TỔNG QUAN
Các nghiên cứu liên quan
Dọc bờ biển miền Trung Việt Nam, các cửa sông mang những đặc trưng thủy động lực đa dạng, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển trầm tích, sinh học và sinh thái Những yếu tố này không chỉ là cơ sở cho việc thiết kế và thi công các công trình thủy mà còn là thông số quan trọng giúp các nhà quản lý địa phương xây dựng chính sách phát triển kinh tế phù hợp Do đó, nghiên cứu và mô phỏng các đặc trưng thủy động lực là cần thiết để tối ưu hóa quản lý tài nguyên và phát triển bền vững cho từng khu vực cửa sông.
Trường thủy động lực và các quá trình vật lý tại khu vực cửa sông ven biển là vấn đề quan trọng được nhiều nhà khoa học và quản lý quan tâm do ảnh hưởng lớn đến đời sống xã hội địa phương Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã được thực hiện, như nghiên cứu về cửa sông Neuse và Pamlico tại Bắc Carolina của Mỹ, mô phỏng thủy động lực tại cửa St.Lucie và vận chuyển cát ở cửa sông Alafia, cũng như mô hình EFDC và HSPF cho cửa vịnh St.Louis Tại Trung Quốc, nghiên cứu của Kelin Hu về mô phỏng thủy động lực 2D/3D tại cửa Yangtze và nghiên cứu tại hệ thống cửa sông Tanshui ở Đài Loan cũng rất đáng chú ý Ở châu Âu, các nghiên cứu về tác động của dự án năng lượng thủy triều tại cửa Severn ở Anh và ảnh hưởng của lưu lượng sông đến trường thủy động lực tại cửa Douro, Bồ Đào Nha, cũng đã được thực hiện.
Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu mô phỏng thủy động lực đã được thực hiện tại khu vực biển Bắc Trung Bộ và Quảng Bình, đặc biệt là khu vực cửa Nhật Lệ Các nghiên cứu này bao gồm việc sử dụng mô hình MIKE Flood để tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhật Lệ, đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến ngập lụt lưu vực sông Nhật Lệ, và nghiên cứu rủi ro ngập lụt tại các lưu vực sông Kiến Giang và Long Đại Năm 2011, Phan Thanh Tinh đã nghiên cứu về lũ lụt tại Quảng Bình và các biện pháp phòng chống, trong khi Lại Vĩnh Cẩm và Nguyễn Xuân Hậu đã phát triển công nghệ dự báo trực tuyến về diện và mức độ ngập lụt cho các lưu vực sông miền Trung Ngoài ra, nghiên cứu ứng dụng GIS và mô hình HEC để xây dựng bản đồ cảnh báo ngập lụt cũng được thực hiện vào năm 2011 Về sóng, khu vực cửa Nhật Lệ đã có một số nghiên cứu chuyên sâu trước đó, như nghiên cứu điều kiện sóng gần bờ của Đào Minh Châm và Nguyễn Quang Minh.
Nghiên cứu của Nguyễn Thái Sơn và Nguyễn Văn Cự năm 2018 đã mô phỏng tác động của sóng và nước dâng bão tại khu vực ven biển miền Trung, trong khi Trần Hồng Thái, Đoàn Quang Trí và Đinh Việt Hoàng cũng đã thực hiện các nghiên cứu tương tự Các nghiên cứu trước đó về vận chuyển trầm tích, như nghiên cứu cơ chế bồi lấp cửa sông Nhật Lệ - Quảng Bình của Đỗ Quang Thiên, đã chỉ ra nhiều yếu tố tác động đến hiện tượng bồi lấp và xói lở, đồng thời đề xuất giải pháp phòng chống Mặc dù những nghiên cứu này đã cung cấp những kết quả quan trọng và làm sáng tỏ đặc điểm thủy động lực khu vực, chúng vẫn chưa hoàn toàn tập trung vào trường thủy động lực tại cửa Nhật Lệ Tuy nhiên, đây là nguồn tư liệu quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về thủy động lực khu vực Bắc Trung Bộ và Quảng Bình Nghiên cứu này sẽ trình bày khả năng ứng dụng mô hình toán để mô phỏng trường thủy động lực cho khu vực cửa Nhật Lệ, Quảng Bình.
Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu
Quảng Bình là một tỉnh ven biển thuộc Bắc Trung Bộ Việt Nam, với diện tích tự nhiên lên tới 8.065 km² Tỉnh này được xác định bởi các tọa độ địa lý: điểm cực Bắc nằm ở vĩ độ 18º05'12'', điểm cực Nam ở vĩ độ 17º05'02'', điểm cực Đông ở kinh độ 106º59'37'' và điểm cực Tây ở kinh độ 105º36'55''.
