TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------------------------------------

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------------------------------------

DƯƠNG NGỌC TIẾN
DƯƠNG NGỌC TIẾN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN
TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ, ĐÁY
KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE

PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN
TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ, ĐÁY
KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE

Chuyên ngành : Hải dương học
Mã số : 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Thọ Sáo


1.1.2.1. Bức xạ nhiệt ............................................................................................. 3
1.1.2.2. Lượng mưa ............................................................................................... 4
1.1.2.3. Gió ven biển ............................................................................................. 4
1.1.3. Chế độ thủy văn .............................................................................................. 5
1.1.4. Chế độ hải văn ................................................................................................ 6
1.1.4.1. Sóng, thủy triều và xâm nhập mặn........................................................... 6
1.1.4.2. Dòng chảy vùng cửa sông, ven biển ........................................................ 7
1.2. Hiện trạng bồi lắng và xói lở ................................................................................ 7
1.2.1. Giai đoạn trước năm 1989 .............................................................................. 8
1.2.2. Giai đoạn 1989-1995 ...................................................................................... 8
1.2.3. Giai đoạn 1995-nay ........................................................................................ 8
1.3. Cảng trên sông Đáy và kế hoạch nạo vét luồng ................................................. 11
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................... 14
2.1. Tổng quan về quá trình động lực và vận chuyển bùn cát vùng bờ ..................... 14
2.1.1. Sóng .............................................................................................................. 15
2.1.2. Dòng chảy..................................................................................................... 16
2.1.3. Vận chuyển bùn cát vùng ven bờ ................................................................. 17
2.2. Tổng quan các yếu tố ảnh hưởng đến xói lở, bồi tụ và diễn biến đường bờ ...... 21
2.3. Tổng quan các phương pháp nghiên cứu về thủy động lực, vận chuyển bùn
cát, dịch chuyển đường bờ ......................................................................................... 23
2.3.1. Phương pháp điều tra cơ bản ........................................................................ 23
2.3.2. Phương pháp phân tích ảnh viễn thám và GIS. ............................................ 24
2.3.3. Phương pháp phóng xạ hạt nhân .................................................................. 26
2.3.4. Phương pháp mô hình vật lý. ....................................................................... 27
2.3.5. Phương pháp mô hình toán........................................................................... 28
2.4. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu .................................................................... 32
2.5 Cơ sở lý thuyết các mô hình thủy thạch động lực ................................................ 34
2.5.1. Mô hình MIKE 11 ........................................................................................ 34
2.5.1.1. Giới thiệu chung..................................................................................... 34
2.5.1.2. Mô đun HD ............................................................................................ 35

3.4.2.1. Kịch bản nước biển dâng cho khu vực cửa Đáy .................................... 67
3.4.2.2. Cập nhật mực nước biển dâng trong mô hình ........................................ 68
3.4.2.3. Lưu lượng dòng chảy sông .................................................................... 69
3.4.2.4. Kết quả ................................................................................................... 70
3.4.3. Tính toán biến đổi đường bờ có xét đến dâng cao mực nước biển do biến
đổi khí hậu .............................................................................................................. 76
3.4.3.1. Điều kiện tính toán ................................................................................. 76
3.4.3.2. Bộ thông số đầu vào ............................................................................... 76
3.4.3.3. Kết quả tính toán .................................................................................... 80
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 84

iii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Tần suất (%) của các hướng gió và lặng gió (%) trạm Văn Lý
(20007’N;106018’E) ........................................................................................................ 5
Bảng 3.1. Xác suất của tốc độ gió theo các cấp tốc độ (tính bằng % của tổng
số trường hợp) trạm Văn Lý (20007’N;106018’E)........................................................... 5
Bảng 3.1. Độ cao trung bình h(m) hàng trên, độ cao H1% hàng dưới, chu kỳ
trung bình  (s) của sóng và tốc độ gió V(m/s) tại trạm Văn Lý (20007’N;106018’E). .. 6
Bảng 3.1. Mực nước biển dâng theo các kịch bản phát thải cho khu vực Cửa
Đáy (cm)
........................................................................................................... 67

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Biểu đồ phân phối lượng mưa năm trạm Văn Lý ............................4
Hình 1.2. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy Năm 1989 ......................................10
Hình 1.3. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2001 .......................................10
Hình 1.4. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2005 .......................................11

số điều hòa tại điểm KN2 (106006’E, 19055’N) ......................................................58
Hình 3.10. So sánh mực nước tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ
hằng số điều hòa tại điểm KN3 (105056’E, 19051’N)................................................58
Hình 3.11. Biến trình lưu lượng qua mặt cắt tại trạm Như Tân trên sông Đáy
năm 2010
59
Hình 3.12. Biến trình lưu lượng qua mặt cắt tại trạm Phú Lễ trên sông Ninh
Cơ năm 2010
60
Hình 3.13. Biến trình lưu lượng qua mặt cắt tại trạm Ba Lạt trên sông Hồng
năm 2010
60
Hình 3.14. Mực nước tính toán lúc 0h ngày 15 tháng 8 năm 2010 ...............61
Hình 3.15. Mực nước tính toán lúc 0h ngày 15 tháng 1 năm 2010 ...............61
Hình 3.16. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Như Tân năm 2010
62
Hình 3.17. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Phú Lễ năm 2010 62
Hình 3.18. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Ba Lạt năm 2010 .62
Hình 3.19. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu mùa mưa) ....63
Hình 3.20. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu
mùa mưa)
63
Hình 3.21. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 1-10-2011 (thời điểm cuối mùa mưa) 64
Hình 3.22. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 1-10-2011(thời điểm
cuối mùa mưa) 64
Hình 3.23. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm tính toán) ......65
Hình 3.24. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm
tính toán)
65
Hình 3.25. Kịch bản mực nước biển dâng tại khu vực cửa Đáy ...................68

Hình 3.36. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 20 năm tính
toán
74
Hình 3.37. Đường bờ và đường cơ sở ............................................................77
Hình 3.38. Đường cơ sở, khu vực nghiên cứu (a) và biểu diễn đường bờ năm
1989 (b) trên đường cơ sở .........................................................................................78
Hình 3.39. Phân bố mặt cắt địa hình và địa hình sử dụng trong nghiên cứu.79
Hình 3.40. So sánh đường bờ tính toán bằng mô hình và đường bờ trích ra từ
số liệu vệ tinh năm 2001 ...........................................................................................80
Hình 3.41. So sánh đường bờ tính toán bằng mô hình và đường bờ trích ra từ
số liệu vệ tinh năm 2010 ...........................................................................................80
Hình 3.42. Mức độ biến đổi đường bờ khu vực Cửa Đáy giai đoạn từ năm
1990 tới năm 2001 (số liệu tính toán từ ảnh vệ tinh) ................................................81
Hình 3.43. Mức độ biến đổi đường bờ khu vực Cửa Đáy giai đoạn từ năm
1990 tới năm 2010 (số liệu tính toán từ ảnh vệ tinh) ................................................81
toán

vi


MỞ ĐẦU

Hiện nay, phương pháp mô hình toán đang được sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trường. Đây là

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu

phương pháp hiện đại, phát triển mạnh trong mấy chục năm trở lại đây ở nước ta

toàn cầu, thiên tai ngày một gia tăng, đặc biệt là bão, kèm theo lũ lụt và nước dâng


Hồng đưa bùn cát ra biển qua các cửa sông trong đó phải kể đến là 3 sông lớn: Sông

toán vận chuyển bùn cát và biến động đường bờ.

