Thạc Sĩ Nghiên cứu cơ sở động lực sóng,dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I-Tỉnh Quản

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NĂM 2014


Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
i
MỤC LỤC
10T 1. 10T 10T Tính cấp thiết của đề tài 10T . 1
10T 2. 10T 10T Mục đích nghiên cứu của đề tài 10T . 2
10T 3. 10T 10T Đối tượng nghiên cứu 10T 2
10T 4. 10T 10T Phương pháp nghiên cứu 10T . 2
10T 5. 10T 10T Cấu trúc của luận văn 10T 2
10T CHƯƠNG 1. 10T 10T TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CƠ CHẾ ĐỘNG LỰC SÓNG,
DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VEN BỜ 10T 3
10T 1.1 10T 10T Các nghiên cứu trên thế giới 10T 3
10T 1.2 10T 10T Các nghiên cứu trong nước 10T 6
10T CHƯƠNG 2. 10T 10T NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG CƠ CHẾ
ĐỘNG LỰC SÓNG, DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VEN BỜ 10T .11
10T 2.1 10T 10T Các mô hình tính toán thủy động lực 10T . 11
10T 2.1.1 10T 10T Giới thiệu chung 10T . 11
10T 2.1.2 10T 10T Một số mô hình tính toán thủy động lực cơ bản 10T . 13
10T 2.1.2.1 10T 10T Mô hình VRSAP 10T 13
10T 2.1.2.2 10T 10T Mô hình SMS . 10T 14
10T 2.1.2.3 10T 10T Mô hình M2D . 10T 15
10T 2.1.2.4 10T 10T Mô hình HEC – RAS . 10T 15
10T 2.1.2.5 10T 10T Mô hình MIKE . 10T 16
10T 2.1.2.6 10T 10T Mô hình Delft 3D . 10T 18
10T 2.1.2.7 10T 10T Mô hình ISIS . 10T 20
10T 2.2 10T 10T Mô hình MIKE 21 10T . 21
10T 2.2.1 10T 10T Giới thiệu tổng quan mô hình toán MIKE 21FM 10T . 21
10T 2.2.2 10T 10T Cơ sở lý thuyết mô hình toán MIKE 21FM 10T 22
10T 2.2.3 10T 10T Ưu điểm và ứng dụng mô hình toán 10T . 26
10T 2.2.3.1 10T 10T Ưu điểm của mô hình 10T 26
10T 2.2.3.2 10T 10T Ứng dụng 10T 27
10T CHƯƠNG 3. 10T 10T NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ ĐỘNG LỰC SÓNG, DÒNG CHẢY
KHU VỰC MŨI ĐỘC, TỈNH QUẢNG BÌNH 10T .28
10T 3.1 10T 10T Giới thiệu tổng quan về khu vực nghiên cứu 10T 28
10T 3.1.1 10T 10T Vị trí nghiên cứu 10T .29
10T 3.1.2 10T 10T Điều kiện khí tượng thủy văn 10T 29
10T 3.1.2.1 10T 10T Điều kiện khí hậu 10T 29
10T 3.1.2.2 10T 10T Chế độ gió, nước dâng cho bão 10T 30
10T 3.1.2.3 10T 10T Chế độ sóng 10T 31 Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
ii
10T 3.1.2.4 10T 10T Chế độ triều 10T 32
10T 3.2 10T 10T Ứng dụng mô hình MIKE 21FM 10T . 36
10T 3.2.1 10T 10T Thiết lập mô hình tính toán 10T 36
10T 3.2.1.1 10T 10T Số liệu địa hình 10T .36
10T 3.2.1.2 10T 10T Số liệu thủy triều, sóng 10T .36
10T 3.2.1.3 10T 10T Lựa chọn mô hình tính và thiết lập lưới tính 10T 37
10T 3.2.2 10T 10T Các phương án tính toán và kết quả tính toán từ mô hình 10T . 39
10T 3.2.3 10T 10T Tính toán chế độ thủy triều 10T . 39
10T 3.2.3.1 10T 10T Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình triều . 10T 39
10T 3.2.3.2 10T 10T Kết quả tính toán chế độ thủy triều 10T 42
10T 3.2.4 10T 10T Tính toán chế độ sóng 10T 49
10T 3.2.4.1 10T 10T Các kịch bản tính toán 10T 49
10T 3.2.4.2 10T 10T Kiểm định mô hình sóng 10T 50
10T 3.3 10T 10T Đề xuất giải pháp bố trí công trình cầu cảng 10T . 51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
10T 1. Những kết quả đạt được của luận văn 10T 53
10T 2. Những tồn tại 10T . 53
10T 3. Kiến nghị 10T 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO
CÁC PHỤ LỤC TÍNH TOÁN

Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
10TU Hình 3.1 Khu vực nghiên cứu xây dựng cảng nhập nguyên vật liệu phục vụ nhà
máy Nhiệt diện Quảng Trạch I U10T . 29
10TU Hình 3.2 Hàm tương quan mực nước giữa Mũi Độc (thực đo) và Cửa Gianh (dự
tính theo bảng thủy triều) từ 11h ngày 09/09/2009 đến 19 h ngày
11/09/2009. U10T . 34
