®¹i häc quèc gia hμ néi Tr−êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn - Vũ Công Hữu NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ SĨNG, DỊNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HC H N1i - 2010 đại học quốc gia h nội Trờng đại học khoa học tự nhiên - Vũ Công Hữu NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ SĨNG, DỊNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH Chuyên ngành : Hải dương học Mã số : 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN MINH SƠN Hà Nội - 2010 Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này, tác giả mong muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Minh Sơn – Viện Công nghệ Môi Trường – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, định hướng, trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ nhiều mặt Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới TS Lê Xuân Hoàn - Viện Cơ học Hà Nội giúp đỡ số liệu phương pháp luận để tiếp cận đến tốn thực tế Tác giả ln biết biết ơn sâu sắc thầy cô Bộ môn Hải Dương học - Khoa KT – TV - HDH truyền đạt kinh nghiệm quý báu q trình đào tạo, nhờ học viên nâng cao trình độ, mở rộng tầm hiểu biết tiếp cận đến thực tế Cuối cùng, Tôi xin cảm ơn Phịng Quy hoạch Mơi trường – Viện Cơng nghệ Môi trường tạo điều kiện thuận lợi để luận văn hồn thành Trong q trình thực hiện, luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, mong nhận góp ý thầy bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Tác giả xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2010 Học viên Vũ Công Hữu Mục lục Lời cảm ơn Mục lục MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Chế độ gió 10 1.2 Chế độ sóng 11 1.3 Chế độ thủy triều nước dâng 12 1.4 Đặc điểm địa mạo 13 1.5 Đặc điểm địa hình vùng ven bờ 15 1.6 Chế độ dòng chảy 15 1.7 Diễn biến cửa sông 17 1.8 Tình hình xói lở biến đổi đường bờ khu vực Hải Hậu 18 Chương GIỚI THIỆU CÁC MÔ ĐUN TRONG HỆ THỐNG MƠ HÌNH MIKE ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 21 2.1 Sơ lược chương trình thủy động lực 21 2.2 Giới thiệu mơ hình MIKE 21FM 26 2.3 Giới thiệu mơ đun tính sóng Mike21 SW 28 2.4 Giới thiệu mơ đun dịng chảy Mike21 HD FM 34 2.5 Giới thiệu mơ đun tính vận chuyển trầm tích Mike21 ST FM 37 2.6 Sự liên kết mô đun 40 Chương SỬ DỤNG MƠ HÌNH MIKE TÍNH TỐN CÁC ĐẶC TRƯNG SĨNG, DỊNG CHẢY VÀ VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÙNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NAM ĐỊNH 42 3.1 Thu thập số liệu khảo sát thực địa 42 3.2 Tính tốn đặc trưng trường sóng 44 3.2.1 Hiệu chỉnh kiểm tra mơ hình sóng 48 3.2.2 Tính tốn đặc trưng trường sóng 53 3.3 Tính tốn trường dịng chảy sóng 58 3.4 Tính tốn vận chuyển trầm tích 59 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60 4.1 Kết phương án tính sóng 60 4.2 Kết phương án tính dịng chảy sóng 67 4.3 Kết tính tốn vận chuyển trầm tích 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Phụ lục 1: Kết tính tốn phân bố trường sóng 20 phương án 82 Phụ lục 2: Kết phương án tính dịng chảy sóng 103 Phụ lục 3: Kết phương án tính vận chuyển trầm tích 109 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Lan truyền sóng biển, vận chuyển trầm tích bồi xói lĩnh vực khoa học quan trọng, nhà khoa học quan tâm Trong thực tế, sóng vận chuyển trầm tích nói chung, gây xói lở gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động kinh tế xã hội nhiều vùng ven biển Nhiều giải pháp quản lý, kỹ thuật khác xây dựng nhằm giải vấn đề tính tốn mơ hình cơng cụ quan trọng giúp ích cho việc xây dựng giải pháp Tỉnh Nam Định có 72 km bờ biển hạ lưu nhiều sông lớn như: sông Hồng, sông Ninh Cơ, sông Đáy Đây khu vực đặc thù, thể đầy đủ tác động ảnh hưởng đến bãi biển, bờ biển Nguyên nhân gây bồi xói vùng ven biển tác động sóng dịng chảy làm cho bùn cát