Luận văn Nghiên cứu chế độ sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích vùng nuớc biển ven bờ Nam Định

huật tính toán có hiệu quả đã tạo ra một công cụ hữu ích cho các nhà quản lý cũng như nhà thiết kế công trình trên toàn thế giới. Trong bộ chương trình tính toán 2D có các mô đun sau:  PP – Pre and Post Processing: đây là công cụ chuẩn bị số liệu đầu vào và biểu diễn các kết quả.  HD/FM – Hydrodynamics: mô hình này tính toán dòng chảy và biến đổi mực nước.  AD – Advection-Dispersion: mô hình tải khuếch tán AD tính toán các quá trình tải khuếch tán và phân hủy của các chất lơ lửng và hòa tan.  ST – Sediment Transport: mô hình vận chuyển trầm tích (cát) tính toán các quá trình vận chuyển trầm tích chịu tác động bởi sóng, dòng chảy và kết hợp cả sóng-dòng chảy.  MT – Mud Transport: mô hình vận chuyển bùn là mô hình kết hợp giữa mô hình nhiều lớp, được sử dụng để mô tả các quá trình xói lở vận chuyển và bồi lắng bùn (trầm tích kết dính) hoặc hỗn hợp bùn và cát. 26  CAMS – Coastal Morphology: mô hình hình thái - đường bờ là hệ thống tổng hợp tính toán kết hợp sóng dòng chảy và vận chuyển trầm tích dẫn tới biến đổi hình thái - đường bờ, đồng thời quá trình này cũng ảnh hưởng ngược trở lại tới các quá trình động lực.  PA – Particle: mô hình phần tử PA tính toán vận chuyển và tồn tại của các chất lơ lửng và hòa tan. Mô hình này được sử dụng để đánh giá rủi ro, các sự cố ngẫu nhiên  SA – Spill Analysis: mô hình tràn dầu SA tính toán quá trình lan truyền và phân rã các chất lơ lửng hòa tan và được sử dụng để dự báo tràn dầu, đánh giá các kịch bản tràn dầu  ECO Lab – Ecological Modelling: mô hình sinh thái được phát triển để mô tả các quá trình vật lý, hóa học, sinh học,,sinh thái và tương tác giữ các biến trạng thái.  SW - Spectral Wave Model: mô hình phổ sóng SW tính toán sự phát triển, suy giảm và truyền sóng gió và sóng lừng vào vùng ven bờ.  NSW – Near Shore Spectral Wind-Wave model: mô hình phổ sóng gió ven bờ mô tả sự lan truyền, phát triển và tiêu tán của các sóng ngắn trong vùng gần bờ.  PMS – Parabolic Mild Slope Wave model: là mô hình tính toán nhiễu xạ và khúc xạ sóng tuyến tính được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi sóng trong vùng có độ dốc thoải.  EMS – Elliptic Mild Slope Wave model: mô hình sóng được sử dụng để nghiên cứu sóng trong vùng ven bờ có kể đến các hiệu ứng khúc xạ,  nhiễu xạ, phản xạ, phù hợp tốt với sự có mặt của các công trình BW – Boussinesq Wave model: mô hình sóng Boussinesq được sử dụng để nghiên cứu và phân tích sự biến đổi sóng trong các cảng, bãi neo đậu và vùng ven bờ 27 Trong bản khóa luận này, sử dụng mô đun liên hợp, kết hợp 3 mô đun tính sóng (Mike21SW), dòng chảy (Mike21HD) và vận chuyển cát (Mike21ST). Các mô đun này đều sử dụng lưới phi cấu trúc (phần tử hữu hạn không đều) phù hợp tốt với các dạng đường bờ và địa hình phức tạp. 2.3. Giới thiệu mô đun tính sóng Mike21 SW [6] Mike21 SW là mô hình phổ sóng thế hệ mới dựa trên lưới phi cấu trúc. Mô hình này mô phỏng sự phát triển sóng, sự phân hủy sóng và sự biến đổi của sóng gió, sóng lừng vùng ven bờ, ngoài khơi. Mike21 SW gồm hai công thức khác nhau: - Công thức tham số hóa độc lập với hướng sóng. - Công thức phổ sóng đầy đủ. Công thức tham số hóa độc lập với hướng sóng dựa trên việc tham số hóa phương trình bảo toàn tác động sóng. Việc tham số hóa này được tạo ra trong miền tần số bằng việc đưa ra mô men bậc không và bậc một của phổ tác động sóng như là các biến phụ thuộc (Holthuijsen 1989). Công thức phổ sóng dầy đủ dựa trên phương trình bảo toàn tác động sóng (được mô tả bởi Komen 1994 và Yoang 1999). Trong đó, phổ tác động sóng là phổ tần số và hướng chứa các biến phụ thuộc. Phương trình bảo toàn tác động sóng được thiết lập trong hệ tọa độ Đề Các đối với việc áp dụng trong các bài toán quy mô nhỏ và trong hệ tọa độ cầu với việc áp dụng trong các bài toán quy mô lớn. Các quá trình vật lý được xét trong mô hình sóng Mike21SW: - Sự phát triển của sóng do sự tác động của gió. - Sự tương tác phi tuyến giữa sóng với sóng. - Sự suy giảm sóng do sóng đổ bạc đầu. - Sự suy giảm sóng do ma sát đáy. - Sự suy giảm sóng do sóng đổ. 28 - Hiệu ứng nhiễu xạ và nước nông do biến đổi độ sâu. - Sự tương tác giữa sóng và dòng chảy. - Hiệu ứng biến đổi theo thời gian của độ sâu. Việc rời rạc phương trình chủ đạo được thực hiện theo phương pháp thể tích hữu hạn trung tâm với lưới tính toán là phi cấu trúc. Theo thời gian, phương pháp bước phân đoạn được áp dụng và là phương pháp giải hiện đối với các tần số. Mike21 SW được áp dụng cho việc mô phỏng và phân tích sóng trong vùng biển khơi, biển ven, cảng với các quy mô khác nhau. Quy mô nhỏ gắn liền với hệ tọa độ Đề Các, quy mô lớn gắn liền với hệ tọa độ cầu. Mô đun này có thể liên kết động với mô đun tính toán dòng chảy để xét sự tương tác sóng và dòng chảy, kết lối động với mô đun vận chuyển trầm tích mà ở đó quá trình vận chuyển chủ yếu là do sóng hay dòng chảy sóng do gradient của trường ứng suất bức xạ sóng trong vùng sóng đổ. Mike21 SW đưa ra các đặc trưng sóng và trường ứng suất bức xạ phục vụ tính toán vận chuyển trầm tích. Các phương trình cơ bản: Động lực sóng trọng lực được mô tả bởi phương trình truyền tải mật độ tác động sóng. Đối với các quy mô nhỏ, phương trình truyền tải này thường được viết trong hệ tọa độ Đề Các và được viết trong hệ tọa độ cầu đối với việc áp dụng trong quy mô lớn. Phổ mật độ tác động sóng là hàm của 2 tham số pha sóng biến đổi theo thời gian và không gian. Hai tham số pha sóng có thể là véc tơ số sóng k với độ lớn và hướng sóng θ, có thể là tần số góc tương đối k rf 2 hoặc tần số góc tuyệt đối af 2 . Trong mô hình, công thức phổ đối với hướng sóng và tần số góc tương đối được sử dụng. Mật độ tác động sóng )( ,N quan hệ với mật độ năng lượng ),( Q theo biểu thức 29  EN  (2.1) Đối với sóng lan truyền trên độ sâu và dòng chảy biến đổi nhỏ thì quan hệ giữa tần số góc tương đối và tần số góc tuyệt đối  được xác định theo biểu thức tán xạ tuyến tính sau Ukkdkgk  .)(tan.   (2.2) Trong đó, g là gia tốc trọng trường, d là độ sâu, U là véc tơ vận tốc dòng chảy. Vận tốc nhóm sóng có quan hệ với vận tốc dòng chảy theo biểu thức gc   kkd kd k cg       2sinh 21 2 1 (2.3) Vận tốc pha sóng có quan hệ với vận tốc dòng chảy bởi biểu thức sau k c  (2.4) Phổ tần số được giới hạn theo giải tần số từ tần số min đến tần số max và được tách thành 2 phần; Phần xác định trước đối với các tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng và phần phân tích chuẩn đoán đối với các tần số lớn hơn tần số ngưỡng. Tần số ngưỡng phụ thuộc vào tốc độ gió và tần số trung bình (được sử dụng trong mô hình WAM4). Phần xác định trước của phổ được xác định bằng cách giải số phương trình truyền tải mật độ tác động sóng. Phần trên tần số ngưỡng của miền xác định trước thì phần tham số được áp dụng. 30     m EE     max max ,,   (2.5) Với m là hằng số, và trong mô hình này, m=5. Tần số ngưỡng được xác định bởi;   PMoffcut  ,5.2max,min max (2.6) Với  là tần số trung bình và 1028U g PM  là tần số đỉnh phổ Pierson – Moskowitz đối với sóng phát triển hoàn toàn, U10 là tốc độ gió ở độ cao 10m so với mực biển trung bình. Phần chuẩn đoán còn lại được sử dụng trong tính toán phần chuyển đổi phi tuyến và tính toán các tham số nguyên trong các hàm nguồn. Phần phổ có tần số nhỏ hơn tần số min thì mật độ phổ được giả thiết là triệt tiêu. Phương trình bảo toàn tác động sóng Trong phần này, chỉ xét các phương trình đối với hệ tọa độ Đề Các. Phương trình tổng quát là phương trình cân bằng tác động sóng. Phương trình có dạng:    SNv t N   ..  (2.7) Trong đó,  txN ,,,  là mật độ tác động, t là thời gian, ),( yxx  là tọa độ Đề các,   cccc yx ,,,vv  là tốc độ lan truyền của nhóm sóng, S là số hạng nguồn trong phương trình cân bằng năng lượng,  là toán tử đạo hàm riêng trong không gian x,  , . Bốn đặc trung của tốc độ lan truyền được xác định bởi: 31   Uc dt xdcc gyx  , (2.8) S UkcdU t d ddt dc gx          . (2.9)         S Uk m d dkdt dc   1 (2.10) Trong đó; s là tọa độ không gian theo hướng sóng  và m là tọa độ vuông góc với s. x là toán tử đạo hàm riêng theo hai biến của ),( yxx  . Các hàm nguồn: Số hạng nguồn là sự tổng hợp các nguồn mô tả các quá trình vật lý khác nhau surfbotdsnlin SSSSSS  (2.11) Trong đó; là số hạng nguồn do gió, là nguồn năng lượng chuyển do tương tác phi tuyến giữa sóng với sóng. là nguồn năng lượng tán xạ do sóng đổ bạc đầu, là nguồn năng lượng tán xạ do ma sát đáy. là nguồn năng lượng tán xạ do sóng đổ dưới ảnh hưởng của độ sâu. inS nlS dsS botS surfS Công thức tham số độc lập với hướng sóng:         0 0000 TmC y mC x mC t m yx        (2.12)         1 01111 TmC y mC x mC t m yx        (2.13) Trong đó, m0(x,y, θ), m1(x,y, θ) là các thành phần mô men bậc không và bậc một của phổ tác động sóng N(x,y,σ,θ). 