- ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC HAI CHIỀU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH THỦY LỰC VÀ TÍNH TOÁN BỒI XÓI Ở VÙNG CỬA SÔNG ĐỊNH AN Nguyễn Phương Tân 1 , Văn Phạm Đăng Trí 2 và Võ Quốc Thành 1. - Bồi lắng, xói lở, cửa sông, mô hình thủy lực hai chiều (CCHE2D), Đồng bằng sông Cửu Long. - Trong những năm gần đây, bồi lắng và xói lở là những vấn đề chính cần được quan tâm ở cửa sông Định An, một trong hai cửa sông của sông Hậu ở Đồng bằng sông Cửu Long. - Quá trình tự nhiên này được dự báo sẽ nghiêm trọng hơn và khó có thể dự đoán được trong tương lai do: (i) quá trình xây dựng và vận hành các đập thủy điện ở thượng nguồn sông Mekong, dẫn đến thay đổi của chế độ dòng chảy và vận chuyển bùn cát dọc dòng sông. - Trong nghiên cứu này, mô hình thủy lực hai chiều (CCHE2D) được sử dụng để xác định động thái dòng chảy, bồi lắng và xói lở ở cửa sông Định An. - Thành phần thủy lực của mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên số liệu đo đạc vào tháng 8 năm 2012;. - thành phần vận chuyển bùn cát của mô hình được tính toán dựa vào các đặc tính thủy lực và số liệu bùn cát tham khảo từ các bài báo (bao gồm: nồng độ bùn cát lơ lửng và vận chuyển bùn cát đáy sông). - vệ tinh từ năm cửa Định An xói lở khoảng 4.5 m/năm và bồi lắng khoảng 9.5 m/năm (Hình 1B) (Nguyễn Việt Thanh et al., 2011). - Hình 1: Vùng nghiên cứu - đoạn cửa sông Định An (cách cửa biển khoảng 7 km) Bảng 1: Mực nước biển dâng (cm) ở các kịch bản (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2012). - Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học máy tính cùng với sự phát triển của kỹ thuật tính toán hiện đại, các mô hình toán thủy lực một chiều (1D) đã được xây dựng và ứng dụng khá nhiều trong việc tìm hiểu động thái thủy lực dòng chảy ở ĐBSCL (Trần Quốc Đạt et al., 2012. - Các mô hình thủy lực 1D hiện nay chỉ. - dừng lại ở mức độ tính toán giá trị thủy lực trung bình ở từng mặt cắt được đưa vào tính toán trong mô hình nhưng không xét đến dòng chảy ngang như trong mô hình thủy lực hai chiều (2D) và ba chiều (3D) vì thế chưa phản ánh đầy đủ bản chất động thái thủy lực dòng chảy. - Hơn nữa, hệ số nhám thủy lực được áp dụng trong mô hình thủy lực 1D (thường) không thay đổi trên một mặt cắt. - Bồi lắng Xói lở. - Do đó, việc xác định động thái thủy lực dòng chảy và sự thay đổi hình thái lòng sông là quá trình phức tạp trong hệ thống sông/kênh tự nhiên và cần có sự hỗ trợ của các mô hình toán thích hợp (Wu, 2007).. - Mô hình thủy lực 2D và 3D mô phỏng chi tiết hơn về sự thay đổi động thái thủy lực dòng chảy cũng như có thể đánh giá sự thay đổi hình thái của một đoạn sông (Wu, 2007). - Do vậy, việc ứng dụng mô hình thủy lực 2D nhằm xác định động thái thủy lực dòng chảy, xu hướng bồi lắng và xói lở ở vùng cửa sông ở ĐBSCL là cần thiết, đặc biệt là trong bối cảnh có sự thay đổi đáng kể của điều kiện thủy văn tự nhiên, tình hình phát triển ở thượng nguồn lưu vực sông Mekong và nước biển dâng. - Hiện nay, một số mô hình thủy lực có khả năng tính toán mô phỏng. - vận chuyển bùn cát và dự báo sự thay đổi hình thái sông như: CCHE2D, Delft2D-River, MIKE21C, TABS-MD và TELEMAC.. - Thiết bị cảm ứng (sensor) dùng để đo giá trị mực nước đầu vào và giá trị mực nước dùng để kiểm định mô hình. - GPS được dùng để xác định vị trí tại điểm đo đạc và điểm xói lở bờ (Hình 2B). - Dữ liệu đo đạc từ ADCP sẽ được xử lý từ phần mềm Winriver II với kết quả có được bao gồm lưu lượng, độ sâu, và vận tốc dòng chảy cho từng mặt cắt (Teledyne RD Instrument, 2007).. - xác định vị trí xói lở ở gần cửa sông (B) 2.2 Mô hình thuỷ lực 2 chiều CCHE2D. - Mô hình thủy lực CCHE2D (có khả năng mô phỏng đặc tính thủy động lực học hai chiều (Langendoen, 2001)) được sử dụng trong nghiên cứu này. - Mô hình này được trường đại học công nghệ Mississippi phát triển nhằm mô phỏng quá trình truyền thuỷ lực, chất lượng nước, vận chuyển bùn cát và biến động lòng dẫn. - Mô hình gồm 3 hợp phần (module) chính sau (Hình 3):. - Hình 3: Thành phần của mô hình CCHE2D. - Mô hình tạo lưới (CCHE2D Mesh Generator): tạo lưới giá trị trên hệ tọa độ cong.. - Mô hình số (CCHE2D Numerical model):. - tính toán quá trình thủy lực.. - Mô hình giao diện đồ họa (CCHE2D- GUI Graphical Users Intreface): nhập các thông số mô. - Hình 4: Hướng dòng chảy theo hai phương x, y Mô hình CCHE2D tính toán vận chuyển bùn cát trong hai lớp: lớp bùn cát phía trên (lớp mặt) và. - lớp bùn cát đáy phía dưới. - trong đó, dòng bùn cát trên chiếm hầu như toàn bộ độ sâu dòng chảy h và dòng bùn cát nằm ở lớp đáy có bề dày khá nhỏ.. - Phương trình truyền tải bùn cát lơ lửng có dạng sau (PT5):. - nồng độ bùn cát (kg/m 3. - hệ số khuếch tán rối của bùn cát (m 2 /s. - bề dày lớp bùn cát đáy (m. - lượng trầm tích xói lở. - nồng độ trung bình của bùn cát tại đáy (kg/m 3. - thành phần chuyển tải bùn cát theo phương x, y (kg/s/m) (Wu, 2001).. - 2.3 Phương pháp giải các phương trình trong mô hình CCHE2D. - vị trí tính toán thành phần vận tốc và mực nước trong lưới tính (B). - 2.4 Thành lập mô hình. - Điều kiện biên tính toán thủy lực: biên trên là chuỗi giá trị lưu lượng (Q) thực đo và biên dưới là chuỗi giá trị mực nước (Z) thực đo (trong khoảng thời gian từ 9 giờ ngày 30/8/2012 đến 3 giờ ngày . - Điều kiện biên tính toán bồi lắng và xói lở tại biên đầu vào:. - Nồng độ bùn cát được gáng là 0.25 kg/m3 và thành phần các hạt bùn cát lơ lửng được xác định như trong Bảng 2 (Wolanski et al., 1996);. - Bùn cát vận chuyển đáy là 0.034 kg/m/s và. - phần các hạt bùn cát đáy sông được xác định như trong Bảng 3 (Albers &. - Wolanski et al., 1996). - Thành phần mẫu bùn cát và độ rỗng được xác định như Bảng 4 (Rijn, 1993. - Bảng 2: Thành phần bùn cát lơ lửng. - Bảng 3: Thành phần bùn cát đáy sông. - Bảng 4: Thành phần mẫu bùn cát Kích thước. - (mm) Thành phần. - 2.5 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Tính toán thủy lực: mô hình được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi hệ số nhám thủy lực Manning’s n dựa vào độ sâu cột nước. - Hệ số nhám thủy lực của sông/kênh tự nhiên trên nền phù sa ở vùng đồng bằng được xác định nằm trong khoảng Chow, 1959). - Dựa vào khoảng giá trị này, hệ số nhám thủy lực được thay đổi thông qua phương pháp thử sai (Phạm Thế Bảo, 2009) cho đến khi tìm ra hệ số nhám thích hợp cho quá trình mô phỏng (giá trị mô phỏng gần bằng giá trị thực đo).. - Hệ số nhám thủy lực được tính phương pháp giảm dần theo chiều sâu cột nước (Picado et al., 2010);. - Trong đó: n i : hệ số nhám thủy lực tại nút i (s/m 1/3. - n min , n max : hệ số nhám thủy lực lớn nhất và nhỏ nhất (s/m 1/3. - Sau khi hiệu chỉnh, mô hình được kiểm định bằng giá trị mực nước đo đạc từ 9 giờ 30 phút ngày 30/8/2012 đến 3 giờ 30 phút ngày 31/8/2012.. - Phương pháp kiểm định này dựa trên nền tảng của việc ứng dụng mô hình kiểm định nội tại (internal validation) (Shading et al., 2002).. - Tính toán xói lở: trong mô hình bồi xói ở cửa sông Định An, 3 hệ số cần quan tâm bao gồm: hệ số phù hợp của bùn cát lơ lửng , độ rỗng của mẫu bùn cát p ’ và chiều dài lưới tính phù hợp của bùn cát đáy sông L s . - d 50 : kích thước trung bình của hạt bùn cát đáy sông (mm. - tỷ trọng của bùn cát (kg/m 3. - trọng lượng riêng của bùn cát (N/m 3. - Wu và Li (1992) đề nghị rằng hệ số phù hợp của bùn cát lơ lửng: =1 cho trường hợp xói lở mạnh. - =0.5 cho trường hợp bồi lắng và xói lở yếu. - Zuo Xue et al., 2012) nên hệ số =0.25 được lựa chọn để tính toán quá trình bồi lắng và xói lở.. - Theo nghiên cứu của Xue et al. - (2010) bùn cát lơ lửng ở