Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SUY GIẢM SÓNG TÀU BỞI HỆ THỰC VẬT VEN SÔNG BẰNG MÔ HÌNH SỐ TRỊ Nguyễn Bá Thủy (1), Nguyễn Xuân Hiển (2), Vũ Hải Đăng (3) (1) Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương (2) Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường 3) Viện Địa chất Địa Vật lý Biển Trong nghiên cứu này, khả suy giảm sóng tàu thực vật ven sông tính toán phân tích mô hình số trị. Mô hình tính toán trình phát sinh, lan truyền tác động tới bờ sông sóng tàu nghiên cứu xây dựng dựa hệ phương trình Bousinessq chiều, có xem xét đến thành phần tiêu tán lượng sóng thực vật. Mô hình sau áp dụng cho đoạn sông với địa hình lý tưởng. Ảnh hưởng mật độ kích thước bãi thực vật tính toán phân tích. Kết tính toán cho thấy lượng sóng tàu sóng leo suy giảm đáng kể tăng mật độ kích thước bãi thực vật. với mật độ 250 cây/m2 bề dầy thực vật 35 m suy giảm 59% 73% độ cao sóng leo áp lực sóng tương ứng. 1. Mở đầu Các hiệu ứng nước nông, khúc xạ, nhiễu xạ, sóng đổ, sóng leo sóng gió tác động chúng tới trình xói lở bờ biến đổi địa hình đáy nghiên cứu kỹ lưỡng. Tuy nhiên, trình phát sinh, lan truyền tác động sóng tàu lên công trình hoạt động lưu thông xung quanh chưa nghiên quan tâm nhiều Việt Nam giới. Trên giới, tượng sóng tàu quan tâm từ lâu theo nhiều hướng với mục đích khác nhau. Những nghiên cứu gần phải kể tới tác giả Tanimoto (2000), Dam người khác (2006) cho thấy sóng tàu sinh lan truyền phụ thuộc vào hình dạng vỏ tàu, tốc độ di chuyển, đô sâu nước khoảng cách tàu chạy. Kirkegaard et al. (1999) đưa báo cáo trạng số tàu lớn di chuyển với tốc độ nhanh gây nguy hiểm tàu nhỏ cư dân tắm biển. Về khía cạnh môi trường, tác giả Nakase et al. (1999) kết luận sóng tàu có tác động lớn đến hoạt động nuôi trồng thủy sản rong, tảo. Hướng nghiên cứu lượng sóng tàu tác động lên công trình bờ quan tâm nhiều hơn, cụ thể công trình nghiên cứu Weggel and Sarensen (1986), Chen and Sharmal (1997), Dong et al. 2009 sở giải phương trình dạng Kadomtsev–Petviashvili (KP). Tại Việt Nam, thời gian gần đây, trạng tuyến luồng có xu hướng xấu đi, tượng sạt lở bờ sông, mái dốc luồng liên tiếp xảy quan chức hệ thống truyền thông đề cập. Tại khu vực sông Sài Gòn kênh rạch thuộc đồng sông Cửu Long có tới hàng trăm điểm xói lở, có nhiều khu vực xói lở nghiêm trọng gây nên thiệt hại lớn, gây ảnh hưởng bất lợi đến đời sống nhân dân, hoạt động kinh tế, quy hoạch sử dụng đất môi trường. Có nhiều nguyên nhân gây sạt lở như: khai thác cát bừa bãi, mưa lũ… Trong có phần nguyên nhân tác động sóng tàu (có lượng lớn). Tuy nhiên, nghiên cứu sóng tàu ỏi, chủ yếu báo tác động sóng tàu tới xói lở bờ thực quan chức hệ thống truyền thông. Trong số nghiên cứu trước gần đây, tác giả Nguyễn Bá Thủy (2006), , Nguyễn Xuân Hiển người khác (2008) đề cập tới nghiên cứu tính toán trình phát sinh lan truyền sóng tàu dự hệ phương trình Boussinessq chiều. Tuy 288 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI nhiên, tính toán thực cho kênh lý tưởng với đường đẳng sâu song song, độ cao sóng