Trên thế giới và trong nước hiện có nhiều mô hình thủy động lực đang được áp dụng cho nhiều mục đích khai thác khác nhau như nghiên cứu, quy hoạch và thiết kế hệ thống công trình…, tiêu biểu có thể kể đến là DELFT 3D (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch), EFDC (Mỹ),… Tuy nhiên, mỗi mô hình đều có những ưu nhược điểm riêng và cho đến nay vẫn chưa có một đánh giá toàn diện và chi tiết về khả năng áp dụng của các mô hình nói trên.
Mô hình Mike là hệ thống phần mềm thủy hải văn, thủy lực sông biển chuyên nghiệp nổi tiếng của Viện Thủy Lực Đan Mạch bao gồm :
Hệ thống MIKE 11: giải quyết đầy đủ các bài toán thủy lực 1 chiều (1D) như tính toán vận tốc, lưu lượng, dao động mưc nước ở khu vực ảnh hưởng thủy triều có xét đến ảnh hưởng của mưa trên lưu vực, tác động của các công trình thủy, sự lan truyền chất,…
Hệ thống MIKE 21: mô hình dòng chảy mặt 2D, được ứng dụng để mô phỏng các quá trình thủy lực và các hiện tượng về môi trường trong các hồ, các vùng cửa sông,vùng vịnh, vùng ven bờ và các vùng biển.
Hệ thống MIKE 3: đây là hệ thống các chương trình phát triển dựa trên các nghiên cứu khoa học gần đây, tính toán dòng chảy và bùn cát 3 chiều (3D). Hệ thống này có thể mô phỏng rất tốt sự phân bố dòng chảy và bùn cát theo không gian 3 chiều, rất thích hợp để nghiên cứu với độ chính xác cao bài toán sa bồi, xói lở ở các đoạn sông và đặc biệt rất thích hợp để áp dụng cho các vấn để xói lở của các đoạn sông cong, cửa sông và ven biển.
Hệ thống MIKE Flood: mô hình thuỷ động lực học dòng chảy kết nối 1&2 chiều, có khả năng mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, cửa sông, vịnh và ven biển, cũng như mô phỏng dòng không ổn định hai chiều ngang trên đồng bằng ngập lũ.
Ngoài ra còn có hệ thống MIKE 21/3 Module, MIKE She, Litpack.
Sau khi cân nhắc so sánh các mô hình toán có thể áp dụng cho khu vực phù hợp với mục tiêu đồ án tác giả đã chọn mô hình Mike.Các mô đun Mike 21 cho phép mô phỏng toàn cảnh bức tranh thủy động lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm như số liệu đo đạc.
1.3.2. Cơ sở lý thuyết mô hình dòng chảy Mike 21FM
Mike 21 FM, do DHI Water & Enviroment phát triển, là hệ thống mô hình mới cơ bản trong cách tiếp cận mắt lưới linh hoạt. Hệ thống mô hình được phát triển cho việc ứng dụng nghiên cứu hải dương học, môi trường vùng cửa sông ven biển. Mô hình gồm có phương trình liên tục, phương trình mômen, phương trình mật độ, phương trình độ mặn.
Mô hình Mike 21 FM bao gồm các module sau:
Module thủy động lực học
Module vận chuyển tính toán vận chuyển bùn cát Module sinh thái
Module giám sát chất điểm
Module thủy động lực học là thành phần tính toán cơ bản của hệ thống mô hình Mike 21 FM, cung cấp chế độ thủy lực cơ bản cho khu vực tính toán.
Cơ sở lý thuyết module thủy động lực
Modul thủy lực cơ bản trong phương pháp số của các phương trình nước nông 2 chiều - độ sâu - phương trình kết hợp Navier - Stoke lấy trung bình hệ số Renold không nén. Nó bao gồm các phương trình liên tục, phương trình động lượng, nhiệt độ, độ mặn và phương trình mật độ. Theo chiều nằm ngang cả hệ tọa độ Đề các và hệ tọa độ cầu đều được sử dụng.
Hệ phương trình cơ bản của chương trình tính toán được xây dựng trên cơ sở 2 nguyên lý bảo toàn động lượng và bảo toàn khối lượng. Kết quả đầu ra của nghiên cứu là tập hợp các bộ nghiệm mực nước và lưu tốc dòng chảy.
Phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng):
+ + = 0
Phương trình bảo toàn động lượng theo phương X:
+ + + + -
[+] - Ωq - + () = 0
Phương trình bảo toàn động lượng theo phương Y:
+ + + + -
[+] - Ωp - + ( =0
Các ký hiệu sử dụng trong công thức:
h (x,y,t): Chiều sâu nước (m) (x,y,t): Cao độ mặt nước (m)
p,q (x,y,t): Lưu lượng đơn vị dòng theo các hướng X, Y (m3/s/m)= uh, vh u,v: u,v = lưu tốc trung bình chiều sâu theo các hướng X,Y
C (x,y): Hệ số Chezy (m1/2/s).
g: Gia tốc trọng trường (m/s2) f(V): Hệ số nhám do gió
V; Vx; Vy(x,y,t): Tốc độ gió và các tốc độ gió thành phần theo các hướng X, Y Ω(p,q): Thông số Coriolis phụ thuộc vào vĩ độ (s-1)
: Áp suất khí quyển (kg/m2/s)
ρw: Khối lượng riêng của nước (kg/m3) x, y: Tọa độ không gian (m)
t: Thời gian (s)
τxx, τxy, τyy : Các thành phần của ứng suất tiếp hiệu dụng.
1.3.3.Cơ sở lý thuyết công cụ MIKE21 Toolbox tính toán mực nước triều
Mike 21 Tool tidal nghiên cứu về các đặc điểm triều cần thiết cho các công cụ dự báo triều, đặc biệt liên quan đến điều kiện biên, hiệu chuẩn và xác nhận của mô hình thủy động lực, cũng như các dự báo dài hạn của thủy triều. Các chương trình này dựa trên một số các công trình tiên tiến nhất về nghiên cứu triều ( Doodson, Godin ).
Các phương pháp nghiên cứu chỉ ra bốn thành phần chính ảnh hưởng đến triều là M2, S2, O1, K1. Ngoài ra còn có thành phần chủ yếu được liệt kê và giải thích ở bảng sau
Bảng 1.1: Các thành phần thủy triều Ký hiệu Thành phần chủ yếu Tốc độ góc
Wi(o/ giờ )
Chu kì T(giờ ) (=360o/Wj)
M2 Bán nhật triều chính mặt trăng 28.98410 12.42
S2 Bán nhật triều chính mặt trời 30.00000 12.00
N2 Bán nhật triều Elip mặt trăng 28.4397 12.66
K2 Bán nhật triều do quỹ đạo nghiêng
giữa mặt trăng- mặt trời 30.0821 11.97
K1 Nhật triều do độ nghiêng mặt trăng
trên quỹ đạo mặt trời 15.04107 23.93
O1 Nhật triều do độ nghiêng của mặt
trăng 13.94303 25.82
P1 Nhật triều mặt trời do mặt phẳng
nghiêng 14.9589 24.07
- Cơ sở lí thuyết
Chu kì triều gốc-triều xuống không được thể hiện rõ ràng cụ thể, nhưng do ảnh hưởng kết hợp của thành phần triều M2 và S2 với tác động biểu kiến của mặt trăng và mặt trời. Điều này dễ dàng chứng minh qua sự biến đổi giá trị mực nước đến các thành phần triều M2 và S2. Điều đó được thể hiện bằng công thức
h(t) = cos(ωM2t) + cos(ωS2t) h(t) = a(t) * cos()
a(t)= │2 cos * │
Δω = ωS2- ωM2
CHƯƠNG II: ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Địa điểm nghiên cứu
2.1.1. Điều kiện tự nhiên a.Địa hình – Địa mạo
Vịnh Bắc Bộ phân bố trong khoảng tọa độ 17o00’ – 21o40’ vĩ độ Bắc và 105o40’- 109o40’ kinh độ Đông, nằm ở phía tây bắc biển Đông, ba mặt được bao bọc bởi đất liền. Phía tây là lục địa Việt Nam và Trung Quốc. Phía Đông Bắc là bán đảo Lôi Châu và phía đông là đảo Hải Nam. Rộng khoảng 130000km2, độ sâu trung bình 50m và sâu nhất 107m. Địa hình đáy vịnh khá thoải với góc dốc.
