®¹i häc quèc gia hμ néi
Tr−êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn

-------------------

Vũ Công Hữu

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ SÓNG, DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN
TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nộ1i - 2010


®¹i häc quèc gia hμ néi
Tr−êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn

-------------------

Vũ Công Hữu

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ SÓNG, DÒNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN
TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH

Chuyên ngành : Hải dương học
Mã số
: 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



3


Mục lục
Lời cảm ơn........................................................................................................................ 1
Mục lục ............................................................................................................................... 4
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ............................ 9
1.1. Chế độ gió ................................................................................................... 10
1.2. Chế độ sóng................................................................................................. 11
1.3. Chế độ thủy triều và nước dâng ............................................................. 12
1.4. Đặc điểm địa mạo ...................................................................................... 13
1.5. Đặc điểm địa hình vùng ven bờ ............................................................. 15
1.6. Chế độ dòng chảy ...................................................................................... 15
1.7. Diễn biến các cửa sông ............................................................................ 17
1.8. Tình hình xói lở và biến đổi đường bờ khu vực Hải Hậu................ 18
Chương 2. GIỚI THIỆU CÁC MÔ ĐUN TRONG HỆ THỐNG MÔ HÌNH
MIKE ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN ......... 21
2.1. Sơ lược về các bộ chương trình thủy động lực .................................. 21
2.2. Giới thiệu mô hình MIKE 21FM ........................................................... 26
2.3. Giới thiệu mô đun tính sóng Mike21 SW .......................................... 28
2.4. Giới thiệu mô đun dòng chảy Mike21 HD FM ................................. 34
2.5. Giới thiệu mô đun tính vận chuyển trầm tích Mike21 ST FM . .... 37
2.6. Sự liên kết giữa các mô đun ................................................................. 40
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 ....................................................... 42
3.1. Thu thập số liệu khảo sát thực địa ......................................................... 42
3.2. Tính toán các đặc trưng trường sóng .................................................... 44

Tỉnh Nam Định có trên 72 km bờ biển và là hạ lưu của nhiều sông lớn
như: sông Hồng, sông Ninh Cơ, sông Đáy. Đây là khu vực đặc thù, thể hiện
đầy đủ các tác động ảnh hưởng đến bãi biển, bờ biển.
Nguyên nhân gây ra sự bồi xói vùng ven biển là do tác động của sóng
và dòng chảy làm cho bùn cát dịch chuyển theo hai hướng: vuông góc với bờ
(cross shore) và dọc theo bờ (long shore). Quá trình bồi xói xảy ra trong thời
gian dài (long term) sẽ làm biến đổi đường bờ và được xem như là hệ qủa của
sự chuyển dịch bùn cát dọc bờ. Nhiều khu vực tại vùng bờ biển Nam Định,
đặc biệt là đoạn bờ trong khoảng từ Văn Lý tới Thịnh Long đã và đang bị xói
lở mạnh. Trong những năm gần đây, quy mô và cường độ xói lở có chiều
hướng gia tăng. Đặc biệt, trong cơn bão số 7 ngày 27 tháng 9 năm 2005, rất
nhiều đoạn đê biển trong khu vực này như đê biển Hải Triều, Hải Hoà, Hải
Thịnh đã bị vỡ, gây ngập lụt cho những khu vực rộng lớn ven bờ. Đặc biệt, tại
một số địa điểm du lịch như bãi biển Thịnh Long, sóng kết hợp với nước dâng
trong bão phá huỷ toàn bộ con đường ven biển và nhiều nhà nghỉ.
Thông thường, tại một số vùng biển, đặc biệt là biển miền Trung, hiện
tượng xói lở xảy ra vào mùa đông, khi sóng lớn kết hợp với triều cường tấn
công vào bờ, đào các hố xói tại bãi và làm sạt lở bờ biển và các công trình xây

