ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ĐÊ GIẢM SÓNG ĐẾN CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC BỜ BIỂN KHU TÂN THÀNH - GÒ CÔNG ĐÔNG - TIỀN

GIANG BẰNG MÔ HÌNH TOÁN MIKE 21 FM

Lê Xuân Tú, Nguyễn Công Phong, Mai Hoàn Thành.*Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, 658 Võ Văn Kiệt, Q.5, Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt:

Những năm gần đây suy giảm bùn cát từ thượng nguồn và hiện tượng biến đổi khí hậu đã ảnh hưởng mạnh mẽ tới quá trình diễn biến hình thái bờ biển vùng cửa sông - đồng bằng sông Cửu Long. Vùng bờ biển Tân Thành cũng nằm trong kiểu bờ biển vùng cửa sông nên chế độ thủy thạch động lực học vùng bờ biển luôn chịu tác động mạnh mẽ của chế độ dòng chảy sông và chế độ thủy triều cũng như chế độ sóng gió. Chính sự tác động mạnh mẽ của các yếu tố thủy thạch động lực học phức tạp như trên nên bờ biển bị xói lở suy thoái hệ rừng ngập mặn. Bài báo này đánh giá tác động của công trình đê giảm sóng đến chế độ thủy động lực học bờ biển khu Tân Thành huyện Gò Công Đông tỉnh Tiền Giang bằng mô hình toán MIKE 21 FM.

1 MỞ ĐẦU

Vùng biển Tân Thành nằm tại huyện Gò Công Đông tỉnh Tiền Giang gần cửa sông Cửa Tiểu. Đặc điểm khu vực nghiên cứu chịu bởi sự chi phối phức tạp bởi chế độ động lực sông biển. Chế độ thủy triều vùng nghiên cứu thuộc chế độ bán nhật triều không đều, độ lớn triều khu vực nghiên cứu từ 3-3.5m. Chiều cao sóng khu vực nghiên cứu thịnh hành trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc với hướng sóng chủ đạo là hướng Đông và Đông Bắc, độ lớn dao động từ 0.7- 1m (cách bờ khoảng 5km). Hiện nay một số đoạn bờ biển có hiện tượng xói lở đường bờ làm suy giảm hệ thống rừng ngập mặn. Bài báo này sẽ nghiên cứu đánh giá chế độ thủy động lực hiện trạng và đưa ra giải pháp bảo vệ bãi biển, đánh giá tác động của công trình đến chế độ thủy động lực vùng bờ biển Tân Thành.

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH.2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng bằng mô hình toán Mike 21 FM, sử dụng mô hình đa tỉ với các bước thiết lập mô hình toán từ mô hình Biển Đông -> mô hình mở rộng -> mô hình chi tiết 1 -> mô hình chi tiết 2 (Hình 2-1÷Hình 2-2).

Hình 2-1. Vùng nghiên cứu khu vực bãi biển Tân Thành Gò Công tỉnh Tiền Giang Hình 2-2. Phân vùng nghiên cứu mô hình

2.2 HIỆU CHÍNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với mực nước, lưu tốc, sóng trong mô hình so với số liệu thực đo tại các các trạm khảo sát thực tế được trình bày từ Hình 2-3÷Hình 2-4. Kết quả cho thấy sự tương đồng khá cao giữa số liệu thực đo và kết quả mô phỏng.

Hình 2-3. So sánh mực nước tính toán và thực đo tại các trạm Cửa Đại, Cửa Tiểu (9/2009).

Hình 2-4. So sánh dòng chảy và sóng tại trạm đo cố định Gò Công

3 KỊCH BẢN MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH.3.1 Các kịch bản mô phỏng

Bảng 3-1. Các kịch bản tính toán

Thứ tự Ký hiệu

XKhoảng cách bờ

(m)

BBề rộng

(m)

LChiều

dài (m)

LgKhoảng hở (m)

Ghi chú

1 HT 0 0 0 0 Kịch bản hiện trạng2 CT 120 10 100 40 10 đê phá sóng cao trình +1.5 m3 CT1 120 10 100 40 3 đê phá sóng cao trình +1.5m

