Áp dụng mô hình DUROS-Plus tính toán xói lở cồn cát trong bão
15/07/2013Bài viết giới thiệu một số mô hình toán dự báo xói lở cồn cát và kết quả áp dụng mô hình DUROS-Plus để tính toán dự báo xói lở cồn cát ven biển Việt Nam. Phương pháp luận, sơ đồ và kết quả tính toán được giới thiệu, phân tích qua ví dụ tính toán dự báo xói lở với trường hợp tần suất mực nước và sóng thiết kế p= 1% ở 2 mặt cắt cồn cát đại diện thuộc Bình Định và Bình Thuận. Mặc dù còn có một số hạn chế nhỏ, nhưng mô hình này là công cụ phù hợp giúp cho việc tính toán dự báo xói lở cồn cát và đề xuất các giải pháp quản lý bảo vệ cồn cát.
I. MỞ ĐẦU
Các dải cồn cát ven biển miền Trung Việt Nam có cao độ trung bình trên +5.0m chiếm khoảng 20 % tổng chiều dài bờ biển [1]. Ở nhiều khu vực, các dải cồn cát có vai trò như các tuyến đê biển tự nhiên, bảo vệ dân sinh và hạ tầng ở trên và phía sau chúng. Tuy nhiên phần lớn các dải cồn cát này thường biến động, không bền vững và nhất là dễ bị xói lở trong bão. Để đánh giá khả năng ổn định và an toàn của các cồn cát này như là vai trò đê biển tự nhiên cần phải qua 2 bước cơ bản, thứ nhất là: cần tính toán mức độ xói lở của các cồn cát trong bão ; thứ hai là: thực hiện phân tích theo các tiêu chí về: nhiệm vụ bảo vệ của cồn cát, tần xuất hư hỏng cho phép, các thiệt hại có thể xảy ra khi cồn cát bị xói lở….Từ đó làm căn cứ đánh giá khả năng an toàn của cồn cát trong bão và đảm bảo tốt nhiệm vụ bảo vệ được dân sinh, hạ tầng phía sau cồn cát.
Như vậy việc tính tóan xói lở cồn cát là công việc đầu tiên và quan trọng nhất, điều này đòi hỏi phải có các phương pháp và công cụ tính toán phù hợp. Trên thế giới, để tính toán mức độ ( hay dự báo) xói lở của cồn cát thường sử dụng các mô hình tính toán chuyên sâu. Tuy nhiên ở Việt Nam, trong nghiên cứu về cồn cát, việc sử dụng các mô hình hay công cụ tính toán đánh giá, dự báo mức độ xói lở của cồn cát gần như chưa được đề cập và áp dụng
Hầu hết các mô hình tính toán dự báo xói lở cồn cát trong bão là các mô hình dựa trên phương pháp thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm. Đây là các mô hình tính toán được xây dựng, phân tích và kiểm định qua các kết quả thí nghiệm trên mô hình vật lý máng sóng về mức độ xói lở của các dạng cồn cát trong các điều kiện sóng và mực nước triều trong bão.
Dưới đây xin tóm lược một số nét cơ bản của một số mô hình tính toán dự báo xói lở cồn cát thường dùng ở Châu Âu và được biết đến tại Việt Nam trong thời gian gần đây:
- Mô hình tính DUROS (DUne erROSion) [5]
Là mô hình được viện thủy lực Delft Hydraulics phát triển lần đầu tiên vào năm 1985 được dựa trên giả thuyết quan trọng là biết trước được hình dạng mặt cắt ngang của cồn cát sau bão và có các số liệu về thông số về sóng, mực nước đo đạc, địa hình mặt cắt ngang cồn cát.
- Mô hình DUROS-Plus [5]
Được hoàn thiện bởi Delft Hydraulics vào 2006. Mô hình DUROS-Plus về cơ bản dựa trên cơ sở mô hình DUROS, tuy nhiên trong điều kiện tính toán ban đầu đã đưa thêm giá trị của chu kỳ sóng ( Việc mô tả chi tiết mô hình này xem trong phần II của bài báo )
- Mô hình DUROSTA [3]
Mô hình được phát triển bởi Delft Hydraulics vào năm 1995, dựa trên các thí nghiệm trên máng kính lớn. Mô hình chỉ chủ yếu tính toán vận chuyển bùn cát vuông góc với bờ và và bỏ qua vận chuyên bùn cát dọc bờ. Mô hình có khả năng phát triển và mô phỏng được theo thời gian mặt cắt ngang bờ biển ( hoặc cồn cát) trong một cơn bão. Hiện tại đây là mô hình được sử dụng nhiều và phù hợp với điều kiện của Hà Lan.
