- Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình. - Abstract: Trình bày sơ lược tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan tới vấn đề: tổng quan về điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển bằng mô hình Delft3d. - Tìm hiểu thông tin về những tài liệu chính để thiết lập mô hình, cơ sở toán học của các mô hình (thủy động lực) TĐL và vận chuyển TTLL. - các phương pháp xử lý số liệu để thiết lập các điều kiện biên cho mô hình. - 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.. - Mô hình Delft3d. - Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng một hệ thống mô hình tổng hợp 3 chiều thủy động lực- sóng- vận chuyển TTLL dựa trên mô hình Delft3D của Hà Lan với mục tiêu là nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng.. - 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 các mô hình thủy động lực (TĐL), sóng và vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu theo các kịch bản khác nhau: theo mùa, theo yếu tố tác động. - 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.. - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. - 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. - 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.. - 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. - 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.. - Những ứng dụng của mô hình 2 chiều là các thiết kế trong các mương thoát nước và hệ thống thủy lợi. - 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. - Các tham số của mô hình được giả thiết là đồng nhất theo độ sâu tại mỗi điểm tính.. - Những ví dụ của mô hình 2 chiều có thể kể đến như các nghiên cứu của Struiksma và nnkvà Wang. - 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. - Các mô hình vận chuyển trầm tích 2 chiều được sử dụng rộng rãi trong thực tế như MIKE 21 và TABS-MD. - 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.. - Mô hình 3 chiều dựa trên các phương trình cân bằng khối lượng hay khuyếch tán đối lưu của TTLL. - Trong phần lớn các mô hình 3 chiều, trường dòng chảy và hàm lượng TTLL được tổng hợp (intergated) và tính toán ở mỗi bước thời gian. - Mô hình 3 chiều tính đến cả các thành phần bình lưu và đối lưu của quá trình vận chuyển trầm tích và được dùng khi có sự phân tầng về dòng chảy và vận chuyển trầm tích. - Các mô hình 3 chiều cung cấp đầy đủ nhất bao gồm cả số lượng các biến của bất kỳ hệ TĐL nào. - Việc hiệu chỉnh mô hình cũng đòi hỏi lượng số liệu lớn và phức tạp hơn, bởi vì các chương trình được yêu cầu phải thể hiện được tất cả các quá trình phức tạp của điều kiện TĐL diễn ra cả trong 3 hướng. - Thông thường các số liệu đầu vào cho mô hình 3 chiều có được từ các số liệu gần đúng của các tài liệu nghiên cứu hơn là từ số liệu khảo sát do việc khảo sát các tham số này ở điều kiện 3 chiều cho đến nay vẫn còn nhiều khó khăn.. - Các mô hình TĐL - vận chuyển bùn cát 3 chiều cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về diễn biến và sự tương tác của các quá trình diễn ra trong thủy vực. - Một ví dụ của kết quả mô hình TĐL 2 chiều là kết quả đánh giá biến động của các nêm mặn vùng cửa sông. - Nhiều mô hình 3 chiều đã được áp dụng với các qui mô khác nhau như trong phòng thí nghiệm, hay quy mô các khu vực nhỏ.. - Việc áp dụng mô hình 3 chiều ở quy mô vùng lớn thường gặp khó khăn do thời gian gian tính toán lâu, vì vậy người ta thường chỉ mô phỏng trong phạm vi một vài ngày hoặc một chu kỳ triều. - Việc ứng dụng mô hình 3 chiều cần thiết nhất ở những vùng có cấu trúc thủy động lực và quá trình trầm tích phức tạp với các xoáy và biến động mạnh theo không gian. - Một số mô hình đã được sử dụng rộng rãi nhất phải kể đến như RMA11, ECOMSED, CH3D-SED, Delft-3D. - Khi mô hình CH3D-SED được áp dụng gần đây ở vùng cửa sông Mississippi-Atchafalaya, mô hình này chỉ được dùng để kiểm tra tính chính xác của một giả thuyết về sự sắp xếp đường cong trầm.. - Người ta đã đi đến kết luận rằng một mô hình 2 chiều được xử lý và thiết lập tốt có thể trở thành một công cụ kỹ thuật chuyên nghiệp cho nghiên cứu động lực học công trình bờ. - Một ví dụ khác, O’Connor và Nicholson cung cấp một mô hình 3 chiều đầy đủ bao