Giáo trình Mô hình hóa quá trình diễn biến hình thái cửa biển lý tưởng bằng mô hình động lực hình thái hai chiều - Trần Thanh Tùng

Nội dung text: Giáo trình Mô hình hóa quá trình diễn biến hình thái cửa biển lý tưởng bằng mô hình động lực hình thái hai chiều - Trần Thanh Tùng

1. M« h×nh hãa qu¸ tr×nh diÔn biÕn h×nh th¸i cöa biÓn lý t­ëng b»ng m« h×nh ®éng lùc h×nh th¸i hai chiÒu TrÇn Thanh Tïng Khoa Kỹ thuật Biển, Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu diễn biến hình thái, động lực của một cửa biển lý tưởng dưới các tác động khác nhau của sóng và dòng chảy bằng mô hình hình thái dạng quá trình Delft-3D do Viện Thủy lực Delft, Hà Lan (WL| Delft Hydraulics) phát triển. Mặc dù nghiên cứu chỉ tiến hành mô phỏng các diễn biến của một cửa biển lý tưởng nhưng các phân tích diễn biến hình thái cho thấy sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng với các hệ số tương quan ổn định cửa và các hiện tượng dòng chảy và biến đổi hình thái diễn ra trong tự nhiên. Các kết quả nghiên cứu bổ xung thêm những hiểu biết thấu đáo hơn về quá trình diễn biến cửa đồng thời giúp lý giải các hiện tượng diễn biến cửa xảy ra trong thực tế. Bước đầu lượng hóa các hệ số ổn định kinh nghiệm và tương quan giữa các yếu tố động lực sóng và dòng chảy tới sự ổn định và quá trình diễn biến cửa. 1. Giới thiệu chung và diện tích mặt cắt ngang cửa (V~Ac). Hệ số Các diễn biến hình thái tại một cửa biển dưới kinh nghiệm trong các tương quan trên được xác tác động của sóng và dòng chảy là một quá trình định dựa trên các số liệu đo đạc tại nhiều cửa phức tạp. Một phần là do bản thân các tương tác biển trên thế giới. Tuy nhiên vì mỗi một cửa biển giữa sóng, dòng chảy, vận chuyển bùn cát và có một đặc tính thủy động lực học và hình thái biến đổi địa hình đáy tại khu vực cửa rất phức tạp cũng như điều kiện địa chất riêng nên chỉ có thể và còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu một đánh giá một cách định tính mức độ ổn định của cách đầy đủ và thỏa đáng. Mặt khác, các yếu tố cửa mà không thể lượng hóa cũng như dự báo động lực tham gia vào quá trình diễn biến cửa được trạng ổn định của cửa theo thời đoạn dài. như sóng, dòng chảy, mực nước liên tục biến đổi Nghiên cứu diễn biến hình thái cửa biển có theo không gian và thời gian. thể được tiến hành dựa trên phân tích các tương Thông thường, một cửa biển có thể duy trì ở quan kinh nghiệm thông qua các số liệu đo đạc trạng thái cân bằng “ổn định” khi các yếu tố động địa hình và các đặc trưng hình thái cửa tại các lực tác động tới cửa cân bằng với nhau. Tuy thời điểm khác nhau trong quá khứ. Tuy nhiên vì nhiên trạng thái cân bằng ổn định này có thể bị không phải lúc nào và tại bất kỳ một cửa biển phá vỡ khi cửa chịu tác động của các hiện tượng nào cũng có số liệu đo đạc đầy đủ và hệ thống, thời tiết bất thường hoặc do sự can thiệp của của mặt khác các đo đạc này hiếm khi được thực hiện con người. Cửa cũng có thể chuyển từ trạng thái một cách liên tục nên nếu chỉ dựa vào số liệu đo cân bằng ổn định sang trạng thái không ổn định đạc tại các thời điểm rời rạc sẽ rất khó lượng hóa do quá trình phát triển suy tàn tự nhiên của cửa. các diễn biến cửa trong thời đoạn dài. Nghiên Để đánh giá khái quát trạng thái