Tìm hiểu phân bố lưu lượng dao động mực nước triều dọc theo cửa sông: áp dụng với số cửa sông Miền Bắc Sinh viên thực hiện: Chu Văn Tùng Đồng Thị Dung Nguyễn Thị Thu Trang Vũ Đình Dũng Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Quang Chiến 54B2 54B2 54B2 54B2 TÓM TẮT Hiện nay, vùng cửa sơng khai thác với nhiều mục đích khác nông nghiệp, nuôi trồng thuỷ sản, giao thông vận tải Đặc biệt vùng cửa sông Hồng Thái Bình - Nam Định phát triển ni trồng thủy sản mặn - lợ mạnh mẽ Như việc đánh giá, tính tốn, dự báo phân bố lưu lượng dao động mực nước triều dọc theo cửa sông cần thiết Phần đầu báo cáo tìm hiểu đặc điểm hình học số cửa sông miền Bắc; dựa vào công cụ Google Earth so sánh với số liệu khảo sát Savenije (2012) Các nhân tố ảnh hưởng đến chế độ thủy động lực bao gồm: thủy triều dịng chảy sơng phía thượng lưu (bỏ qua tác động sóng) Nhóm thử áp dụng cơng thức nghiệm giải tích để tìm q trình mực nước lưu lượng sơng I Đặt vấn đề Ở nước ta nay, vùng ven bờ cửa sông khai thác sử dụng cách ạt với nhiều mục đích khác Vùng cửa sơng Việt nam nói chung vùng cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng - Thái Bình – Nam Định nói riêng quy hoạch sử dụng diện tích mặt nước, chuyển đổi từ diện tích trồng lúa sang ni trồng thủy sản mặn - lợ phát triển mạnh Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Hải Phịng Nhưng diễn biến q trình thủy lực: dao động mực nước, biến đổi lưu lượng, với biến đổi chất lượng nước (mặn, yếu tố dinh dưỡng ) theo thời gian (ngày đêm, nước triều, mùa) không gian (dọc sông) lại chưa nghiên cứu đánh giá đầy đủ Vì vậy, vấn đề đặt tính toán diến biến mực nước lưu lượng cửa sông Ninh Cơ, Trà Lý, Ba Lạt, Đáy ảnh hưởng điều kiện địa hình, tự nhiên, thủy triều, lưu lượng nước sông lưu vực Đề xuất giải pháp lấy nước cho đời sống sản xuất nông nghiệp lấy nước mặn - lợ cho nuôi trồng thủy sản vùng cửa sông Cửa sơng xem tuyến nối mở rộng dịng sơng tới biển điều khiển hoạt động thủy triều xâm nhập từ biển dịng nước chảy từ sơng hệ thống thủy lực phức tạp gồm lòng dẫn vùng nước Nước vùng cửa sông ven biển ln có vận động Dưới tác dụng lực phía lục địa phía ngồi biển: dịng chảy từ sơng nước nguồn đổ về, dịng triều ngồi biển, dịng chảy sóng (do sóng gió), dịng mật độ chênh lệch mật độ nước sơng nước biển Khi dịng chảy hình thành lại chịu tác động lực Coriolis làm cho dòng chảy biến đổi phức tạp II Các trình vật lý 2.1 Các yếu tố thủy động lực học thủy triều - Thủy triều lên xuống nước biển theo chu kì sức hấp dẫn vũ trụ mặt trăng, mặt trời với trái đất Chuyển động thủy triều chuyển động có chu kì dài: ngày (Sóng nhật triều), nửa ngày (Sóng bán nhật triều) Dao động thủy triều theo hướng đứng hướng ngang - Lưu lượng sông ma sát đáy gây lệch pha thủy triều hướng ngang (vận tốc