Luận văn Đánh giá tác động của tổ hợp công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển biển Cửa Tùng Quảng Trị

địa phương đến trong mùa hè. Các cơ sở vui chơi giải trí, ăn nghỉ chưa được xây dựng nên cũng chưa thu hút được nhiều khách. Vùng nghiên cứu cũng có những căn cứ cách mạng nổi tiếng như làng Vây, chiến khu Ba Lòng; địa đạo Vĩnh Chấp, khu nhà người Pacô ở Tà Rụt, làng văn hoá Phú Thiềng ở Mò Ó, du lịch sinh thái ở Tà Long, trằm Trà Lộc, khu bảo tồn Đakrông, suối nước nóng Tân Lâm và nhiều hồ đập lớn và đẹp (Trúc Kinh, Khe Mây)...nhưng những nơi này hiện nay vẫn chưa được khai thác tốt để đưa vào thành các tour du lịch hấp dẫn khách trong nước và khách quốc tế. 1.3. Hiện trạng hệ thống công trình [12, 18] 1.3.1. Qui mô công trình cầu Tùng Luật Cầu Tùng Luật được xây dựng vào năm 2004 ngay nơi dòng sông gặp biển, nối hai huyện huyện Gio Linh và Vĩnh Linh. Cầu có thiết kế dài 461 m, rộng 9m, tải trọng H30-XB80, khổ thông thuyền 50 m, tĩnh không 8,5 m. Có 4 trụ cầu với kích thước mỗi trụ: 10,5m x 7m. Kết cấu bằng dầm hộp bê tông dự ứng lực liên tục thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng đối xứng với kinh phí xây dựng là 44,9 tỷ đồng, cây cầu này sẽ góp phần quan trọng vào việc phát triển kinh tế và hai khu du lịch biển Cửa Tùng và Cửa Việt. Hình 1.4: Cầu Tùng Luật 22 1.3.2. Qui mô công trình kè Cửa Tùng Kè Cửa Tùng bắt đầu được xây dựng từ năm 2004, nằm phía bờ nam Cửa Tùng, bờ kè được xây dựng có chiều dài 430 m, cao 1,5 m, rộng 6 m với kết cấu bằng đá hộc và cốt thép vươn dài ra biển. Mục đích chắn sóng, chắn cát, giảm xói mòn trụ cầu Tùng Luật. Hình 1.5: Kè Cửa Tùng 1.3.3. Qui mô công trình cảng cá Cửa Tùng Cảng cá Cửa Tùng bắt đầu được xây dựng từ năm 2004, khi Sở Thuỷ sản Quảng Trị (nay thuộc Sở NN-PTNT Quảng Trị) thực hiện dự án khu neo đậu trú bão và hậu cần nghề cá (gọi tắt là khu neo đậu-KNĐ) tại Cửa Tùng với kinh phí 39 tỉ đồng. Mục tiêu của dự án là góp phần bảo vệ bãi tắm Cửa Tùng, hiện đại hoá khu sản xuất nghề cá ven biển. Trước đây, KNĐ là một eo biển kín gió, được một cồn cát lớn nằm phía ngoài che chắn sóng biển. Khi thực hiện dự án, hơn 200.000 m3 cát ở cồn này bị múc đi đổ vào san lấp eo biển tạo thành một bãi cát bằng phẳng. Một KNĐ tàu thuyền và hậu cần nghề cá có diện tích gần 10.000 m2 được ra đời, nằm phía trên, bên phải bãi tắm. 23 1.4. Các nghiên cứu liên quan Vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng gần như chưa có những nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của các công trình lên trường thủy động lực trong vùng. Dưới đây là một vài nghiên cứu liên quan đến vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng: - Ảnh hưởng của công trình thủy lợi Sa Lùng đến xâm nhập mặt hạ lưu sông Bến Hải. Nguyễn Ngọc Tuấn, Nguyễn Thế Hùng. Đại học Đà Nẵng. - Điều tra, đánh giá xâm thực bãi tắm Cửa Tùng, tỉnh Quảng Trị. Nguyễn Thọ Sáo, Trần Ngọc Anh và nnk. Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội. - Dự tính xâm nhập mặn trên các sông chính tỉnh Quảng Trị theo các kịch bản phát triển kinh tế xã hội đến 2020. Trần Ngọc Anh, Nguyễn Tiền Giang, Nguyễn Thanh Sơn và nnk. Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội. - Đánh giá hiện trạng và dự báo nguy cơ ô nhiễm nguồn nước do nuôi trồng thuỷ sản nước mặn, lợ tỉnh Quảng Trị. Nguyễn Tiền Giang, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Thanh Sơn và nnk. Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội. 24 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ CƠ SỞ CỦA MÔ HÌNH MIKE 21 2.1. Giới thiệu chung. Các quá trình thủy động lực học trong biển như sóng, dòng chảy, nước dâng,… ảnh hưởng rất lớn tới đời sống con người, nhất là dân cư vùng ven biển. Việc dự báo trước những biến động của các hiện tượng ấy có ý nghĩa rất quan trọng. Nhờ sự phát triển của khoa học, ngày nay công việc nghiên cứu các hiện tượng thủy động lực trở nên thuận lợi hơn thông qua việc sử dụng các mô hình mô phỏng. Vai trò của mô hình trong nghiên cứu khoa học là vô cùng quan trọng, nó là công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học ngày nay và ngày càng phát triển. Trước đây, các nhà khoa học thường sử dụng các mô hình vật lý để tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng như trên hiện trường để nghiên cứu các quy luật, mối quan hệ của đối tượng mà người ta quan tâm. Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ máy tính và công nghệ thông tin, mô hình số trị đã được sử dụng rộng rãi. Trên thế giới, có nhiều các mô hình số trị thủy động lực học có thể sử dụng để mô phỏng các yếu tố thủy động lực học trong đại dương và biển. Trong đó có thể kể đến như mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), mô hình SMS, mô hình DELFT của Hà Lan, mô hình POM của Đại học Priceton Hoa Kỳ… Với mục đích nghiên cứu phát hiện các quy luật phân bố và biến động của các quá trình thủy động lực biển tiến tới dự báo chúng, các nhà nghiên cứu biển Việt Nam và quốc tế đã sử dụng phương pháp mô hình hóa đối với 25 toàn biển hoặc từng khu vực trên cơ sở sử dụng các nguồn số liệu đã thu thập được và các phương pháp mô hình phân tích và mô phỏng ngày một hoàn thiện hơn. 2.2. Tổng quan các mô hình tính toán thủy động lực 2.2.1. Một số mô hình tính toán thủy động lực cơ bản 2.2.1.1. Mô hình VRSAP[13] Mô hình VRSAP do Phó Giáo sư – Anh hùng Lao động Nguyễn Như Khuê và nhóm mô hình của Phân Viện Khảo sát Quy hoạch Thủy lợi Nam Bộ xây dựng. Nó là mô hình thủy động lực học tiêu biểu của Việt Nam đã được ứng dụng rộng rãi và thành công trong nước. Đây là mô hình toán thuỷ lực cho dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác. Dòng chảy trong các đoạn sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint – Venant đầy đủ. Các khu chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông qua cống điều tiết. Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô đồng ruộng thành hai loại chính. Loại kín trao đổi nước với sông qua cống điều tiết, loại hở trao đổi nước với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông như các khu chứa thông thường. Mô hình VRSAP có chương trình nguồn, có thể chủ động sửa chữa, thay đổi. VRSAP liên tục được cập nhật nhiều chức năng mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng như chạy trong môi trường Windows, kết nối với GIS.... Các số liệu đầu vào bao gồm: - Sơ đồ hệ thống sông và ruộng - Hình dạng mặt cắt và đặc trưng thủy lực của lòng sông - Một số đặc trưng hình học của ruộng - Các biên lưu lượng, biên mực nước, biên độ mặn - Lượng mưa rơi trên mặt ruộng Kết quả tính toán bao gồm: 26 - Quá trình mực nước và lưu lượng tại các vị trí khác nhau trên sông - Diễn biến của mực nước trên các khu ruộng - Lượng nước trao đổi giữa sông và ruộng - Quá trình biến đổi độ mặn tại các vị trí khác nhau trên sông 2.2.1.2. Mô hình SMS Phần mềm SMS được một số cơ quan của Mỹ xây