- Mô hình SBEACH [6]
Mô hình được phát triển bởi U.S. Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station trên cơ sở kết hợp các phương trinh cơ bản được thực hiện trong mô hình số và các phân tích thông qua thí nghiệm mô hình vật lý , mục tiêu chính là tạo ra công cụ có thể dự báo được sự thay đổi của bờ biển nói chung trong đó có các cồn cát ven biển.
Dưới đây sẽ giới thiệu và phân tích kết quả áp dụng bước đầu mô hình DUROS-Plus để dự báo xói lở cồn cát ven biển theo mặt cắt ngang tại một số vị trí cồn cát ven biển miền Trung.
II. MÔ HÌNH DỰ BÁO XÓI LỞ CỒN CÁT / DUROS- Plus
II.1 Cơ sở chọn mô hình
Mô hình DUROS-Plus được giới thiệu lần đầu tại hội thảo quốc tế Việt Nam – Hà Lan về cồn cát tại Viện Khoa học Thủy Lợi cuối năm 2010. Việc chuyển giao được thực hiện sau khi chuyên gia Hà Lan đã được cung cấp khá đủ các thông tin về đặc điểm địa hình, địa mạo cồn cát, các đặc trưng cơ bản của yếu tố hải văn chính như: mực nước, triều, sóng.. ven biển miền Trung Việt Nam.
Trên cơ sở các số liệu và thông tin nêu trên, các chuyên gia Hà Lan đã khuyến nghị nên nghiên cứu áp dụng mô hình DUROS-Plus trong các nghiên cứu tổng quan, ban đầu về xói lở cồn cát ở miền Trung Việt Nam, vì đây là một mô hình tương đối thuận tiện trong việc yêu cầu số liệu cơ bản đầu vào về địa hình, hải văn, cũng như không quá phức tạp trong quá trình mô phỏng tính toán hay phân tích kết quả, về cơ bản phù hợp với các đặc điểm về địa hình, hải văn tại các khu vực cồn cát ven biển miền Trung Việt Nam.
Điều quan trong nữa là các số liệu hiện có về địa hình cồn cát , hải văn đủ đáp ứng cho mô hình, đồng thời độ phức tạp của mô hình cũng không vượt quá khả năng hiện tại của các cán bộ phía Việt Nam.
II.2 Nguyên lý và công thức tính toán tổng quát của mô hình DUROS-Plus
* Với mô hình DUROS-Plus, tốc độ xói lở cồn cát phụ thuộc vào [7]:
- Mặt cắt ngang cồn cát ngay trước cơn bão
- Kích thước hạt cát trung bình D50
- Mức nước lớn nhất trong bão
- Đặc điểm của sóng tại độ sâu - 20m (chiều cao sóng có nghĩa và chu kỳ sóng)
* Các điều kiện ban đầu:
- Mặt cắt cồn cát ban đầu được giả thiết chuyển đổi thành một mặt cắt cồn cát nào đó bị xói lở trong một cơn bão.
- Hình dang của mặt cắt xói lở này là 1 hàm của chiều cao sóng có ý nghĩa và vận tốc lắng chìm của hạt cát bị xói lở trong điều kiện nước tĩnh.
- Hình dạng của mặt cắt xói lở không lệ thuộc vào hướng sóng, hình dạng mặt cắt bãi biển trước bão, và mực nước trong bão.
- Giả thiết rằng cát bị xói lở được vận chuyển chỉ theo 1 hướng ra biển
- Giả thiết rằng không có sự tổn thất (mất mát) lượng cát xảy ra theo hướng dọc bờ. Cát bị xói từ chân cồn cát trở lên sẽ được chuyển xuống và bồi ở phần mặt cắt dưới chân cồn cát.
* Hình dạng của mặt cắt xói lở [4]
Mặt cắt ngang xói lở của bãi biển được mô tả bởi 3 phần: bề mặt cồn cát, phần mặt cắt sau khi xói lở cồn cát đựoc giả thiết dạng parabol và độ dốc chân cồn cát.
- Bề mặt cồn cát được mô tả bởi độ dốc 1:1, từ mực nước lớn nhất trong bão hướng lên phía trên cồn cát.
- Tại mực nước lớn nhất trong bão, bề mặt cồn cát được tiếp nối với với phần parabol của mắt cắt. Điểm tiếp nối này là chân của cồn cát sau bão, điểm P: (tọa độ x=0; y=0).