ổn định và khả cứu cửa cũng có thể được tiến hành trên mô hình năng bồi lấp của một cửa biển, hệ số ổn định vật lý, tuy nhiên các nghiên cứu dạng này khá tương đối của Brunn và Gerritsen (1960) hay phức tạp và tốn kém khi cần phải tái tạo các diễn đường cong ổn định Escoffier (1940) thường hay biến tự nhiên của cửa trong phòng thí nghiệm. được sử dụng. Hệ số ổn định tương đối của Một phần vì chúng được quy định và khống chế Brunn và Gerritsen (1960) biểu thị tương quan bởi các luật tương tự khi sử dụng tỷ lệ thu nhỏ giữa thể tích lăng trụ triều trao đổi qua cửa với mô hình, bị hạn chế bởi kỹ thuật tái tạo các tác lượng bùn cát tổng cộng vận chuyển dọc bờ (r = động của sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát P/Mtot). Đường cong ổn định Escoffier (1940) đối với cửa; bởi kỹ thuật và thiết bị đo đạc và hạn biểu thị quan hệ giữa vận tốc dòng chảy qua cửa chế bởi phạm vi nghiên cứu cũng như thời đoạn 19
2. nghiên cứu. Chỉ có một số ít phỏng thí nghiệm về mô hình Delft-3D có thể tham khảo tại Lesser et trên thế giới có đủ điều kiện để tiến hành các mô al. (2004) hoặc Roelvink (2006). phỏng dạng này. Hiện nay, công cụ mô hình toán a/ Mô đun Dòng chảy đang dần thay thế các phương pháp mô phỏng Mô-đun dòng chảy (FLOW) là chương trình bằng mô hình vật lý và trở thành công cụ hỗ trợ thủy động lực học mô phỏng chế độ dòng chảy hiệu quả cho các phân tích tương quan kinh xây dựng trên cơ sở giải hệ phương trình thủy lực nghiệm, khi khả năng mô phỏng các hiện tượng không ổn định viết cho vùng nước nông, trên và quá trình dòng chảy và diễn biến hình thái lưới sai phân cong so le, sử dụng lược đồ ADI trong tự nhiên của mô hình toán ngày càng trở (Lesser et al, 2004). Các hiện tượng thủy triều; nên linh hoạt và sát với thực tế hơn. Các hạn chế dòng chảy do sóng hoặc do gió tạo ra; dòng mật trước kia về tính ổn định, phạm vi tính toán, độ hoặc dòng chảy phân tầng đều được xét tới bước thời gian tính toán và thời đoạn tính toán trong quá trình mô phỏng. Biến đổi địa hình đáy, của mô hình toán đã dần được khắc phục cùng biến thiên mực nước và các thay đổi của trường với sự phát triển của các phương pháp tính và tốc dòng chảy được tích hợp trong quá trình mô độ tính toán ngày càng nhanh của máy tính điện phỏng dòng chảy tại từng bước thời gian tính tử. toán. Trong các phiên bản cũ của mô hình Delft- Nghiên cứu này sẽ trình bày một ứng dụng của mô hình hình thái dạng quá trình trong nghiên cứu diễn biến của một cửa biển lý tưởng tương ứng với các điều kiện biên khác nhau của sóng và dòng chảy. 2. Mô hình động lực hình thái hai chiều 2.1 Giới thiệu chung về mô hình Delft-3D Để mô hình hóa các diễn biến hình thái tại 1 cửa biển dưới tác động của sóng và dòng chảy, mô hình Delft 3D, mô hình động lực hình thái dạng quá trình đã được Hình 1. Sơ đồ các mô đun và liên kết giữa các khối tính toán sử dụng trong nghiên cứu. Mục của mô hình Delft 3D tiêu của nghiên cứu nhằm khảo sát diễn biến của 3D, các mô đun sóng, dòng chảy, vận chuyển một cửa biển lý tưởng tương ứng với các tác động bùn cát và biến đổi địa hình đáy được điều khiển khác nhau của biên độ triều, và năng lượng sóng. qua mô đun trung tâm. Trong phiên bản mới của Mô hình Delft 3D, do Viện Thủy