VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ o0o NGUYỄN CHÍNH KIÊN MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG VÙNG CỬA SÔNG TÂY NAM VIỆT NAM Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số : 62 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2016 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Văn Mạnh PGS.TS Hoàng Văn Lai Phản biện 1: ……………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ [1] Nguyễn Chính Kiên, Đinh Văn Mạnh, Nguyễn Thanh Cơ, Đánh giá lan truyền nước dâng sóng dài vào hệ thống sơng mơ hình kết nối 1-2D, tạp chí Khoa học cơng nghệ Biển, T13(2013), số 1, Trang 95-104 [2] Nguyễn Chính Kiên, Đinh Văn Mạnh Hoàng Văn Lai, Đánh giá xâm nhập mặn vùng ven biển Tây Nam Việt Nam, tạp chí Khoa học cơng nghệ Biển, T14(2014), số 4, Trang 299-309 [3] Nguyễn Chính Kiên, Đinh Văn Mạnh Hoàng Văn Lai, Evaluation of salinity intrusion in the Southwest coastal zone of Vietnam, ICEMA3 2014, Trang 140-145 [4] Nguyễn Tiế n Cường, Nguyễn Bá Hưng, Nguyễn Chiń h Kiên, Ứng dụng phương pháp lọc Kalman tuyế n tính để nâng cao chấ t lượng dự báo lũ của mô hình thủy văn phân bố , Tuyển tâ ̣p công triǹ h Hô ̣i nghi ̣khoa ho ̣c Thủy khí toàn quố c, 2010, Trang 109 - 116 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Vùng biển Tây Nam Việt Nam có tầm quan trọng đặc biệt phát triển kinh tế – xã hội an ninh quốc phòng nước ta, nhiên mức độ nghiên cứu tương đối riêng lẻ Bên cạnh vùng cửa sơng Tây Nam, số liệu đo đạc ít, khơng đầy đủ, liên tục Vì việc sử dụng mơ hình số (trên sở số liệu có để hiệu chỉnh, kiểm tra) giúp ta nghiên cứu chi tiết cho vùng cụ thể với chí phí tốn Mục đích nghiên cứu luận án Mục đích luận án nghiên cứu đặc trưng thủy động lực học môi trường vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam để đưa thông số đặc trưng nhằm xây dựng cơng trình quốc phịng dân sinh để bảo toàn lãnh thổ nước ta, phục vụ việc phát triển kinh tế bền vững vùng, hạn chế việc ô nhiễm môi trường ảnh hưởng xấu khác tới người Đối tượng luận án a Nghiên cứu chế độ thủy động lực môi trường vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam, b Phát triển phần mềm 1-2D áp dụng tính tốn q trình thủy động lực yếu tố môi trường vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam Phạm vi nghiên cứu Vùng biển ven bờ Tây Nam, từ Cà Mau đến Kiên Giang vùng Tứ Giác Long Xuyên Phương pháp nghiên cứu a Thừa kế: Trên sở phần mềm xây dựng b Phân tích, thống kê tính tốn tư liệu thu thập c Mơ hình hóa số trị tính tốn thủy động lực học môi trường việc phát triển chương trình tính tốn ngơn ngữ Fortran Bố cục luận án Luận án gồm phần mở đầu, năm chương phần kết luận với 113 trang, 75 hình vẽ đồ thị Chương I trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu; đặc điểm vùng nghiên cứu Chương II khái quát liệu thu thập phương pháp sử dụng để phân tích, xử lý Chương III trình bày sở khoa học, phương pháp giải kỹ thuật xử lý; kiểm tra, thử nghiệm qua số toán mẫu, toán giả định toán thực tế Chương IV trình bày việc ứng dụng mơ hình số trị cho vùng cửa sơng Tây Nam Việt Nam Chương V trình bày kết tính tốn số liệu thực đo thử nghiệm toán giả định để đưa đặc trưng thủy động lực học, môi trường dự báo xu Phần Kết luận trình bày kết đạt được, điểm mới, điểm cần phát triển tiếp Luận án CHƯƠNG I TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÙNG CỬA SƠNG TÂY NAM VIỆT NAM 1.1 Nghiên cứu nước thủy động lực học môi trường vùng cửa sơng 1.1.1 Ngồi nước Trên giới, việc nghiên cứu thủy động lực môi trường vùng cửa sông tiến hành từ lâu (những năm đầu kỷ 19) nhiều phương pháp khác quan trắc, phân tích thống kê gần nhất, nhờ phát triển ngành khoa học máy tính với nhiều ưu điểm mặt chi phí, phương pháp số trị sử dụng rộng rãi đạt nhiều kết Các phần mềm thương mại mô thủy động lực, môi trường sử dụng rộng rãi giới Việt Nam kể đến: SOBEK, DUFLOW, ISIS, MIKE11, MOUSE, HYDROWORKS, CE-QUAL-W2, WAQUA, DUCHESS, TELEMAC, TIDEWAY, DELFT TRIWAQ, … 1.1.2 Trong nước Đã có nhiiều cơng trình nghiên cứu lĩnh vực nhóm, quan nghiên cứu khác nhau, thực cho vùng nghiên cứu Biển Đông, vùng ven biển, vùng cửa sông, vịnh sông Có thể kể đến số tác giả nước sau: Đinh Văn Ưu, Nguyễn Tất Đắc, Phạm Văn Ninh, hay đơn vị Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Viện Cơ học, Viện Quy hoạch Thủy Lợi, Viện Hải Dương học Nha Trang, … 1.1.3 Tình hình áp dụng mơ hình số trị ứng dụng cho vùng nghiên cứu Các đề tài khác áp dụng cho tồn dải ven bờ biển Việt Nam, có vùng nghiên cứu cửa sông Tây Nam, đặc trưng chế độ gió, dịng chảy tầng, thủy triều, sóng Đề tài KHCN.06.10 GS.TSKH Phạm Văn Ninh làm chủ nhiệm, Đề án “Điều tra địa chất tìm kiếm khống sản rắn ven bờ Việt Nam” TSKH Nguyễn Biểu chủ nhiệm Đặc biệt gần đề tài KC.09.02/06-10 “Nghiên cứu điều kiện tự nhiên môi trường vùng biển Tây Nam, phục vụ phát triển kinh tế bảo vệ an ninh chủ quyền quốc gia”, PGS TS Đỗ Ngọc Quỳnh có sở liệu đầy đủ tin cậy chế độ khí tượng thủy văn, động lực, vận chuyển bùn cát, biển động địa hình đáy bờ biển, mơi trường, cấu trúc địa chất, trầm tích đáy, địa mạo tài nguyên sinh vật vùng biển Tây Nam đưa đặc trưng chế độ q trình nói 1.2 Điều kiện tự nhiên vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam 1.2.1 Đặc điểm địa hình Vùng biển Tây Nam phần Biển Đông, nơi nằm giáp với Vịnh Thái Lan Biển Tây tương đối cạn, độ sâu trung bình 45m sâu 80m Hai tỉnh giáp Biển Tây Việt Nam Kiên Giang Cà Mau với hàng trăm đảo trải rộng diện tích hàng chục nghìn km2 biển Vùng Tứ Giác Long Xuyên vùng đất hình tứ giác, địa phận ba tỉnh Kiên Giang, An Giang Cần Thơ, có diện tích tự nhiên khoảng 489,000 Ha, địa hình trũng, tương đối phẳng với độ cao từ 0.4 đến 2m mực nước biển 1.2.2 Đặc trưng thủy văn hải văn Tổng hợp đặc trưng gió, nhiệt độ, bão, độ ẩm khơng khí, mưa, sương mù, độ mặn, nồng độ ôxy hòa tan 1.2.3 Đặc điểm động lực học Tổng hợp đặc trưng chế độ thủy triều, chế độ dịng chảy, chế độ sóng, chế độ vận chuyển bùn cát vùng biển Tây Nam; đặc trưng dòng chảy kênh sông vùng Tứ Giác Long Xuyên 1.2.4 Đặc trưng môi trường Tổng hợp đặc trưng độ mặn kênh sông vùng Tứ Giác Long Xuyên vùng ven bờ Tây Nam Việt Nam: chịu ảnh hưởng thủy triều khả tải nước hệ thống sông Kết luận chương I Trong chương I trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu nước thủy động lực học mơi trường vùng cửa sơng tình hình áp dụng mơ hình số trị cho vùng cửa sơng Tây Nam Việt Nam Bên cạnh đó, đưa nét chung đặc điểm địa hình, thủy văn, hải văn môi trường vùng nghiên cứu CHƯƠNG II THU THẬP, PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 2.1 Số liệu thu thập 2.1.1 Số liệu địa hình Đối với vùng đất liền, thu thập thông tin số lượng