Hồng chảy qua cửa Ba Lạt, sông Ninh Cơ và sông Đáy. Quá trình tương tác giữa

Trong nghiên cứu này, đã sử dụng bộ mô hình MIKE của viện thủy lực Đan

động lực sông – biển gây ra quá trình bồi tụ, lắng đọng và xói lở vùng ven biển.

Mạch để mô phỏng, đánh giá và dự báo chế độ thủy động lực cũng như xói lở, bồi

Khu vực cửa sông Đáy thuộc tỉnh Ninh Bình đang có những thay đổi đáng kể về

tụ và quá trình biến đổi đường bờ tại khu vực cửa sông Đáy thuộc tỉnh Ninh Bình.

quá trình bồi tụ và lắng đọng trầm tích. Ở đây mức độ bồi tụ đang diễn ra rất mạnh.
Bồi tụ ven bờ và quá trình lấn biển làm tăng thêm diện tích đất tự nhiên nhưng cũng
có ảnh hưởng nhất định đến chế độ động lực và khả năng thoát lũ ở các sông. Bên
cạnh đó, hiện tượng nước biển dâng đã và đang ảnh hưởng sâu sắc tới Việt Nam nói
chung và tỉnh ven biển Ninh Bình nói riêng. Nước biển dâng có thể dẫn đến những
hậu quả rất lớn đối với sinh kế và sự thịnh vượng của cư dân ở những vùng này.
Những vùng đất có giá trị cao có thể sẽ bị mất. Các đầm tôm, cua có thể bị di dời và
các ngư trường ven biển có thể biến mất. Những vùng không ngập mặn thường
xuyên ở khu vực lận cận có thể bị ảnh hưởng và không còn phù hợp cho sản xuất
nông nghiệp. Sự đa dạng của các hệ động thực vật ven biển tại khu vực cửa sông
ven biển có thể bị suy giảm. Rừng ngập mặn –hệ sinh thái quan trọng ở vùng cửa
sông, ven biển - có thể bị giảm về quy mô hoặc hoàn toàn biến mất, v.v.


ĐBSH, bao gồm cát, bột, bột sét, bùn sét. Sau Holocen muộn là giai đoạn phát triển

khoảng 25 - 45 giờ/ tháng. Chế độ nắng cũng giống như chế độ nhiệt, nó ảnh hưởng
đến tốc độ và dạng phân huỷ các hợp chất hữu cơ và nồng độ ôxy hoà tan trong
nước. Nhiệt độ không khí trung bình: 22,2 - 23,60 C; tháng 7 có nhiệt độ cao nhất
(28,2 - 29,40 C) và tháng 1 thấp nhất (14,7 - 16,80 C).
1.1.2.2. Lượng mưa
Lượng mưa hàng năm dao động từ 1520 đến 1850 mm. Mùa mưa bắt đầu từ
cuối tháng IV và kết thúc vào tháng X, chiếm 82¸90% lượng mưa cả năm. Mưa lớn
tập trung vào hai tháng VII-VIII. Lượng mưa ngày lớn nhất đạt tới 350¸500 mm.
X TBNN (mm)

1.1.1. Địa hình, địa chất địa mạo

450
400
350
300
250
200
150
100
50
0

I

II

châu thổ hiện đại, chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các hoạt động của con người, trong đó

Tháng

Biểu đồ phân phối lượng mưa năm trạm Văn Lý

Mùa đông gió có hướng thịnh hành là Đông Bắc, tần suất đạt 60 - 70%. Mùa
hè các tháng V, VI, VII hướng gió ổn định, thịnh hành là Đông và Đông Nam, tần

Khu vực cửa Đáy chịu ảnh hưởng của hai hệ thống gió mùa đông bắc và gió

suất đạt khoảng 60 - 70%. Tháng VIII hướng gió phân tán, hướng thịnh hành nhất

mùa tây nam có tính chất đối ngược nhau.

cũng chỉ đạt tần suất 20 - 25%. Các tháng chuyển tiếp hướng gió không ổn định, tần

1.1.2.1. Bức xạ nhiệt

suất mỗi hướng thay đổi trung bình từ 10 - 15%. Tốc độ gió trung bình thay đổi từ 3
- 4,5 m/s, tốc độ gió lớn nhất đạt 30 - 40 m/s (thường là trong dông hoặc bão).

3

4


Bảng 3.1.

Tần suất (%) của các hướng gió và lặng gió (%) trạm Văn Lý

dòng chảy nước sông dao động khoảng 0,2-0,4 m/s. Trong mùa mưa, dòng chảy


0.8

IV

4.8

7.2

32.0

28.7

19.2

1.0

VII

2.4

2.1

4.8

22.9

36.4

X


4.5

Vào mùa đông (từ tháng XI - III năm sau), hướng sóng chính ngoài khơi là

13.7

4.7

3.2

11.0

hướng Đông Bắc với tần suất 51¸7%. Tuy nhiên, do ảnh hưởng bởi địa hình có

6.0

0.5

1.4

12.9

10.8

hướng Đông Bắc - Tây Nam, vùng ven bờ khu vực cửa Đáy thịnh hành sóng hướng

16.6

4.0

trường hợp) trạm Văn Lý (20 07’N;106 18’E)

sóng ven bờ lớn nhất tới 4-5 m và ở ngoài khơi là 9-10 m.

Tốc độ gió
Tháng

10-

12-

14-

16-

18-

21-

25-

29-

35-

11

13

15


20.2

4.2

1.1

IV

100

79.0

44.0

20.8

4.4

1.2

VII

100

75.0

50.0

34.3


2.5

Bảng 3.1.
>40

Độ cao trung bình h(m) hàng trên, độ cao H1% hàng dưới, chu kỳ

trung bình  (s) của sóng và tốc độ gió V(m/s) tại trạm Văn Lý (20007’N;106018’E).
Tháng trong năm

