm năng kinh tế biển. Những vấn đề đặc thù của cửa sông Việt Nam đã được quan tâm nghiên cứu như vấn đề biến động theo mùa, tác động của sông, bão, của lũ lịch sử, của biến đổi khí hậu... đến diễn biến cửa sông. Đối với Cửa Lấp, các nghiên cứu đã có chưa làm rõ ảnh hưởng của từng yếu tố riêng là sóng và dòng chảy, tác động của chạy tàu đến bồi lấp trở lại luồng tàu chưa được đề cập, 2 vấn đề đó được lựa chọn làm nội dung nghiên cứu chính của luận án. 7
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LỰA CHỌN MÔ HÌNH THỦY THẠCH ĐỘNG LỰC CHO KHU VỰC CỬA LẤP 2.1 Đặt vấn đề Chế độ thủy động lực học Cửa Lấp khá phức tạp, đồng thời Cửa Lấp vừa là cảng cá, vừa là khu neo đậu trú tránh bão nên lượng tàu thuyền ra vào tương đối tấp nập, đòi hỏi phải có bộ mô hình toán thích hợp để nghiên cứu chế độ thủy động lực học và bồi, xói lòng dẫn trong đó mô phỏng được ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy nhằm phục vụ cho bài toán quy hoạch và quản lý nói chung được tốt hơn. 2.2 Cơ sở lý luận về các mô hình tính toán thủy động lực học hình thái các cửa sông ven biển Ngày nay các mô hình đã và đang trở thành công cụ không thể thiếu được, từ những vấn đề đơn giản cho đến các vấn đề phức tạp. Tuy nhiên, mỗi một mô hình đều có phạm vi ứng dụng và những điểm mạnh, yếu khác nhau, dẫn tới khó khăn trong việc tìm ra bộ mô hình thích hợp phục vụ cho việc nghiên cứu. Do vậy phải xem xét tổng quan, phân tích, đánh giá các mô hình hiện đang được sử dụng để lựa chọn một mô hình thích hợp với mục đích nghiên cứu của luận án. 2.3 Lựa chọn mô hình tính toán cho khu vực nghiên cứu Các mô hình số trị hiện đại thông dụng trên thế giới như bộ mô hình MIKE, mô hình DELTF3D, mô hình SMS đã và đang được ứng dụng rộng rãi cho thấy tính đúng đắn và độ tin cậy của các mô hình này, tuy nhiên đều là các mô hình có mã nguồn đóng. Hơn nữa, chưa có mô hình nào mô phỏng được ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy tới quá trình bồi, xói luồng tàu. Với mục đích nghiên cứu của luận án là chế độ thủy thạch động lực và vận chuyển bù cát do chân vịt khi tàu di chuyển, tác giả lựa chọn bộ mô hình mã nguồn mở thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC cho việc nghiên cứu và mô phỏng chế độ thủy thạch động lực khu vực Cửa Lấp. Việc ứng dụng mô hình mã nguồn mở này cho phép tác giả đi sâu khai thác và phát triển, bổ sung thêm mô đun tính cho mô hình. 2.4 Cơ sở lý thuyết mô hình EFDC Mô đun thủy động lực mô hình EFDC dựa trên hệ phương trình thủy tĩnh 3 chiều viết cho hệ tọa độ theo phương thẳng đứng và tọa độ cong trực giao nằm ngang. 8