dựng: Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công trình thuộc quân đội Mỹ; Phòng Nghiên cứu Đường thuỷ và Phòng Nghiên cứu Thuỷ động lực. Phần mềm có thể tính toán dòng chảy một chiều, hai chiều và ba chiều ổn định và không ổn định. SMS được áp dụng rộng rãi trên khắp thế giới với các mô đun khác nhau: - Mô đun RMA2, HIVEL2D và FLO2DH dùng để tính toán dòng chảy hai chiều cho các khu vực trong sông và vùng cửa sông; - Mô đun RMA10 và CH3D dùng để tính toán dòng chảy ba chiều cho các khu vực trong sông và cửa sông; - Mô đun ADCIRC và M2D dùng để tính toán dòng chảy trong các biển và đại dương; - Mô đun CGWAVE và BOUS2D dùng để tính toán sóng ổn định; - Mô đun STWAVE dùng để tính toán sóng không ổn định; - Mô đun RMA4 và SED2D-WES dùng để tính toán lan truyền chất ô nhiễm và vận chuyển trầm tích; - Mô đun HEC-RAS dùng để tính toán dòng chảy một chiều trong sông và trong kênh hở. Mô hình M2D: M2D là mô hình hoàn lưu vùng ven bờ và thủy triều, được phát triển trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu vịnh ven bờ CIRP (Coastal Inlets Research Program) do Phòng Thí nghiệm Động lực và Ven bờ CHL (Coastal and 27 Hydraulics Laboratory) của Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ ERDC (U.S Army Engineer Research and Development Center). M2D giải phương trình động lượng và liên tục bằng phương pháp sai phân hữu hạn. Mô hình HEC-RAS: Mô hình toán thuỷ lực HEC-RAS (HEC- River Analysis System) của hiệp hội các kỹ sư quân sự Hoa Kỳ là thế hệ phần mềm kế tiếp về mô hình phân tích hệ thống sông. Mô hình được xây dựng dựa trên sự kết hợp của mô hình HEC-2 và hệ thống thông tin địa lý (GIS) với những cải tiến đáng kể so với HEC-2 về kỹ thuật tính toán và khoa học thuỷ văn. Mô hình thuỷ lực HEC-RAS là công cụ có khả năng mô phỏng sự vận chuyển nước và diễn biến mực nước trong sông trên cơ sở giải hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều. Phiên bản mới hiện nay đã được bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán. Mô hình HEC-RAS được xây dựng để tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng đồng bằng lũ. Khi mực nước trong sông dâng cao, nước sẽ tràn qua bãi gây ngập vùng đồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp nước sẽ chảy lại vào trong sông. HEC - RAS là phần mềm tập hợp của ba modun chính: gồm modun tính cho dòng chảy ổn định, modun tính cho dòng chảy không ổn định và modun tính vận chuyển bùn cát. Các ứng dụng của mô hình bao gồm: - Mô hình có khả năng tính toán ngập lụt và vận chuyển bùn cát trong mạng lưới sông cũng như bồi lấp hồ chứa; 28 - Mô phỏng xu thế dài hạn của hiện tượng bồi hoặc xói lòng sông do kết quả của sự thay đổi có tính thường xuyên và tính chu kỳ của lưu lượng hoặc do sự thay đổi hình dạng kênh; - Tính toán bồi lắng hồ chứa; - Tính toán khối lượng nạo vét và dự đoán ảnh hưởng của việc nạo vét đối với tốc độ bồi lắng,... - Mô phỏng tràn bãi vào các ô chứa trong đê, bờ. 2.2.1.3. Mô hình MIKE [20, 21] MIKE là phần mềm được phát triển bởi Viện Tài nguyên và Môi trường nước Đan Mạch (DHI Water & Environment). MIKE Zero là tên chung của tất cả các mô hình liên quan đến môi trường nước của DHI, bao gồm: - MIKE 11 - mô hình 1 chiều cho sông và kênh; - MIKE 21 - mô hình 2 chiều cho cửa sông, vùng nước ven bờ và biển; - MIKE 3 - mô hình 3 chiều cho biển sâu, vùng cửa sông và vùng nước ven bờ; - LITPACK - mô hình cho các quá trình ở vùng ven biển và động học đường bờ; - MIKE SHE - mô hình cho nước ngầm và tài nguyên nước Mô hình MIKE 11: Mô hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun tải – khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác. Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm 29 của mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học. Mô đun mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm Dự báo lũ, Tải khuyếch tán, Chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát không kết dính. Mô đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (phương trình Saint Venant). Cơ sở lý thuyết mô đun thủy lực mô hình Mike 11 Mô hình MIKE 11 HD là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint –Venant, với các giả thiết cơ bản sau đây: - Chất lỏng (nước) là không nén được và đồng nhất (xem như không có sự khác biệt về trọng lượng riêng của nước) - Độ dốc đáy sông (kênh) là tương đối nhỏ - Giả thiết áp suất thủy tĩnh - Dòng chảy trong hệ thống là dòng chảy êm Các ứng dụng liên quan đến mô đun MIKE 11 HD bao gồm: - Dự báo lũ và vận hành hồ chứa - Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ - Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt - Thiết kế các hệ thống kênh dẫn - Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông Qua nghiên cứu, mô hình MIKE 11 đã thể hiện nhiều tính năng ưu việt như: - Kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào – dòng chảy NAM, mô hình thuỷ động lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE). 30 - Kết nối với công cụ GIS - Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng 2.2.1.4. Mô hình Delft3D [4, 19] Phần mềm Delft-3D là một hệ thống tổng hợp các mô đun thành phần của Viện Thuỷ lực Delft – Hà Lan. Nó bao gồm nhiều mô đun khác nhau và thể hiện được mối quan hệ giữa các mô đun đó. Ngoài ra, còn có các công cụ hỗ trợ như phần mềm biễu diễn kết quả tính toán, tạo lưới tính toán, nhập và xử lý các số liệu đầu vào. Một số đặc trưng chính của Delft3D là: Delft3D sử dụng chủ yếu để mô hình hoá các khu vực ven bờ, trong sông và cửa sông. Delft3D gao gồm một số các mô đun đã được kiểm định và áp dụng tốt trong thực tế, mỗi mô đun có thể liên kết với các mô đun khác thành một thể thống nhất. Các mô đun đó bao gồm: - Mô đun tính dòng chảy (Delft3D FLOW) - Mô đun tính sóng (Delft3D WAVE) - Mô đun tính chất lượng nước (Delft3D-WAQ) - Mô đun tính lan truyền quỹ đạo hạt (Delft3D-PART) - Mô đun sinh thái học (Delft3D-ECO) - Mô đun tính vận chuyển trầm tích (Delft3D-SED) - Mô đun tính biến đổi hình thái (Delft3D-MOR) Ngoài ra còn có các công cụ hữu ích khác để chuẩn bị số liệu đầu vào và trình diễn các kết quả tính toán: mô đun tạo lưới Delft3D-RGFGRID, mô đun nội suy độ sâu và gán vào các ô lưới tương ứng Delft3D-QUICKIN và hai mô đun trình diễn kết quả Delft3D-GPP và Delft3D-QUICKPLOT. Mô hình Delft3D FLOW: Mô hình ba chiều Delft3D-FLOW tính toán các quá trình không ổn định của hoàn lưu, các quá trình vận chuyển được tạo ra bởi thuỷ triều và 31 tác động của các yếu tố khí tượng. Mục đích cơ bản của mô hình 2 chiều (2D – trung bình độ sâu) và 3 chiều (3D) là mô phỏng quá trình lan truyền thuỷ triều và dòng chảy gió bao gồm sự ảnh hưởng của mật độ do tác động không ổn định của phân bố nhiệt độ muối trong vùng biển nông, vùng ven bờ, vùng cửa sông. Với phần ứng dụng của mô hình ba chiều, quá trình này được sinh ra do tác động của gió, ứng suất đáy, lực Coriolis, sự phân tầng. Những ứng