Hình 1 Bản đồ địa giới hành chính tỉnh Quảng Bình và khu vực nghiên cứu
Tỉnh Quảng Bình sở hữu bờ biển dài 116 km ở phía Đông, bao gồm các vịnh và cảng nổi bật như Hòn La, Gianh và Nhật Lệ Tỉnh này có biên giới dài 201,87 km với nước CHDCND Lào ở phía Tây, phía Bắc giáp tỉnh Hà Tĩnh với chiều dài 136,5 km và phía Nam tiếp giáp tỉnh Quảng Trị với địa giới 78,8 km.
1.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo Địa hình Quảng Bình nhìn chung khá phức tạp, hẹp và thấp dần từ phía Tây sang phía Đông Phía Tây là sườn Đông của dãy Trường Sơn hùng vĩ được nâng cao qua các thời kỳ vận động kiến tạo tạo núi, tạo ra hàng loạt các đỉnh núi cao trên 1.000 m Càng về phía Đông, địa hình thấp dần, nhưng do hẹp chiều ngang nên độ dốc tương đối lớn Vùng đồi mở rộng với nhiều nhánh núi tiến ra sát biển đã làm thu hẹp một phần đáng kể diện tích của đồng bằng duyên hải.
Về mặt cấu trúc có thể chia Quảng Bình thành 4 khu vực có địa hình khác nhau:
- Vùng núi: có độ cao từ 250 - 2.000 m, với tổng diện tích khoảng 5.236km² chiếm 65
Địa hình núi của khu vực này có độ cao giảm dần từ Tây sang Đông và từ Bắc vào Nam, thuộc sườn Đông dãy Trường Sơn với độ cao dao động từ 250 - 1.500 m Phần lớn diện tích núi có độ cao từ 500 – 600 m, chủ yếu được cấu tạo bởi các loại đá phiến, đá biến chất và đá cát bột kết, với hình thái đường chia nước mềm mại và sườn tương đối thoải Ngược lại, các núi trung bình có độ cao trên 1.000 m được cấu tạo bởi đá xâm nhập, tạo nên các đỉnh như Co Ta Run (1.624 m), Ba Rền (1.137 m) và U Bò (1.009 m), có bề mặt đường chia nước phức tạp, đỉnh nhọn và sườn dốc Độ dốc bình quân của vùng núi này là 250, với mức độ chia cắt sâu trung bình từ 250 – 500 m.
- Vùng gò đồi trung du: Có độ cao từ 50 – 250 m, có diện tích 1.678 km², chiếm 19,7
% tổng diện tích đất tự nhiên.
Vùng đồng bằng Quảng Bình có độ cao dưới 50m và diện tích khoảng 867 km², chiếm 10,95% tổng diện tích đất tự nhiên Các đồng bằng này được hình thành từ quá trình mài mòn và bồi tụ, chủ yếu phân bố ở các huyện Lệ Thủy, Quảng Ninh, Bố Trạch, Quảng Trạch và thành phố Đồng Hới Đây là khu vực tập trung đông dân cư và rất thuận lợi cho việc phát triển cây lương thực, đặc biệt là cây lúa.
- Vùng ven biển: Chủ yếu là dải cát nội đồng hình lƣỡi liềm hay hình rẻ quạt có tổng diện tích
Với diện tích 358 km², chiếm 4% tổng diện tích đất tự nhiên, dải cát này phân bố dọc theo bờ biển từ chân Đèo Ngang (Quảng Trạch) đến Mũi Lạy (Lệ Thủy) với tổng chiều dài 116,04 km Nơi đây tập trung chủ yếu tại hai huyện Quảng Ninh và Lệ Thủy.
Dải cồn cát tại Quảng Bình có diện tích 32.140 ha, chiếm 4% tổng diện tích tự nhiên của tỉnh, với độ cao dao động từ 2-3 m đến 30-40 m và nơi rộng nhất lên tới 7 km Khu vực này có độ dốc lớn và chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ gió và nước, dẫn đến hiện tượng cát bay và cát lấp vào đồng ruộng, gây khó khăn cho sản xuất và giao thông Để khắc phục tình trạng này, cần đầu tư vào việc trồng rừng chắn cát và phát triển các mô hình kinh tế trong vùng cát, vốn được xem là khắc nghiệt nhưng lại tiềm ẩn nhiều cơ hội kinh tế Địa hình bờ biển Quảng Bình chủ yếu là bờ biển hở, với quá trình mài mòn và bồi tụ diễn ra xen kẽ.