- Từ chân cồn cát ( điểm P) ra phía biển, là phần mặt cắt mới được bồi bởi cát bị xói từ chân cồn cát trở lên được giả thiết có dạng parabol và được thể hiện bởi công thức (1)
Hình II.1 : Sơ đồ mô tả nguyên lý và các tham số trong mô hình DUROS-Plus [4,5] Trong công thức từ (1) đến (4) , các ký hiệu sau là: - H0s : chiều cao sóng có ý nghĩa tại vị trí độ sâu -20 m (m); Tp: chu kỳ sóng - w: vận tốc lắng chìm của hạt cát trong nước biển - x: Trục toạn độ ngang ( hướng dương ra phía biển; y: trục tọa độ đứng ( hướng dương xuống dưới; D50: đường kính trung bình hạt cát Công thức (1) và (3) có giá trị với chu kỳ sóng trong khoảng 12s < Tp < 20s. Trong trường hợp Tp < 12s, lấy Tp = 12s . Trong trường hợp Tp > 20s, lấy Tp = 20s II.3 Các lưu ý khi tính toán trong thực tế [7] - Hình dạng của mặt cắt xói lở được xác định theo công thức (1 ) - Vị trí của mặt cắt xói lở theo phương đứng được xác định bởi mức nước trong bão ( trục x chỉ mức nước trong bão) - Vị trí theo phương ngang được xác định theo hướng vuông góc với bờ biển III. ÁP DỤNG MÔ HÌNH DUROS – Plus TÍNH TOÁN XÓI LỞ TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ MẶT CẮT NGANG CỒN CÁT VEN BIỂN MIỀN TRUNG III.1 Các vị trí tính toán và số liệu cơ bản [1,2] Các số liệu hải văn ( sóng, triều, mực nước tổng hợp) sử dụng trong mô hình được lấy từ kết quả tính của Viện Cơ học. Trong ví dụ tính toán đã sử dụng số liệu sóng và mực nước với p =1%. Các số liệu địa hình mặt cắt ngang cồn cát và đường kính hạt cát (D50) sử dụng từ kết quả khảo sát thực địa năm 2010 của Viện Khoa học Thủy lợi. Dưới đây nêu ví dụ số liệu tính toán cho 2 mặt cắt cồn cát đại diện tại vùng ven biển Bình Định và Bình Thuận. a) Mô tả khu vực và số liệu cơ bản tại 2 khu vực đại diện Khu vực Đặc điểm Đường kính hạt cát D50 (mm) Mực nước triều thiên văn (m) Mực nước H1% (m) Đặc trưng sóng bão Hmin (cm) Htb (cm) Hmax (cm) Hs (m) Ls m T (s) Cát Tiến - Phù Cát- Bình Định Cồn cát cao, hẹp. phía sau là khu dân cư, có biến động mạnh trên đỉnh cồn, 0,16 ÷ 0,19 -129 -35 101 109 6,5 14,8 TiếnThành-Phan Thiết- Bình Thuận Cồn cát trung bình. Trên cồn có khu du lịch và đường. 0,17 ÷ 0,38 -153 -12 99 202 4,7 12,7 Cồn cát Cát Tiến - Phù Cát - Bình Định và cồn cát Tiến Thành - Phan Thiết - Bình Thuận b) Nhập và phân tích số liệu mặt cắt ngang cồn cát trước bão, bùn cát, hải văn [5] III.2 Vấn đề kiểm định mô hình Một trong các yêu cầu cần có để đánh giá tính hợp lý của kết quả tính toán dự báo xói lở cồn cát đó là xu thế biến động trong thực tế của khu vực cồn cát đang nghiên cứu , cụ thể là các số liệu đo đạc địa hình mặt cắt ngang bãi biển – cồn cát theo định kỳ hàng năm, theo mùa và ngay sau các cơn bão lớn. Ở các nước trên thế giới, trong vấn đề quản lý bảo vệ cồn cát/bờ biển, việc khảo sát theo dõi diễn biến địa hình cồn cát/bờ biển hàng năm là công việc bắt buộc và làm thường xuyên, nhưng ở Việt Nam, đâz là điều khó có thể thực hiện được. Tuz nhiên để có các căn cứ dù là sơ bộ để đánh giá tính hợp lý của kết quả tính toán dự báo xói lở cồn cát chúng tôi đã dựa vào kết quả điều tra nhân dân tại địa phương về xu thế, mức độ và quá trình biến động rất định tính và tương đối của bãi biển/cồn cát tại các khu vực và vị trí dự kiến tính toán dự báo xói lở. Tại 2 vị trí mặt cắt tính toán nêu trên, kết quả điều tra trong dân tại địa phương đã cho thấz xu thế xói lở bờ biển/ còn cát chiếm ưu thế hơn và liên tục từ năm 2002 trở lại đây, đặc biệt biến động mạnh khi xảy ra bão và gió mùa Đông Bắc. Vì vậy, ở mức độ nghiên cứu sơ bộ, các kết quả tính toán có thể chấp nhận được về