Hình 2.1: Vịnh Bắc Bộ (Nguồn : Google Earth)
Tổng diện tích lưu vực của Vịnh Bắc Bộ 300.000km2, trong đó có 155.000km2 của hệ thống sông Hồng.Chiều dài bờ biển phía Việt Nam khoảng 763 km, phía Trung Quốc khoảng 695 km.
Vùng biển Vịnh Bắc Bộ được phân chia làm 2 khu vực:
Khu vực từ Quảng Ninh đến Ninh Bình: từ Móng Cái đến Đồ Sơn bờ biển chạy theo hướng Đông Bắc-Tây Nam, địa hình chia cắt mạnh, phức tạp. Phần vịnh phía Việt Nam có khoảng 2.300 đảo đá ven bờ, trong đó có 26 đảo lớn. Quan trọng hơn cả là quần đảo Cát Bà với tổng diện tích 34.531ha và quần đảo Cô Tô với tổng diện tích 3.850 ha. Đảo Bạch Long Vĩ là đảo lớn hơn cả nằm cách đất liền Việt Nam khoảng 110km, cách đảo Hải Nam (Trung Quốc) khoảng 130km. Phần ven lục địa, đáy biển bằng phẳng, thường có các bãi triều, rừng ngập mặn. Chất đáy vùng biển Móng Cái là bùn nhuyễn, vùng ngang khu vực Cửa Ông-Hòn Gai là cát nhỏ lẫn vỏ sò, đá sỏi, ven bờ từ cửa Bạch Đằng đến Ninh Bình là bùn phù sa. Vùng quanh các đảo có nhiều rạn đá với tổng diện tích khoảng 260 km2, trong đó tập trung nhiều nhất ở Quảng Ninh.
Khu vực từ Ninh Bình đến Quảng Trị: Bờ biển chạy theo hướng gần Bắc-Nam.
Bờ cát thoải dạng vòng cung. Phía ngoài bờ rải rác có các đảo đá phiến, đá hoa cương nhu Hòn Nẹ, Hòn Mê, Hòn Mắt, Hòn La, Hòn Nồm. Đường đẳng sâu 20m chạy cách bờ 3 - 5 km, nhiều nơi chạy sát chân các mũi đá nhô ra. Khu vực này thích hợp với các loài hải sản ưa sống vùng cát, hang hốc và san hô.
Dài bờ Vịnh thuộc Trung Quốc gồm các kiểu bờ: tích tụ do thuỷ triều; chia cắt kiến tạo Rias và đồng bằng aluvi. Dải bờ thuộc Việt Nam gồm các kiểu bờ cơ bản:
dalmatic, tích tụ thuỷ triều, ăn mòn sinh hoá bờ đá vôi, tam giác châu (châu thổ sông Hồng - sông Mã); đồng bằng aluvi (Thanh - Nghệ - Tĩnh) và kiểu bờ tích tụ mài mòn bằng phẳng (Quàng Bình - Quảng Trị).
Dải bờ Tây Vịnh có mặt các vũng vịnh, châu thổ, cửa sông hình phễu, đầm phá và các đảo tập trung ở vùng ven bờ tây bắc với trên 2.378 hòn. Vùng bờ Móng Cái - Đồ Sơn có hướng chung đông bắc – tây bắc, dài khoảng 180km; lục địa ven biển là vùng núi thấp chia cắt mạnh và phân bậc thành các dải vòng cung thấp dần về phía biển; có 2.321 đảo với diện tích 842km2. Vùng bờ Đồ Sơn - Lạch Trường có hướng đông bắc – tây bắc dài khoảng 150km, là tam giác châu sông Hồng hiện đại, địa hình thấp, bằng phẳng và trung bình 20km có một cửa sông lớn. Đáy biển thoải và nông, đường đẳng sâu 10m thường xa bờ 15 - 20km. Vùng bờ Lạch Trường - Mũi Lạy hướng chủ đạo tây bắc – đông nam dài 370km, tương đối thoải, chia cắt yếu. Lục địa ven biển là các đồng bằng kẹp giữa các nhánh núi ăn lan ra biển của các dãy núi Tây Bắc Bộ và Trường Sơn. Vùng bờ biển có chiều ngang hẹp.
