Luận văn Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình delft3d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN \\oF Go^^ VŨ DUY VĨNH NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG BẰNG MÔ HÌNH DELFT3D LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN \\oF Go^^ VŨ DUY VĨNH NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG BẰNG MÔ HÌNH DELFT3D Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. ĐINH VĂN ƯU Hà Nội – 2012 Lời cảm ơn Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài luận văn tốt nghiệp lớp cao học chuyên ngành Hải Dương học, khóa 2010-2012 tại khoa Khí tượng, Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Trong quá trình tham gia khóa học, học viên đã nhận được sự chỉ dạy tận tình của các thầy trong Bộ môn Hải dương học cho các môn học chuyên ngành. Học viên xin trân trọng cảm ơn các Thầy về những kiến thức đã được truyền thụ thông qua các môn học. Luận văn này được thực hiện từ tháng 1-2012 đến tháng 12 năm 2012, trong quá trình nghiên cứu để đi đến những kết quả trong luận văn này, tác giả luôn nhận được sự hướng dẫn rất tận tình, những gợi ý, chỉ dẫn và khích lệ quý báu của GS. TS. Đinh Văn Ưu (Khoa KTTV và HDH, Đại học KHTN), tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Ưu về những hỗ trợ đó. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn TS. Sylvain Ouillon (IRD tại Việt Nam) người đã luôn dành thời gian giải đáp, thảo luận một số vấn đề học viên khúc mắc liên quan đến ứng dụng mô hình trong quá trình thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Thọ Sáo người đã tận tình giải đáp một số vấn đề học viên chưa hoàn toàn hiểu biết được trong quá trình thực hiện đề tài luận văn. Trong quá trình hoàn thành luận văn này, tác giả cũng đã được tham gia và nhận được những hỗ trợ hết sức quý báu và cần thiết từ đề tài QGTĐ 04-11, tác giả xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài QGTĐ 04-11 về những hỗ trợ đó. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô khác trong bộ môn Hải dương học, Văn phòng khoa KTTV và HDH, lãnh đạo Viện Tài nguyên và Môi trường biển, các bạn đồng nghiệp đã quan tâm động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất để học viên hoàn thành nhiệm vụ của mình. Hải Phòng, ngày 31 tháng 12 năm 2012 Học viên Vũ Duy Vĩnh Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d iii Môc Lôc DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................v DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................................vi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU .................3 1.1. Tình hình nghiên cứu............................................................................................3 1.1.1. Nghiên cứu ngoài nước ..................................................................................3 1.1.2. Nghiên cứu trong nước ..................................................................................6 1.2. Điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu .........................................................9 1.2.1. Vị trí địa lý và địa hình ..................................................................................9 1.2.2. Chế độ gió ....................................................................................................10 1.2.3. Đặc điểm thủy văn .......................................................................................11 1.2.4. Đặc điểm hải văn..........................................................................................12 1.2.5. Đặc điểm trầm tích .......................................................................................14 CHƯƠNG 2. TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ............................................................16 2.1. Tài liệu ................................................................................................................16 2.2. Phương pháp .......................................................................................................19 2.2.1. Xử lý số liệu .................................................................................................19 2.2.2. Mô hình toán học .........................................................................................23 2.2.3. Thiết lập mô hình .........................................................................................38 2.2.4. Hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả của mô hình..........................................44 2.2.5. Các kịch bản tính toán..................................................................................50 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................52 3. 1. Thủy động lực ....................................................................................................52 3.1.1. Biến động theo không gian ..........................................................................52 Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d iv 3.1.2. Biến động theo thời gian ..............................................................................59 3. 2. Vận chuyển trầm tích lơ lửng ............................................................................69 3.2.1. Theo không gian...........................................................................................69 3.2.2. Biến động theo thời gian ..............................................................................74 3.2.3. Tác động của một số yếu tố .........................................................................83 KẾT LUẬN ...................................................................................................................88 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................91 PHỤ LỤC ......................................................................................................................97 Phụ lục A. Một số kết quả tính trường hợp hiện tại................................................ A-1 Phụ lục B. Ảnh hưởng của dao động mực nước ......................................................B-1 Phụ lục C. Ảnh hưởng của gió.................................................................................C-1 Phụ lục D. Ảnh hưởng của sóng và gió .................................................................. D-1 Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d v DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Tần suất vận tốc gió và các hướng trung bình năm tại Hòn Dáu (1960-2011).......10 Bảng 1. 2. Tần suất độ cao sóng và các hướng tại Hòn Dáu (1970-2011) ..............................13 Bảng 2. 1. Tóm tắt các thông số của mô hình cho hiện tại (kịch bản 1-2) ...............................50 Bảng 2. 2. Các kịch bản tính toán khác nhau của mô hình.......................................................51 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Vùng cửa sông ven biển Hải Phòng và khu vực nghiên cứu...................................................9 Hình 2. 1. Địa hình vùng cửa sông ven biển Hải Phòng số hóa từ bản đồ .............................................16 Hình 2. 2. Biến đổi vận tốc và hướng gió tại Hòn Dáu trong năm 2009................................................17 Hình 2. 3. Tương quan lưu lượng nước tại một số sông trong khu vực nghiên cứu ..............................20 Hình 2. 4. Tương quan lưu lượng nước tại vị trí khảo sát và quan trắc định kỳ ....................................21 Hình 2. 5. Lưu lượng nước trung bình giờ tại các sông chính khu vực Hải Phòng................................22 Hình 2. 6. Lưới tính của mô hình cho vùng cửa sông ven biển Hải Phòng và vùng ngoài ....................23 Hình 2. 7. Tương tác sóng- dòng chảy và vận chuyển trầm tích trong mô hình Delft3d .......................24 Hình 2. 8. Lưới tính và lưới độ sâu của mô hình thủy động lực ............................................................39 Hình 2. 9. Ví dụ điều kiện ban đầu cho kịch bản tính mùa khô .............................................................40 Hình 2. 10. Ví dụ điều kiện ban đầu cho kịch bản tính mùa mưa ..........................................................41 Hình 2. 11. Hàm lượng TTLL tại biên sông Cấm và Văn Úc ................................................................42 Hình 2. 12. Hệ số Manning (m-1/3s) cho các điểm trong miền tính của mô hình .................................43 Hình 2. 13. Vị trí các điểm hiệu chỉnh và trích xuất kết quả tính của mô hình......................................45 Hình 2. 14. So sánh số liệu đo đạc mực nước và tính toán từ mô hình tại Hòn Dáu .............................46 Hình 2. 15. So sánh kết quả quan trắc dòng chảy và tính toán từ mô hình tại trạm B2 .........................47 Hình 2. 16. So sánh kết quả quan trắc dòng chảy và tính toán từ mô hình tại trạm Do Son..................48 Hình 2. 17. So sánh kết quả quan trắc hàm lượng TTLL và tính toán từ mô hình.................................49 Hình 3. 1. Trường dòng chảy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng giữa pha triều lên – mùa khô..........55 Hình 3. 2. Trường dòng chảy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng giữa pha triều xuống – mùa khô.....56 Hình 3. 3. Trường dòng chảy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng giữa pha triều lên – mùa mưa.........57 Hình 3. 4. Trường dòng chảy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng giữa pha triều xuống – mùa mưa....58 Hình 3. 5 . Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước khu vực phía trong cửa Nam Triệu (H1).........60 Hình 3. 6. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước khu vực phía tây đảo Cát Hải (H2) ..................61 Hình 3. 7. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước khu vực phía tây nam đảo Cát Hải (H3) ..........62 Hình 3. 8. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước khu vực phía nam đảo Cát Hải (H4) ................63 Hình 3. 9. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước khu vực phía ngoài cửa Lạch Huyện (H5) .......64 Hình 3. 10. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước khu vực phía tây nam Cát Bà (H6) ................65 Hình 3. 11. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước khu vực phía nam Cát Hải (H7) .....................66 Hình 3. 12. Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước khu vực ven bờ Đồ Sơn (H8) .........................67 Hình 3. 13. Phân bố TTLL vùng cửa sông ven biển Hải Phòng mùa khô trong kỳ triều cường............72 Hình 3. 14. Phân bố TTLL vùng cửa sông ven biển Hải Phòng trong kỳ triều cường – mùa mưa........73 Hình 3. 15. Biến động hàm lượng TTLL và mực nước khu vực phía trong cửa Nam Triệu (H1).........75 Hình 3. 16. Biến động hàm lượng TTLL và mực nước khu vực phía tây đảo Cát Hải (H2) .................76 Hình 3. 17. Biến động hàm lượng TTLL và mực nước khu vực phía tây nam đảo Cát Hải (H3) .........77 Hình 3. 18. Biến động hàm lượng TTLL và mực nước khu vực phía nam đảo Cát Hải (H4) ...............78 Hình 3. 19. Biến động hàm lượng TTLL và mực nước khu vực phía ngoài cửa Lạch Huyện (H5) ......79 Hình 3. 20. Biến động hàm lượng TTLL và mực nước khu vực phía tây nam Cát Bà (H6)..................80 Hình 3. 21. Biến động hàm lượng TTLL và mực nước khu vực phía nam Cát Hải (H7) ......................81 Hình 3. 22. Biến động hàm lượng TTLL và mực nước khu vực ven bờ Đồ Sơn (H8) ..........................82 Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DĐMN: Dao động mực nước ĐHKHTN: Đại học Khoa học Tự nhiên E: East (hướng đông) HDH: Hải dương học KHTN: Khoa học tự nhiên KTTV: Khí tượng thủy văn NE: NorthEast (hướng đông bắc) nnk: những người khác MT: Môi trường SE: SouthEast (hướng đông nam) S: South (hướng nam) TTLL: Trầm tích lơ lửng TĐL: Thủy động lực Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d 1 MỞ ĐẦU Vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có chế độ động lực phức tạp với sự tác động và ảnh hưởng của các yếu tố như sóng, dòng chảy, thủy triều và dòng nước ngọt từ sông đưa ra. Khu vực này cũng có hệ thống cảng biển quan trọng, đầu mối ra biển của các tỉnh phía bắc. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau mà xu hướng bồi lắng ở khu vực cảng Hải Phòng luôn diễn ra mạnh mẽ, các tàu hàng lớn thường rất khó vào cảng chính mà phải chờ đến thời gian nước lớn mới có thể vào hoặc ra khỏi cảng. Cũng ở khu vực này, bãi biển Đồ Sơn là bãi tắm khá nổi tiếng được phát hiện từ thời Pháp. Đây là bãi tắm đẹp, sơn thủy hữu tình và có đường giao thông thuận lợi đi Hà Nội và các tỉnh phía bắc. Chính vì vậy bãi biển Đồ Sơn có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với ngành du lịch nói riêng và sự phát triển kinh tế xã hội của thành phố Hải Phòng nói chung. Tuy nhiên vấn đề đục nước ở bãi biển Đồ Sơn đã làm giảm sức hấp dẫn của khu du lịch này. Mặc dù đã có một số nghiên cứu để tìm ra nguyên nhân của hiện tượng này nhưng các kết quả nghiên cứu đó vẫn còn hạn chế. Vì vậy, các kết quả của đề tài này sẽ góp phần tăng cường sự hiểu biết về nguyên nhân của hiện tượng đục nước ở vùng ven bờ Đồ Sơn. Do những nguyên nhân trên mà đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng (TTLL) ở khu vực này đã được quan tâm nghiên cứu khá nhiều. Tuy nhiên do những nguyên nhân khác nhau mà các kết quả của những nghiên cứu đó vẫn còn các hạn chế. Chính vì vậy trong khuôn khổ thực hiện đề tài QGTĐ 04-11, học viên đã được tham gia đề tài và sử dụng các số liệu đo đạc khảo sát mới nhất để nghiên cứu đặc điểm vận chuyển TTLL vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delf3D của Hà Lan. Với mục tiêu như trên, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu chủ yếu sẽ là: thu thập, xử lý các tài liệu liên quan để thiết lập đầu vào, kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình; triển khai các phương án ứng dụng hệ thống các mô hình thủy động lực (TĐL), sóng và vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu theo các kịch bản khác Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d 2 nhau: theo mùa, theo yếu tố tác động. Phạm vi khu vực nghiên cứu là vùng cửa sông ven biển Hải Phòng nhưng chủ yếu tập trung vào khu vực phía đông bắc bán đảo Đồ Sơn. Sau thời gian tiến hành nghiên cứu các kết quả nhận được đã cung cấp các đặc điểm vận chuyển TTLL ở vùng ven biển Hải Phòng, cũng như vai trò của một số yếu tố như thủy triều, gió, sóng kết hợp với gió đến đặc diểm vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu. Báo cáo này trình bày các kết quả đó và được cấu trúc như sau: Mở đầu: Giới thiệu sơ lược