NGHIÊN CỨU KHOA HỌC MÔ PHỎNG, DỰ BÁO QUÁ TRÌNH
VẬN CHUYỂN BÙN CÁT LƠ LỬNG
KHU VỰC CỬA ÔNG
MÔ PHỎNG, DỰ BÁO QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT LƠ LỬNG
KHU VỰC CỬA ÔNG

Trần Hồng Thái, Lê Vũ Việt Phong, Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Văn Hải
Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

1. Mở đầu
Bùn cát lơ lửng là nguồn ô nhiễm không tập trung với nồng độ biến đổi rất
nhanh, phụ thuộc vào các hoạt động kinh tế xã hội. Sự biến đổi của nồng độ chất lơ
lửng không chỉ có ý nghĩa trong trầm tích học, địa mạo học mà còn là yếu tố quan
trọng, ảnh hưởng tới hệ sinh thái trong khu vực [5]. Những hiểu biết về

Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT
332
Khu bảo tồn
Kỳ Thượng

Hình 1. Bản đồ khu vực nghiên cứu
Công viên quốc gia
Bái Tử Long
~ 18km
N
20 km
Nhà máy nhiệt điện
Mông Dương
~ 15km
Vịnh Hạ Long
Để giải quyết các vấn đề nêu trên, 3 nhiệm vụ chính sau đã được thực hiện:
- Tính toán các đặc trưng thuỷ lực trên sông Mông Dương, sông Thác Thầy và
sông Dê Dách, làm các biên trên cho bài toán mô phỏng thủy lực - chất lượng nước.
Trong thực tế, trên các sông này không có các trạm quan trắc thủy văn, nên các tác giả
đã ứng dụng mô đun mưa – dòng chảy NAM trong bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ
lực Đan Mạch (DHI) phát triển để khôi phục dòng chả
y từ số liệu mưa (tham khảo chi
tiết thuật toán và cách ứng dụng trong [1],[3]). Số liệu đầu vào của mô hình là số liệu
mưa thực đo tại trạm Cửa Ông, đặt trong khu vực nghiên cứu;
- Tính toán chế độ thủy văn thủy lực trong khu vực nghiên cứu bằng mô đun
RMA2 trong bộ phần mềm SMS;
- Tính toán lan truyền bùn cát trong khu vực nghiên cứu bằng mô đun SED2D
của bộ phần mềm SMS. Việc
ứng dụng mô hình tính toán bùn cát nhằm mô phỏng
phạm vi lan truyền và mức độ ảnh hưởng của bùn cát lơ lửng từ khu vực nhà máy

⎜⎟
∂
∂∂ ∂ ∂
⎝⎠
(1)
* Phương trình động lượng:
()
()
/
/
.
22 2
12
22
xx xy
2
22
16
2
a
u u u h u u a h gun
hhuhv E E gh uv
txy x y xx
1 486h
V cos -2hv sin =0
ρ
ςψωφ
⎡⎤
∂∂∂ ∂ ∂ ∂∂
⎡⎤

⎡⎤
∂∂∂ ∂ ∂ ∂∂
++− + + ++ +
⎢⎥
⎢⎥
∂∂∂ ∂ ∂ ∂∂
⎣⎦
⎣⎦
−
(3)
Trong đó: x, y, t - Trục tọa độ Đề Các và thời gian; h - Độ sâu (m); u, v - Véc
tơ lưu tốc; ρ - Mật độ chất điểm (kg/m
3
); E - Hệ số nhớt xoáy (m
2
/s); g - Gia tốc trọng
trường (m
2
/s); a - Cao trình đáy (m); n - Hệ số nhám Manning; V
a
- Tốc độ gió (m/s);
ζ- Hệ số biến dạng do gió.
Các phương trình (1), (2) và (3) được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn
sử dụng phương pháp số dư có trọng số Garlekin [8].
3.2.2. Mô hình SED2D
SED2D mô phỏng vận chuyển bùn cát hai chiều trong kênh dẫn hở và được ứng
dụng tính toán cho bùn cát đáy tại những điểm lưu tốc là đáng kể theo hai chiều trong
mặt phẳng nằm ngang. Điều này
đặc biệt hữu ích đối với nghiên cứu xói mòn, lắng
đọng và đối với nghiên cứu chiều rộng của dòng chảy ở một mức độ nào đó. Mô hình

phương x (m/s); x - Hướng dòng chảy chính; v - Lưu tốc dòng chảy theo phương y
(m/s); y - Hướng vuông góc với phương x; D
x
, D
y
- Hệ số khuyếch tán theo phương x
và phương y (m
2
/s);
* Tính toán ứng suất biến dạng đáy
(5)
*
()
2
b
U
τρ
=
Trong đó:
ρ
- trọng lượng riêng của nước (kg/m
3
); U* - lưu tốc trượt (m/s)
Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT
334
* Vận chuyển bùn cát đáy
eq
C
CC
S

liệu dòng chảy cho các sông Mông Dương, Dê Dách và Thác Thầy ;
- Số liệu địa hình, mực nước và lưu lượng nước của sông Mông Dương để
hiệu chỉnh mô hình thủy lực;
- Số liệu độ sâu làm đầu vào cho mô hình thủy lực và vận chuyển bùn cát lơ
lửng;
- Số liệu mực nước triều làm điều kiện biên dưới cho mô hình thủy lực và vận
chuyển bùn cát lơ lửng;
- Số liệu các nguồn ô nhiễm trong khu vực, thu thập từ các nghiên cứu liên
quan và qua các đợt khảo sát thực địa;
- Số liệu nồng độ các chất lơ lửng trong sông Mông Dương làm đầu vào cho
mô hình vận chuyển bùn cát lơ lửng.

4. Kết qu
ả và thảo luận
4.1. Ứng dụng mô hình RMA2 để tính toán thủy lực
Vùng nghiên cứu là vùng có diện tích rất rộng so với diện tích Dự án nhà máy nhiệt
điện Mông Dương. Chính vì vậy, khi tính toán với lưới tính có bước tính đủ nhỏ cho
toàn bộ hệ thống, một vấn đề phát sinh là không đủ tài nguyên tính toán. Để giải quyết
vấn đề này, kỹ thuật lưới tính toán kép đã được áp dụng:
- 01 lưới tính toán chi tiết được sử d
ụng để mô phỏng các quá trình truyền tải
bùn cát lơ lửng gần khu vực công trình nhà máy nhiệt điện Mông Dương.
Những lưới này được mô tả trong Hình 2, Hình 3 và Hình 4 cho 3 trường
hợp : (i) trước ; (ii) trong ; và và sau khi xây dựng nhà máy nhiệt điện ;
- 01 lưới tính toán mở rộng (Hình 5) được sử dụng để mô phỏng quá trình
truyền tải bùn cát lơ lửng từ công trình nhà máy nhiệt điện Mông Dương tới
biển (Vịnh H
ạ Long và Bái Tử Long).
Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT
335

Hệ số Manning C
n
trong
Luồng Gạc
0.03
5
Hệ số Manning C
n
trong lòng
sông chính
0.035
2
Hệ số nhớt xoáy E trong
Luồng Gạc
25
6
Hệ số nhớt xoáy E trong lòng
sông chính
27
3
Hệ số Manning C
n
trong biển 0.025
7
Hệ số Manning C
n
dọc bờ sông 0.045
4
Hệ số nhớt xoáy E trong biển 20
8

= 0.016 - 0.026 (kg/m
3
) ;
+ Các nguồn ô nhiễm: trong Hình 4, các nguồn ô nhiễm chính là các bãi than
nằm dọc theo hai bên bờ sông (vị trí: S2, S3, …, S7). Các thông tin chính
của các bãi than cần thiết cho mô hình là: Lưu lượng nguồn thải Q, nồng độ
bùn cát C.
Căn cứ vào : (i) bản chất lý hóa của các thông số của mô hình lan truyền bùn cát
lơ lửng được sử dụng; (ii) các kết quả nghiên cứu liên quan được trình bày trong [2,4];
(iii) các phân tích, đánh giá của nhóm tác giả nghiên cứu này về độ nhạy của các thông
số của mô hình lan truyền bùn cát l
ơ lửng (xem chi tiết trong [1]), các thông số chính
cần hiệu chỉnh của mô hình lan truyền bùn cát được xác định như sau: đường kính hạt,
giới hạn lắng đọng, vận tốc lắng đọng, độ khuếch tán hiệu quả và độ dày lớp trầm tích
đáy. Tiêu chí của hiệu chỉnh mô hình là tìm ra các giá trị thích hợp của bộ thông số mô
Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT
337
hình, sao cho các kết quả mô phỏng bằng mô hình trùng khớp với các giá trị
thực đo tương ứng, quan trắc tại các vị trí LG1, LG2, LG3, LG4, MD2, MD3 và MD4
(Tọa độ của các điểm này xem trong Bảng 3). Kết quả hiệu chỉnh được thể hiện trong
Bảng 2. Quá trình hiệu chỉnh mô hình được mô tả chi tiết trong nghiên cứu của T. H.
Thái [1].
Bảng 2. Thông số ước tính cho SED2D
TT Thông số G.trị
5
Thông số G.trị
1 Đường kính hạt bùn cát [mm] 0.005 6 Trọng lực [m
2
/s] 9.807
2 Vận tốc lắng đọng [m/s] 0.002 7

21
0
05’
107
0
23’
MD2
21
0
04’
107
0
21’
LG2
21
0
05’
107
0
22’
MD3
21
0
04’
107
0
20’
LG3
21
0

vớ
i khu vực dự án. Trước khi xây dựng nhà máy nhiệt điện Mông Dương, nồng độ bùn
cát lơ lửng trong nước thấp. Nồng độ bùn cát ở khu vực khai thác than tăng lên nhưng
hạt bùn cát (với đường kính trung bình là 0.5 mm) lắng xuống rất nhanh, chính vì vậy
bán kính phân tán bùn cát lơ lửng tương đối thấp, khoảng 50-200 m. Khu vực từ cửa
biển Cửa Ông đến Vịnh Hạ Long và Vịnh Bái Tử Long, chất lượng nước tốt. Nồng
độ
bùn cát trong nước ở đây nhỏ hơn 0.01 (kg/m
3
). Kết quả mô phỏng của mô hình là tương
đối phù hợp so với kết quả thực đo tại Cửa Ông (xem [1]).
Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT
338
Giai đoạn trong quá trình xây dựng nhà máy
Trong giai đoạn xây dựng, nguồn ô nhiễm bùn cát lơ lửng chính trong vùng nghiên
cứu là: (1) do công việc nắn dòng sông Dê Dách, Mông Dương; (2) do công việc xây dựng
nhà máy; và (3) do công việc xây dựng bãi xỉ số 1 và số 2. Hình 8 và Hình 9 biểu diễn quá
trình vận chuyển bùn cát lơ lửng và trường vận tốc khi triều thấp. Do có nhiều nguồn ô nhiễm
đổ vào sông trong suốt quá trình xây dựng nhà máy dẫn đến nồng độ bùn cát lơ lửng của
dòng chảy tă
ng so với giai đoạn trước khi xây dựng. Nồng độ bùn cát lơ lửng lớn nhất là 0.25
(kg/m
3
) [nồng độ lớn nhất trước khi xây dựng là 0.06 (kg/m
3
)]. Mặt khác, hạt bùn cát lắng
xuống rất nhanh bởi vậy bán kính phân tán chỉ khoảng 150m. Nước trong phạm vi ngoài
vùng phân tán có chất lượng tốt với nồng độ bùn cát lơ lửng nhỏ hơn 0.1 (kg/m
3
). Ở khu vực
Hình 12. Nồng độ bùn cát sau khi xây dựng nhà
máy lúc triều cao – lưới mở rộng
Hình 13. Nồng độ bùn cát sau khi xây dựng nhà
máy lúc triều thấp – lưới mở rộng
Để mô phỏng sự vận chuyển bùn cát trên diện rộng từ khu vực dự án đến Vịnh
Hạ Long và Bái Tử Long, lưới tính toán mở rộng đã được sử dụng (Hình 5). Kết quả
được đưa ra ở Hình 12 và Hình 13 tương ứng với trường hợp triều thấp nhất và triều
cao nhất. Qua đó ta thấy từ cửa biển Cửa Ông đến Vịnh Hạ Long và Bái Tử Long,
nồng độ bùn cát l
ơ lửng là rất nhỏ (khoảng 0.005 [kg/m
3
]).
Quan sát các Hình 14 và Hình 15, chúng ta có thể thấy sự biến đổi nồng độ bùn cát
lơ lửng theo thời gian tại các điểm LG1 và LG3 trên eo Luồng Gạc. Lượng bùn cát lớn nhất
đổ vào dòng chảy trong giai đoạn hoạt động của nhà máy là từ các bãi xỉ. Các tác động này
chỉ đáng kể vào mùa lũ, khi trời mưa. Trong trường hợp khác, khi không có mưa, không có
dòng chảy qua các bãi xỉ thì tác động của nhà máy đến sự biến đổi bùn cát là tương đối nhỏ
.
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120
Time (h)
Sediment (kg/m3)

Kết quả mô phỏng cho thấy ở khu vực gần nhà máy, sự tác động của nhà máy đến
nồng độ bùn cát là đáng kể nhưng nồng độ bùn cát vẫn nhỏ hơn so với tiêu chuẩn cho
phép. Bùn cát lắng xuống rất nhanh nên tác động của nhà máy nhiệt điện Mông Dương tới
khu vực từ Cửa Ông tới Vịnh Hạ
Long và vịnh Bái Tử Long là không đáng kể.
Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí và thời gian, nên tính đầy đủ và đồng bộ của
các số liệu được sử dụng trong nghiên cứu này chưa cao. Việc thu thập, khảo sát bổ
sung để có được bộ số liệu tốt hơn, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo trong khu
vực là một việc cần thiết trong tương lai.

Tài liệu tham khảo
1. Trần Hồng Thái, Báo cáo t
ổng kết chuyên đề: Mô hình vật lý cho vận chuyển
bùn cát trong sông – biển, Hà Nội, 2006.
2. David C. Heimann, Numerical simulation of streamflow distribution, sediment
transport, and sediment deposition along Long Branch Creek in Northeast
Missouri, U.S. Geological Survey, 8/2003.
3. DHI, MIKE11 - A Modelling System for Rivers and Channels - Reference Manual,
2004.
4. Hassan Shahid Mashriqui, Hydrodynamic and sediment transport modeling of
deltaic sediment processes, A dissertation for the degree of Doctor of
Philosophy, Louisiana State University, 2003.
5. Lindsay .et al, Influence of tidal range and river discharge on suspended
particulate matter fluxes in the Fourth Estuary (Scotland), Estuar.Coast.ShelfSci,
1996.
6. US Army, Engineer Research and Development Center, Users Guide To RMA2
WES Version 4.5, 2006.
7. US Army, Engineer Research and Development Center, Users Guide To
SED2D WES Version 4.5, 2006.
8. Winai Liengcharernsit, Kasetsart University, Bangkok, Formulation of water