lực Delft (WL| mô hình Delft-3D, mô đun dòng chảy là khối Delft Hydraulics) phát triển, được thiết kế nhằm mô tính toán chính được tích hợp với các mô đun phỏng quá trình dòng chảy, sóng, chất lượng nước, vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình đáy trên vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình đáy cho cùng 1 lưới tính (hình 1). Tương tác giữa sóng, sông thiên nhiên, cho vùng cửa sông hay bờ biển. dòng chảy, địa hình được liên tục cập nhật giữa Mô hình bao gồm nhiều mô đun tính toán riêng rẽ hai mô đun sóng và dòng chảy tùy theo bước thời được tích hợp trong một sản phẩm phần mềm bao gian do người dùng xác lập. gồm mô đun dòng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát b/ Mô đun Sóng và biến đổi địa hình đáy, vv như sơ đồ ở hình 1. Hệ Mô đun sóng trong mô hình Delft-3D sử dụng phương trình cơ bản của mô hình Delft-3D, các mô mô hình sóng thế hệ hai của HISWA hoặc mô đun tính toán chính được sử dụng trong nghiên cứu hình sóng toàn phổ thế hệ ba SWAN này sẽ được trình bày tóm tắt trong mục này. Chi tiết (Holthuijsen et al., 1997). Nó cho phép mô 20
3. phỏng các hiện tượng lan truyền sóng từ vùng đáy. Vận chuyển bùn cát lơ lửng được xác định nước sâu vào bờ và có xét tới các tương tác sóng bằng cách lấy tích phân theo độ sâu phương trình và dòng chảy, tính toán dòng chảy hình thành do khuyếch tán đối lưu của bùn cát lơ lửng. Vận sóng. Mô đun sóng và mô đun dòng chảy được chuyển bùn cát đáy được tính toán một cách liên kết thông qua tính năng “wave online”. Các riêng rẽ tại lớp dòng chảy sát đáy sử dụng công tính toán của mô đun sóng được thực hiện sau thức vận chuyển bùn cát đáy có kể tới ảnh hưởng mỗi N bước tính của mô đun dòng chảy (xem của sóng và dòng chảy của Vanrijn (2001). hình 1). Tại thời điểm này, mô đun sóng được 1.2 Hệ phương trình cơ bản cập nhật mới các thông số địa hình đáy, mực Như đã giới thiệu ở phần trước, mô đun dòng nước và trường vận tốc; ngược lại các thông số chảy của mô hình Delft-3D (FLOW modun) chiều cao sóng, chu kỳ sóng và hướng sóng cũng được xây dựng trên cơ sở giải hệ phương trình như vận tốc dòng chảy do sóng tạo ra được cập thủy lực không ổn định hai chiều (lấy trung bình nhật trở lại mô đun dòng chảy. theo độ sâu) hoặc 3 chiều trong vùng nước nông. c/ Tính toán vận chuyển bùn cát và biến đổi Hệ phương trình cơ bản bao gồm phương trình địa hình đáy trực tuyến chuyển động 2 chiều hoặc 3 chiều, phương trình Tính toán vận chuyển bùn cát và biến đổi địa liên tục dòng chảy và phương trình liên tục bùn hình đáy trực tuyến là tính năng mới trong mô cát (hay còn gọi là phương trình vận chuyển). Hệ đun dòng chảy của mô hình Delft-3D. Thay bằng phương trình thủy cơ bản được giải trên lưới tính cách sử dụng khối điều khiển trung tâm gọi đến hình chữ nhật trong hệ tọa độ đề-các (Cartesian), mô đun bùn cát và mô đun hình thái, trong mô hoặc trên lưới cong (orthogonal curlinear) hoặc đun dòng chảy địa hình đáy được cập nhật liên trên lưới hình cầu (spherical grid). tục sau mỗi bước tính dòng chảy và sử dụng địa a) Phương trình chuyển động hai chiều hình đáy mới được cập nhật để tính toán lại Phương trình chuyển động hai chiều trong hệ trường dòng chảy. Vận chuyển bùn cát được chia