Với những nghiên cứu đặc điểm của chế độ thủy động lực học mô hình mở rộng nhận thấy chế độ thủy động lực học của khu vực chịu tác động của 2 mùa gồm: mùa Đông Bắc và mùa Tây Nam, do đó đánh giá chế độ thủy động lực vùng mô phỏng công trình giảm sóng chỉ cần xem xét lựa chọn 2 tháng đặc trưng đại diện cho 2 mùa. Trong bài báo này sẽ đánh giá chi tiết tác động thủy động lực học vùng mô phỏng công trình đê giảm sóng với 2 tháng đại diện: (25/12/2013 – 4/2/2014) tương ứng mùa Đông Bắc và (25/8/2014 – 5/10/2014) tương ứng với mùa Tây Nam (tại mô hình 2). Từ phân tích chế độ thủy động lực học kịch bản hiện trạng vùng nghiên cứu trong 2 tháng mô phỏng đưa ra giải pháp công trình bảo vệ và đánh giá tác động của công trình tới vùng bờ.

3.2 Kết quả phân tích

3.2.1 Chế độ thủy động lực hiện trạng vùng nghiên cứu.

Chế độ dòng chảy và sóng 2 tháng đại diện cho 2 mùa: gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam được thể hiện qua Hình 3-5÷Hình 3-10.

Kết quả tính toán dòng chảy trung bình và chiều cao sóng Hs trung bình trên mặt bằng tổng thể vùng nghiên cứu tại Hình 3-5÷Hình 3-6 cho thấy sóng vùng nghiên cứu hoạt động mạnh trong thời đoạn mùa Đông Bắc với chiều cao sóng trung bình cách bờ 5 km là lớn hơn 0.64 m hướng chủ đạo là hướng Đông, trong khi đó thời đoạn gió mùa Tây Nam khu vực gần bờ chiều cao sóng trung bình rất nhỏ dưới 0.2m. Chế độ dòng chảy Cửa Tiểu hoạt động mạnh vào mùa Tây Nam tương ứng với mùa lũ trong sông, tuy nhiên vùng ven bờ khu vực nghiên cứu thiết lập công trình dòng chảy trung bình rất nhỏ không chịu sự chi phối mạnh bởi dòng chảy từ cửa sông. Từ kết quả tính toán dòng chảy và chiều cao sóng Hs trung bình trong 2 mùa mô phỏng nhận thấy chế độ sóng và dòng chảy có tác động mạnh mẽ tới tới chế độ thủy động lực học vùng ven bờ chủ yếu trong thời gian mùa Đông Bắc.

Hình 3-5. Dòng chảy trung bình: (a) tháng 1/2014, (b) tháng 9/2014

Hình 3-6. Chiều cao sóng trung bình: (a) tháng 1/2014, (b) tháng 9/2014

Để xem xét chi tiết hơn chế độ thủy động lực vùng cửa sông và chế độ dòng chảy ven bờ vùng cửa sông các kết quả trích xuất sóng và dòng chảy tại các điểm S1, B1, B2 (hình Hình 3-7) được trình bày từ Hình 3-8÷Hình 3-10.

Chế độ dòng chảy tại Hình 3-8 cho thấy vùng cửa sông ven biển khu vực nghiên cứu có thời gian triều rút dài hơn hơn thời gian triều lên trong một chu kỳ triều. Lưu tốc cực đại thời gian triều rút lớn hơn lưu tốc cực đại thời gian triều lên, ngoài ra pha lưu tốc lệch pha so với pha mực nước và sớm pha so với pha mực nước. Chế sóng tại điểm S1 (Hình 3-7) minh họa qua

Hình 3-9 cho thấy sóng trong mùa Đông Bắc chiếm ưu thế thời gian lặng sóng (Hs<0.15 m) tại điểm S1 là 42.13% hướng sóng chủ đạo là hướng Đông và Đông Đông Nam, trong khi đó mùa Tây Nam thời gian lặng sóng (Hs<0.15 m) tại điểm S1 chỉ là 99.26%.

Kết quả trích xuất dòng chảy vùng ven bờ tại 2 điểm B1, B2 (Hình 3-7) thể hiện tại Hình3-10 cũng chỉ ra rằng chế độ thủy lực trong mùa Đông Bắc hoạt động mạnh mẽ hơn rất nhiều so với mùa Tây Nam, giá trị lưu tốc vùng ven bờ trong vùng nghiên cứu mùa Đông Bắc có giá trị lớn nhất từ 0.5- 0.6 m/s, trong khi đó trong mùa Tây Nam kết quả lưu tốc chỉ đạt dưới 0.2 m/s. Kết quả trên cho thấy dòng chảy ven bờ chịu sự chi phối mạnh bởi quá trình sóng vỡ giải phóng năng lượng gây nên dòng chảy ven bờ mạnh.

