Luận văn Phân tích xu thế quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đường bờ, đáy khu vực cửa sông đáy bằng mô hình mike

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------------------------- DƯƠNG NGỌC TIẾN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ, ĐÁY KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------------------------- DƯƠNG NGỌC TIẾN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ, ĐÁY KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE Chuyên ngành : Hải dương học Mã số : 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Thọ Sáo HÀ NỘI – 2012 i LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Thọ Sáo. Thầy đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Đồng thời, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô giáo trong bộ môn Hải dương học, cán bộ Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, cán bộ phòng Sau đại học Trường đại học Khoa học Tự Nhiên đã giảng dạy, chỉ bảo, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo Trung tâm, công đoàn và toàn thể các đồng nghiệp của Trung tâm Nghiên cứu biển và tương tác biển – Khí quyển, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả để tác giả có thể hoàn thành được khóa học và luận văn một cách tốt nhất. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã động viên tinh thần, khích lệ tác giả để luận văn được hoàn thành tốt nhất. ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU .......................... 3 1.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................................. 3 1.1.1. Địa hình, địa chất địa mạo .............................................................................. 3 1.1.2. Chế độ khí hậu ................................................................................................ 3 1.1.2.1. Bức xạ nhiệt ............................................................................................. 3 1.1.2.2. Lượng mưa ............................................................................................... 4 1.1.2.3. Gió ven biển ............................................................................................. 4 1.1.3. Chế độ thủy văn .............................................................................................. 5 1.1.4. Chế độ hải văn ................................................................................................ 6 1.1.4.1. Sóng, thủy triều và xâm nhập mặn........................................................... 6 1.1.4.2. Dòng chảy vùng cửa sông, ven biển ........................................................ 7 1.2. Hiện trạng bồi lắng và xói lở ................................................................................ 7 1.2.1. Giai đoạn trước năm 1989 .............................................................................. 8 1.2.2. Giai đoạn 1989-1995 ...................................................................................... 8 1.2.3. Giai đoạn 1995-nay ........................................................................................ 8 1.3. Cảng trên sông Đáy và kế hoạch nạo vét luồng ................................................. 11 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................... 14 2.1. Tổng quan về quá trình động lực và vận chuyển bùn cát vùng bờ ..................... 14 2.1.1. Sóng .............................................................................................................. 15 2.1.2. Dòng chảy ..................................................................................................... 16 2.1.3. Vận chuyển bùn cát vùng ven bờ ................................................................. 17 2.2. Tổng quan các yếu tố ảnh hưởng đến xói lở, bồi tụ và diễn biến đường bờ ...... 21 2.3. Tổng quan các phương pháp nghiên cứu về thủy động lực, vận chuyển bùn cát, dịch chuyển đường bờ ......................................................................................... 23 2.3.1. Phương pháp điều tra cơ bản ........................................................................ 23 2.3.2. Phương pháp phân tích ảnh viễn thám và GIS. ............................................ 24 2.3.3. Phương pháp phóng xạ hạt nhân .................................................................. 26 2.3.4. Phương pháp mô hình vật lý. ....................................................................... 27 2.3.5. Phương pháp mô hình toán ........................................................................... 28 2.4. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu .................................................................... 32 2.5 Cơ sở lý thuyết các mô hình thủy thạch động lực ................................................ 34 2.5.1. Mô hình MIKE 11 ........................................................................................ 