dụng của mô hình ba chiều dùng để mô phỏng quá trình như sự xâm nhập mặn và vùng nước trồi. Các khía cạnh vật lý của mô hình Delft3D-FLOW Mô hình Delft3D-FLOW được thiết lập trên việc giải hệ phương trình nước nông không ổn định. Hệ thống của hệ các phương trình bao gồm: Các phương trình động lượng, phương trình liên tục và các phương trình vận chuyển. Các phương trình được thiết lập trong hệ toạ độ đề các và hệ toạ độ cầu. Các quá trình lan truyền, phân bố nhiệt độ và độ muối được mô phỏng bởi phương trình bảo toàn vận chuyển. Các đại lượng nguồn được kết hợp trong mô hình. Hệ mô hình Delft3D-FLOW được thiết lập trên cơ sở các quá trình vật lý sau: - Lực tạo triều - Chính áp - Tác động của lực Coriolis - Phương trình trạng thái - Sự biến đổi mật độ (tà áp) - Mô hình rối - Quá trình vận chuyển nhiệt muối 32 - Các quá trình biến đổi của ứng suất gió trên mặt nước theo không gian - Ứng suất đáy - Sự biến đổi của áp suất khí quyển theo không gian và thời gian - Sự biến đổi các nguồn lan truyền theo thời gian - Quá trình truyền nhiệt từ khí quyển qua bề mặt tự do - Tác động của sóng 2.2.1.5. Mô hình ISIS Mô hình iSIS là một bộ mô hình thuỷ động lực được xây dựng bởi tập đoàn công ty Halcrow và HR Wallingford, với nhiều mô đun tính toán khác nhau: thủy lực, chất lượng nước, bùn cát... Trong đó, mô đun ISIS flow là mô đun thủy lực mô phỏng: dòng chảy ổn định, dòng chảy không ổn định một chiều biến đổi chậm trong lòng dẫn hở, dòng chảy qua công trình thuỷ lực, chảy qua hồ chứa, chảy tràn bờ, chảy trên những vùng ngập lũ, mô phỏng quy trình hoạt động của các cống, mô phỏng các biên thuỷ văn bằng mô hình mưa - dòng chảy.... Thuật toán của mô hình dựa theo cách giải hệ phương trình Saint Venant theo phương pháp sai phân hữu hạn với sơ đồ ẩn 4 điểm. Dòng chảy trong sông được phân thành dòng chảy của các đoạn sông nối tiếp nhau. Các đoạn sông này tương đối ngắn và được giả thiết là không thay đổi về mặt thủy lực, ổn định trong suốt thời gian tính toán và được mô tả bởi 1 mặt cắt đại diện cho cả đoạn. Sự thay đổi dòng chảy trong đoạn được mô tả bởi hệ phương trình Saint Venant. Việc tràn nước vào ruộng khi mực nước trong sông lên cao và chảy ra sông khi mực nước trong sông hạ thấp cũng như tràn nước từ ô ruộng này sang ô ruộng khác được mô phỏng bởi các ô chứa và các đường tràn. Các ô chứa được giả định như sau: mực nước trong ô chứa là nằm ngang có giá trị bằng mực nước tại tâm ô. Ô chứa được mô phỏng bởi đường quan hệ 33 cao trình và diện tích bề mặt thoáng theo từng cấp mực nước (Z ~ A). ISIS có phần giao diện khá đẹp và tiện dụng, ứng dụng công nghệ GIS để tổ chức mạng thủy lực, trình bày kết quả tính toán trực quan thông qua biểu, bảng và mô tả được quá trình thay đổi dòng chảy dọc sông, qua từng mặt cắt và qua công trình....Phần mềm ISIS đã được sử dụng cho đồng bằng sông Cửu Long ở dạng mạng kênh sông được đơn giản hóa. 2.2.2. Lựa chọn mô hình 2.2.2.1. Phân tích bài toán Vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng là một hệ thống thuỷ văn, thuỷ lực thống nhất chịu tác động đồng thời của các nhân tố tự nhiên và nhân tạo. Các nhân tố tự nhiên: dòng chảy sông, thuỷ triều, sóng chi phối chế độ dòng chảy theo thời gian; các công trình nhân tạo: cảng cá Cửa Tùng, cầu Tùng Luật, kè Cửa Tùng ảnh hưởng lên trường thủy động lực. Nhiệm vụ của bài toán cần giải quyết là mô phỏng được tác động của tổ hợp công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng. Khu