Tạp chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxII, Số 1PT., 2006

Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển
chất lơ lửng và biến động trầm tích đáy
cho vùng biển vịnh Hạ Long
Đinh Văn Ưu
Trung tâm Động lực và Môi trờng Biển Tóm tắt. Đã phát triển và ứng dụng hệ thống mô hình thuỷ động lực và vận
chuyển vật chất lơ lửng đối với vùng biển vịnh Hạ Long. Hệ thống này bao gồm
các mô hình 3 chiều (3D) thuỷ-nhiệt động lực và vận chuyển vật chất lơ lửng, mô
hình lớp biên đáy.
Những kết quả ban đầu cho thấy hệ thống các mô hình có thể ứng dụng cho
các khu vực biển có điều kiện địa hình và thuỷ động lực phức tạp nh vịnh
Hạ Long cũng nh các vùng cửa sông ven biển nhằm mục đích xây dựng hệ
thống mô hình monitoring và dự báo môi trờng biển.
Từ khoá: hệ thống mô hình 3D,vật chất lơ lửng, Vịnh Hạ Long

1. Đặt vấn đề
Sự hiện diện của các chất lơ lửng trong nớc đợc nghiên cứu thông qua phân
tách toàn bộ lớp nớc thành hai phần: phần nớc nằm trên có nồng độ tơng đối thấp
và phần sát đáy có nồng độ cao (lớp đáy lỏng). Đối với phần trên, chúng ta có thể sử
dụng hệ các phơng trình bình lu - khuếch tán vật chất áp dụng cho nồng độ chất lơ
lửng, còn đối với phần sát đáy thì sử dụng phơng trình biến đổi độ dày của toàn lớp
trầm tích. Mô hình này có thể áp dụng đồng thời cũng nh tách biệt vì vậy dễ dàng
phát triển cho các loại bài toán khác nhau từ nghiên cứu vận chuyển phù sa, xác định
nguồn gốc trầm tích đáy, bồi xói đáy sông, biển đến các bài toán lan truyền ô nhiễm.
Trong khuôn khổ của bài báo này, chúng tôi giới thiệu các kết quả bớc đầu giải
bài toán tính biến động lớp trầm tích đáy, và chất lơ lửng là phù sa. Các kết quả thu
đợc là cơ sở để phát triển ứng dụng cho bài toán vận chuyển các chất lơ lửng trong




+




+




+=


+


+


=
=


+


+

lợng trao đổi đợc tính thông qua quá trình bứt xói và lắng đọng trầm tích.
Suất lắng đọng qua biên này đợc tính dựa vào vận tốc lắng đọng, nồng độ chất lơ
lửng tại chỗ và giá trị vận tốc động lực tơng đối so với giá trị tới hạn cho phép lắng
đọng xuống đáy.




























18
1
2

=
s
gdw
s
. (4)
thông thờng giá trị s 2,65 và 1,5.10
-6
m
2
/s.
Giá trị d đợc xác định theo công thức:

(
)
(
)
[
50
251011,01 dTd
s
]


=


T
,
,,
'




=
là tham số ứng suất phi thứ nguyên với
cb,
'


Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng
13
là ứng suất đáy do dòng chảy và
crb,
'

là giá trị tới hạn đợc tính theo công thức phụ
thuộc vào kích thớc hạt và giá trị số Shields tới hạn:

(
)
crscrb
gd




()
3/1
2
50*
1









=

sg
dD
.
Nh vậy kích thớc trầm tích
50
dd
=
khi giá trị ứng suất tơng đối T > 25.
Nghiên cứu vận tốc lắng đọng trong điều kiện dòng triều, Portela (1997) đã dẫn
ra công thức đơn giản hơn chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất lơ lửng:

(8)









=
H
A
w
v
s
b
v
s
eH
A
w
cc
(9)
với H
0
là độ dày lớp nớc có ảnh hởng, thông thờng độ dày này đợc chọn bằng 1m và
c
là nồng độ trung bình trong lớp nớc đó.
Hệ số khuếch tán A
v
đối với chất lơ lửng mịn đờng kính nhỏ hơn 20 àm đợc xem
là giảm tuyến tính trong lớp sát đáy từ 3.10
-10

d
/10.5/028,0
/10.510.5).(3,4log.02,0008,0
/10.5).(008,0
4
451
51
*
f
p
Trong trờng hợp đáy biển có sinh vật đáy, thì quá trình lắng đọng sinh học có
thể tính nh sau:

bbiobio
cwD
=
(11)
với
Đinh Văn Ưu
14
(12)
smw
bio
/10.15,1
6

Thông lợng bứt xói từ đáy có thể tính theo nhiều cách khác nhau đối với từng
loại trầm tích đáy.
Theo Pohlmann (1994), đối với đáy bùn thì suất bứt xói sẽ là:


EDq
t
+=


r
.

