Mô phỏng dài hạn diễn biến hình thái cửa Thuận An - ThS. Nghiêm Tiến Lam

Mô phỏng dài hạn diễn biến hình thái cửa Thuận An ThS. NGHIÊM TIẾN LAM Khoa Kỹ thuật Bờ biển, Trường đại học Thuỷ lợi Tóm tắt Vấn đề mô phỏng diễn biến hình thái dài hạn cửa triều có thể được giải quyết bằng mô hình toán học bán kinh nghiệm. Bài viết giới thiệu về mô hình ASMITA đại diện cho loại này và việc ứng dụng mô hình cho mô phỏng diễn biến cửa Thuận An sau trận lũ lịch sử 1999. Từ kết quả mô phỏng của mô hình có thể cung cấp thông tin dự báo về diễn biến hình thái của cửa và các đối tượng hình thái cận kề dưới các tác động của tự nhiên hay nhân tạo làm thay đổi chúng. 1. Giới thiệu Cửa triều có thể được coi là một phần tử nằm trong một hệ thống bao gồm có cửa triều, đầm phá, bãi bồi triều xuống (ebb delta) và hai phần bờ biển liền kề. Diễn biến hình thái của cửa triều có mối liên hệ chặt chẽ với các biến đổi của các phần tử trong hệ thống. Tương ứng với mỗi điều kiện thuỷ động lực học thì hệ thống các phần tử này sẽ có một trạng thái cân bằng nhất định về mặt hình thái. Bất cứ sự phá vỡ cân bằng nào của một trong các phần tử trong hệ thống sẽ dẫn đến sự phá vỡ cân bằng và biến đổi của các phần tử còn lại trong hệ thống. Trạng thái cân bằng của cửa triều đạt được do sự cân bằng giữa năng lượng sóng với khuynh hướng lấp cửa và năng lượng thuỷ triều duy trì cửa mở. Ổn định và cân bằng của cửa triều được hiểu theo nghĩa tương đối. Không có cửa nào tồn tại “ổn định” hoặc trong trạng thái “cân bằng” một cách tuyệt đối trong khi có vận chuyển bùn cát dọc bờ đáng kể (de Vriend et al., 2000); cửa luôn được giả thiết là bị thay đổi về hình dạng trên mặt bằng cũng như là về diện tích và hình dạng mặt cắt ngang. Trong trận lũ lịch sử tháng 11 năm 1999 ở Miền Trung, cửa Thuận An được mở rộng cùng với những thay đổi lớn về mặt hình thái của bãi bồi triều xuống và sự xói lở bờ biển cận kề. Trận lũ này đã phá vỡ trạng thái cân bằng hình thái của hệ thống. Hệ thống sẽ phải mất một thời gian nhất định để tái lập lại trạng thái cân bằng mới. Khảo sát và dự báo diễn biến hình thái của các cửa có thể thực hiện được nhờ vào sự hỗ trợ của mô hình toán. Tuy nhiên việc dự báo dài hạn diễn biến hình thái của hệ thống cửa triều trong thời gian vài chục năm liên tục không thể thực hiện được nếu sử dụng các mô hình thuỷ động lực học dựa trên mô tả các quá trình vật lý diễn ra trong hệ thống. Khi đó chúng ta cần phải sử dụng đến một lớp mô hình toán khác đó là các mô hình bán kinh nghiệm mà một trong số đó là mô hình ASMITA (Stive et al., 1998). ASMITA là viết tắt của Aggregated Scale Morphological Interaction between a Tidal basin and the Adjacent coast – Mô hình mô tả tương tác hình thái qui mô tổng thể giữa thuỷ vực triều và bờ biển liền kề. Đây là một mô hình toán học bán kinh nghiệm dùng cho dự báo dài hạn (vài thập kỷ) sự phát triển hình thái của các cửa sông và các đầm phá thuỷ triều, dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên và sự can thiệp của con người. Mô hình này một phần dựa vào các mô tả quá trình và một phần dựa vào các quan hệ kinh nghiệm cho nên nó kết hợp các ưu điểm của các mô hình loại