mặt xu thế. Tuy nhiên, trong thời gian tới rất cần có các số liệu khảo sát đo đạc định kỳ địa hình bãi biển/còn cát theo mùa, theo năm để có căn cứ khẳng định mức độ chính xác của kết quả tính. III.3 Kết quả tính toán a) Hình ảnh kết quả tính toán Hình III.1:Dự báo xói lở trên MC ngang cồn cát tại Cát Tiến - Phù Cát - Bình Định ( P = 1%) Hình III.2: Dự báo xói lở trên MC ngang cồn cát Tiến Thành- Phan Thiết- Bình Thuận (P = 1%) b) Phân tích kết quả tính toán Cồn cát Mặt cắt tính Thông số xói lở ( tính với p =1%) Mức độ Cao độ điểm xói (m) Chiều rộng xói B (m) Tốc độ xói Er (m3/m ) Er/B Sâu nhất Cao nhất Cát Tiến - Bình Định BD8-1 -0.05 1.55 17 12.54 0.74 Mạnh TiếnThành-Bình Thuận BT7-1 0.3 2.8 65 38.83 0.60 Mạnh Để đánh giá mức độ xói, sử dụng chỉ tiêu mức độ xói lở Er(m3/m) trên chiều rộng xói B (m): Er(m3/m)/B(m) =0: Không xói; Er(m3/m)/B(m) < 0,3: Yếu; Er(m3/m)/B(m) = 0,3 ¸ 0,6: Tbình; Er(m3/m)/B(m) = 0,6¸1,2: Mạnh; Er(m3/m)/B(m) > 1,2: Rất mạnh IV. KẾT LUẬN Đây là lần đầu tiên một mô hình tính toán dự báo xói lở cồn cát: Mô hình DUROS-Plus được áp dụng trong điều kiện Việt Nam với các số liệu đầu vào được tính toán, đo đạc chi tiết. Từ các kết quả nghiên cứu áp dụng ban đầu có nhận xét về mô hình trên như sau: a) Ưu điểm: Sử dụng đơn giản, dễ hiểu, trực quan; b) Hạn chế: - Phần bồi ở chân bờ được giới hạn bởi mái dốc m=12.5 nên với địa hình đáy biển dốc hơn 12.5 đều phải chỉnh về độ dốc m=12.5 - Các thông số sóng tính toán chỉ có một giá trị duy nhất của sóng khu vực nước sâu. Trên thực tế sóng thay đổi theo thời gian của bão và khi truyền vào ven bờ thay đổi theo độ sâu nước. - Phần sạt lở cồn cát trên mực nước được qui ước là sạt lở với mái dốc m=1.0 trong một số trường hợp có thể chưa phản ánh đúng hình ảnh sạt lở cồn cát sau bão. c) Khả năng áp dụng: Từ các ví dụ tính toán tại một số mặt cắt đại diện, mặc dù có 1 vài tồn tại nêu trên, hoàn toàn có cơ sở để phát triển các trường hợp tính và mở rộng phạm vi tính toán cho nhiều vị trí cồn cát ven biển các tỉnh Trung Bộ. Một yêu cầu quan trọng cần lưu ý là phải có các số liệu khảo sát đo đạc định kỳ địa hình bãi biển/còn cát theo mùa, theo năm để đảm bảo việc đánh giá kiểm định các kết quả tính toán xói lở Các kết quả tính toán dự báo xói lở cồn cát ở phạm vi rộng sẽ là căn cứ đánh giá được khả năng ổn định, xói lở hay dịch chuyển của cồn cát ven biển , đồng thời là căn cứ đề xuất các biện pháp quản lý, bảo vệ, khai thác hợp lý tại các khu vực cồn cát TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Ngọc Quỳnh & NNK: báo cáo điều tra cơ bản hiện trạng còn cát ven biển miền Trung, Viện Khoa học Thủy lợi, 2008. [2]. Nguyễn Ngọc Quỳnh; báo cáo hội thảo Việt Nam – Hà lan, dự án hợp tác “ Trợ giúp kỹ thuật cho chương trình khoa học công nghệ cải tạo và nâng cấp đê biển và công trình thủy lợi tại vùng cửa sông và ven biển Việt Nam”, 10/2010. [3]. Laura A. Fauver: Simple Models for Dune Erosion, Master of ScienceCollege of Marine Science University of South Florida 3/2005. [4]. Guide to the assessment of the safety of dunes as a sea defence, Center for civil engineering research and codes ( CUR), Technical Advisory committee on water defence, 2/1989. [5]. Duros –Plus model: User’s Manual [6]. SBEACH model: User’s Manual, U.S. Army Corps of Engineers. Tác giả: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Quỳnh, ThS. Nguyễn Thành Trung Tạp chí KH&CN Thủy lợi
- Đối với mực nước trong bão, lấy giá trị mực nước ở vị trí ngay bên ngoài vùng sóng vỡ. 
Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển
Ý kiến góp ý:
