Tính toán xói lở tại Đồi Dương - Phan Thiết

116 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật TÍNH TOÁN XÓI LỞ TẠI ĐỒI DƯƠNG - PHAN THIẾT Nguyễn Iêng Vũ * TÓM TẮT Bình Thuận có nhiều công trình ven bờ và công trình chỉnh trị cửa sông. Tất cả những công trình này nhanh chóng gây ảnh hưởng đến sự thay đổi bờ biển ở Hàm Tiến, cảng cá Phan Thiết, Đồi Dương Sự thành công của các đê chắn sóng, mỏ hàn hay đê biển đã phần nào khống chế được sự xói lở cục bộ của bờ biển tại nơi có công trình như cửa sông Phan Thiết, Lagi. Nhưng chúng lại gây nên những hậu quả như cát tràn vào cửa sông ở Lagi, xói lở ở cửa sông cảng cá Phan Thiết. Xói lở bờ biển được khống chế khá tốt tại khu vực Hàm Tiến – Mũi Né nhưng khu vực xói lở đã dịch chuyển về phía Đồi Dương, ảnh hưởng nghiêm trọng lên đời sống người dân. Do đó, việc tính toán xói lở tại Đồi Dương là rất cấp thiết, từ đó có thể đưa ra biện pháp khắc phục xói lở và hướng phát triển xa hơn là tính toán sự ổn định cho bờ biển tại nơi đây. Từ Khóa: F28, RCPWAVE, Đồi Dương, chuyển trầm tích. COMPUTING EROSION AT DOI DUONG - PHAN THIET ABSTRACT Binh Thuan has many works of coastal and estuarine regulation. All the works were quickly affect to change coastline in Ham Tien, Phan Thiet fishing port, Doi Duong... The breakwater, groin and dikes controlled local erosion in Phan Thiet estuary, Lagi. But they caused consequences as sand influx in Lagi estuary, erosion at Phan Thietfishing port. Coastal erosion is controlled well in the area of Ham Tien - Mui Ne area but erosion has shifted toward Doi Duong, serious impact on people’s lives. Therefore, the calculation of erosion at Doi Duong is very urgent, since it can take measures to remedy the erosion and further development is the stability of Binh Thuan coastline. Key words: F28, RCPWAVE, Doi Duong, sediment transfer. * ThS. Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh, Số 1, Mạc Đĩnh Chi, ĐT. Điện thoại: 090.999.0864 Kỹ thuật 117 Tính toán xói lở . . . Hình1: Khu vực Đồi Dương, Bình Thuận I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Tính toán dòng chảy Dòng chảy vùng ven bờ thường được coi là 2 chiều ngang. Phương trình mô tả dòng chảy như sau: (1) (2) trong đó: η - cao độ mặt nước; q=[q x , q y ]r=DU – vector lưu lượng đơn vị; U=[u x , u y ]r – vector vận tốc trung bình chiều sâu; q v – lưu lượng bổ sung trên 1 đơn vị diện tích bề mặt; D – độ sâu; f(q) và g(q) – hai thành phần của vector thông lượng của q theo các phương x và y. 2. Tính toán sóng Trong vùng sóng chưa vỡ, dựa vào lý thuyết sóng tuyến tính có thể tính toán sóng trong khu vực này. Berkhoff (1976) đã xấp xỉ quá trình biến đổi sóng hoàn toàn cho sóng tuyến tính qua địa hình đáy biển bất kỳvới điều kiện là đáy phải có độ dốc thoải. Phương trình ở độ dốc thoải biểu diễn dưới dạng sau: (3) (4) Trong vùng sóng vỡ, Dally, Dean và Dalrymple (1984) đã đưa ra công thức xấp xỉ năng lượng bị mất khi vào vùng sóng vỡ, dựa trên sự mất năng lượng trong bước nhảy thủy lực: (5) trong đó: κ – hệ số tiêu tán năng lượng; H(x, y) – là độ cao sóng; h(x,y) – chiều sâu mực nước tĩnh. 118 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 3. Tính vận tải bùn cát và diễn biến đáy Phương trình vận tải bùn cát lơ lửng ba chiều được thiết lập từ nguyên lý bảo toàn khối lượng và có thể viết như sau: (6) trong đó: c – nồng độ bùn cát lơ lửng; u, v, w – vận tốc dòng chảy lần lượt theo 3 phương x, y, z; w s – vận tốc lắng của hạt bùn cát, ε s – hệ số khuếch tán. II. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH 1. Mô hình tính toán dòng chảy Đề tài sử dụng mô hình F28 của TS. Lê Song Giang thuộc trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TPHCM để tính toán dòng chảy. 1.1. Lưới tính và địa hình Vùng biển Bình Thuận với chiều dài khoảng 130km và rộng khoảng 62km được chia lưới thể tích hữu hạn thành 34810 phần tử tứ giác và 35467 nút với kích thước mắt lưới phía ngoài khơi khoảng 1600m và giảm dần vô tới bờ là 150m (hình 2). Riêng khu vực Đồi Dương, Phan Thiết lưới tính được chia mịn hơn. Cách bờ 3000m kích thước mắt lưới tính là 150m và giảm dần đến sát bờ còn 15m. Địa hình đáy biển được xây dựng từ tờ Hải đồ IA-100-20 của Hải quân Nhân dân Việt Nam. Riêng địa hình đáy biển khu vực Phan Thiết được xây dựng từ số liệu thực đo của Nguyễn Đức Vượng năm 2009 (hình 3). Hình 2: Lưới tính khu vực Bình Thuận Hình 3: Địa hình đáy biển Bình Thuận 1.2. Điều kiện biên và các thông số tính toán khác Điều kiện biên cho mô hình là mực nước và nồng độ bùn cát lơ lửng trên biên hở. Việc xác định mực nước biên trong luận văn này kế thừa mô hình biển Đông phát triển trong đề tài “Quy luật diễn biến dải ven bờ từ Cà Ná tới mũi Kê Gà (tỉnh Bình Thuận)”. Kết quả mực nước thu được tại 8 vị trí bao quanh khu vực Bình Thuận sẽ được áp đặt lên 8 nút quanh biên phía biển tương ứng trên hình 2. Mực nước tại các nút biên khác sẽ được nội suy từ mực nước tại 8 điểm này. 119 Tính toán xói lở . . . 2. Mô hình lan truyền sóng Đề tài sử dụng mô hình RCPWAVEcủa Cục Công binh Hoa Kỳ để tính toán sóng, làm số liệu cho việc tính toán vận tải bùn cát trong mô hình F28. 2.1. Lưới tính và địa hình Vùng biển Bình Thuận với chiều dài khoảng 129km và ra xa phía biển 63.3km (tới độ sâu khoảng 25m) được phủ lưới tính 2112 × 4305 mắt lưới với độ phân giải 30m × 30m. Địa hình đáy biển được xây dựng giống như đối với mô hình dòng chảy. 2.2. Điều kiện biên và các thông số tính toán khác Điều kiện biên cho mô hình là chiều cao và chu kỳ sóng tới áp đặt cho biên ngoài khơi (số liệu sóng ngoài khơi được kế thừa từ đề tài “Quy luật diễn biến dải ven bờ từ Cà Ná tới mũi Kê Gà”). 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 3.1. Gió hướng Đông Bắc Điều kiện sóng đầu vào với chiều cao sóng H = 0.45m, chu kỳ sóng T = 4.4s, hướng sóng Đông, sau khi tính toán trường sóng được trình bày trong hình 5.11. Độ cao sóng trung bình ngoài khơi là 0.42m, khi vào khu vực Đồi Dương, độ cao sóng giảm còn khoảng 0.3m. Sóng càng vào gần bờ thì càng có xu hướng vuông góc với bờ, điều này thể hiện được tính chất khúc xạ của sóng. Hình 4: Trường sóng hướng Đông Bắc Với tác động của sóng, vận tốc dòng chảy tăng lên khoảng gấp đôi so với khi không xét tới tác động sóng. Vận tốc cực đại trong pha triều lên là 40cm/s (hình 5), còn trong pha triều xuống là 42cm/s (hình 7). Vận tốc dòng chảy ven bờ trong hai pha triều xấp xỉ khoảng 25cm/s, đồng thời xuất hiện nhiều xoáy tại khu vực giữa Đồi Dương do khu vực này bị lõm vào so với các nơi khác. Chính các xoáy này làm cho sự xáo trộn bùn cát đáy tại đây tăng lên đáng kể. Lưu lượng đơn vị chuyển tải bùn cát đáy tại đây khoảng 0.12cm3/s/m trong pha triều lên (hình 6) và 0.11cm3/s/m trong pha triều xuống (hình 8). 120 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình 9: Độ bồi lắng tại cuối thời gian tính toán Tại khu vực cửa sông Cà Ty cũng xuất hiện các xoáy rối tại đầu đê bên phải, và phần đường bờ nhô ra phía trên cửa sông. Đặc biệt, trong pha triều xuống, dòng triều rút và dòng chảy ven bờ hội tụ tại phần nhô ra này (hình 8) nên lượng bùn cát từ giữa Đồi Dương được chuyển về khu vực này khá lớn. Ngoài ra, do tác động phản xạ dòng chảy của các công trình cứng bao quanh khu vực cửa sông làm cho bùn cát trong cửa sông bị đem ra phía ngoài đầu đê chắn sóng gây bồi lắng tại đây. Đến cuối thời gian tính toán (hình 9), khu vực giữa Đồi Dương bị xói lở ở sát bờ, bùn cát bị đem ra bồi lắng ở bên ngoài. Ở cửa sông Cà Ty, khu vực bên trong bị xói lở, đặc biệt là tại chân đê bên trái bị xói rất nhiều, điều này rất nguy hiểm, có thể dẫn đến hư hại công trình. Lượng bùn cát bị xói trên được mang ra bồi lắng tại giữa cửa sông và đầu đê bên phải, điều này gây trở ngại lớn cho giao thông đường thủy tại đây. Tại đường bờ nhô ra phía trên cửa sông, do nơi này hội tụ của dòng chảy triều và dòng chảy ven bờ nên có sự bồi lắng cực đại trong giai đoạn này (khoảng 0.8kg/m3). 