Mô hình hoàn lưu nước vùng cửa sông ven biển chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều

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 atτ và do tác động sóng awτ : awataaDa uuC ττρρτ +=== ∗2102 (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 0z cũng như có sóng ez (Jansen, 1992): ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+= ∗ e e z z zzzuu 0lnκ (2) Trong đó ez và 0z 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): ( )wccwwwcwcbb uuuuCvCvC *2*22222 +==+=+== ∗ ρρρρττρτ (3) trong đó 2 1 * ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= ρ τ c cu , 2 1 * ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= ρ τ w wu . Đối với ứng suất dòng chảy thuần túy, có thể sử dụng công thức sau: 2vCcc 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 ukk *24 . (5) Trong điều kiện không có sóng: 30 0zkk bbc == và hệ số ma sát dòng sẽ là ( )20 2 )/ln(2 1 zz fC cc κ== . (6) Đối với ứng suất do sóng, ta có thế sử dụng công thức: wwww 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 ξδξξ += t , trong đó phần gia tăng mực nước do sông ξδ 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 αδξ = 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 Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 37 ngoài khơi Cát Hải. Trong các pha triều cao hay thấp hoàn lưu song song với đường bờ Cát Hải thường được kết nối với các dòng chảy ra hoặc vào các cửa Nam Triệu và Lạch Huyện có hướng đối lập nhau tạo nên các dòng liên tục xuất phát từ các cửa sông này. Trên hình 5 dẫn ra hai trường dòng triều tương ứng hai trường hợp vừa phân tích. Hình 2. Biến trình ngày đêm dòng triều qua cửa Nam Triệu (trên) và Lạch Huyện (dưới). Hình 3. Biến trình ngày đêm của dòng triều trên khu vực ngoài khơi Đồ Sơn (trên) và Cát Hải (dưới) Hình 4. 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). Hình 5. Biến trình ngày đêm của dòng triều tại khu vực nước nông phía ngoài Cát Hải: điểm trung tâm (trái) và điểm gần Bến Gót (phải). Hình 6. Mô phỏng mực nước theo thời gian tại vùng cửa sông Hải phòng với điều kiện gió bão: DS- đê Đồ Sơn, NT- kênh Nam Triệu, HD- ngoài khơi Hòn Dáu, LH- kênh Lạch Huyện, CH- vùng nước nông Cát Hải. Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 38 Trên hình 5 dẫn ra biến trình ngày đêm của dòng triều tại hai điểm nằm trên khu vực nước nông phía ngoài Cát Hải. Có thể nhận thấy có sự khác nhau đáng kể giữa đặc trưng biến động dòng triều giữa khu vực nước sông và nước sâu (các hình 3 và 5), ngoài ra còn có hiện tượng gia tăng đáng kể của dòng song song bờ về phía Bến Gót. Điều này có thể là nguyên nhân chính gây nên xói lở đáy và hình thành một rãnh sâu nối trực tiếp Lạch Huyện với vùng khơi Cát Hải (hình 1). Các kết quả mô hình hóa được khẳng định thông qua so sánh với đặc trưng của mực nước và dòng chảy thu được từ các chuyến khảo sát năm 2007 và 2008 do các đề tài QGTD 04.07 và KC09.23/06-10. Ảnh hưởng của lưu lượng sông đến dòng chảy chỉ xẩy ra mạnh trong pha dòng triều và dòng sông có cùng hướng đi vào, tuy nhiên cũng chỉ nhận thấy rõ trên một phạm vi tương đối hạn chế nên không làm thay đổi bức tranh hoàn lưu do triều áp đảo. Đối với tác động của gió, có thể khẳng định vai trò thứ yếu của nhân tố này đối với các điều kiện gió bình thường, nó không làm thay đổi cơ bản hướng hoàn lưu triều áp đảo, tuy nhiên có thể làm biến đổi giá trị của dòng tổng hợp. Trong trường hợp gió bão, kết quả thử nghiệm cho thấy trường dòng chảy trên các khu vực nước nông có sự biến động đáng kể có thể làm xuất hiện một số xoáy cục bộ, tuy nhiên đã có sự gia tăng mực nước đáng kế trên vùng ven bờ về phía dọc đê 14 Đồ Sơn cũng như Cát Hải. Có thể nhận thấy giá trị tăng của mực nước tương đối tại các khu vực này vào cỡ trên 50-60cm (hình 6). Có thể nhận thấy hiện tượng dâng nước cục bộ này chủ yếu do nước dồn, tuy nhiên với giá trị khoảng 50-60cm là ở mức nguy hiểm đặc biệt nếu kết hợp với triều và nước dâng bão truyền từ phía ngoài vào. 4. Các kết luận Kết quả thử nghiệm mô hình thủy động lực 3D MDEC cho vùng cửa sông cảng Hải Phòng đã khẳng định khả năng ứng dụng của mô hình cho các thủy vực phức tập tương tự ở Việt Nam. Từ phân tích kết quả cũng đã nhận thấy được có hai khu vực có khả năng bị xói lở bờ và ngập nước mạnh trong điều kiện gió bão đó là Cát Hải và đê 14 Đồ Sơn, điều này cần được kể đến trong quá trình tính toán xây dựng nâng cấp hệ thống đê biển Hải Phòng. Với mô hình thủy động lực này chúng ta hoàn toàn có điều kiện phát triển và hoàn thiện hệ thống mô hình thủy động lực-môi trường cho pháp giải quyết các vấn đề vận chuyển, lan truyền trầm tích, các chất ô nhiễm, quá trình bồi tụ, biến đổi địa hình và tích tụ các chất ô nhiễm trong nước và trầm tích đáy. Lời cảm ơn Các kết quả này thu được với sự hỗ trợ của các đề tài NC Cơ bản 706106, đề tài trọng điểm ĐHQG Hà Nội (QGTĐ 04.07) và đề tài KC 09.23/06-10. Tác giả cảm ơn vì sự hỗ trợ này. Tài liệu tham khảo Grant, W.D. and Madsen, O.S, 1979, Combined wave and current interaction with a rough bottom, J. Geophys. Res. 84, 1797-1808. Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển 39 Jansen, P.A., 1992, Experimental evidence of the effect of surface waves on the air flow, J. Phys. Oceanogr. 22, 1600-1604 WAMDI Group. 1988, The WAM model- the third generation ocean wave ocean wave prediction model, J. Phys. Oceanogr., 18, 1775-1810. Đinh Văn Ưu, 1981, Ứng suất gió trên mặt biển có sóng, Tuyển tập Nghiên cứu biển, II-2, Nhatrang, 117- 122. Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, pham Hoang Lam (2006), Development and Application of the Environmental Hydrodynamic 3D Model for Computation and Forecasting of Oil Pollutions in Coastal Marine Environment, Annual Report of FY 2006 of CUP between JSPS and VAST, Hanoi, Osaka, pp. 191-200. Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang Lam (2007), Development of system of Hydrodynamic- environmental models for coastal area (Case study in Quangninh-Haiphong region), Journal of Science, Earth Sciences, T. XXIII, No.1, pp. 59-68. Dinh Van Uu (2007), Towards a coastal ocean monitoring and prediction system for Vietnamese Sea Waters, The 4th Seminar on Environmental Science and Technology issues related to the Sustainable development for urban and coastal area, The 7th General Seminar of CUP between JSPS and VAST, Danang, pp. 148- 153.