Phương trình động lượng là: Theo phương X: 𝜕𝑡 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻𝑢 ) + 𝜕𝑥 (𝑚𝑦 𝐻𝑢𝑢 ) + 𝜕𝑦 (𝑚𝑥 𝐻𝑣𝑢 ) + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑊𝑢 ) − 𝑓𝑒 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻𝑣 = −𝑚𝑦 𝐻𝜕𝑥 (𝑃 + 𝑃𝑎𝑡𝑚 + ∅) 𝐴𝑣 (2-1) + 𝑚𝑦 (𝜕𝑥 𝑍𝑏∗ + 𝑧𝜕𝑥 𝐻)𝜕𝑧 𝑃 + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝜕𝑧 𝑢) 𝑚𝑦 𝑚𝑥 𝐻 + 𝜕𝑥 ( 𝐻𝐴𝐻 𝜕𝑥 𝑢) + 𝜕𝑦 ( 𝐻𝐴𝐻 𝜕𝑦 𝑢) 𝑚𝑥 𝑚𝑦 − 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐶𝑝 𝐷𝑝 (𝑢2 + 𝑣 2 )1/2 𝑢 Theo phương Y: 𝜕𝑡 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻𝑣 ) + 𝜕𝑥 (𝑚𝑦 𝐻𝑢𝑣 ) + 𝜕𝑦 (𝑚𝑥 𝐻𝑣𝑣 ) + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑊𝑣 ) − 𝑓𝑒 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻𝑢 = −𝑚𝑥 𝐻𝜕𝑦 (𝑃 + 𝑃𝑎𝑡𝑚 + ∅) 𝐴𝑣 (2-2) + 𝑚𝑥 (𝜕𝑦 𝑍𝑏∗ + 𝑧𝜕𝑦 𝐻)𝜕𝑧 𝑃 + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝜕𝑧 𝑣) 𝑚𝑦 𝑚𝑥 𝐻 + 𝜕𝑥 ( 𝐻𝐴𝐻 𝜕𝑥 𝑣) + 𝜕𝑦 ( 𝐻𝐴𝐻 𝜕𝑦 𝑣) 𝑚𝑥 𝑚𝑦 − 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐶𝑝 𝐷𝑝 (𝑢2 + 𝑣 2 )1/2 𝑣 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑓𝑒 = 𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑓 − 𝑢𝜕𝑦 𝑚𝑥 + 𝑣𝜕𝑥 𝑚𝑦 (2-3) (𝜏𝑥𝑧 , 𝜏𝑦𝑧 ) = 𝐴𝑣 𝐻−1 𝜕𝑧 (𝑢, 𝑣) (2-4) Phương trình liên tục 3 chiều trong hệ tọa độ nằm ngang cong trực giao theo phương thẳng đứng là: 𝜕𝑡 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐻) + 𝜕𝑥 (𝑚𝑦 𝐻𝑢 ) + 𝜕𝑦 (𝑚𝑥 𝐻𝑣 ) + 𝜕𝑧 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝑤) (2-5) = 𝑄𝐻 + 𝛿(0)(𝑄𝑠𝑠 + 𝑄𝑠𝑤 ) Trong địa mạo thì phương trình liên tục của dòng nước liên quan tới phương trình cân bằng bùn cát đáy: 𝜕𝑡 (𝑚𝑥 𝑚𝑦 𝐵) = 𝑄𝐺𝑊 − 𝑄𝑠𝑠 − 𝑄𝑠𝑤 (2-6) 2.5 Cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy tới hiện tượng bồi, xói luồng tàu 2.5.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy Chân vịt do tàu chạy có thể gây ra xáo trộn bùn cát và phân bố lại bùn cát trong phạm vi luồng tàu chạy. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình vận chuyển bùn cát do tàu gồm: Kích thước tàu, độ sâu khi tàu chạy, vận tốc dòng chảy sông, tàu 9
chạy ngược dòng hay xuôi dòng, đặc trưng bùn cát của tuyến luồng...Hình 2-5 là sơ đồ tổng quát nhất về quá trình tính toán sa bồi do cả các yếu tố thủy động lực học môi trường có tính thêm ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy trong quá trình tàu di chuyển. Tỉ lệ vận chuyển bùn cát hay nói cách khác là tỉ lệ sa bồi trong sông là tổng của hai yếu tố trên. Hình 2-5 Mô tả quá trình tính sa bồi do dòng chảy và do chân vịt tàu gây ra Trên thế giới đã có một số tác giả nghiên cứu tính toán sa bồi do tác động của chân vịt tàu trên mô hình thực nghiệm. Trong đó, mô hình của Maynord được coi là mô hình tính toán hiệu quả nhất, Maynord chia ra hai vùng áp dụng như sau: Hình 2-6 Định nghĩa vùng 1 và vùng 2 cho phân bố vận tốc sau tàu Mô hình vùng 1: Áp dụng đối với vùng Xp 10 Dp tính từ chân vịt về phía sau: 10
