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) 133‐139 133 _______ 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* Các quá trình tự nhiên liên quan đến biến động và vận chuyển trầm tích và các chất ô nhiễm trong nước chịu tác động của bình lưu, khuếch tán và xáo trộn của toàn bộ khối nước cũng như động lực học của các lớp biên, đặc biệt là lớp biên đáy. Khả năng tính toán phân bố vận tốc vận chuyển của nước và ứng suất đáy cho phép xác định được các thông lượng trầm tích và vật chất trao đổi qua lớp biên đáy phục 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 biên mặt và đáy cho phép tính đến một cách tối đa có thể các tác động của sông, biển và khí quyển. * ĐT: 84-4-38584945. E-mail: uudv@vnu.edu.vn Hệ thống mô hình sẽ chú trọng đến các tác động chủ yếu như lưu lượng sông, thuỷ triều, gió và sóng trên mặt biển. Việc triển khai thử nghiệm mô hình đối với vùng cửa sông ven biển cảng Hải Phòng trong các điều kiện thực tế của địa hình và khí tượng, thuỷ văn, hải văn phức tạp cho phép hoàn thiện hệ thống mô hình có khả năng áp dụng cho các vùng cửa sông ven biển Việt Nam. 2. Hệ thống mô hình Hệ thống mô hình số bao gồm các mô hình kết hợp thuỷ động lực và môi trường biển, trong Đ.V. Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 134 đó các mô hình 3D hệ phương trình nguyên thuỷ thuỷ động lưc và biến đổi vật chất là phần cốt lõi. Mô hình 2D biến đổi lớp trầm tích trên đáy được ứng dụng để mô phỏng biến động địa hình đáy. Các mô hình tác động bề mặt và lớp biên đáy đóng vai trò kết nối các mô hình nêu trên thông qua điều kiện biên giữa nước với không khí và đáy biển. Liên kết giữa thuỷ vực nghiên cứu với sông và biển được xử lý thông qua các điều kiện biên hở với những kỹ thuật phù hợp. Mô hình 3D thuỷ động lực biển kèm theo các mô hình tác động trên mặt và lớp biên đáy đã được mô tả chi tiết trong các công trình trước đây [1,2]. Hệ thống mô hình này cho phép tính đến các tác động phức tạp của sóng và gió trên mặt biển đến quá trình thuỷ động lực học nước biển trong đó có lớp biên đáy. Đối với điều kiện biên hở, đã triển khai một quy trình mới cho phép xấp xỉ lưu lượng nước sông trên biên sông-biển thông qua lượng gia tăng mực nước so với mực nước chung trên thuỷ vực. Kỹ thuật mới này đã khắc phục được khó khăn nẩy sinh trước đây, khi lưu lượng nước vào ra bị triều chi phối. Trong mô hình vận chuyển trầm tích sử dụng phương trình 3D bình lưu-khuyếch tán nồng độ trầm tích lơ lửng không biến tính (c): z c zy c yx c x cw z cw z cv y cu xt c zyx s ∂ ∂ ∂ ∂+∂ ∂ ∂ ∂+∂ ∂ ∂ ∂= =∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ λλλ )()()()( Trong đó, bên cạnh các thành phần vận tốc (u,v, w) và hệ số khuếch tán (λx,λy,λz) theo 3 hướng, vận tốc lắng đọng ws phụ thuộc vào đặc trưng của trầm tích lơ lửng. Quá trình lắng đọng và bứt tách trầm tích trên đáy được kết nối với mô hình vận chuyển trầm tích thông qua điều kiện biên đáy: EDQ z ccw b zs +==⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ∂ ∂− λ Trong đó Q là suất trao đổi trầm tích trên một đơn vị diện tích bề mặt do kết quả của các quá trình lắng đọng (D) và bứt tách (E). Suất trao đổi trầm tích Q được xác định thông qua đặc trưng thu được trực tiếp từ mô hình thuỷ động lực như ứng suất đáy tổng cộng do sóng và dòng chảy , các đại lượng này phụ thuộc vào tính chất của trầm tích như các giá trị ứng suất tới hạn lắng đọng và bứt tách cũng như phân bố của nồng độ vật chất lơ lửng trong lớp biên đáy. Quy luật phân bố này thường được chọn trong dạng sau đây liên quan đến khoảng cách quy chiếu z cwu∗ cdu∗ ceu∗ a và nồng độ quy chiếu Ca tương ứng. ∗− ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= uw a az s z zCC κ/ Mô hình biến động địa hình đáy được xây dựng trên cơ sở phương trình liên tục đối với trầm tích đáy được viết trong dạng biến động của độ dày một thể tích đơn vị trầm tích đáy do divergence của dòng di đáy và suất trao đổi trầm tích qua mặt phân cách nước-đáy. Phương