dịch chuyển theo hai hướng: vng góc với bờ (cross shore) dọc theo bờ (long shore) Q trình bồi xói xảy thời gian dài (long term) làm biến đổi đường bờ xem hệ qủa chuyển dịch bùn cát dọc bờ Nhiều khu vực vùng bờ biển Nam Định, đặc biệt đoạn bờ khoảng từ Văn Lý tới Thịnh Long bị xói lở mạnh Trong năm gần đây, quy mơ cường độ xói lở có chiều hướng gia tăng Đặc biệt, bão số ngày 27 tháng năm 2005, nhiều đoạn đê biển khu vực đê biển Hải Triều, Hải Hoà, Hải Thịnh bị vỡ, gây ngập lụt cho khu vực rộng lớn ven bờ Đặc biệt, số địa điểm du lịch bãi biển Thịnh Long, sóng kết hợp với nước dâng bão phá huỷ toàn đường ven biển nhiều nhà nghỉ Thông thường, số vùng biển, đặc biệt biển miền Trung, tượng xói lở xảy vào mùa đơng, sóng lớn kết hợp với triều cường công vào bờ, đào hố xói bãi làm sạt lở bờ biển cơng trình xây dựng bờ Vào mùa hè, sóng lặng sóng lừng mang cát từ xa vào bồi lại bãi Tuy nhiên, chế xói lở bãi biển Nam Định chưa rõ ràng Đối với vùng biển này, tượng xói lở xảy thường xuyên năm, mạnh vào mùa đơng Q trình diễn biến xói lở bờ biển tác động sóng trình phức tạp, bị tác động yếu tố chiều cao sóng, vị trí sóng vỡ, dịng chảy sóng vỡ, ứng suất sóng tác dụng đáy, lượng bùn cát chuyển dịch cách thức biến dạng mái dốc bờ biển Hình Một số hình ảnh xói lở bờ biển Nam Định Để nghiên cứu tốn xói lở khu vực biển Nam Định, cần nghiên cứu mối quan hệ tổng thể tác động liên quan hoạt động kinh tế xã hội tự nhiên gây Về mặt tự nhiên, cần xét đến tác động tổng hợp tác nhân, sóng, dịng chảy, thủy triều, nước dâng, … Vì vậy, đề tài Nghiên cứu chế độ song, dịng chảy vận chuyển trầm tích lựa chọn Tuy nhiên, khuôn khổ luận văn này, tập chung vào nghiên cứu, tính tốn phân bố trường sóng, dịng chảy sóng lượng vận chuyển cát gây sóng vùng nước biển ven bờ Hải Hậu - Nam Định Mô hình cơng cụ quan trọng, hỗ trợ xây dựng giải pháp quản lý nhằm giảm thiểu thiệt hại phịng ngừa tác động biển Mơ hình MIKE sử dụng nhiều nước giới Việt Nam, có đủ chức đáp ứng việc giải tốn thực tế Mơ đun liên hợp Mike21 coupled model FM (hai chiều) chương trình sử dụng cho nghiên cứu Mơ đun liên kết mơ đun tính tốn dịng chảy (Mike21HD FM), mơ đun tính tốn sóng (Mike21 SW FM), mơ đun tính tốn vận chuyển cát (Mike21ST FM) với lưới phi cấu trúc (phần tử hữu hạn) phù hợp tốt với dạng đường bờ địa hình phức tạp Mục đích đề tài: Việc sử dụng cơng cụ mơ hình vào tốn thực tế cịn nhiều khó khăn hạn chế Trong tực tế, thường khơng có nhiều thực nghiệm hệ số mơ số liệu đo đạc trường phục vụ cho tham số đầu vào Vì vậy, mục đích nghiên cứu thử nghiệm áp dụng mơ đun chương trình MIKE nhằm tính tốn đặc trưng trường sóng, dịng chảy sóng vận chuyển tầm tích gây sóng Do vậy, bố cục luận văn gồm phần sau: MỞ ĐẦU Chương 1: Tổng quan khu vực nghiên cứu Chương 2: Giới thiệu mô đun hệ thống mơ hình Mike áp dụng nghiên cứu luận văn Chương 3: Tính tốn đặc trưng sóng, dịng chảy vận chuyển trầm tích vùng nước biển ven bờ Nam Định Chương 4: Các kết thảo luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU Tỉnh Nam Định có đường bờ biển dài chạy theo hướng Tây Nam Đông Bắc (lệch khoảng 45o so với hướng Bắc) số cửa sông cửa Đáy, cửa Ninh Cơ, cửa Ba Lạt Đặc điểm cửa sông lượng phù sa vận chuyển hàng năm biển lớn Chính vậy, vùng cửa sông tồn nhiều bãi cát, doi cát cồn cát ngầm Vì cát sông đưa cát mịn nên độ dốc bãi toàn vùng bãi biển Nam Định nhỏ Tại nhiều vị trí, độ dốc bãi biển nhỏ 1% Hình 1.1 Bản đồ tỉnh Nam Định (Dự án VNICZM, Hà Nội) 1.1 Chế độ gió Tại vùng biển Nam Định tồn hai mùa gió rõ ràng, gió mùa đơng bắt đầu vào khoảng tháng 10 hàng năm kết thúc vào khoảng tháng năm sau, gió mùa hè (nam, đơng nam tây nam) thời gian lại năm, từ tháng đến tháng Gió mùa đơng đặc trưng tốc độ mạnh thổi từ phía Bắc, nhiệt độ thấp lượng mưa thấp Gió mùa hè đặc trưng gió vừa, thổi từ phía nam, nhiệt độ cao lượng mưa cao Ngồi ra, có giai đoạn chuyển tiếp hai gió mùa (tháng tháng 10), đặc trưng gió mậu dịch hướng đơng mang theo luồng khí mát Xung quanh khu vực Hải Hậu có trạm đo gió, cho thấy trường gió Vịnh Bắc Bộ bị ảnh hưởng địa hình rõ Vì trạm Bạch Long Vĩ nằm Vịnh Bắc Bộ (trên đảo Bạch Long Vĩ), cách xa đất liền, liệu gió ghi nhận trạm đại diện cho tính sóng nước sâu bãi biển Hải Hậu [18], [26] Hình 1.2 Hoa gió trạm xung quanh khu vực Hải Hậu (dựa chuỗi số liệu từ năm 1976 - 1995) 10 Kêt phương án (PA19): Các tham số sóng đầu vào: Độ cao sóng 1,46(m), chu kỳ sóng 5,7(s), hướng sóng 135o Hình 4.71 Phân bố trường sóng phương án 19 (PA19) Hình 4.72 Phân bố trường sóng khu vực Hải Hậu, phương án 19 (PA19) 101 Kêt phương án (PA20): Các tham số sóng đầu vào: Độ cao sóng 1,85(m), chu kỳ sóng 5,7(s), hướng sóng 135o Hình 4.73 Phân bố trường sóng phương án 20 (PA20) Hình 4.74 Phân bố trường sóng khu vực Hải Hậu, phương án 20 (PA20) 102 Phụ lục 2: Kết phương án tính dịng chảy sóng Hình 4.75 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA1) Hình 4.76 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA2) Hình 4.77 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA3) 103 Hình 4.78 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA4) Hình 4.79 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA5) Hình 4.80 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA6) 104 Hình 4.81 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA7) Hình 4.82 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA8) Hình 4.83 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA9) 105 Hình 4.84 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA10 Hình 4.85 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA11) Hình 4.86 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA12) 106 Hình 4.87 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA13) Hình 4.88 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA14) Hình 4.89 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA15) 107 Hình 4.90 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA17) Hình 4.91 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA18) Hình 4.92 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA19) 108 Hình 4.93 Phân bố trường dịng chảy sóng khu vực Hải Hậu (PA20) Phụ lục 3: Kết phương án tính vận chuyển trầm tích Hình 4.94 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA1) Hình 4.95 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA2) 109 Hình 4.96 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA3) Hình 4.97 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu(PA4) Hình 4.98 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA5) 110 Hình 4.99 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA6) Hình 4.100 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA7) Hình 4.101 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA8) 111 Hình 4.102 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA9) Hình 4.103 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA10) Hình 4.104 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA11) 112 Hình 4.105 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA12) Hình 4.105 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA13) Hình 4.107 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA14) 113 Hình 4.108 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu 15 (PA15) Hình 4.109 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA16) Hình 4.110 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA17) 114 Hình 4.111 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA18) Hình 4.112 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA19) Hình 4.113 Phân bố trường suất vận chuyển khu vực Hải Hậu (PA20) 115