Ứng dụng mô hình MIKE 21/3 FM COUPLE tính toán một số đặc trưng hải văn tỉnh Bình Thuận

Các mô hình động lực học vùng cửa sông ven biển được sử dụng ở Việt Nam trước đây cũng còn có những hạn chế về độ chính xác dẫn đến sai số trong tính toán. Để nghiên cứu chế độ động lực dải ven biển Bình Thuận, chúng tôi đã ứng dụng mô hình MIKE21/3 FM COUPLE của Viện Thủy lực Đan Mạch để tính toán mô phỏng chế độ động lực dòng chảy khu vực ven biển. Đây là một mô hình hiện đại cho kết quả tính toán có độ chính xác cao, dễ áp dụng và đang được nghiên cứu ở Việt Nam. Mô hình được ứng dụng để tính toán một số đặc trưng hải văn ven biển tỉnh Bình Thuận.

I. Đặt vấn đề

Là một tỉnh phía Đông Nam giáp biển, Bình Thuận có chiều dài bờ biển 192 km, diện tích vùng lãnh hải rộng 52.000 km2 thuận lợi cho việc khai thác thuỷ sản và khai thác du lịch. Toàn tỉnh khoảng trên 3000 ha mặt nước triều có thể đưa vào nuôi tôm, làm ruộng muối. Triều, mặn trong nước sông vùng ven biển là nhân tố khá quan trọng đối với sản xuất, dân sinh và quốc phòng bởi vì nó trực tiếp chi phối vận tải thuỷ, tưới tiêu, ô nhiễm nguồn nước, diễn biến cửa sông, bờ biển (Nguyễn Thanh Hùng, 2010, [6]).

Do nhu cầu phát triển kinh tế biển và ven bờ trong thời kỳ đổi mới ở nước ta, vấn đề tính toán thủy động lực và sóng ven bờ phục vụ cho việc quy hoạch, thiết kế các công trình ven bờ, các công trình bảo vệ bờ cũng như công tác nghiên cứu quản lý dải bờ biển là rất quan trọng. Các mô hình số trị tính sóng ven bờ đang sử dụng ở nước ta được phân chia làm 2 loại: loại thứ nhất là các mô hình sóng tuyến tính cho phép tính trường sóng ven bờ xét đến các hiệu ứng khúc xạ, nước nông, sóng vỡ và nhiễu xạ (như mô hình RCPWAVE, (Ebersole, 1985, [9]) hoặc không tính nhiễu xạ nhưng lại tính đến sự phát sinh năng lượng sóng do gió (như mô hình SWAN). Vì không tính được sự phản xạ và nhiễu xạ sóng một cách đầy đủ, loại mô hình này chỉ có thể được áp dụng cho những vùng nước sâu rất đơn giản (Vũ Thanh Ca, 2004, [5]). Loại mô hình thứ hai là mô hình sóng phi tuyến giải các phương trình truyền sóng cho vùng nước nông. Loại mô hình này có thể tính đầy đủ sóng nhiễu xạ, khúc xạ, phản xạ, nước nông, sóng vỡ…Mô hình MIKE 21 SW chính là một trong các mô hình thuộc loại thứ 2 này [3]. Hiện tại đã có một số tác giả ứng dụng mô hình MIKE 21 để tính toán trường động lực và biến hình lòng dẫn trên hệ thống sông cũng như vùng cửa sông, ven biển và đã cho một số kết quả rất khả quan (Nguyễn Thọ Sáo và nnk, [8], Trịnh Việt An và nnk [4], Nguyễn Thanh Hùng và nnk [7], …)

Việc nghiên cứu toàn diện về chế độ thủy động lực của vùng nghiên cứu ven biển tỉnh Bình Thuận thông qua ứng dụng mô hình toán sẽ là cơ sở quan trọng cho việc đề xuất các giải pháp chỉnh trị bảo vệ bờ biển. Trong nghiên cứu này đã sử dụng mô hình thủy động lực Mike 21/3 FM couple làm công cụ để tính toán chế độ thủy hải văn ven biển tỉnh Bình Thuận.

2. Giới thiệu mô hình MIKE 21/3 FM COUPLE

Mô hình kết hợp MIKE 21/3 FM couple là hệ thống mô hình động lực có thể áp dụng cho vùng cửa sông, ven biển và trong sông. Mô hình bao gồm các mô đun sau:

- Mô đun dòng chảy (MIKE 21 FM)

- Mô đun tải khuếch tán

- Mô đun chất lượng nước và sinh thái học

- Mô đun vận chuyển bùn, cát

- Mô đun phổ sóng (MIKE 21 SW)

Mô đun dòng chảy và phổ sóng là hai thành phần cơ bản của mô hình MIKE 21/3 FM couple. Mô hình này cho phép tính toán tương tác giữa sóng và dòng chảy bằng việc sử dụng kết hợp giữa mô đun dòng chảy và mô đun sóng. Mô hình cũng có thể tính sự biến đổi hình thái của dòng sông cũng như vùng đáy biển (kết hợp giữa mô đun vận chuyển bùn, mô đun vận chuyển cát, mô đun dòng chảy và mô đun sóng). Sự kết hợp giữa các mô đun của mô hình cho phép mô phỏng sự tương tác qua lại đầy đủ của những thay đổi về độ sâu đến tính toán sóng cũng như dòng chảy nên độ chính xác của mô hình cũng được nâng cao so với các mô hình khác.