Các đặc
trưng
3.0

2.5

1.1

0.7

0.07

0.07

Suất
đảm bảo

1.0


H1% 

V-VII

V

h
H1% 

Năm

VIII-X

V

h
H1% 

V

h
H1% 

V

chế độ
50

0.4


3.5

0.4

3.0

3.5

0.8
3.5

5.5

0.6

7.5

0.9

3.5

5.5

10

1.1
2.3

4.0



6.0

12.0

1.5
3.0

3.5

4.0

0.7

4.0

7.0

4.4

10.0

5.5

14.5

1.4
4.4

9.0

2.2

5.5

13.0

1.5
3.0

Dòng chảy sông Đáy có hai mùa với thời gian dài gần như nhau nhưng lưu

Nguồn: Sổ tay tra cứu các đặc trưng KTTV vùng thềm lục địa Việt Nam (2000)

lượng rất chênh lệch. Mùa mưa dài gần 6 tháng (từ tháng VI đến đầu tháng XI),

Chế độ triều: Khu vực cửa Đáy là khu vực có chế độ nhật triều đều điển hình

chiếm 75¸80% lượng nước cả năm. Mùa kiệt dài hơn 6 tháng (từ cuối tháng XI đến

với 1 lần nước lên và 1 lần nước xuống trong ngày với biên độ triều dao động khá

tháng V năm sau), chiếm dưới 25% lượng nước trong năm. Vào mùa kiệt tốc độ

5

6


lớn, từ 1,0 - 2,0 m. Với độ lớn như vậy, vào thời kỳ triều cường, thủy triều gây ảnh


triều sinh ra, như dòng nhật triều, dòng bán nhật triều. Thành phần phi tuần hoàn

ven biển huyện Kim Sơn. Ở ven biển Kim Sơn, sau đợt quai đê Bình Minh-1 vào

gồm các thành phần hình thành do lũ trong sông, dòng dư sinh ra từ sóng, dòng sinh

năm 1959 lấn ra biển tới 1100 ha đất mặn, đến năm 1980-1982 tiếp tục quai tuyến

ra do gió thổi trên bề mặt.

đê Bình Minh-2 có chiều dài 14,7 km và lấn biển tới 1.932 ha đất mặn sú vẹt. Tính

Vào mùa đông, dòng chảy tổng cộng ở vùng này chủ yếu là do sự đóng góp

chung, ở ven biển Kim Sơn trong thời gian 25 năm (1965-1989) bãi bồi mở rộng ra

của dòng chảy gió và dòng triều. Vì vậy về mùa đông, dòng chảy ở vùng xem xét

biển 2000¸3400 ha với tốc độ lấn biển đạt 80 -136 m/năm và trung bình là 108

thường có hướng dọc theo bờ, đó là hướng chủ đạ. Từ tháng XII đến tháng I, tại khu

m/năm. Ngược lại, vùng ven biển Nghĩa Hưng có tốc độ phát triển chậm hơn, vùng

vực, xuất hiện chế độ dòng chảy ngược chiều nhau. Ở vùng biển thoáng, dòng chảy

bồi chỉ rộng 900-1800 m, tương đương tốc độ phát triển 37-76 m/năm và trung bình

có hướng nam do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, trong khi đó tại ven bờ, tồn tại


1.2. Hiện trạng bồi lắng và xói lở

phía ven biển huyện Kim Sơn. Bãi bồi Kim Sơn lấn thêm ra biển 900 - 1800 m,

Vùng cửa Đáy có xu hướng bồi tụ mạnh nhờ có nguồn bồi tích rất dồi dào từ

tương đương tốc độ phát triển 150 - 300 m/năm, trung bình là 225 m/năm. Vùng bồi

hệ thống sông Hồng và cửa sông nằm ở vùng bờ biển lõm, tránh được các hướng

tụ mạnh là tiền đề cho việc quai tuyến đê Bình Minh-3. Phía ven biển Nghĩa Hưng,

sóng chính có tác động mạnh.

vùng bồi tụ chủ yếu là các doi cát dọc cửa sông Đáy, nhưng tốc độ diễn ra chậm

Khu vực cửa Đáy mặc dù có khối lượng bùn cát đưa ra biển rất lớn nhưng
không tạo thành kiểu bồi tụ lấp đầy nối cồn như cửa Ba Lạt, Trà Lý hay Lạch

7

hơn phía ven biển huyện Kim Sơn.
1.2.3. Giai đoạn 1995-nay

8


Các bãi bồi cửa Đáy tiếp tục phát triển và đưa cửa sông kéo dài về phía biển.
Ven biển huyện Nghĩa Hưng hình thành bãi bồi lớn với diện tích rộng tới 670 ha là
tiền đề của vùng đất mới trong tương lai. Huyện Kim Sơn triển khai công cuộc quai

nghiệp của tỉnh. Cảng Ninh Phúc hiện là cảng sông có quy mô lớn nhất miền Bắc
đồng thời là một trong những cảng nội địa lớn nhất Việt Nam. Cảng đảm bảo nhận
tàu cỡ 3000 DWT cập bến, công suất đạt 2,5 triệu tấn/năm. Cảng nằm dọc bờ hữu
sông Đáy thuộc các xã Ninh Phúc (thành phố Ninh Bình) và Khánh Phú, Khánh
Hòa (Yên Khánh, Ninh Bình). Cảng Ninh Phúc có chiều dài hơn 3 km, chiều dài 1
bến là 500m, diện tích bến là 12,5 ha. Cảng Ninh Phúc nằm ở bờ trái sông Đáy, đảm
bảo công tác vận tải đường thủy các tuyến giao thông đường thủy Cửa Đáy - Ninh
Bình, Ninh Bình - Hà Nội, Ninh Bình - Nam Định - Hải Phòng - Quảng Ninh, Ninh
Bình - Thanh Hóa. Gần Cảng Ninh Phúc là cảng Ninh Bình có công suất đạt 1,6
triệu tấn/năm, đảm bảo cho tàu biển trên 1.000 DWT ra vào thuận lợi. Cảng Ninh
Phúc được xây dựng từ cuối năm 1995 với tổng giá trị 125 tỷ đồng. Ngày 27/6/2000
Hình 1.4.

Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2005

Cảng Ninh Phúc chính thức đưa vào khai thác. Cảng được Bộ Giao thông vận tải
quyết định công bố được tiếp nhận phương tiện thuỷ nội địa, tàu biển Việt Nam và
nước ngoài có trọng tải đến 3.000 tấn. Ninh Phúc là một cảng hàng hoá nằm trên
đầu mối giao thông thuỷ - bộ quan trọng tại khu vực rộng lớn phía Nam của các tỉnh
Bắc bộ và phía Bắc của các tỉnh miền Trung thông qua tuyến sông Đáy ra biển
Đông đi các tỉnh kéo dài từ Quảng Ninh tới Đà Nẵng và thông thương với các nước
trong khu vực và quốc tế.
Việc xuất hiện của hàng loạt các khu công nghiệp, hàng loạt nhà máy lớn ra
đời như: Nhà máy xi măng Tam Điệp; xi măng Vinakansai; xi măng Hướng Dương;
xi măng Duyên Hà; xi măng Bỉm Sơn; xi măng Bút Sơn; nhà máy cán thép liên
doanh Tam Điệp (công suất 120 tấn/năm); nhà máy phân lân nung chảy (công suất
hiện tại khoảng 120 tấn/năm)... ; các cơ sở sản xuất gạch, ngói, hàng thủ công mỹ

Hình 1.5.