6


dựng trên bờ. Vào mùa hè, sóng lặng hơn và sóng lừng mang cát từ ngoài xa
vào bồi lại bãi. Tuy nhiên, cơ chế xói lở tại bãi biển Nam Định vẫn chưa rõ
ràng. Đối với vùng biển này, hiện tượng xói lở xảy ra thường xuyên trong cả
năm, nhưng mạnh hơn vào mùa đông. Quá trình diễn biến xói lở bờ biển do
tác động của sóng là một quá trình khá phức tạp, nó bị tác động bởi các yếu tố
như chiều cao sóng, vị trí sóng vỡ, dòng chảy do sóng vỡ, ứng suất do sóng
tác dụng trên đáy, lượng bùn cát chuyển dịch và cách thức biến dạng mái dốc
bờ biển.

ra do sóng. Do vậy, bố cục của luận văn gồm các phần như sau:
MỞ ĐẦU
Chương 1: Tổng quan về khu vực nghiên cứu.
Chương 2: Giới thiệu các mô đun trong hệ thống mô hình Mike được áp
dụng trong nghiên cứu của luận văn.
Chương 3: Tính toán các đặc trưng sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích
vùng nước biển ven bờ Nam Định.
Chương 4: Các kết quả và thảo luận
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

8


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Tỉnh Nam Định có đường bờ biển dài chạy theo hướng Tây Nam và
Đông Bắc (lệch khoảng 45o so với hướng Bắc) và một số cửa sông như cửa
Đáy, cửa Ninh Cơ, cửa Ba Lạt. Đặc điểm của các cửa sông này là lượng phù
sa vận chuyển hàng năm ra biển khá lớn. Chính vì vậy, tại các vùng cửa sông
này tồn tại rất nhiều bãi cát, doi cát và cồn cát ngầm. Vì cát do các sông đưa
ra là cát mịn nên độ dốc bãi trên toàn vùng bãi biển Nam Định là rất nhỏ. Tại
nhiều vị trí, độ dốc bãi biển là nhỏ hơn 1%.

Hình 1.1. Bản đồ tỉnh Nam Định (Dự án VNICZM, Hà Nội)

9


1.1. Chế độ gió
Tại vùng biển Nam Định tồn tại hai mùa gió rõ ràng, gió mùa đông bắt
đầu vào khoảng tháng 10 hàng năm và kết thúc vào khoảng giữa tháng 3 năm

trị 8-10m. [16], [18].
Đối với Việt Nam nói chung và Hải Hậu nói riêng, chuỗi số liệu đo
sóng trong thời gian dài thường là rất hiếm. Trong khuôn khổ của một chương
trình viện trợ của quốc tế Cơ quan Hợp tác Phát triển Thụy Điển (SIDA), 4
đợt đo sóng tại bãi biển Hải Hậu được thực hiện vào năm 2005 và 2006 [14],
[20]. Tuy nhiên, các đợt đo này thực hiện trong điều kiện thời tiết ôn hòa và
trong thời gian ngắn hạn (khoảng 10 ngày). Các tần xuất xuất hiện độ cao
sóng ý nghĩa dựa trên dữ liệu đo được tại độ sâu 20m (trạm S1), cho thấy rằng
trong mùa đông, độ cao của sóng đo được cao hơn trong mùa hè. Trong mùa
đông, độ cao sóng ý nghĩa lớn hơn 1,0m chiếm tới 10% , trong khi đó vào
mùa hè độ cao sóng ý nghĩa lớn hơn 0,6m chiếm tới 10% [12] .

11


Hình 1.3. Tần xuất độ cao sóng ý nghĩa dựa trên số liệu đo trong các
đợt khảo sát năm 2005 và 2006
Vịnh Bắc Bộ nối với biển Đông qua cửa vịnh mở rộng theo hướng
Đông - Nam nên các sóng lừng sẽ xảy ra trong vịnh Bắc Bộ khi có sóng lớn
trong vùng biển Đông. Các phép đo đồng thời tại các trạm ven vờ Hải Hậu
trong các đợt của năm 2005 và 2006 cho thấy xuất hiện sóng lừng cao hơn 1m
trong điều kiện lặng gió [14]. Như vậy, các sóng lừng phát sinh phía Nam của
biển Đông có thể truyền vào và làm ảnh hưởng đến bãi biển Hải Hậu.
1.3. Chế độ thủy triều và nước dâng
Thuỷ triều đóng vai trò động lực quan trọng ở khu vực ven biển và cửa
sông nói chung và khu vực đồng bằng Bắc Bộ nói riêng. Thuỷ triều ở đây
mang tính chất nhật triều đều với độ cao triều tới trên 3,5m. Trong năm, độ
lớn triều đạt giá trị cực đại vào các tháng đầu năm, giữa năm và cuối năm.
Các sóng triều truyền từ Biển Đông và một phần bị phản xạ ở khu vực cuối
vịnh Bắc Bộ. Với độ dài 50km và độ sâu 50m, thời gian cộng hưởng trong