- Mô đun dòng chảy MIKE 21 FM

Mike 21 FM, là mô đun cơ bản tính toán trường động lực dòng chảy với cách tiếp cận mắt lưới linh hoạt dạng tam giác phi cấu trúc. Mô đun này được ứng dụng nghiên cứu cho hải dương học, môi trường vùng cửa sông ven biển. Mô đun gồm có hai phương trình chính là phương trình liên tục và  phương trình động lượng.

- Mô đun sóng MIKE 21 SW

MIKE 21 SW là mô đun tính phổ sóng gió được tính toán dựa trên lưới phi cấu trúc. Mô đun này tính toán sự phát triển, suy giảm và truyền sóng gió và sóng lừng ở ngoài khơi và khu vực ven bờ.

Trong nghiên cứu này sử dụng mô đun dòng chảy và mô đun phổ sóng để tính toán một số đặc trưng hải văn tỉnh Bình Thuận. Dưới đây trình bày việc thiết lập mô hình tính toán cho vùng nghiên cứu và các phương án tính toán đối với vùng nghiên cứu.

3. Thiết lập mô hình

3.1. Phạm vi tính toán và điều kiện biên của mô hình

Khi sóng truyền vào ven bờ thì các đặc trưng của sóng bị ảnh hưởng mạnh bởi yếu tố địa hình. Để nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng sóng cần địa hình chi tiết. Trong nghiên cứu đã sử dụng 2 lưới để tính sóng truyền vào bờ. Lưới thưa (lưới II trên hình 2) bao phủ miền lớn dùng để tính toán biên cho lưới mịn (lưới I trên hình 2). Mục đích sử dụng lưới mịn là để chính xác hóa địa hình vùng gần bờ và lưới này không quá rộng để tiết kiệm thời gian tính toán. Lưới II mô hình được chọn bao phủ vùng bờ biển khu vực phía nam Việt Nam trong đó có bờ biển tỉnh Bình Thuận và ngoài phía biển khoảng 130 km. Biên phía ngoài biển của mô hình được chọn trùng với các điểm có dữ liệu tính toán sóng của mô hình sóng toàn cầu WAVEWATCH III của Mỹ. Dữ liệu tính toán sóng toàn cầu từ mô hình WAVEWATCH III được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam và đã được thực tế ở Việt Nam chấp nhận.. Lưới I của mô hình được chọn bao phủ vùng bờ biển tỉnh Bình Thuận và ra  ngoài phía biển khoảng 60 km. Dữ liệu địa hình được lấy từ ETOPO5 của Mỹ với địa hình đáy biển bước lưới 1 phút cho toàn bộ vùng nghiên cứu và cập nhật hải đồ tỷ lệ 1:100.000 cho vùng ven bờ.

Hình 2: Các lưới tính tính sóng cho khu vực ven biển Bình Thuận

Hình 3. Lưới tính khu vực ven biển Bình Thuận

 - Biên mực nước

Để có được số liệu biên mực nước cho mô hình tính toán các đặc trưng hải văn tỉnh Bình Thuận: các điểm A1, A2, A3 và A4 trên hình 4, đã trích từ kết quả tính toán thủy triều của mô hình tính toán triều toàn biển Đông cho trên Hình 5.

Hình 4.Điểm trích biên lỏng cho mô hình lưới I và Hình 5.Lưới tính mực nước triều biển Đông

- Biên tính toán sóng: Sử dụng kết quả tính toán sóng của lưới II làm đầu vào cho lưới I, do đó ở đây xác định biên của lưới II như sau:

+ Biên của lưới II tại các điểm T1, T2 và T3 trên hình 2 được chọn trùng với các điểm trong miền tính của mô hình WaveWatchIII. Với cách chọn như trên hoàn toàn có thể đưa kết quả tính sóng của mô hình sóng WaveWatchIII tại các điểm T1, T2 và T3 vào mô hình lưới II.

+ Chọn điểm T4 trên hình 2 làm điểm kiểm tra kết quả tính sóng. Vị trí điểm này là 1 trong những điểm lưới của mô hình tính sóng WaveWatchIII.  Lấy kết quả tính sóng của mô hình WaveWatchIII tại vị trí T4 để so sánh với kết quả tính sóng từ mô hình được xây dựng MIKE 21- SW.