trình mô tả quá trình tiến triển này được lấy trong dạng: Q y q x q t zp yxb +∂ ∂+∂ ∂=∂ ∂− )1( Trong đó là độ dày lớp trầm tích đáy, p là độ xốp của lớp trầm tích trên đáy, q bz x và qy là các thành phần của dòng di đáy và Q là suất trao đổi trầm tích. Như đã trình bày trong các công trình trước đây, dòng di đáy của trầm tích được tính toán theo các hệ thức thực nghiệm (Mayer-Piter (1948), Van Rijn (1984),...). Trong hệ thống mô hình này, ứng suất đáy tổng cộng được lấy trực tiếp từ mô hình 3D thuỷ động lực, các giá trị ứng suất tới hạn được xác định dựa vào đặc trưng của trầm tích lơ lửng. Như đã trình bày ở phần trên, suất trao đổi trầm tích giữa đáy và nước được tính toán thông qua kết quả kết hợp Đ.V.Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 135 của mô hình 3D thuỷ động lực học và mô hình 3D vận chuyển trầm tích lơ lửng. 3. Kết quả ứng dụng hệ thống mô hình cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng Vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng ở đây được xem là phần chuyển tiếp giữa hệ thống các sông Cấm, sông Bạch Đằng, sông Chanh và vùng biển hở thông qua hai cửa chính là Nam Triệu và Lạch Huyện. Khu vực nghiên cứu sẽ bao gồm toàn bộ thủy vực nước nông ven bờ tây kéo dài từ Đình Vũ đến Đồ Sơn, bãi nước nông phía Nam Cát Hải và các lạch tàu chính Nam Triệu và Lạch Huyện. Trong thuỷ vực này, các quá trình thuỷ động lực bị chi phối chủ yếu bởi thuỷ triều và lưu lượng sông đổ ra biển. Do chu kỳ biến động của hai quá trình này khác nhau nên trước mắt chúng tôi nghiên cứu dao động của thuỷ triều và dòng triều trên nền biến động lưu lượng sông ổn định cho từng thời 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 trong điều kiện gió bình thường. Tuy nhiên trong điều kiện gió bão, quá trình dâng rút mực nước xẩy ra dẫn đến hiện tượng mực nước ven bờ cao hơn hoặc thấp hơn nhiều so với mực nước triều cỡ trên 50-60cm. Khu vực xẩy ra nước dâng và rút mạnh nhất là ven đê 14 Đồ Sơn cũng như ven bờ Cát Hải (hình 1). Hiện tượng dâng mực nước này sẽ trở nên cực kỳ nguy hiểm nếu tính đến quá trình lan truyền sóng dài từ ngoài vào cũng như nước dâng do sóng. Với kết quả mô phỏng này có thể thấy dải ven bờ phía bắc Đồ Sơn đến thành phố là khu vực có nguy cơ ngập lụt đáng kể trong điều kiện bão tác động trực tiếp đến dải bờ biển Hải Phòng. Cùng với nguy cơ ngập lụt, nguy cơ xói lở đê biển và công trình ven biển tại các đoạn 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 thấy đặc điểm thuận nghịch hướng song song bờ của dòng chảy phía ngoài Cát Hải (hình 2). Các dòng chảy này xuất phát từ một cửa lạch và kết thúc tại một cửa lạch khác, trong khi dao động mực nước tại hai cửa này lại hầu như đồng thời. Đ.V. Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 136 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 khẳng định sự hiện diện của các lạch triều đáng kể trên khu vực bãi nam Cát Hải trong đó có lạch sâu giữa bờ Bến Gót và trương Hàng Dày. Kết quả ứng dụng mô hình vận chuyển trầm tích lơ lửng đồng thời với mô hình thủy động lực cho thấy quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng từ cửa Nam Triệu dẫn đến sự gia tăng độ đục của nước tại vùng biển ngoài khơi Đồ Sơn cũng như Cát Bà. Hiện tượng này sẽ có những biến đổi nhất định dưới tác động của gió cũng như sóng và được tăng cường đáng kể trong trường hợp lưu lượng sông có giá trị trên mức trung bình (hình 3). Kết quả thu được trong khi áp dụng mô hình thủy động lực kết hợp vận chuyển trầm tích lơ lửng và biến đổi địa hình đáy cũng cho thấy khả năng ứng dụng của hệ thống mô hình đối với vùng biển có điều kiện tự nhiên phức 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 trị lớn tại hai vùng tây-nam và đông-nam Cát Hải đã tạo nên hai lạch triều liên kết dòng chảy trên hai lạch tàu-cửa sông chính Nam Triệu và Lạch Huyện. Chính sự khẳng định này đã góp phần lý giải hiện tượng vùng đáy biển gần bờ nam Cát Hải có xu thế bị xói thường xuyên, trong khi phần đáy biển nằm phía ngoài cũng Đ.V.Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 137 như Lạch tàu Nam Triệu và Lạch Huyện bị bồi tụ. Hiện tượng hội tụ và phân kỳ dòng chảy trên vùng biên giữa lạch triều này cũng như các lạch tàu với bãi bồi ngoài khơi Cát Hải là nguyên nhân dẫn đến sự ổn định của xu thế bồi tụ tại đây, đặc biệt là các dải cát dọc hai lạch tàu chính trương Hàng Dày và trương Hoàng Châu. Từ kết quả phân tích số liệu viễn thám [3] có thể thấy các khu vực biển có xu thế bị xói đáy như dải ven bờ đông-nam Đình Vũ và Phú Long chủ yếu do dòng chảy triều mạnh sát bờ không cho phép trầm tích lắng đọng (hình 4). 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 trên các khu vực ven bờ nêu trên, hiện tượng xói đáy không thể do nguyên nhân chính là sóng như nhiều nhà nghiên cứu trước đây từng khẳng định. Chính hệ thống dòng chảy mạnh trên dải độ sâu chuyển tiếp này đã tạo nên dòng vận chuyển dọc bờ mang theo các trầm tích có nguồn gốc từ đới sóng đổ. Điều này khẳng định sự hiện diện của các khu vực bờ biển bị ăn mòn nằm tại các vị tương ứng bị xói đáy phía ngoài. Bên cạnh các quá trình thường xuyên chu kỳ lớn, các quá trình mang tính tới hạn quy mô synop như bão, lũ, v.v... lại có thể gây nên những hậu quả đáng kể, bao gồm các hiện tượng cực đoan như xói lở bờ, công trình hay ngập lụt dải ven bờ. Trong số đó có ví dụ về cơn bão số 7 (Damrey) đổ bộ vào bờ biển các tỉnh từ Thanh Hoá đến Hải Phòng vào rạng sáng ngày 27 tháng 9 năm 2005 với sức gió mạnh tới cấp 10, 11 có nơi giật trên cấp 12 đã làm vỡ một số đoạn trên tuyến đê Hoàng Châu - Văn Chấn (Cát Hải) và đê biển Đồ Sơn bị uy hiếp nghiêm trọng. Sóng to đã sóng tràn qua đê biển Đồ Sơn khiến tuyến đường chạy ven biển bị ngập nước sâu 1m. Các kết quả sơ bộ mô phỏng quá trình bồi, xói địa hình đáy biển cũng đã cho thấy, bên cạnh đặc điểm bồi tụ và xói lở đáy dài hạn như đã phân tích ở phần trên với các vùng bồi tụ và xói nằm xen kẽ nhau với quy mô tương đối nhỏ (hình 5). Đ.V. Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 138 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 ứng dụng hệ thống mô hình Trung tâm Động 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 lực phức tạp như các cửa sông vùng triều Việt Nam. Vấn đề này càng có ý nghĩa hơn khi nghiên cứu các hiện tượng này trong tác động ngày càng tăng của biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng. 4. Kết luận Hệ thống mô hình MDEC cho phép tính đến các tác động chủ yếu đến hệ thống cửa sông ven biển như lưu lượng sông, thuỷ triều, gió và sóng trên mặt biển. Việc triển khai thử nghiệm mô hình đối với vùng cửa sông ven biển cảng Hải Phòng trong các điều kiện thực tế của địa hình và khí tượng, thuỷ văn, hải văn phức tạp cho phép hoàn thiện hệ thống mô hình có khả năng áp dụng cho các vùng cửa sông ven biển Việt Nam. Lời cảm ơn Những kết quả thu được với sự hỗ trợ kinh phí của đề tài Trọng điểm ĐHQG QGTD.07.04 Đề tài NC Cơ bản 706106 và đề tài KC 09.23/06-10. Tác giả chân thành cảm ơn. Tài liệu tham khảo [1] Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang Lam, Development of system of Hydrodynamic- environmental models for coastal area (Case study in Quangninh-Haiphong region), Journal of Science, Earth Sciences T. XXIII, No1 (2007) 59. [2] Dinh Van Uu, Towards a coastal ocean monitoring and prediction system for Vietnamese Sea Waters, The 4th seminar on environmental science and technology issues Đ.V.Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 1S (2009) 133‐139 139 related to the sustainable development for urban and coastal area, The 7th general seminar of CUP between JSPS and VAST, Danang, 2007. [3] Đinh Văn Ưu, Nguyễn Tiền Giang, Nguyễn Hiệu, Tiến tới cảnh báo các khu vực có nguy cơ ngập lụt và xói lở trên vùng cửa sông ven biển Hải Phòng, Báo cáo Hội thảo khoa học Xói lở bờ biển Việt Nam và các biện pháp phòng tránh, VUSTA, Đồ Sơn, 2008. 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.