phương trình cơ bản có dạng sau thành 2 thành phần: bùn cát lơ lửng và bùn cát UUUUU   1 1   U V fV Px F x M x 2  v t  x  y h  0 h     VVVVV   1 1   U V fU Py F y M y 2  v t  x  y h  0 h     Trong đó: Trong đó:  là cao trình mặt nước U,V là thành phần lưu tốc theo phương x và y S là thành phần lượng vào/ra trên 1 đơn vị diện Px,Py là thành phần áp lực theo phương x và y tích bề mặt (do bốc hơi, mưa, hoặc do lưu lượng Fx,Fy là ứng suất Reynold theo phương x và y chảy đến hoặc chảy ra khỏi khối chất lỏng) Mx,My là các thành phần mômen của các c) Phương trình vận chuyển ngoại lực theo phương x và y Dòng chảy trong sông thiên nhiên, ở khu vực x,y, là trục x, trục y và trục z cửa sông hay bờ biển thường tham gia vào quá h là độ sâu nước trình vận chuyển các chất lơ lửng, tham gia vào b) Phương trình liên tục chất lỏng quá trình lan truyền nhiệt hoặc lan truyền độ Phương trình liên tục chất lỏng, lấy trung mặn. Trong mô đun Dòng chảy, quá trình vận bình theo độ sâu được viết như sau chuyển các chất lơ lửng hoặc quá trình lan truyền nhiệt được mô hình hóa bằng phương   hU  hV S trình khuyếch tán - đối lưu trên hệ tọa độ 3 t  x  y chiều có dạng như sau: hc  hUc  hVc  c  c   c 1   c h DHHV D D hS t  x  y   x  x  y  y h     21
4. Trong đó 3. Mô phỏng diễn biến cửa bằng mô hình S: biểu thị lượng vào/ra trên 1 đơn vị diện hình thái hai chiều tích Phần trên đã giới thiệu sơ bộ về tính năng, DH,DV là thành phần khuyếch tán theo các mô đun toán chính và hệ phương trình cơ phương ngang và thẳng đứng bản của mô hình Delft-3D. Trong phần này các H, V là hệ số nhớt theo phương ngang và diễn biến hình thái 2 chiều của một cửa biển lý thẳng đứng tưởng được khảo sát tương ứng với các điều  là thành phần vận tốc theo phương thẳng kiện biên khác nhau của sóng và thủy triều sử đứng dụng mô hình Delft-3D. Với giả thiết sóng và c biểu thị nồng độ bùn cát hoặc mật độ của dòng chảy là các yếu tố động lực chính có vai chất lỏng trò chi phối quá trình diễn biến cửa, nghiên cứu Phương trình vận chuyển có thể dùng để mô này sẽ không xét tới ảnh hưởng của hiện tượng phỏng quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng phân tầng dòng chảy do nhiệt độ hay độ mặn trong sông thiên nhiên, ở khu vực cửa sông hay tới diễn biến cửa. Cách xây dựng lưới tính, bờ biển. thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu, d) Vận chuyển bùn cát đáy nội dung của các kịch bản mô phỏng cho mô Trong mô hình Delft-3D, vận chuyển bùn hình cửa biển lý tưởng sẽ được giới thiệu ở cát đáy dưới tác động của sóng và dòng chảy phần tiếp theo. Các kết quả mô phỏng diễn được tính toán cho lớp dòng chảy sát đáy. Độ biến cửa sẽ được phân tích và trình bày ở phần lớn và hướng vận chuyển bùn cát đáy trên bề cuối của mục này. mặt đáy nằm ngang được tính toán theo 3.1 Thiết lập lưới tính, điều kiện biên, phương pháp của Van Rijn (2001), có xét tới điều kiện ban đầu và kịch bản mô phỏng thành phần vận tốc quỹ đạo sóng bất đối xứng. a) Thiết lập lưới tính Công thức vận chuyển bùn cát đáy của Van Một cửa biển dạng lý tưởng được thiết lập Rijn (2001) có dạng như sau: để mô phỏng quá trình diễn biến cửa bằng mô 0.5 0.7 Sb 0.006 s ws M M e hình Delft-3D. Mô hình cửa biển lý tưởng được Trong đó thiết