13


Hinh 1.4. Đường cong cấp phối hạt tại bãi biển Nam Định (Viện Cơ
học)
Kết quả đo và phân tích các mẫu trầm tích tại các mặt cắt vuông
góc với bờ của dự án SIDA ở khu vực Hải Hậu cho thấy, đường kính
D 50 của trầm tích có giá trị trong khoảng 0,14 - 0,18mm [12].

14


1.5. Đặc điểm địa hình vùng ven bờ
Địa hình khu vực bãi biển hải hậu có độ dốc thoải, tạo ra đới rộng làm
giảm năng lượng sóng [17], các đường đẳng sâu chạy dọc theo đường bờ.
Tuy nhiên, khu vực cửa Ba Lạt có độ dốc lớn và địa hình phức tạp tạo lên sự
mất trầm tích ở khu vực ngoài [25]. Độ dốc trung bình tính từ bờ đến độ
sâu khoảng 7-8m vào khoảng 1–1,6%. Xung quanh cửa Ba Lạt, gần các
bãi bồi có độ dốc khoảng 4% [25].

1.6. Chế độ dòng chảy
Các thành phần dòng chảy chủ yếu trong đới ven bờ bao gồm dòng
chảy phát sinh do sóng, dòng thủy triều, dòng chảy gió và chảy ra từ các cửa
sông. Những thành phần dòng chảy tương tác với địa hình hình tạo ra các
dạng hoàn lưu phức tạp [17]. Đường bờ của bờ biển Hải Hậu, chạy theo
hướng Đông Bắc-Tây Nam, hướng sóng chiếm ưu thế trong cả hai mùa đông
và mùa hè chủ yếu chéo so với đường bờ, hình thành dòng chảy sóng dọc bờ.
Tại bãi biển Hải Hậu, dòng chảy sóng có vai trò chủ đạo gây lên vận chuyển
trầm tích và thay đổi hình thái [17].
Theo tác giả Phạm Văn Ninh, vận tốc dòng chảy gió tại vùng biển ven


16


1.7. Diễn biến các cửa sông
Sông Hồng mang đến một lượng lớn trầm tích được thải vào vịnh Bắc
Bộ qua 7 cửa sông. Lượng trầm tích đổ ra biển hàng năm thay đổi theo mùa rõ
ràng. Lượng mưa trong mùa hè cao hơn rất nhiều so với mùa đông (khoảng
80% tổng lượng mưa hàng năm), dẫn đến tải lượng trầm tích được vận
chuyển vào mùa hè chiếm khoảng 91- 96% tổng tải lượng của năm. Tổng tải
lượng trầm tích do sông Hồng vận chuyển ra biển khoảng 75-100 triệu
tấn/năm. Trong đó, khoảng 30% bồi ở khu vực gần bờ tạo thành các bãi triều
(độ sâu dưới 2m) và các roi cát, phần còn lại vận chuyển qua các lạch triều ra
ngoài nước sâu (độ sâu 2m đến 30m [8], [17]... Tải lượng trầm tích do hệ
thống sông hồng được phân bố qua các của sông; cửa Văn Úc khoảng 19%,
cửa Thái Bình khoảng 6%, cửa Trà Lý khoảng 9%; cửa Ba Lạt khoảng 21%;
cửa Lạch Giang khoảng 6%, cửa Đáy khoảng 19%, và 20% cho tất cả các
phân lưu nhỏ hơn [24]. Một số hình ảnh về sự biến đổi các cửa sông [3];

Hình 1.7. Cửa sông Ba Lạt trong giai
đoạn 1965-2001

Hình 1.6. Cửa sông Ba Lạt trong giai
đoạn 1912-1965

17


Hình 1.9. Cửa sông Đáy trong giai
đoạn 1965-2001

Đoạn bờ thuộc xã Hải Chính (dài khoảng 3,4km), có 1,6km bờ đê tuyến
ngoài đã bị phá huỷ gần như hoàn toàn, chỉ còn 320m nền đê cũ sót lại ở đầu
phía Bắc nối tuyến giáp xã Hải Lý và 120m đê nối tuyến cũ sót lại ở phía Bắc
xã. Tuyến đê chính diện với sóng biển đã được kè lát mái PAM và đã hình
thành một tuyến đê trong cách 100-250m.
Đoạn bờ thuộc xã Hải Triều (dài khoảng 3,6km) có 2km đầu tiên giáp xã
Hải Chính cũng đang bị sạt lở nghiêm trọng. Tuyến đê ngoài đang bị phá hoại
với cường độ mạnh nhất vào những năm 80, vào thời kỳ cuối những năm 90
nhà thờ “Lái Tim” thuộc xóm Quang Phục bị phá huỷ hoàn toàn trước sóng
biển. Trong đoạn này có 1,2km kè bê tông của dự án PAM và 0,8km đê đang
được tu bổ, đắp cao và kè. Khoảng 1,5km đê còn lại phía Nam tương đối ổn
định bởi phía trước của tuyến đê ngoài có cồn cát - phi lao rộng 100m. Tuyến
đê trong đang được hình thành, cách 120m.
Đoạn bờ thuộc xã Hải Hoà (dài khoảng 4km) có 0,5km đầu tiên giáp xã
Hải Triều. Tuyến đê ngoài đã được kè bê tông theo dự án PAM, phía trước
mặt kè có cồn cát phi lao thưa rộng 40-70m. Tuyến đê phòng hộ phía trong
cách tuyến đê ngoài khoảng 200m. Trong cơn bão số 7/2005 khu vực Cồn

19


Tròn tại đây bị tràn trên chiều dài 40m, sau đó bị tràn vỡ tuyến đê chính,
chiều dài đê bị tràn vỡ trên 300m.
Đoạn bờ xã Hải Thịnh (dài 7km): Chiều dài 1,4km bờ phía Bắc giáp xã
Hải Hoà có di cồn cát-phi lao-dứa dại, rộng khoảng 50-100m áp sát đê biển.
Trong cơn bão số 7/2005 đoạn Hải Thịnh III (Thị trấn Thịnh Long): Vỡ chiều
dài 40m, lúc 11 giờ 53 phút, sau đó lỗ vỡ tiếp tục mở rộng thêm; chiều dài
đoạn đê vỡ tới 174m, có chỗ sâu tới (- 2,5)m; (kẹp giữa 2 đê có dân cư của
làng Tân Anh - thị trấn Thịnh Long. (trích dẫn từ “Báo cáo Hiện trạng sạt lở
bờ biển, phá hoại đê, kè biển Hải Hậu- Giao Thuỷ- Nam Định thời kỳ gần

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;

•

STWAVE dùng để tính toán sóng không 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.

21


Phần mềm Telemac: do Phòng Thủy động lực và Môi trường Quốc gia
(LNHE) thuộc Cục Nghiên cứu và Phát triển, Ủy ban Năng lượng Pháp (EDFDRD) xây dựng. TELEMAC được thiết kế để tính toán các quá trình vật lý


ARTEMIS: mô đun tính toán thủy động lực cho vùng cảng;

•

TOMAWAC: mô đun tính sóng;

•

ESTEL-2D: mô đun thuỷ động lực nước ngầm hai chiều;

•

ESTEL-3D: mô đun thuỷ động lực nước ngầm ba chiều.
Phần mềm Delft3D: là hệ thống tổng hợp các mô đun thành phần của

Viện Thuỷ lực Delft – Hà Lan, bao gồm nhiều mô đun khác nhau và thể hiện
được mối quan hệ giữa các mô đun đó. Ngoài ra, còn có các công cụ hỗ trợ
như khác để biễu diễn kết quả tính toán, tạo lưới tính toán, nhập và xử lý các
số liệu đầu vào (Delft3D, manual 2002).
•

Delft3D FLOW: tính dòng chảy không ổn định

22


•

Delft3D WAVE: tính toán sự lan truyền sóng ngắn không ổn định ở

chung của tất cả các mô hình liên quan đến môi trường nước của DHI, bao
gồm (Mike Zero, manual, 2008):
•

MIKE 11 - mô hình 1 chiều cho sông và kênh;

•

MIKE 21 - mô hình 2 chiều cho cửa sông, vùng nước ven bờ và biển;

•

MIKE 31 - mô hình 3 chiều cho biển sâu, vùng cửa sông và ven bờ;

•

LITPACK - mô hình cho các quá trình ở vùng ven biển, đường bờ;

•

MIKE SHE - mô hình thủy văn cho lưu vực sông.
Ở Việt Nam cũng có nhiều tổ chức, cơ quan, tiến hành xây dựng các

mô hình toán tính dòng chảy và chất lượng nước 2 chiều. Tuy nhiên. các mô
hình đó chủ yếu phục vụ cho mục đích nghiên cứu chưa đạt được yêu cầu ứng
dụng trong thực tiễn, kể cả về tính tăng, độ tin cậy và sự thuận tiện trong việc
khai thác. Đặc biệt, các mô hình chất lượng nước vẫn đang ở mức độ sơ khai.

23




số mô đun của phần mềm đã được tính toán và áp dụng trong một số đề tài:
Trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước KC08.11, Trung tâm Động
lực Sông thuộc Viện Khoa học Thủy lợi đã ứng dụng Mike21C cho bốn khu
vực trọng điểm trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình trong việc đánh
giá những biến động về thủy lực, bùn cát và diễn biến lòng dẫn dưới những
kịch bản về địa hình, về dòng chảy khác nhau. Năm 2006 - 2007, trong khuôn
khổ của đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới (MIKE 21) vào
đánh giá và dự báo phòng chống sạt lở bờ sông (miền Bắc, miền Trung, miền
Nam)” với 2 trọng điểm ở miền Bắc được lựa chọn là đoạn sông ngã ba Thao
- Đà, đã ứng dụng mô hình Mike 21 vào đánh giá, dự báo biến động lòng dẫn
ở 2 khu vực. Dự án “Thiết lập quy hoạch cơ bản phát triển sông Hồng đoạn
qua Hà Nội” là một dự án quy hoạch lớn có sự phối hợp thực hiện giữa các
chuyên gia Hàn Quốc và Việt Nam. Một trong những nội dung quan trọng của
Dự án là sử dụng mô hình toán để đánh giá hiệu quả về khả năng thoát lũ và
dự báo mức độ bồi, xói lòng sông khi thực hiện các phương án quy hoạch
tuyến đê mới và chỉnh trị lòng dẫn trên đoạn sông Hồng dài 40km thuộc địa
phận thành phố Hà Nội. Sau khi phân tích các ưu nhược điểm của một số mô
hình, Dự án đã lựa chọn mô hình Mike 21.
Ngoài ra, mô hình MIKE 21 còn được ứng dụng trong nghiên cứu chế
độ thuỷ lực do Công ty Thiết kế và Xây dựng Cảng đường thuỷ thực hiện năm
2001; đánh giá ảnh hưởng của đập ngăn mặn Hà Ra, xóm Bóng đối với thoát
lũ sông Cái Nha Trang- Viện Khoa học Thuỷ lợi thực hiện, năm 2006.
Các phần mềm khác cũng được chuyển giao cho một số cơ quan và
viện nghiên cứu khác như: Phần mềm SMS được chuyển giao cho Đại học
Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Viện Cơ học. Phần mềm TELEMAC được
chuyển giao cho Viện Cơ học, Đại học Đà Nẵng.

25