1.1.3 Đặc điểm khí tượng và thủy hải văn
1.1.3.1 Khí tƣợng Quảng Bình nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, nằm ở khu vực Trung Trung
Khu vực bị ảnh hưởng bởi khí hậu phía Bắc và phía Nam có hai mùa rõ rệt Theo thống kê từ Sở Khoa học và Công nghệ Quảng Bình, mùa mưa thường kéo dài từ tháng này đến tháng khác.
Từ tháng IX đến tháng XII, khu vực này có lượng mưa trung bình từ 1.600 đến 2.800 mm/năm, với thời gian mưa chủ yếu tập trung vào các tháng IX, X và XI Trong khi đó, mùa khô kéo dài từ tháng IV đến tháng VIII, với nhiệt độ trung bình cao.
Nhiệt độ trung bình hàng năm dao động từ 24°C đến 25°C, với ba tháng cao nhất là tháng 6, 7 và 8 Nhiệt độ cao nhất ghi nhận được là 41,6°C tại trạm Tuyên Hóa vào tháng 5 năm 1992, 40,6°C tại trạm Ba Đồn vào tháng 7 năm 1998, và 40,7°C tại trạm Đồng Hới vào tháng 4 năm 1980 Ngược lại, nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối ghi nhận là 5,0°C tại trạm Tuyên Hóa vào tháng 12 năm 1999, 7,6°C tại trạm Ba Đồn vào tháng 12 năm 1975, và 7,8°C tại trạm Đồng Hới cũng vào tháng 12 năm 1975.
Nhiệt độ trung bình hàng năm tại Quảng Bình có xu hướng tăng dần từ Bắc vào Nam và từ Tây sang Đông Khu vực này đạt mức bức xạ cân bằng từ 70 đến 80 kcal/cm², với số giờ nắng trung bình hàng năm dao động từ 1.700 đến 2.000 giờ.
Khu vực nghiên cứu nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với nhiệt độ trung bình hàng năm đạt 25,0 oC theo số liệu quan trắc tại trạm Đồng Hới Ba tháng có nhiệt độ cao nhất là tháng 6, 7 và 8, với nhiệt độ trung bình khoảng 30 oC Ngược lại, nhiệt độ thấp nhất xảy ra vào các tháng mùa đông, cụ thể là tháng 12, 1, 2 và 3, khi nhiệt độ trung bình giảm xuống dưới mức này.
Tháng lạnh nhất trong năm là tháng 1 với nhiệt độ thấp nhất ghi nhận là 6,8 o C vào tháng 1 năm 2016, trong khi tháng nóng nhất là tháng 6 Nhiệt độ cao nhất được đo là 41 o C vào tháng 4 năm 2015.
Bảng 1 Bảng nhiệt độ lớn nhất (tối cao) theo từng năm (Đơn vị: o C)
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
(Nguồn: Tổng cục Khí tượng Thủy văn)
Bảng 2 Bảng nhiệt độ thấp nhất (tối thấp) theo từng năm Đơn vị: o C
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
(Nguồn:Tổng cục Khí tượng Thủy văn)
Nhiệt độ trung bình năm lớn nhất vào các năm 2003, 2010, 2015 với nhiệt độ trung bình lần lƣợt là 25,4 o C, 25,5 o C và 26 o C Nhiệt độ trung bình năm nhỏ nhất vào các năm
2000, 2008, 2011 với nhiệt độ trung bình lần lƣợt là 24,4 o C, 24,4 o C và 23,7 o C.
Quảng Bình có lượng mưa trung bình hàng năm dao động từ 1.800 đến 2.600 mm, nằm trong khoảng trung bình của khu vực và cả nước.
Dựa trên số liệu quan trắc mưa tại Đồng Hới, Lệ Thủy từ 1965-2019, tổng lượng mưa trung bình năm đạt khoảng 2.351 mm, với mùa mưa kéo dài từ tháng VIII đến tháng XI, chiếm 72,8% tổng lượng mưa cả năm Tháng có lượng mưa thấp nhất là tháng II với 42,2 mm, trong khi tháng có lượng mưa cao nhất là tháng X với 638,7 mm Chế độ mưa ở Quảng Bình khá phức tạp, với khoảng 130 ngày mưa trong năm, tương đương 1/3 số ngày Vào mùa đông, thời tiết lạnh kèm theo những đợt mưa nhỏ, mưa phùn kéo dài, làm tăng cảm giác rét Xác suất lượng mưa tháng trên 100 mm cao hơn vào tháng V và tháng VI, dẫn đến lũ tiểu mãn trong giai đoạn này Trong năm, có khoảng 7-8 ngày mưa lớn (trên 50 mm/ngày) và 2-3 ngày mưa cực lớn (trên 100 mm/ngày).