dòng chảy) thủy triều hướng đứng (mực nước) Thủy triều hướng ngang đảo ngược sớm thủy triều hướng đứng, có độ lệch pha vận tốc gần đáy vận tốc gần mặt Vận tốc đáy đảo ngược sớm vận tốc mặt, đặc biệt nước lặng vào kỳ nước ròng, độ sâu nước nhỏ ma sát đáy lớn Điều giải thích sau: vận tốc gần đáy nhỏ vận tốc gần mặt ma sát đáy, gradient áp suất ngang phát sinh gradient mặt nước không đổi theo độ sâu Kết động lượng chất lỏng hướng ngang thấp gần đáy sớm bị thống trị gradient áp suất động lượng chất lỏng cao mặt nước Ngoài ra, cửa sơng cịn chịu ảnh hưởng lượng nước sơng Xét Q r = lưu lượng sông từ thượng lưu không đổi Tuy nhiên phạm vi cửa sông, lưu lượng khác Tuy nhiên phạm vi cửa sông, lưu lượng khác Qr dao động thủy triều chồng lên Trường hợp khơng có ma sát đáy lưu lượng dao động thủy triều pha với mực nước thủy triều Nếu có ma sát đáy đảo hướng lưu lượng thủy triều xuất sớm đảo hướng mực nước thủy triều Độ lớn thủy triều giảm ma sát đáy tăng Khi lưu lượng sông Qr nhỏ, độ dài thâm nhập thủy triều lớn biên độ thủy triều lớn vị trí định so với lưu lượng sông lớn Lưu lượng triều lên giảm lưu lượng sơng tăng, lúc thời gian triều xuống tăng lên Độ dốc đáy có ảnh hưởng khơng nhỏ đến đặc điểm dịng chảy cửa sơng Khi độ dốc đáy tăng, lưu lượng sông không đổi, độ dài thâm nhập thủy triều nhỏ vận tốc dòng chảy biên sông tăng độ dốc tăng độ sâu giảm Lăng trụ triều khối nước chuyển động vào, vịnh triều chu kì triều 2.2 Sơ hình dạng cửa sông thuộc khu vực Bắc Bộ ta chọn để nghiên cứu * Ninh Cơ: Khu vực nghiên cứu vùng cửa sông ven biển thuộc huyện Hải Hậu Nghĩa Hưng tỉnh Nam Định, nơi có cửa sơng Ninh Cơ (cửa Lạch Giang) đổ trực tiếp biển Sông Ninh Cơ nhánh sơng phân lưu dịng sơng Hồng, chảy hồn tồn địa phận tỉnh Nam Định Sơng Ninh Cơ chảy gần hình sin theo hướng Bắc Đông Bắc - Tây Nam với chiều dài khoảng 55 kilomet, đem lại nguồn nước phù Nằm bờ biển Nam Định tuyến đường bờ biển vùng cửa Ninh Cơ Hình 1: Ảnh đồ cửa sông Ninh Cơ (Google Earth) * Sông Đáy: đoạn qua địa phận tỉnh Nam Định bổ sung lượng nước từ sông Đào ngã ba Độc Bộ, sông đổ trực tiếp biển qua cửa Đáy Giữa sông Đáy sơng Ninh Cơ có trao đổi nước qua kênh Quần Liêu Gần đến biển, sông Đáy chuyển hướng từ Tây Bắc-Đông Nam sang Đông Bắc-Tây Nam đổ vịnh Bắc Bộ Cửa Đáy Hình 2: Ảnh đồ cửa sông Đáy (Google Earth) * Sông Trà Lý phân lưu sông Hồng chảy ngang qua tỉnh Thái Bình gần theo hướng Tây Tây Bắc-Đông Đông Nam với vài đoạn uốn cong, chiều dài khoảng 67 km Điểm cuối cửa Trà Lý đổ biển Đông, ranh giới hai xã Thái Đô (huyện Thái Thụy) xã Đông Hải (huyện Tiền Hải) tỉnh Thái Bình * Cửa Ba Lạt: cửa sơng delta điển hình, yếu tố sông chiếm địa vị quan trọng, đặc biệt dịng bùn cát sơng Hồng Càng tiến biển, sông mở rộng, đảo chắn cửa yếu tố đặc thù cửa Ba Lạt