10TU Hình 3.3 Suất đảm bảo mực nước F% tại Cửa Gianh (1990-2009). U10T 35
10TU Hình 3.4 Lưới tính và địa hình khu vực nghiên cứu. U10T . 38
10TU Hình 3.5 So sánh mực nước từng giờ giữa dự tính trong bảng thủy triều và mô
hình tính từ 5h ngày 10/01/2009 đến 5h ngày 15/01/2009 tại Cửa
Gianh. U10T 41
10TU Hình 3.6 So sánh mực nước từng giờ giữa dự tính trong bảng thủy triều và mô
hình tính từ 5h ngày 10/01/2009 đến 5h ngày 15/01/2009 tại Ròn. U10T . 41
10TU Hình 3.7 So sánh mực nước từng giờ giữa thực đo và mô hình tính từ 11h ngày
09/09/2009 đến 17h ngày 11/09/2009 tại Mũi Độc. U10T . 42
10TU Hình 3.8 Trường dòng triều lúc sườn triều lên tại khu vực Mũi Độc (PAt 1) U10T . 43
10TU Hình 3.9 Trường dòng triều lúc sườn triều xuống tại khu vực Mũi Độc(PAt 2). U10T 43
10TU Hình 3.10 Vị trí công trình Vị trí 1 (VT 1) U10T 44
10TU Hình 3.11 Vị trí công trình Vị trí 2 (VT2) U10T . 45
10TU Hình 3.12 Vị trí các điểm trích rút số liệu U10T . 45
10TU Hình 3.13 Trường dòng triều tại sườn triều lên PAt3 U10T 46
10TU Hình 3.14 Trường dòng triều tại sườn triều xuống PAt4 U10T . 46
10TU Hình 3.15 Trường dòng triều lúc sườn triều lên tại khu vực Mũi Độc phương án
PAt5. U10T . 47
10TU Hình 3.16 Trường dòng triều lúc sườn triều xuống tại khu vực Mũi Độc phương
án PAt 6. U10T . 47
10TU Hình 3.17 Hoa gió trạm Cồn Cỏ (1992-2001). U10T 50
10TU Hình 3.18 Kết quả tính sóng theo công thức thực nghiệm (mô hình Cress) U10T 51 Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
10TU Bảng 3.1 Bão và áp thấp xuất hiện từ 1992-2001 khu vực tính toán U10T . 30
10TU Bảng 3.2 Phân bố tần suất nước dâng ven bờ từ 17 UP
0
PU đến 18 UP
0
PU N. U10T 31
10TU Bảng 3.3 Giá trị mực nước đo đạc tại trạm Tân Mỹ, Quảng Phúc, Quảng Trạch,
Quảng Bình từ 1963 đến 1999. U10T . 32
10TU Bảng 3.4 Mực nước cực đại thủy triều (tại Tân Mỹ) và nước dâng do bão (khu
vực ven bờ Quảng Bình) với các chu kỳ lặp khác nhau. U10T . 33
10TU Bảng 3.5 Tần suất và suất bảo đảm mực nước tại Cửa Gianh theo chuỗi chu kỳ
19 năm (Hệ cao độ Quốc gia). U10T 35
10TU Bảng 3.6 Tần suất mực nước P% giờ tại Cửa Gianh (Hệ Hải đồ) và Mũi Độc
(tính qua hàm tương quan – hình 3.2). U10T . 36
10TU Bảng 3.7 Các phương án mô phỏng tính toán chế độ thủy triều U10T 39
10TU Bảng 3.8 Các phương án mô phỏng tính toán chế độ sóng U10T 39
10TU Bảng 3.9 Bảng tổng hợp vận tốc dòng triều lớn nhất trong một chu kỳ với các
phương án công trình khác nhau. U10T 48
10TU Bảng 3.10 Hoa gió trạm Cồn Cỏ (1992-2001). U10T 49 Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trước khi xây dựng bất kì công trình cảng nào ngoài biển người ta đều phải
nghiên cứu đến chế độ sóng, dòng chảy, vận chuyển bùn cát các yếu tố này ảnh
hưởng đến luồng lạch ra vào cảng, ảnh hưởng đến việc bồi lắng trước cửa và trong
cảng, ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy trong cảng, ảnh hưởng đến chiều cao sóng
phía trong cảng đặc biệt là trong điều kiện thời tiết bất lợi có sóng lớn. Việc tính
toán chế độ sóng từ ngoài khơi lan truyền vào trong cảng là yếu tố quan trọng nhất
vì nó sẽ quyết định đến việc xây dựng các đê chắn sóng phía ngoài sao cho hợp lý
nhất tức là sóng ngoài biển ảnh hưởng vào phía trong cảng là ít nhất. Để làm được
việc này ta cần tính toán mô phỏng với nhiều trường hợp cửa vào cảng khác nhau và
chế độ sóng khác nhau, đặc biệt quan tâm đến hướng sóng chính có chiều cao sóng
lớn thường xuyên tác dụng vào khu vực cảng. Từ trường sóng tính toán lan truyền
vào trong cảng, ta có thể biết được khu vực nào trong cảng chịu tác động của sóng
là lớn nhất để từ đó ta có các biện pháp bảo vệ cũng như gia cố khu vực này.