-15.4 R2 1 -15.4 R2 1 2 X2 V1 (Xp , Ycl ) = AX-0.524 (e Xp +e p ) (2-36) p Mô hình vùng 2: Áp dụng đối với vùng Xp 10 Dp 0.93 0.24 0.0178Xp Y2 Dp Xp −( Dp + 2C2 cl ) 2 V(X p , Ycl ) = 0.34V2 C1 ( ) ( ) e z2 Xp (2-45) Hp Hp Có vận tốc do tàu gây ra, tính ứng suất xói tác động lên bề mặt phù sa do tàu gây ra theo công thức:   0.5 wC fsV 2 prop (2-48) Hoạt động của chân vịt tàu thủy sẽ gây ra ứng suất xói và chính ứng suất này sẽ gây ra hiện tượng sa bồi cục bộ. Phạm vi ứng dụng của mô hình Maynord là giới hạn cho tàu có từ 1 đến 2 chân vịt. 2.5.2 Cơ sở tính ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy trong mô hình EFDC Mô hình vận chuyển bùn cát do tàu Maynord được tác giả phát triển thành một mô đun và được kết hợp với mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC để tính toán vận tốc tổng cộng, ứng suất đáy tổng cộng, cũng như tỉ lệ vận chuyển bùn cát tổng cộng rồi cuối cùng là biến đổi đáy tổng cộng trong phạm vi luồng tàu chạy, cụ thể như sau: ô lưới ở mô hình thủy lực sẽ được chia nhỏ hơn để có thể tính đến kích thước của tàu, tỉ lệ vận chuyển bùn cát tổng cộng của ô lưới to sẽ bằng tổng của các ô lưới nhỏ do tàu cộng với tỉ lệ vận chuyển bùn cát do dòng chảy gây ra trong ô lưới đó. ∆x ∆z ∆y Tàu Mtổng = Mdòng chảy + Mtàu Đường phân bố bùn cát do tàu ∆x Hình 2-7 Chia lưới con cho tàu trong mô hình thủy lực Các bước thực hiện được tóm tắt như sau: Bước 1: Tính vận tốc nước gây ra do tàu; Bước 2: Tính ứng suất đáy gây ra do tàu; Bước 3: Tính tỉ lệ xói do tàu gây 11
ra; Bước 4: Tính lượng bùn cát tổng cộng do tàu tại vị trí (x,y) trong bước thời gian của mô hình thủy lực (∆t); Bước 5: Cộng giá trị vận chuyển bùn cát do tàu với bùn cát do dòng chảy tại vị trí (x,y). Hình 2-10 Giao diện mô đun tính toán ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy 2.6 Kết luận chương 2 Qua việc phân tích ưu điểm, nhược điểm của các bộ mô hình, từ yêu cầu và mục tiêu đặt ra, luận án chọn bộ mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều mã nguồn mở EFDC để áp dụng tính toán cho mục đích nghiên cứu. Trên cơ sở lý thuyết mô hình EFDC và lý thuyết mô hình thực nghiệm của Maynord về ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy, luận án đã phát triển thêm mô đun tính ảnh hưởng của chân vịt tàu thủy lúc di chuyển tới bồi, xói bùn cát đáy. 12
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC BỒI, XÓI KHU VỰC CỬA LẤP 3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình tính toán 3.1.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu khu vực tính toán Tài liệu địa hình, khí tượng, thủy hải văn: kế thừa của đề tài đã có và có cập nhật bổ sung đến năm 2013; Số liệu sóng trạm Bạch Hổ, Trạm Vũng Tàu. Trong đó số liệu thực đo tháng 10-2010 dùng để hiệu chỉnh và kiểm định độ chính xác của mô hình; Kết quả phân tích mẫu trầm tích đáy được tổng hợp từ các đợt khảo sát năm 1998, 1999 và đợt khảo sát tháng 10 năm 2010. 