APPLICATION OF DUFLOW FOR STUDYING HYDRODYNAMICS AND STABILITY OF TIDAL INLETS IN THE TAM GIANG - CAU HAI LAGOON
NGHIEM TIEN LAM1, H.J. VERHAGEN2, M. VAN DER WEGEN3
Abstract This paper presents an application of an one-dimensional unsteady numerical model DUFLOW for
hydrodynamic simulation of a complex lagoon-inlet system in Vietnam. The difficulties due to the lack of data for model boundary conditions is overcome by using sensitivity analysis approach for the uncertainties of boundary conditions. Model results are used for stability analysis of the tidal inlets according to the “cross sectional stability” and “overall stability” criteria proposed by Bruun (1974). Beside of providing results of hydrodynamics, the numerical model can help to investigate system behaviour under the effects of different boundary conditions and providing design parameters for tidal inlet stabilisation.
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DUFLOW NGHIÊN CỨU THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA CÁC CỬA SÔNG THUỘC HỆ ĐẦM PHÁ TAM GIANG - CẦU HAI
NGHIÊM TIẾN LAM1, H.J. VERHAGEN2, M. VAN DER WEGEN3
Tóm tắt Bài báo trình bày kết quả ứng dụng của mô hình thuỷ lực dòng không ổn định một chiều trong mạng
lưới sông DUFLOW cho nghiên cứu thuỷ động lực học của một hệ thống đầm phá và cửa sông phức tạp. Sự khó khăn về mặt số liệu cho điều kiện biên của mô hình đã được giải quyết bằng việc áp dụng tiếp cận phân tích độ nhạy để đánh giá phạm vi ảnh hưởng của các thông tin bất định. Một số kết quả của mô hình đã được sử dụng cho việc đánh giá trạng thái ổn định của các cửa theo các tiêu chuẩn về ổn mặt cắt ngang và ổn định tổng thể của Bruun. Ngoài việc cung cấp một số thông tin cơ bản về thuỷ động lực học của hệ thống, mô hình toán cũng có thể giúp chúng ta khảo sát phản ứng của hệ thống với các điều kiện biên khác nhau và lựa chọn thông số thiết kế cho việc ổn định cửa.
1. GIỚI THIỆU
Các cửa sông thuộc hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai hiện nay bao gồm cửa Thuận An và cửa Tư Hiền. Các cửa sông này có vai trò rất quan trọng không chỉ đối với phát triển kinh tế xã hội mà còn cả đối với môi trường sinh thái của khu vực đầm phá và các vùng lân cận. Hệ đầm phá và các cửa chịu tác động của nhiều yếu tố thuộc cả các quá trình lục địa và hải dương. Tuy nhiên tình trạng ổn định của các cửa này liên quan đến các yếu tố và quá trình ảnh hưởng như thế nào cho đến nay vẫn chưa được hiểu biết một cách thấu đáo. Các mô hình toán có thể giúp chúng ta có thêm hiểu biết về chế độ thuỷ động lực học của toàn hệ thống và trạng thái ổn định của các cửa sông. Khó khăn của việc áp dụng mô hình toán cho hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là số liệu đo đạc ở trong và lân cận hệ thống không có nhiều. Trong trường hợp này thì các mô hình toán một chiều vẫn có lợi thế hơn so với các mô hình hai chiều trong việc giải quyết các điều kiện biên mà vẫn cung cấp được những thông tin cần thiết về chế độ thuỷ động lực học của hệ thống. Các nội dung sau sẽ giới thiệu về việc ứng dụng mô hình toán một chiều DUFLOW dùng cho mô phỏng thuỷ lực của hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai bao gồm giới thiệu tóm lược về mô hình toán, sơ đồ mô hình hoá và các biên, tóm lược về hiệu chỉnh và kiểm định, một số kết quả mô hình và cuối cùng là phân tích trạng thái ổn của các cửa theo các tiêu chuẩn của Bruun dựa trên các kết quả từ mô hình toán.
2. MÔ HÌNH DUFLOW
DUFLOW là mô hình thuỷ lực một chiều dùng để tính toán dòng chảy không ổn định trong hệ thống sông. Mô hình được phát triển bởi Viện quốc tế về Kỹ thuật Cơ sở hạ tầng, Thuỷ lợi và
Môi trường (IHE), Đại học Công nghệ Delft (TU Delft) và Cục Công trình công cộng (Rijkswaterstaat) của Hà Lan. Hệ phương trình cơ bản của mô hình là hệ phương trình Saint-Venant cho sóng nước nông 0 = ∂ ∂ + ∂ ∂ x Q t B η (1) 0 2 2 = + ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ AR C Q Q g x gA A Q x t Q η (2) Trong đó, Q = lưu lượng dòng chảy (m3/s); η = mực nước so với mực chuẩn (m); B = độ rộng
mặt nước (m); A = diện tích mặt cắt ngang (m2); C = hệ số nhám Chezy (m0.5/s); R = bán kính thuỷ lực (m); g = gia tốc trọng trường (m/s2); x = biến không gian dọc theo dòng chảy (m); t = biến thời gian (giây).