gồm một mô hình vận chuyển. - Katopodi và Ribberink thông báo về một mô hình tựa 3 chiều (quasi-3D) cho TTLL dựa trên việc giải gần đúng phương trình khuếch tán- bình lưu cho sóng và dòng chảy. - Một mô hình sai phân hữu hạn 3 chiều cho TĐL và vận chuyển TTLL đã được mô tả bởi Cancino và Neves.. - Một trong những kết quả của dự án này là một mô hình kết hợp TĐL- sinh thái vùng thềm lục địa gọi là mô hình COHERENS. - Đây là mô hình tổng hợp của các thành phần vật lý như dòng chảy, nhiệt độ, độ muối, các module sinh vật phù du, các quá trình sinh- địa- hóa, TTLL và module phát tán vật chất theo công thức của Eulerian và Lagrangian. - Tuy nhiên, phần vận chuyển trầm tích trong mô hình này chưa tính đến những biến động của địa hình đáy. - Viện Thủy lực Delft cũng đã phát triển hệ thống mô hình tổng hợp (2D/3D) để mô phỏng điều kiện TĐL và vận chuyển trầm tích dưới ảnh hưởng của các lực khí tượng và thủy triều. - Mô hình này tính đến những biến động của địa hình đáy, quá trình lắng đọng, xói lở và có thể tính kết hợp (coupling) các điều kiện TĐL - sóng và vận chuyển trầm tích ở mỗi bước thời gian (Online) trong quá trình tính toán.. - Đáng chú ý là phần lớn các mô hình TĐL - vận chuyển trầm tích đều giả thiết là phân bố áp suất thủy tĩnh và dùng các sơ đồ phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn, phương pháp chuyển đổi hệ tọa độ thẳng đứng sigma, ảnh hưởng của các lực được phân chia giống nhau lên toàn bộ cột nước. - Phần lớn các mô hình này dùng các biểu diễn đại số để tham số hóa các hệ số rối và dùng các phương trình bán thực nghiệm với các hệ số đã được đơn giản hóa. - Những so sánh, đánh giá về tính năng, khả năng áp dụng, mức độ mạnh yếu của các mô hình được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay đã được so sánh và thảo luận chi tiết trong cuốn “A Review on Coastal Sediment Transport Modelling” của Laurent Amoudry.. - Trong giai đoạn đầu khi các mô hình toán chưa phát triển, các nghiên cứu về vận chuyển TTLL ở vùng biển Việt Nam chủ yếu dựa trên các phân tích đánh giá từ số liệu khảo sát. - Trong những năm gần đây, do sự phát triển của các công cụ tính toán nên mô hình toán học đã dần được đưa vào sử dụng trong việc tính toán TĐL và vận chuyển bùn cát. - Các mô hình được sử dụng nhiều ở Việt Nam là Mike 21 (Viện Địa lý, ĐH Thủy lợi, Viện KTTV và MT), SMS (Viện KTTV và MT, Viện Cơ học, trường ĐHKHTN), MDEC (Trường ĐHKHTN), Delft3D (Viện Tài nguyên và Môi trường biển, Đại học Thủy lợi). - Những lĩnh vực ứng dụng nhiều của mô hình vận chuyển trầm tích như phục vụ đánh giá bồi tụ xói lở vùng cửa sông ven biển Bắc Bộ, vùng ven biển miền Trung và vùng biển Nam Bộ, đánh giá xu thế bồi tụ- xói lở khu vực Cửa Đáy, vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng.. - Trong những nghiên cứu trên, các mô hình vận chuyển trầm tích chủ yếu được dùng để tính toán dự báo cân bằng của các dòng bùn cát ở vùng ven bờ. - Ứng dụng khác liên quan đến mô hình vận chuyển TTLL liên quan đến lĩnh vực môi trường là đánh giá phân bố của TTLL ở các vùng cửa sông ven biển. - Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này như ứng dụng mô hình Mike và SMS đánh giá ảnh hưởng do hoạt động của nhà máy nhiệt điện Mông Dương đến quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng ở khu vực này. - ứng dụng mô hình 3 chiều để nghiên cứu lan truyền TTLL ở vùng biển ven bờ Quảng Ninh. - nghiên cứu phân bố và biến động của TTLL, biến động địa hình đáy khu vực vịnh Hạ Long- Bái Tử Long bằng mô hình 3 chiều (Dellft3D) để phục vụ đánh giá sức tải môi trường của khu vực này. - trên cơ sở ứng dụng mô hình Delft3D các tác giả tại Viện Tài nguyên và Môi trường biển đã thiết lập đồng thời mô hình thủy động lực-sóng và vận chuyển TTLL để đánh giá ảnh hưởng của đập Hòa Bính đến phân bố TTLL ở vùng ven bờ châu thổ sông Hồng.. - Những nghiên cứu liên quan về vận chuyển trầm tích ở khu vực này đã được tiến hành thông qua ứng dụng mô hình toán học trong thời gian gần đây. - Đáng chú ý là nghiên cứu áp dụng mô hình Mike21 để đánh giá điều kiện động lực, dự báo vận chuyển trầm tích khu vực cửa Văn Úc và Lạch Huyện.. - Một số nghiên cứu khác bằng mô hình 3 chiều (3D) cũng đã được thực hiện ở khu vực này.. - Trong Luận văn cao học với nội dung đánh giá đặc trưng TTLL vùng cửa sông ven biển Hải Phòng, tác giả Trần Anh Tú cũng đã sử dụng module chất lượng nước (Delf3d-WAQ) trong mô hình Delft3d để mô phỏng điều kiện TĐL – vận chuyển TTLL. - Tuy nhiên trong nghiên cứu này, tác giả chỉ dùng mô hình 2 chiều và không tính đến các yếu tố sóng nên không thể hiện được sự ảnh hưởng do tương tác của các quá trình thủy động lực- sóng và vận chuyển TTLL ở diễn ra ở khu vực nghiên cứu.. - Việc ứng dụng các mô hình toán học nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích ở nước ta tuy nhiều nhưng vẫn còn có những hạn chế, đặc biệt là vấn đề số liệu đầu vào cho mô hình.. - Nguồn số liệu cung cấp cho các mô hình ở nước ta thường thiếu số lượng, thiếu đồng bộ, hệ thống và cả độ chính xác. - Do đó việc xử lý số liệu đầu vào, hiệu chỉnh các tham số tính toán để lựa chọn được những tham số phù hợp cho mô hình vẫn là một vấn đề tồn tại cần giải quyết trong thời gian tới.. - Điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu 1.2.1. - Để phục vụ cho việc thiết lập mô hình theo các kịch bản tính toán dự báo khác nhau, cần thiết phải xử lý các số liệu thu thập để tạo số liệu đầu vào cho mô hình. - Các cơ sở dữ liệu này cùng cấp số liệu cần thiết để xác định các điều kiện biên mở cho mô hình TĐL vùng ngoài khơi (với lưới tính thô) được lưu trữ ở dạng file Netcdf.. - Phương pháp lưới lồng (phương pháp NESTING trong Delf3d) được sử dụng trong nghiên cứu này để tạo ra các điều kiện biên mở phía biển của mô hình.. - Mô hình toán học. - Trong nghiên cứu này các đối tượng nghiên cứu chủ yếu như TĐL, vận chuyển TTLL được mô hình hóa trên cơ sở mô hình Delft3d. - Đây là mô hình tổng hợp 3 chiều (3D) do Viện Thủy lực Delft (Hà Lan) nghiên cứu phát triển gồm có các module cơ bản như TĐL (Delft3d-Flow), sóng (Delft3d-Wave), vận chuyển bùn cát (Delft3d-Sed), chất lượng nước (Delft3-Waq) và sinh thái học (Delft3d-Eco). - Mô hình này có thể mô phỏng tốt điều kiện TĐL - sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước ở vùng cửa sông ven bờ [34].. - Thiết lập mô hình. - Phạm vi miền tính của mô hình. - Mô hình thuỷ động lực cho khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng sử dụng hệ lưới cong trực giao. - Phạm vi vùng tính của mô hình bao gồm các vùng nước của các cửa sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình và phía ngoài các cửa sông này mở rộng ra phía ngoài.. - Mô hình TĐL khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng được thiết lập và chạy với thời gian là các mùa đặc trưng trong năm (mùa mưa và mùa khô) của các kịch bản khác nhau. - Trong đó hai kịch bản hiện trạng được thiết lập để hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình gồm: mùa mưa (tháng 7-8-9 năm 2009). - Bước thời gian chạy của mô hình thủy động lực là 0,5 phút.. - Hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả của mô hình. - Cơ sở số liệu để hiệu chỉnh mô hình. - Để đánh giá biến động theo thời gian của giá trị vận tốc dòng chảy ở khu vực nghiên cứu, kết quả tính toán của mô hình tại một số điểm đã được phân tích đánh giá trong tương quan với DĐMN. - Một hệ thống mô hình thủy động lực- sóng-vận chuyển TTLL trên cơ sở mô hình Delft3d đã được ứng dụng tính toán đồng thời để nghiên cứu đặc điểm vận chuyển TTLL ở vùng ven biển Hải Phòng. - Các kết quả so sánh giữa tính toán bằng mô hình và quan trắc cho thấy đã có sự phù hợp tương đối và mô hình này có thể được sử dụng như một công cụ để nghiên cứu đặc điểm vận chuyển TTLL cho vùng ven biển Hải Phòng.. - Đặc điểm vận chuyển TTLL ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng biến đổi mạnh theo mùa. - Đỗ Trọng Bình, Trần Anh Tú, Vũ Duy Vĩnh (2010), “Nghiên cứu đánh giá lan truyền các chất gây ô nhiễm khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng bằng mô hình toán học”. - Đinh Văn Ưu, (2009), “Mô hình vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng”. - Đinh Văn Ưu, Đoàn Văn Bộ, Hà Thanh Hương, Phạm Hoàng Lâm, (2005), “Ứng dụng mô hình dòng chảy ba chiều (3D) nghiên cứu quá trình lan truyền chất lơ lửng tại vùng biển ven bờ Quảng Ninh”