32      dyxNyxm nn ,,,, 0  (2.14) Các số hạng T0(x,y, θ), T1(x,y, θ) là các hàm nguồn mô tả các hiệu ứng do gió cục bộ, tán xạ năng lượng do ma sát đáy, sóng đổ, tương tác sóng – dòng chảy. Phương pháp giải số: Theo không gian, việc rời rạc hóa được thực hiện bằng phương pháp thể tích hữu hạn trung tâm. Đối với mô hình sóng trong phiên bản này, các phần tử được xét là các tam giác. Hàm mật độ tác động sóng là hằng số trong mỗi một phần tử, được tính toán tại tâm của mỗi phần tử. Hình 2.1. Mô tả lưới tính toán Theo thời gian, tích phân theo thời gian thực hiện theo phương pháp từng từng bước. Bước thứ nhất (bước tính lan truyền), giải phương trình báo toàn tác động sóng .. không có số hạng nguồn. Trong bước này, sơ đồ Euler hiện được áp dụng. Bước thứ 2 (bước các số hạng nguồn), nghiệm tìm được trong bước thứ nhất cộng thêm ảnh hưởng của các số hạng nguồn. Các số hạng nguồn được tính toán theo sơ đồ ẩn. Trong bước thứ nhất, bước thời 33 gian được lựa chọn sao cho điều kiện ổn định CFL hay số Courant Cri, l, m nhỏ hơn 1, (2.15) Điều kiện biên: Các biên đất, điều kiện biên hấp thụ hoàn toàn được áp dụng. Tại biên lỏng (biên mở), cho điều kiện đầu vào của sóng (chỉ xét với sóng truyền vào miền tính, sóng truyền từ trong miền tính ra ngoài coi như truyền tự do). Phổ năng lượng được xác định tại các biên lỏng. 2.4. Giới thiệu mô đun dòng chảy Mike21 FM [4] Mô đun thủy lực là thành phần cơ bản nhất của hệ thống mô hình MIKE 21 FM và cung cấp các đặc trưng thủy lực cho các mô đun khác trong hệ thống mô hình MIKE 21 FM. Mô đun này tính toán dòng chảy hai chiều (2D) bằng phương pháp phần tử hữu hạn không đều để giải hệ phương trình nước nông 2D. Hệ phương trình nước nông 2D gồm có phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng, phương trình chuyển động của chất lỏng (bảo toàn động lượng), và các phương trình khép kín khác như phương trình nhiệt độ, độ muối, mật độ. Theo phương ngang, hệ tọa độ được sử dụng có thể là hệ tọa độ Đề Các hoặc hệ tọa độ cầu. Theo không gian, miền tính được rời rạc bằng các phần tử (ô lưới) liên tục là các tam giác không đều, lưới phi cấu trúc (unstrucked mesh). Sơ đồ Euler hiện được sử dụng đối với các tính toán hai chiều. Phương trình liên tục 34 hS y hV x hU t h     (2.16) Với; U, V là các thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu của các thành phần vận tốc u, v theo các hướng toạ độ x, y, được xác định theo công thức: dzu h U d    1 , dzvh V d    1 (2.17) h = η + d (độ sâu tổng cộng = tổng của mực nước (η) và độ sâu (d) Các phương trình động lượng ShUhT y hT xx S x S x gh x ph x ghfVh y hUV x hU t hU sxyxx xyxxbxsx a                 )()(1 2 000 0 2 0 2        (2.18) ShVhT y hT xx S x S y gh y ph y ghfUh y hUV x hV t hV syyxy xyxxbysy a                 )()(1 2 000 0 2 0 2        (2.19) Với Txx Tyy Txy là các thành phần ứng suất nhớt tổng cộng của nhớt thuần thúy, nhớt rối và khuếch tán. Các thành phần nhớt tổng cộng được tính theo công công thức dựa trên biến thiên vận tốc ngang theo độ sâu: x UATxx   2 , y VATyy   2 ,        y V y UATxy (2.20) 35 S là tần suất của lưu lượng thải do nguồn điểm, Us, Vs là các thành phần tốc độ nguồn thải do nguồn điểm. g là gia tốc trọng trường. t là thời gian; x, y là tọa độ Đề Các;  là dao động mực nước; d là độ sâu; h=+d là chiều cao cột nước; f=2sin là tham số Coriolis, θ là vĩ độ địa lý; g là gia tốc trọng trường;  là mật độ nước; pa là áp suất khí quyển; o là mật độ tiêu chuẩn; Mật độ được xét là hàm của nhiệt độ và độ muối. Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình trạng thái dạng chuẩn của nước biển đã được tổ chức thế giới UNESCO công nhận. Nếu trong mô hình có xét đến sự biến đổi của mật độ theo không gian và theo thời gian do sự biến đổi của trường nhiệt độ và độ mưới thì khi đó mô hình tích hợp giá trị của mật độ sau mỗi một bước thời gian nhờ modul TEMPERATURE/SALINITY (Sự biến đổi của trường nhiệt độ và độ mưối được tính toán nhờ modul tính truyền tải nhiệt, muối) Với các tính toán hai chiều U là vận tốc trung bình theo độ sâu và hệ số kháng đáy có thể được xác định từ số Chezy C hay số Manning M: 2C gc f  ,  261Mh gc f  (2.21) Điều kiện biên: Biên đất: Dọc theo biên đất, thông lượng được gán bằng không đối với tất cả các giá trị. Với phương trình động lượng điều này gây ra sự trượt toàn phần dọc theo biên đất. Biên mở: Điều kiện biên mở có thể được xác định cả dưới dạng lưu lượng, giá trị vận tốc dòng chảy hoặc mực nước cho các phương trình thủy động lực. Đối các biên vận tốc dòng chảy và mực nước thì giá trị trên biên có 36 thể là hằng số, biến đổi theo thời gian nhưng cố định dọc biên, hoặc vừa biến đổi theo thời gian vừa biến đổi dọc biên. 2.5. Giới thiệu mô đun tính vận chuyển trầm tích Mike 21 ST FM [5]. Sự vận chuyển bùn cát vùng ven bờ biển là do sóng và dòng chảy gây ra. Tác dụng của sóng lên quá trình vận chuyển bùn bùn cát có hai mặt. Một mặt, sóng trực tiếp tác động lên các hạt bùn cát và làm cho chúng chuyển động. Mặt khác, sóng khuấy động bùn cát, nâng chúng lên để dòng chảy ven bờ vận chuyển chúng đi. Như vậy, trong bất cứ trường hợp nào, sóng cũng là yếu tố quyết định sự vận chuyển cát ven bờ. Thông thường, hướng vận chuyển cát sẽ trùng với hướng sóng lan truyền trong đới sóng vỡ ven bờ. Nếu sóng có hướng vuông góc với bờ, sóng sẽ gây ra vận chuyển cát theo hướng vuông góc với bờ. Nếu sóng có hướng xiên góc với bờ, sóng sẽ gây ra dòng vận chuyển cát cả theo hướng vuông góc với bờ và dọc theo bờ. Mô đun tính vận chuyển cát được xây dựng dựa trên hai loại vận chuyển: - Vận chuyển do dòng chảy - Vận chuyển do sự kết hợp giữa sóng và dòng chảy Trong phần ứng dụng ở đây chỉ xét với sự vận chuyển gây ra do sự kết hợp giữa sóng và dòng chảy. Sự chuyển động sóng ngoài lớp biên đáy có thể được lựa chọn xét theo các lý thuyết sóng khác nhau, lý thuyết sóng cổ điển và lý thuyết sóng bán thực nghiệm. Trong đó, lý thuyết sóng phi tuyến sử dụng để tính đến các chuyển động bậc cao (chuyển động quỹ đạo khép kín, tính bất đối xứng). Các lý thuyết sóng cổ điển: - Lý thuyết sóng Stoke bậc 1, 3, 5 (Fenton 1985) - Lý thuyết sóng Croidal bậc 1, 3, 5 (Fenton 1990) 37 - Lý thuyết sóng Vocoidal (Swart, 1982) Các lý thuyết