+ Sau khi hiệu chỉnh được mô hình tính sóng MIKE 21-SW thì trích kết quả tại các điểm trong miền tính để làm biên đầu vào tính sóng cho mô hình lưới I (Hình 2).

3.2. Hiệu chỉnh mô hình

Để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cần thiết đưa vào giá trị các thông số sau:

- Mức “0” mô hình: mức “0” hệ cao độ lục địa.

- Hệ số nhám đáy biển: Thông số nhám Nikuradse Kn = 0.002, áp dụng đều khắp trên mô hình tính.

- Điều kiện sóng vỡ:

Do không có nhiều số liệu để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình nên ở đây chỉ hiệu chỉnh mô hình bằng cách kiểm tra kết quả tính toán của mô hình cho thời khoảng 15 ngày. Tiến hành so sánh mực nước tính toán với số liệu thực đo tại Phan Thiết từ ngày 15/11 đến ngày 30/11 năm 2009 (Hình 7), kết quả cho thấy số liệu tính toán khá phù hợp với số liệu thực đo. Chỉ số so sánh Nash = 0.89 đạt được là khá tốt (Bảng 1).

Hình 7. Mực nước thực đo và tính toán tại Phan Thiết (từ 15/11-30/11/2009)

Bảng 1.  Bảng chỉ số NASH của quá trình hiệu chỉnh mô hình

Vì không có số liệu đo đạc sóng, đã so sánh kết quả tính toán sóng của mô hình với kết quả tính toán sóng từ mô hình tính sóng toàn cầu WaveWatch III của Mỹ. Kết quả cho thấy mô hình cho kết quả tương đối khớp với mô hình WaveWatch III trong cả thời kỳ gió mùa Tây Bắc và gió mùa Đông Nam (Hình 8 và Hình 9).

Hình 8. Độ cao sóng từ mô hình MIKE 21-SW và mô hình tính sóng (WaveWatch III) vào tháng 6 (tại vị trí: T4 108.75o;11o)	Hình 9. Độ cao sóng  từ mô hình MIKE 21-SW và mô hình tính sóng (WaveWatch III) vào tháng 11 (tại vị trí: T4 108.75o,11o)

4. Kết quả tính toán và thảo luận

4.1. Phương án tính toán

Trong nghiên cứu này tính toán đặc trưng dòng chảy và sóng cho vùng ven biển tỉnh Bình Thuận đối với 2 thời đoạn gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam vào tháng 11 và vào tháng 6 trong năm 2009 cụ thể như sau:

+ Gió mùa Đông Bắc: 15/11 - 30/11//2009.

+ Gió mùa Tây Nam:  15/6 - 30/6/2009.

4.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận

Qua kết quả mô phỏng sóng cho toàn tỉnh với mùa gió tây nam (Hình 10) cho thấy: trong mùa gió này độ cao sóng ngoài khơi khoảng từ 0.48 ÷1.4m. Đường bờ biển tỉnh Bình Thuận lồi lõm do đó hiện tượng khúc xạ sóng theo địa hình xảy ra, sóng hội tụ tại các khu vực như Mũi Kê Gà, Mũi Né và xã Phước Thể. Các khu vực có đường bờ cong sóng có hiện tượng phân kỳ. Bờ biển cong phía nam của các khu vực như Mũi Kê Gà, Mũi Né và xã Phước Thể độ cao sóng lớn hơn bờ biển phía Bắc với độ cao sóng trung bình là 0.54m, và phía bắc là 0.3m. Ngược lại, so với chế độ sóng của gió mùa Tây Nam, độ cao sóng trong gió mùa Đông Bắc (Hình 11) lớn hơn sóng trong gió mùa Tây Nam với độ cao khoảng 0.5÷3.5m. Các khu vực như Mũi Kê Gà, Mũi Né, mũi thuộc xã Phước Thể cũng có độ cao sóng lớn hơn so với các khu vực có đường bờ lõm. Sóng vào vùng bờ biển phía bắc của các mũi này có độ cao sóng lớn hơn so với sóng vào bờ biển phía nam mũi. Độ cao sóng trung bình ở ven bờ phía bắc là 0.75m, phía nam là 0.4m.