Hệ phương trình trên được giải theo phương pháp sai phân hoá với sơ đồ sai phân ẩn bốn điểm của Preissmann. Mô hình cho phép tính toán thuỷ lực mạng lưới sông với sợ thay đổi về mặt địa hình và độ nhám theo cả phương dọc và đứng cùng với sự thay đổi của các điều kiện biên. Ngoài khả năng mô phỏng thuỷ lực hệ thống sông và kênh, mô hình còn có thể mô phỏng các công trình điều khiển như các đập tràn, cống ngầm, xi phông và trạm bơm. Gần đây mô hình còn có khả năng mô phỏng chất lượng nước, tích hợp với các mô hình mưa – dòng chảy và mô hình nước ngầm. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình rất phù hợp dùng để nghiên cứu sơ bộ hầu hết các cửa sông cho kết quả chính xác và tin cậy cũng như đã được ứng dụng cho nhiều hệ thống sông lớn ở nước ta.
3. SƠ ĐỒ MÔ HÌNH HOÁ VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN
Thuỷ động lực học của các đầm phá và cửa sông thuộc hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là một đối tượng rất phức tạp. Ngoài ảnh hưởng của dòng chảy thượng nguồn các sông đổ về, hệ thống còn chịu tác động của các quá trình hải dương học. Trong nghiên cứu này thì các quá trình ảnh hưởng chính được xem xét là dòng chảy các sông thượng nguồn và thuỷ triều ngoài biển. Khó khăn đặt ra cho các nghiên cứu về thuỷ động lực học của hệ thống là rất thiếu các số liệu đo đạc trong hệ thống để dùng làm điều kiện biên cũng như là cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình toán. Để vượt qua được khó khăn này, trong nghiên cứu đã kết hợp giữa mô hình hệ thống đầm phá và cửa sông với các mô hình hệ thống sông thượng nguồn được phát triển trước đây bởi các tác giả thuộc Trường Đại học Thuỷ lợi. Do vậy mà mô hình nghiên cứu được mở rộng cho toàn bộ hệ thống sông (Hình 1) từ các cửa sông Thuận An và Tư Hiền cho đến vị trí các trạm thuỷ văn Cổ Bi, Bình Điền và Dương Hoà để có thể sử dụng số liệu đo đạc lưu lượng tại các trạm này làm điều kiện biên trên cho mô hình. Lưu lượng dòng chảy của các sông nhỏ như sông Truồi, sông Cầu Hai và các khu giữa được mô phỏng trong mô hình như các điểm nhập lưu. Số liệu mực nước thực đo tại các trạm Phú Ốc, Kim Long và Tân Mỹ được dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Biên dưới của mô hình là mực nước thuỷ triều ngoài biển tại các cửa Thuận An, Hoà Duân và Tư Hiền. Trong các trường hợp cửa Hoà Duân bị đóng thì điều kiện biên dưới tại cửa này được lấy là lưu lượng
Tư Hiền Thuận An Hoà Duân Cổ Bi Bình Điền Kim Long Dương Hoà Phú Ốc s. Ô Lâu s.Bồ s.Hữu Trạch s.T ả Trạ ch s.H ương s. Đ ại G iang s.Tr
uồi Đầm Cầu Hai
s.Hươ ng Đầ m Thu ỷ Tú Đầm Thanh Lâm PháTam Giang BIỂN ĐÔNG Tư Hiền Thuận An Hoà Duân Cổ Bi Bình Điền Kim Long Dương Hoà Phú Ốc s. Ô Lâu s.Bồ s.Hữu Trạch s.T ả Trạ ch s.H ương s. Đ ại G iang s.Tr
uồi Đầm Cầu Hai
s.Hươ ng Đầ m Thu ỷ Tú Đầm Thanh Lâm PháTam Giang BIỂN ĐÔNG
Hình 1. Mô hình hệ thống cửa sông và đầm phá Tam Giang - Cầu Hai
4. HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH
Mô hình được hiệu chỉnh với số liệu của trận lũ tháng 10/1983. Số liệu của trận lũ tháng 11/1999 và số liệu trong mùa kiệt năm 2000 (Hình 2) được dùng để kiểm định mô hình. Trong quá trình kiểm định và hiệu chỉnh mô hình, ảnh hưởng của các thông số mô hình như bước thời gian tính, độ nhám và các bất định về điều kiện biên như các hằng số thuỷ triều, nước dâng ngoài biển, và độ mở các cửa được xem xét và phân tích sử dụng tiếp cận phân tích độ nhạy. Chi tiết về các kết quả kiểm định và hiệu chỉnh mô hình cùng các kết quả mô hình toán và các phân tích có thể tham khảo trong Lam (2002). Kết quả phân tích độ nhạy của các yếu tố trong quá trình hiệu chỉnh mô hình cho thấy rằng địa hình và độ nhám của lòng dẫn là những nhân tố nhạy nhất tác động đến kết quả mô hình. Các thông số mô hình như là bước thời gian tính và trọng số sai phân của sơ đồ tính ít quan trọng. Trong các quá trình điều kiện biên của mùa lũ thì dòng chảy thượng nguồn đóng vai trò quan trọng nhất, kế đó là thuỷ triều, nước dâng ngoài biển và độ mở của các cửa. Ngược lại, trong mùa kiệt từ tháng 1 đến tháng 8 thì thứ tự các quá trình quan trọng ảnh hưởng đến thuỷ động lực học của hệ thống lần lượt là thuỷ triều, nước biển dâng và độ mở các cửa.