lập bao gồm 3 phần: 1 cửa biển cắt ngang qua dải cát dọc bờ; kết nối giữa lưu vực bên |Sb| là độ lớn của bùn cát được vận chuyển ở đáy  lượng bùn cát có trong lớp dòng chảy sát đáy trong cửa với biển. Tương ứng, lưới tính của M:hệ số dịch chuyển bùn cát đáy do tác mô hình cửa biển lý tưởng được xây dựng bao động của sóng và dòng chảy gồm 3 phần: ở trên cùng là lưới tính phía biển, ở giữa là cửa biển và bên dưới là phần lưới tính Me: là hệ số dịch chuyển bùn cát vượt quá (tới hạn) của lưu vực. Hình 2. Lưới tính và địa hình của cửa biển lý tượng mô phỏng bằng mô hình Delft 3D 22
5. Lưới tính được thiết lập sao cho có độ phân kiện ổn định Courant, bước thời gian tính toán giải của ô lưới tại vị trí cửa và trong vùng sóng trong mô đun dòng chảy được lấy bằng 15 vỡ là mịn nhất. Tại các biên của phần lưới tính giây. phía ngoài biển và bên trong trong lưu vực độ Tác dụng của sóng đối với diễn biến cửa phân giải của ô lưới được lấy thô hơn để giảm biển được mô phỏng trong mô đun Sóng thông bớt số lượng ô lưới tính toán và vì diễn biến qua các điều kiện sóng ở vùng nước sâu, được hình thái ở các khu vực này không nằm trong định nghĩa tại biên ngoài cùng phía biển và tại mục tiêu nghiên cứu. Độ phân giải của lưới 2 hai biên bên của phần lưới tính phía ngoài tính theo chiều dọc được lấy mịn nhất ở vùng biển (hình 1). Tại các biên này, chiều cao sóng, sóng vỡ (kích thước ô lưới bằng 40 m) và thô hướng sóng và chu kỳ sóng được lấy bằng giá nhất tại biên phía biển (kích thước ô lưới bằng trị trung bình đại diện cho đặc trưng sóng trong 200 m). Theo chiều ngang, kích thước ô lưới điều kiện thời tiết bình thường. Chiều cao sóng mịn nhất tại vị trí cửa (60 m) và tăng dần ra 2 có nghĩa lấy trung bình bằng 1,5 mét, chu kỳ biên phía trái và phải của lưới tính (200 m). sóng là 7 giây, hướng sóng tới dao động từ 315 Tổng cộng có 110 ô lưới theo phương ngang độ đến 355 độ so với phương Bắc tương ứng (theo hướng từ tây sang đông) và 68 ô lưới với từng kịch bản mô phỏng. Các thông số địa theo phương dọc (theo hướng bắc-nam). Kích hình, dòng chảy, mực nước và các tham số thước thực của phần lưới tính phía ngoài biển sóng được cập nhật liên tục giữa mô đun dòng là 13 km × 3 km và phần lưới tính của lưu vực chảy và mô đun sóng theo bước thời gian do trong cửa là 4 km × 3 km. Biên phía biển được người sử dụng mô hình xác lập. Để đảm bảo độ gán tại các ô lưới ngoài cùng, ở độ sâu 10 mét; chính xác trong quá trình tính toán, đồng thời Địa hình đáy của lưu vực bên trong cửa được tối ưu thời gian mô phỏng, các thông số địa lấy đồng nhất có độ sâu 2 mét. Cửa biển được hình, dòng chảy, mực nước và sóng được cập đặt tại giữa lưới tính với kích thước cửa bằng nhật 20 phút/lần giữa hai mô đun. Bùn cát đáy 700 m × 400 m. được lấy đồng nhất trên toàn bộ ô lưới tính b) Điều kiện biên và điều kiện ban đầu toán và có đường kính trung bình (D50) bằng Để mô phỏng tác dụng của dòng triều tới 0.25 mm. Để tính vận chuyển bùn cát đáy do diễn biến cửa, trong mô đun dòng chảy của mô tác động của sóng và dòng chảy, nghiên cứu hình Delft-3D đã sử dụng các sóng triều đều, này sử dụng công thức tính toán vận chuyển mô tả dưới dạng hàm điều hòa có biên độ triều bùn cát của Van Rijn (2001). dao động