3.1.2 Lựa chọn và xác định miền tính toán Hình 3-8 Sơ hoạ phạm vi mô phỏng Lưới thô: Để tính toán quá trình truyền triều từ ngoài khơi vào bờ và trích xuất kết quả mực nước lấy điều kiện biên đầu vào cho mô hình lưới mịn. Mực nước được trích xuất từ mô hình lưới thô so sánh với chuỗi số liệu thực đo tại trạm Vũng Tàu cho kết quả phù hợp cả về pha và biên độ triều, chỉ số Nash đạt tới 98,2% trong cả năm 2013. Do vậy, đảm bảo yêu cầu cho việc làm biên đầu vào của mô hình lưới mịn; Điều kiện ban đầu của lưới mịn: mực nước được lấy bằng giá trị mực nước trung bình nhiều năm tại trạm đo mực nước Vũng Tàu; Địa hình đáy được tổng hợp từ các số liệu bản đồ năm 2010; Điều kiện biên của lưới mịn: Biên thượng lưu là quá trình lưu lượng tại Cửa Lấp; Biên ngoài khơi: Trích ra từ mô hình lưới thô, biên phía Nam là mực nước triều thực đo tại trạm Vũng Tàu. 13
3.1.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho bộ số liệu khảo sát tháng 10.2010 - Số liệu thực đo mực nước tại Cửa Lấp tháng 10-2010 được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình, kết quả so sánh mực nước tính toán và mực nước thực đo có chỉ số Nash đạt 94% chứng tỏ kết quả của mô hình là chính xác. - Kết quả so sánh vận tốc dòng chảy giữa mô hình và số liệu thực đo trạm Cửa Lấp các tầng độ sâu cho kết quả tương đối phù hợp về mặt độ lớn. - So sánh hướng sóng, độ cao sóng và chu kỳ sóng với số liệu đo tháng 10-2010 cho kết quả tính toán và thực đo tương đối phù hợp. Kết quả này cho thấy mô hình tính sóng có độ chính xác tương đối tốt. Nhận xét chung: Có thể áp dụng mô hình này để tính toán dự báo và nghiên cứu đánh giá chế độ thủy động lực học và biến đổi hình thái cho thời đoạn dài hơn nếu có đủ các số liệu cần thiết. 3.1.4 Xây dựng tương quan để tính toán mở rộng cho bộ số liệu năm 2013 3.1.4.1 Đặt vấn đề Khu vực Cửa Lấp chưa có trạm quan trắc các số liệu thủy văn thường xuyên nên số liệu về lưu lượng Cửa Lấp chỉ có chuỗi số liệu thực đo từ ngày 18/04/2013 đến ngày 25/04/2013, cần phải sử dụng các mối quan hệ tương quan để kéo dài chuỗi số liệu hiện có phục vụ tính toán cho mô hình. 3.1.4.2 Kéo dài chuối số liệu lưu lượng tại Cửa Lấp Từ số liệu thực đo tháng 4/2013, sử dụng tương quan giữa mực nước và mực nước, mực nước và lưu lượng để kéo dài chuỗi số liệu thực đo lưu lượng Cửa Lấp cho cả năm 2013. Kết quả tính toán và kiểm định giữa mực nước tính toán và mực nước thực đo tháng 4/2013 trạm Cửa Lấp cho chỉ số nash=87% cho thấy chuỗi số liệu kéo dài đủ tin cậy để phục vụ cho việc mô phỏng cả năm 2013. 3.2 Nghiên cứu, đánh giá chế độ thủy động lực học và quá trình bồi, xói 3.2.1 Chế độ thủy động lực học khu vực Cửa Lấp 3.2.1.1 Chế độ dòng chảy trong gió mùa Đông Bắc Xu thế chính của trường dòng chảy dư trong gióa mùa Đông Bắc có hướng đi về hướng Tây Nam. Tại khu vực phía bờ Nam, dòng chảy dư ở ven bờ có hướng ổn 14