về mục tiêu nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận văn Phần thứ nhất của báo cáo trình bày sơ lược tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan tới vấn đề. Cũng trong phần này, tổng quan về điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu được đưa ra, trong đó chủ yếu tập trung vào các yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sự vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu như chế độ gió, đặc điểm thủy văn sông, hải văn và trầm tích. Các tài liệu cơ bản và phương pháp chính để thực hiện các nội dung và mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra của luận văn được trình bày trong phần thứ 2 của báo cáo. Trong phần này, sẽ cung cấp các thông tin về những tài liệu chính để thiết lập mô hình, cơ sở toán học của các mô hình TĐL và vận chuyển TTLL. Ngoài ra, các phương pháp xử lý số liệu để thiết lập các điều kiện biên cho mô hình cũng được trình bày trong phần này. Cũng trong phần thứ 2 của báo cáo, trình bày chi tiết việc thiết lập các mô hình toán học để mô phỏng điều kiện TĐL và vận chuyển TTLL cho vùng cửa sông ven biển Hải Phòng. Một số kết quả hiệu chỉnh kiểm chứng mô hình cũng như những kịch bản tính toán chính cũng đã được trình bày. Các kết quả phân tích đánh giá điều kiện TĐL, vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu được trình bày trong phần thứ 3 của báo cáo. Cuối cùng là một vài kết luận và khuyến nghị. Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình nghiên cứu 1.1.1. Nghiên cứu ngoài nước Trầm tích lơ lửng (TTLL) có một vai trò quan trọng ở nhiều khía cạnh khác nhau đối với môi trường biển và công trình bờ. Tuy nhiên môi trường ở vùng cửa sông ven biển rất phức tạp, nơi diễn ra sự tương tác của các khối nước sông- biển, dòng triều, sóng, gió, lực Coriolis…nên những hiểu biết của con người các quá trình như lắng đọng, tái lơ lửng, kết keo vẫn còn nhiều hạn chế. Ngoài phương pháp phân tích đánh giá các đặc điểm vận chuyển TTLL từ số liệu đo đạc khảo sát người ta đã phát triển và ứng dụng các mô hình toán học để dự báo các đặc điểm vận chuyển TTLL ở vùng cửa sông ven biển [30]. Các mô hình này thông thường là các chương trình tính để giải các bài toán cơ bản của cơ học chất lỏng và phương trình vận chuyển trầm tich [22, 47]. Các phương trình cơ bản của cơ học chất lỏng có thể được giải theo sơ đồ trong không gian của 1 chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc 3 chiều (3D). Tương ứng với các phương trình đó là các mô hình số 1 chiều, 2 chiều hoặc 3 chiều đồng thời tính phức tạp cũng lần lượt tăng dần. Trong tự nhiên, hầu hết các quá trình TĐL và vận chuyển trầm tích ở vùng của sông ven biển như dòng chảy rối, thủy triều, ứng suất của gió, tác động của sóng, sự phân tầng nhiệt-muối, dòng chảy nói chung là các quá trình 3 chiều [47]. Vì vậy, khi áp dụng và phát triển các mô hình toán vào các vùng cửa sông ven biển người ta cố gắng lựa chọn các mô hình 3 chiều. Các mô hình 2 chiều có thể là bình lưu hoặc tổng hợp theo độ sâu. Một mô hình bình lưu giải các phương trình động lượng và liên tục cho chất lỏng và các pha (phases) của trầm tích [54]. Những ứng dụng của mô hình 2 chiều là các thiết kế trong các mương thoát nước và hệ thống thủy lợi [32, 67]. Các mô hình vận chuyển trầm tích 2 chiều dựa trên phương trình động lượng trung bình theo độ sâu và phương trình liên tục cho trầm tích ([27, 49]. Mực nước, vận tốc dòng chảy, hàm lượng TTLL và một số yếu tố khác được tính tại các điểm. Các tham số của mô hình được giả thiết là đồng nhất theo độ sâu tại mỗi điểm tính. Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d 4 Những ví dụ của mô hình 2 chiều có thể kể đến như các nghiên cứu của Struiksma và nnk [59] và Wang [68]. Struiksma và nnk đã tính toán biến động đáy của một đoạn sông với việc ứng dụng mô hình vận chuyển trầm tích trên cơ sở các công thức của Engelund và Hansen [37]. Wang [68] đã nghiên cứu phân bố trầm tích ở gần cửa sông với trường hợp dòng chảy ít biến đối. Các mô hình vận chuyển trầm tích 2 chiều được sử dụng rộng rãi trong thực tế như MIKE 21 [35] và TABS- MD [60]. Mô hình MIKE 21 được phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch và là mô hình sai phân hữu hạn. Mô hình này cho các kết quả khá tốt và được sử dụng nhiều ở Mỹ. Tương tự như vậy, mô hình TABS-MD được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công trình bờ từ khi ra đời trong những năm 1970. Một mô hình 2 chiều là cần thiết nếu tính đến các kiểu hoàn lưu phức tạp và dòng chảy không ổn định. Tuy nhiên so với các mô hình 1 chiều, các mô hình 2 chiều đòi hỏi thời gian tính toán nhiều hơn, số liệu cung cấp và các biến đầu vào nhiều hơn. Vì vậy trong một số trường hợp có thể cân nhắc lựa chọn giữa mô hình một chiều và 2 chiều [50]. Mô hình 3 chiều dựa trên các phương trình cân bằng khối lượng hay khuyếch tán đối lưu của TTLL [67