leo áp lực sóng, tham số sóng tác động mạnh đến độ ổn định đường bờ khả làm suy giảm sóng bãi thực vật ven sông chưa đề cập chi tiết. Trong nghiên cứu này, mô hình mô trình phát sinh, lan truyền qua bãi thực vật sóng tàu dựa theo hệ phương trình Boussinesq chiều tiếp tục phát triển theo hướng ảnh hưởng thực vật xem xét. Sau đó, tác động thực vật tới suy giảm lượng sóng độ cao sóng leo tính toán phân tích cho số trường hợp mật độ kích thước bãi thực vật. Các tính toán phân tích bước đầu dựa điều kiện lý tưởng địa hình sông phân bố thực vật (cây có dạng hình trụ, phân bố đều). 2. Cơ sở lý thuyết mô hình toán 2.1. Hệ phương trình Mô hình tính toán mô sóng tàu dựa việc giải phương trình Boussinesq chiều Madsen Sorensen (1992). Các thành phần mô sóng leo, sóng đổ tác động thực vật bổ sung hệ phương trình mô tả đây: Phương trình liên tục: b ¶ ¶Qx ¶Q y + + =0 ¶t ¶x ¶y (1) Phương trình chuyển động theo phương x: ¶Qx ¶  Qx  ¶  QxQy  F  ¶  +   + gA +   Rbx + Ex + x + x  ¶t ¶x  A  ¶y  A  ¶x    ¶ 2Qy ¶ 3Q y    ¶ 3Qx   + h ¶h  =   + h  +   ¶t¶x ¶t¶x¶y  ¶y  ¶t¶x       ¶h  ¶ 2 ¶ 2  ¶h ¶ 2  ¶ 3 3 ¶  + gh   2 +  +  + gh  + ¶y  ¶y ¶x¶y  ¶x¶y  ¶x  ¶x  ¶x +h ¶h  ¶ 2Qx ¶ Q y + ¶x  ¶t¶x ¶t¶y        (2) Phương trình chuyển động theo phương y: ¶Q y ¶t + Fy  y ¶  Qx Q y  ¶  Q y  ¶   + + gA  Rby + E y + + ¶x  A  ¶y  A  ¶y   ¶ 3Q y   ¶ 3Qx  =   + h  +   ¶t¶x¶y ¶t¶y     + h ¶h  ¶ Qx  ¶x  ¶t¶y      ¶h  ¶ 2 ¶ 2  ¶h ¶ 2  ¶ 3  3 ¶  + gh   + 2  +  + gh  +  ¶y  ¶x ¶x¶y   ¶x ¶y ¶y   ¶y  ¶x Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 289 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI +h ¶h  ¶ 2Qx ¶ Q y + ¶y  ¶t¶x ¶t¶y     (3) Trong đó,  mực nước dao động bề mặt (m), Qx, Qy lưu lượng trung bình theo độ sâu theo phương x y (m3/s); t thời gian (s); h độ sâu mực nước yên tĩnh (m); g gia tốc trọng trường (m/s2);  mật độ nước (kg/m3);  = 1/15 hệ số phân tán (Madsen Sorensen, 1997); Rbx, Rbx thành phần tiêu tán lượng sóng vỡ theo phương x, y; d độ sâu mực nước tức thời, b chiều rộng tương đối kênh truyền sóng mô sóng leo, x, y thành phần ma sát đáy. Hệ phương trình, lý thuyết dải kết kiểm nghiệm mô hình trình bầy chi tiết công trình trước[1,2,4]. Fx, Fy lực cản thực vật tác động lên chuyển động sóng mô tả phương trình (4, 5): Qx Qx2 + Qy2 Fx = Cd d t d (4) Qy Qx2 + Qy2 Fy = CD d t d (5) Với  mật độ đơn vị diện tích CD hệ số lực kéo sinh sóng tác dụng lên thực vật giả thiết =1.0 với thực vật hình trụ khoảng giá trị hệ số Reynold điều kiện tại, dt đường kính cây. 2.2. Mô hình phát sinh sóng chuyển động tàu Mô hình phát sinh sóng tàu chuyển động Chen Sharma (1995) sử dụng. Giả thiết chiều rộng tàu nhỏ nhiều so với chiều dài coi tàu có dạng đoạn thẳng, nguồn lượng phát tàu chuyển động có dạng nguồn đường đưa sau: dS Qy =  U s dx (6) Trong đó, Us tốc độ di chuyển tàu, S diện tích tàu tiếp xúc với mực nước yên tĩnh thời điểm khác trình di chuyển tàu tính sau:   x 2  S ( xs ) = S0 1   s  ,   Ls   1  xs 1 Ls (7) Với xs khoảng cách tính từ điểm tàu Ls chiều dài tàu S0 diện tích mặt cắt ngang thân tàu ngập nước (giữa tàu) tính sau: S0 =  Bs ds Trong đó,  hệ số liên quan đến hình dạng tàu (hình dạng tiết diện ngang tàu), Bs kích thước bề ngang tàu, ds khoảng cách theo phương thẳng đứng tính từ mực nước yên tĩnh đến đáy tàu (chiều chìm). 