2. Gió hướng Tây Nam Hình 10 trình bày trường sóng hướng Nam với chiều cao sóng ban đầu là 0.2m, chu kỳ sóng là 4.1s. Sóng hướng Nam cho chiều cao sóng nhỏ hơn sóng hướng Đông, nên khi vào gần bờ, độ cao cũng nhỏ hơn chỉ còn khoảng 0.15m. Hình 11 đến hình 14 trình bày trường dòng chảy và bồi lắng trong hai pha triều lên và xuống. Sự suy giảm của vận tốc gió và độ cao sóng dẫn đến sự suy giảm của vận tốc dòng chảy, vận tốc dòng chảy ven bờ khoảng 15cm/s trong cả hai pha triều. Hình 10: Trường sóng hướng Tây Nam 121 Tính toán xói lở . . . Hình 15: Độ bồi lắng tại cuối thời gian tính toán Sự xáo trộn tại khu vực giữa Đồi Dương cũng suy giảm mạnh, các xoáy trong pha triều lên không còn xuất hiện trong pha triều xuống. Các hoạt động xáo trộn mạnh diễn ra chủ yếu tại khu vực cửa sông Cà Ty. Hình 15 trình bày độ bồi lắng tại cuối thời gian tính toán. Ta thấy có sự xói lở tại giữa khu vực Đồi Dương nhưng với nồng độ thấp (khoảng 0.2kg/m3). Tuy nhiên tại cửa sông Cà Ty có sự bồi lắng rất lớn tại ngay giữa hai đê của cửa sông (gần 2kg/m3), còn khu vực bên trong hai đê có sự xói lở lớn. Trong cả hai hướng gió tác động, khu vực giữa Đồi Dương và phía trong đê cửa sông Cà Ty đều bị xói lở, còn tại phía ngoài hai đê thì bùn cát bồi lắng chắn ngang cửa sông. KẾT LUẬN Kết quả đạt được từ mô hình đã chỉ ra những khu vực bị bồi xói, khá khớp với tình hình thực tế hiện nay tại khu vực, khu vực cửa sông Cà Ty thường xuyên bị bồi lấp, còn khu vực Đồi Dương thì hay bị xói lở. Diễn biến bồi xói diễn ra mạnh mẽ vào hai mùa gió chính Đông Bắc và Tây Nam. 122 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Cialon M.A. “Coastal modelling system user’s manual”. Technical Report CERC-91-1, 1991. [2]. Đặng Văn Tỏ. “Bờ biển cân bằng ở các tỉnh Nam Trung Bộ Việt Nam”. Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật Biển, trường Đại học Thủy Lợi, 2008. [3]. La Thị Cang. “Sóng biển”. Tủ sách trường Đại học Khoa học Tự nhiên [4]. Leo C Vanrijn.“Principles of sediment transport in Rivers, Estuaries and Coastal seas”.University of Utrecht Department of Physical Geography, Delft Hydraulic, 1993. [5]. Lê Song Giang.“Hướng dẫn sử dụng phần mềm F28”, Đại học Bách Khoa TPHCM, tháng 12 năm 2010. [6]. Lê Song Giang, Nguyễn Thị Phương, Mai Chí. “Quy luật diễn biến dải ven bờ từ Cà Ná tới mũi Kê Gà (tỉnh Bình Thuận)”. Báo cáo tổng kểt kểt quả đề tài KHCN cấp Đại học Quốc Gia. Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, 2011. [7]. Nguyễn Đức Vượng.“Dự án Quy hoạch công trình chống xói lở bờ biển tỉnh Bình Thuận (Giai đoạn 2011 – 2020)” – Báo cáo tổng hợp. Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam,2011. [8] Nguyễn Văn Lân.“Nghiên cứu nguyên nhân gây xói lở - Đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ biển đáp ứng yêu cầu giữ gìn tôn tạo cảnh quan môi trường du lịch tỉnh Bình Thuận”. Đề tài NCKH cấp Sở KHCN tỉnh Bình Thuận. [9]. Phạm Bá Trung, Lê Đình Mầu. “Hiện trạng xói lở - bồi tụ tỉnh Bình Thuận”.Tạp chí Các khoa học về trái đất, 33(3), trang 322-328, tháng 9 năm 2011. [10]. QCVN 02: 2009/BXD – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số liệu điều kiện tự nhiên trong xây dựng. Bộ xây dựng (2009). [11]. Tanaka, H. and Shuto, N. “Friction Coefficient for a Wave-Current Coexisting System”, Coastal Engineering in Japan, Vol. 24, pp. 105-128, 1981. [12]. Trần Minh Quang. Động lực học sông&Chỉnh trị sông. NXB Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh, 2000. [13]. Vincent, C.E., Young, R.A. and Swift, D.J.P. “Bed - load Transport Under Waves and Currents”, Marine Geology, Vol. 39, pp. 71 – 80, 1981.