- Trang Chủ
- Môi trường
- Nghiên cứu trường dòng chảy rối có cấu trúc trong hệ sinh thái thảm thực vật
Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
NGHIÊN CỨU TRƯỜNG DÒNG CHẢY RỐI CÓ CẤU TRÚC
TRONG HỆ SINH THÁI THẢM THỰC VẬT
Trương Hồng Sơn1, Phan Khánh Linh1
1
Trường Đại học Thủy lợi, email: truonghongson@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG độ thủy động lực học ở khu vực ven rìa hệ
sinh thái, hình thành bởi sự tương tác giữa
Trong những năm gần đây, giá trị và vai
sóng và dòng chảy với cây cối (Trương và
trò của hệ sinh thái rừng, cây cối và thảm
cộng sự, 2019). Hiểu được trường dòng chảy
thực vật (gọi tắt là hệ sinh thái thảm thực vật)
ở khu vực rìa hệ sinh thái là một trong những
ở khu vực sông, cửa sông và bờ biển trong
yếu tố tiên quyết để có thể đề xuất các giải
công tác phòng chống xói lở và biến đổi khí
pháp bảo vệ tổ hợp rừng và bờ một cách hợp
hậu đã được nhận ra và quan tâm (Trương và
lý. Trong bối cảnh này, rất nhiều nghiên cứu
cộng sự, 2019; Linh và cộng sự, 2019; Nepf,
đã tập trung phân tích trường dòng chảy
2012). Từ góc nhìn thủy động lực học, hệ
trong sông, kênh với sự có mặt của hệ sinh
thống rễ, lá và tán lá của các thảm thực vật có
thái thảm thực vật (Trương và cộng sự, 2019;
tác dụng cản trở, làm chậm và chuyển hướng
Nepf, 2012). Các kết quả nghiên cứu đều
dòng chảy, qua đó có khả năng hấp thụ năng
thống nhất về sự tồn tại của một trường dòng
lượng dòng chảy, năng lượng sóng, bão và
chảy rối có cấu trúc hai chiều hình thành và
sóng thần (Alongi, 2008). Sự có mặt của hệ
phát triển ở khu vực ven thảm thực vật, là
thảm thực vật kích thích quá trình trao đổi
khu vực chuyển đổi giữa vùng dòng chảy
động lượng và khối lượng, tạo điều kiện
không bị giới hạn và vùng dòng chảy chịu
thuận lợi cho bùn cát được khoắng động và
lực cản của cây cối. Trong bài báo này,
vận chuyển về phía thảm thực vật. Do đó,
những kết quả nghiên cứu thí nghiệm mới
khu vực bờ sông, bờ biển phía sau thảm thực
nhất của nhóm tác giả liên quan đến dạng
vật được che chắn, bảo vệ có khả năng ổn
dòng chảy rối có tính cấu trúc này, cũng như
định cao hơn so với các vùng không được
khả năng mô phỏng chúng sẽ được giới thiệu.
che phủ bởi cây cối trong những điều kiện tự
Nghiên cứu thí nghiệm này được thực hiện
nhiên, thiên tai bất lợi (Trương và Wim.,
năm 2018 tại phòng thí nghiệm thủy lực môi
2019). Hiện nay, việc sử dụng các biện pháp
trường của trường đại học TU Delft, Hà Lan
công trình và phi công trình có tính thân thiện
trong khuôn khổ dự án nghiên cứu các biện
với môi trường sinh thái để phòng chống xói
pháp bảo vệ bờ thân thiện với môi trường.