tố thủy động lực. Thực tế bờ biển luôn biến đổi một cách liên tục dưới tác dụng của
sóng và dòng chảy tại nhiều phạm vi không gian và bước thời gian khác nhau. Ví dụ
như khi bờ biển chịu tác động của một con sóng đơn làm bùn cát ở ven bờ nổi lơ
lửng trong nước và dòng chảy do sóng sinh ra sẽ vận chuyển bùn cát bị nổi lơ lửng
này về phía hạ lưu của dòng chảy dọc bờ. Quá trình tác động của sóng đơn này chỉ
diễn ra trong vòng vài giây và có phạm vi tác động trong dải sóng vỡ mà thôi.
Nhưng khi quá trình này diễn ra liên tục trong nhiều ngày hoặc nhiều năm, nó có
thể gây ra hiện tượng xói lở bờ biển kéo dài trên một vùng rộng vài trăm mét đến
hàng chục kilômét. Quá trình xói lở bãi biển, xói lở tại chân các đụn cát do ảnh
hưởng của bão lại có thể xảy ra chỉ trong vài giờ, hoặc 1 ngày. Do ảnh hưởng của
sóng bão và nước dâng do bão, đường bờ thay đổi rất nhanh chóng nhưng quá trình
tự khôi phục lại bãi biển sau đó có thể diễn ra trong một vài tháng hoặc trong cả
mùa kế tiếp. Hiện tượng xói lở hoặc bồi tụ liên tục trong thời gian nhiều tháng,
nhiều năm sẽ dẫn tới đường bờ bị suy thoái (hoặc phát triển) vào trong đất liền.
Cũng có những quá trình diễn biến bờ biển đòi hỏi phải được xem xét trên một
phạm vi rộng đến hàng trăm kilômét và trong khoảng thời gian hàng trăm năm, ví
dụ như những quá trình thành tạo và phát triển của các đồng bằng châu thổ sông
Hồng hay đồng bằng sông Cửu Long, hay quá trình phát triển, suy thoái và thay thế
của các cửa sông trên một hệ thống các cửa sông đổ ra biển. Những hiểu biết về các
diễn biến bờ biển trong quá khứ với thời đoạn dài (khoảng vài trăm năm đến hàng
nghìn năm) là rất quan trọng vì nó sẽ cho biết được những thông tin cần thiết để
diễn giải được các nhân tố chính đã từng có tác động đến hình dạng của đường bờ
biển trong quá khứ; thông qua các suy đoán trên cơ sở các luận cứ đã có. Có thể các

13

14


nhân tố tác động này vẫn đang tiếp tục diễn ra trong hiện tại tuy với mức độ nhỏ


bao gồm: khả năng phân tích, tổng hợp các quá trình diễn ra trong tự nhiên cũng

trình tiến vào bờ chỉ có một tham số không thay đổi, đó là chu kỳ sóng. Điều đó có

như năng lực diễn giải, giải thích các hiện tượng phức tạp; đôi khi là sự mâu thuẫn

nghĩa là nếu xem xét tại một đường xác định (song song với bờ) trong một thời

giữa các căn cứ, bằng chứng và các kinh nghiệm đạt được từ các nghiên cứu trên

khoảng xác định thì số sóng đi qua nó bằng với số sóng vỗ vào đường bờ. Tuy

một loạt các bờ biển cũng như công việc thực hiện tại các dự án có liên quan tới kỹ

nhiên, các sóng có bậc cao hơn được tạo ra do ma sát, cho nên ngoài chu kỳ chính,

thuật bờ biển.

còn những dao động tuần hoàn khác của sóng tồn tại. Điều đó có nghĩa là đối với

Tuy vậy, việc mô tả toán học các hiện tượng tự nhiên diễn ra ở bờ biển, nhất
là mô tả các chuyển động phức tạp của dòng chảy và bùn cát ở bờ biển vẫn còn hạn

trường sóng ngẫu nhiên thì chu kỳ sóng có khác chút ít với trường sóng đều.
2.1.2. Dòng chảy

chế, đây cũng là nguyên nhân làm hạn chế khả năng mô phỏng và dự báo các diễn

Dòng chảy ven bờ là tổng hợp của quá trình tác động, theo yếu tố lực sinh ra,


nhanh khi ra biển bên ngoài dải sóng vỡ. Các dòng này được sinh ra bởi gradient

2) dòng chảy

thông lượng động lượng (ứng suất phát xạ) do sự suy giảm của trường sóng tới xiên

2.1.1. Sóng

góc và thành phần dọc bờ của gió. Nói chung, dòng chảy dọc bờ có vận tốc trung

Khi sóng tiến vào bờ, một số đặc trưng sóng thay đổi, chủ yếu do độ sâu

bình khoảng 0.3 m/s hoặc nhỏ hơn, nhưng cũng có thể vượt 1 m/s khi có bão. Vận

nước thay đổi. Khi bờ là dạng tường đứng sóng sẽ bị phản xạ, bất chấp độ sâu nước

tốc dòng ven bờ gần như không đổi theo độ sâu (Visser, 1991). Không như dòng

như thế nào. Tốc độ truyền sóng và bước sóng giảm khi đi vào vùng nước nông. Bỏ

chảy dọc bờ, dòng chảy ngang bờ thay đổi theo chiều sâu. Phần vật chất do sóng

15

16


vận chuyển về phía bờ biển tập trung giữa chân sóng và đỉnh sóng. Vì gần như toàn


cần phải xem xét đối với bất kỳ giải pháp kiểm soát xói lở bờ biển nào. Bùn cát
được di chuyển dưới tác động của sóng, gió, và dòng chảy ven bờ. Quá trình vận
chuyển bùn cát sẽ quyết định xói lở hay bồi tụ. Các vấn đề liên quan tới diễn biến
bờ biển thường gặp là hiện tượng thiếu hụt bùn cát dẫn tới bờ biển bị xói lở; hay
hiện tượng dư thừa bùn cát gây nên những vấn đề như bồi lấp các cửa sông, giảm
khả năng thoát lũ qua cửa, hay luồng tàu vào cảng, đôi khi là bồi lấp cảng...
Vận chuyển bùn cát ở vùng ven biển thường được phân thành hai hình thức
vận chuyển bùn cát riêng biệt, đó là vận chuyển bùn cát theo phương song song với
đường bờ hay còn gọi là vận chuyển bùn cát dọc bờ; và vận chuyển bùn cát theo
phương vuông góc với đường bờ, hay còn gọi là vận chuyển bùn cát ngang bờ. Nhìn
chung, vận chuyển bùn cát dọc bờ và cụ thể là gradient của vận chuyển bùn cát dọc
bờ là nguyên nhân chính gây nên sự diễn biến của đường bờ trong thời đoạn dài;
nhưng ngược lại, vận chuyển bùn cát theo phương ngang trên mặt cắt ngang bãi
biển thường gây nên những diễn biến bờ biển trong thời đoạn ngắn. Nếu những diễn
biến theo phương ngang diễn ra lặp lại trong nhiều năm thì nó cũng có thể là
nguyên nhân gây nên hiện tượng bồi xói bờ biển trong thời đoạn dài, tuy nhiên,
cũng rất khó có thể nhận thấy được điều này vì bản thân các quá trình vận chuyển

Hình 2.1.

Những hệ thống vận chuyển bùn cát mở và đóng (US ARMY
CORPS OF ENGINEERS, 2002)

bùn cát trong tự nhiên rất đa dạng và bản chất tự nhiên của chúng cũng khác nhau.
Vận chuyển bùn cát dọc bờ thường xuất hiện trong một vùng tương đối hẹp

Thông thường lượng bùn cát tịnh vận chuyển dọc bờ sẽ lớn hơn rất nhiều so

dọc theo bờ biển và có hướng, độ lớn vận chuyển bùn cát chủ yếu được xác định từ



liên quan tới vận chuyển bùn cát theo phương ngang. Đối với bãi biển cát, hình

dọc. Do không thể trực tiếp đo đạc được vận chuyển bùn cát dọc bờ trong điều kiện

dạng của bãi biển thay đổi liên tục dưới tác động của sóng gió và dòng chảy và nó

tự nhiên và lượng vận chuyển bùn cát tịnh có thể có trong thời đoạn dài. Nếu như

có thể có những thay đổi đáng kể trong thời gian xảy ra bão. Do ảnh hưởng của

diễn biến trong thời đoạn dài của đường bờ biển không thể giải thích được bằng

sóng bão, đường bờ phát triển rất nhanh, mặt cắt ngang bờ biển thay đổi chỉ trong

gradient của lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ thì có thể đi đến một kết luận là, còn

một thời gian ngắn đặc biệt khi các con sóng lớn tác động tới bờ biển kết hợp với

có thành phần vận chuyển bùn cát tịnh theo phương ngang có mặt tại khu vực

mực nước dâng do bão hay kết hợp với triều cường.

nghiên cứu, tuy rằng rất khó có thể đưa ra được những bằng chứng thuyết phục.
Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận chuyển bùn cát ở
vùng ven bờ là hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung gian trong quá
trình diễn biến gây nên những hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển. Biết được
lượng vận chuyển bùn cát ở vùng ven bờ thì có thể dự báo được sự biến đổi của
đường bờ trong điều kiện tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các công
trình xây dựng ở vùng ven bờ sau này.

bờ do hướng sóng đến vuông góc với đường bờ, các đường đỉnh sóng có xu thế

trung bình sự thay đổi của đường bờ có thể diễn ra trong thời gian dài (trong một

song song với đường bờ. Vận chuyển bùn cát ngang bờ rất được chú ý quan tâm

mùa hay năm thậm chí là nhiều năm) và sự thay đổi của đường bờ chủ yếu do các

trong nghiên cứu hình thái bờ biển trong khoảng thời gian hơn chục năm trở lại đây

tác động của dòng chảy ven bờ gây nên. Nhưng dưới ảnh hưởng của các hình thế

đặc biệt khi nghiên cứu những tác động của sóng bão, và các loại hình thời tiết lớn

thời tiết đặc biệt lớn như áp thấp, bão, các cơn lốc biển… đường bờ thay đổi rất

gây nên. Hiện nay những nghiên cứu về vận chuyển bùn cát ngang bờ vẫn còn nhiều

nhanh chóng, sự phát triển của đường bờ có thể diễn ra chỉ trong một ngày hay thậm

19

20


chí vài giờ. Dòng chảy ngang bờ trong trường hợp này có tác động rất lớn làm thay

(dòng tiêu hay dòng tách bờ). Nếu khả năng vận chuyển bùn cát của dòng ven bờ

đổi hình dạng của đường bờ. Ngược lại những tác động của dòng chảy dọc bờ lại rất


biển.

người trong phạm vi dọc bờ biển, trên các lưu vực sông, theo không gian cũng như
thời gian, cụ thể như sau:

- Bên cạnh các yếu tố tự nhiên, các tác động do con người tạo ra cũng cần
được xem xét theo không gian cũng như theo thời gian:

- Hình thái và đặc điểm địa hình, địa mạo bờ biển: dạng (thành tạo) bờ biển,

- Các công trình bảo vệ bờ dọc ven biển như kè mỏ hàn, đê phá sóng thường

cấu tạo bờ biển và hướng đường bờ, tính “nhạy cảm” với các quá trình động lực bờ

gây ra xói lở phía sau theo hướng di chuyển bùn cát thực (down drift) của công

biển.

trình bảo vệ trong khoảng năm đến mười năm.

- Gió: lực ngoại sinh quyết định sự hình thành và phát triển của sóng.
- Sóng: lực tác động quan trọng nhất trong quá trình xói lở và vận chuyển bùn

- Các công trình kè, tường chắn sóng bảo vệ bờ và đê biển thời gây xói ở cuối
công trình cũng như xói chân công trình trong ngắn hạn (thường là dưới năm năm).

cát của dải ven bờ. Quá trình giải phóng năng lượng sóng tại đới bờ sẽ đào xới, phá

- Trong phạm vi lưu vực, việc xây dựng các công trình đập thủy điện, hồ chứa


thay đổi sóng tới (cả phương chiều lẫn chiều cao sóng) cũng như dòng ven bờ. Tác

- Dòng chảy ven bờ: bùn cát bị xói sẽ được chuyển đi nơi khác bởi dòng chảy.

động của các yếu tố này có thể là trong ngắn hạn, một vài năm đến năm mười năm.

Dòng chảy được hình thành do sự dao động thủy triều (dòng triều lên và rút), do
sóng tới xiên góc với bờ (dòng chảy dọc ven bờ), và dòng xoắn ngược do sóng

21

22


- Ngoài ra phải kể đến tác động của con người liên quan đến sự suy thoái của

năm là rất cần thiết. Phương pháp điều tra cơ bản sử dụng các số liệu đã thu thập

rừng (chặt phá, khai thác quá mức, xây dựng công trình hạn chế không gian phát

trong quá khứ kết hợp với việc phân tích các yếu tố tác động gây nên diễn biến

triển của rừng) cũng như sự phát triển của chúng (gây bồi, trồng rừng).

đường bờ để đưa ra những đánh giá về hiện trạng và dự báo những diễn biến này

2.3. Tổng quan các phương pháp nghiên cứu về thủy động lực, vận chuyển bùn

trong tương lai gần.


nhân sinh và nhiều khi rất khó có thể định lượng một cách chính xác.

liệu không mang tính hệ thống và không được chuẩn hóa.

Nhưng do tính cấp thiết của vấn đề, cùng sự phát triển mạnh mẽ của khoa

Mặt khác, các kết quả tính toán chỉ phản ánh xu thế phát triển của đường bờ

học kỹ thuật, các phương pháp nghiên cứu diễn biến bờ biển (quá trình xói lở và bồi

trong quá khứ và hiện tại chứ không giải thích được cặn kẽ bản chất vật lý và

tụ) ngày càng được nâng cao về mức độ chính xác và bước đầu đã cho thấy kết quả

nguyên nhân của những diễn biến bất lợi. Nếu chỉ dựa trên những số liệu rời rạc và

khả thi của nó trong việc dự báo diễn biến đường bờ, quy hoạch, quản lý và khai

không đồng bộ thì cũng rất khó để phản ánh được đầy đủ quy luật biến động của

thác bền vững và phát triển các nguồn lợi ở dải ven biển. Một số phương pháp

đường bờ biển trong quá trình đó. Tất nhiên do tính chất của nó mà phương pháp

nghiên cứu diễn biến đường bờ đã và đang được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới

thường không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu diễn biến đường bờ.

cũng như tại Việt Nam sẽ được trình bày trong báo cáo này nhằm đưa ra cái nhìn

23

24


Dựa vào tính chất phản xạ, thấu xạ và hấp thụ ánh sáng của tất cả các địa vật,

-

Nghiên cứu biến động đường bờ biển: Do khả năng hiệu ứng dải sóng MSS – 7

các nhà khoa học đã chế tạo các thiết bị kỹ thuật có khả năng “quan sát” địa vật

đối với nước mạnh, phản ánh sự sai khác nhau rõ rệt giữa hình ảnh của nước và

ngay từ trên cao – đó chính là kỹ thuật viễn thám.

hình ảnh của đường bờ, có thể sử dụng loại hình ảnh này để nghiên cứu hình

Sau khi có được các hình ảnh của các địa vật dưới tư liệu ảnh viễn thám, để

dạng mặt phẳng, phạm vi phân bố của vùng nước. Điều đó cho phép điều tra

có được các thông tin chính xác hơn về mặt đất người ta phải tiến hành giải đón

nghiên cứu mạng lưới song ngòi, các cồn cát cửa sông, bãi bên, lạch sâu. So

ảnh. Thông thường có hai phương pháp giải đoán: Giải đoán ảnh bằng mắt và giải

sánh các ảnh chụp trong các thời điểm khác nhau có cùng các điều kiện hải văn


thường được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.

lượng bùn cát lơ lửng trong một khối nước có hai hướng chủ yếu: Hướng thứ

Đối với vùng cửa sông và bờ biển, đây là vùng nước rộng lớn, chuyển động

nhất là xây dựng quan hệ số liệu viễn thám từ các thuộc tính, đặc tính quang

của bùn cát và dòng chảy có tính đa nguyên và nhiều hướng. Để có được các số liệu

học hiệu ứng đối với nước của các loại vật chất khác nhau chìm trong nước.

trong nghiên cứu quy hoạch, thiết kế công trình vùng cửa sông, bờ biển thường rất

Hướng thứ hai là xây dựng tương quan các số liệu viễn thám và các tham số

khó khăn, thậm chí không khả thi. Khi áp dụng phương pháp viễn thám, thông tin

thực đo đồng thời tại hiện trường. Trên cơ sở đó xây dựng các công thức thực

thu thập tương đối nhanh, phạm vi mở rộng, nội dung phong phú, số liệu có tính cập
nhập cao và đồng bộ. Các ứng dụng của viễn thám đối với lĩnh vực này là:
-

nghiệm để tiện sử dụng sau này.
-

Ứng dụng nghiên cứu lưu tốc, trạng thái chảy: nồng độ chất lơ lửng lớn hay bé


2.3.3. Phương pháp phóng xạ hạt nhân

thì đây cũng là một phương pháp tốt.

25

26


Thật sự, đây là một phương pháp tương đối mới lạ với Việt Nam và thế giới.

phải có đội ngũ chuyên gia và các kỹ thuật viên lành nghề và có chuyên môn cao.

Cho tới nay, phương pháp này chỉ mới chỉ được ứng dụng trên một số quốc gia có

Hiện nay ở nước ta đã có một số phòng thí nghiệm có các thiết bị tạo sóng, dòng

nền công nghiệp hạt nhân phát triển mạnh. Ở Việt Nam, sau 10 năm nghiên cứu và

chảy và triều nhân tạo nhưng các thí nghiệm mô hình mới chỉ dừng lại ở mức độ

phát triển, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã thử nghiệm thành công phương

đơn giản, chỉ mô phỏng được trong phạm vi hẹp chứ chưa thí nghiệm được mô hình

pháp này để nghiên cứu tình trạng bồi lấp cảng biển, cửa sông, luồng tàu,…Địa

tổng thể.

điểm được thử nghiệm đầu tiên là cảng Hải Phòng. Công trình nghiên cứu này được


thiết bị máy móc hiện đại nên cần có sự đầu tư xây dựng và phát triển.

cát vận chuyển đi thì bờ biển đã bị bồi, hoặc nếu lượng bùn cát chuyển tới nhỏ hơn

2.3.4. Phương pháp mô hình vật lý.

lượng bùn cát chuyển đi thì bãi biển bị xói lở, còn nếu lượng bùn cát chuyển đi cân

Là phương pháp xây dựng mô hình nguyên mẫu ngoài thực tế cho một đoạn

bằng lượng bùn cát chuyển đến thì bãi biển ở trạng thái ổn định.

bờ biển cụ thể nào đó hoặc các công trình theo tỷ lệ thu nhỏ. Các tác động trong tự

Phương pháp mô hình toán có các ưu điểm nổi trội so với các phương pháp

nhiên tới bờ biển như sóng, dòng chảy, sự biến đổi mực nước do thủy triều,…được

khác là: cho kết quả nhanh, độ chính xác tương đối cao, bản chất vật lý và cơ chế

tạo ra trong phòng thí nghiệm với tỷ lệ tương ứng với tỷ lệ mô hình. Các số liệu về

của quá trình diễn biến đường bờ được mô tả rõ ràng. Mặt khác, phương pháp mô

mực nước, dòng chảy và sự biến đổi của bờ biển được ghi nhận lại thông qua các

hình toán thường có kinh phí thực hiện thấp nhất so với các phương pháp khác, nhất

thiết bị đo đạc tự động hoặc bán tự động đặt trong mô hình.


thiết bị thí nghiệm, các thiết bị đo đạc, xử lý, phân tích số liệu đồng bộ và hiện đại,

27

28


Tuy nhiên, độ tin cậy của mô hình toán lại phụ thuộc rất nhiều vào các số
liệu đầu vào mô hình. Nếu các số liệu đầu vào có độ tin cậy kém thì các kết quả đầu

cho phép mô phỏng đồng thời các quá trình động học như dòng chảy, sóng, vận
chuyển bùn cát.

ra của mô hình cũng sẽ rất hạn chế. Để tính toán và dự báo hiện tượng hay một diễn

Ngoài ra, cũng phải kể đến một số mô hình thông dụng khác như Del t3D -

biến xảy ra ở bờ biển thì phương pháp mô hình toán sẽ rất cần nhiều số liệu để kiểm

bộ phần mềm 2D/3D mô hình hoá thuỷ lực, lan truyền chất, sóng, vận chuyển bùn

định mô hình, nhất là các tư liệu lịch sử và diễn biến đường bờ trong một thời kỳ

cát, biến đổi đáy của WL | Del t Hydraulics, Hà Lan, sử dụng hệ lưới cong trực

nhiều năm mà các số liệu này không phải lúc nào cũng có đầy đủ.

