Tải bản đầy đủ

nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp ổn định cửa đà rằng, tỉnh phú yên



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI


Phạm Thu Hương





NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT
GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH CỬA ĐÀ RẰNG, TỈNH PHÚ YÊN







LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT





Hà Nội, 2012



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI


Phạm Thu Hương





NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT
GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH CỬA ĐÀ RẰNG, TỈNH PHÚ YÊN

Chuyên ngành: Chỉnh trị sông và bờ biển
Mã số: 62 44 94 01



LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Bá Quỳ
PGS.TS. Lê Đình Thành




Hà Nội, 2012





LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Thu Hương. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công
bố trong bất kỳ công trình khoa học nào.

TÁC GIẢ


Phạm Thu Hương



LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Thủy
văn và Tài nguyên nước, Khoa Kỹ thuật Biển, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành
Luận án.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới hai thầy
giáo hướng dẫn PGS. TS. Nguyễn Bá Quỳ và PGS. TS. Lê Đình Thành đã tận tình
giúp đỡ tác giả từ những bước đi đầu tiên xây dựng ý tưởng nghiên cứu, cũng như
trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Hai thầy đã luôn ủng hộ, động
viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Ngô Trí Viềng, PGS.TS.
Bùi Xuân Thông, GS.TS. Vũ Thanh Ca, PGS.TS. Nguyễn Văn Lai, GS.TS. Đỗ Tất
Túc, PGS.TS. Vũ Minh Cát là những thành viên hội đồng cơ sở, đã đóng góp rất nhiều
ý kiến thiết thực để tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành
tới các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp của Khoa Thủy văn và tài nguyên nước,
Khoa Kỹ thuật Biển, Bộ môn Kỹ thuật sông và Quản lý thiên tai đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, với tình yêu từ đáy lòng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bố, mẹ, các em
và hai con trai của tác giả, những người thân yêu trong gia đình đã luôn ở bên cạnh tác
giả, động viên tác giả về vật chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành luận án
của mình.

TÁC GIẢ


Phạm Thu Hương
iii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2. 2: Quá trình lũ từ tháng VIII đến tháng I hàng năm tại trạm Củng Sơn 46

Hình 2. 1: Ảnh chụp RADA ngập lụt hạ lưu sông Ba ngày 5/11/2009 46

Hình 2. 3: Lưu lượng lớn nhất tại trạm Củng Sơn qua các năm 50

Hình 2. 4: Hoa sóng tính từ số liệu gió đo tại trạm Tuy Hòa 56

Hình 2. 5. Bản đồ khu vực cửa Đà Rằng, sông Ba (nguồn: Google map 2009) 57

Hình 2. 6. Xói lở bờ Bắc cửa Đà Rằng (2007) 58

Hình 2. 7: Bồi lấp cửa Đà Rằng (7/2007) 58

Hình 2. 8: Phân vùng khu vực cửa Đà Rằng 59

Hình 2. 9a: Độ sâu khu vực cửa Đà Rằng tháng 10/2007 60
Hình 2.10a: Biến động địa hình đáy khu vực cửa Đà Rằng (10/2007 - 07/2008) 62

Hình 2.11b: Vị trí các hồ thủy điện đã có trên lưu vực sông Ba 67

Hình 2. 12: Kè bờ bắc và cầu Hùng Vương thượng lưu cửa Đà Rằng 70

Hình 2. 13: Đầm nuôi tôm sát ngay cửa Đà Rằng 70

Hình 2. 14: Phần trăm độ che phủ của các đối tượng 71
Hình 3. 1. Các module mô hình MIKE21/3 FM COUPLED 77

Hình 3. 2. Mạng lưới thuỷ lực MIKE 11 sông Đà Rằng 78

Hình 3. 3. Đường quá trình mực nước lũ XI/1988 (tính toán và thực đo) tại trạm Củng Sơn. 80

Hình 3. 4. Đường quá trình mực nước lũ XI/1988 (tính toán và thực đo) tại trạm Phú Lâm 80

Hình 3. 5. Đường quá trình mực nước lũ X/1993 (tính toán và thực đo) tại trạm Củng Sơn 80

Hình 3. 6. Đường quá trình mực nước lũ X/1993 (tính toán và thực đo) tại trạm Phú Lâm 81

Hình 3. 7. Đường quá trình mực nước lũ IX/2005 (tính toán và thực đo) tại trạm Củng Sơn. 81

Hình 3. 8. Đường quá trình mực nước lũ IX/2005 (tính toán và thực đo) tại trạm Phú Lâm 81

Hình 3. 9. Đường quá trình mực nước lũ XI/2008 (tính toán và thực đo) tại trạm Củng Sơn. 82

Hình 3. 10. Đường quá trình mực nước lũ XI/2008 (tính toán và thực đo) tại trạm Phú Lâm 82

Hình 3. 11. Địa hình khu vực nghiên cứu 84

Hình 3. 12. Vị trí trích biên trong sông từ mô hình thuỷ lực MIKE11 84

Hình 3. 13. Lưới tính cho khu vực nghiên cứu 85

Hình 3. 14. Địa hình khu vực nghiên cứu 85

Hình 3. 15. Kết quả tính trường gió biển Đông 86

Hình 3. 16. So sánh mực nước tính toán và mực nước thực đo tháng 6/2008 87

Hình 3. 17. So sánh mực nước tính toán và mực nước thực đo tháng 11/ 2008 87

Hình 3. 18. Bão MAYSAK (6h ngày 7/11-12h ngày 9/11/2008) 88
Hình 3. 19. Bão NOUL (12h ngày 16/11-12h ngày 17/11/2008) 88

Hình 3. 20. Kết quả trường sóng biển Đông 89

Hình 3. 21. Trường sóng tính toán theo bộ lưới MeshI – mùa khô (tháng 6) 89

Hình 3. 22. Trường sóng tính toán theo bộ lưới MeshI – mùa mưa (tháng 11) 90

Hình 3. 23. Kết quả trường sóng tại cửa Đà Rằng – mùa khô (tháng 6) 90

Hình 3. 24. Kết quả trường sóng tại cửa Đà Rằng – mùa mưa (tháng 11) 91

Hình 3. 25. Trường dòng chảy vào mùa khô tại cửa Đà Rằng (triều lên) 91

Hình 3. 26. Trường dòng chảy vào mùa khô tại cửa Đà Rằng (triều xuống) 92

iv


Hình 3. 27. Dòng chảy tại luồng giữa cửa sông Đà Rằng vào mùa khô 92

Hình 3. 28. Trường dòng chảy vào mùa mưa tại cửa Đà Rằng (triều lên) 93

Hình 3. 29. Trường dòng chảy vào mùa mưa tại cửa Đà Rằng (triều xuống) 93

Hình 3.30. Dòng chảy tại luồng giữa cửa sông Đà Rằng vào mùa lũ (11/2008) 94

Hình 3.31. Sơ đồ mặt cắt khu vực nghiên cứu 95

Hình 3.32. Biến đổi địa hình đáy khu vực cửa Đà Rằng (mùa khô) 95

Hình 3.33. Biến đổi địa hình đáy khu vực cửa Đà Rằng (mùa mưa) 96

Hình 3. 34. Biến đổi địa hình đáy cửa Đà Rằng tháng 6 năm 2008 97

Hình 3. 35. Biến đổi địa hình đáy cửa Đà Rằng tháng 11 năm 2008 98

Hình 3. 36. Sơ đồ phân vùng tính toán bồi xói 100

Hình 3. 37. Trường sóng trong bão MAYSAK tại biển Đông (11h 8/11/2008) 101
Hình 3. 38. Trường sóng trong bão NOUL tại biển Đông (18h 16/11/2008) 102