Vai trò quan trọng của hệ thống cảng biển đối với phát triển kinh tế nói
chung và phát triển công nghệ nói riêng là vô cùng to lớn nên trong 10 năm qua Nhà
nước đã tập trung vốn đầu tư cho một số cảng biển trọng điểm trên toàn quốc và đã
ban hành nhiều chính sách để thu hút nguồn vốn nước ngoài vào đầu tư xây dựng,
nâng cấp cảng biển nước ta. Khu vực cảng Hòn La (Quảng Bình) được quy hoạch
để xây dựng cầu cảng gần Mũi Độc với vai trò chung là phát triển kinh tế và mục
tiêu chủ đạo là phục vụ việc vận chuyển nguyên vật liệu cho sản xuất của nhà máy
nhiệt điện Quảng Trạch I. Với vai trò quan trọng như vậy nên việc xây dựng cảng
phải được tính toán kỹ lưỡng để làm việc an toàn, hợp lý về vị trí và kích thước cầu
cảng, hạn chế những ảnh hưởng của các điều kiện bất lợi do thiên nhiên (thủy triều,
sóng, v.v ); muốn vậy thì việc phân tích các quá trình động lực: triều, sóng, bùn
cát khu vực Mũi Độc phải được thực hiện tính toán cẩn thận và chính xác.
Do vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ chế động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây
dựng cảng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình” là cấp thiết và
có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn, phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế xã hội. Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
2

2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Xác lập được cơ sở khoa học về động lực sóng, dòng chảy xung quanh khu
vực nghiên cứu; từ đó đề xuất được các giải pháp hợp lý xây dựng cảng.
3. Đối tượng nghiên cứu
Động lực sóng, dòng chảy tại khu vực nghiên cứu xây dựng cầu cảng nhập
nguyên vật liệu phục vụ nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
trong điều kiện có và không có công trình cầu cảng.
4. Phương pháp nghiên cứu
ư Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, khảo sát bổ sung các số liệu địa
hình, thủy văn, dòng chảy, chế độ thủy triều .
ư Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có;
ư Ứng dụng mô hình toán (MIKE21 FM) để mô phỏng chế độ động lực
khu vực Mũi Độc, tỉnh Quảng Bình.
5. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn bao gồm các phần sau đây:
Phần mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài, mục đích, đối
tượng và phương pháp nghiên cứu.
Chương 1. Tổng quan nghiên cứu về cơ chế động lực sóng, dòng chảy vùng
biển ven bờ
Chương 2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động lực sóng, dòng chảy vùng biển
ven bờ
Chương 3. Nghiên cứu cơ chế động lực sóng, dòng chảy khu vực Mũi Độc,
Quảng Bình.
Kết luận và kiến nghị.
Tài liệu tham khảo
Phụ lục Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CƠ CHẾ ĐỘNG
LỰC SÓNG, DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VEN BỜ
1.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Các hoạt động của con người nói chung có tác động làm biến đổi nhất định
đến môi trường. Một điều dễ dàng nhận thấy rằng, các hoạt động của con người
mang những thay đổi có lợi đến môi trường trong nhiều trường hợp môi trường
đang phải chịu đựng bị tàn phá. Tuy nhiên, về mặt nào đó, con người cũng tổn hại
đến môi trường tự nhiên (French, 1997).
Vấn đề diễn biến và các yếu tố động lực vùng cửa sông, bờ biển đã được thế
giới quan tâm từ lâu, song những nghiên cứu có tính chất phương pháp luận đánh
giá chế độ động lực vùng cửa sông, bờ biển mới xuất hiện hơn 01 thế kỷ qua và chủ
yếu đi sâu đánh giá đặc điểm thủy, động lực vùng cửa sông, ven biển có xét đến
hoạt động của con người.
Những biện pháp chỉnh trị cửa sông bằng công trình hoặc kết hợp nạo vét với
công trình chỉnh trị mới xuất hiện giữa thế kỷ XIX. Phải đến đầu thế kỷ XX, một số
nước phát triển đã tiến hành việc nghiên cứu chỉnh trị cửa sông trên mô hình vật lý.
Escoffier(1940)(http://beach10.beaches.fsu.edu/Todd's%20Web%5CEscofCurve%5
CINLET%20STABILITY%20AND%20ESCOFFIER%20CURVES.htm) đã giới
thiệu một đường cong ổn định thuỷ lực, được gọi là biểu đồ Escoffier, trong đó vận
tốc dòng chảy lớn nhất được vẽ quan hệ với diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy.
Tiếp sau đó là một loạt các nghiên cứu sâu về phân loại cửa sông, nguyên nhân và
cơ chế gây bồi lấp các cửa sông. Tiêu biểu là các nghiên cứu về phân loại cửa và ổn
định cửa sông
củaHayes(1979);Niemeyer(1990)(http://users.coastal.ufl.edu/~arnoldo/ftp/pa
pers/valleetalestuaries2007reloncavi.pdf), các nghiên cứu về ổn định cửa bằng
phương pháp phân tích hệ thống của Escoffier (1940, 1977) của Kreeke (1990),
bằng các mô hình nhận thức của De Vriend (1994) cho tới các mô hình toán mô
phỏng hình thái theo không gian 3 chiều của De Vriend, Wang, (1995, 2004). Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
4
Gần đây, trên thế giới đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về động lực
bùn cát, sự di chuyển bùn cát lơ lửng và di đáy ở vùng cửa sông, đáng lưu ý là
Bijker E.W, Engelund & Fredsoe, Engelund & Hansen, Meyer Peter & MiFller,
Bogardi J.L, Coleman J.M, Graf W.H, V.N.Mikhalov. Nhiều nhà nghiên cứu đã đi
sâu phân loại cửa sông, có đề cập đến nguyên nhân hình thành như Vamodi V.A.
Bên cạnh đó, các thành tựu mới có được từ những nghiên cứu lý thuyết các quá
trình phát triển Delta và động lực ven bờ như Ven Techow, GA.Skrintunov,
V.N.Mikhalov, I.V.Popov . Tuy nhiên, đó là các phương pháp luận nên chưa làm
sáng tỏ cơ chế của quá trình hình thành mạng lưới sông gắn liền với quá trình hình
thành và phát triển Delta, do đó, việc áp dụng vào thực tiễn nghiên cứu, dự báo diễn
biến lòng dẫn vùng cửa sông còn nhiều hạn chế.
Cùng với nghiên cứu chế độ động lực và bùn cát, việc nghiên cứu diễn biến
cửa sông, bờ biển cũng được phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như Hà Lan, Mỹ,
Anh, Bỉ, Nhật Bản, Trung Quốc . trong đó, việc nghiên cứu, tính toán vận chuyển
bùn cát và biến động đường bờ đã được hoàn thiện ở mức độ cao.
Thực tế diễn biến bồi lấp và xói lở các cửa sông trên thế giới cho thấy hiện
tượng bồi, xói xảy ra có thể trong một khoảng thời gian ngắn như trong một cơn bão
Katrina (Mỹ) và cũng có thể xảy ra với chu kỳ dài tại Caliornia do hiện tượng El
Nino (http://oceanworld.tamu.edu/resources/oceanography-
book/coastalerosion.htm). Một số vùng ven bờ liên tục bị xói lở với cường độ lớn
như vùng Mississippi (Mỹ). Có những nơi như ở Ocean City (Mỹ) công trình kè
(groin) tuy giải quyết được việc ngăn chặn dòng bùn cát từ trái sang phải (cửa sông)
đã làm cho bãi (beach) bên trái phát triển nhưng làm cho bãi phía bên phải liên tục
bị xói mòn. Ở Mỹ đã có chương trình Quốc gia về cửa sông từ năm 1987 để phục
hồi và duy trì các cửa sông
(http://www.estuaries.gov/estuaries101/About/Default.aspx?ID=321),
chương trình cho đến nay đã phát huy hiệu quả rõ rệt.
Ở những nước phát triển, việc phòng tránh xói lở, bồi tụ cửa sông, bờ biển
chủ động hơn, nhiều giải pháp, nhiều công trình xây dựng đã tỏ ra có hiệu quả lớn.
Những năm gần đây, các công trình chỉnh trị sông, cửa sông và bờ biển được sử Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
5
dụng công nghệ mới, vật liệu mới như ở các nước Mỹ, Hà Lan, Trung Quốc, Nhật
Bản v.v có hiệu quả cao. Xu thế chính trong nghiên cứu diễn biến cửa sông, bờ
biển trên thế giới hiện nay là:
- Hiện đại hóa các phương tiện khảo sát nhằm thu được tài liệu đo đạc tin cậy
giúp cho việc cung cấp các tham số chính xác cho các mô hình toán học và việc
đánh giá hiện nay.
- Hoàn thiện việc mô tả toán học các quá trình và phương pháp giải tạo ra
phần mềm ứng dụng tiện ích.
Ví dụ như nhóm mô hình AMISTA, mô hình DELFT-2D Morphology, Delft
-3D của Viện nghiên cứu thủy lực Hà lan (WL_Delft-Hydraulic), nhóm mô hình
Mike của Viện nghiên cứu thủy lực Đan Mạch (DHI), mô hình TUFLOW (Trường
Đại học Queensland-Australia), nhóm mô hình SWTEAD, DynaLet (Hiệp hội Kỹ
thuật của Quân đội Mỹ -US Corp of Engineering). Các mô hình sau này đều được
tích hợp với công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS), cho phép biểu thị, mô phỏng
quá trình diễn biến các cửa sông trực quan và sinh động hơn.
- Tiến hành nghiên cứu hiện trường đồng thời với trong phòng thí nghiệm.
Các phương pháp chủ yếu trong nghiên cứu, tính toán diễn biến bờ biển, cửa
sông là:
- Phân tích, chỉnh lý số liệu thực đo.
- Giải đoán ảnh viễn thám.
- Ứng dụng các mô hình toán hiện đại.
- Nghiên cứu trên mô hình vật lý.
- Phương pháp đánh dấu bùn cát (Phương pháp phóng xạ hạt nhân, phương
pháp nhuộm cát).
Song song với việc nghiên cứu về diễn biến cửa sông, bờ biển, nhiều công
trình bờ biển, cửa sông cũng được xây dựng: biện pháp ổn định luồng tàu, chống
bồi lấp cửa sông thường được sử dụng hệ thống đê hướng dòng, ngăn cát, giảm
sóng. Ở Mỹ, trong 56 cửa sông có luồng tàu thì 31 cửa sông được xây dựng đê ngăn Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
6
cát, giảm sóng. Ở Nhật, 72 cửa sông trong số 139 cửa được xây dựng đê ngăn cát,
giảm sóng. Ngoài ra, có thể kể thêm những cửa sông lớn điển hình như sông
Missisippi (Mỹ), Sein (Pháp), Đu Nai (chảy qua 08 nước châu Âu đổ ra biển Đen),
sông Trường Giang (Trung Quốc). Việc ổn định luồng tàu cửa sông nhờ vào hệ
thống công trình đê ngăn cát, giảm sóng. Chức năng của đê ngăn cát, giảm sóng là:
ư Đưa dòng chảy sông tiếp tục theo đê, mang bùn cát đẩy ra vùng biển xa
hơn, để bar chắn cửa không ảnh hưởng đến luồng, lạch.
