Luận án tiến sĩ mô hình thủy động lực vận chuyển bùn cát - Trần Thị Kim

TRÀN THỊ KIM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC, VẬN CHUYÊN BÙN CÁT VÀ HÌNH THÁI ĐÁY TRONG HỆ TỌA ĐỘ CONG - ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO MỘT SÓ TRƯỜNG HỢP Ở ĐÒNG BANG SÔNG CỬU LONG LUẬN ÁN TIEN SĨ KỸ THUẬT TP. HO CHÍ MINH, NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH VIEN MOI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYEN TRAN THỊ KIM XAY DUNG MO HINH THUY DONG LUC, VAN CHUYEN BUN CAT VA HÌNH THAI DAY TRONG HE TOA ĐỘ CONG - ÁP DUNG TÍNH TOÁN CHO MOT SO TRƯỜNG HOP Ở DONG BANG SONG CUU LONG Ngành: Quản lý tai nguyên và môi trường Mã ngành: 9850101 NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC: 1. NGUYEN KỲ PHÙNG 2. NGUYEN VAN PHƯỚC Cán bộ hướng dẫn 1 Cán bộ hướng dẫn 2 GS.TS NGUYÊN KỲ PHÙNG GS.TS NGUYEN VĂN PHƯỚC TP.

HO CHÍ MINH, NĂM 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ — Xây dung mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ toa độ cong — Ap dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng sông Cửu Long” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, chưa được công bố trong bat kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, được phân tích theo các phương pháp tiêu chuân có cơ sở khoa học và độ tin cậy cao. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dan và tham chiếu đầy đủ. Kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố theo đúng quy định trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín.

HCM, năm 2023 Nghiên cứu sinh Trần Thị Kim ii LOI CAM ON Đề hoàn thành luận án tiến sĩ này, tôi xin bay tỏ lòng biết ơn chân thành đến Quý Thầy Cô và các cán bộ, công nhân viên Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp. HCM đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi. Tôi xin bày tỏ long cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy GS. Nguyễn Kỳ Phùng, GS.

Nguyễn Văn Phước và PGS. Nguyễn Thị Bảy. Các thầy cô là người đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và đốc thúc tiễn độ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Luận án này không thé thực hiện được nếu thiếu nguồn giúp đỡ và động viên vô cùng to lớn từ gia đình tôi, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn to lớn đến những người thân trong gia đình.

Cuối cùng, đối với bạn bè, đồng nghiệp của tôi ở đơn vị công tác và những nơi khác, tôi xin ghi lòng những góp ý hữu ích trong chuyên môn và những chia sẻ trong cuộc sống. HCM, năm 2023 Nghiên cứu sinh Trần Thị Kim 11 TÓM TẮT Luận án này tập trung vào xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyên bùn cát và hình thái đáy trong tọa độ cong và áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng bằng sông Cửu Long, cụ thé: Mô hình thủy động lực trong tọa độ cong với ba module (dòng chảy, sóng và gid) được xây dựng dựa trên hệ phương trình Reynolds trung bình theo chiều sâu, sau một số phép biến đổi trên tọa độ cong. Sau khi mô hình được xây dựng đã tiễn hành kiểm định khi tính toán trong kênh hẹp, kênh chữ U và có so sánh với kết quả khi tính trên hệ tọa độ đề các. Kết quả cho thấy khi tính toán bằng mô hình thủy động lực trên hệ tọa độ đề các, kết quả vận tốc sát bờ không tối ưu bằng tính trên hệ tọa độ cong.

Mô hình vận chuyên bùn cát và hình thái đáy được thiết lập dựa trên hệ phương trình chuyền tải bùn cát, có tính đến hàm số nguồn, mô tả tốc độ bốc lên hay lắng xuống của hạt trên hệ tọa độ cong với hai module: module phù sa lơ lửng và module diễn biến đáy (có nguồn khai thác cát). Hon vậy, một diém mới mà mô hình đã phát triển được là nguồn khai thác cát biến động theo thời gian dé kết quả tính toán diễn biến đáy phù hợp với thực tế hon mà hiện nay hau hét các mô hình van chưa có nguôn này. Đề thấy rõ ứng dụng nguồn khai thác cát, mô hình tọa độ cong được thiết lập sẽ áp dụng dé tính toán diễn biến đáy cho khu vực Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát với 3 kịch bản: diễn biến đáy từ năm 1999 đến năm 2001 trong điều kiện không có khai thác cát, diễn biến đáy năm 2002 khi có và không có hoạt động khai thác cát. Kết quả cho thấy, khi có hoạt động khai thác cát, lòng dẫn về phía hạ nguồn sẽ bị tác động rất lớn.