từ 0,1 m đến 0,75 mét; chu kỳ triều là Điều kiện ban đầu được xác lập thông qua 12 giờ (tương ứng với chế độ bán nhật triều) mực nước và nồng độ bùn cát lơ lửng tại tất cả tương ứng với các kịch bản mô phỏng. Biên các ô lưới trên miền tính toán. Mực nước ban thủy triều được gán tại ô lưới ngoài cùng phía đầu được lấy bằng mực nước tĩnh có giá trị biển (hình 1). Để đảm bảo sự ổn định trong quá bằng 0 và nồng độ bùn cát lơ lửng ban đầu có trình mô phỏng dòng chảy, căn cứ theo điều giá trị bằng 0 c) Kịch bản tính toán Bảng 1. Các kịch bản mô phỏng mô tả sự biến đổi biên độ triều và hướng sóng tới Biên độ Đặc trưng sóng Biên độ Đặc trưng sóng RUN-ID triều RUN-ID triều Hướng H (m) T (s) Hướng H (m) T (s) (cm) s (cm) s W-315 25 45 1.5 7.0 H-10 10 35 1.5 7.0 W-335 25 25 1.5 7.0 H-25 25 35 1.5 7.0 W-345 25 15 1.5 7.0 H-50 50 35 1.5 7.0 W-355 25 5 1.5 7.0 H-75 75 35 1.5 7.0 23
6. Hai nhóm kịch bản mô phỏng chính được sử phỏng hướng sóng tới khác nhau được mô tả ở dụng trong nghiên cứu diễn biến cửa. Nhóm hình 3. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phát triển thứ nhất gồm 4 kịch bản, mô phỏng diễn biến của các doi cát chắn cửa theo hướng sóng tới ở cửa tương ứng với các biên độ triều khác nhau cả 4 trường hợp và sự phát triển của các bãi bồi và nhóm thứ hai mô phỏng diễn biến cửa tương triều rút (ebb shoal) phía ngoài cửa. Vị trí, hình ứng với các hướng sóng tới khác nhau (bảng dạng của các bãi bồi triều rút phía ngoài cửa phụ 1). Tất cả các kịch mô phỏng đều sử dụng thuộc vào hướng sóng tới, mà tương ứng là chung một địa hình đáy, lưới tính, các điều lượng bùn cát vận chuyển dọc bờ. Phía bên trong kiện biên, điều kiện ban đầu và các tham số của cửa, có thể thấy sự hình thành của các bãi bồi khi mô hình tương tự nhau. Thời gian mô phỏng triều lên (flood shoal). Kích thước và vị trí của của các kịch bản là 20 ngày. Để khắc phục sự các bãi bồi này chủ yếu chỉ phụ thuộc vào biên khác biệt về bước thời gian tính toán giữa các độ và chu kỳ triều. Do cả 4 kịch bản mô phỏng quá trình thủy động lực học với các quá trình đều có cùng 1 giá trị biên độ và chu kỳ triều nên diễn biến hình thái, mô hình sử dụng hệ số gia vị trí và kích thước của các bãi bồi này không có tăng hình thái (morphological factor = 10). sự khác biệt nào lớn. Sau 20 ngày, chiều rộng 3.2 Phân tích kết quả mô phỏng diễn biến cửa cửa bị thu hẹp từ 50% (trường hợp mô phỏng W- a) Nhóm kịch bản 1- Biến đổi hướng sóng 355) đến 75% (trường hợp mô phỏng W-315) so Diễn biến cửa và biến đổi địa hình đáy tại khu với kích thước ban đầu. Hướng sóng tới càng lớn vực lân cận cửa tương ứng với các kịch bản mô thì mức độ thu hẹp cửa càng nhiều. Hình 3 - Diễn biến cửa tương ứng với các hướng sóng đến khác nhau Sự khác biệt về hướng sóng đến trong 4 tại các bãi bồi triều rút. Tại kịch bản mô kịch bản mô phỏng dẫn tới sự khác biệt của phỏng W-345 và W-355, khi sóng tới tạo địa hình đáy của lạch triều (inlet channel) và thành 1 góc 15 độ (so với phương vuông 24