Hình 2.2: Những nét chính hình thái địa hình đáy VBB
Ghi chủ: 1- Đường bờ; 2- Đường đẳng sâu (m); 3- Trục các thung lũng sông cổ;
4-Các đồi, gò ngầm; 5- Các hố trũng
Nguồn: Trần Đức Thanh (2012), Những nét cơ bản về điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và môi trường Vịnh Bắc Bộ.
Hình 2.3: Đường phân định ranh giới Việt - Trung trong VBB
Nguồn: Hiệp định giữa hai nước về phân định lãnh hải, vùng đặc quyển kinh tế và thềm lục địa của hai nước trong VBB (25/12/2000).
b. Khí Tượng
Vịnh Bắc Bộ nằm hoàn toàn trong vùng khí hậu Bắc Việt Nam nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của hệ thống gió mùa Đông Nam Á. Về thời tiết có thể phân thành 4 mùa trong năm ( Xuân, Hạ, Thu, Đông), về giáng thủy có thể phân thành 2 mùa: mùa mưa và mùa khô.
Số liệu quan trắc về khí tượng thủy văn sử dụng trong phần tổng quan về khí tượng của VBB được lấy từ 5 trạm cố định là Bạch Long Vĩ, Cô Tô, Hòn Dấu, Hòn Ngư và Cồn cỏ từ năm 1960 – 2002. Các số liệu thu thập được có thời gian quan trắc là 4obs/ngày (tương ứng 1h,7h,13h và 19h hàng ngày) bao gồm các yếu tố, khí áp, nhiệt độ không khí, nhiệt độ nước biển, tầm nhìn xa và sóng biển. Các số liệu này hiện được lưu trữ tại Trung tâm tư liệu khí tượng Thủy văn và Trung tâm khí tượng Thủy văn biển thuộc trung tâm khí tượng Thủy văn Quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Hình 2.4: Sơ đồ vị trí trạm KTTV ven bờ và hải đảo thuộc vịnh Bắc Bộ Nguồn: Đề tài KC.09-17giai đoạn 2003-2005
Nhiệt Độ
Chênh lệch nhiệt độ không khí tại VBB giữa các tháng trong năm vào khoảng 9–11oC. Nhiệt độ cao nhất thường xảy ra vào tháng 8, đạt khoảng 30 – 32oC và thấp nhất xảy ra vào tháng 2, đạt khoảng 20-21oC.
Giữa các mùa trong năm nhiệt độ không khí trung bình mùa dao động khoảng 3-4oC. Thời kỳ nóng nhất là mùa hè, nhiệt độ không khí trung bình mùa đạt giá trị cao nhất vào khoảng 29-31oC, mùa đông là mùa lạnh nhất, nhiệt độ không khí trung bình vào khoảng 18-20oC.
Bảng 2.2: Biến động nhiệt độ không khí theo mùa (oC)
Độ ẩm (%) Mùa
Xuân Hạ Thu Đông
Cao nhất 26,3 30,4 27,6 20,3
Trung bình 22,6 28,8 25,6 18,7
Thấp nhất 18,4 26,0 21,7 13,9
Nguồn: Trung tâm khí tượng Thủy văn Quốc gia Trong 40 năm qua, nhiệt độ không khí tại vịnh Bắc Bộ không có sự biến dộng đáng kể. Nền nhiệt độ tại đây có xu thế tăng nhưng tốc độ tăng không cao, trung bình mỗi năm tăng khoảng 0,0152oC.
Độ ẩm
Trong suốt 40 năm qua, độ ẩm không khí biến đổi trong giới hạn tuyệt đối từ 20% đến 100%. Nhìn chung tăng dần từ tháng 1, đạt giá trị lớn nhất vào tháng 3 và tháng 4 sau đó giảm dần cho đến giá trị thấp nhất vào tháng 11, tháng 12. Biên độ dao động trung bình lớn nhất giữa các tháng khoảng từ 75% đến 90%.
Độ ẩm giảm dần từ mùa Xuân đến mùa Đông. Mùa Xuân độ ẩm có giá trị lớn nhất, nhiều khi đạt 100% làm cho không khí trở nên bão hòa hơi nước. Mùa Đông độ ẩm xuống thấp nhất trong năm làm cho không khí khô, hanh. Mùa xuân và mùa hạ độ ẩm thường cao hơn mùa thu và mùa đông.
Bảng 2.3: Các đặc trưng độ ẩm không khí theo mùa tại Vịnh Bắc Bộ (%)
Độ ẩm (%) Mùa
Xuân Hạ Thu Đông
Cao nhất 100 100 98 99
Trung bình 91 90 83 82
Thấp nhất 61 50 57 52
Nguồn: Trung tâm khí tượng Thủy văn Quốc gia Biến đổi của độ ẩm không khí theo năm và nhiều năm dao động trong giới hạn từ 20% đến 100%. Trong 40 năm, độ ẩm trung bình hầu như không thay đổi và đạt vào khoảng 85,2%. Theo kết quả tính toán xu thế biến động, độ ẩm không khí tăng nhưng không đáng kể, mỗi năm tăng trung bình 0,0082%. Có thể nói độ ẩm không có biến động trong 40 năm qua.
Áp suất không khí
Vùng biển Việt Nam nói chung và VBB nói riêng nằm trong vùng có khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình và chịu ảnh hưởng chủ yếu của ba trung tâm khí áp lớn, đó là: áp cao lục địa Châu Á, áp cao phó Nhiệt Đới Thái Bình Dương, áp thấp nóng phía tây và dải hội tụ nhiệt đới. Vì vậy, trường áp suất không khí tại đây phụ thuộc chặt chẽ vào thời kì hoạt động và cường độ của các trung tâm khí áp nêu trên. VBB có những đặc trưng cơ bản sau:
Thời kỳ Đông – Xuân, áp cao lục địa Châu Á hoạt động thường xuyên với cường độ mạnh, do đó nền khí áp tại Vịnh đạt giá trị lớn nhất, trung bình vào khoảng 1002- 1006 mb.
Thời kỳ Hè – Thu, trong thời gian này áp suất nóng phía tây và dải hội tụ nhiệt đới hoạt động mạnh, kết hợp với ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới, do vậy trường khí áp tại Vịnh có giá trị nhỏ nhất, chỉ vào khoảng 1000-1005mb.
Bảng 2.4: Các đặc trưng khí áp trung bình mùa tại Vịnh Bắc Bộ (mb) Áp suất không khí
P(mb)
Mùa
Xuân Hạ Thu Đông
Cao nhất 1020,2 1014,0 1020,5 1025,0
Trung bình 1009,1 1002,6 1004,8 1010,9
Thấp nhất 995,0 986,8 995,5 997,4
Nguồn: Trung tâm khí tượng Thủy văn Quốc gia Áp suất không khí tại VBB có xu thế tăng dần từ bắc vào nam, tuy nhiên không đáng kể. Khí áp trung bình nhiều năm tại Cô Tô (Phía bắc vịnh) là 1003,9mb; Tại trạm Cồn Cỏ (Phía nam vịnh) là 1010,4mb.
Gió
Qua kết quả tình tần suất gió theo 16 hướng cho 5 trạm Bạch Long Vĩ, Cô Tô, Cồn Cỏ, Hòn Ngư, Hòn Dấu cho thấy. Các trạm đều có chung đặc điểm của chế độ gió mùa ở Việt Nam nói chung và VBB nói riêng. Thời điểm mùa hè gió thường xuất hiện theo hướng Đông nam và mùa đông theo hướng Đông Bắc. Đồng thời gió tại các đảo luôn có vận tốc trung bình lớn hơn các trạm ven bờ. Trạm Bạch Long Vĩ có vận tốc gió trung bình đạt giá trị lớn nhất. Hòn Ngư có vận tốc gió trung bình thấp nhất.