động lực học và các ưu điểm của các mô hình kinh nghiệm. Mô hình đã được ứng dụng thành công nhiều nơi trên thế giới để giải quyết các vấn đề dự báo diễn biến hình thái của các hệ thống cửa triều do dưới tác động dâng lên của mực nước biển, hay dưới ảnh hưởng của các tác động con người như là thu hẹp diện tích đầm phá do khai hoang, nạo vét luồng lạch mà vẫn chưa có thể dự báo được bằng các mô hình động lực học. 2. Các giả thiết và nguyên lý cơ bản của mô hình 1 Giả thiết quan trọng nhất được sử dụng trong nhận thức của mô hình là một trạng thái cân bằng có thể được xác lập cho mỗi phần tử hình thái của hệ thống phụ thuộc vào các điều kiện thuỷ động lực học. Với các hệ thống vực triều thường tồn tại các quan hệ kinh nghiệm và chúng ta có thể dựa trên các mối quan hệ kinh nghiệm đó để xác định trạng thái cân bằng hình thái cho mỗi phần tử của hệ thống (de Vriend et al., 2000). Mô hình dựa trên triết lý cơ bản như sau. Nếu tất cả các phần tử trong hệ thống hình thái là cân bằng, thì sẽ không có sự tích tụ bùn cát hay nước ở bất cứ chỗ nào trong hệ thống. Nếu coi bùn cát được chuyển tải chủ yếu do lơ lửng thì trường lưu lượng bùn cát sẽ gần tỷ lệ với vận tốc dòng chảy. Tỷ lệ giữa lưu lượng bùn cát và vận tốc dòng chảy có thể được coi như là nồng độ bùn cát và được gọi là nồng độ bùn cát cân bằng tổng thể cE. Với mỗi phần tử trong hệ thống sẽ có một nồng độ bùn cát cân bằng cục bộ ce. Do vậy nồng độ bùn cát cân bằng cục bộ của một phần tử ce = cE nếu phần tử ở trong trạng thái cân bằng hình thái, ce > cE khi có xu hướng xói mòn (ví dụ diện tích mặt cắt ngang của lòng dẫn nhỏ hơn giá trị cân bằng), và ce < cE khi có xu hướng bồi lắng. Các biến đổi hình thái xuất hiện khi nồng độ bùn cát cục bộ thiên lệch so với giá trị cân bằng cục bộ của nó. Xói mòn xảy ra khi nồng độ bùn cát nhỏ hơn giá trị cân bằng và bồi lắng xảy ra khi nồng độ bùn cát lớn hơn giá trị cân bằng của nó. Nguyên lý cơ bản của mô hình có thể tóm tắt như sau a) Trong mỗi bước thời gian, có thể xác lập được một trạng thái cân bằng hình thái nếu đã biết các điều kiện thuỷ động lực học. b) Lượng vận chuyển bùn cát thực tế có thể được mô tả bằng phương trình đối lưu-khuyếch tán dựa vào trường dòng chảy dư. Khi toàn bộ hệ thống đạt cân bằng thì toàn bộ hệ thống sẽ đạt đến được nồng độ bùn cát cân bằng tổng thể. c) Khi một khu vực nào đó bị mất cân bằng, thì sẽ xuất hiện khuynh hướng bồi lắng hoặc xói mòn. Điều này dẫn đến việc điều chỉnh nồng độ cân bằng một cách cục bộ tại khu vực đó. d) Sự trao đổi bùn cát giữa thể nước và đáy cũng là sự thay đổi hình thái, nó được xác định bởi sự khác biệt giữa nồng độ thực tế cục bộ và nồng độ cân bằng cục bộ. Khi nồng độ bùn cát thực tế lớn hơn nồng độ cân bằng cục bộ: c > ce thì bồi lắng sẽ xảy ra làm tăng thể tích cát của đáy. Ngược lại, khi nồng độ bùn cát thực tế nhỏ hơn nồng độ cân bằng cục bộ: c < ce thì đáy có khả năng bị xói mòn làm giảm thể tích cát của đáy. 3. Các phương trình cơ bản Xem xét một hệ thống bao gồm các phần tử hình thái được nối với nhau. Với mỗi phần tử ngoài một biến mô tả trạng thái hình thái, ví dụ là thể tích ướt V, còn có các biến của nồng độ bùn cát