7. góc với đường bờ), lạch triều qua cửa gần trình bày ở hình 7. Sự khác nhau về độ lớn của như hướng vuông góc với đường bờ, thu hẹp biên độ triều đã tạo nên sự khác biệt lớn của dần khi chảy qua cửa và mở rộng ở phần địa hình đáy tại 4 kịch bản mô phỏng. Tại kịch ngoài biển. Hình dạng của lạch triều có dạng bản mô phỏng đầu tiên (H-10, tương ứng với dùi trống. Ngược lại, ở kịch bản mô phỏng biên độ triều bằng 10 cm) hệ số ổn định tương W-315 và W-335, đoạn lạch triều bên ngoài đối r = P/Mtot 15. Theo Bruun và Gerritsen cửa về phía biển bị uốn cong về phía khuất (1960), với r 20, cửa ở trạng thái không ổn sóng do góc sóng tới lớn hơn nhiều so với 2 định, dễ bị bồi lấp do năng lượng dòng triều có kịch bản ban đầu. Lạch triều có xu thế dịch vai trò duy trì trạng thái mở cửa nhỏ hơn nhiều chuyển theo phương vuông góc so với hướng so với năng lượng sóng có vai trò vận chuyển sóng tới. Trong cả 4 trường hợp, bãi biển hạ bùn cát gây bồi lấp cửa. Cửa bị bồi nông dần lưu cửa đều có xu thế bồi vì đây vừa là vùng và thu hẹp chiều rộng, tốc độ bồi nông và thu khuất sóng, vừa là nơi tiếp nhận bùn cát được hẹp giảm dần theo thời gian. Do vận tốc dòng dòng triều rút vận chuyển từ bên trong lưu triều qua cửa rất nhỏ nên bên trong lưu vực chỉ vực ra ngoài cửa. hình thành một bãi bồi triều lên có kích thước Nhóm kịch bản 2- Biến đổi biên độ triều không đánh kể. Cửa duy trì ở trạng thái nông, Địa hình đáy tại khu vực cửa của 4 kịch bản hẹp, dòng chảy qua cửa rất nhỏ cho đến khi kết mô phỏng có biên độ triều từ nhỏ đến lớn được thúc thời gian mô phỏng. Hình 4. Diễn biến cửa tương ứng với các biên độ triều khác nhau Ở các kịch bản mô phỏng tiếp theo, sự phát so với kích thước ban đầu, nhưng chiều sâu triển của lạch sâu tại cửa và các bãi bồi triều tăng tỷ lệ thuận với biên độ triều. Do các sóng lên bên trong lưu vực có tương quan tỷ lệ thuận tác động tới cửa trong kịch bản mô phỏng có với độ lớn của biên độ triều và vận tốc dòng hướng từ trái qua phải nên lạch triều tại cửa triều qua cửa. Chiều rộng cửa thu hẹp hơn 2/3 cũng dịch chuyển một cách tương ứng về phía 25
8. phải. Đoạn lạch triều phía ngoài cửa bị uốn Bruun và Gerritsen (1960), khi 100 > (P/Mtot) > cong về phía phải tương ứng với các tác động 50, cửa ở trạng thái ổn định tương đối, các cồn sóng phía ngoài cửa. Tác động này thể hiện rõ ngầm và bãi bồi phía ngoài cửa có kích thước nhất ở kịch bản mô phỏng H-75 và H-50. Sự khá lớn, các cồn ngầm chắn cửa có thể bị dòng khác nhau về biên độ triều trong nhóm kịch triều rút chia cắt. Hình thức chuyển cát ngang bản mô phỏng cho thấy sự khác biệt về kích qua cửa thông qua các cồn ngầm hoặc bãi bồi thước, tính chất của các bãi bồi khi triều lên, khi triều rút thể hiện rõ rệt nhất. Hình 8 minh triều rút và chế độ chuyển cát ngang qua cửa họa quá trình chuyển cát ngang cửa thông qua trong từng trường hợp mô phỏng. Theo kịch sự hình thành và phát triển của bãi bồi triều rút bản mô phỏng H-75, tỷ số (P/Mtot) 85. Theo theo thời gian trong kịch bản mô phỏng H-75. 