Hình 3-7. Kết quả trích xuất tại điểm cửa sông và ven bờ vùng mô phỏng công trình.

Hình 3-8. Lưu tốc thời điểm triều lên và thời điểm triều rút tại điểm S1

Hình 3-9. Hoa sóng tại điểm S1: (a) mùa Đông Bắc, (b) mùa Tây Nam.

Hình 3-10. Dòng chảy ven bờ tại điểm B1, B2 mùa Đông Bắc và mùa Tây Nam.

Từ kết quả phân tích trên nhận thấy chế độ thủy động lực học vùng cửa sông, ven bờ như sau:

- Thời gian triều rút lớn hơn thời gian triều lên, vận tốc triều rút lớn hơn nhiều so với vận tốc triều lên, pha mực lưu tốc sớm pha hơn so với pha mực nước, đặc biệt trong mùa Tây Nam do có sự kết hợp của dòng chảy lũ trong sông.

- Cơ chế hoạt động của sóng ảnh hưởng mạnh mẽ tới chế độ dòng chảy vùng ven bờ, trong mùa Đông Bắc sóng mạnh đã gây nên vận tốc dòng chảy ven bờ từ 0.5 - 0.6 m/s trong khi đó mùa Tây Nam vận tốc dòng chảy ven bờ dưới 0.2 m/s.

3.2.2 Kết quả mô phỏng giải pháp công trình bảo vệ vùng ven bờ.

Chính những nguyên nhân cơ chế biến đổi hình thái bờ biển như trên cần có giải pháp công trình giảm sóng xa bờ nhằm bảo vệ ổn định vùng ven bờ gây bồi phát triển hệ sinh thái rừng cây ngập mặn. Kết quả hiện trạng vùng nghiên cứu nhận thấy mùa Đông Bắc chế độ thủy động lực và sóng có tác động mạnh mẽ tới vùng ven bờ. Do vậy, giải pháp công trình sẽ mô phỏng trong thời gian 1 tháng gió mùa Đông Bắc (25/12/2013 – 4/1/2014) để có thể xem xét rõ hiệu quả của công trình trước tác động của chế dộ sóng và dòng chảy. Các kịch bản tính toán được trình bày tại Hình 3-11 và Bảng 3-1.

Hình 3-11. Giải pháp công trình bảo vệ bờ cho vùng nghiên cứu.

Phân tích đánh giá chế độ sóng dòng chảy giữa các kịch bản vùng nghiên cứu

Kết quả chế độ dòng chảy và sóng vùng ven bờ giữa các kịch bản HT, CT, CT1 trên mặt bằng tại Hình 3-13÷Hình 3-14, chiều cao sóng Hs ven bờ tại thời điểm mùa Đông Bắc vùng ven bờ giảm từ 0.7 m phía trước công trình xuống 0.3 m phía sau công trình. Dòng chảy vùng ven bờ được suy giảm một cách rõ rệt không còn xuất hiện dòng chảy dòng ven bờ lớn trong kịch bản công trình CT. Mặt bằng phân bố dòng chảy và chiều cao sóng giữa các kịch bản cho thấy hiệu quả suy giảm dòng chảy và chiều cao sóng phía sau công trình.

Vị trí trích xuất các điểm thể hiện trên Hình 3-12 với vị trí các điểm P1, P2, P3 và MC1 nằm ở giữa vị trí khoảng hở 2 đê, vị trí các điểm P4, P5, P6 và MC2 nằm ở vị trí giữa đê giảm sóng. Vị trí P1, P4 cách đê giảm sóng là 50 m, vị trí P3, P6 nằm phía trong công trình cách công trình là 70m, điểm P2 nằm giữa khoảng hở 2 đầu đê giảm sóng, điểm P5 nằm ngay trước đê giảm sóng. Các điểm và mặt cắt trích xuất trên nhằm đánh giá hiệu quả giảm sóng, dòng chảy và tác động ảnh hưởng của công trình tới vùng nghiên cứu.