thực tế c và nồng độ cân bằng ce. Khi đó đối với mỗi phần tử có thể viết các phương trình sau: a. Phương trình trạng thái cân bằng Phương trình mô tả trạng thái cân bằng của mỗi phần tử thể hiện qua thể tích cân bằng Ve là hàm số phụ thuộc vào điều kiện thuỷ động lực học: 2 Ve = f(các thông số thuỷ động lực học) (1) b. Phương trình nồng độ cân bằng Nồng độ cân bằng cục bộ ce của mỗi phần tử phụ thuộc vào nồng độ cân bằng tổng thể cE, biến trạng thái V (thể tích khô hay ướt thực tế) và thể tích cân bằng Ve ce = cE Ve n (2) Với n là hằng số. c. Phương trình cân bằng vật chất trong pha lỏng Phương trình mô tả cân bằng vật chất trong mỗi phần tử: trao đổi bùn cát của một phần tử với các phần tử xung quanh cân bằng với trao đổi bùn cát giữa thể nước và đáy của phần tử đó: Ti = ws A(ce −c) (3) i Trong đó: Ti là các chuyển tải ra dọc theo các biên của phần tử, A là diện tích nằm ngang của phần tử, ws là vận tốc trao đổi giữa nước và đáy. d. Phương trình biến đổi hình thái Phương trình diễn tả sự thay đổi thể tích hình thái của một phần tử là do các nguyên nhân xói hay bồi ở đáy, nạo vét và hiện tượng thay đổi của mực nước biển bình quân: dt = ws A(ce −c)− I + A dt (4) Trong đó: I là lượng nạo vét hay lấp đổ (âm nếu nạo vét, dương nếu lấp đổ),  là mực nước biển. Chuyển tải trong phương trình (3) được xác định cho mỗi liên kết giữa các cặp phần tử. Nó bao gồm một phần khuyếch tán và một phần đối lưu nhờ dòng dư: T = (c1 −c2 )+Q 1 (c1 + c2 ) (5) Trong đó: T là chuyển tải từ phần tử 1 sang phần tử 2,  là hệ số trao đổi ngang giữa hai phần tử do phân tán, Q là lưu lượng dòng dư từ phần tử 1 sang phần tử 2. Tại biên hở chuyển tải được xác định bằng cách tương tự. Nồng độ bên ngoài vùng mô hình phải được cho như là điều kiện biên và nó thường được giả thiết là bằng với nồng độ cân bằng tổng thể. Tại biên kín chuyển tải bằng 0. 4. Ứng dụng mô hình cho cửa Thuận An BIỂN ĐÔNG BỜ BIỂN 2 BÃI BỒI TRIỀU RÚT BỜ BIỂN 1 3 Hình 1. Mô hình cửa Thuận An Với trường hợp của cửa Thuận An, mô hình được lựa chọn bao gồm 5 phần tử như sau: toàn bộ bãi bồi triều xuống (ebb delta); toàn bộ vùng bãi triều của đầm phá (tidal flats - phần đầm phá nằm trong khoảng dao động của thuỷ triều); toàn bộ thể tích lòng dẫn của đầm phá (tidal channel); bờ biển liền kề phía đông nam cửa; và một phần tử cho bờ biển cận kề ở phía tây bắc cửa. Giả thiết là trao đổi bùn cát chỉ xuất hiện giữa các phần: bãi triều và lòng dẫn trong đầm phá, giữa lòng dẫn trong đầm phá và bãi bồi triều xuống, giữa các phần bờ biển cận kề và bãi bồi triều xuống, và giữa các bờ biển và các biên liền đó. Sự trao đổi bùn cát với các vùng xung quanh bao gồm phần thềm lục địa ngoài khơi và các dải bờ biển ở xa hơn được giả thiết là không đóng vai trò gì trong các tương tác động lực học hình thái trong phạm vi được xem xét. Sơ đồ mô hình hoá của cửa Thuận An như trên Hình 1. Các biến trạng thái cho các phần tử của hệ thống được chọn như sau:  biến trạng thái của bãi bồi triều xuống là tổng thể tích của bãi Vd phía trên so với đáy biển tưởng tượng trong trường hợp không có cửa triều (thể tích cát);  biến trạng thái của bãi triều là tổng thể tích của