34 2.5.1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 34 2.5.1.2. Mô đun HD ............................................................................................ 35 2.5.1.3. Mô đun AD ............................................................................................ 39 2.5.2. Mô hình MIKE 21 ........................................................................................ 40 iii 2.5.2.1. Mô hình tính sóng MIKE 21 SW ........................................................... 40 2.5.2.2. Mô hình tính thủy lực Mike 21FM HD ................................................. 42 2.5.2.3. Mô hình tính vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST .................................. 45 2.5.3. Mô hình LITPACK ...................................................................................... 46 2.5.3.1. Khái quát về mô hình Litpack ................................................................ 46 2.5.3.2. Các mô đun trong Litpack ...................................................................... 47 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BỒI TỤ, XÓI LỞ .......................................................................................................... 51 3.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 51 3.2. Xây dựng bộ số liệu cơ sở cho mô hình .............................................................. 52 3.2.1. Địa hình, miền tính, lưới tính ....................................................................... 52 3.2.2. Điều kiện biên .............................................................................................. 53 3.2.3. Các thông số khác ......................................................................................... 53 3.3. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình................................................................... 54 3.3.1. Mô hình MIKE 11 ........................................................................................ 54 3.3.2. Mô hình tính sóng MIKE 21 SW ................................................................. 55 3.3.3. Mô hình thủy lực MIKE 21 FM ................................................................... 56 3.4. Các kết quả trong nghiên cứu ............................................................................. 58 3.4.1. Phân tích xu thế vận chuyển trầm tích ......................................................... 58 3.4.1.1. Mô phỏng thủy lực ................................................................................. 59 3.4.1.2. Mô phỏng phân bố trầm tích .................................................................. 61 3.4.1.3. Nhận xét ................................................................................................. 65 3.4.2. Tính toán xu thế biến động bùn cát dài hạn có xét đến dâng cao mực nước biển và mô hình hóa quá trình phát triển cửa Đáy ................................................. 67 3.4.2.1. Kịch bản nước biển dâng cho khu vực cửa Đáy .................................... 67 3.4.2.2. Cập nhật mực nước biển dâng trong mô hình ........................................ 68 3.4.2.3. Lưu lượng dòng chảy sông .................................................................... 69 3.4.2.4. Kết quả ................................................................................................... 70 3.4.3. Tính toán biến đổi đường bờ có xét đến dâng cao mực nước biển do biến đổi khí hậu .............................................................................................................. 76 3.4.3.1. Điều kiện tính toán ................................................................................. 76 3.4.3.2. Bộ thông số đầu vào ............................................................................... 76 3.4.3.3. Kết quả tính toán .................................................................................... 80 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 84 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Tần suất (%) của các hướng gió và lặng gió (%) trạm Văn Lý (20 007’N;106018’E) ........................................................................................................ 5 Bảng 3.1. Xác suất của tốc độ gió theo các cấp tốc độ (tính bằng % của tổng số trường hợp) trạm Văn Lý (20007’N;106018’E) ........................................................... 5 Bảng 3.1. Độ cao trung bình h(m) hàng trên, độ cao H1% hàng dưới, chu kỳ trung bình  (s) của sóng và tốc độ gió V(m/s) tại trạm Văn Lý (20007’N;106018’E). .. 6 Bảng 3.1. Mực nước biển dâng theo các kịch bản phát thải cho khu vực Cửa Đáy (cm) ........................................................................................................... 