Hình 3-12. Vị trí trích xuất kết quả mô phỏng

Hình 3-13. Dòng chảy ngày 5/1/2014: (a) kịch bản HT, (b) kịch bản CT, (c) kịch bản CT1

Hình 3-14. Chiều cao sóng Hs ngày 5/1/2014: (a) kịch bản HT, (b) kịch bản CT, (c) kịch bản CT1

Các kết quả trích xuất các điểm vùng nghiên cứu được trình bày từ Hình 3-15÷Hình 3-20 thể hiện tác động của công trình tới vùng ven bờ được bảo vệ. Giá trị lưu tốc vùng bên trong công trình tại Hình 3-15 cho thấy hiệu quả của công trình trong việc làm suy giảm dòng chảy trong thời điểm nước triều lớn một cách rõ rệt. Giá trị dòng chảy lớn nhất tại thời điểm triều lên là 0.3 m/s trong kịch bản hiện trạng, trong khi đó giá trị này được giảm xuống bằng 0.18 m/s trong kịch bản CT1 và 0.14 m/s trong kịch bản CT. Điểm trích xuất lưu tốc tại điểm sát bờ B1 cũng cho thấy hiệu quả rõ rệt của công trình trong việc suy giảm dòng ven do sóng giá trị được giảm từ 0.4 - 0.5 m/s trong kịch bản HT xuống dưới 0.2 m/s. Nhận thấy dòng chảy phía sau công trình mùa Đông Bắc kịch bản công trình có giá trị tương đương so với giá trị dòng chảy ven bờ kịch bản HT trong mùa Tây Nam. Kết quả trích xuất mặt cắt MC1 và MC2 của dòng chảy và sóng (Hình 3-17÷Hình 3-18) tại thời điểm sóng tới trước công trình lớn và thời điểm triều cường cho thấy hiệu quả suy giảm sóng và dòng chảy một cách rõ rệt. Giá trị dòng chảy được suy giảm từ 0.4 m/s phía trước công trình xuống 0.2 m/s phía sau công trình. Tại mặt cắt MC2 cho thấy sự gia tăng lưu tốc cục bộ phía trước công trình lên tới gần 1 m/s đó là nguyên nhân gây nên hiện tượng xói lở chân công trình.

Kết quả trích xuất sóng tại mặt cắt MC1, MC2 cũng cho thấy hiệu quả giảm sóng rõ rệt của kịch bản công trình. Giá trị chiều cao sóng giảm từ 0.7 m phía trước công trình xuống 0.35 m phía sau công trình cách vị trí công trình 70m. Kết quả chiều cao sóng tại 2 mặt cắt MC1 và MC2 cho thấy công trình đã giúp tạo nên một vùng khuất sóng phía sau công trình cách công trình từ 70 m vào đến bờ.

Hình 3-15. Lưu tốc thời điểm triều lên tại vị trí P3 giữa các kịch bản mô phỏng.

Hình 3-16. Dòng chảy ven bờ điểm B1 kịch bản CT và kịch bản HT.

Hình 3-17. Lưu tốc tại mặt cắt MC1, MC2 kịch bản CT.

Hình 3-18. Chiều cao sóng Hs tại mặt cắt MC1, MC2 kịch bản CT.

Điểm

Kịch bản

HT CT CT1

P1

 

P2

P3

 

P5

P6

Hình 3-19. Hoa dòng tại các đểm trích xuất trong các kịch bản mô phỏng.

Kịch bản

Điểm HT CT CT1

P1

 

P2

P3

 

P6

Hình 3-20. Hoa sóng tại các đểm trích xuất trong các kịch bản mô phỏng.

Hình 3-19÷Hình 3-20 trình bày kết quả hoa dòng chảy và hoa sóng trong các kịch bản mô phỏng. Dòng chảy vùng ven bờ có hướng chủ đạo là hướng Tây Nam, hướng sóng chủ đạo có hướng Đông và Đông Đông Nam. Giá trị lưu tốc dưới 0.07 m/s phía trước công trình là 59% đã được gia tăng phía sau công trình tại điểm P3, P6 lần lượt là 84% và 82%. So sánh giá trị lưu tốc phía sau công trình tại điểm P3 kịch bản CT1 và CT cho thấy giá trị lưu tốc không có sự chênh lệch nhiều thời gian lưu tốc dưới 0.07m/s lần lượt là 79% và 84%. Hoa sóng tại Hình 3-20 cho thấy hiệu quả giảm sóng của công trình một cách rõ rệt. Thời gian lặng sóng (Hs<0.15m) giảm từ 60.6% phía trước công trình xuống 83-91% phía sau công trình dao động, kết quả biểu diễn hoa sóng cho thấy hoa sóng tại cùng 1 điểm (điểm P3) của kịch bản CT và CT1 không cho thấy sự khác biệt. Kết quả trích xuất hoa sóng cho thấy chiều cao sóng vùng phía sau công trình kịch bản CT, CT1 có giá trị nhỏ hơn 0.3 m.