kênh sông, tọa độ chúng với mối liên kết, lòng dẫn (mặt cắt ngang) khoảng cách trắc dọc Các thông tin sử dụng để xây dựng mạng sông chiều Đã thu thập đồ độ sâu đáy biển vùng Tây Nam từ nguồn tài liệu khác 2.1.2 Số liệu thủy văn, hải văn a Số liệu thủy văn Các trạm đo lưu lượng mực nước có vùng Tứ Giác Long Xuyên tổng hợp để làm điều kiện biên đối chiếu (hiệu chỉnh kiểm định) Tuy nhiên tất trạm có đầy đủ số liệu đo chuỗi thời gian đo khác b Số liệu hải văn Các số liệu hải văn thu thập vùng biển Tây Nam chủ yếu lấy từ đề tài KC.09.02 2.1.3 Số liệu môi trường a Độ mặn Các trạm đo mặn có vùng Tứ Giác Long Xuyên nên số liệu thu thập hạn chế, có 02 trạm có số liệu Rạch Giá Kiên Lương Đối với yếu tố môi trường vùng biển Tây Nam, số liệu hải văn, số liệu chủ yếu có qua Đề tài KC.09.02/06-10 2.2 Phương pháp phân tích, xử lý số liệu 2.2.1 Phương pháp phân tích điều hịa Từ độ cao mực nước thủy triều sử dụng phương pháp phân tích điều hòa xác định pha biên độ phân triều 2.2.2 Khái toán mặt cắt Chia mặt cắt theo đường song song với trục thẳng đứng z (yi = const), từ giá trị đo mặt cắt ngang tính thơng số địa hình khác 2.3 Kết phân tích, xử lý số liệu 2.3.1 Số liệu vùng biển Tây Nam Các mảnh đồ giấy quét thành file ảnh, gắn tọa độ, dùng ArcGis để số hóa thành lớp (đường bờ, bãi, đường đẳng sâu, điểm độ sâu) chuyển đổi sang khuôn dạng phần mềm Surfer để xử lý tạo file độ sâu cho mơ hình Từ số liệu đo hai trạm hải văn Cà Mau Chandaburi, sử dụng phương pháp phân tích điều hịa ta có giá trị số điều hịa, kết hợp với số liệu số điều hòa từ vệ tinh, sử dụng phép nội suy cho ta giá trị điểm biên miền tính 2.3.2 Số liệu sơng Với liệu mặt cắt ngang sông, sử dụng module khái tốn mặt cắt, có cặp giá trị độ rộng lịng, diện tích theo 13 cấp mặt cắt; kết hợp với giá trị khoảng cách trắc dọc, thu số liệu nhánh sông xử lý để làm đầu vào cho mơ hình số trị Kết luận chương II Chương II khái quát nguồn liệu thu thập, số lượng theo không gian thời gian phương pháp sử dụng để phân tích, xử lý liệu để làm đầu vào cho mơ hình tính sau CHƯƠNG III PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH 1-2 CHIỀU THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÙNG CỬA SƠNG 3.1 Cơ sở tốn học mơ hình 3.1.1 Hệ phương trình 1D Hệ phương trình Saint Venant 1D mơ tả q trình thủy lực: H Q B  q t x Q   Q   H      gA  Sf   t x  A   x  (3.1) (3.2) Trong đó: t - thời gian; A - diện tích ướt mặt cắt ngang sông; B - chiều rộng mặt cắt; H - cao trình mực nước, H=z+h, với z cao trình đáy, h độ sâu sơng; Q - lưu lượng dòng chảy; βhệ số hiệu chỉnh động lượng (β≈1); q - lưu lượng bổ sung đơn vị độ dài; R - bán kính thủy lực Sf - độ dốc ma sát: Sf = g|Q|Q/C2R 3.1.2 Hệ phương trình 2D Hệ phương trình sử dụng mơ hình 2D tính tốn thủy động lực có dạng:       ud    vd    t  x  y (3.5)   2u  2u   u u u  u u  v2 u v  g  f  v  x  Dh    (3.6) t x y x d d  x  y     2v  2v  v v v  v u  v2 u v  g f  u  y  Dh    (3.7) t x y y d d  x  y  3.1.3 Lan truyền chất 3.1.3.1 Phương trình 1D Phương trình khuếch tán mơ tả q trình lan truyền mặn chiều có dạng: ∂At C ∂t + ∂QC ∂x = ∂ ∂x ( 𝐴𝑡 𝐷 ∂C ∂x ) + 𝐺(𝐶) 3.1.3.2 Phương trình 2D Phân bố nồng độ lan truyền số chất hồ tan mơ tả phương trình bảo tồn vật chất chiều ngang sau:  (d C)  udC    vdC     t x y   C   C  dDs   dDn   dFD (C )  G (C ) s  s  n  n  (3.9) 3.2 Phương