ư Ngăn chặn bùn cát dọc bờ.
ư Bảo đảm giữ ổn định cửa sông và luồng tàu.
Ngày nay do biến đổi khí hậu toàn cầu ngoài những hiệu ứng như mực nước
biển ngày càng dâng cao kéo theo những thay đổi về cơ chế động lực ven bờ và cửa
sông như sóng, dòng chảy, thiên tai như bão, lũ cũng đang ngày một gia tăng cả về
cường độ và tần số nên các hiện tượng xói lở và bồi lấp cũng xảy ra với các mức độ
phức tạp và mạnh mẽ khác nhau
10TU http://www.cababstractsplus.org/abstracts/Abstract.aspx?AcNo=2004308663
9 U10T ). Do vậy, những nghiên cứu tính toán hiện nay cho các công trình ven bờ và cửa
sông trên thê giới người ta đã tính đến các hiệu ứng trên.
Sông, cửa sông, biển, đại dương là những thủy vực phức tạp. Việc mô phỏng
các quá trình thủy động lực trong các vùng này gắn liền với việc giải các phương
trình đạo hàm riêng bằng kỹ thuật số. Các hệ phương trình thủy động lực lập nên
bài toán giá trị biên, và với kỹ thuật giải hệ phương trình trên bằng phương pháp số
ta nhận được trường phân bố các yếu tố thủy động lực theo không gian và thời gian.
1.2 Các nghiên cứu trong nước
Trong nghiên cứu diễn biến đường bờ cửa sông – ven biển, hiện tượng xói lở
và bồi tụ là 2 mặt của một vấn đề. Hiện tượng này là kết quả tương tác các quá trình
phức tạp giữa các yếu tố thủy thạch động lực do các tác động nội sinh, ngoại sinh và
nhân sinh. Đây là những quá trình thuộc loại phức tạp nhất mà cho đến nay vẫn
chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và thấu đáo như những nghành khoa học
chính xác khác. Những diễn biến bất lợi tại một đoạn bờ biển hay một cửa sông nào Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
7
đó (có thể do xói lở bờ biển hay bồi lấp các cửa sông hoặc luồng tàu) có thể là do
tác dụng tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng từ ngoại sinh, nội sinh hay nhân sinh và
nhiều khi rất khó có thể định lượng một cách chính xác.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nhất là lĩnh vực kỹ
thuật bờ biển mà các phương pháp nghiên cứu diễn biến đường bờ cửa sông hay ven
biển ngày càng được nâng cao về mức độ chính xác và bước đầu cho thấy tính khả
thi của nó trong việc dự báo diễn biến đường bờ, quy hoạch quản lý và khai thác
bền vững và phát triển các nguồn lợi ven bờ.
Bồi lấp cửa sông nói chung và luồng lạch vào các cảng đặt ở cửa sông nói
riêng là một qui luật tự nhiên khách quan của quá trình tương tác giữa các yếu tố
động lực sông, động lực biển với lòng dẫn thông qua quá trình vận chuyển bùn cát.
Trong đó các yếu tố động lực sông biển là nhân tố chủ động còn lòng dẫn là nhân tố
bị động. Vì thế rất khó giải quyết triệt để được hiện tượng bồi lấp luồng lạch mà chỉ
có thể cải tạo để giảm thiểu qúa trình trên. Bồi lấp luồng vào các cảng và cửa sông
là vấn đề luôn được quan tâm, đầu tư hàng đầu của Chính phủ và của các địa
phương có cảng. Quá trình bồi lấp diễn ra rất phức tạp, tác động tới hiệu quả kinh tế
của cảng và an toàn của tàu thuyền, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định dân sinh,
phát triển kinh tế và xã hội. Từ rất nhiều năm nay, các cơ quan nghiên cứu và nhiều
nhà khoa học đã tiến hành những nghiên cứu đặc điểm chế độ thuỷ, hải văn, thuỷ
lực và diễn biến bùn cát liên quan đến vấn đề bồi lấp luồng lạch vào các cảng lớn.
Từ các nghiên cứu trên đã đưa ra các phương án qui hoạch, biện pháp chỉnh trị với
mục đích bảo vệ và giảm thiểu khối lượng nạo vét duy tu luồng lạch hàng năm.
Song vì thiếu tài liệu cơ bản, kinh phí hạn chế và phải đương đầu với vấn đề rất
phức tạp nên kết quả nghiên cứu của các đề tài và dự án cũng còn hạn chế và các
nghiên cứu mới chỉ tập trung ở những cảng lớn như cảng Hải Phòng, cảng Sài gòn,
Cửa Định An v.v., còn các cửa sông khác chưa được nghiên cứu đánh giá đúng
mức.