giao. Một trong những phần mềm thương mại khác là bộ phần mềm SMS 2D/3D


sóng, hướng và độ lớn của dòng chảy ven bờ, phân bố bùn cát, diễn biến đường bờ

trình động lực học cũng như lý thuyết rời rạc hóa các hệ phương trình cơ bản.

v.v…, tương ứng với mực nước thủy triều ở các cấp độ khác nhau, dưới tác động

Có rất nhiều các mô hình đã được phát triển, tuy nhiên phổ biến và được sử

của gió, bão gây ra, ngay cả đối với các điều kiện địa hình đáy biển rất phức tạp

dụng rộng rãi nhất phải kể đến bộ mô hình MIKE của DHI Water & Environment,

cũng như các vùng phụ cận công trình. Kết quả nhận được từ các mô hình toán cho

Đan Mạch với các module như MIKE 21 HD, AD, ST, MT, SW, BW,... sử dụng để

chúng ta nhìn nhận hiện tượng sạt lở bờ biển một cách toàn diện hơn, đúng bản chất

mô phỏng các quá trình thủy động lực học 2-D, sự vận chuyển và khuếch tán của

vật lý hơn. Nói rõ hơn, từ mô hình toán chúng ta sẽ xác định được tổ hợp các yếu tố

các chất hòa tan và lơ lửng, bùn cát; sự lan truyền của sóng biển, tính toán sa bồi ở

tự nhiên tác động bất lợi nhất tới đới bờ bị sạt lở, sẽ xác định được tốc độ sạt lở bờ

vùng cửa sông và ven biển. Ngoài ra, bộ mô hình này còn bao gồm các module

biển tại khu vực nghiên cứu theo không gian và thời gian, chỉ rõ nguyên nhân gây ô



30


định từ các quan trắc, đo đạc hiện trường và/hoặc kết hợp với mô hình vật lý. Năm

2.4. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

1989 tại hội thảo khoa học về các quá trình thủy thạch động lực vùng gần bờ

Khu vực ven biển Cửa Đáy là vùng có đặc điểm tự nhiên tương đối đặc biệt.

(Nearshore Processes Worshop) tổ chức ở St. Peterburg, Hội đồng về các quá trình

Ở đây, mức độ bồi tụ đang diễn ra rất mạnh. Bồi tụ ven bờ và quá trình lấn biển làm

bùn cát trên phạm vi rộng (Large Scale Sediment Processes Committee) đã đi đến

tăng thêm diện tích đất tự nhiên nhưng cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình

kết luận rằng việc mô phỏng sự biến đổi bờ biển trong dài hạn sẽ hợp lý hơn dựa

động lực sông.

trên nền tảng là các mô hình tính sức tải bùn cát dọc bờ tiềm năng (US Army

Để đánh giá biến động của vấn đề xói lở, bồi tụ và dịch chuyển đường bờ,

Engineering Corps, 2008). Các mô hình này có ít các hệ số hơn các mô hình 2D/3D


hệ phương trình Saint-Venant gồm phương trình liên tục và chuyển động, nghiệm là

sinh và nhân sinh gây nên. Trong khi phương pháp nghiên cứu diễn biến đường bờ

mực nước và lưu lượng/vận tốc. Khi có số liệu địa hình của mạng lưới sông nghiên

bằng kỹ thuật viễn thám gặp khó khăn lớn nhất là nguồn cung cấp ảnh viễn thám thì

cứu và số liệu thuỷ văn: mực nước, lưu lượng, mô hình cho phép tính toán mô

phương pháp mô hình toán và mô hình vật lý lại tỏ ra có ưu điểm nổi bật. Các mô

phỏng quá trình thuỷ động lực trong toàn bộ mạng lưới sông. Một khi các kết quả

hình vật lý mô phỏng các đường bờ tuy đòi hỏi kỹ thuật và trang thiết bị hiện đại

tính toán của mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng so với số liệu quan trắc

nhưng có độ tin cậy cao. Phương pháp mô hình toán tuy còn có những bất cập trên

trong thực tế, thường là tại các trạm thuỷ văn, mô hình cho phép dự báo theo các

phạm vi thế giới nhưng lại có triển vọng phát triển và ứng dụng có hiệu quả ở nước

kịch bản khác nhau. Kịch bản là những tình huống có thể xảy ra trong những điều

ta. Khó khăn lớn nhất trong mô hình toán là giải quyết được vấn đề chuyển động

kiện nhất định, giúp cho các nhà quản lý và nhà hoạch định chính sách tiếp cận vấn


32


toán có thế áp dụng cho khu vực phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, đã lựa chọn mô

- Mô đun vận chuyển cát (chỉ áp dụng cho tính toán 2D)

hình MIKE. Các môđun MIKE cho phép mô phỏng và tái hiện bức tranh thủy động

- Mô đun phổ sóng

lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm như số liệu đo đạc.

Mô đun dòng chảy và phổ sóng là hai thành phần cơ bản của mô hình kết

Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán đồng thời của các yếu tố

hợp Mike 21/3 FM. Mô hình này được sử dụng để tính toán tương tác giữa sóng và

trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Đáy – Ninh Bình, bộ mô hình

dòng chảy, kết hợp động lực học mô đun dòng chảy và mô đun sóng. Mô hình cũng

MIKE đã được lựa chọn do đáp ứng được những tiêu chí. Bộ mô hình thuỷ động lực

bao gồm tính toán kết hợp động lực học giữa mô đun vận chuyển bùn, mô đun vận

và vận chuyển bùn cát sử dụng trong nghiên cứu này có tên gọi MIKE của Viện

chuyển cát, mô đun dòng chảy và sóng. Do đó, sự tác động qua lại đầy đủ của


mềm chuyên dụng khác.

2.5.1.1. Giới thiệu chung

Nghiên cứu này sử dụng bộ mô hình MIKE của Viện Nghiên cứu Thủy lực

Bộ mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán thủy lực mạng sông 1 chiều với

Đan Mạch với các môđun MIKE 11 để tính lưu lượng và nồng độ bùn cát từ trong

các tiểu mô đun về tính thủy lực, tiểu mô đun tính dòng chảy từ mưa, tiểu mô đun

sông đổ ra, mô đun MIKE 21 SW để tính sóng, môđun MIKE 21 HD tính toán và

cho tính lan truyền chất và vận chuyển bùn cát.

mô phỏng thủy lực và môđun MIKE 21 ST tính vận chuyển trầm tích.
Các môđun MIKE 21/3 FM Couple cho phép mô phỏng và tái hiện bức tranh
thủy động lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm như số liệu đo
đạc. Mô hình kết hợp MIKE 21/3 FM couple là một hệ thống mô hình động lực đích
thực để áp dụng cho vùng cửa sông, ven biển và trong sông. Mô hình bao gồm các
mô đun sau:

Mô hình MIKE 11 bao gồm những mô đun cơ bản sau:
- Mô đun AD (Hydrodynamic): mô đun thủy động lực
- Mô đun AD/CST (Advection-dispersion/Cohesive Sediment Transpot): mô
đun khuyếch tán/ vận chuyển trầm tích kết dính
- Mô đun NST (Non-cohesive Sediment Transpot): vận chuyển bùn cát
không kết dính

0
t
x
x C AR

chia theo mô đun tổng hợp và thống nhất cho phép lựa chọn và tính toán nhiều hiện
tượng khác nhau liên quan đến hệ thống sông ngòi thông qua việc đưa vào thêm các

(2.3)

trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2); t là thời gian (s); Q là lưu lượng nước

mô đun có sẵn trong bộ mô hình.