pháp giải số 3.2.1 Đối với hệ phương trình chiều Phương pháp sai phân hệ phương trình 1D: Sử dụng sơ đồ sai phân ẩn điểm Preissman 3.2.2 Đối với hệ phương trình chiều Phương pháp sai phân hệ phương trình 2D: Sơ đồ sai phân leap-frog, lưới sai phân xen kẽ, áp dụng kỹ thuật ghép lưới 3.2.2 Phương pháp đánh giá độ tin cậy mô hình Để phân tích đánh giá độ xác từ kết mơ hình tốn với số liệu thực đo, NCS sử dụng số hiệu NashSutcliffe (NSE) 3.3 Kỹ thuật ghép nối lưới tính 3.3.1 Ghép lưới miền chiều v u  Trong nghiên cứu áp dụng phương pháp ghép lưới theo sơ đồ Hình 3.5 Tất giá trị u v nằm đường giới hạn lưới mịn xác Hình 3.5 Sơ đồ ghép lưới 10 chuẩn định dạng GIS để ứng dụng vào mơ hình 3.5 Xây dựng chương trình 1-2D tính tốn thủy lực yếu tố mơi trường Hình 3.14 Sơ đồ khối module tính truyền tải khuếch tán Hình 3.13 Sơ đồ khối chương trình tính 3.6 Tính tốn kiểm tra qua số tốn mẫu Chương trình kiểm định qua tốn mẫu 1D, tốn 2D có ghép lưới áp dụng tính cho cửa biển vùng Cửa Ba Lạt (miền bao gồm hệ thống sông Hồng – Thái Bình kết nối với vịnh Bắc Bộ) Kết thu nhận phù hợp mặt định tính định lượng, trùng với phần mềm thương mại khác Kết luận chương III 11 Chương III trình bày sở khoa học, phương pháp giải kỹ thuật xử lý, sơ đồ khối chương trình tính mơ hình 1-2 chiều NCS phát triển Áp dụng giải pháp tính tốn song song, liên kết đồ GIS, giao diện tương tác đồ họa Mơ hình kiểm tra, thử nghiệm qua số toán mẫu, toán giả định toán thực tế, cho kết tốt mặt định tính định lượng, đủ độ tin cậy để áp dụng tính cho vùng nghiên cứu CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SỐ TRỊ CHO VÙNG CỬA SƠNG TÂY NAM VIỆT NAM 4.1 Thiết lập mơ hình số trị Hệ thống sông 1D bao gồm sông, kênh vùng tứ giác Long Xuyên (giới hạn điểm Châu Đốc, Hà Tiên, Rạch Giá, Long Xuyên) với 1368 mắt cắt thuộc 425 nhánh sông giao 233 nút Số biên bao gồm biên Châu Đốc, Vàm Nao Hình 4.1 Hệ thống sơng 1D mơ hình Cần Thơ (sơng Hậu) Vùng biển tính 2D mơ hình gồm lưới chồng có kích thước: Lưới (lưới mịn nhất): bao gồm 739 x 649 ô lưới với ô kích thước 132m x 132m bao phủ vùng ven biển Tây Nam từ Hà Tiên đến Rạch Giá Lưới 2: bao gồm 151 x 118 lưới Hình 4.2 Ba lưới tính chồng với kích thước 1.188m x 1.188m miền 2D mơ hình bao gồm toàn Vịnh Rạch Giá đảo Phú Quốc 12 Lưới 3: bao gồm 105 x 119 ô lưới với kích thước 3.564m x 3.564m bao gồm vùng có hình chữ nhật với trạm hải văn Cà Mau, Chandaburi nằm cạnh (để xác định giá trị HSĐH biên lỏng miền chiều) Mạng sông 1D kết nối với vùng biển 2D 20 điểm cửa sơng 4.2 Hiệu chỉnh mơ hình số trị cho vùng nghiên cứu Thay đổi tham số tính tốn q trình Thử-Sai lặp lặp lại sai số kết tính tốn số liệu thực đo chấp nhận điều kiện Sử dụng số liệu mực nước thực đo Rạch Giá để xác định thời điểm triều cường, triều kiệt, rút khoảng thời gian cần tính Bảng 4.1 Bảng 4.1 Các khoảng thời gian lựa chọn để hiệu chỉnh mơ hình Năm Mùa Triều Rạch Giá Bắt đầu Kết thúc 2005 Mùa khô Triều cường 1/3/2005 10/3/2005 16/4/2005 25/4/2005 3/5/2008 12/5/2008 13/4/2008 22/4/2008 Triều kiệt 2008 Mùa khô Triều cường Triều kiệt Ví dụ kết hiệu chỉnh Rạch Giá Hình 4.6 0.4 m 0.2 -0.6 Rạch Giá tính 4/24/2008 4/22/2008 4/20/2008 4/18/2008 4/16/2008 -0.4 4/14/2008 -0.2 4/12/2008 Rạch Giá thực đo Hình 4.6 Giá trị mực nước (m) tính thực đo trạm Rạch Giá mùa khô triều kiệt 2008 theo diễn biến