Hình 3: Ảnh đồ cửa sơng Trà Lý (Google Earth) Hình 4: Ảnh đồ cửa sông Ba Lạt (Google Earth) III Bề rộng sông so với công thức thực nghiệm Trên sở đo đồ Hình 1-4, ta thu bảng số liệu B ~ x Mặt khác, sử dụng công thức thực nghiệm bề rộng sơng (Savenije 2012) để tính tốn, vẽ biểu đồ mơ tả hình dạng cửa sơng: Ta thu biểu đồ Hình 5-8 Hình 5: Biểu đồ sông quan hệ B~X sông trà lý tính tốn thực tế đo đạc Từ biểu đồ ta thấy giá trị tính tốn quan hệ B~X tương tự quan hệ B~X thực tế ta đo google earth sông Trà Lý Đường biểu đồ biểu thị giá trị đo thực tế có dạng gần giống đường hàm mũ e-x Hình 6:Biểu đồ sơng quan hệ B~X sơng Ba Lạt tính tốn thực tế đo đạc Từ biểu đồ ta thấy quan hệ B~X theo thực tế đường congnhư quan hệ B~X tính tốn quan hệ tính tốn thực tế sơng Ba Lạt có sai khác Hình 7: Biểu đồ sơng quan hệ B~X sơng Đáy tính tốn thực tế đo đạc Từ biểu đồ hình ta thấy đường biểu thị quan hệ B~X thực tế có dạng gần giống với đường biểu thị quan hệ B~X theo tính tốn Tuy nhiên đường biểu thị quan hệ có khác Hình 8: Biểu đồ sơng quan hệ B~X sơng Ninh Cơ tính tốn thực tế đo đạc Từ biểu đồ hình ta thấy quan hệ B~X sông Ninh Cơ giá trị thực tế giá trị tính tốn có dạng hàm e-x , đường quan hệ cắt điểm Như thấy thay đổi bề rộng sông đo giảm dần từ cửa biển lên thượng nguồn, độ dốc chưa phù hợp so với thông số mà Savenije (2012) xác định Trong phần tiếp theo, nhóm cố gắng dùng cơng cụ tốn học để tính mực nước lưu lượng dọc sơng IV Mơ hình tốn *Phương trình liên tục : *Phương trình động lượng (SaintVenant) : Trong đó: Q: lưu lượng dịng chảy qua diện tích mặt cắt ướt A(m3/s) x: biến khơng gian (dọc theo dịng chảy hay trục sơng) (m) t: biến thời gian tính tốn (giây) q: lưu lượng bổ sung dọc tuyến (vng góc với trục sơng) (m2/s) A: diện tích mặt cắt ướt (m2) h: mực nước mặt chuẩn (m) C: hệ số Chezy(m0.5/s) R: bán kính thủy lực (m) : Hệ số phân phối mô men động lượng V Chương trình tính tốn Áp dụng nghiệm giải tích (xem Bài giảng Mực nước - dịng chảy) để tính tốn: *Tốc độ truyền sóng: c= Trong đó: tần số góc sóng (rad/s) k số sóng c0 tốc độ truyền sóng (lý thuyết) (m/s) A diện tích mặt cắt ướt (m2) m trung bình ma sát chu kỳ triều (1/s.m2), m xác định bởi: m= (1/s.m2) đó: C hệ số Chezy (C=50 m1/2/s) R bán kính thủy lực g gia tốc trọng trường Từ quan hệ kết luận với trường hợp sau: m = (khơng có ma sát): m = (có ma sát): - Sự tắt dần sóng triều xác định đại lượng nghiệm tổng quát Mực nước (η) vùng cửa sông ảnh hưởng triều cho bởi: η= đó: biên độ sóng x=0 biên độ sóng, hàm phụ thuộc vào x Sự giảm dần biên độ: (m-1) Và lưu lượng dọc theo vùng cửa sơng là: Q= Trong đó: số tích phân Thành phần thứ hai phần dao động mà thêm vào lưu lượng không đổi Q0 λ độ chiết giảm biên độ sóng Nghiệm lưu lượng điểm x dọc sơng tìm sau: - bỏ qua ma sát: - xét tới ma sát: Áp dụng nghiệm giải tích để tính tốn dạng đường q trình mực nước theo cụ thể cửa sông: Sông Đáy, Sông Ninh Cơ, Sông Trà Lý, Sông Ba Lạt Số liệu cửa sông lấy theo Savenije (2012) Bảng Bảng Tính tốn đặc trưng cửa sông, A0, R0 Q lấy theo Savenije (2012) S.Trà Lý Ninh Cơ Sông Đáy Ba Lạt A0 (m2) 1940 1940 2950 2950 2950 2950 4350 4350 Ngày 15/12/2008 9/3/2009 15/12/2008 9/3/2009 15/12/2008 9/3/2009 15/12/2008 9/3/2009 R0 (m) 4 3 5 5 T (s) 86400 86400 86400 86400 86400 86400 86400 86400 K 0,21 0,21 0,27 0,27 0,24 0,24 0,18 0,18 * Sông Trà Lý: tính cho ngày 15/12/2008 u= /s) (rad/s) Có m= mA= = 7,21 10-5 Thay vào biểu thức tính c: c= c0 = = = (m/s) (m/s) 10 Q (m3/s) 140 110 84 66 308 242 350 275 (m-1) Áp dụng tính tương tự cho cửa sơng với số liệu cịn lại ta có bảng kết sau: Bảng 2: Kết tính cho cửa sơng s.Trà Lý Ninh Cơ S.Đáy Ba Lạt Ngày 15/12/2008 9/3/2009 15/12/2008 9/3/2009 15/12/2008 9/3/2009 15/12/2008 9/3/2009 c0(m/s) 6,32 6,32 5,48 5,48 7,07 7,07 7,07 7,07 c (m/s) 5,76 5,93 5,30 5,36 6,29 6,52 6,54 6,72 λ (m-1) 5,21.10-6 4,22.10-6 3,35.10-6 2,68.10-6 5,26.10-6 4,30.10-6 4.20.10-6 3,38.10-6 Thay vào công thức nghiệm giải tích ta vẽ đường q trình mặt nước sông suốt thời gian 18 h, trường hợp xét đến vị trí khác sơng: X1 = (cửa sông giáp biển), X2 = 500 m (cách cửa sông 500 m), …, X7 = 3000 m Kết thể biểu đồ Hình – 16 Áp dụng cơng thức tính η ta có biểu đồ η thay đổi theo thời gian theo chiều dọc sơng : Hình 9: Đường mực nước sơng (Trong đó: Series – Series giá trị η ứng với X1 – X7) 11 Hình 10: Đường mực nước sơng (Trong đó: Series – Series ứng với X1 – X7) Hình 11: Đường mực nước sơng (Trong đó: Series – Series ứng với X1 – X7) Hình 12: Đường mực nước sông (Series – Series ứng với X1 – X7) 12 * Áp dụng công thức tính Q ta có biểu đồ Q thay đổi theo thời gian theo chiều dọc sông : Hình 13: Đường mực nước sơng (Trong đó: Series – Series giá trị η ứng với X1 – X7) Hình 14: Đường mực nước sơng (Trong đó: Series – Series giá trị η ứng với X1 – X7) 13 Hình 15: Đường mực nước sơng (Trong đó: Series – Series giá trị η ứng với X1 – X7) Hình 16: Đường mực nước sơng (Trong đó: Series – Series giá trị η ứng với X1 – X7) VI Phân tích số trị kết luận Phần tìm hiểu mơ hình mơ tả ứng dụng mơ hình số trị chiều đơn giản (Hearn 2008), với cách mơ hình hóa sai phân hữu hạn (finite difference) ta thấy biến đổi đường mực nước theo thời gian diễn vùng cửa sông Chia khu vực cửa sông thành N đoạn nhau, đoạn (mặt cắt số 0, Hình 13) ứng với vị trí tiếp giáp với biển Ban đầu mực nước Điều kiện biên dao động điều hịa mực nước phía biển: Các tham số đầu vào gồm có: N (số điểm chia), dx (khoảng cách điểm), dt (khoảng thời gian điểm), u (lưu tốc), px (độ dốc cao độ), ux (độ chênh lệch lưu tốc theo