Hình 3. 39. Trường sóng bão MaySak (ngày 8/11/2008) 102

Hình 3. 40. Trường sóng bão Noul (ngày 16/11/2008) 102

Hình 3. 41. Biến đổi địa hình đáy khi có bão MaySak 103

Hình 3. 42. Biến đổi địa hình đáy khi có bão Noul 103
Hình 4. 1. Trường dòng chảy và biến động địa hình đáy PA1 110

Hình 4. 2. Trường dòng chảy và biến động địa hình đáy PA2 111

Hình 4. 3. Trường dòng chảy và biến động địa hình đáy PA3 111

Hình 4. 4. So sánh lưu lượng tại cửa sông của 3 phương án 1,2 và 3 111

Hình 4. 5. Biến động địa hình đáy ngoài cửa sông (MC3) của phương án 1,2 và 3 112

Hình 4. 6. Biến động địa hình đáy tại cửa sông (MC6) của phương án 1,2 và 3 112

Hình 4. 7. Trường dòng chảy và biến động địa hình đáy PA4 114

Hình 4. 8. Trường dòng chảy và biến động địa hình đáy PA5 114

Hình 4. 9. Trường dòng chảy và biến động địa hình đáy PA6 114

Hình 4. 10. Biến động địa hình đáy ngoài cửa sông (MC3) của phương án 2,4,5,6 115

Hình 4. 11. Biến động địa hình đáy tại cửa sông (MC6) của phương án 2,4,5,6 115

Hình 4. 12. So sánh biến động địa hình đáy mặt cắt ngoài cửa sông khi có bão 116

Hình 4. 13. So sánh biến động địa hình đáy mặt cắt ngang cửa sông khi có bão 116


v



DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. 1. Bảng đánh giá trạng thái ổn định cửa sông 9
Bảng 2. 1: Tần suất (%) và hướng gió thịnh hành khu vực Phú Yên 42

Bảng 2. 2: Khả năng xuất hiện lũ lớn nhất năm tại một số trạm (%) 44

Bảng 2. 3: Mực nước lớn nhất trạm Phú Lâm (mm) 47

Bảng 2. 4: Số cơn bão và ATNĐ đổ bộ vào Nam vĩ tuyến 17°N và tỉnh Phú Yên 48

Bảng 2. 5: Đặc trưng thời tiết khi có bão tại Tuy Hòa (Phú Yên) 48

Bảng 2. 6. Phân phối dòng chảy bình quân nhiều năm tuyến Củng Sơn (1977-2009) 50

Bảng 2. 7. Độ đục trung bình nhiều năm tuyến Củng Sơn, sông Ba 51

Bảng 2. 8. Độ đục và lưu lượng bùn cát lơ lửng của sông Ba 52

Bảng 2. 9. Trung bình số ngày nhật triều của các tháng ít ảnh hưởng lũ trạm thủy văn Phú
Lâm 53

Bảng 2. 10: Thời gian triều dâng và thời gian triều xuống (giờ, phút) 53

Bảng 2. 11. Đặc trưng mực nước triều trạm Phú Lâm (cm) 54

Bảng 2. 12: Bình quân biên độ triều lớn nhất (cm) ứng với các tần suất khác nhau 54

Bảng 2. 13: Độ cao sóng bình quân (m) theo các tháng và mùa trong năm tại trạm Tuy Hòa,
Phú Yên 55

Bảng 2.14: Lượng bồi - xói khu vực cửa sông Đà Rằng (10/2007 - 07/2008) 61

Bảng 2. 15: Lượng bồi - xói khu vực cửa sông Đà Rằng (07/2008 - 05/2009) 62

Bảng 2. 16: Các công trình thuỷ điện trên dòng chính và nhánh lớn lưu vực sông Ba 68

Bảng 2. 17: Lượng bùn cát đến hồ Sông Ba Hạ khi có hồ An Khê, Krong Hnăng và Iayun 68

Bảng 2. 18: Phần trăm biến động giữa các đối tượng giai đoạn 1992-2000 71

Bảng 2. 19. Đánh giá mức độ ảnh hưởng các yếu tố đến diễn biến cửa Đà Rằng 73
Bảng 3. 1. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại Phú Lâm 79
Bảng 3. 2. Các thông số mô hình MIKE21/FM Couple 83

Bảng 3. 3. Tổng lượng bùn cát vận chuyển trong tháng 6 và tháng 11 năm 2008 99
Bảng 4. 1. Các phương án đập ngăn bùn cát 110

Bảng 4. 2. Tổng lượng bùn cát theo các PA1 và PA2 113

vi


KÝ HIỆU VIẾT TẮT

ADCP Máy đo lưu tốc, lưu lượng (Acoustic Doppler Current Profiler)
ATNĐ Áp thấp nhiệt đới
E Hướng đông (East)
DGPS Máy định vị vệ tinh (Differential Global Positioning System)
MC Mặt cắt
N Hướng Bắc (North)
NE Hướng Đông Bắc (North East)
NW Hướng Tây Bắc (North West)
PA Phương án
S Hướng Nam (South)
SE Hướng Đông Nam (South East)
SW Hướng Tây Nam (South West)
W Hướng Tây (West)



MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi

MỤC LỤC vii

MỞ ĐẦU 1

0.1.

Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu luận án 1

0.2.

Mục tiêu của luận án 3

0.3.

Phạm vi nghiên cứu 4

0.4.

Cấu trúc của luận án 4

0.5.

Những đóng góp mới của luận án 5

Chương 1. Tổng quan về nghiên cứu diễn biến cửa sông 6

1.1.

Các nghiên cứu về diễn biến cửa sông trên thế giới 6

1.1.1. Các hướng nghiên cứu về cửa sông 6
1.1.2. Các phương pháp nghiên cứu diễn biến cửa sông 9
1.1.3. Các giải pháp nhằm ổn định cửa sông 23
1.2.

Các nghiên cứu và giải pháp công trình đã áp dụng ở Việt Nam và miền Trung 29

1.2.1. Phân loại cửa sông miền Trung 30
1.2.2. Các nghiên cứu về cửa sông Việt Nam và miền Trung 31
1.2.3. Các giải pháp công trình đã áp dụng ở miền Trung 35
1.3.

Các kết quả nghiên cứu liên quan đến cửa Đà Rằng (cửa sông Ba) 38

1.4.