Đặc điểm dân số, lao động và xã hội
Dân số Quảng Bình năm 2017 đạt 882.505 người, với mật độ dân số 110 người/km², chủ yếu tập trung tại thành phố Đồng Hới với mật độ 764 người/km² Đối tượng cư dân chủ yếu là người Kinh, trong khi các dân tộc ít người như Chứt và Bru-Vân Kiều gồm các tộc như Khùa, Mã Liềng, Rục, Sách, Vân Kiều, Mày, Arem sống chủ yếu ở hai huyện miền núi Tuyên Hoá và Minh Hoá cùng một số xã miền Tây huyện Bố Trạch, Quảng Ninh, Lệ Thuỷ Đáng chú ý, 80,4% dân cư sinh sống ở vùng nông thôn và 19,6% ở thành thị.
Bảng 19 Dân số trung bình phân theo giới tính và phân theo thành thị, nông thôn 1
Tổng số Phân theo giới tính Phân theo thành thị, nông thôn
Nam Nữ Thành thị Nông thôn
Khu vực nghiên cứu trên lưu vực sông Kiến Giang và Nhật Lệ, đặc biệt tại các huyện Quảng Ninh, Lệ Thủy và thành phố Đồng Hới, có mật độ dân số cao với nhiều khu dân cư tập trung Sự đông đúc này chủ yếu diễn ra hai bên bờ sông Nhật Lệ, nơi Đồng Hới ghi nhận mật độ dân số lớn nhất tỉnh Tuy nhiên, việc tập trung dân cư đông đúc đã gây khó khăn cho công tác thoát lũ của sông Nhật Lệ, khi các công trình xây dựng như nhà cửa và đê điều cản trở dòng chảy trong mùa lũ.
Người dân sinh sống hai bên bờ sông đã phát triển mạnh mẽ nghề nuôi trồng thủy sản, hoạt động này đã làm biến đổi dòng sông, bao gồm việc lấy nước và xây dựng các hồ nuôi tôm cá Đặc biệt tại Đồng Hới, sự phát triển của các khu công nghiệp, dân số và các cơ sở kinh doanh đã tác động lớn đến hoạt động này.
Niên giám thống kê tỉnh Quảng Bình năm 2017 chỉ ra rằng sự tập trung xây dựng công trình dày đặc hai bên bờ sông đã gây cản trở dòng chảy, làm cho dòng chảy chậm lại và gia tăng thời gian úng ngập tại đồng bằng Đời sống của cư dân nơi đây còn nghèo nàn, dẫn đến các công trình phục vụ dân sinh và sản xuất kém chất lượng, thiếu bền vững và dễ bị phá hủy khi có thiên tai như bão lũ Những vật liệu từ các công trình này không chỉ làm tăng tình trạng bồi lấp mà còn trực tiếp gây ra tình trạng bồi lấp luồng lạch sông Nhật Lệ.
Hệ thống giao thông đường bộ, đường sắt và đường thủy nội địa hiện nay có xu hướng vuông góc với dòng chảy của sông, làm giảm khả năng tiêu thoát nước, đặc biệt là Quốc lộ 1A và đường sắt Bắc - Nam, trở thành các tuyến đê ngăn lũ Nếu không có những tuyến đường này, dòng chảy sẽ không bị cản trở, nhưng hiện tại, nước phải vượt qua các tuyến đường như những con đê, dẫn đến tình trạng úng ngập nghiêm trọng hơn Bên cạnh đó, nhiều công trình thủy lợi cũng được xây dựng để phục vụ cho đời sống và sản xuất nông nghiệp.
Đập Mỹ Trung đã tạo ra nhiều bãi nổi và bãi cạn, làm chậm dòng chảy của nước Mặc dù có nhiều hồ chứa, nhưng hầu hết có dung tích nhỏ, chủ yếu phục vụ tưới tiêu vào mùa khô và không đủ khả năng chống lũ lớn Hai hồ chứa lớn An Mã và Cẩm Ly nằm ở đầu nguồn, do đó không có hiệu quả trong việc giảm lượng nước và tiêu thoát lũ ở hạ lưu.