290 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 3. Kết tính toán phân tích 3.1. Điều kiện tính toán Để nghiên cứu ảnh hưởng thực vật tới trình suy giảm độ cao sóng leo lượng sóng tàu, tất tính toán thực chung đoạn sông với mặt cắt ngang hình 1. Trong đó, độ sâu trung tâm H0=5m, chi ều dài đoạn sông dùng tính toán mô L0=1500m. Bãi thực vật giả thiết phân bố bên phía bờ phải theo hướng tàu chạy, hình trụ với đường kính dt=0.01m, phân bố bắt đầu khoảng cách 115m tính từ tâm sông. Các thông số tàu sau: chiều dài tàu 21.75 m, chiều rộng tàu 8.5 m; ngấn nước 2.0 m hệ số hình dạng tàu lấy 0.9, vận tốc lưu thông U=5.33m/s. Một số điều kiện khác kích thước bãi thực mật độ tính toán phân tích. Bãi thực vật Z (m) -80 -60 -40 -20 -1 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Đường trung tâm -2 -3 -4 -5 Y (m) Hình 1: Mắt cắt ngang sông 3.2. nh hưởng thực vật tới lan truyền sóng tàu Hình biểu diễn phân bố độ cao sóng tàu dọc theo mặt cắt ngang sông tai khoảng cách 1000 m tính từ điểm suất phát. Đây vị trí mà sóng tàu đạt đến độ cao lớn nhất. Điều kiện bãi thực vật: bề rộng 35 m, mật độ 0.0115 cây/cm2. Kết tính toán cho thấy, trường hợp bãi thực vật, độ cao sóng tàu tăng dần truyền vào vùng nước nông ven bờ, tới giá trị tới hạn sóng bị vỡ. Trong trường hợp có tồn bãi thực vật, hiệu ứng phản xạ với cây, độ cao sóng tăng nhẹ phía trước suy giảm đáng kể phía bãi thực vật. Giá trị cao sóng leo giảm khoảng 46% so sánh với trường hợp bãi thực vật. Tại vùng nước sâu phía bãi thực vật, độ cao sóng khác biệt trường hợp. 1.5 Bãi thực vật Z (m) 0.5 -0.5 -1 20 40 60 80 Mặt cắt sông Không có thực vật Có thực vật 100 120 140 160 180 200 Y (m) -1.5 -2 Hình 2: Phân bố độ cao sóng dọc theo mặt cắt sông (trường hợp có bãi thực vật Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 291 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 3.3. Năng lượng sóng tàu  Trong nghiên cứu này, véc tơ lượng sóng F tính theo công thức sau:    F = dV V (8) Đây tổng sóng theo độ sâu tác động lên vật thể ảo với kích thước bề ngang hệ số cản đơn vị, V vận tốc dòng chảy sóng. Hình biểu diễn biến thiên theo thời gian độ cao mực nước, vận tốc dòng chảy áp lực sóng tàu điểm bãi thực vật (15m tính từ vị trí có thực vật). Kết tính toán cho thấy, giá trị cực trị vận tốc dòng chảy sóng lượng sóng suất chậm pha so với thời điểm mực nước đạt giá trị cực trị. 0.3 d (m), V (m/s) 20 d(m) V(m/s) F(N/m) 15 0.2 10 0.1 40 60 -0.1 80 100 120 Thời gian (s) 140 F (N/m) 0.4 160 -5 Hình 3: Biến thiên theo thời gian độ cao mực nước (d), vận tốc dòng chảy sóng (V) lượng sóng (F). 