Do sa bồi, luồng vào cảng Hải Phòng trước đây cho phép tàu trên vạn tấn cập
bến, nay chỉ là tàu 5-7 nghìn tấn, mặc dù khối lượng nạo vét tăng lên nhiều. Cảng
Cửa Lò bị sa bồi nghiêm trọng ngay sau khi xây dựng và tải trọng tàu cập cảng thấp Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
8
hơn nhiều so với dự kiến. Cảng Sài Gòn cũng đang phải đối mặt với những biến
động sa bồi phức tạp ở luồng cửa Soài Rạp. Sa bồi trưc tiếp tại cửa luồng vào như
Ngọc Hải, Diêm Điền ở phía Bắc. Ở nhiều cửa sông và cửa đầm phá miền Trung, sa
bồi gây lấp kín cửa với thời khoảng kéo dài có khi đến trên chục năm. Đó là các
trường hợp đối với cửa Tư Hiền ở đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (Thừa Thiên -
Huế), cửa sông Vệ, cửa Mỹ á (Quảng Ngãi), cửa sông Bàn Thạch và cửa đầm Ô
Loan (Phú Yên) v.v .Dọc bờ Việt Nam có tới 243 đoạn với chiều dài 469 km bờ
biển bị xói lở. Trong đó, có 96 đoạn dài trên 1 km và hơn 60 đoạn có tốc độ xói lở
10 - 39 m/năm (Đề tài KT.03.14). Xói lở có xu hướng dài lâu trên diện rộng gặp ở
hai vùng cửa sông hình phễu (châu thổ âm) Bạch Đằng và Đồng Nai.
Một số phương pháp nghiên cứu, tính toán diễn biến đường bờ đã và đang được
áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới cũng như Việt Nam hiện nay như:
1) Phương pháp điều tra khảo sát hiện trường
2) Phương pháp phân tích sử dụng công nghê viễn thám GIS
3) Phương pháp phóng xạ hạt nhân
4) Phương pháp mô hình vật lý
5) Phương pháp mô hình toán.
Thực tế cho thấy, cho dù sử dụng phương pháp nào cũng đều có yêu cầu số
liệu thực đo đủ nhiều và chất lượng tốt. Nhưng đây lại là vấn đề khó khăn của nước
ta trong điều kiện hiện nay khi mà ngân hàng cơ sở dữ liệu về bản đồ biển còn
nghèo nàn, chưa được hệ thống hóa, lại tồn tại rải rác, thuộc quyền sở hữu của nhiều
đơn vị, cá nhân. Tình hình trên sẽ được cải thiện dần dần và chúng ta phải chấp
nhận tiến hành mọi việc trong điều kiện có thể có được với những định hướng đúng
đắn.
Phương pháp nghiên cứu diễn biến đường bờ bằng kỹ thuật viễn thám nhờ sự
tổ hợp các tài liệu thủy triều và tư liệu viễn thám để xác định mực nước triều tại thời
điểm thu nhận ảnh. Kết hợp với tài liệu động lực bờ, việc xác định đường bờ từ tư
liệu viễn thám sẽ cho độ tin cậy cao. Nhờ có khả năng thu nhận nhanh các thông tin
từ ảnh vệ tinh, thu nhận lặp lại theo các chu kỳ khác nhau trên một phạm vi rộng Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
9
của ảnh viễn thám và việc cập nhật có hệ thống tài liệu bản đồ địa hình cũ của nhiều
thời kỳ đó là các lớp thông tin đa dạng về các đối tượng trong đó có các thông tin về
sự biến đổi đường bờ và đường bờ biển qua các thời kỳ là những cơ sở quan trọng
để đánh giá sự thay đổi của các cửa sông cửa biển.
Các mô hình vật lý mô phỏng các đường bờ tuy đòi hỏi kỹ thuật và trang bị
hiện đại nhưng có độ tin cậy cao. Là phương pháp xây dựng mô hình nguyên mẫu
ngoài thực tế cho công trình hoặc khu vực cửa sông theo tỷ lệ thu nhỏ thích hợp nào
đó. Các ngoại lực tác động được tạo ra trong phòng thí nghiệm với các tỷ lệ tương
ứng trong mô hình. Các kết quả thu được được ghi lại qua các thiết bị tự động và
lưu giữ để tính toán và phân tích sau này.
Phương pháp mô hình toán tuy còn những bất cập kể cả trên phạm vi thế
giới, nhưng nó đã chứng minh được tính hiệu quả của nó và càng có ý nghĩa lớn
trong điều kiện ở nước ta. Hiện nay nhờ sự phát triển vượt bậc về công nghệ tính
toán và cơ sở lý thuyết chuyển động bùn cát, việc tính toán biến đổi đường bờ, dịch
chuyển và bồi lấp luồng lạch được mô phỏng qua các công nghệ tính toán hiện đại.
Phương pháp này có ưu điểm cho ta tính toán nhiều kịch bản, thí nghiệm số trị
nhanh và giá thành rẻ hơn so với các phương pháp khác.
Bằng cách kết hợp các phương pháp nêu trên sẽ đưa ra được những thông tin
đầy đủ và có độ tin cậy cao trong quá trình đề xuất giải pháp công trình theo quy
trình cụ thể dưới đây:
ư Thu thập, chỉnh lý, phân tích các số liệu thực có.
ư Phân tích diễn biến hình thái và biến đổi đường bờ, dịch chuyển và bồi
lấp luồng lạch theo các mặt cắt ngang, dọc, mặt bằng theo không gian và thời
gian.
ư Phân tích sự biến đổi đường bờ, dịch chuyển luồng lạch theo không gian
và thời gian qua phân tích ảnh viễn thám.
ư Ứng dụng các công cụ phần mềm toán học mô phỏng và tính toán các
quá trình động lực và vận chuyển bùn cát khu vực, dự báo biến đổi đường bờ, Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
10
đề xuất phương án công trình và phi công trình. Mô hình toán phải được hiệu
chỉnh và kiểm định kỹ lưỡng.