Hệ thống đê điều của khu vực nghiên cứu nằm trong vùng trũng của dải địa hình hẹp nhất Trung Bộ và cả nước, dẫn đến tình trạng ngập úng thường xuyên ở đồng bằng hạ du sông Nhật Lệ do lượng mưa lớn và dòng chảy tập trung nhanh Trong những đợt lũ nhỏ, việc chống ngập úng có thể thực hiện được, nhưng khi lũ lớn xảy ra, hệ thống đê sẽ bị ngập hoàn toàn, gây khó khăn trong việc tiêu thoát lũ và làm gia tăng tình trạng ngập úng tại hạ lưu sông Nhật Lệ.
Ngập lụt và thoát lũ
Tiêu thoát lũ là vấn đề quan trọng trong mùa mưa lũ và thiên tai tại hạ lưu sông Nhật Lệ Tại trạm Lệ Thủy, trung bình hàng năm ghi nhận khoảng 4 trận lũ từ báo động I trở lên, với năm nhiều nhất lên tới 6 trận Đối với lũ từ báo động II trở lên, trung bình có 2,8 trận mỗi năm, trong đó năm 1970, 1977 và 1979 là những năm có 3 trận Mặc dù có năm không có trận nào đạt báo động III, nhưng việc tiêu thoát lũ diễn ra chậm và gặp khó khăn do nhiều nguyên nhân Mùa mưa kéo dài từ cuối hè đến đầu đông với lượng mưa lớn, chủ yếu do ảnh hưởng của gió mùa đông bắc và các hiện tượng thời tiết như bão và áp thấp nhiệt đới, khiến cho lượng mưa chiếm tới 65%.
Khoảng 70% lượng nước trong năm được tập trung vào mùa mưa, với lưu lượng nước trong mùa này chiếm từ 70-80% tổng lượng nước cả năm Trên lưu vực sông Nhật Lệ, đỉnh lũ lớn nhất thường xảy ra vào tháng X, với tần suất từ 42,2% đến 55,8% Tháng IX có tần suất lũ đạt từ 25,6% đến 28,9%, trong khi tháng XI ghi nhận tần suất từ 16,3% đến 26,7%.
Khu vực nghiên cứu đang đối mặt với tình trạng ngập úng nghiêm trọng do lượng nước lớn đổ về, trong khi địa hình hẹp và dốc của lòng sông khiến nước tập trung nhanh chóng, tạo ra các cơn lũ mạnh đổ về hạ lưu Dòng nước này chảy với tốc độ nhanh, gặp phải một dãy cồn cát ngăn cản, khiến cho dòng lũ không thể thoát ra biển một cách dễ dàng, mà phải uốn khúc qua cửa Nhật Lệ hẹp chỉ khoảng 70m Trong điều kiện bình thường, dòng lũ có thể lấn át triều, nhưng khi triều mạnh kết hợp với nước lũ, hiện tượng dồn ứ xảy ra, làm tăng nguy cơ ngập úng, đặc biệt khi có bão kèm theo nước dâng và mưa lớn Mùa mưa trùng với mùa bão càng làm cho tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn, khi dòng lũ từ sông và nước dâng từ biển cùng nhau gây khó khăn trong việc tiêu thoát nước.
Việc tiêu thoát lũ chậm không chỉ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tự nhiên mà còn bởi các tác nhân kinh tế xã hội Thành phố Đồng Hới, với mật độ dân số cao nhất tỉnh và nhiều cư dân sinh sống ven sông Nhật Lệ, gặp khó khăn trong việc thoát lũ Các công trình xây dựng như nhà ở, đê điều và hoạt động kinh tế gần cửa sông cũng góp phần làm giảm khả năng tiêu lũ khi xảy ra lũ lớn.
Trong bối cảnh nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu, nguy cơ ngập úng và khó tiêu lũ tại khu vực nghiên cứu ngày càng gia tăng Biến đổi khí hậu dẫn đến những biến đổi khó lường trong trường thủy động lực Do đó, việc mô phỏng trường thủy động lực là cần thiết để hiểu rõ các đặc điểm của nó, từ đó hỗ trợ hiệu quả cho các kế hoạch phòng chống thiên tai và chính sách phát triển địa phương.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH TOÁN
Lựa chọn mô hình
Dựa trên vấn đề nghiên cứu đã nêu ở mục 1.3, việc mô phỏng các quá trình thủy động lực tại khu vực cửa Nhật Lệ nhằm đạt được các mục tiêu nghiên cứu cụ thể là rất cần thiết.
Tính toán mô phỏng các chế độ dòng chảy và sóng tại khu vực nghiên cứu giúp phân tích diễn biến của trường thủy động lực Các dữ liệu về địa hình và chế độ thủy hải văn được đo đạc đồng bộ, cung cấp cái nhìn rõ nét về tình hình hiện trạng.