3.4. nh hưởng mật độ Ảnh hưởng mật độ tới suy giảm lượng sóng tàu độ cao sóng leo tính toán phân tich cho trường hợp mật độ  =0, 0.0060, 0.0115, 0.0180 0.0240 cây/cm2 điều kiện bề rộng bãi thực vật W=35m. Hình 3(a) (b) biểu diễn mối liên hệ đại lượng không thứ nguyên lượng sóng tàu (F/F0), độ cao sóng leo (R/R0) với mật độ vị trí phía sau bãi thực vật. Trong đó, số “0” trường hợp bãi thực vật. Kết tính toán cho thấy, lượng sóng độ cao sóng leo suy giảm tuyến tính với mật độ cây. Có thể kết luận với điều kiện bãi thực vật, lượng sóng suy giảm mạnh độ cao sóng leo. Với mặt độ =0.025 cây/cm2 làm suy giảm tới 73% 59% lượng sóng độ cao sóng leo tương ứng. 292 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 1.2 1.2 0.8 R /R 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0.005 0.01 0.015 0.02 0.005 0.01 0.025 0.015 0.02 0.025  (cây/cm )  (cây/cm2) Hình 4: Mức độ suy giảm lượng sóng (F/F0) độ cao sóng leo (R/R0) với mật độ (). 3.5. nh hưởng bề rộng thực vật Mức độ suy giảm lượng sóng độ cao sóng leo bề rộng bãi thực vật tính toán phân tích cho trường hợp W =0, 10, 25 35 m, trường hợp mật độ =0.0115cây/cm2. Hình 4(a) (b) biểu diễn mối liên hệ đại lượng không thứ nguyên lượng sóng tàu (F/F0), độ cao sóng leo (R/R0) với kích thước bãi thực vật. Trong đó, vị trí kiểm tra nằm phía sau bãi thực vật. Kết tính toán cho thấy, giống ảnh hưởng mặt độ, kích thước bãi thực vật tăng mức độ suy giảm lượng độ cao sóng lớn. Năng lượng sóng suy giảm mạnh so với độ cao sóng leo. Với mặt kích thước bãi thực vật W=35m suy giảm tới 69% 55% lượng sóng độ cao sóng leo tương ứng. 1.2 1.2 0.8 0.8 R /R F /F F /F 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 10 15 20 25 30 Bề rộng bãi thực vật (m) 35 10 15 20 25 30 35 Bề rộng bãi thực vật (m) Hình 5: Mức độ suy giảm lượng sóng (F/F0) độ cao sóng leo (R/R0) với kích thước bãi thực vật (W). Trên số kết tính toán khả làm suy giảm lượng sóng độ cao sóng leo hệ thực vật ven sông tác động sóng tàu cho trường hợp đơn giản phân bố đặc trưng thực vật. Ảnh hưởng mật độ kích thước bãi thực vật tính toán phân tích. Tính toán cho điều kiện thực tế (với đoạn sông loài thực vật cụ thể) ảnh hưởng vận tốc lưu thông tàu đề cập nghiên cứu tiếp theo. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 293 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 4. Kết luận Trong nghiên cứu này, khả làm suy giảm sóng (năng lượng sóng độ cao sóng leo) hệ thực vật ven sông nghiên cứu tính toán. Một số kết nghiên cứu tóm tắt sau: - Mô hình tính toán trình phát sinh, lan truyền qua bãi thực vật ven sông sóng tàu nghiên cứu phát triển dựa hệ phương trình Boussinessq chiều. Năng lượng sóng độ cao sóng leo tính toán phân tích. - Mật độ kích thước bãi thực vật có tác dụng đáng kể tới trình suy giảm lượng sóng độ cao sóng leo. Trong đó, mức độ suy giảm lượng sóng lớn độ cao sóng leo. Với mặt độ =0.025 cây/cm2 , bề rộng bãi thực vật W=35m suy giảm tới 73% 59% lượng sóng độ cao sóng leo tương ứng. Những nghiên cứu tính toán cho điều kiện thực tế sông sông cụ thể (địa hình, đặc trưng phân bố thực vật, kích thước vận tốc lưu thông tàu) cần đầu tư nghiên cứu kỹ lưỡng hơn. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 105.12-2012.02. Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Bá Thủy, Bùi Mạnh Hà, Trần Đức Trứ, Bùi Minh Tuân (2006). Nghiên cứu trình phát triển lan truyền sóng tàu vùng ven bờ. Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 534 (2006), trang 23-26. 2. Nguyễn Xuân Hiển. (2008). “Nghiên cứu ảnh hưởng thực vật tới lan truyền sóng mô hình số trị”. Tạp chí Khí tượng Thủy văn, Số 573, trang 27-34. 3. Chen, X. N. and Sharma, S. D. (1995). “A slender ship moving at a near - critical speed in a shallow channel”. J. Fluid Mech., vol 291, pp. 263-285. 4. Dam, K. T., Tanimoto, K., Thuy, N. B., and Akagawa, Y. (2006). “Numerical study of propagating of ship waves on a sloping coast”. Ocean Eng., vol 33, pp. 350-364. 5. Dong, G.H., Sun L., Zong Z., Zhao Y.P (2009). Numerical analysis of the forces exerted on offshore structures by ship waves. Ocean Eng., vol 36, pp. 468-478 6. .Kirkegaard, J., Hansen, H.K. and Elfrink, B., (1998). Wake wash of high-speed craft in coastal areas, Coastal Engineering 1998, ASCE, 3258-3273. 7. Nakase, H., Shimatani, M. and Sekimoto, T., (1999). Distribution conditions of zoestera under the influence of ship generated waves. Proc. Coastal Eng., Vol. 46. 1196-1200. 8. Tanimoto, K., Kobayashi, H. and Ca, V. T. (2000). “Ship wave in shallow and narrow channel”. Proc. Conf. on Coastal Eng., ASCE, Australia, vol 2, pp.11411154. 294 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI STUDY THE EFFECT OF RIVER VEGETATION ON SHIP WAVE BY NUMERICAL SIMULATION Nguyen Ba Thuy1, Nguyen Xuan Hien2, Vu Hai Dang3 National Center for Hydro-meteorological Forecasting Viet Nam Institute of Meterology, Hydrology and Environment Institute of Marine Geophysics and Geology The objective of this study is to investigate the effects of river vegetation on ship wave action to river bank. A numerical model based on two-dimensional Boussinesq 2D equations was developed to consider the effect of drag resistant due to the presence of vegetation. The numerical model then apply to river channel, where river vegetation plating on the bank. Effect of tree density and forest width on ship wave force and runup height was investigated The numerical results show that tree density and forest width is significant effect ship wave force and runup height. With the tree density of 250/m2 and 35m of width can reduce 59% and 73 % of runup height and wave force respectively. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 295 . Thủy văn và Môi trường 3) Viện Địa chất và Địa Vật lý Biển Trong nghiên cứu này, khả năng suy giảm sóng tàu bởi thực vật ven sông được tính toán phân tích bằng mô hình số trị. Mô hình tính. văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 288  -  NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SUY GIẢM SÓNG TÀU BỞI HỆ THỰC VẬT VEN SÔNG BẰNG MÔ HÌNH SỐ TRỊ. sóng leo) bằng hệ thực vật ven sông đã được nghiên cứu tính toán. Một số kết quả nghiên cứu được tóm tắt như sau: - Mô hình tính toán quá trình phát sinh, lan truyền qua bãi thực vật ven sông