Sóng vỡ đổ đã tạo ra dòng chảy, ở đâu có sườn bờ dốc thì dòng chảy có tốc độ lớn, ở đâu có sườn bờ thoải tốc độ dòng chảy nhỏ. Dưới ảnh hưởng của dòng triều, khi triều dâng dòng chảy hướng lên phía Bắc và khi triều rút dòng chảy hướng xuống phía Nam. Dòng ven bờ mùa hè chảy lên phía Bắc. Qua kết quả mô phỏng dòng chảy ven bờ tỉnh Bình Thuận (Hình 12) cho thấy vận tốc dòng ven lớn nhất ở đầu các mũi bờ lồi (mũi Kê Gà, Mũi Né, xã Phước Thể) với vận tốc trung bình 0.3 m/s dòng chảy này chủ yếu gây ra bởi sóng. Dòng chảy ven bờ tại các bờ biển phía nam các mũi đất này lớn hơn dòng chảy phía bắc của các mũi. Do độ cao sóng hướng Đông Bắc lớn nên dòng chảy ven bờ trong mùa này cũng lớn hơn trong gió mùa Tây Nam với vận tốc trung bình 0.45m/s và có hướng chảy từ Bắc xuống Nam. Vận tốc dòng chảy lớn nhất là ở đầu các mũi bờ lồi (Mũi Kê Gà, Mũi Né, xã Phước Thể). Vận tốc dòng ven bờ phía bắc của  các mũi này cũng lớn hơn phía Nam.

Hình10:Trường sóng lưới I vào tháng 6	Hình 11:Trường sóng lưới I vào tháng11
Hình 12:Trường dòng chảy vào tháng 6	Hình 12:Trường dòng chảy vào tháng 11

5. Kết luận và thảo luận

Qua nghiên cứu này có thể rút ra một số kết luận như sau:

- Mô hình MiKe21/3 FM couple là một công cụ mạnh trong việc tính toán, mô phỏng dòng chảy 2 chiều trong có sự tương tác các yếu tố sóng và dòng chảy bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

- Kết quả phân tích trường sóng và trường lưu tốc, mực nước tại các điểm khống chế có thể sơ bộ đánh giá khả năng các đoạn bờ có nguy cơ bị bồi xói, làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp chỉnh trị bảo vệ bờ, phục vụ giao thông vận tải thủy.

- Chế độ thủy động lực học vùng ven biển Bình Thuận có sự biến động sâu sắc theo mùa trong năm. Dòng chảy trong khu vực nghiên cứu chủ yếu do sự tương tác giữa dòng triều và dòng chảy sóng.

- Các tính toán trong nghiên cứu này cũng còn tiềm ẩn sai số. Sở dĩ như vậy là vì còn thiếu số liệu đo đạc tin cậy về các yếu tố động lực vùng biển và sự tương tác giữa các yếu tố sóng và dòng chảy; thiếu các số liệu để hiệu chỉnh và kiểm chứng các mô hình số trị thuỷ động.

6. Tài liệu tham khảo

1. Komen, G. J. Cavaleri, L. Donelan M., Hasselmann, K. Hasselmann, S., Dynamics and Modelling of Ocean Waves,  Cambridge Univerity press, 1994.

2. Young I.R., (1999), Wind-generated ocean waves, In Elsevier ocean Engineering Book Series, Volume 2. Eds R. Bhattacharyya and M.E. McCormick, Elsevier.

3. MiKe21/3 FM couple – User guide - DHI softwere, 2007.

4. Trịnh Việt An, Nguyễn Thị Hải Lý,Trịnh Diệu Hương, (2010), Quy luật diễn biến, nguyên nhân cơ chế và giải pháp công trình chống bồi lấp, ổn định thoát lũ, giao thông thủy và tạo ra khu neo trú bão cửa sông Lại Giang tỉnh Bình Định, Khoa học công nghệ Thủy lợi (Bài đã nộp và đang trong quá trình biên tập đăng báo).

5. Vũ Thanh Ca, Phùng Đăng Hiếu (2003), Mô hình tính toán trường sóng cho vùng ven biển có độ dốc thoải, Tuyển tập công trình hội nghị khoa học Cơ học thủy khí toàn quốc năm, Tr. 56-66.

6. Nguyễn Thanh Hùng, Chuyên đề: Chế độ hải văn ven biển tỉnh Bình Thuận, 2010 (56 trang).

7. Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Ngọc Bách, Nguyễn Mạnh Linh, Nguyễn Thùy Dung (2009). Nghiên cứu quy luật vận chuyển bùn cát bằng mô hình 2 chiều và phân tích ảnh viễn thám, Khoa học công nghệ Thủy lợi, số 22.

8. Nguyễn Thọ Sáo, Đinh Văn Ưu, Trần Ngọc Anh, 2010, Impacts of structure system (bridge, groin, close port) on local morphology in Cua Tung river mouth and adjacent beach, Proceedings the third scientific workshop on “Coastal line evolution, river mouth changes and protected structures”, Halong city, 19 - 22 August, 2010.

9. Ebersole B. (1985) Refraction-diffraction model for linear water waves. J. Waterway, Port, Coastal anf Ocean Eng. Vol. 111, No WW6, 939-953.

Tác giả: TS. Nguyễn Thanh Hùng
Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi