- Tr 1 - 14 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY TẠI VỊNH PHAN THIẾT BẰNG MÔ HÌNH BA CHIỀU PHI TUYẾN VỚI PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN BÙI HỒNG LONG, TRẦN VĂN CHUNG Viện Hải dương học Nha Trang Tóm tắt: Kết quả nghiên cứu các dạng dòng chảy khác nhau (dòng dư, dòng triều, dòng chảy do gió và dòng tổng hợp) bằng mô hình ba chiều phi tuyến với phương pháp phần tử hữu hạn cho vùng biển Phan Thiết đã cho thấy khả năng ứng dụng của phương pháp này vào mô hình hóa chế độ dòng chảy tại các vùng nghiên cứu có địa hình phức tạp, biên mở rộng. - Để đánh giá khả năng ứng dụng và kiểm chứng mô hình, chúng tôi đã tính riêng dòng chảy do ảnh hưởng của triều dưới tác động của 5 sóng triều chính M2, S2, K1, O1, N2. - Về dòng chảy tầng mặt, trong trường gió mùa Đông Bắc, tốc độ dòng ngang do gió lớn nhất là 85,3cm/s, hướng 185,70 xung quanh vị trí có tọa độ (108,05540E. - nhưng với dòng chảy tổng hợp là 60,6cm/s, hướng 209,60. - tại vị trí (108,08200E. - Trong khi đó với trường gió mùa Tây Nam, tốc độ dòng ngang đạt cực đạt 53cm/s, hướng 10,30. - tại vị trí (108,10860E. - Theo tính toán phân bố dòng chảy tổng hợp tốc độ dòng ngang đạt cực là 36,6cm/s, hướng 23,80. - tại vị trí (108,03550E;10,70540N). - Từ những kết quả nghiên cứu áp dụng mô hình ba chiều phi tuyến với phương pháp phần tử hữu hạn vào đánh giá chế độ dòng chảy tại vịnh Phan Thiết, đã gợi mở một khá năng nghiên cứu chi tiết các phân bố dòng chảy tại khu vực với hy vọng có thể tìm ra các vị trí có phân bố dòng chảy tương đối đặc biệt nhằm mục đích cung cấp các thông tin tin cậy cho việc hoạch định và phát triền kinh tế - xã hội biển tại địa phương một cách hợp lý. - TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Dựa vào các thông tin được cập nhật từ các chuyến khảo sát liên quan đến vùng biển Bình Thuận như cấu trúc nhiệt - muối, trường gió, trường dòng chảy và các thông tin từ bản đồ viễn thám, nhằm cung cấp cơ sở dữ liệu đầy đủ cho tiến hành mô hình hóa quá trình thủy động lực học. - Theo phương thẳng đứng: đối với vận tốc nằm ngang, ứng suất trượt khí. - Trong đó: W : Véc tơ vận tốc gió 10m trên mặt biển. - 10 3 cho : 1(m/s. - 10 3 cho : v. - Đưa vào nhiệt độ không khí được xác định tại bề mặt như “kiểu III” hoặc điều kiện bức xạ với tốc độ làm nóng và nhiệt độ cân bằng T0: T Nh T T0 (10) z z Tại đáy, thông lượng nhiệt được giả sử là không đáng kể T Nh 0 (11) z z. - h là vị trí trong phạm vi lớp ứng suất không đổi tại một độ cao b 1 m trên nền đáy thực tế. - vận tốc dòng chảy nằm ngang tại đáy của cột nước. - Phương pháp lọc tính dòng dư do triều Trong thủy động lực học ven biển, dòng dư thường được xác định là dòng chảy trung bình thu được từ trung bình trong một khoảng thời gian lớn hơn nhiều so với chu kỳ của các thành phần sóng nhật triều và bán nhật triều chính [17]. - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. - Khu vực nghiên cứu Để nghiên cứu chi tiết chế độ dòng chảy cho vịnh Phan Thiết, chúng tôi đã thiết lập mạng lưới tính với kinh độ từ 107,9970E đến 108,3460E, vĩ độ từ 10,6980N đến 10,9630N (hình 2). - Kết quả tính cấu trúc dòng triều dư (residual tidal current) Xét ảnh hưởng của triều (các ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến) lên chế độ dòng chảy của vùng biển Phan Thiết được tính cho 5 sóng triều chính là M2, S2, N2, K1, O1. - Tuy nhiên ảnh hưởng dòng dư do tác động tổng hợp của các sóng này lên khu vực nghiên cứu có thể đạt 18,5m/s, hướng 182,10 tại vị trí (108,30910E. - 10,910710N), H = 15,5m với tốc độ dòng từ Đông sang Tây là khá nhỏ, chỉ đạt 0,7cm/s, tốc độ dòng từ Bắc tới Nam đạt 18,5cm/s. - Theo kết quả tính, dòng chảy từ Tây sang Đông mạnh nhất là 6,3cm/s, tại vị trí (108,03440E. - trong khi tốc độ dòng từ Đông sang Tây đạt cực đại là 9,1cm/s vị trí có vận tốc dòng dư đạt 9,2cm/s, 6 hướng E. - Tốc độ dòng từ Nam tới Bắc đạt cực đại là 7,9cm/s tại vị trí mà dòng dư đạt 8,6cm/s, hướng E. - 10,71000N, H=15,1m) và tốc độ dòng cực đại từ Bắc tới Nam đạt 18,5cm/s tại vị trí có vận tốc dòng dư đạt 18,5cm/s, hướng E. - Thieân Phöôùc Long Sôn Thieân Phöôùc Long Sôn 10.95 Khaùnh Phöôùc Khaùnh Phöôùc 10.95 Sôn Haûi Sôn Haûi Ñaïi Taøi Ñaïi Taøi Phan Thieát Haûi Long Phan Thieát Haûi Long Muõi Neù Muõi Neù Bình Tuù Bình Tuù 10.85 Thanh Bình Thanh Bình Hình 2. - Sơ đồ mạng lưới tam giác triều trung bình) vùng nghiên cứu dùng để tính toán dòng chảy cho vùng biển Phan Thiết Trong kết quả nghiên cứu trình bày trong hình 2, hình 3, chúng tôi nhận thấy có xuất hiện hai xoáy nghịch (cùng chiều kim đồng hồ) tại vị trí (108,05650E, 10,72140N) gần mũi Kê Gà và một xoáy nhỏ hơn tại vị trí (108,28060E, 10,90110N) gần Mũi Né. - Thieân Phöôùc Long Sôn 10.95 Khaùnh Phöôùc 10.95 Sôn Haûi Ñaïi Taøi Phan Thieát Haûi Long : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 30 cm/s : 80 cm/s Bình Tuù 10.85 Thanh Bình Hình 4. - Tác động của trường gió mùa lên chế độ dòng chảy tại vịnh Phan Thiết a. - Đối với trường gió mùa Đông Bắc Tại tầng mặt: Theo tính toán thống kê trung bình, trong toàn bộ vùng nghiên cứu, tốc độ gió cực đại có thể đạt 10,4m/s, hướng 228,20 (tại vị trí 108,34270E. - 10,70190N), trung bình 10,8m/s và cực tiểu 9,1m/s, hướng 233,80(tại vị trí 108,07210E. - Theo tính toán phân bố dòng chảy tại tẩng mặt, tốc độ dòng ngang đạt cực đạt 85,3cm/s, hướng 185,70. - tại vị trí (108,05540E. - Trong khi đó, dòng chảy tổng hợp do ảnh hưởng của dòng gió và triều dư có thể đạt: tốc độ dòng ngang đạt cực đạt 60,6cm/s, hướng 209,60. - Rõ ràng, khi phân tích dòng tổng hợp, các ảnh hưởng của tính phi tuyến do tác động của các triều (triều dư) là đáng kể đến sự suy giảm tốc độ và hướng dòng do chỉ chịu tác động của gió mùa thuần túy chi tiết trên hình 5a, 5b. - Thieân Phöôùc Long Sôn Thieân Phöôùc Long Sôn 10.95 Khaùnh Phöôùc Khaùnh Phöôùc 10.95 Sôn Haûi Sôn Haûi Ñaïi Taøi Ñaïi Taøi Phan Thieát Haûi Long Phan Thieát Haûi Long : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 30 cm/s : 80 cm/s : 30 cm/s : 80 cm/s Bình Tuù Bình Tuù 10.85 Thanh Bình Thanh Bình Hình 5a. - Phân bố dòng chảy tại tầng mặt Hình 5b. - Phân bố dòng chảy tổng hợp vào trường gió mùa Đông Bắc tại tầng mặt do ảnh hưởng trường gió mùa Đông Bắc 8 Tại tầng 10m: Tốc độ dòng ngang tại tầng 10m đạt cực đại 40,4cm/s, hướng 193,10. - vị trí đạt cực đại (108,08110E. - vận tốc thẳng đứng W = -0,351cm/s. - Trong khi, dòng tổng hợp tại tầng 10m, có tốc độ dòng ngang tại tầng 10m đạt cực đại 49,614cm/s, hướng 197,1070. - vị trí đạt cực đại (108,07670E. - vận tốc thẳng đứng W = -0,513cm/s. - Xét trên phương diện cực đại dòng thẳng đứng: Tốc độ dòng hướng lên cao nhất có thể đạt W = +0,459cm/s, tại vị trí (108,11150E. - véc tơ vận tốc dòng theo phương ngang (V = 29,8cm/s, hướng 190,60). - Trong khi, tại dòng chảy tổng hợp, có tốc độ dòng hướng lên cao nhất có thể đạt W. - 0,493cm/s, tại vị trí (108,13790E. - véc tơ vận tốc dòng theo phương ngang (V = 38,4cm/s, hướng 212,00) Tốc độ dòng hướng xuống cao nhất có thể đạt W = -0,985cm/s, tại vị trí (108,14180E. - véc tơ vận tốc dòng theo phương ngang (V = 37,1cm/s. - Trong khi, với dòng chảy tổng hợp thì tốc độ dòng hướng xuống cao nhất có thể đạt W = -1,04cm/s, tại vị trí (108,14850E. - véc tơ vận tốc dòng theo phương ngang (V = 25,3cm/s. - Thieân Phöôùc Long Sôn Thieân Phöôùc Long Sôn 10.95 Khaùnh Phöôùc Khaùnh Phöôùc 10.95 Sôn Haûi Sôn Haûi Ñaïi Taøi Ñaïi Taøi Phan Thieát Haûi Long Phan Thieát Haûi Long : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 30 cm/s : 80 cm/s : 30 cm/s : 80 cm/s Bình Tuù Bình Tuù 10.85 Thanh Bình Thanh Bình Hình 6a. - Phân bố dòng chảy tại tầng 10m Hình 6b. - Phân bố dòng chảy tổng hợp tại vào trường gió mùa Đông Bắc tầng 10m do ảnh hưởng trường gió mùa Đông Bắc b. - Đối với trường gió mùa Tây Nam Tại tầng mặt: Theo tính toán thống kê trung bình, trong toàn bộ vùng nghiên cứu, tốc độ gió cực đại có thể đạt 7,9m/s, hướng 64,10 (tại vị trí 108,34280E. - 10,93710N), trung bình 7,8m/s và cực tiểu 7,6m/s, hướng 63,80 (tại vị trí 108,08770E. - Theo tính toán phân bố 9 dòng chảy tại tầng mặt, tốc độ dòng ngang đạt cực đạt 53cm/s, hướng 10,30. - tại vị trí (108,1086E. - Trong khi, theo tính toán phân bố dòng chảy tổng hợp (có xét đến dòng dư) thì tại tầng mặt, tốc độ dòng ngang đạt cực đạt 36,6cm/s, hướng 23,80. - tại vị trí (108,03550E. - Thieân Phöôùc Long Sôn Thieân Phöôùc Long Sôn 10.95 Khaùnh Phöôùc Khaùnh Phöôùc 10.95 Sôn Haûi Sôn Haûi Ñaïi Taøi Ñaïi Taøi Phan Thieát Haûi Long Phan Thieát Haûi Long : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 30 cm/s : 80 cm/s : 30 cm/s : 80 cm/s Bình Tuù Bình Tuù 10.85 Thanh Bình Thanh Bình Hình 7a. - Phân bố dòng chảy do gió Hình 7b. - Phân bố dòng chảy tổng hợp tầng mặt vào trường gió mùa Tây Nam tại tầng mặt do ảnh hưởng trường gió mùa Tây Nam Tại tầng 10m Thieân Phöôùc Long Sôn Thieân Phöôùc Long Sôn 10.95 Khaùnh Phöôùc Khaùnh Phöôùc 10.95 Sôn Haûi Sôn Haûi Ñaïi Taøi Ñaïi Taøi Phan Thieát Haûi Long Phan Thieát Haûi Long : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 10 cm/s : 50 cm/s Muõi Neù : 30 cm/s : 80 cm/s : 30 cm/s : 80 cm/s Bình Tuù Bình Tuù 10.85 Thanh Bình Thanh Bình Hình 8a. - Phân bố dòng chảy do gió Hình 8b. - Phân bố dòng chảy tổng hợp tại tầng 10m vào trường gió mùa Tây Nam tại tầng 10m do ảnh hưởng trường gió mùa Tây Nam Tốc độ dòng ngang tại tầng 10m đạt cực đại 24,5cm/s, hướng 16,90. - vị trí đạt cực đại (108,11150E. - Trong khi, với dòng tổng hợp thì tốc độ dòng ngang đạt cực đại 28,5cm/s, hướng 19,60. - vị trí đạt cực đại (108,04180E. - vận tốc thẳng đứng W = -0,225cm/s. - 10 Xét trên phương diện cực đại dòng thẳng đứng: Tốc độ dòng hướng lên cao nhất có thể đạt W = +0,0802cm/s, tại vị trí (108,16980E. - véc tơ vận tốc dòng theo phương ngang (V = 2cm/s, hướng 88,80). - Trong khi với dòng tổng hợp thì tốc độ dòng hướng lên cao nhất