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 08/05/00 09/05/00 10/05/00 11/05/00 12/05/00 13/05/00 14/05/00 15/05/00 16/05/00 17/05/00 18/05/00 M ự c n ướ c, Z (m ) Thực đo Tính toán R2 = 68.6%
Hình 2. Kết quả kiểm định mô hình cho mực nước trạm Kim Long 5. KẾT QUẢ MÔ HÌNH VÀ SỰ ỔN ĐỊNH VỀ MẶT CẮT NGANG CỬA
Rất nhiều kịch bản tính toán đã được xây dựng với các phương án của cấu hình độ mở các cửa và các điều kiện biên khác nhau. Một số kịch bản cho độ mở các cửa được trình bày trong Bảng 1. Các kịch bản này được thiết lập để khảo sát ảnh hưởng của cửa Hoà Duân trong tình huống có cửa này tồn tại.
Bảng 2 trình bày kết quả mô hình cho vận tốc dòng triều lên và triều xuống lớn nhất tại các cửa tương ứng với các kịch bản tính toán. Chúng ta có thể thấy vận tốc dòng chảy qua cửa Tư Hiền tương đối độc lập với các thay đổi của các cửa Thuận An và Hoà Duân. Điều này cũng được xác nhận qua việc xem xét trong mô hình sự lan truyền sóng triều từ các cửa vào trong hệ thống. Các sóng triều từ biển truyền vào hệ thống thông qua các cửa Thuận An và Hoà Duân dọc theo đầm Thuỷ Tú sẽ gặp sóng triều truyền vào đầm Cầu Hai qua cửa Tư Hiền tại đầu phía nam của đầm Thuỷ Tú nơi có bãi triều xuống. Bãi triều này đóng vai trò cản trở dòng chảy và tách biệt một cách tương đối đầm Cầu Hai ra khỏi hệ thống. Do đó, hai cửa Thuận An và cửa Tư Hiền có thể được xem xét như hai hệ đầm phá độc lập khi cửa Hoà Duân đã bị đóng lại. Điều này là một tiền đề quan trọng cho việc phân tích hệ thống này.
Bảng 1. Các kịch bản về độ mở của các cửa
Thuận An Hoà Duân
Bảng 2. Ảnh hưởng của độ mở cửa đối với vận tốc lớn nhất Vmax (m/s)
Thuận An Hoà Duân Tư Hiền
Kịch bản
Triều lên Triều xuống Triều lên Triều xuống Triều lên Triều xuống
R01 -0.6 0.6 -0.6 0.6 -0.8 1.1 R02 -0.8 0.8 — — -0.8 1.1 R03 — — -1.2 1.2 -0.8 1.1 R05 -1.4 1.5 — — -0.8 1.1 R06 — — -1.6 1.6 -0.8 1.0 R18 -1.0 1.0 — — -0.9 1.1
Kết quả mô hình trong Bảng 2 cũng chỉ ra rằng khi cửa Hoà Duân được mở ra sẽ làm giảm nhỏ vận tốc dòng chảy cực đại qua cửa Thuận An. Sự tồn tại song song của hai cửa Hoà Duân và Thuận An làm cho vận tốc trung bình lớn nhất (Vmax) qua hai cửa đều giảm nhỏ xuống dưới giá trị 1m/s rất nhiều. Dựa trên số liệu thực tế của rất nhiều cửa sông trên thế giới, Bruun và cộng sự (1974) thấy rằng hầu hết các cửa sông ở trạng thái ổn định đều có Vmax ≈ 1m/s, và đã khuyến nghị coi giá trị này là tiêu chuẩn “ổn định về mặt mặt cắt ngang” của các cửa. Theo tiêu chuẩn này thì các khi hai cửa Thuận An và Hoà Duân tồn tại song song sẽ làm cho các cửa này đều bị bồi lấp và thoái hoá trong các thời kỳ không có lũ. Do đó, việc đóng một cửa để duy trì cửa còn lại là cần thiết. Việc đóng cửa Hoà Duân là một lựa chọn đúng trên các quan điểm về thoát lũ cũng như giao thông thuỷ và bộ. Dựa trên kết quả mô phỏng bằng mô hình cho trận lũ 11/1999, phân bố trung bình của lưu lượng dòng chảy lũ qua các cửa Thuận An, Hoà Duân và Tư Hiền lần lượt là 60%, 25% và 15%.