đi về phía Vũng Tàu với vận tốc cỡ 0,9m/s đến 1,5m/s. Khu vực bờ Bắc, Đông Bắc của Cửa Lấp, hướng dòng chảy dư có xu thế về phía chùa Dinh Cô. 3.2.1.2 Chế độ dòng chảy trong gió mùa Tây Nam Trong gió mùa Tây Nam hướng dòng chảy dư chủ yếu có hướng Đông và Đông Bắc, dòng chảy trong sông chảy lên khi triều lên và chảy xuống khi triều xuống. Vận tốc dòng chảy ven tương đương trong gió mùa Đông Bắc và có hướng chảy theo đường ven bờ, vận tốc dòng chảy khu vực xa bờ thì nhỏ hơn. Hình 3-24 Trường dòng chảy dư tổng cộng a) gió mùa Đông Bắc; b) gió mùa Tây Nam 3.2.1.3 Tương tác giữa dòng chảy sông và triều Khi triều xuống lưu lượng dòng chảy sông chảy ra theo hai luồng của Cửa Lấp và có xu thế chảy về phía Đông. Khi triều lên, dòng chảy bị đẩy về phía bờ Tây, vận tốc dòng chảy tính được từ 0,9m/s đến 1,2m/s, trong lúc đó, vận tốc dòng chảy khu vực cảng Phước Tỉnh nhỏ, tạo điều kiện cho bùn cát lắng đọng; khảo sát tổng lượng dòng chảy qua 3 mặt cắt (01 mặt cắt ngang cửa sông, 02 mặt cắt ven bờ) cho thấy tổng dòng chảy từ trong sông ra lớn hơn dòng chảy triều vào, đồng thời khu vực Cửa Lấp tồn tại một dòng chảy dư có hướng từ Nam và Tây Nam sang Bắc và Đông Bắc chạy dọc ven bờ, do vậy bùn cát có xu hướng dịch chuyển theo chế độ dòng chảy dư từ Nam, Tây Nam sang Bắc và Đông Bắc. 15
3.2.2 Đánh giá ảnh hưởng của sóng đến dòng chảy ven bờ và vận chuyển bùn cát khu vực Cửa Lấp 3.2.2.1 Kịch bản 1: Trường dòng chảy do sóng gió mùa Đông Bắc Dòng chảy chủ yếu theo hướng Đông Bắc - Tây Nam. Vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu ven bờ do sóng gây ra khoảng 0,13m/s và thay đổi tùy theo chiều cao sóng. Khu vực phía Nam hình thành vùng có dòng xoáy (vòng tròn màu đỏ). Khu vực cửa sông và phía bờ Bắc có những vùng dòng chảy rất nhỏ (vòng tròn màu xanh), là điều kiện thuận lợi để bùn cát lắng đọng lại. Xu thế vật chất được mang từ bờ Bắc đi qua Cửa Lấp xuống bờ Nam và lắng đọng lại khu vực trước cửa. Hình 3-29 Trường dòng chảy khu vực Cửa Lấp do sóng gió mùa Đông Bắc 3.2.2.2 Kịch bản 2: Trường dòng chảy do sóng gió mùa Tây Nam Dòng chảy ven bờ khu vực Cửa Lấp có hướng Tây Nam - Đông Bắc. Vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu do sóng gây ra khoảng 0.23m/s và thay đổi tùy theo chiều cao sóng. Dòng chảy hình thành các khu vực có dòng chảy lớn là khu vực phía Nam và khu vực có dòng chảy nhỏ là khu vực giữa cửa và phía Bắc của cửa. Khi mực nước cực trị, trường dòng chảy tiến sâu vào vùng ven bờ, vận tốc dòng chảy trung bình độ sâu do sóng gây ra tại khu vực cửa khoảng 0.28m/s. Khu vực phía cửa sông không thấy hình thành các xoáy do sóng gây ra. Tuy nhiên tại phía giữa cửa và phía bờ Bắc vẫn tồn tại các khu vực dòng chảy nhỏ. Kết quả tính toán ứng suất đáy cho thấy ứng suất đáy do sóng gây ra trong gió mùa Tây Nam thường lớn hơn trong gió mùa Đông Bắc và lớn hơn cõ 20% ở hầu hết các vị trí ven bờ trong điều kiện cùng một vận tốc gió và chế độ thủy lực. 16