vực nghiên cứu là một vùng nhỏ, nhưng trường thủy động lực trong vùng lại chịu ảnh hưởng tác động đồng thời của sông, biển và tổ hợp công trình. Do vậy, thích hợp nhất nên dùng mô hình thủy lực hai chiều để tính toán và mô phỏng trường thủy động lực cho khu vực. 2.2.2.2. Phân tích lựa chọn mô hình mô phỏng Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật nói chung, các mô hình toán ứng dụng ngày càng được phát triển nhiều hơn. Các mô hình toán với các ưu điểm như cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán, vv... đang trở thành là một công cụ mạnh, phục vụ đắc lực trong nhiều lĩnh vực. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều mô hình toán đang được sử dụng, các mô hình này hiện cũng đang được nhiều cơ quan trong nước áp dụng cho 34 nhiều mục đích khai thác khác nhau như nghiên cứu, quy hoạch và thiết kế hệ thống quản lý tài nguyên nước và phòng lũ. [8] Trong những năm qua, nhiều mô hình đã đáp ứng được những yêu cầu cấp bách của thực tế như tính toán và dự báo lũ, quy hoạch hệ thống phòng lũ sông Hồng - Thái Bình (VRSAP, MIKE 11, ISIS, HEC-RAS), quy hoạch phòng lũ đồng bằng sông Cửu Long (VRSAP, HYDROGIS, KOD1, ISIS), tính toán, dự báo lũ Miền Trung (MIKE 11, VRSAP)... . Tuy nhiên, cho đến nay cũng chưa có một đánh giá, so sánh về khả năng áp dụng của các mô hình nói trên. Lựa chọn mô hình là khâu đầu tiên rất quan trọng trong phương pháp mô hình toán, nó phụ thuộc vào yêu cầu công việc, điều kiện số liệu. Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán ảnh hưởng của các công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng – Quảng Trị, chúng tôi đã lựa chọn áp dụng bộ phần mềm MIKE 21/3 FM couple, bởi nó đáp ứng được những tiêu chí sau: - Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng; - Là bộ phần mềm đã được kiểm nghiệm thực tế ở nhiều quốc gia trên thế giới; - Cho phép tính toán thủy lực với độ chính xác cao; - Đáp ứng mục đích nghiên cứu; - Giao diện thân thiện, dễ sử dụng. 2.3. Cơ sở lý thuyết mô hình Mike 21/3 FM [20, 21] Mô hình kết hợp MIKE 21/3 FM couple là một hệ thống mô hình thủy động lực áp dụng cho vùng cửa sông, ven biển và trong sông. Mô hình bao gồm các mô đun sau: - Mô đun dòng chảy - Mô đun tải khuếch tán - Mô đun chất lượng nước và sinh thái học - Mô đun vận chuyển bùn 35 - Mô đun vận chuyển cát (chỉ áp dụng cho tính toán 2D) - Mô đun phổ sóng Mô đun dòng chảy và phổ sóng là hai thành phần cơ bản của mô hình kết hợp Mike 21/3 FM. Mô hình này được sử dụng để tính toán tương tác lẫn nhau giữa sóng và dòng chảy. Mô hình cũng bao gồm tính toán kết hợp động lực học giữa mô đun vận chuyển bùn, mô đun vận chuyển cát, mô đun dòng chảy và mô đun sóng. Do đó, sự tương tác qua lại đầy đủ của những thay đổi về độ sâu đến tính toán sóng và dòng chảy cũng được xem xét. 2.3.1. Mô đun dòng chảy MIKE 21 FM Mô đun dòng chảy được phát triển bởi phương pháp lưới phần tử hữu hạn. Mô đun này được dựa trên nghiệm số của hệ các phương trình Navier- Stokes cho chất lỏng không nén được 2 hoặc 3 chiều kết hợp với giả thiết Boussinesq và giả thiết về áp suất thuỷ tĩnh. Do đó, mô đun bao gồm các phương trình: phương trình liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ muối và mật độ và chúng khép kín bởi sơ đồ khép kín rối. Với trường hợp ba chiều sử dụng hệ toạ độ sigma. Việc rời rạc hoá không gian của các phương trình cơ bản được thực hiện bằng việc sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn trung tâm. Miền không gian được rời rạc hoá bằng việc chia nhỏ miền liên tục thành các ô lưới/phần tử không trùng nhau. Theo phương ngang thì lưới phi cấu trúc được sử dụng còn theo phương thẳng đứng trong trường hợp 3 chiều thì sử dụng lưới có cấu trúc. Trong trường hợp hai chiều các phần tử có thể là phần tử tam giác hoặc tứ giác. Trong trường hợp ba chiều các phần tử có thể là hình lăng trụ tam giác hoặc lăng trụ tứ giác với các phần tử trên mặt có dạng tam giác hoặc tứ giác. 36 Phương trình cơ bản Phương trình liên tục (2.1) Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng (2.2) (2.3) trong đó t là thời gian; x, y và z là toạ độ Đề các; η là dao động mực nước; d là độ sâu; h=η+d là độ sâu tổng cộng; u, v và w là thành phần vận tốc theo phương x, y và z; f=2Ωsinφ là tham số Coriolis; g là gia tốc trọng trường; ρ là mật độ nước; νt là nhớt rối thẳng đứng; pa là áp suất khí quyển; ρo là mật độ chuẩn; S là độ lớn của lưu lượng do các điểm nguồn và (us,vs) là vận tốc của dòng lưu lượng đi vào miền tính. Fu, Fv là các số hạng ứng suất theo phương ngang. Phương trình tải cho nhiệt và muối (2.4) (2.5) trong đó Dv là hệ số khuếch tán rối thẳng đứng; H ) là số hạng nguồn do trao đổi nhiệt với khí quyển. Ts và ss là nhiệt độ và độ muối của nguồn; FT và Fs là các số hạng khuếch tán theo phương ngang. 37 Phương trình tải cho đại lượng vô hướng (2.6) trong đó C là nồng độ của đại lượng vô hướng; kp là tốc độ phân huỷ của đại lượng đó; Cs là nồng độ của đại lượng vô hướng tại điểm nguồn; Dv là hệ số khuếch tán thẳng đứng; và FC là số hạng khuếch tán ngang. Điều kiện biên Biên đất Dọc theo biên đất thông lượng được gán bằng không đối với tất cả các giá trị. Biên mở Điều kiện biên mở có thể được xác định dưới cả dạng lưu lượng hoặc mực nước cho các phương trình thuỷ động lực. 2.3.2. Mô đun sóng MIKE 21 SW MIKE 21 SW là mô đun tính phổ sóng gió được tính toán dựa trên lưới phi cấu trúc. Mô đun này tính toán sự phát triển, suy giảm và truyền sóng được tạo ra bởi gió và sóng lừng ở ngoài khơi và khu vực ven bờ. MIKE 21 SW bao gồm hai công thức khác nhau: - Công thức tham số tách hướng - Công thức phổ toàn phần Công thức tham số tách hướng dựa trên việc tham số hoá phương trình bảo toàn tác động sóng. Việc tham số hoá được thực hiện theo miền tần số bằng cách đưa vào mô men bậc không và bậc một của phổ hoạt động sóng giống như các giá trị không phụ thuộc (theo Holtuijsen 1989). Xấp xỉ tương tự được sử dụng trong mô đun phổ sóng gió ven bờ MIKE 21 NSW. Công thức phổ toàn phần được dựa trên phương trình bảo toàn tác động sóng, như được mô tả bởi Komen và cộng sự (1994) và Young (1999), tại đó phổ hướng 38 sóng của sóng hoạt động là giá trị phụ thuộc. Các phương trình cơ bản được xây dựng trong cả hệ toạ độ Đề các với những áp dụng trong phạm vi nhỏ và hệ toạ độ cầu cho những áp dụng trong phạm vi lớn hơn. MIKE 21 SW bao gồm các hiện tượng vật lý sau: - Sóng được phát triển bởi hoạt động của gió; - Tương tác sóng – sóng là phi tuyến; - Tiêu tán sóng là do sự bạc đầu; - Tiêu tán sóng do ma sát đáy; - Tiêu tán sóng do sóng vỡ; - Khúc xạ và hiệu ứng nước nông do thay đổi độ sâu; - Tương tác sóng- dòng chảy. Việc rời rạc hoá phương trình trong không gian địa lý và không gian phổ được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn lưới trung tâm. Sử dụng kỹ thuật lưới phi cấu trúc trong miền tính địa lý. Việc tích p