thời gian 13 Vùng biển tính 2D: Hiệu chỉnh số điều hịa sóng trạm đo Hà Tiên Rạch Giá Kết hiệu chỉnh với sai số trạm khoảng chấp nhận pha biên độ Hiệu chỉnh xâm nhập mặn Kết thực hiệu chỉnh độ mặn trạm Rạch Giá phương án mùa khô triều cường năm 2008 so sánh với giá trị thực đo biểu thị Hình 4.9 với số Nash-Sutcliffe đạt mức độ xác tốt (NSE > 0.9) 30 ‰ Rạch Giá tính 20 10 5/8/2008 5/7/2008 5/7/2008 5/6/2008 5/6/2008 Hình 4.9 Giá trị mặn ‰ tính thực đo trạm Rạch Giá mùa khơ triều cường 2008 4.3 Kiểm định mơ hình số trị a Đối với thủy lực Bảng 4.4 Các khoảng thời gian lựa chọn để kiểm định mơ hình Năm Mùa 2010 Mùa khô Mùa lũ 2011 Mùa khô Mùa lũ Triều Rạch Giá Bắt đầu Kết thúc Triều cường 8/2/2010 17/2/2010 Triều kiệt 7/4/2010 16/4/2010 Triều cường 4/10/2010 13/10/2010 Triều kiệt 11/11/2010 20/11/2010 Triều cường 20/3/2011 29/3/2011 Triều kiệt 25/4/2011 4/5/2011 Triều cường 26/10/2011 4/11/2011 Triều kiệt 10/9/2011 19/9/2011 14 0.6 m Rạch Giá tính Rạch Giá thực đo 0.4 0.2 2/19/2010 2/17/2010 2/15/2010 2/13/2010 2/11/2010 -0.4 2/9/2010 -0.2 2/7/2010 Hình 4.10 Giá trị mực nước (m) tính thực đo trạm Rạch Giá mùa khơ triều cường 2010 So sánh kết tính tốn phương án trạm Rạch Giá, Long Xuyên, Châu Đốc với số liệu thực đo cho thấy kết kiểm định tương đối tốt, số NSE đạt mức cao cỡ 0.85, đủ độ tin cậy để sử dụng số liệu áp dụng cho phương án tính năm khác b Đối với xâm nhập mặn Hiện vùng Tứ Giác Long Xuyên, trạm đo giá trị độ mặn mà NCS thu thập có Rạch Giá, giá trị đo bị ngắt quãng nên thực số kiểm định trạm theo số khoảng thời gian chọn năm có số liệu đo 30 Rạch Giá tính ‰ Rạch Giá thực đo 20 10 3/8/2005 3/7/2005 3/7/2005 3/6/2005 3/6/2005 Hình 4.26 Giá trị mặn ‰ tính thực đo trạm Rạch Giá mùa khô triều cường 2005 15 30 Rạch Giá tính ‰ Rạch Giá thực đo 20 10 3/25/2011 3/25/2011 3/24/2011 3/24/2011 3/23/2011 3/23/2011 Hình 4.27 Giá trị mặn ‰ tính thực đo trạm Rạch Giá mùa khô triều cường 2011 Kết luận chương IV Chương IV trình bày việc ứng dụng mơ hình số trị cho vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam phần mềm CHB14 Qua nhiều phương án tính với phép Thử-Sai để hiệu chỉnh, rút tham số đủ tốt để áp dụng tính kiểm định Việc kiểm định thực với nhiều phương án tính nhiều điểm đo Các kết thủy lực nhận có mức độ xác tốt, phần lớn số Nash-Sutcliffe > 0.9, cịn số trạm cho kết trung bình Bên cạnh đó, kết chất lượng nước (ở có số liệu độ mặn để so sánh) kiểm định mức trung bình CHƯƠNG V MỘT SỐ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CHO VÙNG CỬA SÔNG TÂY NAM VIỆT NAM 5.1 Kết tính tốn số đặc trưng thủy động lực học 5.1.1 Ảnh hưởng thủy triều vào hệ thống sông Các khoảng thời gian phương án tính lựa chọn phần hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Bảng 5.1 Các phương án tính PA Năm Mùa Triều Bắt đầu PA01 2005 Mùa khô Triều cường 1/3/2005 PA02 2005 Mùa khô Triều kiệt 16/4/2005 Kết thúc 10/3/2005 25/4/2005 16 PA03 PA04 PA05 PA06 PA07 PA08 PA09 PA10 PA11 PA12 2008 2008 2010 2010 2010 2010 2011 2011 2011 2011 Mùa khô Mùa khô Mùa khô Mùa khô Mùa lũ Mùa lũ Mùa khô Mùa khô Mùa lũ Mùa lũ m Triều cường Triều kiệt Triều cường Triều kiệt Triều cường Triều kiệt Triều cường Triều kiệt Triều cường Triều kiệt 3/5/2008 13/4/2008 8/2/2010 7/4/2010 4/10/2010 11/11/2010 20/3/2011 25/4/2011 26/10/2011 10/9/2011 12/5/2008 22/4/2008 17/2/2010 