sóng bán thực nghiệm: - Lý thuyết sóng Isobe và Horikawa (1982) - Lý thuyết sóng Doerinh và Bowen (1995) Sự hình thành lớp biên sóng trong chuyển động kết hợp của sóng và dòng chảy được mô tả theo phương trình vi phân bậc 1 (Fredsoe 1984), phương trình này được giải theo phương pháp Rung Kutta bậc 4 trong mỗi chu kỳ sóng. Chuyển động rối phát sinh từ lớp biên sóng được tính theo mô hình lớp biên của Fredsoe 1984. Chuyển động rối do dòng trung bình được xét theo khái niệm quãng đường xáo trộn của Eflrink 1996. Chuyển động rối do sóng đổ được xét theo phương trình khuếch tán động năng rối của Deigaard 1986. Các tác động ảnh hưởng đến dòng trung bình bao gồm; - Ứng suất trượt do chuyển động sóng. - Ứng suất trượt do sóng vỡ. - Ứng suất trượt do chênh lệch mực nước. Với sự kết hợp của sóng và dòng chảy, thông lượng vận chuyển trầm tích được xét là tổng của vận chuyển di đáy và vận chuyển lơ lửng theo phương pháp của Bijker. qt = qb + qs = qb(1+1,83Q) (2.22) Trong đó; Q là đại lượng phi thứ nguyên được tính theo công thức, (2.23) 38 Với h là độ sâu, r là độ nhám đáy, I1, I2 là các biến nguyên Enstein được định lượng theo các đại lượng phi thứ nguyên A = r/h và z* ; (2.24) Trong đó, w là tốc độ lắng đọng của trầm tích lơ lửng κ là hằng số Von Karman, Uf,wc là vận tốc trượt do sự kết hợp sóng và dòng chảy. Ảnh hưởng của sóng đến trầm tích lơ lửng được tính thông qua vận tốc trượt Uf,wc; (2.25) Với Uf,c là vận tốc trượt do dòng chảy, V là vận tốc trung bình theo độ sâu U, là biên độ của vậ tốc tại đáy phát sinh do sóng, ξ là đại lượng phi thứ nguyên biểu diễn theo hệ số ma sát sóng f  bu w và hệ số Chezy; (2.26) Với (2.27) Với ab là biên độ của chuyển động sóng tại đáy và được xét theo lý thuyết sóng tuyến tính; 39 (2.28) Vận chuyển di đáy và vận chuyển lơ lửng được tính theo công thức (2.29) Sự ảnh hưởng của sóng được thể hiện thông qua số hạng khuấy (số hạng exp (). Số hạng vận chuyển do dòng chảy thể hiện qua Uf,c. B là hệ số vận chuyển phi thứ nguyên Δ là mật độ tương đối của trầm tích, μ là nhân tố dòng rip. (2.30) Với, ρ là mật độ nước, ρs là mật độ trầm tích (2.31) C’ là số Chezy lien quan đến đặc trung hình học của trầm tích đáy (2.32) 2.6 . Sự liên kết giữa các mô đun [7] Mô đun liên hợp (Mike21 Coupled Model FM) là hệ thống liên kết động, có thể liên kết các mô đun sau; - Mô đun dòng chảy (Mike21HD FM) - Mô đun vận chuyển (Mike21AD FM) - Mô đun sinh thái (Mike21 Ecolab FM) 40 - Mô đun vận chuyển bùn (Mike21 Mud FM) - Mô đun quỹ đạo hạt (Mike21 Particle Tracking Module FM) - Mô đun vận chuyển cát (Mike21 ST FM) - Mô đun phổ sóng (Mike21 SW FM) Trong số các mô đun đó thì hai mô đun quan trọng của mô đun liên hợp là mô đun Mike21HD và Mike21SW. Việc liên kết động các mô đun cho phép tính toán sự tác động qua lại, lẫn nhau giữa các quá trình như, tương tác sóng và dòng chảy, ảnh hưởng của các quá trình đến địa hình và đường bờ và ngược lại. Trong nghiên cứu này, ba mô đun Mike21 HD, Mike21 SW và Mike21 ST trong mô đun liên hợp được sử dụng. Ba mô đun này có thể tính toán riêng rẽ theo từng mục đích, tuy nhiên trong bài này sử dụng kết quả mô đun liên hợp. Mô hình sóng (Mike21SW) Mô hình dòng chảy (Mike21HD) Ứng suất bức xạ sóngĐộ cao, chu kỳ, hướng sóng Mô hình vận chuyển cát (Mike21ST) Dòng chảy sóng Hình 2.1. Mối liên hệ giữa các mô đun 41 Chương 3. SỬ DỤNG MÔ HÌNH MIKE TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG, DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH Trong việc áp dụng ở đây, mô đun liên hợp (Mike21 Coupled Model FM) được sử dụng để tính toán trường sóng, dòng chảy sóng và vận chuyển trầm tích gây ra do sóng. Tuy nhiên, để giảm thời gian tính toán cho máy tính, mô đun tính sóng được tính trước theo các phương án, sóng được coi phát triển hoàn toàn và ổn định (ứng suất bức xạ không đổi theo thời gian). Đối với tính toán sóng, sử dụng điều kiện biên là độ cao, chu kỳ và hướng sóng tại biên phía ngoài khơi nước sâu, được xử lý từ số liệu gió tại trạm BLV và CC. Tại biên phía bắc và phía nam, chọn điều kiện đối xứng. Sử dụng mô đun kết hợp tính toán dòng chảy sóng và vận chuyển trầm tích do sóng. Để tính toán được dòng chảy sóng, các biên lỏng trong mô đun dòng chảy được gán với mực mước là hằng số (mực nước triều trung bình) và nguồn gây ra dòng chảy là trường ứng suất bức xạ sóng nhận được từ kết quả của mô đun tính sóng Mike21 SW FM. Điều kiện biên đối với trầm tích lơ lửng là cân bằng nồng độ, tham số trầm tích đáy lựa chọn là d50 (đường kính trung vị) và độ chọn lọc cát 1,4. 3.1. Thu thập số liệu khảo sát thực địa Số liệu địa hình: Địa hình khu vực nghiên cứu đã được dự án SIDA thu thâp và sử lý từ bản đồ Hải Huân Việt Nam, bổ xung số liệu đo từ các đợt khảo sát của dự án, của viện Cơ học, các dự án đo đạc khu vực cửa sông Ba Lạt, cửa Lạch Giang, cửa Văn Úc. 42 Hình 3.1. Các điểm đo độ sâu khu vực biển ven bờ Nam Định Số liệu đo sóng: Để nghiên cứu, xác định nguyên nhân gây bồi, xói khu vực bờ biển Nam Định, dự án SIDA đã tiến hành đo sóng tại các điểm S1, S2, S3, S4, khu vực biển ven bờ, từ cửa Hà Lạn sông Sò đến cửa Lạch Giang sông Ninh Cơ; Hình 3.2. Địa hình và các vị trí đo sóng S1(2002’00’, 106021'150’’) tại độ sâu 20m, các vị trí S2(2008’800’, 106025'00’’), S3(2005’5479’’, 106020'7936’’), S4(19059’965’’, 106015'279’’) tại độ sâu 12m 43 Trong nghiên cứu này, sử dụng số liệu đo tại các điểm trên trong hai đợt của năm 2006 để hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình sóng trước khi tính toán các phương án sóng. Đợt 1 từ 14h/8/1 đến 4h /8/1/2006, đợt 2 từ 12h/6/8 đến 12h/14/8/2006. Số liệu gió: Số liệu đo gió 20 năm tại trạm Bạch Long Vĩ (200 08'N; 1070 43'E), và tại trạm Cồn Cỏ từ năm 1976 đến 1995 dùng để ước tính độ cao sóng nước sâu, dùng làm điều kiện biên của mô hình tính sóng. 3.2. Tính toán các đặc trưng trường sóng Thiết lập miền tính: Sóng là nhân tố có vai trò quan trọng ảnh hưởng đến vận chuyển trầm tích. Do vậy, cần phải thiết lập bài toán tính sóng hợp lý với điều