ư Lựa chọn tỷ lệ thích hợp và vấn đề nghiên cứu trên mô hình vật lý trong
điều kiện cho phép.
Mô hình toán MIKE 21 đã có rất nhiều ứng dụng ở khắp nơi trên thế giới; ở
Việt Nam mô hình đã được TEDI &NEDECO áp dụng nghiên cứu sa bồi trên luồng
tàu vào cảng Cái Lân năm 1995. Những năm 1998 trở lại đây TEDI port đã áp dụng
để nghiên cứu một số công trình tiêu biểu sau:
ư Nghiên cứu chế độ thủy lực trên luồng của đoạn sông Bạch Đằng từ kênh
Đình Vũ đến kênh Tráp,1998.
ư Nghiên cứu và tính toán lan truyền sóng khu vực đảo Lý Sơn- Quảng
Ngãi để phục vụ nghiên cứu khu đậu tàu chống bão,1999.
ư Nghiên cứu mô hình dòng chảy, tính toán lan truyền sóng, tính toán vận
chuyển bùn cát trong nghiên cứu "Giảm thiểu sa bồi bể cảng Bình Trị".
ư Nghiên cứu chế độ thủy lực đoạn sông Hồng Hà Nội, trong nghiên cứu
"Qui hoạch và phát triển thành phố Hà Nội năm 2010",2000.
ư Nghiên cứu và tính toán lan truyền sóng để phục vụ nghiên cứu " Kè bờ
biển Nha Trang", 2002.
ư Nghiên cứu và tính toán lan truyền sóng để phục vụ nghiên cứu " Khu
neo đậu trú tránh bão tại Mũi Né", 2002.
ư Nghiên cứu và tính toán lan truyền sóng để phục vụ nghiên cứu " Xây
dựng kè chắn cát cảng Dung Quất", 2002.
ư Nghiên cứu lan truyền sóng phục vụ nghiên cứu: Khu đô thị mới Đà
Nẵng
ư Nghiên cứu lan truyền sóng phục vụ nghiên cứu: Xây dựng cảng
container Phú Long Vũng Tàu.
.Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
11
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG CƠ
CHẾ ĐỘNG LỰC SÓNG, DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VEN BỜ
2.1 Các mô hình tính toán thủy động lực
2.1.1 Giới thiệu chung
Các quá trình thủy động lực học trong biển như sóng, dòng chảy, nước
dâng . ảnh hưởng rất lớn tới đời sống con người, nhất là dân cư vùng ven biển.
Việc dự báo trước những biến động của các hiện tượng ấy có ý nghĩa rất quan trọng.
Nhờ sự phát triển của khoa học, ngày nay công việc nghiên cứu các hiện tượng thủy
động lực trở nên thuận lợi hơn thông qua việc sử dụng các mô hình mô phỏng.
Vai trò của mô hình trong nghiên cứu khoa học là vô cùng quan trọng, nó là
công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học ngày nay và ngày càng phát triển.
Trước đây, các nhà khoa học thường sử dụng các mô hình vật lý để tiến hành
các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng như trên hiện trường để nghiên cứu các
quy luật, mối quan hệ của đối tượng mà người ta quan tâm. Ngày nay, do sự phát
triển của công nghệ máy tính và công nghệ thông tin, mô hình số trị đã được sử
dụng rộng rãi.
Trên thế giới, có nhiều các mô hình số trị thủy động lực học có thể sử dụng
để mô phỏng các yếu tố động lực học trong đại dương và biển. Trong đó có thể kể
đến như mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), mô hình SMS, mô
hình DELFT của Hà Lan, mô hình POM của Đại học Priceton Hoa Kỳ .
Với mục đích nghiên cứu phát hiện các quy luật phân bố và biến động của
các quá trình thủy động lực biển tiến tới dự báo chúng, các nhà nghiên cứu biển
Việt Nam và quốc tế đã sử dụng phương pháp mô hình hóa đối với toàn biển hoặc
từng khu vực trên cơ sở sử dụng các nguồn số liệu đã thu thập được và các phương
pháp mô hình phân tích và mô phỏng ngày một hoàn thiện hơn.
Mô hình toán học là tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic
thể hiện các quan hệ giữa các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ
thống tự nhiên. Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
12
Có nhiều loại mô hình toán khác nhau:
ư Mô hình toán mô phỏng cơ chế chảy trong sông, biển.
ư Mô hình toán mô phỏng nước mặt.
ư Mô hình toán mô phỏng nước ngầm
ư Mô hình toán mô phỏng vận chuyển bùn cát
ư Mô hình toán mô phỏng chất lượng nước
ư Mô hình toán mô phỏng quản lý hệ thống lưu vực.
Mô hình toán cho phép mô phỏng các quá trình, hiện tượng thủy văn, sự vận
động rất phức tạp của nước tự nhiên dưới dạng các phương trình toán học, các mệnh
đề logic và giải chúng trên máy tính điện tử. Phương pháp này có nhiều khả năng
xem xét những diễn biến của hiện tượng thủy văn từ vi mô đến vĩ mô. Đây là một
trong những hướng nghiên cứu thủy văn hiện đại. Nó cho phép cung cấp những
thông tin cần thiết cho những đối tượng sử dụng nguồn nước khác nhau trong quy
hoạch, thiết kế và khai thác tối ưu tài nguyên nước.