Thông qua thử nghiệm trên mô hình toán cũng có thể giúp đỡ tìm ra được một độ mở phù hợp cho thiết kế ổn định cửa Thuận An dựa theo tiêu chuẩn ổn định mặt cắt ngang đó là kịch bản R18 trong Bảng 2 với diện tích mặt cắt ngang khoảng A = 4000m2 và độ rộng bề mặt B = 500m.
Dựa trên mô hình mô phỏng thuỷ lực, các thông số thuỷ động lực học của các cửa như độ nhám, lưu lượng dòng chảy lớn nhất, thể tích lăng trụ triều, hệ số CK, v.v… đã được xác định. Lăng trụ triều qua các cửa có tương quan rất tốt với lưu lượng dòng chảy lớn nhất qua cửa với hệ số CK = 0.9 đối với cửa Thuận An và CK = 0.8 đối với cửa Tư Hiền trong công thức sau
đây K C C V A P ω max 2 = (3)
Trong đó, P = thể tích (lăng trụ) triều trong một chu kỳ triều (m3); Vmax = vận tốc dòng chảy
bình quân mặt cắt lớn nhất (m/s); AC = diện tích mặt cắt ngang cửa (m2); CK = hệ số; ω = tần
số sóng triều (radian/s). Các thông số này cũng là các thông số cần thiết cho phân tích sự ổn định của các cửa.
6. PHÂN TÍCH ỔN TỔNG THỂ CỬA THEO TIÊU CHUẨN P/Mtot
Ổn định của một cửa triều trên vùng bờ biển cấu tạo bởi trầm tích được xác định bởi sự cân bằng giữa vận chuyển bùn cát dọc bờ biển và khả năng đẩy bùn cát của dòng thuỷ triều qua cửa. Dựa vào mối quan hệ cân bằng này mà Bruun và Gerritsen (1960) đã giới thiệu tỷ số giữa lăng trụ triều (P, m3/chu kỳ triều) và tổng vận chuyển bùn cát dọc bờ hàng năm (Mtot,
sự ổn định tổng thể của cửa. Dựa vào tỷ số P/Mtot mà một cửa triều được xếp hạng là tốt,
trung bình hay kém về mặt ổn định tổng thể như trong Bảng 3 (Bruun, 1978).
Bảng 3. Chỉ tiêu ổn định tổng thể theo quan điểm khả năng chuyển cát
P/Mtot Tình trạng ổn định của cửa
> 150 Tốt – cửa được chuyển cát ra chủ yếu do dòng triều (dải cồn ngầm nhỏ và khả năng đẩy rửa tốt)
100 – 150 Trung bình – thấy rõ sự kết hợp giữa chuyển cát theo các dải ngầm và đẩy rửa do dòng triều ở cửa vào
50 – 100 Trung bình đến kém – điển hình cửa việc chuyển cát theo dải ngầm và không ổn định
< 50 Kém – cửa không ổn định với các lạch chảy tràn không thường xuyên
Bảng 4. Sự ổn định của cửa vào liên quan đến P/Mtot (Bruun, 1990)
P/Mtot Điều kiện cửa vào
>300 Có ít hoặc không có dải cát ngầm ở thềm biển ngoài cửa (bồi tụ có thể xảy ra ở ngoài biển xa hơn)
150 – 300 Có ít dải cát ngầm
100 – 150 Dải cát ngầm thấp, tàu bè di chuyển đôi chút trở ngại nhỏ 50 – 100 Dải cát ngầm rộng hơn và cao hơn, giao thông trở ngại hơn
20 – 50 Dải cát ngầm rộng và nông, giao thông khó khăn < 20 Dải cát ngầm rất nông, giao thông rất khó khăn
Với các cửa sông thuộc hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, các giá trị của lăng trụ triều và lưu lượng dòng chảy lớn nhất được tính toán dựa vào kết quả mô hình toán. Một số kết quả cũng được tính toán dựa trên số liệu đo đạc thực tế. Giá trị tổng lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ biển hàng năm được tổng hợp từ rất nhiều nguồn khác nhau với các khoảng biến đổi như trong Bảng 5 đến Bảng 7. Các khoảng biến đổi của tỷ số P/Mtotđược tính toán tương ứng với
các khoảng biến đổi của Mtot trong các bảng trên.