lở, chỉnh trị và chống thiên tai đã và đang trở
thành xu hướng chung trong công tác xây 2. THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH
dựng thủy lợi trong nước cũng như trên thế
giới (Trương và Wim, 2019). Về mặt lý Để nghiên cứu trường dòng chảy rối có
thuyết, để thiết kế và áp dụng được các cấu trúc hai chiều, có kích thước lớn, mô
phương pháp thân thiện với môi trường được hình vật lý mô phỏng kênh dẫn có hệ sinh thái
hiệu quả, điểm mấu chốt là phải nắm được cơ thảm thực vật phát triển trên bãi bồi được xây
chế trao đổi động lượng và vận chuyển bùn dựng trong phòng thí nghiệm (Hình 1). Hệ
cát giữa hệ sinh thái thảm thực vật với môi sinh thái thảm thực vật được mô phỏng bởi hệ
trường xung quanh. Những quá trình trao đổi hơn 2000 cọc gỗ có đường kính 10 mm, cắm
và vận chuyển này được quyết định bởi chế sole, cách nhau khoảng cách s = 6 cm. Vận
187
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
tốc dòng chảy tại các chất điểm được đo bằng từ kết quả phân tích PIV ở hai thời điểm khác
thiết bị đo đạc vận tốc dòng chảy ADV với nhau, cách nhau 4 giây. Kết quả chỉ ra rằng ở
tần số 25 HZ. Thời gian đo tại mỗi điểm là 10 khu vực ven hệ sinh thái thảm thực vật, trong
phút. Bên cạnh đó, trường dòng chảy trong vùng chuyển đổi từ khu vực dòng chảy tự do
mô hình vật lý được thu và tính toán bằng sang khu vực dòng chảy bị giới hạn bởi sự
phương pháp LSPIV. Trong đó hệ thống xuất hiện của cây cối, vận tốc của dòng chảy
camera chuyên dụng được sử dụng với tần số có sự dao động mạnh mẽ, cả về độ lớn và về
10 HZ (mỗi giây ghi nhận 10 hình ảnh) được phương chiều.
sử dụng để chụp lại sự dịch chuyển của hơn
10000 hạt nhựa nhỏ, có đường kính 2 - 2.5 mm
được thả đều và liên tục ở thượng lưu của mô
hình. Trường hợp thí nghiệm được giới thiệu
trong bài báo này có các thông số đặc trưng
như sau: lưu lượng dòng chảy Q = 45ls-1; mực
nước trong mô hình H = 12 cm; mật độ của hệ
sinh thái thảm thực vật là 0.01; ma sát đáy
trung bình của máng thí nghiệm là 0.0027.
Hình 2. Kết quả trường dòng chảy
Hình 1. Mô hình thí nghiệm vật lý xung quanh khu vực thảm thực vật
nghiên cứu trường dòng chảy trong sông, có độ rỗng 0.01
kênh có bãi bồi và sự có mặt Kết quả của sự dao động này là sự xuất
của hệ sinh thái thảm thực vật hiện của những cấu trúc dòng chảy dạng
Bên cạnh mô hình vật lý, mô hình số mô xoáy, có kích thước lớn, với chiều dài hơn
phỏng thí nghiệm vật lý được xây dựng. Các một mét và chiều rộng hơn nửa mét (chiều
thông số đầu vào của mô hình số được khai dài và chiều rộng lớn hơn nhiều so với độ sâu
báo dựa trên kết quả đo đạc của mô hình vật dòng chảy nên được coi là cấu trúc hai
lý. Mắt lưới nhỏ nhất của mô hình số có kích chiều). Kết quả cũng cho thấy sau bốn giây,
thước 1 cm 1cm; mô hình có hơn 15000 ô cấu trúc xoáy này di chuyển được khoảng
lưới với bước thời gian chạy là 0.0005 giây. 0.4 m. Tức là vận tốc của cấu trúc này là
Thời gian để mô phỏng 30 phút thí nghiệm là khoảng 0.1 m mỗi giây. Hình 3 minh họa kết
khoảng 48 giờ. quả trường dòng chảy tính toán bởi mô hình
số, thể hiện bằng các đường dòng tức thời
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU (đường nét đứt màu đen) và sự hiện diện của
cấu trúc xoáy 2 chiều có kích thước lớn được
Trong mục này của bài báo, kết quả trường quan sát thấy qua kết quả của trường xoáy
dòng chảy quanh khu vực cây và sự xuất hiện (phổ màu). Kết quả mô phỏng cho thấy về
của cấu trúc dòng chảy hai chiều ở khu vực mặt định tính, mô hình số có khả năng mô
ven thảm thực vật, trích xuất từ mô hình vật phỏng được sự hiện diện của cấu trúc dòng
lý và mô hình số sẽ được giới thiệu. Hình 2 chảy xoáy ven hệ sinh thái thảm thực vật.