Tính toán các chế độ thủy động lực trong khu vực nghiên cứu với địa hình hiện trạng theo các kịch bản khác nhau về sóng và lũ tần suất nhằm tìm hiểu quy luật và sự biến đổi động lực Nghiên cứu này là cơ sở quan trọng để đánh giá tác động của các yếu tố thủy động lực đến khu vực cửa Nhật Lệ.
Hiện nay, có nhiều phương pháp đánh giá đặc trưng thủy động lực, trong đó hai phương pháp chính là mô hình hóa và phân tích kinh nghiệm Phương pháp phân tích kinh nghiệm có ưu điểm giải thích hiện tượng địa phương nhưng mang tính chủ quan và thiếu cơ sở rõ ràng Ngược lại, phương pháp mô hình hóa cung cấp kết quả trực quan, dễ theo dõi và đánh giá một cách khách quan, mặc dù không mô phỏng được một số đặc trưng đặc biệt Do đó, tác giả chọn phương pháp mô hình hóa để phân tích và đánh giá trong nghiên cứu này.
Hình 10 Các phương pháp tiếp cận mô phỏng trường thủy động lực
Hiện nay, phương pháp mô hình hóa bao gồm hai loại chính: mô hình vật lý và mô hình toán Mô hình vật lý được đánh giá là phương pháp hiệu quả trong việc mô phỏng trường thủy động lực một cách trực quan và sát thực tế Tuy nhiên, phương pháp này có chi phí cao và thời gian thực hiện kéo dài, đồng thời yêu cầu các điều kiện tự nhiên chính xác cho khu vực mô phỏng Do đó, trong nghiên cứu này, tác giả đã chọn phương pháp mô hình toán.
Mô hình toán là công cụ quan trọng trong nghiên cứu và tính toán các quá trình thủy thạch động lực, đặc biệt là thủy thạch động lực biển Trên thế giới có nhiều mô hình và phần mềm phục vụ cho việc tính toán các quá trình thủy động lực, mỗi loại có những đặc thù riêng phù hợp với các mối quan tâm khác nhau Do đó, mỗi mô hình đều có những ưu điểm và hạn chế riêng Một số mô hình hiện đại có khả năng giải quyết các vấn đề liên quan đến đặc trưng thủy động lực vùng cửa sông và ven biển đã được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam và trên thế giới.
Hình 11 Giải pháp ứng dụng mô hình trong nghiên cứu
Bộ mô hình SMS được phát triển bởi Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công trình Quân đội Mỹ cùng với Phòng Nghiên cứu Đường thủy và Phòng Nghiên cứu Thủy động lực Phần mềm này có khả năng tính toán dòng chảy một chiều, hai chiều và ba chiều, bao gồm cả các trạng thái ổn định và không ổn định SMS bao gồm nhiều hợp phần khác nhau, phục vụ cho các nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực thủy động lực học.
- RMA2, HIVEL2D và Flo2dh dùng để tính toán dòng chảy hai chiều cho các khu vực trong sông và vùng cửa sông;
- RMA10 và CH3D dùng để tính toán dòng chảy ba chiều cho các khu vực trong sông và cửa sông;
- ADCIRC và M2D dùng để tính toán dòng chảy trong các biển và đại dương;
- CGWAVE và BOUS2D dùng để tính toán sóng ổn định;
- RMA4 và SED2D-WES dùng để tính toán lan truyền chất ô nhiễm và vận chuyển trầm tích;
- HEC-RAS dùng để tính toán dòng chảy một chiều trong sông và trong kênh hở.
Bộ mô hình Delft 3D là một hệ thống tổng hợp các mô đun của Viện Thủy lực Delft – Hà Lan, bao gồm nhiều mô đun khác nhau và thể hiện mối quan hệ giữa chúng Nó còn tích hợp các công cụ hỗ trợ như biểu diễn kết quả tính toán, tạo lưới tính toán và nhập, xử lý số liệu đầu vào (Delft 3D, manual 2002) Bộ mô hình này bao gồm các mô đun thành phần sau:
Delft 3D WAVE là phần mềm chuyên dụng cho việc tính toán sự lan truyền sóng ngắn không ổn định trong vùng nước nông Phần mềm này không chỉ xem xét tác động của gió mà còn tính đến các yếu tố như sự tiêu tán năng lượng do ma sát đáy, hiện tượng sóng vỡ, khúc xạ và hiệu ứng nước nông.