Hiện nay, mô hình toán đang phát triển rất nhanh chóng vì một số ưu điểm
sau đây:
ư Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng với nhiều loại mô hình. Mô hình
toán rất phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn như quy hoạch thoát lũ
cho lưu vực sông, hệ thống sông, điều hành hệ thống công trình thủy lợi, quản
lý khai thác nguồn nước lưu vực sông.
ư Ứng dụng mô hình toán với chi phí thấp hơn và cho kết quả nhanh hơn
so với mô hình vật lý.
ư Việc thay đổi phương án trong mô hình toán thực hiện rất nhanh.
Hiện nay, trên thế giới đã có những mô hình và phần mềm khá mạnh có thể
ứng dụng rất tốt để tính toán diễn biến lòng dẫn cho vùng cửa sông, ven biển ảnh
hưởng sóng, triều, dòng chảy ven bờ, như mô hình DELFT – 3D của Trường Đại
học công nghệ Delft (Hà Lan), MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch DHI Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
13
Ở Việt Nam, ứng dụng phương pháp mô hình toán vào nghiên cứu, tính toán
thủy văn bắt đầu vào cuối những năm 60 của thế kỷ trước. Qua việc Ủy ban sông
Mekong ứng dụng mô hình SSARR (Rokwwood D.M Vol.1 - 1968) của Mỹ, mô
hình DELTA của Pháp (Ban thư ký sông Mekong 1980) và mô hình tính toán triều
vào tính toán, dự báo dòng chảy sông Mekong.
Từ năm 1975, đất nước thống nhất, phương pháp mô hình toán càng thực sự
trở thành công cụ quan trọng trong tính toán, dự báo thủy văn nước ta. Ngoài các
mô hình trên, một số mô hình khác như mô hình TANK của Nhật Bản, mô hình
ARIMA, mô hình toán thủy lực thông dụng (VRSAP, HEC – RAS, MIKE ) được
ứng dụng nhiều trong nghiên cứu và tính toán thiết kế công trình.
2.1.2 Một số mô hình tính toán thủy động lực cơ bản
2.1.2.1 Mô hình VRSAP
Mô hình VRSAP do cố Phó giáo sư Anh hùng lao động Nguyễn Như Khuê
và nhóm mô hình của Phân viện Khảo sát Quy hoạch thủy lợi Nam Bộ xây dựng.
Đây là mô hình thủy động lực học tiêu biểu của Việt Nam đã được ứng dụng rộng
rãi và thành công trong nước. VRSAP là mô hình toán thủy lực cho dòng chảy một
chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác. Dòng
chảy trong các đoạn sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint – Venant đầy đủ.
Các khu chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông qua cống điều tiết.
Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô đồng ruộng thành hai loại chính. Loại
kín trao đổi nước với sông qua cống điều tiết. Loại hở trao đổi nước với sông qua
tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông như các khu chứa thông thường. Mô hình
VRSAP có chương trình nguồn, có thể chủ động sửa chữa, thay đổi. VRSAP liên
tục được cập nhật nhiều chức năng mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người
sử dụng như chạy trong môi trường Windows, kết nối với GIS .
Các số liệu đầu vào bao gồm:
ư Sơ đồ hệ thống sông và ruộng.
ư Hình dạng mặt cắt và đặc trưng thủy lực của lòng sông. Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Xây dựng công trình thủy
Nghiên cứu cơ sở động lực sóng, dòng chảy phục vụ xây dựng nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I – Tỉnh Quảng Bình
14
ư Một số đặc trưng hình học của ruộng.
ư Các biên lưu lượng, biên mực nước, biên độ mặn.
ư Lượng mưa rơi trên mặt ruộng.
Kết quả tính toán bao gồm:
ư Quá trình mực nước và lưu lượng tại các vị trí khác nhau trên sông.
ư Diễn biến của mực nước trên các khu ruộng.
ư Lượng nước trao đổi giữa sông và ruộng
ư Quá trình biến đổi độ mặn tại các vị trí khác nhau trên sông.
2.1.2.2 Mô hình SMS
Phần mềm SMS được một số cơ quan Mỹ xây dựng: Trung tâm Nghiên cứu
và Phát triển Công trình thuộc quân đội Mỹ; Phòng Nghiên cứu Đường thủy và
Phòng nghiên cứu thủy động lực. Phần mềm có thể tính toán dòng chảy một chiều,
hai chiều và ba chiều ổn định và không ổn định. SMS được áp dụng rộng rãi trên
khắp thế giới với các modun khác nhau:
ư Modun RMA2, HIVEL2D và FLO2DH dùng để tính toán dòng chảy hai
chiều cho các khu vực trong sông và vùng cửa sông.
ư Modun RMA10 và CH3D dùng để tính toán dòng chảy ba chiều cho các
khu vực trong sông và cửa sông;
ư Modun ADCIRC và M2D dùng để tính toán dòng chảy trong các biển và
đại dương;
ư Modun CGWAVE và BOUS2D dùng để tính toán sóng ổn định;
ư Modun STWAVE dùng để tính toán sóng không ổn định;
ư Modun RMA4 và SED2D – WES dùng để tính toán lan truyền chất ô
nhiễm và vận chuyển trầm tích;
ư Modun HEC – RAS dùng để tính toán dòng chảy một chiều trong sông
và trong kênh hở.