16/4/2010 13/10/2010 20/11/2010 29/3/2011 4/5/2011 4/11/2011 19/9/2011 Kênh Rạch Giá - Long Xuyên 0 10000 20000 PA01 PA02 PA07 PA08 30000 PA03 PA09 40000 PA04 PA10 m 50000 60000 PA05 PA06 PA11 PA12 Hình 5.2 Biên độ dao động mực nước cực trị kênh Rạch Giá Long Xuyên Đánh giá biên độ dao động mực nước cực trị: Do đặc điểm địa hình vùng, đầu kênh chịu ảnh hưởng dao động mực nước sông Hậu cuối kênh ảnh hưởng dao động mực nước biển Tây nên hai đầu kênh có biên độ dao động lớn kênh Qua 12 phương án tính 03 kênh (Tri Tơn-Hịn Sóc; Rạch Giá-Long Xuyên; Cái Sắn), rút đặc trưng: Biên độ dao động mực nước cửa sông giảm tới giá trị nhỏ vào sâu đất liền khoảng 20km (thời điểm triều cường, vị trí tiến sâu triều kiệt khoảng 10km), sau lại tăng dần ảnh hưởng biên thượng lưu 17 5.1.2 Ảnh hưởng gió m 0.5 0 10000 20000 30000 40000 Khơng tính gió 50000 60000 70000 Có tính gió m 80000 Hình 5.6 Mực nước cực đại kênh Cái Sắn phương án có khơng có ảnh hưởng gió Nhận xét: Ảnh hướng gió tác động làm cho mực nước cực trị sông dâng cao khoảng 0,1m cửa biển giảm dần vào sâu đất liền Qua tính tốn kênh xét (Tri Tơn-Hịn Sóc; Rạch Giá-Long Xun; Cái Sắn), giá trị chênh lệch gần không đáng kể vị trí cách cửa biển 60-70km ví dụ Hình 5.6 Cái Sắn kênh khác Xét điểm thuộc miền 2D nối với cửa sông Rạch Giá, thử nghiệm phương án: Chỉ có tác động thủy triều; Có tác động thủy triều gió; Có tác động thủy triều, gió dịng chảy từ sơng Hình 5.9 Vận tốc dịng chảy điểm cửa sơng Rạch Giá thử nghiệm số 18 Kết tính tốn thử nghiệm số cho thấy: dịng chảy gió có đóng góp đáng kể đến trường dịng chảy chung khu vực cửa sơng, có thời điểm dịng chảy gió chiếm đến 20-25% giá trị vận tốc dịng chảy (xem Hình 5.9) Trong đó, dịng chảy từ sông đổ nhỏ nên ảnh hưởng không đáng kể đến tranh dòng chảy chung khu vực cửa sơng 5.2 Kết tính tốn số đặc trưng môi trường 5.2.1 Đánh giá mức độ xâm nhập mặn Để đánh giá xâm nhập mặn theo pha triều: lựa chọn kết thời điểm: đỉnh triều, triều rút, chân triều, triều dâng phương án tính triều cường mùa khơ năm 2008 Hình 5.10 Phân bố độ mặn thời Hình 5.11 Phân bố độ mặn thời điểm chân triều điểm đỉnh triều Kết tính tốn diện tích ảnh hưởng độ mặn >4‰ cho thấy, thời điểm đỉnh triều 133,346 Ha, thời điểm triều rút 117.471 Ha, thời điểm chân triều 103.425 Ha thời điểm triều dâng 116.320 Ha Để đánh giá ảnh hưởng lớn triều với việc xâm nhập mặn, kịch đưa ra: Lưu lượng biên lấy vào mùa khô năm 2008, thời điểm với mực nước cửa biển tương ứng với thời gian triều cường; Lưu lượng biên giống với trường hợp 1, mực nước biển tương ứng với thời gian triều kiệt 19 Hình 5.12 Vùng ảnh hưởng Hình 5.13 Vùng ảnh hưởng nước mặn >4‰ với kịch nước mặn >4‰ với kịch triều cường triều kiệt Qua kết tính cho thấy thời kỳ triều cường, nước mặn lấn sâu vào đất liền Vùng diện tích bị ảnh hưởng nước mặn 4‰ lớn nhất, khoảng 162,909.3 Ha Trong thời kỳ triều kiệt, nước mặn xâm nhập hơn, vùng diện tích bị ảnh hưởng nước mặn 4‰ khoảng 119,150.42 Ha Xét ví dụ kênh Tri Tơn – Hịn Sóc, tính khoảng cách từ biển vào, nước mặn 4‰ xuất cách cửa biển 18.8 km với trường hợp triều kiệt, khoảng cách 6.78 km Hình 5.14 Mực nước (m), vận tốc (m/s) độ mặn (‰) tính tốn Rạch Giá Hình 5.15 Giá trị mặn số điểm quan sát kênh Tri Tơn – Hịn Sóc 20 Hình 5.14 cho thấy giá trị mặn đồng pha với mực nước, cho thấy lan truyền mặn chủ yếu qua q trình tải, ảnh hưởng q trình khuếch tán Khi vận tốc dịng tăng đẩy nước biển, giá trị mặn giảm tương ứng Hình 5.15 thể giá trị mặn theo thời gian điểm quan sát nhánh sông, với khoảng cách tăng dần từ cửa biển, dao động giá trị mặn thay đổi biên độ giá trị dáng điệu 5.2.2 Bài toán phát thải Với số liệu thu thập ít, có giá trị BOD DO vùng Tứ Giác Long Xuyên số điểm, NCS thử nghiệm toán phát thải để đánh giá ảnh hưởng đến môi trường vùng Hình 5.16 Giá trị BOD cực đại hệ thống sơng theo phương án mức xả năm 2008 Hình 5.17 Giá trị DO cực đại hệ thống sông theo phương án mức xả năm 2008 Hình 5.18 Giá trị BOD vùng 2D theo phương án mức xả năm 2008 Hình 5.19 Giá trị DO vùng 2D theo phương án mức xả năm 2008 21 Kết tính Hình 5.16-5.19: vùng 1D, giá trị nồng độ BOD DO ngưỡng tiêu chuẩn cho phép theo QCVN Hình 5.16 cho thấy vùng diện tích ảnh hưởng giá trị nồng độ BOD > 0.5mg/L, khơng có vùng diện tích ảnh hưởng nồng độ BOD >1 mg/L Điều cho thấy đây, yếu tố môi trường tiêu chuẩn phạm vi cho phép, chí cịn tốt Miền 2D gần khơng có thay đổi đáng kể 5.3 Dự báo xu NCS dựa vào số tăng dự kiến kinh tế - xã hội từ năm 2015 đến 2020 với tốc độ 15% năm, giả thiết lượng chất thải mơi trường tăng tương ứng Hình 5.20 Giá trị BOD cực đại Hình 5.21 Giá trị DO cực đại hệ thống sông hệ thống sơng phương án tính xả dự báo phương án tính xả dự báo Qua Hình 5.20, 5.21 cho thấy tăng lưu lượng nguồn xả BOD, DO, giá trị nồng độ toàn miền tăng lên đáng kể, dù giá trị nằm ngưỡng tốt theo QCVN xuất nhiều vùng có giá trị cao so với với vùng khác cách rõ rệt Do đó, tốn quy hoạch vùng cấp thiết đặt cho dù số môi trường mức tốt thời điểm Khi tăng giá trị nguồn xả vùng 1D, vùng 2D, số lượng cửa sông bị tác động rõ nét tăng số vùng giá trị 22 Tại vùng vịnh Rạch Giá, vận tốc dòng chảy yếu nên yếu tố môi trường phân tán chủ yếu xung quanh vị trí xả thải, cịn vị trí khác, ảnh hưởng dòng chảy, yếu tố phân tán theo chiều dịng chảy tác động Hình 5.22 Giá trị BOD vùng chiều phương án tính xả dự báo Kết luận chương V Qua số phương án tính với số liệu đo điều kiện giả định, mơ hình đưa đặc trưng biên độ dao động mực nước cực trị dọc theo tuyến kênh lớn; ảnh hướng gió mùa tác động tới mực nước cực trị sông; đưa số đặc trưng xâm nhập mặn vùng nghiên cứu: theo mùa, theo trình triều, theo pha triều,…; đưa số kết tranh phân bố BOD DO khu vực dự báo xu biến đổi chúng mức phát thải tăng dựa số tăng dự kiến kinh tế, xã hội KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên sở kế thừa kết nghiên cứu đề tài, dự án có, kế thừa kết trước cá nhân tập thể nghiên cứu, luận án thu kết sau:  Phát triển chương trình kết nối 1-2D tính thủy lực mơi trường: + Xây dựng module tính tốn chất lượng nước chu trình dinh dưỡng hệ thống sơng (1D) kết nối với thủy vực (2 chiều) + Hoàn thiện việc xử lý điều kiện biên kết nối 1-2D: cho phép sử dụng điều kiện biên khác phụ thuộc vào trạng số liệu có 23  Chuyển đổi sang tính tốn song song: Sử dụng kỹ thuật song song OpenMP, chương trình chạy máy tính cá nhân đa lõi sử dụng hệ điều hành Windows Việc song song hóa giúp chương trình giảm thời gian tính tốn xuống khoảng 60%  Xây dựng phần giao diện đồ họa Winform ngơn ngữ Fortran module có khả liên kết với GIS: phần mềm đáp ứng tương tác phần giao diện tính tốn, vừa tính tốn vừa vẽ đồ thị,… Phần mềm sử dụng mã