(15)
với
là thông lợng vật chất vận chuyển ngang trong lớp đáy lỏng có thể xem đồng
nhất với dòng vận chuyển trầm tích di đáy. Các hạng thức D và E tơng ứng suất lắng
đọng và bứt xói trao đổi với lớp nớc nằm trên đã đợc đề cập trong phần trớc. Sau
đây chúng ta sẽ tập trung phân tích các công thức tính toán đối với suất di đáy.
q
r
Thông thờng suất di đáy
q
r
.

đợc tính theo véc tơ của dòng vận chuyển trầm
tích di đáy
, đại lợng này đợc tính theo nhiều công thức khác nhau nh Piter-
Mayer, Van Rijn, v.v phụ thuộc vào ứng suất đáy do tác động của sóng và dòng chảy
và đặc trng của trầm tích
q
r
Công thức Piter-Mayer (1948) dạng tổng quát có thể viết nh sau:


()
50
,
gd
s
cb




=
và
2/3
'






=
C
C
à
(17)
trong đó





là tham số
nhám.
Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng
15
Nếu bỏ qua hạng thức 0,047, công thức (16) trở về dạng đơn giản sau:

(
)
()
[
12
2/3
2
*
2
*
.
8



= sm
g
uu
q
s
cr

]
, (18)















= ,/1053,0
3,0
*
2/3
50
2/1
, (19)
Giá trị ứng suất đáy phục vụ tính tham số Shields, , đợc lấy từ kết quả mô hình
thuỷ nhiệt động lực 3D:
2
*,
u
cb

= .
Nh vậy, việc đa mô hình lớp trầm tích đáy lỏng vào mô hình 3D thuỷ động lực

ộ

3
1
Q
u
ố
c

l
ộ

1
8
Đ

ờ
n
g

x
e

g
o
ò
n
g
Q
u

động của trờng hoàn lu hết sức mạnh mẽ, có thể thấy điều này trên hình 3 dẫn ra
dòng chảy tổng hợp mùa hè trong 2 pha triều ngợc nhau (hình 2).
Hình 2. Kết quả tính hoàn tổng hợp mùa hè trong hai pha triều ngợc nhau

Hình 3. Kết quả tính vận chuyển chất lơ lửng trong mùa hè sau 36 h (trái) và 42 h
Với sự biến động mạnh của dòng chảy tổng hợp, bên cạnh sự lan truyền chất lơ
lửng theo dòng d nh đã nhận đợc trớc đây (Đinh Văn Ưu, 2003, Đinh Văn Ưu và
ctv, 2005), sự biến đổi phân bố chất lơ lửng trong từng pha triều cũng cho thấy có sự
biến đổi đáng kể của vị trí và hình dáng vệt. Chúng ta có thể nhận ra sự biến động
phân bố của nồng độ chất lơ lửng cách nhau trong khoảng 6 giờ ven bờ vịnh Hạ long
đợc thể hiện trên hình 3, trong mùa hè.
Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng
17Hình 4. Kết quả tính vận chuyển chất lơ lửng trong mùa hè (trái) và mùa đông sau 72 h
Theo kết quả thu đợc cho một khoảng thời gian dài với nhiều chu kỳ triều (5-7
ngày) có thể thấy rằng chất lơ lửng trong lớp nớc có xu thế bám sát bờ Hạ Long trong
mùa hè và đi về cả hai phía cửa Lục và Cát Bà trong mùa đông (hình 4)
Trên hình 5 dẫn ra độ dày của lớp trầm tích lắng đọng xuống đáy và khả năng
bứt xói từ đáy đối với trầm tích bùn mịn cho thấy, trong các điều kiện thuỷ động lực cụ
thể tồn tại những khu vực có khả năng xẩy ra hiện tợng lắng đọng hoặc bứt xói khác
nhau đối với từng mùa. Điều này đồng nghĩa với khả năng xác định và dự báo các khu
vực tập trung chất vệt trên đáy đối với bài toán chất lợng môi trờng và khu vực có
thể xẩy ra hiện tợng bồi, xói nếu chât lơ lửng đợc xét ở đây là lợng phù sa trong
nớc.


Wallingford, UK, 1984.
8. Rodger J.G. and Odd N.V.M., Sludge disposal In coastal waters, Hydraulics Research Rep.
SR 70, Wallingford, UK., 1985.
9. Van Rjin L.C., Sediment Transport, Journal of Hydraulic Engineering, Vol 110, N. 10,
1984, 11,12. Ph¸t triÓn vµ øng dông m« h×nh tÝnh to¸n vËn chuyÓn chÊt l¬ löng
19
VNU. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xXII, n
0
1AP., 2006 Development and application of the SPM transport
and bed layer changes modelling system for the
Halong Bay area
Dinh Van Uu
Marine Dynamics and Environment Center
Vietnam National University

A hydrodynamic and uspended matter transport modelling system was
developed and applied to the Halong Bay area. The system is concluded: three-
dimensional (3D) thermo-hydrodynamic model and suspended matter transport model,
moving bottom layer model.
The preliminary results show that the modelling system could be applied to the
geological and hydrodynamical complexe region as Halong Bay and another estuarine