Kết luận chương 1 40

Chương 2. Phân tích các yếu tố động lực chính ảnh hưởng đến diễn biến cửa Đà Rằng 41

2.1.

Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Ba và cửa Đà Rằng 41

2.1.1. Vị trí địa lý 41
2.1.2. Đặc điểm địa hình 41
2.1.3. Đặc điểm khí hậu 42
2.1.3.1. Gió 42
2.1.3.2. Mưa 43
2.1.3.3. Bão và áp thấp nhiệt đới 48
2.1.4. Đặc điểm thủy văn 49
2.1.4.1. Dòng chảy 49
viii


2.1.4.2. Bùn cát sông Ba 51
2.1.5. Đặc điểm hải văn 53
2.1.5.1. Thủy triều 53
2.1.5.2. Gió và sóng biển 55
2.2.

Đánh giá hiện trạng diễn biến cửa Đà Rằng 57

2.3.

Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến cửa Đà Rằng 63

2.3.1. Tương tác giữa các yếu tố động lực sông - biển 63
2.3.2. Các hoạt động của con người trên lưu vực sông Ba 64
2.3.2.1. Các hoạt động mang tính quản lý vùng cửa sông ven biển 64
2.3.2.2. Các công trình thủy lợi trên lưu vực sông Ba 65
2.3.2.3. Các hoạt động phát triển kinh tế xã hội khác 69
2.4.

Đánh giá tổng hợp các yếu tố động lực chính ảnh hưởng đến diễn biến cửa Đà Rằng 72

2.5.

Kết luận chương 2 74

Chương 3. Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định quy luật diễn biến cửa Đà Rằng 75

3.1.

Bài toán nghiên cứu diễn biến cửa Đà Rằng 75

3.2.

Mô hình toán ứng dụng cho cửa Đà Rằng 75

3.2.1. Lựa chọn mô hình 75
3.2.2. Giới thiệu các module toán mô hình MIKE21/3 FM COUPLE 77
3.3.

Ứng dụng mô hình MIKE nghiên cứu diễn biến vùng cửa sông Đà Rằng 78

3.3.1. Úng dụng mô hình MIKE11 tính toán thủy lực dòng chảy sông 78
3.3.1.1. Các số liệu đầu vào 78
3.3.1.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE11 79
3.3.2. Ứng dụng mô hình MIKE 21/3FM COUPLED cho cửa Đà Rằng 82
3.3.2.1. Thiết lập mô hình cho vùng cửa sông Đà Rằng 82
3.3.2.3. Các trường hợp tính toán 87
3.3.2.4. Kết quả tính toán trong điều kiện thường 88
3.3.2.5. Kết quả tính toán trong điều kiện bão 101
3.3.2.6. Phân tích, đánh giá kết quả tính toán 103
3.4.

Kết luận chương 3 106

Chương 4. Định hướng và đề xuất giải pháp ổn định cửa Đà Rằng 107

4.1.

Đề xuất các giải pháp phi công trình ổn định cửa sông 107

4.2.

Các giải pháp công trình ổn định cửa Đà Rằng 108

4.2.1. Đề xuất các giải pháp chỉnh trị 108
4.2.2. Kết quả tính toán cho các giải pháp công trình ổn định cửa Đà Rằng 110
4.2.2.1. Trong điều kiện thường 110
4.2.2.2. Trong điều kiện bão 116
4.2.3. Phân tích kết quả và lựa chọn giải pháp chỉnh trị cửa Đà Rằng 117
ix


4.2.3.1. Phân tích kết quả tính toán 117
4.2.3.2. Lựa chọn giải pháp chỉnh trị cửa Đà Rằng 118
4.3.

Giải pháp tổng thể chỉnh trị cửa Đà Rằng 118

4.4.

Kết luận chương 4 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120

Kết luận 120

Những điểm mới của luận án 121

Kiến nghị 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

Các ấn phẩm trong nước 123

Các ấn phẩm ngoài nước 125

CÁC BÀI BÁO ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH 127



MỞ ĐẦU
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, có đường bờ biển khoảng 3260
km (chưa kể bờ các đảo) của 29 tỉnh và thành phố, có mật độ lưới sông vào loại lớn
trên thế giới, với mức trung bình 1 km/km
2
, và cứ 20 km bờ biển có một cửa sông.
Diện tích vùng ven biển của Việt Nam là 136.700 km
2
(chiếm 41% diện tích cả
nước), với dân số tính đến năm 2010 là khoảng 42 triệu người (chiếm 48% cả nước).
Các ngành kinh tế biển và ven biển như khai thác dầu khí, khoáng sản biển, đánh
bắt và nuôi trồng thủy sản, vận tải đường thủy, du lịch,… có vai trò rất quan trọng
và chiếm tỷ lệ đáng kể trong nền kinh tế của Việt Nam. Hàng năm kinh tế vùng ven
biển đóng góp khoảng 30% GDP và 50% tổng thu nhập xuất khẩu của cả nước
(VNICZM Project, 2005)[34].
Dải ven biển nước ta rất phong phú về tài nguyên, là nơi tập trung dân cư đông
đúc nhất so với các vùng khác và cũng là nơi có nhiều công trình dân sinh kinh tế,
quốc phòng quan trọng. Tuy nhiên, cũng là vùng hứng chịu nhiều thiên tai như bão,
nước dâng, sạt lở và bồi tụ. Bồi tụ bờ biển, cửa sông ở nước ta đã tạo nên các bãi
bồi quý giá cho nhiều vùng, nhưng nhiều nơi lại gây ra những hậu quả nghiêm trọng
như bồi lấp luồng tàu, bến cảng. Hiện nay nhiều cửa sông ở vùng đồng bằng Bắc Bộ
đã không thể là nơi trú ẩn cho tàu thuyền khi có bão. Các cửa sông ven biển miền
Trung phần lớn không ổn định, thường xuyên bị phá và xói lở (mở ra) vào mùa mưa,
nhưng mùa khô lại bị bồi lấp (đóng lại), và có xu hướng dịch chuyển theo chu kỳ
như cửa Thuận An, cửa Tư Hiền, cửa Lở, cửa Đà Nông,… Hậu quả nghiêm trọng
nhất của bồi lấp cửa sông là làm giảm khả năng thoát lũ, gây ngập lụt trên diện rộng,
làm ngọt hóa các đầm phá, gây ách tắc tầu thuyền của ngư dân ra vào cửa sông. Còn
xói lở gây nhiều thiệt hại đến các công trình như bến cảng, đê kè và nơi ở của người
dân. Có thể nói đây là dạng thiên tai có diễn biến hết sức phức tạp, gây thiệt hại rất
lớn và để lại hậu quả lâu dài về kinh tế, xã hội và môi trường.
0.1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu luận án
Cửa sông đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc thông thương với thế giới
bên ngoài. Từ xa xưa, cửa sông đã đóng vai trò quan trọng đối với đời sống của con
2


người. Nhiều cửa sông lớn đã trở thành những cái nôi của nền văn minh cổ đại.
Chính vì có vai trò quan trọng như vậy mà từ lâu cửa sông đã là đối tượng nghiên
cứu, khai thác phục vụ đời sống của con người.
Cửa sông là một vùng địa lý tự nhiên phức tạp, chịu tác động tổng hợp của các
yếu tố động lực sông và các yếu tố động lực biển. Hơn nữa, vùng cửa sông diễn ra
rất nhiều hoạt động như bến cảng, luồng tàu, các công trình bảo vệ bờ, nuôi trồng
thủy sản,… Những hoạt động này cũng tác động rất đáng kể đến quá trình bồi lấp
và xói lở vùng cửa sông. Tổ hợp điều kiện tự nhiên và các hoạt động của con người
tạo nên sự diễn biến phức tạp của vùng cửa sông. Chính vì vậy, chỉnh trị cửa sông
đã có những thành công như làm cho độ sâu luồng lạch qua cửa sông tăng lên đáng
kể, nhưng cũng có không ít những trường hợp chỉ nhận được bài học từ thất bại.
Nghiên cứu chỉnh trị một cửa sông lớn, có khi kéo dài đến hàng trăm năm hoặc hơn
nữa và không bao giờ được coi là kết thúc.
Cửa sông miền Trung có đặc điểm xói lở vào mùa mưa lũ, bồi lấp vào mùa khô,
do vậy giải pháp chủ yếu là chống xói lở và ngăn chặn bồi lấp. Các nguyên nhân bồi
lấp, xói lở rất phức tạp nhưng chủ yếu là do các điều kiện khí tượng, thủy hải văn và
động lực sông biển là chính. Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu và các công trình
thực tế về các giải pháp để bảo vệ và ổn định các cửa sông miền Trung và đã thu
được những kết quả có giá trị về khoa học và thực tiễn, góp phần đáng kể vào việc
chỉnh trị cửa sông, bờ biển, giảm nhẹ thiên tai.
Đà Rằng là một cửa sông quan trọng của tỉnh Phú Yên. Cửa sông được dùng làm
bến cảng cá và nơi neo đậu của gần 900 tàu khai thác hải sản xa bờ và câu cá ngừ
đại dương thuộc phường 6 và phường Phú Lâm, thành phố Tuy Hoà và là trung tâm
mua bán cá ngừ đại dương lớn nhất duyên hải miền Trung. Từ cuối mùa mưa năm
2006 đến nay, do nhiều năm liền không có lũ lớn nên cửa sông Đà Rằng liên tục bị
cát bồi lấp nghiêm trọng, gây khó khăn cho tàu thuyền ra vào cửa. Trong những
ngày biển động, sóng lớn đã làm cho cửa sông tiếp tục bị cát bồi lấp nghiêm trọng
khiến cho hàng trăm tàu thuyền không thể xuất bến đi khai thác hải sản hoặc khi trở
về bị mắc cạn ở phía ngoài cửa sông, không thể vào cảng. Tình trạng bồi lấp cửa
biển làm cho lòng dẫn bị thu hẹp, dòng chảy từ thượng nguồn đổ về với cường suất
3


lớn, tốc độ mạnh, khiến nhiều tàu đánh cá bị trượt neo trôi tự do ra biển. Sóng lớn
làm các tàu va đập mạnh, đã có tàu bị vỡ và chìm (tháng 3/2008) gây thiệt hại hàng
trăm triệu đồng.
Để đối phó với thực trạng bồi lấp cửa sông Đà Rằng, hàng năm cần đến khoảng
600 triệu đồng để hút cát, nạo vét thông cửa sông tuy nhiên khi biển động, sóng lớn,
doi cát bồi lấp cửa cách bờ biển hơn 100 mét không cho phép tiến hành nạo vét
ngay được, dẫn đến thiệt hại lớn về kinh tế cho ngư dân. Ngoài ra, do cát bồi lấp
phía đông cản trở dòng chảy, làm cho nước từ thượng nguồn đổ về gây xói lở
nghiêm trọng phía bờ Bắc. Nước xói sâu dần vào chân nền đất làm sạt lở bờ sông
từng đoạn lớn uy hiếp đến các hồ nuôi tôm. Chiều dài cửa biển bị xói lở dài trên
400 mét, sâu vào đất liền 80 mét, cao đến 3 mét. Năm 2007, nhân dân đã phải dùng
những bao cát đắp thành những mỏ hàn, nắn dòng nước sang phía bờ Nam. Đã có
8000 bao cát và hàng trăm công lao động được bà con vận động tạo các mỏ hàn tạm
thời. Vì vậy, việc nghiên cứu về giải pháp hoàn chỉnh đảm bảo thoát lũ vào mùa
mưa và khơi thông luồng chống bồi lấp vào mùa khô để chỉnh trị cửa sông và bờ
biển cửa Đà Rằng là vấn đề rất cần thiết.
Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp ổn định
cửa sông Đà Rằng, tỉnh Phú Yên” được chọn làm nội dung của luận án Tiến sĩ kỹ
thuật nhằm nghiên cứu diễn biến dòng chảy khu vực cửa sông và định hướng đề
xuất các giải pháp ổn định cho cửa Đà Rằng, tỉnh Phú Yên.
0.2. Mục tiêu của luận án
1. Làm sáng tỏ các yếu tố động lực ảnh hưởng đến diễn biến và quy luật phát
triển vùng cửa sông Đà Rằng, tỉnh Phú Yên.
2. Xác định các quy luật liên quan đến diễn biến và phát triển vùng cửa sông qua
phương pháp mô hình toán để mô phỏng các quá trình này.
3. Từ kết quả nghiên cứu diễn biến cửa sông, xác lập các cơ sở khoa học để định
hướng các giải pháp chỉnh trị (công trình ngăn cát giảm sóng, hướng dòng,
ngăn triều, ngăn mặn, nạo vét lòng sông…) nhằm đề xuất giải pháp chỉnh trị
ổn định cho cửa Đà Rằng, tỉnh Phú Yên.
4


0.3. Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung chủ yếu vào các nội dung nghiên cứu về các nhân tố ảnh
hưởng, quy luật chuyển tải bùn cát, diễn biến cửa sông và tổng hợp những cơ sở
khoa học, thực tiễn cũng như đề xuất các định hướng giải pháp cho sự ổn định cho
cửa Đà Rằng (cửa sông Ba thuộc tỉnh Phú Yên).
Cửa Đà Rằng có đặc điểm dòng chảy thay đổi theo mùa trong năm nên từ nguồn
số liệu đo đạc khảo sát của đề tài nhà nước KC08.07/06-10, kết hợp với những tài
liệu thu thập từ nhiều năm trước, luận án tập trung nghiên cứu sự biến đổi hình thái
đường bờ và khu vực cửa sông trong giai đoạn từ 2007 đến 2009 vào mùa mưa và
mùa khô, trong điều kiện bình thường và đặc biệt khi có bão.
0.4. Cấu trúc của luận án
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu để đạt mục tiêu đề ra và đảm bảo tính logic
và chỉnh thể của vấn đề nghiên cứu, ngoài phần mở đầu và phần kết luận và kiến
nghị, luận án được cấu trúc gồm các chương sau đây:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu diễn biến cửa sông. Trong chương này đề cập
đến những khái niệm cơ bản, tình hình nghiên cứu cửa sông trên thế giới, ở Việt
Nam và tại vùng ven biển miền Trung và cửa Đà Rằng.
Chương 2: Phân tích các yếu tố động lực chính ảnh hưởng đến diễn biến cửa Đà
Rằng. Các yếu tố động lực sông và biển là những yếu tố chính ảnh hưởng đến diễn
biến cửa Đà Rằng, bao gồm: thủy triều, sóng, dòng chảy sông và vận chuyển bùn
cát. Trong chương này, luận án tập trung phân tích các yếu tố chính và mức độ ảnh
hưởng của các yếu tố này đến diễn biến khu vực cửa sông và đường bờ.
Chương 3: Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định quy luật diễn biến cửa Đà Rằng.
Trong chương này, luận án phân tích, lựa chọn mô hình toán để ứng dụng phù hợp
cho vùng cửa sông theo các điều kiện thông tin, số liệu sẵn có cho mô hình. Mô
hình thủy động lực MIKE 21 FM được chọn và ứng dụng để nghiên cứu các quy
luật động lực liên quan đến diễn biến cửa Đà Rằng, trong đó có vấn đề chuyển tải
bùn cát giữa sông – biển và dọc bờ, vấn đề thoát lũ,…
5


Chương 4: Định hướng và đề xuất giải pháp ổn định cửa Đà Rằng. Những cơ sở
khoa học và thực tiễn được tổng hợp từ những nghiên cứu ở các chương 2 và
chương 3. Từ đó ứng dụng mô hình toán và các phân tích đánh giá tổng hợp để đưa
ra những giải pháp phù hợp cho việc ổn định cửa Đà Rằng đảm bảo cho thoát lũ,
hạn chế bồi lấp cửa sông phục vụ giao thông thủy vùng cửa sông.
0.5. Những đóng góp mới của luận án
Những kết quả nghiên cứu mới trong luận án này thể hiện qua những đóng góp
chính sau:
1. Xác định và phân tích một cách tổng hợp và hệ thống các yếu tố động lực
chính có tác động thay đổi hình thái khu vực cửa Đà Rằng. Kết quả tính toán cho
thấy cửa Đà Rằng chịu ảnh hưởng của thuỷ triều, dòng chảy lũ và sóng, là những
nguyên nhân gây ra ngập lụt khu vực cửa sông vào mùa mưa và hiện tượng bồi lấp
phía trong cửa do dòng triều và dòng ven bờ vào mùa khô.
2. Ứng dụng mô hình MIKE 21 FM COUPLE để nghiên thành công việc xác
định quy luật phát triển cửa Đà Rằng. Các kết quả tính toán nghiên cứu diễn biến
vùng cửa Đà Rằng đã đưa ra được bức tranh đầy đủ về quá trình diễn biến khu vực
cửa Đà Rằng theo không gian và thời gian, kể cả các tác động biển khi có trận bão
lớn đổ bộ vào khu vực nghiên cứu. Trong quá trình mô phỏng các quá trình bằng
mô hình MIKE, tác giả đã nghiên cứu sự kết hợp tác động đồng thời của các yếu tố:
dòng chảy sông, sóng, dòng chảy ven bờ, bão cho từng thời điểm trong năm. Đây là
quá trình tính toán rất phức tạp đòi hỏi độ chính xác của số liệu các biên đầu vào, sự
tích hợp một số chương trình tính toán để đưa ra kết quả hợp lý, phù hợp với hiện
tượng và kết quả đo đạc thực tế.
3. Luận án đã định hướng đề xuất giải pháp chỉnh trị nhằm ổn định cửa Đà Rằng
là hệ thống đập chắn bùn cát đối xứng hai bên cửa sông với chiều dài bằng 0,7 lần
khoảng cách từ cửa sông đến biên sóng vỡ và kiến nghị giải pháp chỉnh trị tổng thể
cho cửa Đà Rằng, đặc biệt là vấn đề thoát lũ trong mùa khô.


Chương 1. Tổng quan về nghiên cứu diễn biến cửa sông
1.1. Các nghiên cứu về diễn biến cửa sông trên thế giới
1.1.1. Các hướng nghiên cứu về cửa sông
Nghiên cứu về cửa sông và bờ biển đã có lịch sử từ hơn 3000 năm trước Công
nguyên thông qua việc xây dựng các công trình cảng phục vụ giao thương. Lịch sử
phát triển của ngành hàng hải với các phát triển của các đội tàu buôn bán, các cảng
biển đã gắn liền với sự phát triển của nền văn minh nhân loại, phục vụ cho việc mua
bán, trao đổi của cải, xâm chiếm lẫn nhau của các đế quốc lớn. Chính sự phát triển
của các đội tàu đã đặt ra yêu cầu cần có các hải cảng ngày càng lớn với các tuyến
luồng vào ra an toàn. Nhiều dấu vết của các công trình cảng cổ xưa vẫn còn tồn tại
đến ngày nay hoặc được miêu tả trong sử sách. Như vậy có thể nói nghiên cứu xây
dựng công trình biển trong quá khứ chủ yếu tập trung vào việc xây dựng các cảng
biển, chỉ có một số rất ít là các công trình liên quan tới công trình bảo vệ cửa sông
và bờ biển.
Có thể nói Địa Trung Hải là cái nôi của các cảng biển từ thời cổ xưa với những
công trình nổi tiếng như cảng Alexandria của đế chế La Mã, cảng và đê chắn sóng
xây dựng tại cửa sông Nile vào khoảng 2500 năm trước Công nguyên. Người La
Mã cũng đã tiến hành nạo vét luồng vào ra các cảng và tận dụng trường sóng phản
xạ để hạn chế hiện tượng sa bồi các luồng lạch.
Sự ra đời của những loại tầu biển có trọng tải lớn, yêu cầu mớn nước lớn hơn đã
gặp phải trở ngại là các dải cát ngầm chắn ở cửa sông và sự không ổn định trên mặt
bằng của tuyến lạch sâu đi qua cửa sông. Trở ngại đó buộc con người phải tìm cách
chỉnh trị cửa sông, những nghiên cứu về cửa sông và chỉnh trị cửa sông bằng công
trình hoặc kết hợp nạo vét với công trình chỉnh trị mới xuất hiện vào đầu thế kỷ XX.
Những nghiên cứu ban đầu này chủ yếu là xây dựng cơ sở lý thuyết cơ bản, phương
pháp luận và khái quát hóa các quy luật diễn biến cửa sông dựa trên những số liệu
đo đạc các đặc trưng cơ bản về dòng chảy và hình dạng cửa.
Các cửa sông và cửa lạch triều (tidal inlet) trên thế giới khi đạt tới trạng thái cân
bằng ổn định về mặt hình thái đều tuân theo một quy luật về tương quan giữa diện
7


tích mặt cắt ngang của cửa (gọi tắt là diện tích chảy) với các đặc trưng của dòng
chảy qua cửa. Có thể kể ra 3 hướng nghiên cứu tiêu biểu về cân bằng ổn định của
các cửa sông của LeConte (1905)[44], của Escoffier (1940)[40] và của Bruun và
Gerritsen (1960)[36].
Người đầu tiên nghiên cứu về tương quan cân bằng ổn định giữa diện tích mặt
cắt ngang của cửa với các đặc trưng của dòng chảy đi qua cửa này là LeConte
(1905). Trong nghiên cứu của mình, LeConte đã tìm ra tương quan kinh nghiệm
giữa diện tích mặt cắt ngang cửa với thể tích lăng trụ triều dựa trên những số liệu
quan trắc, đo đạc ở một số cửa lạch triều và cửa vào các cảng ở bờ biển Thái Bình
Dương, thuộc Mỹ. Nối tiếp những nghiên cứu tiên phong của LeConte (1905) là các
nghiên cứu của O'Brien (1931), O'Brien (1969) và Jarrett (1976)[43] đều tập trung ở
các cửa lạch triều và cửa sông ở bờ biển nước Mỹ với số lượng các cửa được sử
dụng trong nghiên cứu ngày càng tăng. Nghiên cứu của Jarrett (1976) có lẽ là đầy
đủ và tổng hợp nhất với 108 cửa sông, cửa lạch triều nằm ở 3 vùng bờ biển của Mỹ
là: Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Vùng Vịnh Mexico, cho cả cửa sông tự
nhiên và cửa sông đã xây dựng công trình chỉnh trị.
Động lực dòng chảy và vận chuyển bùn cát ở lân cận các cửa sông thường rất
phức tạp. Có thể coi đây là một trong những hệ thống động lực và vận chuyển bùn
cát phức tạp nhất trong môi trường biển khi lượng hóa. Tại các cửa sông, bùn cát bị
dịch chuyển dưới tác dụng kết hợp của cả sóng và dòng chảy trên bề mặt địa hình
thường xuyên bị biến đổi và có sự dao động mực nước một cách có chu kỳ.
Trước đây đã có nhiều nghiên cứu được công bố có liên quan tới trường vận
chuyển bùn cát tại các cửa sông, lạch triều (như của Oertel, 1972; Hubbard, 1975;
và Sha, 1990). Hầu hết các nghiên cứu trên đều thể hiện mối quan hệ giữa các trạng
thái thủy lực với vận chuyển bùn cát. Trường vận chuyển bùn cát tổng quát tại các
lạch triều và khu vực lân cận có thể tham khảo tại Steijn (1991).
Một trong những trường vận chuyển bùn cát quan trọng nhất tại các lạch triều và
các vùng biển lân cận, có liên quan chặt chẽ tới hiện tượng bồi lấp các lạch triều là
hiện tượng chuyển cát qua cửa sông (by passing). Đây là một quá trình mà trong đó
bùn cát bị dịch chuyển từ phía thượng lưu theo hướng của dòng chảy dọc bờ, về
8


phía hạ lưu của cửa sông. Trong quá trình này bùn cát bị dịch chuyển đi qua lòng
dẫn của lạch triều tại cửa phía ngoài biển và đi qua delta triều xuống. Quá trình và
tốc độ chuyển cát qua cửa sông chịu sự chi phối và khống chế mạnh mẽ của các quá
trình động lực xảy ra ở khu vực này. Đã có nhiều nghiên cứu thí điểm về vấn đề này
được công bố. Một trong những người đi tiên phong trong nghiên cứu trường vận
chuyển bùn cát tổng quát dẫn tới hiện tượng chuyển cát tại các cửa biển là Bruun và
Gerritsen (1959) và sau này là nghiên cứu của Fitzgerald (1982, 1988).
Theo Bruun và Gerritsen (1959), có hai nguyên lý cơ bản làm dịch chuyển bùn
cát qua cửa sông dưới các tác động của tự nhiên, được mô tả như sau: (a) hiện
tượng chuyển cát qua cửa sông thông qua các dải cát ngầm ngoài cửa và (b) hiện
tượng chuyển cát qua cửa sông do tác động của dòng triều. Cơ chế chuyển cát thứ
nhất xảy ra khi dải cát ngầm phía ngoài cửa hoạt động như một “cầu nối”, chuyển
cát từ thượng lưu cửa về hạ lưu cửa theo hướng của dòng ven. Trong khi đó, cơ chế
chuyển cát thứ 2 xảy ra khi bùn cát bị lắng đọng bên trong lạch triều dưới tác dụng
của dòng triều lên, bị vận chuyển trở lại xuống vùng hạ lưu của cửa sông dưới tác
dụng của dòng triều xuống.
Bruun và Gerritsen (1960) đã giới thiệu chỉ số đánh trạng thái ổn định chung của
các cửa sông, cửa lạch triều bằng tỷ số (P/M
tot
) giữa thể tích lăng trụ triều P và
lượng bùn cát tổng cộng vận chuyển dọc bờ M
tot
. Bruun đã chỉ ra rằng, sự ổn định
của một cửa sông, cửa lạch triều phụ thuộc là khả năng mang bùn cát bồi tụ ở cửa
của dòng triều, biểu thị bằng thể tích lăng trụ triều P, và lượng bùn cát do sóng,
dòng chảy mang tới gây bồi lấp cửa, biểu thị bằng M
tot
. Nếu dòng triều đủ lớn để
mang hết bùn cát do sóng, dòng chảy do sóng đưa tới cửa thì cửa ở trạng thái ổn
định, lạch triều qua cửa sẽ ít bị bồi lấp, dịch chuyển. Ngược lại, nếu dòng triều quá
nhỏ, không có khả năng tải lượng bùn cát bị đưa đến gây bồi lấp cửa thì cửa sẽ dần
bị thu hẹp, mất ổn định và cuối cùng là bị lấp hoàn toàn. Chỉ số ổn định của Bruun
và Gerritsen (1960) đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước khi đánh giá mức độ ổn
định của cửa. Theo Bruun et al. (1978), trạng thái ổn định của một cửa sông, cửa
lạch triều có thể được đánh giá tùy thuộc vào tỷ số P/M
tot
như sau:

9


Bảng 1. 1. Bảng đánh giá trạng thái ổn định cửa sông

P/M
tot
> 150 Cửa ổn định
100 < P/M
tot
< 150 Trạng thái ổn định trung bình
50 < P/M
tot
< 100 Trạng thái ổn định kém
P/M
tot
< 50 Cửa không ổn định (có thể bị lấp)
Bên cạnh các nghiên cứu lý thuyết cơ bản về trạng thái cân bằng ổn định của các
cửa sông là một loạt các nghiên cứu sâu về phân loại cửa sông, nguyên nhân và cơ
chế gây bồi lấp các cửa sông. Tiêu biểu là các nghiên cứu về phân loại cửa và ổn
định cửa sông của O’Brien (1969); Bruun và Gerritsen (1960)[36]; của Hayes
(1979)[42]; Niemeyer (1990), nghiên cứu về cơ chế gây bồi lấp, dịch chuyển cửa
của FitzGerald et al. (1978); FitzGerald (1982, 1988) và FitzGerald et al. (2001)[41].
Các nghiên cứu của FitzGerald đã đưa ra các mô hình dịch chuyển bồi lấp cho các
dạng cửa sông khác nhau với các yếu tố động lực sóng, triều và dòng chảy sông. Mô
hình phát triển kéo dài của doi cát chắn cửa vào mùa kiệt và phá vỡ vào mùa lũ đã
được nghiên cứu áp dụng cho các cửa sông miền Trung Việt Nam trong nghiên cứu
của Trần Thanh Tùng (2009)[46].
1.1.2. Các phương pháp nghiên cứu diễn biến cửa sông
Trong nghiên cứu diễn biến cửa sông hiện nay trên thế giới, có rất nhiều phương
pháp khác nhau. Những phương pháp sau đây được sử dụng khá rộng rãi:
Phương pháp khảo sát, điều tra và đo đạc thực địa vùng nghiên cứu: Nhằm
đánh giá định tính và định lượng các đặc trưng động lực vùng cửa sông ven biển
thông qua đo đạc địa hình khu vực cửa sông theo các mùa trong một số năm để so
sánh và đánh giá diễn biến. Đồng thời, đo một số yếu tố thủy, hải văn để bổ sung số
liệu đầu vào cho việc áp dụng mô hình toán vì thực tế số liệu quan trắc thủy, hải văn
ở vùng cửa sông ven biển miền Trung còn rời rạc, thiếu đồng bộ và khó khăn cho
nghiên cứu diễn biến cửa sông. Đây là phương pháp được sử dụng sớm nhất, hiện
nay đã được nâng cấp nhờ hiện đại hóa, chính xác hóa các thiết bị đo, như máy đo
10


lưu tốc, lưu lượng ADCP, máy định vị vệ tinh DGPS, thiết bị đo sóng, đo bùn cát,
đo độ mặn v.v, và nhờ các kỹ thuật tin học, vi tính trong chỉnh lý, phân tích số
liệu để đưa ra những kết quả mang tính sát thực tế hơn. Tuy nhiên mức độ chính xác
của phương pháp này hoàn toàn phụ thuộc vào số liệu đo đạc, mà độ chính xác của
số liệu đo là do phương pháp đo và thiết bị đo.
Phương pháp thống kê: Với phương pháp này một số yếu tố tự nhiên ảnh hưởng
đến các vùng cửa sông được phân tích nghiên cứu nhằm xác định quy luật thống kê
để áp dụng vào các nghiên cứu đề xuất định hướng các giải pháp khoa học công
nghệ.
Phương pháp mô hình vật lý: Các nghiên cứu các diễn biến xói lở, bồi tụ cửa
sông bằng mô hình vật lý tập trung đi sâu phân tích trường dòng chảy và các tác
động của công trình xây dựng ở cửa. Do tính chất phức tạp của các quá trình thủy
động lực hình thái ở cửa sông, bờ biển mà các nghiên cứu trên mô hình vật lý có
những hạn chế về phạm vi không gian nghiên cứu cũng như thời đoạn nghiên cứu.
Nghiên cứu trên mô hình vật lý bằng mô hình lòng động có xét tới vận chuyển bùn
cát và biến đổi lòng dẫn chỉ có thể thực hiện được một số rất ít phòng thí nghiệm
tiên tiến trên thế giới như phòng thí nghiệm biển của Hiệp hội kỹ thuật Quân đội
Mỹ, phòng thí nghiệm biển của Đại học Hanover, Đức, hay phòng thí nghiệm thủy
lực của Deltares (trước kia là Viện thủy lực Delft, Hà Lan).
Ở Việt Nam, các cơ sở nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình vật lý vẫn còn rất ít,
hoặc là quá cũ kỹ, lạc hậu, hoặc là mới chỉ đang bắt đầu được trang bị các thiết bị
hiện đại để phục vụ cho các nghiên cứu phức tạp về sóng, triều, Một số cơ sở thí
nghiệm về lĩnh vực này hiện vẫn đang hoạt động ở nước ta hiện nay có: trung tâm
nghiên cứu thủy công và thủy lực - Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, khu thí
nghiệm trường Đại học Xây dựng (C6 Bách Khoa), phòng thí nghiệm Công ty Tư
vấn Xây dựng đường thủy (thuộc TEDI), phòng thí nghiệm của Viện Điện lực
Ngoài ra, một số khu thí nghiệm mới đã được xây dựng như: phòng thí nghiệm
trọng điểm Quốc gia về động lực học Sông – Biển (2001-2007), cơ sở thí nghiệm
phòng chống thiên tai Hòa Lạc với tổng diện tích 25ha (2010), phòng thí nghiệm
Sông - Biển Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam (2002-2007).
11


Tuy nhiên trên thực tế, mặc dù một số cửa sông (Cửa Lò, cửa Sông Cái Nha
Trang, ) đã thực hiện trên mô hình vật lý nhưng do chưa có thiết bị tạo triều, tạo
sóng để thật sự mô phỏng đúng trường động lực dòng chảy cửa sông nên các kết
quả thí nghiệm còn nhiều hạn chế.
Phương pháp hố cuốc thí nghiệm: Những vấn đề về luồng tầu cửa sông, có khi
còn được nghiên cứu trên mô hình vật lý tỷ lệ 1:1, tức là nghiên cứu ngay trên hiện
trường cửa sông Tại vị trí lòng sông cần đo đạc bùn cát bồi lắng, người ta đào một
hố dài khoảng 200 ÷ 300m, rộng 50m, sâu 1m. Trong khoảng thời gian cần đo đạc,
tiến hành đo chiều sâu hố để xác định lượng bùn cát bồi - xói tại vị trí lòng dẫn.
Phương pháp này thường được áp dụng để xác định lượng bùn cát bồi lấp sau khi
nạo vét lòng dẫn trong giao thông thủy.
Phương pháp mô hình toán: Mô hình toán dùng để mô phỏng và xác định các
quy luật liên quan đến diễn biến cửa sông như vận chuyển bùn cát, quá trình diễn
biến đường bờ, diễn biến mực nước, thủy triều và sóng biển khu vực ngoài khơi và
vùng cửa sông. Với sự phát triển của các phương pháp tính và sự tiến bộ vượt bậc
của ngành công nghệ thông tin, đã mở ra cơ hội cho hướng nghiên cứu các diễn
biến bằng mô hình toán. Các công cụ nghiên cứu xói lở, bồi tụ, dịch chuyển cửa
sông, bờ biển bằng mô hình toán động lực hình thái 2 chiều, 3 chiều mô phỏng diễn
biến hình thái của các cửa sông, lạch triều ngày càng được hoàn thiện và cho phép
mô phỏng chi tiết hơn các hiện tượng diễn biến trong tự nhiên sát thực hơn với thời
đoạn mô phỏng ngày càng dài hơn.
Để nghiên cứu diễn biến vùng cửa sông, ven biển, hiện nay các mô hình đang
được sử dụng là (i)- các mô hình tính sóng; (ii)- các mô hình tính nước dâng và
(iii)- các mô hình tính vận chuyển bùn cát và biến đổi đường bờ.
a) Mô hình tính sóng
Một mô hình đầy đủ có tính đến tất cả các tính chất vật lý của sóng gió và có thể áp
dụng cho tất cả mọi trường hợp là quá phức tạp. Do vậy, để chọn một mô hình thích
hợp nhất cần phải hiểu tính quan trọng tương đối của các quá trình vật lý. Battjes
(1994) đã phân loại các mô hình trong đó miền áp dụng được chia thành 4 dạng:
12


- Nước sâu, ảnh hưởng của đáy là có thể bỏ qua.
- Vùng sóng biến dạng (vùng chuyển tiếp) – miền giữa nước sâu và nước nông.
- Miền nước nông mà tại đó hiệu ứng nước nông là quan trọng.
- Cảng mà tại đó cần phải tính đến tương tác giữa sóng và một công trình nào
đó (như đập phá sóng, dàn khoan dầu khí, đảo, dải đá ngầm v.v ).
Các mô hình có thể được chia thành hai loại: (i) mô hình phân giải pha có tính
đến biên độ và pha của các sóng thành phần; và (ii) mô hình trung bình pha chỉ tính
được các đại lượng trung bình như phổ hay các đặc trưng tích phân (H
s
, f
p
, v.v.).
Nếu như các đặc trưng trung bình pha thay đổi nhanh (với bậc vài bước sóng) thì
nói chung cần phải dùng một mô hình phân giải pha. Ngược lại, nếu các tính chất
sóng thay đổi chậm, trên kích thước rất nhiều bước sóng thì nói chung là một mô
hình trung bình pha là áp dụng được. Không có loại mô hình nào ưu việt hơn và
thường là dải áp dụng của chúng không trùng lặp. Tuy nhiên, Battjes (1994) kết
luận rằng: “Các mô hình phân giải pha cần nhiều thời gian tính toán đến nỗi chỉ
nên dùng chúng khi mà có yêu cầu nghiêm ngặt”.
b) Mô hình tính nước dâng
Hiện tượng nước dâng do bão có thể được mô tả bởi hệ phương trình thuỷ động
lực học hai chiều thiết lập cho chuyển động của sóng nước nông. Hệ phương trình
được lựa chọn ở đây là hệ phương trình Saint-Venant mô tả chuyển động của sóng
dài mô phỏng mực nước và dòng chảy viết trong hệ tọa độ (x,y) với trục Ox hướng
từ tây sang đông và trục Oy hướng từ nam lên bắc.
Phương trình liên tục:
0








y
V
x
U
t

(1.1)
Phương trình động lượng theo phương ngang (x, y):
)(
1
x
b
x
s
w
a
w
x
P
h
x
gfV
y
U
V
x
U
U
t
U



















(1.2)
13


)(
1
y
b
y
s
w
a
w
y
P
h
y
gfU
y
V
V
x
V
U
t
V



















(1.3)
Nếu ta bỏ qua các hệ số cục bộ trong phương trình động lượng theo phương
ngang ta có thể viết lại phương trình vi phân tuyến tính theo phương ngang như sau:
)(
1
x
b
x
s
w
x
ghfV
t
U









(1.4)
)(
1
y
b
y
s
w
y
ghfU
t
V









(1.5)
0








y
V
x
U
t

(1.6)
Trong đó: x và y là các biến không gian theo phương ngang (m), U, V là các
thành phần vận tốc trung bình theo phương ox,oy, f - tham số Coriolis(s
-1
), g là gia
tốc trọng trường (m/s
2
),

- độ dâng mực nước biển, ρ
w
là mật độ nước biển (kg/m
3
),
h - độ sâu nước biển,
y
s
x
s

,
- các thành phần ứng suất gió trên mặt biển,
y
b
x
b

,
-
các thành phần ứng suất ma sát đáy.
Thành phần ma sát mặt liên quan đến các thành phần ứng suất gió bão. Vì vậy
phải xác định các thành phần này thông qua một mô hình phân bố gió bão. Mô hình
phân bố khí áp và gió bão được áp dụng trong các tính toán này là mô hình khí áp
Jelesnhianski. Để có thể xác định được các đại lượng U, V, ξ trong hệ phương trình
trên, ta cần phải sử dụng các điều kiện ban đầu và điều kiện biên:
- Điều kiện ban đầu: tại thời điểm ban đầu t = 0 cho U = 0, V = 0, ξ = 0.
- Điều kiện biên: Tại bờ biển sử dụng điều kiện không thấm, vận tốc theo
phương pháp tuyến với đường bờ V
n
= 0. Tại biên ngoài khơi và biên phía
bắc và phía nam miền tính toán được xác định bằng các giá trị gần đúng.
c) Mô hình vận chuyển bùn cát
Các phương trình thuỷ động lực học vùng cửa sông ven biển có thể được mô
hình hoá bởi hệ phương trình nước nông 2 chiều bao gồm:
- Phương trình liên tục mô tả quy luật bảo toàn vật chất:
14






uh vh
q
t x y

 

  
  
(1.7)
- Phương trình chuyển động mô tả quy luật bảo toàn động lượng theo phương x:
1
v
wx
x x wx ix
u u u
u v f g P F S
t x y x h



 
  
         
   
(1.8)
- Phương trình động lượng theo phương y:
1
wy
y y wy iy
v v v
u v fu g P F S
t x y y h



 
  
         
   
(1.9)
Trong đó:
t biến thời gian (s)
x, y các toạ độ De Cartes trên mặt phẳng nằm ngang (m)
η cột nước phía trên mặt chuẩn (m)
d độ sâu nước phía dưới mực chuẩn (m)
h độ sâu tổng cộng, h = d + η (m)
u, v các thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu theo các phương x và y (m/s)
q nhập lưu (m³/s/m²)
f hệ số Coriolis (tần số quán tính) (1/s)
g gia tốc trọng trường (m/s²)
n hệ số nhám Manning (m
-1/3
s)
ρ
a
mật độ không khí (kg/m³)
ρ mật độ của nước (kg/m³)
P
x
,P
y
các thành phần biến đổi áp suất

theo các phương x và y (Pa/m)
F
x
,F
y
các thành phần ma sát đáy theo các phương x và y (m/s²)
τ
wx

wy
các thành phần ứng suất gió theo các phương x và y (kg/m/s²)
S
wx
,S
wy
các thành phần lực tác động do ứng suất bức xạ sóng lên đơn vị thể tích
nước theo các phương x và y (m/s²)
τ
ix

iy
các thành phần nội ứng suất (m/s²)

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×