bãi Vf giữa MLW và MHW (thể tích cát); với MLW là mực nước chân triều bình quân và MHW là mực nước đỉnh triều bình quân.  biến trạng thái của lòng dẫn là tổng thể tích của lòng dẫn dưới MLW Vc (thể tích nước);  biến trạng thái của hai phần tử bờ biển là thể tích dưới MSL và trên một đường đẳng sâu nhất định Vc1 và Vc2 (thể tích nước); với MSL là mực nước biển bình quân. Các thông số thuỷ động lực học để xác định trạng thái cân bằng được chọn là độ cao thuỷ triều (H) và lăng trụ triều (P), khi đó (1) trở thành: Ve = f(P,H) (6) 4 Nếu giả thiết kích thước của đầm phá được coi là đủ nhỏ so với chiều dài của sóng triều để sự biến đổi theo không gian của mực nước trong đầm phá được bỏ qua thì lăng trụ triều có thể xác định theo: P = H·Ab - Vf (7) với Ab là tổng diện tích của đầm phá. Khi đó các thể tích cân bằng của các phần tử được xác định như sau:  thể tích cân bằng của bãi triều giữa MLW và MHW (Eysink, 1990): Vfe = f Ab H (8)  thể tích cân bằng của phần lòng dẫn dưới MLW được sửa đổi từ quan hệ của Eysink (1991) với một lượng bổ sung của dòng chảy từ các sông thượng lưu đổ về Vinf vì lượng dòng chảy nhập lưu từ các sông cũng đóng góp cùng với thuỷ triều để duy trì cho lòng dẫn: Vce =c (P +Vinf 1.5 (9)  thể tích cân bằng của bãi bồi triều xuống (Walton và Adams, 1976; Biegel, 1993): 1.23 de d (10) Các hệ số f,c, d, và các nồng độ cân bằng cE cùng với số mũ n của các phần tử được coi như là các thông số của mô hình và được xác định thông qua quá trình hiệu chỉnh mô hình. Dựa vào các số liệu địa hình của đầm phá khảo sát năm 2000 và số liệu khảo sát địa hình của khu vực cửa Thuận An và vùng bờ biển lân cận do các cơ quan khác nhau thực hiện trong các năm 1977, 1999, 2000, 2001 và 2002 mô hình đã được hiệu chỉnh để xác định các thông số. Trong đó số liệu trước trận lũ lịch sử tháng 11 năm 1999 được dùng để xác định trạng thái cân bằng của các phần tử trong hệ thống. Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình, lưu lượng dòng chảy từ các sông thượng lưu được lấy bằng hằng số là giá trị dòng chảy năm bình quân. Kết quả diễn biến hình thái của các phần tử trong hệ thống trong trường hợp này được trình bày trong Hình 2. Trong trường hợp sử dụng phân bố lưu lượng dòng chảy bình quân tháng cho lượng nhập lưu ta có diễn biến hình thái thể hiện qua sự thay đổi thể tích theo thời gian của các phần tử như trong Hình 3. Qua Hình 2 và Hình 3 cho thấy rằng do hậu quả của trận lũ lịch sử năm 1999 cửa Thuận An bị đào sâu và mở rộng. Rất nhiều bùn cát đã được vận chuyển ra bãi bồi triều xuống. Bờ biển cả hai phía của cửa đều bị xói lở mạnh. Sau trận lũ điều kiện thuỷ động lực học bị chi phối chủ yếu bởi sóng có khuynh hướng xói dần bãi bồi triều xuống và bồi lấp cả lòng dẫn cửa lẫn 2 phía bờ biển. Thời gian phản ứng của hệ thống để trở lại trạng thái cân bằng ngắn hơn 10 năm là khá nhanh, tương ứng với sự xói mòn nhanh bãi bồi triều xuống và bồi lấp nhanh chóng lòng dẫn và bãi biển. Sự bồi tạo bãi biển diễn ra nhanh chóng hơn so với bồi lấp lòng dẫn cửa. Điều này xảy ra là do các bãi biển và bãi bồi triều xuống nằm ở phía ngoài hứng chịu trực tiếp tác động 5 ... - tailieumienphi.vn