Từ Bảng 5, độ ổn định của cửa Thuận An thuộc vào tình trạng “kém đến trung bình”. cửa vào bị nông gây khó khăn cho tàu thuyền và thoát lũ. Nếu độ mở cửa Thuận An nhỏ và cửa Hoà Duân được mở ra thì trạng thái ổn định của cửa Thuận An sẽ trở thành “kém”. Điều đó có nghĩa là lăng trụ triều qua cửa không đủ và dòng chảy không có khả năng đẩy bùn cát do dòng vận chuyển dọc bờ mang đến ra khỏi cửa. Trong hầu hết các trường hợp như thấy trong Bảng 6, cửa Hoà Duân đều có tình trạng ổn định là “kém”. Trong Bảng 7, trạng thái ổn định của
R01: 32 – 40 2400 0.64 – 3.42 9 – 63 kém đến trung bình R02: 46 – 55 3330 0.64 – 3.42 13 – 86 kém đến trung bình
R04: 26 – 31 1800 0.64 – 3.42 8 – 48 kém
R05: 30 – 36 2080 0.64 – 3.42 9 – 56 kém đến trung bình
Bảng 6. Trạng thái ổn định tổng thể của cửa Hoà Duân
Kịch bản độ mở P (106m3) Qmax (m3/s) Mtot (106m3/năm) tot M P Trạng thái ổn định Đo đạc 5/2000 21 1670 0.64 – 3.42 6 – 33 kém R01 16 – 18 1172 0.64 – 3.42 5 – 28 kém R03 34 – 41 2352 0.64 – 3.42 10 – 64 kém đến trung bình R04 11 – 13 747 0.64 – 3.42 3 – 20 kém R06 16 – 18 1009 0.64 – 3.42 5 – 28 kém
Bảng 7. Trạng thái ổn định tổng thể của cửa Tư Hiền
Kịch bản độ mở P (106m3) Qmax (m3/s) Mtot (106m3/năm) tot M P Trạng thái ổn định R01 12 – 14 860 0.67 – 1.21 10 – 21 kém R02 12 – 14 866 0.67 – 1.21 10 – 21 kém R03 12 – 14 855 0.67 – 1.21 10 – 21 kém R04 12 – 14 858 0.67 – 1.21 10 – 21 kém R05 12 – 14 850 0.67 – 1.21 10 – 21 kém R06 12 – 14 818 0.67 – 1.21 10 – 21 kém 7. KẾT LUẬN
Đối với các hệ đầm phá và cửa triều phức tạp, mô hình một chiều vẫn có thể được ứng dụng thành công để giúp chúng ta có thêm thông tin và bổ sung thêm hiểu biết về chế độ thuỷ động lực học của hệ thống cũng như là ảnh hưởng của các yếu tố và quá trình tác động. Ngoài ra mô hình toán có thể giúp khảo sát các phương án khác nhau và để xác định các thông số thiết kế hoặc xa hơn nữa là dự báo các tác động của con người can thiệp vào hệ thống. Về mặt kinh nghiệm, sự ổn định của các cửa có thể được ước tính theo tiêu chuẩn của Bruun sử dụng các số liệu tính toán từ mô hình toán hay đo đạc thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bruun, P., 1967, Tidal Inlets Housekeeping, Journal of Hydraulics Division, ASCE, Vol. 93, No. HY5, pp 167-184.
3. Lam, N.T., 2002, A Preliminary Study on Hydrodynamics of the Tam Giang – Cau Hai Lagoon and Tidal Inlet System in Thua Thien-Hue Province, Vietnam, M.Sc. Thesis H.E. 105, IHE, Delft.
4. Lam, N.T., Verhagen, H.J., and van der Wegen, M., 2003, Hydrodynamic modelling of tidal inlets in Hue, Vietnam, The sixth International Conference on Coastal and Port Engineering in Developing Countries (COPEDEC VI), Colombo