Trạm Bạch Long Vĩ
Trong khoảng từ tháng 11 năm trước cho đến tháng 4 năm sau, tức là vào thời kì mùa đông, hướng gió thịnh hành là hướng NE và NNE. Từ tháng 5 cho đến tháng 9 hướng gió thịnh hành là S. Sang tháng 9, đây cũng là thời điểm sắp giao thoa giữa hai mùa nên hướng gió cũng có nhiều thay đổi. Từ tháng 9 cho đến tháng 12 hướng gió chủ yếu là NE và NNE. Vận tốc gió trung bình là 6,72 m/s.
Trạm Cồn Cỏ
Từ tháng 1 cho đến tháng 4 gió thịnh hành ở hướng NW và N, sau đó biến đổi theo hướng SE tháng 5 cho đến tháng 7.
Sang tháng 8 gió thịnh hành ở hướng SW. Từ tháng 9 cho đến tháng 12, gió chủ yếu thịnh hành ở hướng N và NE. Vận tốc gió trung bình là 3,69 m/s.
Trạm Cô Tô
Đây là trạm mà gió theo hướng NE quan trắc được xuất hiện trong rất nhiều tháng. Một năm có đến 8 tháng là xuất hiện theo hướng NE, từ tháng 9 cho đến tháng 4 năm sau. Vào mùa hè gió xuất hiện chủ yếu theo hướng S và E. Vận tốc gió trung bình là 4,25m/s.
Trạm Hòn Dấu
Là một trạm ở ven bờ, chịu gió thổi trực tiếp từ biển vào nên thường xuất hiện gió theo hướng E. Mùa Đông gió chủ yếu là hướng E và N, mùa hè chịu sự chi phối của gió SE và S. Vận tốc gió trung bình là 4,54m/s.
Trạm Hòn Ngư
Vào mùa đông chịu ảnh hưởng của gió N và NE. Vào các tháng mùa hè hướng gió chủ yếu là S và SW, đặc trưng nhất là tháng 7. Vận tốc gió trung bình là 2,50m/s.
Sương mù
VBB chỉ xuất hiện sương mù vào các tháng mùa xuân và đầu mùa hè. Còn các tháng khác trong năm gần như không có sương mù. Tháng 3 là tháng có tần suất có sương mù lớn nhất. Sự xuất hiện sương mù liên quan chặt chẽ tới sự thay đổi lượng bức xạ nhỏ, độ ẩm không khí cao nên hiện tượng sương mù thường xảy ra. Những tháng hè thu, lượng bức xạ mặt trời lớn, không khí hanh và khô vì vậy hiện tượng sương mù không có khả năng xuất hiện.
Bảng 2.5: Trung bình tháng số ngày xuất hiện sương mù (ngày)
Trạm
Tháng
I II III IV V VI VI
I
VII
I IX X XI XII
Bạch Long
Vĩ 0,7 2,3 3,8 1,9 0,1 0 0 0 0 0 0,1 0,2
Cồn Cỏ 0 0,3 0,8 0,4 0 0 0 0 0 0 0 0
Cô Tô 2 4 5,5 2,3 0,2 0 0 0 0 0 0 0,6
Hòn Dấu 0,4 1,2 1,8 1 0 0 0 0 0 0 0 0
Hòn Ngư 1,8 4,3 6,4 3,1 0,1 0 0 0 0 1,2 0 0
Nguồn: Trung tâm khí tượng Thủy văn Quốc gia Theo thống kê, có những tháng trong chuỗi số liệu không ngày nào xuất hiện sương mù như các tháng 6,7,8,9. Sự xuất hiện sương mù liên quan chặt chẽ tới sự thay dổi lượng bức xạ mặt trời và độ ẩm không khí. Trong những tháng mùa xuân lượng bức xạ nhỏ, độ ẩm không khí cao nên hiện tượng suong mù thường xảy ra. Những tháng hè thu, lượng bức xạ mặt trời lớn, không khí hanh và khô vì vậy hiện tượng sương mù không có khả năng xuất hiện.
Bão và áp thấp nhiệt đới