67 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Biểu đồ phân phối lượng mưa năm trạm Văn Lý ............................ 4 Hình 1.2. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy Năm 1989 ...................................... 10 Hình 1.3. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2001 ....................................... 10 Hình 1.4. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2005 ....................................... 11 Hình 1.5. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2009 ....................................... 11 Hình 2.1. Những hệ thống vận chuyển bùn cát mở và đóng (US ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002) ............................................................................. 18 Hình 2.2. Sơ đồ biến đổi mặt cắt của một bãi biển do một cơn bão (US ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002) ................................................................ 20 Hình 2.3. Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott ..................................... 36 Hình 2.4. Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t ................. 36 Hình 2.5. Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ ........................................... 37 Hình 2.6. Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu ....................... 37 Hình 2.7. Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng ...................................... 37 Hình 2.8. Các thành phần theo phương x và y .............................................. 45 Hình 2.9. Các mô đun trong mô hình Litpack ............................................... 47 Hình 3.1. Các bộ thông số và các mô hình toán cơ bản sử dụng trong nghiên cứu 51 Hình 3.2. Địa hình khu vực nghiên cứu ......................................................... 52 Hình 3.3. Minh họa lưới tính sử dụng trong mô phỏng ................................. 53 Hình 3.4. So sánh nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Như Tân trên sông Đáy 55 Hình 3.5. Độ cao và hướng sóng đặc trưng cho các tháng trong năm........... 55 Hình 3.6. Vị trí các điểm hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình .................... 56 Hình 3.7. So sánh mực nước thực đo và tính toán tại điểm HC (trạm đo Ninh Cơ;106012’7.14”E, 2001’26.49”N) ........................................................................... 57 Hình 3.8. So sánh mực nước tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ hằng số điều hòa tại điểm KN1 (106035’E, 20013’N) ........................................................ 57 v Hình 3.9. So sánh mực nước tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ hằng số điều hòa tại điểm KN2 (106006’E, 19055’N) ...................................................... 58 Hình 3.10. So sánh mực nước tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ hằng số điều hòa tại điểm KN3 (105056’E, 19051’N) ................................................ 58 Hình 3.11. Biến trình lưu lượng qua mặt cắt tại trạm Như Tân trên sông Đáy năm 2010 59 Hình 3.12. Biến trình lưu lượng qua mặt cắt tại trạm Phú Lễ trên sông Ninh Cơ năm 2010 60 Hình 3.13. Biến trình lưu lượng qua mặt cắt tại trạm Ba Lạt trên sông Hồng năm 2010 60 Hình 3.14. Mực nước tính toán lúc 0h ngày 15 tháng 8 năm 2010 ............... 61 Hình 3.15. Mực nước tính toán lúc 0h ngày 15 tháng 1 năm 2010 ............... 61 Hình 3.16. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Như Tân năm 2010 62 Hình 3.17. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Phú Lễ năm 2010 62 Hình 3.18. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Ba Lạt năm 2010 . 62 Hình 3.19. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu mùa mưa) .... 63 Hình 3.20. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu mùa mưa) 63 Hình 3.21. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 1-10-2011 (thời điểm cuối mùa mưa) 64 Hình 3.22. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 1-10-2011(thời điểm cuối mùa mưa) 64 Hình 3.23. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm tính toán) ...... 65 Hình 3.24. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm tính toán) 65 Hình 3.25. Kịch bản mực nước biển dâng tại khu vực cửa Đáy ................... 68 Hình 3.26. Biến trình lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt các trạm trong 20 năm 70 Hình 3.27. Biến trình mực nước tính toán tại điểm gần cửa Đáy (10605’E; 19 050’N) 71 Hình 3.28. Địa hình khu vực cửa Đáy ban đầu ............................................. 71 Hình 3.29. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 1 năm tính toán 72 Hình 3.30. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 2 năm tính toán 72 Hình 3.31. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 3 năm tính toán 72 Hình 3.32. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 4 năm tính toán 73 Hình 3.33. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 5 năm tính toán 73 Hình 3.34. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 10 năm tính toán 73 vi Hình 3.35. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 15 năm tính toán 74 Hình 3.36. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 20 năm tính toán 74 Hình 3.37. Đường bờ và đường cơ sở ............................................................ 77 Hình 3.38. Đường cơ sở, khu vực nghiên cứu (a) và biểu diễn đường bờ năm 1989 (b) trên đường cơ sở ......................................................................................... 78 Hình 3.39. Phân bố mặt cắt địa hình và địa hình sử dụng trong nghiên cứu . 79 Hình 3.40. So sánh đường bờ tính toán bằng mô hình và đường bờ trích ra từ số liệu vệ tinh năm 2001 ........................................................................................... 80 Hình 3.41. So sánh đường bờ tính toán bằng mô hình và đường bờ trích ra từ số liệu vệ tinh năm 2010 ........................................................................................... 80 Hình 3.42. Mức độ biến đổi đường bờ khu vực Cửa Đáy giai đoạn từ năm 1990 tới năm 2001 (số liệu tính toán từ ảnh vệ tinh) ................................................ 81 Hình 3.43. Mức độ biến đổi đường bờ khu vực Cửa Đáy giai đoạn từ năm 1990 tới năm 2010 (số liệu tính toán từ ảnh vệ tinh) ................................................ 81 1 MỞ ĐẦU Tại Việt Nam, trong những năm gần đây do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, thiên tai ngày một gia tăng, đặc biệt là bão, kèm theo lũ lụt và nước dâng do bão. Các thiên tai này, đã đang và sẽ gây ra những thiệt hại lớn về người và của. Vì vậy, vấn đề tính toán và dự báo các quá trình thủy động lực cũng như biến đổi đường bờ và địa hình đáy có thể xảy ra cho từng khu vực là một trong những biện pháp tích cực nhằm phòng tránh, đề ra những giải pháp cần thiết để giảm tối thiểu thiệt hại. Sông Hồng là con sông lớn nhất của miền bắc Việt Nam, hằng năm đã mang phù sa làm giàu thêm cho đồng bằng sông Hồng. Các con sông của hệ thống sông Hồng đưa bùn cát ra biển qua các cửa sông trong đó phải kể đến là 3 sông lớn: Sông Hồng chảy qua cửa Ba Lạt, sông Ninh Cơ và sông Đáy. Quá trình tương tác giữa động lực sông – biển gây ra quá trình bồi tụ, lắng đọng và xói lở vùng ven biển. Khu vực cửa sông Đáy thuộc tỉnh Ninh Bình đang có những thay đổi đáng kể về quá trình bồi tụ và lắng đọng trầm tích. Ở đây mức độ bồi tụ đang diễn ra rất mạnh. Bồi tụ ven bờ và quá trình lấn biển làm tăng thêm diện tích đất tự nhiên nhưng cũng có ảnh hưởng nhất định đến chế độ động lực và khả năng thoát lũ ở các sông. Bên cạnh đó, hiện tượng nước biển dâng đã và đang ảnh hưởng sâu sắc tới Việt Nam nói chung và tỉnh ven biển Ninh Bình nói riêng. Nước biển dâng có thể dẫn đến những hậu quả rất lớn đối với sinh kế và sự thịnh vượng của cư dân ở những vùng này. Những vùng đất có giá trị cao có thể sẽ bị mất. Các đầm tôm, cua có thể bị di dời và các ngư trường ven biển có thể biến mất. Những vùng không ngập mặn thường xuyên ở khu vực lận cận có thể bị ảnh hưởng và không còn phù hợp cho sản xuất nông nghiệp. Sự đa dạng của các hệ động thực vật ven biển tại khu vực cửa sông ven biển có thể bị suy giảm. Rừng ngập mặn –hệ sinh thái quan trọng ở vùng cửa sông, ven biển - có thể bị giảm về quy mô hoặc hoàn toàn biến mất, v.v. 2 Hiện nay, phương pháp mô hình toán đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trường. Đây là phương pháp hiện đại, phát triển mạnh trong mấy chục năm trở lại đây ở nước ta cũng như trên thế giới. Việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi kiến thức liên ngành của nhiều chuyên gia và phải qua nhiều bước như lựa chọn, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh xác định thông số của mô hình và cuối cùng là ứng dụng mô hình để đánh giá, dự báo. Các mô hình toán ngày càng chứng tỏ là một công cụ mạnh và đắc lực bởi khả năng cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, phạm vi ứng dụng rộng, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán, nhất là trong việc tính toán, mô phỏng các hệ thống lớn. Ở Việt Nam, mô hình số trị đã và đang được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn nghiên cứu và tính toán dự báo thủy động lực và môi trường biển, trong đó có tính toán vận chuyển bùn cát và biến động đường bờ. Trong nghiên cứu này, đã sử dụng bộ mô hình MIKE của viện thủy lực Đan Mạch để mô phỏng, đánh giá và dự báo chế độ thủy động lực cũng như xói lở, bồi tụ và quá trình biến đổi đường bờ tại khu vực cửa sông Đáy thuộc tỉnh Ninh Bình. 3 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. Điều kiện tự nhiên 1.1.1. Địa hình, địa chất địa mạo Về mặt địa hình, khu vực ven biển Cửa Đáy tương đối bằng phẳng, hơi nghiêng về phía biển, độ dốc nhỏ, da