Hình 3-30 Trường dòng chảy khu vực Cửa Lấp do sóng gió mùa Tây Nam 3.2.3 Cơ chế vận chuyển bùn cát tại khu vực Cửa Lấp 3.2.3.1 Quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng Qua kết quả tính toán cho thấy bùn cát kết dính chủ yếu phân bố ở khu vực trong sông và giữa sông, bùn cát không kết dính phân bố dọc ven bờ. Ứng suất tổng cộng do sóng và dòng chảy vượt quá ứng suất tới hạn làm cho bùn cát dịch chuyển trên bề mặt đáy hoặc xáo trộn vào cột nước, khi có dòng chảy, bùn cát sẽ bị cuốn đi gây nên hiện tượng xói. Ứng suất sinh ra trong mùa gió Tây Nam đều vượt quá ứng suất tới hạn tại các điểm tính toán, kết quả này đã chỉ ra rằng quá trình biến đổi đáy ở khu vực trong sông chủ yếu là do tác động của dòng chảy, khu vực ven bờ là do tác động của sóng còn khu vực cửa sông thì tác động của sóng và dòng chảy khá tương đương nhau và diễn biến mạnh trong mùa gió Tây Nam. 3.2.3.2 Mô phỏng biến đổi địa hình đáy Kết quả mô phỏng chế độ vận chuyển bùn cát và biến đổi hình thái khu vực Cửa Lấp năm 2013 cho thấy sau một năm có xuất hiện một vùng bồi ở khu vực cửa sông. Vùng bồi này xuất hiện từ tháng 3 và phát triển dần về độ lớn cho đến tháng 11. Kết quả này khá trùng khớp với ảnh viễn thám chụp tháng 8/2010 và tháng 10/2013, chứng tỏ kết quả của mô phỏng là chính xác. 17
3.2.4 Đánh giá ảnh hưởng của chân vịt tới bồi lấp trở lại luồng tàu Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của chân vịt tàu tương ứng với 3 tàu điển hình trong khu vực được thể hiện ở Hình 3-43, Hình 3-44 (tính toán cho trường hợp khi tàu đi từ biển về cảng). Hình 3-43 a) Trường vận tốc; b) Mặt cắt vận tốc dòng chảy, ứng suất đáy và nồng độ bùn cát lơ lửng tại vị trí 1m từ tim tàu Khi ứng suất đáy do chân vịt tàu gây ra lớn hơn ứng suất tới hạn của bùn cát di đáy thì bùn cát đáy sẽ bị xáo trộn và đi vào cột nước hoặc vận chuyển sang hai bên. Tàu có mã lực 700CV và 1100CV khi chạy sẽ tạo ra trường vận tốc lớn nhất cỡ 3m/s, nồng độ bùn cát lơ lửng do hai loại tàu này tại vị trí cách tim một mét khi chạy là cỡ khoảng 2250 mg/l. Ứng suất đáy TÀU300CV TÀU 300CV Bùn cát lơ lửng TÀU300CV TÀU 300CV Khoảng cách ngang tàu (m) Khoảng cách ngang tàu (m) TÀU TÀU700CV 700CV TÀU TÀU700CV 700CV TÀU 1100CV TÀU TÀU1100CV 1100CV TÀU 1100CV Khoảng cách dọc theo tàu (m) Khoảng cách dọc theo tàu (m) Hình 3-44 Trường ứng suất đáy và bùn cát lơ lửng gây ra bởi chân vịt của tàu 18