kiện địa hình cụ thể. Trong bài toán này, chỉ xét đến sự lan truyền sóng dưới sự ảnh hưởng của các hiệu ứng: nước nông, khúc xạ, nhiễu xạ, ma sát đáy, sóng đổ. Quá trình vận chuyển trầm tích chỉ xét riêng đối với sóng. Đối với khu vực Văn Lý Hải Hậu, trường sóng bị ảnh hưởng mạnh bởi địa hình của 2 cửa sông lớn, cửa Ba Lạt ở phía Bắc và cửa Đáy ở phía Nam. Các sóng đến từ phía Đông- Bắc và phía Bắc sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi cửa Ba Lạt, các sóng đến từ phía Đông – Nam và phía Nam bị ảnh hưởng mạnh bởi cửa Đáy. Do vậy, miền tính toán cần được mở rộng qua các cửa sông này. Hơn nữa, việc mở rộng biên còn giảm được sai số tại biên ảnh hưởng vào miền quan tâm. Biên phía ngoài khơi: số liệu đầu vào cho mô hình giả thiết là sóng nước sâu, do vậy cần mở rộng biên ra vùng nước sâu. 44 Hình 3.3. Mô tả các cửa sông Hình 3.4. Địa hình miền tính (nhìn từ phía đường bờ) 45 Lưới tính toán được chia mịn trong vùng ven bờ ra đến hết đới sóng đổ và các khu vực có địa hình biến đổi lớn như khu vực lạch chảy cửa Ba Lạt, cửa Ninh Cơ, ... Khu vực quan tâm đến quá trình bồi xói thuộc địa phận Hải Hậu (Thị trấn Thịnh Long, các xã Hải Hòa, Hải Chính, Hải Lý, Hải Đông, Hải Lộc và một phần xã Giao Phong) được chia mịn với kích thước nhỏ nhất của phần tử tam giác là 40m. Hình 3.5. Lưới tính toán 46 Hình 3.6. Các mặt cắt hiển thị kết quả - Mặt cắt C1 dài 12,5km, tọa độ điểm tiếp bờ (20o04’15,57”; 106o15’32,86), cách bờ 30m. - Mặt cắt C2 dài 11.6km, tọa độ điểm tiếp bờ (20°9'24,83"N; 106°20'17,20"E), cách bờ 30m. - Mặt cắt C2 dài 12.3km, tọa độ điểm tiếp bờ (20°11'9,13"N; 106°22'20,84"), cách bờ 30m. Hơn nữa, ở đây sử dụng mô đun tính dòng chảy để tính toán dòng chảy sóng. Các biên trong mô đun dòng chảy là có định mực nước, bằng mực nước trung bình (1,94m). Nguồn gây ra trường dòng chảy trong miền chỉ còn lại là nguồn nội tại do trường ứng xuất bức xạ sóng. Do vậy, việc mở rộng các biên còn có vai trò giảm sai số tại các biên đối với dòng chảy sóng và vận chuyển trầm tích do sóng tại khu vực quan tâm. 47 3.2.1. Hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình sóng Trong bài toán này, việc hiệu chỉnh mô hình sóng được tiến hành trong thời đoạn 07/01/2006-17/01/2006. Qua đó, so sánh độ cao sóng tính toán với thực đo tại các trạm do dự án SIDA đo trong các khoảng thời gian đặc trưng cho mùa đông và mùa hè trong năm 2006. Hình 3.7. Độ cao sóng thực đo tại các điểm S1, S2, S3, S4 Hình 3.8. So sánh độ cao sóng (Hs) giữa tính toán và thực đo tại S1 48 Hình 3.9. So sánh độ cao sóng (Hs) giữa tính toán và thực đo tại S2 Hình 10. So sánh độ cao sóng (Hs) giữa tính toán và thực đo tại S3 49 Hình 3.11. So sánh độ cao sóng (Hs) giữa tính toán và thực đo tại S4 Hình 3.12. Phân bố trường sóng lúc 14h/8/1/2006 50 Hình 3.13. Phân bố trường sóng lúc 6h/12/1/2006 Hình 3.14. Phân bố trường sóng lúc 13h/13/1/2006 51 Số liệu thực đo sóng được đo theo từng giờ trong khi sóng tại biên ngoài khơi được xử lý từ gió theo ốp đo 6h. Do vậy