4. KẾT LUẬN lấp dần. Nếu tỷ số giữa năng lượng dòng Tại hầu hết các bờ biển có ảnh hưởng của triều với năng lượng sóng thể hiện qua tỷ số dòng vận chuyển bùn cát ven bờ, sự tồn tại P/Mtot > 150, thì cửa sẽ được duy trì ở trạng và phát triển của cửa biển phụ thuộc vào thái ổn định cân bằng; ngược lại khi tỷ số tương quan giữa dòng triều có vai trò duy trì P/Mtot < 20 (tương ứng với năng lượng dòng chiều rộng cửa và năng lượng sóng ở vùng triều nhỏ hơn nhiều so với năng lượng sóng) ven bờ có vai trò vận chuyển bùn cát gây bồi thì cửa ở trạng không ổn định, bị bồi nông và lấp cửa. Quá trình diễn biến hình thái của thu hẹp dần cho đến khi bị lấp hẳn. Tương một cửa biển dạng lý tưởng đã được khảo sát quan này có thể thấy rõ qua kết quả mô bằng mô hình hình thái dạng quá trình Delft- phỏng ở nhóm kịch bản thứ 2. Các kết quả 3D trong nghiên cứu. Các kết quả mô phỏng mô phỏng cũng cho thấy sóng là yếu tố động cho thấy vai trò của sóng và dòng triều đối lực có vai trò thu hẹp chiều rộng cửa và điều với quá trình diễn biến cửa và sự hình thành, chỉnh hướng, vị trí của lạch triều chảy qua phát triển, tồn tại của lạch triều, các bãi bồi cửa và các bãi bồi triều rút ngoài cửa. Hướng khi triều lên và triều rút. Tương quan giữa sóng tới có ảnh hưởng tới tốc độ và mức độ năng lượng sóng với độ lớn của dòng triều thu hẹp cửa. Độ lớn của dòng triều qua cửa (thể hiện thông qua tỷ số P/Mtot ) có vai trò cũng có vai trò tương tự. Ngoài ra sự hình chi phối sự phát triển và tồn tại của cửa. Tùy thành, kích thước và tính chất của các bãi bồi thuộc vào độ lớn của tương quan này mà cửa ở bên trong và bên ngoài cửa có tương quan sẽ được duy trì ở trạng thái ổn định hay bồi chặt chẽ với độ lớn của dòng triều. 26
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bruun, P. and Gerritsen, F., 1960. Stability of Coastal inlets, North Holland Publishing Co., Amsterdam, The Netherlands. 2. Escoffier, F.F., 1940. The stability of tidal inlets. Shore and Beach, Vol.8, No.4. 3. Holthuijsen, L.H., Booij, N., Ris, R.C., 1993. A spectral wave model for the coastal zone, Proceedings of the 2nd International Symposium on Ocean Wave Measurement and Analysis, New Orleans, 630–641. 4. Lesser, G., Roelvink, J.A., van Kester, J.A.T.M. and Stelling, G.S., 2004. Development and validation of a three-dimensional morphological model, Coastal Engineering, Vol.51, 883- 915. 5. Roelvink, J.A., 2006. Coastal morphodynamic evolution techniques. Coastal Engineering, Vol. 53, Iss. 2-3, 277-287. 6. Van Rijn, L.C., 2001. Approximation formulae for sand transport by currents and waves and implementation in Delft-MOR. WL|Delft Hydraulics Report vol. Z3054.20. Delft Hydraulics, Netherlands. Abstract Simulation the morphological processes of an idealised coastal inlet using 2DH processed-based morphodynamic modelling system This paper presents the morpho-dynamics processes of an idealised coastal inlet under influence of waves and currents using the processed-based modelling system, Delft-3D, developed by WL|Delft Hydraulics. Although this study apply only for an idealised coastal inlet, but the simulation results have shown the agreement with the empirical parameters for inlet stability and accordant to the phenomenon which has occurred and observed in the field. The study could enhance background knowledge on the morphological of tidal inlet and might help to explain events which have occurred at a tidal inlet in the past. This also helps to quantify the relationship between the empirical parameters of inlet stability to dynamic factors such as waves and currents to the morphological of tidal inlet. Ng­êi ph¶n biÖn: PGS.TS. §ç TÊt Tóc 27