cho thấy kết quả của trường dòng chảy quanh Tuy nhiên vị trí, độ lớn và kích thước cũng
khu vực hệ sinh thái thảm thực vật thu được như mức độ xâm nhập của cấu trúc vào thảm
188
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
thực vật trích xuất từ mô hình nhỏ hơn nhiều dụng được những giải pháp thân thiện môi
so với kết quả của mô hình vật lý. trường có hiệu quả cao để ổn định đường bờ
đồng thời đảm bảo hệ sinh thái phát triển bền
vững. Sự xuất hiện của cấu trúc dòng chảy
xoáy hai chiều có kích thước lớn (kích thước
theo chiều dài và chiều rộng lớn hơn nhiều
lần so với độ sâu dòng chảy) được quan sát
và tái hiện qua thí nghiệm mô hình vật lý và
mô hình số. Cấu trúc xoáy này hình thành và
di chuyển dọc theo rìa của hệ sinh thái thảm
thực vật. Sự xuất hiện và dịch chuyển của nó
Hình 3. Kết quả mô phỏng trường tạo ra các dòng chảy mạnh hướng vào và rút
dòng chảy, hệ đường dòng tính toán ra khỏi rừng, qua đó tạo điều kiện cho các hạt
và trích xuất từ mô hình số bùn cát và khoáng chất, dinh dưỡng có cơ hội
Sự hình thành của trường dòng xoáy lớn được lưu thông trao đổi. Hướng nghiên cứu
hai chiều này là kết quả của chênh lệch vận sắp tới sẽ là tính toán các tham số để các mô
tốc dòng chảy giữa vùng thảm thực vật (mô hình RANs có khả năng mô phỏng hiện
phỏng bởi hệ thống cọc gỗ) với môi trường thượng xoáy này được chính xác hơn, cũng
xung quanh. Theo định luật Bernoulli, chênh như sử dụng các mô hình học máy để tái hiện
lệch vận tốc dòng chảy giữa hai vùng kích và phỏng đoán thêm các đặc trưng của cơ chế
hoạt sự mất ổn định của ứng suất cắt trong dòng chảy này.
dòng chảy ở khu vực rìa rừng. Sự mất ổn
định của ứng suất cắt trong dòng chảy này 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
được gọi là sự mất ổn định Kelvin-Helmholtz [1] Alongi, D. M. (2008). Mangrove forests:
(K-H). Đây là nguyên nhân tạo ra một cấu Resilience, protection from tsunamis, and
trúc dòng chảy nội sinh có cấu trúc, hình responses to global climate change.
thành và phát triển trong vùng chuyển tiếp Estuarine, Coastal and Shelf Science,
dọc theo rìa thảm thực vật (Trương và 76(1): 1 –13.
Uijttewaal., 2019). Sự hình thành của trường [2] Mazda, Y., Kanazawa, N., and Wolanski,
dòng xoáy này cũng được ghi nhận trong E. (1995). Tidal asymmetry in mangrove
creeks. Hydrobiologia, 295(1-3): 51-58.
trường hợp lòng dẫn bằng phẳng với thảm
[3] Nepf, H. M. (2012). Hydrodynamics of
thực vật phát triển phân bố phát triển một bên vegetated channels. Journal of Hydraulic
(Nepf, 2012), nhưng độ lớn cũng như biểu Research, 50(3):262–279.
hiện của chúng không rõ ràng như trong [4] Phan, L. K., Stive, M. J. F., Zijlema, M.,
trường hợp thảm thực vật phát triển trên bãi Truong, H. S., and Aarninkhof, S. G. J.
bồi (Trương và cộng sự, 2019). Trong trường (2019). The effect of wave non-linearity on
hợp cây thực vật có độ dẻo (không cứng như wave attenuation by vegetation. Coastal
cọc trong thí nghiệm) thì mức độ biểu hiện Engineering. 147: 63-74.
của trường dòng xoáy có thể tăng hoặc giảm [5] Truong, S. H., Uijttewaal, W. S. J., and Stive,
tùy thuộc vào mức độ dẻo của cây. M. J. F. (2019). Exchange processes induced
by large horizontal coherent structures in
4. KẾT LUẬN floodplain vegetated channels. Water
Resources Research, 55(3): 2014-2032.
Hiểu được trường dòng chảy quanh khu [6] Truong, S. H., and Uijttewaal, W. S. J.
vực sinh thái thảm thực vật đóng vai trò quan (2019). Transverse momentum exchange
trọng trong việc hiểu được các quá trình trao induced by large coherent structures in a
đổi động lượng và khối lượng diễn ra trong vegetated compound channel. Water
rừng và ven rừng, từ đó có thể thiết kế và áp Resources Research, 55(1): 589-612.
189
nguon tai.lieu . vn