- Delft 3D – WAQ: tính toán chất lượng nước và lan truyền vật chất, sự phát tán, phân hủy, chuyển đổi giữa các chất,…
- Delft 3D – PART: đánh giá phân bố nồng độ theo quá trình động lực và theo không gian và thời gian của các hạt.
- Delft 3D – ECO: mô hình sinh thái tính toán quá trình động lực phát triển loài tảo và chất dinh dƣỡng,….
- Delft – MOR: tính toán biến đổi hình thái đáy biển do sự chênh lệch vận chuyển trầm tích, là hệ quả của tác động dòng chảy và sóng.
Bộ mô hình MIKE, phát triển bởi Viện Tài nguyên và Môi trường nước Đan Mạch (DHI Water & Environment), bao gồm MIKE Zero, là tên gọi chung cho tất cả các mô hình liên quan đến môi trường nước của DHI, với nhiều thành phần đa dạng.
- MIKE 11: mô hình tính toán một chiều cho sông và kênh;
- MIKE 21: mô hình tính toán hai chiều cho khu vực cửa sông, khu vực biển ven bờ và ngoài khơi;
- MIKE 31: mô hình tính toán ba chiều cho khu vực cửa sông, ven bờ và biển sâu.
- MIKE 21/3 Integrated Models: mô hình tính toán cả hai chiều và ba chiều cho kết hợp tính toán cùng lúc nhiều mô đun;
- LITPACK: mô hình tính toán cho các quá trình vận chuyển trầm tích ven bờ và biến đổi đường bờ;
- MIKE SHE: mô hình thủy văn cho lưu vực sông.
Bảng 20 Tiêu chí lựa chọn mô hình
Mô hình thương mại Mô hình mã nguồn mở DHI MIKE DELFT 3D ROM SWAN
Cơ sở lý thuyết đầy đủ √ √ √ √
Mô phỏng đầy đủ các yếu tố sóng, dòng chảy khu vực cửa sông ven biển √ √ X X
Giao diện dễ sử dụng, thân thiện với người dùng √ √ X X
Mô hình thương mại Mô hình mã nguồn mở
DHI MIKE DELFT 3D ROM SWAN Đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều đề tài, dự án tại Việt Nam √ x X X
Bộ mô hình MIKE, đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam, cho thấy khả năng mô phỏng hiệu quả các bài toán thủy động lực học thực tế Trong nghiên cứu này, mô đun MIKE 21 (hai chiều) được lựa chọn, kết hợp các mô đun tính toán dòng chảy (Mike21HD FM) và sóng (Mike21 SW FM) với lưới phi cấu trúc, giúp mô phỏng chính xác các quá trình thủy động lực gần bờ Công cụ chính để mô phỏng trong nghiên cứu là mô hình MIKE 21, cụ thể là Mike 21 Couple FM – Mike 21/3 Integrated, nhằm nghiên cứu trường thủy động lực khu vực cửa Nhật Lệ, đồng thời kế thừa bộ mô hình MIKE Flood và MIKE 11 để thực hiện mô phỏng thủy lực thủy văn cho đầu vào của mô hình hai chiều.
Hình 12 Sự tương tác giữa các module trong bộ mô hình MIKE
Hình 13 Sơ đồ ứng dụng các bộ công cụ mô hình MIKE trong nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE
2.2.1 Mô hình thủy văn thủy lực trong sông
2.2.1.1 Mô hình thủy văn MIKE NAM NAM là bộ mô hình mô hình mƣa – dòng chảy Mô hình NAM thuộc loại mô hình thủy văn tất định – nhận thức – gộp, đƣợc xây dựng vào khoảng năm 1982 tại khoa Thủy Văn Viện kĩ thuật thủy động lực và thủy lực thuộc trường Đại học kĩ thuật Đan Mạch Mô hình NAM là một hệ thống các diễn đạt bằng công thức toán học dưới dạng định lượng đơn giản thể hiện trạng thái của đất trong chu kỳ thủy văn Mô hình NAM còn đƣợc gọi là mô hình mang tính xác định, tính khái niệm và khái quát với yêu cầu dữ liệu đầu vào trung bình.
Hình 14 Cấu trúc của mô hình NAM
Mô hình NAM đƣợc xây dựng trên nguyên tắc xếp năm bể chứa theo chiều thẳng đứng và hai bể chứa tuyến tính nằm ngang:
- Bể chứa tầng dưới (bể tầng rễ cây);
Hình 15 Mô hình nhận thức của mô hình NAM Các yếu tố chính ảnh hưởng đến dòng chảy trong mô hình NAM bao gồm:
- Lƣợng trữ tầng thấp hay lƣợng trữ tầng rễ cây:
- Bốc thoát hơi nước: Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên được thoả mãn từ lượng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng.
Khi lượng trữ bề mặt vượt quá mức tối đa (U > Umax), nước thừa sẽ gia nhập vào dòng chảy mặt, được gọi là PN Thông số QOF đặc trưng cho phần nước thừa này.
PN đóng vai trò quan trọng trong dòng chảy mặt, được cho là tương ứng với PN và có sự biến đổi tuyến tính theo mối quan hệ giữa lượng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm ở tầng thấp.
(2.1) Trong đó: CQOF = hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 CQOF 1),
TOF = giá trị ngƣỡng của dòng chảy tràn (0 TOF 1).
Phần nước thừa P N không tham gia vào dòng chảy tràn sẽ thấm xuống tầng chứa nước thấp Một phần ΔL của nước này có sẵn cho quá trình thấm, với giá trị P N.
Giả thuyết cho rằng Q OF ) sẽ làm tăng lượng ẩm L trong tầng trữ ẩm thấp Lượng ẩm còn lại, G, được cho là sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào nguồn trữ nước ngầm.
Dòng chảy sát mặt, hay còn gọi là QIF, đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu mối quan hệ giữa U và lượng ẩm trong tầng thấp Sự biến đổi của QIF được giả định là tuyến tính theo lượng chứa ẩm, cho thấy sự ảnh hưởng của dòng chảy này đối với điều kiện môi trường.
(2.2) Trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngƣỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1).
Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt được mô tả thông qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CK12 giống nhau Trong khi đó, diễn toán dòng chảy mặt cũng sử dụng khái niệm hồ chứa tuyến tính, nhưng với hằng số thời gian có khả năng thay đổi.
Dòng chảy tràn (OF) được đo bằng mm/giờ, với OFmin là giới hạn trên của diễn toán tuyến tính, cụ thể là 0,4 mm/giờ Hằng số β được xác định là 0,4, tương ứng với việc áp dụng công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt.
Theo phương trình trên, dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp sóng động học, trong khi dòng chảy sát mặt sử dụng mô hình NAM Trong lưu vực không có thành phần dòng chảy mặt, dòng chảy được diễn toán như một hồ chứa tuyến tính.
- Lượng gia nhập nước ngầm: Tổng lượng nước thấm G gia nhập vào lượng trữ nước ngầm phụ thuộc vào độ ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây.
(2.4) Trong đó: T G là giá trị ngưỡng tầng rễ cây đối với lượng gia nhập nước ngầm (0 ≤ T G ≤ 1).
Độ ẩm trong đất, cụ thể là lượng nước trong tầng rễ cây, được thể hiện qua lượng chứa ẩm (L) trong tầng trữ thấp Sau khi phân chia lượng mưa giữa dòng chảy mặt và dòng thấm xuống tầng ngầm, phần nước mưa còn lại sẽ góp phần vào việc tăng cường lượng chứa ẩm này với một lượng ΔL.
Dòng chảy cơ bản BF từ lượng trữ tầng ngầm được xác định giống như dòng chảy ra từ một hồ chứa tuyến tính, với hằng số thời gian CKBF.
2.2.1.2 Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 HD
Mô hình thủy động lực (HD) là thành phần quan trọng trong hệ thống lập mô hình MIKE 11, đóng vai trò nền tảng cho nhiều modun khác như dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và vận chuyển bùn lắng không có cố kết Modun MIKE 11 HD giải quyết các phương trình tổng hợp theo phương đứng, đảm bảo tính liên tục và động lượng, cụ thể là phương trình Saint Venant.
Phương trình Saint Venant được thiết lập từ dạng phương trình chuẩn đối với việc bảo toàn khối lƣợng và động lƣợng dựa trên bốn giả thiết sau:
- Nước là chất đồng nhất, không nén được, có thể bỏ qua thay đổi về khối lượng riêng.
- Độ dốc của sông nhỏ, nên giá trị Cosin của góc độ dốc có thể coi bằng 1.
Để đảm bảo dòng chảy trong sông luôn song song với đáy, bước sóng của mặt nước cần phải lớn hơn độ sâu của sông.
Trạng thái dòng chảy dưới tới hạn được xác định khi phương trình động lượng được giải theo cách tối giản, trong đó các thành phần không tuyến tính bị loại bỏ.
Dựa trên các giả thiết đã nêu, hệ phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng có thể được chuyển đổi thành các phương trình 3.1 và 3.2, trong đó đã tính đến dòng chảy nhập lưu.