cửa sông Định An có độ rỗng cao và thành phần bùn cát chủ yếu là sét, bùn và cát. - Sự bồi lắng của các thành phần bùn cát trên có độ rỗng khoảng 0.8 (Rijn, 1993). - do đó, trong mô hình này, giá trị độ rỗng (bằng) 0.8 được áp dụng.. - Trong điều kiện giới hạn về số liệu để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, bên cạnh việc so sánh giữa số liệu mực nước mô phỏng và mực nước thực đo để kiểm chứng tính phù hợp của mô hình về khía cạnh thủy lực, kết quả mô phỏng bồi / xói bờ sông của mô hình còn dựa vào điều kiện khảo sát thực tế ngoài đồng.. - 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả tính toán thủy lực. - Mô hình được hiệu chỉnh thông qua việc thay đổi hệ số nhám thủy lực Manning’s n. - với hệ số nhám thủy lực nằm trong khoảng s/m 1/3. - Ngoài ra, hệ số nhám được áp dụng trong mô hình phù hợp với hệ số nhám trong nghiên cứu trước đây của Trần Quốc Đạt, et al. - Bên cạnh đó, mô hình cũng đã được kiểm định (Hình 7 B) (hệ số Nash Sutcliffe NS=0.98). - điều này cho thấy mô hình có thể được sử dụng để mô phỏng động thái thủy lực dòng chảy trên nhánh sông nghiên cứu.. - Hình 7: Mực nước thực đo và mô phỏng tại điểm quan sát Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt 2 (Hình 6) đạt. - vận tốc dòng chảy trên một mặt cắt ngang. - Hình 8: Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt 2 tại thời điểm 18 giờ (A) và 20 giờ (B). - Hình 9: Mực nước tại mặt cắt 2 tại thời điểm 18 giờ (A) và 20 giờ (B) 3.2 Kết quả tính toán bồi lắng và xói lở. - Kết quả tính toán bồi lắng và xói lở tại mặt cắt 1 (Hình 6) cho thấy sau thời gian mô phỏng có sự xói lở bờ Cù Lao Dung cụ thể là 1.9 x 10-6 m (Hình 10 A), xói lở ở bờ Cù Lao Dung tại mặt cắt 3. - Sự xói lở bờ trái tại hai vị trí (mặt cắt 1 và 3) phù hợp với vị trí xác định xói lở bờ trong chuyến khảo sát thực địa (Hình 2 B). - dòng chảy ở mặt cắt 1 (Hình 11 A) và mặt cắt 3 (Hình 11 B) luôn hướng vào bờ Cù Lao Dung - đây. - có thể là nguyên gây ra xói lở ở bờ Cù Lao Dung trong thực tế.. - Hình 11: Hướng vận tốc dòng chảy ở mặt cắt 1(A) và 2 (B) tại bờ Cù Lao Dung Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt số 1 (Hình 12 A). - vận tốc dòng chảy tại mặt cắt số 3 (Hình 12 B) tại phía bờ Trà Vinh có hướng dòng chảy vào bờ Trà Vinh rất ít – đây có thể là nguyên nhân gây ra bồi lắng ở vị trí này.. - Hình 12: Hướng vận tốc dòng chảy ở mặt cắt 1(A) và 2 (B) tại bờ tại bờ Trà Vinh. - Bồi lắng và xói lở là tình trạng chung của các cửa sông ven biển ĐBSCL với quy mô không gian và thời gian khác nhau. - Kết quả tính toán cho thấy vùng cửa sông Định An có xu hướng xói lở dọc bờ Cù Lao Dung.. - Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình thủy lực hai chiều (CCHE2D) có thể mô phỏng động thái thủy lực dòng chảy trên đoạn sông nghiên cứu với độ tin cậy cao, có triển vọng ứng dụng nghiên cứu trên hệ thống các nhánh sông ở ĐBSCL. - Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và số liệu đo đạc, nghiên cứu này chỉ được thực hiện nhằm mô phỏng đặc tính thủy lực dòng chảy (trên đoạn sông nghiên cứu) trong thời gian ngắn nên chưa phản ánh đầy đủ đặc tính thủy lực cũng như sự thay đổi hình thái lòng sông. - Hiện nay, phần lớn các ứng dụng mô hình thủy lực ở ĐBSCL còn bị hạn chế về mặt số liệu (số liệu đo đạc đã cũ hoặc không có số liệu thực đo). - Trong bối cảnh có sự thay đổi lớn về lưu lượng và hình thái lòng sông, việc áp dụng các thiết bị đo đạc hiện đại (như thiết bị ADCP, thiết bị đo mực nước bằng sensor) để thu thập các số liệu thực tế nhằm mục tiêu phục vụ cho việc nghiên cứu động thái địa mạo và thủy lực là điều cần được quan tâm.. - Ứng dụng mô hình toán thủy lực một chiều đánh giá và dự báo tình hình xâm nhập mặn trên hệ thống sông chính trên địa bàn tỉnh Trà Vinh. - Thủy Lực Tập 2