không gian), η (cao độ mặt nước) 14 Hình 17: Sơ dồ biểu diễn phương pháp sai phân hữu hạn Trên sở đó, nhóm chuyển thuật tốn thành chương trình ngơn ngữ lập trình Julia (www.julialang.org), ngơn ngữ hỗ trợ tính tốn kiểu MATLAB Mã lệnh chương trình liệt kê phụ lục Từ kết tính tốn ta biểu diễn biểu đồ biểu thị dường mực nước cửa sông thời điểm khác theo hướng trục Ox, ta thấy đường mực nước biến đổi tuyến tính vùng cửa sông tới thượng lưu đường mực nước dần chuyển thành pháp tuyến với mặt cắt sơng thượng lưu Hình 18: Đường mực nước sơng Trà Lý theo mơ hình hóa Finite Difference Bên cạnh ưu điểm mà mơ hình mang tới có số mặt hạn chế nghiên cứu ta xét bề rộng sông (B) độ sâu (h) khơng đổi sơng, ta xét dịng chiều bỏ qua ảnh hưởng sóng vùng cửa sơng Tại thượng lưu giả thiết khơng có lưu lượng chảy qua thượng lưu đóng kín lưu lượng mực nước phía thượng lưu có xu hướng nằm ngang Nếu có điều kiện tiếp tục nghiên cứu, nhóm mở rộng mơ hình để tính đến biến đổi bề rộng sông 15 Kết luận Qua nghiên cứu này, nhóm tìm hiểu hình thái chế thủy lực cửa sông Dựa theo số liệu Savenije (2012) thu thập cơng thức giải tích, q trình mực nước lưu lượng cửa sơng (Trà Lý, Đáy, Ba Lạt, Ninh Cơ) tìm Dĩ nhiên, tính tốn áp dụng với thủy triều (biên độ không đổi) chưa phản ánh điều kiện thực tế Tài liệu tham khảo [1] Vũ Minh Cát ,Giáo trình Cơ sở kỹ thuật bờ biển [2] Nguyễn Văn Lai, Nguyễn Thị Phương Thảo, 2006, Bài giảng Mực nước - Dòng chảy [3] Hearn, C (2008) Dynamics of Coastal Models, Cambridge University Press [4] Savenije, H.H.G (2012) Salinity and Tides in Alluvial Estuaries, 2nd revised edition: www.salinitiesandtides.com Phụ lục N = 36; dx = 1/N dt = 0.01; a = 1.4; initial_eta = 0.; sum = 0; u = [1:N+1]*0.; ux = [1:N+1]*0.; η = [1:N]*0.; px = [1:N]*0.; for i = 1:N; η[i] = initial_eta; end; u[N + 1]= 0; tau = 1; T = 86400; t = 0; ηbien = a*sin(2*pi*t)/T; for tt = 0:30000; t = tt/100; for i = 2:N; px[i]= (η[i]- η[i - 1]) / dx; end; px[1] = (η[1]- a*sin(2*pi*t/T)) / dx ; for i = 1:N; u[i]= u[i]+ dt*(-px[i]- u[i]/tau); end; for i = 1:N; ux[i]= (u[i + 1]- u[i])/dx; end; for i = 1:N; η[i]= η[i] - dt*ux[i]; sum = sum + η[i]; end; 16 ... thượng lưu không đổi Tuy nhiên phạm vi cửa sông, lưu lượng khác Tuy nhiên phạm vi cửa sông, lưu lượng khác Qr dao động thủy triều chồng lên Trường hợp khơng có ma sát đáy lưu lượng dao động thủy triều. .. (m-1) Và lưu lượng dọc theo vùng cửa sơng là: Q= Trong đó: số tích phân Thành phần thứ hai phần dao động mà thêm vào lưu lượng không đổi Q0 λ độ chiết giảm biên độ sóng Nghiệm lưu lượng điểm x dọc. .. thủy triều pha với mực nước thủy triều Nếu có ma sát đáy đảo hướng lưu lượng thủy triều xuất sớm đảo hướng mực nước thủy triều Độ lớn thủy triều giảm ma sát đáy tăng Khi lưu lượng sông Qr nhỏ, độ