nguồn mở MapWinGIS để trình diễn trực tiếp kết tính tốn đồ GIS Bên cạnh đó, xây dựng module phụ hữu ích cho việc chuẩn bị số liệu tính, trình diễn kết tính từ mơ hình theo nhiều tiêu chí  Tiến hành tính tốn kiểm tra chương trình tính qua tốn mẫu toán thực tế kết nối 1-2D vùng cửa Ba Lạt  Thiết lập mơ hình số trị áp dụng tính cho vùng cửa sơng Tây Nam Việt Nam: + Thu thập khối lượng lớn số liệu 1-2D, xử lý số liệu thành liệu đầu vào chạy mơ hình + Hiệu chỉnh, kiểm tra mơ hình so sánh với số liệu thực đo, cho kết chấp nhận + Tính tốn số đặc trưng thủy động lực học môi trường + Tính tốn số phương án theo kịch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020 Qua kết tính tốn, đưa số nhận xét đặc trưng thủy động lực học môi trường vùng: Thủy lực: Dọc theo kênh hướng từ sông Hậu đến cửa sông, biên độ dao động mực nước cửa sông giảm tới giá trị nhỏ vào sâu đất liền khoảng 20km (lúc triều cường, vị trí tiến sâu lúc triều kiệt khoảng 10km), sau lại tăng dần ảnh hưởng biên thượng lưu Vào mùa kiệt, triều cường, điểm có biên độ dao động mực nước nhỏ cách cửa sông khoảng 25 km, điểm có biên độ dao động mực nước 24 nhỏ triều kiệt cách cửa sông khoảng 15km Vào mùa lũ, điểm có biên độ dao động mực nước nhỏ cách cửa sông khoảng 20 km, điểm có biên độ dao động mực nước nhỏ triều kiệt cách cửa sông khoảng 10km Xâm nhập mặn: Vào mùa lũ, phương án tính đưa xâm nhập mặn không đáng kể Vào mùa khô, nước mặn lấn sâu vào đất liền, có sai khác rõ nét triều cường triều kiệt diện tích ảnh hưởng lẫn khoảng cách từ cửa biển vào đất liền Diện tích ảnh hưởng mặn thay đổi đáng kể theo pha triều, tăng giảm tương đối khác biệt đỉnh triều, chân triều, triều dâng triều rút Sự lan truyền mặn chủ yếu qua q trình tải, ảnh hưởng trình khuếch tán, vào sâu đất liền, độ mặn giảm dần giá trị biên độ dao động Xâm nhập mặn lan truyền mạnh qua số cửa sơng kênh từ đầm nước mặn Đơng Hồ, sơng Kiên, nhóm rạch Kiên Lương,… Kết dự báo xu thế: tăng lưu lượng nguồn xả tương ứng với tỉ lệ tăng kinh tế xã hội, vùng diện tích ảnh hưởng tăng lên đáng kể so với tại, bên cạnh đó, tiêu chuẩn cho phép xuất nhiều vùng có giá trị tăng khơng phải tuyến tính mà cao so với vùng khác cách rõ rệt Các vấn đề cần nghiên cứu tiếp Với số liệu có, luận án đưa số kết tương ứng Trong hướng phát triển tiếp, NCS thu thập, tìm kiếm bổ sung số liệu liên quan đến thủy lực môi trường, đặc biệt nguồn thải khu vực, số liệu kịch cực đoan (triều xác định thời điểm có giá trị lớn chu kỳ 19 năm, lưu lượng thượng nguồn xác định theo giá trị nhỏ khứ), kịch biển đổi khí hậu kết dự báo biến động yếu tố thủy lực mơi trường,… để từ có tranh đánh giá thủy động lực học môi trường vùng ven biển cửa sông Tây Nam cách rõ nét ... vùng biển Tây Nam; đặc trưng dịng chảy kênh sơng vùng Tứ Giác Long Xuyên 1.2.4 Đặc trưng môi trường Tổng hợp đặc trưng độ mặn kênh sông vùng Tứ Giác Long Xuyên vùng ven bờ Tây Nam Việt Nam: chịu... bờ biển, môi trường, cấu trúc địa chất, trầm tích đáy, địa mạo tài nguyên sinh vật vùng biển Tây Nam đưa đặc trưng chế độ q trình nói 1.2 Điều kiện tự nhiên vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam 1.2.1... đích nghiên cứu luận án Mục đích luận án nghiên cứu đặc trưng thủy động lực học môi trường vùng cửa sông Tây Nam Việt Nam để đưa thông số đặc trưng nhằm xây dựng cơng trình quốc phịng dân sinh để