(m3/s); x là biến không gian; g là gia tốc trọng trường (m/s2);  là mật độ của nước

2.5.1.2. Mô đun HD
Mô hình MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun, trong đó hạt nhân quan trọng nhất
là mô đun thủy - động – lực (HD module). Chính mô đun HD là cơ sở để xây dựng

(kg/m3); b là độ rộng của lòng dẫn (m) và R là bán kính thủy lực (m).
b) Phương pháp giải

rất nhiều các mô đun khác bao gồm cả dự báo lũ, mô đun lan truyền chất (AD), mô

Hệ phương trình Saint – Venant về nguyên lý là không giải được bằng các

đun chất lượng nước và mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun HD trong MIKE giải

phương pháp giải tích, vì thế trong thực tế tính toán người ta phải giải gần đúng

Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott

phương trình một chiều Saint -Venant:
Phương trình liên tục:
Q A

x t

(2.1)

Q
h
b  0
x
t

(2.2)

Hoặc

Phương trình chuyển động:

Hình 2.4.

Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t

Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông
được tính trong hệ thống các điểm lưới xen kẽ như dưới đây (hình 2.5).

35


Hình 2.6.

Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu

Trong mô hình MIKE 11, điều kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là
điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín. Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên
đó không có trao đổi nước với bên ngoài. Điều kiện biên hở có thể là đường quá
trình của mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là
hằng số.
Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực nghiên
cứu. Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0 còn mực nước lấy bằng mực nước trung

Hình 2.7.

Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng

Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng được thể hiện trong hình 2.7. Tại
một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nước hj và lưu lượng Qj) tại
chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng phương trình tuyến tính
sau:

37

bình.
d) Điều kiện ổn định
Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện
sau: - Địa hình phải đủ tốt để mực nước và lưu lượng được giải một cách thoả đáng.
Giá trị tối đa cho phép đối với x phải được chọn trên cơ sở này.


2.5.2.1. Mô hình tính sóng MIKE 21 SW

chuyển trong một bước thời gian. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ

MIKE 21 SW là mô đun tính phổ sóng gió được tính toán dựa trên lưới phi

đồ 6 điểm Abbott), cho phép số Courant từ 10- 20 nếu dòng chảy dưới phân giới (số

cấu trúc. Mô đun này tính toán sự phát triển, suy giảm và truyền sóng tạo ra bởi gió

Froude nhỏ hơn 1).

và sóng lừng ở ngoài khơi và khu vực ven bờ. Động lực học của sóng trọng lực (the

2.5.1.3. Mô đun AD

dynamics o the gravity wave) được mô phỏng dựa trên phương trình mật độ tác

Bên cạnh mô đun thủy động lực HD nói trên, trong MIKE có thể lựa chọn

động sóng (wave action density). Khi áp dụng tính cho vùng nhỏ thì phương trình

thêm mô đun AD (mô đun khuyếch tán và lan truyền chất) để tính toán và dự báo

cơ bản được sử dụng trong hệ toạ độ Cartesian, còn khi áp dụng cho vùng lớn thì sử

xâm nhập mặn.

dụng hệ toạ độ cầu (spherical polar coordinates). Phổ mật độ tác động sóng thay đổi


Tần số phổ được giới hạn giữa giá trị tần số cực tiểu σ min và tấn số cực cực đại σ max

diện tích mặt cắt ngang; K là hệ số tự phân hủy tuyến tính; C2 là nồng độ của nguồn

Năng lượng mật độ khi đó là: E( , )  E( max ,  )r 2 (

gia nhập/ra khỏi của hệ thống; q là lượng gia nhập khu giữa; x,t là tọa độ theo

MIKE 21 SW bao gồm hai công thức khác nhau:

không gian và thời gian.

 max m
với m = 5.
)


- Công thức tham số tách hướng

Phương trình trên đây phản ánh hai quá trình diễn ra đồng thời:
1. Quá trình vận chuyển bình lưu theo dòng chảy
2. Quá trình khuyếch tán do sự chênh lệch về nồng độ chất hòa tan
Phương trình (2.5) được xây dựng dựa trên cơ sở các giả thiết: chất hòa tan
xáo trộn toàn bộ và xem là có mật độ đồng nhất trên tất cả mọi điểm thuộc mặt cắt

39

- Công thức phổ toàn phần
Công thức tham số tách hướng được dựa trên việc tham số hoá phương trình
bảo toàn hoạt động sóng. Việc tham số hoá được thực hiện theo miền tần số bằng


định ở biên mở.

- Tương tác sóng-sóng là phi tuyến;

2.5.2.2. Mô hình tính thủy lực Mike 21FM HD

mô đun phổ sóng gió ven bờ MIKE 21 NSW. Công thức phổ toàn phần được dựa

- Tiêu tán sóng do sự bạc đầu;

Mô đun dòng chảy được giải bằng phương pháp lưới phần tử hữu hạn. Mô

- Tiêu tán sóng do ma sát đáy;

đun này dựa trên nghiệm số của hệ các phương trình Navier-Stokes trung bình

- Tiêu tán sóng do sóng vỡ;

Reynolds cho chất lỏng không nén được 2 hoặc 3 chiều kết hợp với giả thiết

- Khúc xạ và hiệu ứng nước nông do sự thay đổi độ sâu;

Boussinesq và giả thiết áp suất thuỷ tĩnh. Do đó, mô đun bao gồm các phương trình:

- Tương tác sóng- dòng chảy;

phương trình liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ muối và mật độ và chúng được khép

- Ảnh hưởng của thay đổi độ sâu theo thời gian.


(1999)).

giác với các phần tử trên mặt có dạng tam giác hoặc tứ giác.

Phương trình cho tác động sóng được viết như sau:

Phương trình cơ bản
(2.6)


trong đó N(σ,θ)là mật độ hoạt động; t là thời gian; x =(x,y)là toạ độ Đề các đối với

hệ toạ độ Đề các và x =(  ,λ) là toạ độ cầu trong toạ độ cầu với  là vĩ độ và λ là

kinh độ; v  (cx , c y , c , c ) là vận tốc truyền nhóm sóng trong không gian bốn chiều

41

Phương trình liên tục
(2.7)
Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng

42