4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận:

- Kết quả nghiên cứu đã phân tích được quy luật chế độ thủy động lực học, chế độ sóng đặc trưng của vùng nghiên cứu và đánh giá giải pháp công trình một cách phù hợp.

- Quy mô công trình về bề rộng, khoảng hở, khoảng cách xa bờ của công trình mô phỏng cho thấy hiệu quả của công trình trong việc suy giảm dòng chảy và chiều cao sóng phía sau vùng bảo vệ. Khoảng hở giữa các đê phá sóng 40 m cho thấy không có hiện tượng xuất hiện lưu tốc cục bộ lớn tại khu vực các cửa của đê giảm sóng. Do vậy, kích thước khoảng hở là 40 m giảm được hiện tượng xói sâu cục bộ vùng khoảng hở của công trình.

- Kết quả phân tích cho thấy đê giảm sóng đã làm suy giảm chiều cao sóng Hs từ 0.75 m trong kịch bản hiện trạng xuống 0.35 m kịch bản công trình và dòng chảy sát bờ giảm từ 0.5 m/s xuống dưới 0.2 m/s. Kết quả cho thấy công trình có hiệu quả làm suy giảm dòng chảy và chiều cao sóng Hs tới 50%.

Kiến nghị:

- Việc mô phỏng công trình bằng mô hình toán mới chỉ mô phỏng về kích thước hình học, cao trình đỉnh đê, tuy nhiên mô hình chưa mô phỏng được các công trình có lỗ rỗng. Do vậy, kết quả lưu tốc phía trước đê giảm sóng lên đến 1m/s sẽ gây nên hiện tượng xói chân công trình gây mất ổn định cho đê giảm sóng. Trong thực tế nếu đê giảm sóng có lỗ rỗng sẽ làm giảm lưu tốc phía trước chân công trình và giảm xói chân phía trước. Ngoài ra, đê giảm sóng có lỗ rỗng dễ ràng trao đổi chất dinh dưỡng từ phía ngoài vào phía trong công trình.

- Kết quả mô phỏng giữa kịch bản công trình CT (10 đê giảm sóng) và CT1 (3 đê giảm sóng) cho thấy hiệu quả giảm sóng vùng bảo vệ bờ phía sau mỗi đê giảm sóng là tương đương nhau. Tuy nhiên, về hiệu quả suy giảm dòng chảy sau công trình thì kịch bản công trình CT cho hiệu quả tốt hơn so với CT1. Do đó, khi xây dựng công trình đê giảm sóng xa bờ cần xây dựng quy mô công trình đủ dài (khoảng 6 đê trở lên) đem lại hiệu quả bảo vệ tốt hơn.

Tài liệu tham khảo

[1]. Lê Mạnh Hùng, Tăng Đức Thắng, và Nguyễn Duy Khang, 2011. “Kiểm nghiệm việc sử dụng mô hình MIKE21 SW-FM mô phỏng chế độ sóng biển Đông”. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi, số 03/2011, tr. 15-21

[2]. Lê Mạnh Hùng, Nguyễn Duy Khang, và nnk, 2011. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu chế độ dòng chảy, phân bố bùn cát dải ven biển từ cửa sông Soài Rạp đến cửa Tiểu, đề xuất giải pháp chống sạt lở đê biển Gò Công tỉnh Tiền Giang”, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam

[3]. Trần Bá Hoằng và Nguyễn Duy Khang, 2012. “Một số kết quả tính toán ban đầu đánh giá sự thay đổi chế độ thủy động lực khu vực cửa sông, ven biển chịu ảnh hưởng trực tiếp của dự án đê biển Vũng Tàu - Gò Công”. Hội thảo cụm đề tài đánh giá tác động của dự án đê biển Vũng Tàu - Gò Công, Hải Phòng, 11-2012.