Luận văn Tính toán vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển tại vùng lân cận công trình dưới tác động của sóng và dòng chảy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHI ÊN --------------------- Dương Công Điển TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỘNG ĐÁY BIỂN TẠI VÙNG LÂN CẬN CÔNG TRÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHI ÊN --------------------- Dương Công Điển TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỘNG ĐÁY BIỂN TẠI VÙNG LÂN CẬN CÔNG TRÌNH DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG VÀ DÒNG CHẢY Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60 44 97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Minh Huấn Hà Nội - 2012 iMỤC LỤC MỞ ĐẤU ………………………………………………………………………….. 1 Chương 1 – TỔNG QUAN ……………………………………………………….. 2 1.1. Đặt vấn đề …………………………………………………………. 2 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ……………………………………………….. 3 1.3. Giới hạn nghiên cứu ……………………………………………….. 3 1.4. Phương pháp nghiên cứu …………………………………………… 4 Chương 2 – ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BIỂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU ………………………………. 5 2.1. Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng thủy văn khu vực cửa Thuận An …………………………………………………………………. 6 2.2. Hiện trạng công trình bảo vệ bờ tại cửa Thuận An…………………... 6 Chương 3 – MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ………………………………………………………………. 9 3.1. Cơ sở lý thuyết CMS-flow………………………………………….. 9 3.2. Cơ sở lý thuyết CMS-wave ………………………………………… 19 3.3. Kết nối giữa CMS-flow và CMS-wave …………………………….. 22 3.4. Thiết lập lưới tính, điều kiện biên, điều kiện ban đầu ……………… 22 3.5. Phân tích số liệu, xây dựng kịch bản tính toán ……………………… 27 3.6. Thiết lập các thông số và hiệu chỉnh mô hình …………………….. 33 3.7. Kết quả tính toán …………………………………………………… 40 KẾT LUẬN ……………………………………………………………………… 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………. 56 ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình1: Bản đồ khu vực phá Tam Giang – Cầu Hai ……………………………… 5 Hình2. Hệ thống kè biển tại cửa Thuận An ……………………………………… 7 Hình 3. Chi tiết kết cấu kè (S1, S2 và B) tại phía bờ bắc cửa Thuận An …………. 7 Hình 4. Chi tiết kết cấu kè (N) tại bờ nam cửa Thuận An……………………….. 8 Hình 5. Lưới tính CMS-wave với biên sóng nước sâu và vị trí của kè biển .......... 23 Hình 6. Lưới tính CMS-flow với biên mực nước và vị trí các kè biển ................. 24 Hình 7. Lưới tính CMS-flow tại khu vực cửa Thuận An với địa h ình đáy biển ..... 25 Hình 8. Vị trí các kè trong miền tính ..................................................................... 26 Hình 9. Dao động mực nước trong một chu kỳ triều tại Thuận An ........................ 27 Hình 10. So sánh độ cao sóng tính toán và đo đạc tại trạm MSP-1 thời gian: 10 - 12/2002 ................................................................................. .................. 28 Hình 11. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán v à đo đạc trong cơn bão frankie 7/1996................................ ...................................................... .................. 28 Hình 12. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán v à đo đạc trong cơn bão Wukong 9/2000 ............................................................................................ ........... 28 Hình 13. Đường đi, so sánh độ cao sóng tính toán v à đo đạc trong cơn bão Linda 11/1997 ...................................................... ................................................. 29 Hình 14. Vị trí điểm lấy các tham số sóng n ước sâu.............................................. 29 Hình 15. Hoa sóng tại trạm ngoài khơi trong nhiều năm ....................................... 30 Hình 16. Hoa sóng tại trạm ngoài khơi trong mùa gió đông bắc và mùa gió tây nam ........................................................ ........................................................... 31 Hình 17. Quy định về hướng sóng trong mô h ình CMS-wave............................... 32 Hình 18. Vị trí các trạm quan trắc dao động mực n ước và dòng chảy 21/4/2007... 34 Hình 19. Thiết lập các thông số chính của CMS -wave .......................................... 34 Hình 20. Điều kiện phổ sóng tại biên CMS-wave ................................................. 35 Hình 21. Thiết lập các thông số chính tron g mô hình CMS-flow........................... 35 Hình 22. Các thông số tính toán vận chuyển trầm tích ........................................... 36 Hình 23. Điều kiện biên dao động mực nước ....................................................... 36 Hình 24. Giao diện điều khiển tính toán cặp đồng thời giữa hai mô hình ............. 37 Hình 25. So sánh mực nước tính toán và đo đạc tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007 .................................................. .............................. 37 Hình 26. So sánh tốc độ dòng chảy tính toán với tốc độ dòng chảy đo đạc tại các tầng mặt, giữa và đáy tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007 .................................................... .............................................. 38 Hình 27. So sánh hướng dòng chảy tính toán với hướng dòng chảy đo đạc tại các tầng mặt, giữa và đáy tại trạm V1từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007.......................................... .......................................................... 38 iii Hình 28. Trường dòng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều l ên........... 39 Hình 29. Trường dòng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều xuống ...... 39 Hình 30. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 120 đến 150 độ......................................................... ...................................... 40 Hình 31. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ng ày dưới tác động của sóng có hướng từ 120 đến 150 độ.... ............................. 41 Hình 32. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 90 đến 120 độ......................................................... .................... ..................... 41 Hình 33. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ng ày dưới tác động của sóng có hướng từ 90 đến 120 độ.... .............................. 42 Hình 34. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 60 đến 90 độ......................................................... .................... ...................... 42 Hình 35. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ng ày dưới tác động của sóng có hướng từ 60 đến 90 độ.... ................................ 43 Hình 36. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 30 đến 60 độ......................................................... .................... ...................... 43 Hình 37. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 30 đến 60 độ.... ................................ 44 Hình 38. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 0 đến 30 độ........................................... .............. .................... ..................... 44 Hình 39. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ng ày dưới tác động của sóng có hướng từ 0 đến 30 độ.... ................................. 45 Hình 40. Kết qủa tính toán bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 330 đến 0 độ......................................................... .................... ........................ 45 Hình 41. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính toán 30 ng ày dưới tác động của sóng có hướng từ 330 đến 0 độ.... ............................... 46 Hình 42. vị trí các mặt cắt từ 1 đến 5 ..................................................................... 47 Hình 43. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau ....................................... ................................................... 47 Hình 44. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 1 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ................................... .................. 48 Hình 45. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau ....................................................................... 48 Hình 46. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 2 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ................................... .................. 49 Hình 47. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau ......... .............................................................. 49 iv Hình 48. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 3 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ................................... ................. 50 Hình 49. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau ....................................................................... ................... 50 Hình 50. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 4 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ................................... .................. 51 Hình 51. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động của các hướng sóng khác nhau .......................................................... ............. 51 Hình 52. So sánh biến động địa hình tại mặt cắt số 5 dưới tác động tổng hợp của tất cả các hướng sóng với độ sâu ban đầu ................................... ................... 52 Hình 53. Kết quả đo đạc đường bờ tại Thuận An tháng 6 năm 2 012..................... 52 Hình 54. Ảnh chụp khu vực bồi cát phía nam k è tại cửa Thuận An 6/2012 .......... 53 Hình 55. Ảnh chụp vị trí các bar cát ngầm tại cửa Thuận An 6/2012 .................... 54 Hình 56. Ảnh chụp các bar cát tại trung tâm luồng ra vào tại cửa Thuận An 6/2012 54 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng1: Các đợt đo đạc tại cửa Thuận An từ 1/2007 đến nay …………………… 8 Bảng 2. Bảng tần suất sóng trung b ình nhiều năm ............................................ 30 Bảng3. Bảng tần suất sóng nước sâu theo các hướng tác động tới đường bờ........ 32 Bảng4. Kết quả phân tích các yếu tố sóng theo h ướng tác động........................... 33 Bảng 5. Lượng trầm tích vận chuyển qua các mặt cắt ............................................ 55 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải nghĩa SMS Surface-water Modeling System CMS – wave Coastal Model ing System - wave CMS – flow Coastal Model ing System - flow 1MỞ ĐẦU Sự biến động bãi biển trong vùng nước nông ven bờ là kết qủa tác động của các quá trình tự nhiên như gió, sóng, dòng chảy, sóng thần và biến động của mực nước biển. Tuy nhiên sự tác động của con người cũng có ảnh hưởng đáng kể thông qua các công trình nhân tạo như xây dựng kè, đê chắn sóng, tường đứng ven biển và các quá trình nạo vét luồng cũng như nuôi bãi. Do vậy nghiên cứu sự biến động bãi biển trong vùng ven bờ là hết sức cần thiết và quan trọng đối với các công trình ven bờ như: xây dựng cảng, thiết kế luồng tầu v à các công trình bảo vệ bờ. Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành các phân tích số liệu thủy động lực học có tác động tới các quá trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy trong vùng nước nông ven bờ. Áp dụng mô hình số (CMS) tính toán mô phỏng sự biến động b ãi biển tại vùng cửa Thuận An sau khi xây dựng công tr ình kè biển. Trong quá trình tính toán kiểm chứng mô hình, Các tham số sóng và dòng chảy được hiệu chỉnh và kiểm chứng kỹ lưỡng. Ngoài ra bộ số liệu đo đạc biến động đ ường bờ trong khuôn khổ dự án VS\RDE-03 được sử kiểm chứng với các kết quả biến động b ãi biển của mô hình. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, b ước đầu các công tr ình xây dựng kè biển với mục đích bảo vệ, ngăn chặn xói lở bờ biển ở khu vực Hải Dương – Thuận An – Hòa Duân đã có những kết quả nhất định. Khu vực bờ biển Hải D ương đã được bảo vệ khỏi các tác động gây xói lở, khu vực phía nam cửa Thuận An chuyển từ trạng thái xói lở sang bồi tụ. Các kết quả tính toán đ ưa ra được bức tranh khá phù hợp với các kết quả đo đạc thực tế. Để hoàn thành bài luận văn này tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới: Ban giám hiệu trường Đại học Khoa học tự nhi ên, Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học, phòng sau đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Viện Cơ học, Viện KH và CN Việt Nam (địa chỉ; 18 Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô Cầu Giấy, Hà Nội), cơ quan nơi tôi công tác đã cử đi đào tạo cũng như tạo điều kiện về mặt thời gian, kinh phí và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập. Ban giám đốc, các đồng nghiệp của Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu Tư vấn Môi trường Biển và dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển VS\RDE-03 góp ý, cung cấp số liệu, tạo điều kiện đi khảo sát đo đạc tại khu vực cửa biển Thuận An. PGS. TS Nguyễn Minh Huấn - người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện trong quá tr ình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Khí tượng – Thủy văn và Hải dương Học đã tận tính dạy dỗ và truyền thụ kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua 2Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong những năm gần đây dưới sự phát triển mạnh của nền kinh tế cũng nh ư sự phát triển nhanh của ngành du lịch và dịch vụ, nhiều các công tr ình ven bờ như đê biển, kè chắn sóng, mỏ hàn được xây dựng với mục đích chỉnh trị nhằm đạt đ ược mục tiêu phục vụ phát triển kinh tế, bảo vệ các vùng dân cư khỏi sự xâm thực từ phía biển. Khu vực cửa biển Thuận An – Thừa Thiên Huế là một trong những cửa ngõ quan trọng của giao thông đường thủy kết nối hầu hết các con sông của tỉnh Thừa Thiên Huế và trong khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai trong đó có cảng Thuận An với Biển Đông. Đây cũng là cửa chính tiêu thoát lũ trong mùa mưa và là kênh trao đổi nước giữa đầm phá và biển. Thêm vào đó phía bắc cửa là khu dân cư thuộc xã Hải Dương với số lượng dân cư lớn và phía nam cửa là khu du lịch bãi tắm biển Thuận An. Đây là hai khu vực đang có hiện tượng xói lở mạnh gây ra t ình trạng nguy hiểm tới đời sống dân cư cũng như phát triển du lịch trong khu vực [3]. Với chủ trương ngăn chặn sự bồi lấp luồng tàu tại Thuận An và bảo vệ bờ hai phía bắc và phía nam, đầu năm 2005 Ủy ban nhân dân Tỉnh Thừa Thi ên Huế đã ra quyết định phê duyệt dự án xây dựng “xử lý khẩn cấp khắc phục xói lở bờ biển H ải Dương và chỉnh trị luồng cảng Thuận An, tỉnh Thừa Thi ên Huế”. Giai đoạn 1 xây dựng công trình chống xói lở bờ biển Hải Dương – Thuận An – Hòa Duân. Công trình đã được xây dựng vào đầu năm 2008 và hoàn thành vào cuối năm 2010. Với mục tiêu bảo vệ các vùng bị xói lở, công trình bước đầu đã có một số hiệu quả nhất định. Khu vực phía bắc (khu bờ biển x ã Hải Dương) có các kè S1, S2 và B bảo vệ cách ly khu vực bờ khỏi các tác động của sóng v à dòng chảy nên quá trình xói lở bờ biển tại đây không còn diễn ra. Khu vực phía nam gần cửa (khu bờ biển Thuận An – Hòa Duân) hiện tượng xói lở không còn (đặc biệt là bãi biển phía nam kè) và thay vào đó là quá trình bồi diễn ra mạnh mẽ dưới sự che chắn của các công trình. Khu vực phía trong cửa Thuận An, quá trình bồi xói và biến động bãi biển và đường bờ diễn ra phức tạp. Khu vực phía nam xa công tr ình quá trình bồi và xói diễn ra theo mùa dưới tác động của các hướng sóng khác nhau trong gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam. Như vậy kết quả sau khi xây dựng các k è biển trong giai đoạn 1 của dự án đã có các tác động đến các quá trình thủy động lực và kết quả là tác động đến sự tiến triển của đường bờ và bãi biển khu vực cửa Thuận An và vùng lận cận như sau: 3- Quá trình sóng và dòng chảy khu vực gần công tr ình và cửa Thuận An có sự thay đổi. - Các công trình cách ly hoặc ngăn cản dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ, làm thay đổi bức tranh vận chuyển trầm tích . - Với mục tiêu bước đầu là ngăn cản sự xói lở tại các bờ biển Hải D ương – Thuận An – Hòa Duân, Các công trình kè đã phát huy được tính hiệu quả tại các vùng bờ biển lận cận công trình, tuy nhiên chưa giải quyết được sự bồi lấp luồng tàu và xói lở tại các khu vực bờ phía trong cửa. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: Để hiểu rõ quy luật các quá trình vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển , cần có sự nghiên cứu chi tiết về các quá trình động lực gây ra quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An, đặc biệt l à các tác động của công trình. Có các nghiên cứu định lượng mô phỏng, đưa ra bức tranh vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển, từ đó có các giải pháp khắc phục các yếu điểm trong giai đoạn 1 của công trình cũng như đưa ra hướng giải quyết trong giai đoạn tiếp theo. Các mục tiêu chính của nghiên cứu gồm có: - Nghiên cứu phân tích các quá trình động lực (sóng và dòng chảy) tác động đến quá trình vận chuyển trầm tích trong khu vực cửa Thuận An. - Nghiên cứu ứng dụng mô hình SMS (các mô đun CMS-flow và CMS-wave) trong việc tính toán vận chuyển trầm tích khu vực cửa Thuận An dưới tác động của công trình. 1.3 Giới hạn của nghiên cứu Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung nghiên cứu vận chuyển trầm tích tại khu vực của Thuận An, đặc biệt l à khu vực lận cận công tr ình, dưới tác động chủ yếu của hai yếu tố sóng và dòng chảy. Các thông số của công trình cũng được đưa vào mô hình tính nhằm mục đích mô phỏng được các tác động của nó tới sự vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển. Do việc sử dụng mô hình hai chiều trung bình theo độ sâu để mô phỏng các quá trình thủy động lực và biến đổi đáy, cho nên các kết quả chỉ mô phỏng được quá trình biến đổi đáy biển, sự biến đổi đ ường bờ không được mô phỏng ở đây. Tuy nhiên các kết quả đo đạc biến động đường bờ vẫn được sử dụng để so sánh sự tương quan giữa kết quả tính biến động đáy biển với sự biến động của đường bờ. Các kịch bản tính toán sử dụng các kết quả phân tích sóng theo các hướng tác động khác nhau, mỗi hướng tác động tiến hành lấy trung bình các tham số sóng theo một khoảng thời gian . Dao động mực nước áp dụng tại biên được lấy bằng sự 4biến động mực nước trong một chu kỳ triều đặc tr ưng. Lưu lượng trong các sông không được sử dụng trong các nghiên cứu tính toán. 1.4 Phương pháp nghiên cứu Dựa trên các đặc điểm khu vực nghiên cứu vùng đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và vùng cửa sông lạch triều Thuận An , cho nên phương pháp nghiên cứu được hình thành trên cơ sở: - Nghiên cứu các tài liệu liên quan tới vùng đầm phá, cửa sông và công trình. Dựa vào các thông tin phù hợp với vùng nghiên cứu. Dựa trên thông tin, số liệu và các kết quả của các nghiên cứu, công trình khoa học và các đề tài, dự án đã tiến hành tại khu vực. Xem xét phân tích các số liệu, văn bản có liên quan. - Thu thập các số liệu cơ bản về địa hình, đường bờ, thông số của công tr ình, các số liệu về mực nước, chế độ sóng và tính chất trầm tích. - Phân tích số liệu làm cơ sở thiết lập mô hình và xây dựng các kịch bản tính toán. - Xác định mô hình phù hợp với nguồn số liệu và khu vực nghiên cứu. - Thiết lập mô hình dựa trên các số liệu cơ bản, lựa chọn điều kiện trên biên và điều kiện ban đầu. - Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình. - Mô phỏng mô hình theo các kịch bản tính toán. - Phân tích kết quả tính toán. 5H ìn h1 : B ản đ ồ kh u vự c ph á Ta m G ia ng – C ầu H ai [3] Chương 2 – HIỆN TRẠNG CÔNG TR ÌNH BẢO VỆ BIỂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 62.1 Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng, thủy văn khu vực cửa Thuận An Về đặc điểm tự nhiên: Cửa Thuận An cùng với cửa Tư Hiền là một trong hai cửa biển nối hệ thống đầm phá Tam Giang – Cầu Hai với Biển Đông. Cửa Thuận An là cửa chính nằm ở phía bắc của hệ đầm phá. Phía bắc cửa Thuận An l à xã Hải Dương và phía nam là th ị trấn Thuận An. Cửa Thuận An có hình dạng không đối xứng có hệ thống bãi ngầm ở phía ngoài tại vị trí trung tâm của cửa. Hệ thống luồng chủ yếu có 2 hướng chính: thứ nhất theo hướng đông bắc và thứ hai có hướng đông nam, nguyên nhân là do các tác động của các yếu tố thủy động lực có tính chất m ùa và không đều nhau [6]. Cửa có độ rộng vào khoảng 350m và chiều dài kh