có thể đạt W. - 0,383cm/s, tại vị trí (108,14850E. - véc tơ vận tốc dòng theo phương ngang (V = 8,9cm/s, hướng 77,50). - Tốc độ dòng hướng xuống cao nhất có thể đạt W = -0,351cm/s, tại vị trí (108,11150E. - véc tơ vận tốc dòng theo phương ngang (V = 24,5cm/s. - Trong khi, theo tính toán dòng tổng hợp thì tốc độ dòng hướng xuống cao nhất có thể đạt W = -0,225cm/s, tại vị trí (108,04180E. - véc tơ vận tốc dòng theo phương ngang (V = 28,5cm/s. - THẢO LUẬN VÀ KẾT LUẬN Các kết quả nghiên cứu dòng dư (residual current) thấy có xuất hiện hai xoáy nghịch (cùng chiều kim đồng hồ) tại vị trí (108,05650E, 10,72140N) gần mũi Kê Gà và một xoáy nhỏ hơn tại vị trí (108,28060E, 10,90110N) gần Mũi Né. - Về các nghiên cứu cấu trúc dòng do ảnh hưởng của gió mùa, chúng tôi thấy rằng trong trường gió mùa Đông Bắc, tốc độ dòng ngang do gió lớn nhất có thể 85,3cm/s, hướng 185,70 xung quanh vị trí có tọa độ (108,05540E. - tuy nhiên kết quả phân tích dòng chảy tổng hợp (dòng triều, dòng chảy do gió, dòng mật độ) chỉ có thể đạt 60,6cm/s, hướng 209,60. - Và đối với trường gió mùa Tây Nam, tốc độ dòng ngang do gió đạt cực đạt 53cm/s, hướng 10,30. - 10,70150N) nhưng dòng chảy tổng hợp tốc độ dòng ngang đạt cực đạt 36,6cm/s, hướng 23,80. - Như vậy, trong vịnh Phan Thiết (vùng nghiên cứu) dòng tổng hợp thường nhỏ hơn dòng chảy do gió. - Từ các kết quả tính dòng chảy theo dòng dư, cho hai chế độ gió mùa và dòng tổng hợp bằng mô hình ba chiều phi tuyến dạng đầy đủ bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho vùng nghiên cứu cho thấy khả năng ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào việc mô hình hóa chế độ dòng chảy tại các vùng nghiên cứu có địa hình phức tạp, biên mở rộng…Thông thường các kết quả tính theo phương pháp phần tử hữu hạn thường thu được tốc độ dòng chảy (xét trên toàn khu vực nghiên cứu) cao hơn so với sai phân hữu hạn, đó là do khả năng chi tiết hóa được chế độ dòng chảy tại khu vực biên ven bờ - đảo, nơi có cồn cát, bãi ngầm . - Trong khi ở phương pháp sai phân hữu hạn, bài toán đạt ổn định tốt tại các vị trí ven bờ thường phải có độ sâu lớn hơn 1m [4]. - Ngoài ra, vấn đề khoảng cách theo không gian của mạng lưới tính sai phân (ô lưới bằng nhau, hình vuông hoặc hình chữ nhật với kích thước tương đối lớn) nên đã có những mặt hạn chế khi đánh giá chế độ dòng chảy tại những biên bờ, điểm tính nhạy cảm (đảo chắn, bãi ngầm. - Các dòng chảy tại dọc biên bờ và địa hình đáy phức tạp đã được thể hiện khá rõ trong nghiên cứu ở trên. - Như vậy, với việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, chúng ta có thể dễ dàng tìm ra các vị trí nhạy cảm, vị trí có phân bố dòng chảy tương đối đặc biệt. - Việc kiểm nghiệm tính đúng đắn của phương pháp phần tử với thực tế đo đạc sẽ giúp chúng ta hiệu chỉnh lại các thông số tính toán cần thiết, phục vụ tốt hơn cho mô phỏng các bài toán dòng chảy trong biển. - Tính toán dòng chảy trong khu vực nước trồi Nam Trung bộ bằng mô hình dòng chảy ba chiều (3-D) phi tuyến. - Nghiên cứu chế độ dòng dư tại vùng biển Nam - Trung bộ Việt Nam. - 10.70140N). - 10.70150N). - During southwest monsoon period, max speed of the horizontal wind currents reaches 53.0cm/s, direction 10.30. - 10.70150N), whereas, general current was 36.6cm/s, direction 23.80. - 10.70540N)