Mô hình tiếp tục áp dung dé tính toán dòng chảy tong cộng ven bờ tỉnh Sóc Trăng, là khu vực ven biển, nơi có ảnh hưởng của thủy triều, sóng, gió. Kết quả cho thấy vào mùa gió Đông Bắc, dòng triều lên từ phía Đông Bắc — Tây Nam, có hướng cùng với dòng ven bờ chảy, dẫn đến dòng tổng hợp tăng khi triều lên và triều xuống. Tương tự vậy trong mùa gió Tây Nam, dòng triều có hướng từ Đông Bac — Tây Nam có hướng ngược với dòng ven bờ chảy từ Tây Nam — Đông Bac, dẫn đến dòng tổng hợp giảm khi triều lên và triều xuống. Dòng chảy gió ảnh hưởng đến khu vực là không đáng ké.

iv ABSTRACT This thesis focuses on building hydrodynamic, sediment transport and bed change models on curvilinear coordinate system and applying to some cases in the Mekong Delta. In more detailed, the hydrodynamic model with three modules: flow module, wind module and wave module is built based on the depth-averaged Reynolds equation system, after some transformations on curvilinear coordinates. After coding, it has been verified by some problems in narrow channels, U-shaped channels and compared with the problem on Cartesian coordinate system. The results show that on Cartesian coordinate system, the velocities of nearshore are not as optimal as simulated on curvilinear coordinate system.

The sediment transport and bed change model is established based on a system of sediment transport and bed change equations, integrated the source function which is the rate of rising or settling of particles on a curved coordinate system. The model has two modules: the sediment transport and bed change modules (with sand mining function). Furthermore, the model including the sand mining function over time simulates the bed change more consistent with the reality. To identify the application of the sand mining function, the model will be applied to simulate the bed change for Tan Chau area under the influence of sand mining with 3 scenarios: bed change from 1999 to 2001 and that in 2002 with and without sand mining.

The results show that the bed-change in downstream will be greatly affected when there is sand mining. When simulating the total flow along the coast of Soc Trang province under the influence of tides, waves and winds, the tidal currents rise from the northeast to the southwest, which have same direction as the coastal current. This is a cause leading to an increase in the combined current at high tide and low tide in the northeast monsoon season. Similarly, during the southwest monsoon season, the tidal current from Northeast to Southwest has the opposite direction to the coastal current from Southwest to Northeast, leading to a decrease in the combined current during high tide and low tide.

Wind flow affecting the area is negligible. i 098/9 0), ee ii TOM 06/0057. V DANH MỤC CHỮ VIET TAT. 5- << S22 £s£ se se sessesesessesersee viii.

x DANH MUC HINH. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu Mghién CỨU. Mục tiêu tổng quất.

Muc ấu iu 0. Nội dung nghiên CỨU. Đối tượng và phạm Vi nghiên cứu .-- 5< s- se sssessssssse=sssssssessessess 5 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu.

Tính mới của luận AN .d << <6 89 594 99894 9894999999994899596988969996 7 CHUONG 1 TONG QUAN VE TINH HÌNH NGHIÊN CỨU. 8 11 Tinh hình nghiên cứu ngoai nC .1 Sự phát triển của mô hình 2DD.- ¿2 + s+SE+EE+E£+E£+EeEEeEEerxersrrerreee 8 1.2 Ứng dung các mô hình tọa độ cong 2D vi.2 Tình hình nghiên cứu trong TƯỚC.--- +: 5£ £+SE£EE£EE2EEEE1271212112117111711 2111110.2 Ứng dung các mô hình tọa độ cong.---¿---¿-s¿++x++zxzxx+zx+srxs 23 VI 1. Các nghiên cứu về thủy động lực và diễn biến bùn cát đáy ở Đồng bằng SONG 0ì8009),: 1171777.3 Nhận xét chung.1 Những thành tựu dat ẨƯỢC.2 Những vấn đề tồn tại.4 _ Đặt van đề nghiên cứu của luận án.1 Vấn để nghiên cứu.2 Trường hợp ứng dỤụng.- «+ HH TH HH ngư40 1.5 Kết luận chương .---s-s°-scscssssssessessersetssessrrserssrsssse 42 CHUONG 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VA SỐ LIỆU .1 Khung phương pháp luận.1 Dit Hu thu thap oe .2 Phương pháp GIS.-- --- 11v TH HH TH ket 47 2. Phương pháp mô hình toán.2 Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trên hệ f0a dO CON .1 Cơ sở lý thuyết phương trình thủy lực, vận chuyên bùn cát và hình thái đáy trên hệ tọa độ vuÔng BÓC.2 Các biến đổi trong hệ tọa độ cong.3 Chuyên đôi các phương trình cơ bản sang tọa độ cong.4 Sơ đồ giải các mô hình.-- 2-2 ¿+ +E+EE£EE2EE+E2EEEEEEEEEerkerkerkerkee 71 2.3 Kết luận chương .s-scsscs©csecsscsseesessersersersserserssrssesee 92 CHUONG 3 : KET QUÁ VÀ THÁO LUẬN .1 Kiểm tra module thủy động lực và vận chuyển bùn cát.1 Kiểm tra module thủy động lực trong tọa độ cong.2 Kiểm tra module vận chuyền bùn cát.-- 2-2-5 sz+sz+s+zxezseex 98 3.3 Kiểm tra module SOng.2 Ứng dung mô hình để tính toán hình thái đáy cho đoạn sông Tiền chảy qua thị tran Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát.1 Giới thiệu về phạm Vi tính toán.2 Thiết lập mô hình.

Hiệu chỉnh va kiểm định mô hình .4 Mô phỏng diễn biến đáy đoạn sông Tiền chảy qua thi tran Tân Chau. Ứng dụng mô hình để tính toán dòng cháy vùng ven biển Sóc Trăng dưới ảnh hướng của sóng, gió và thủy triỀu.1 Tổng quan về khu vực tính toán .2 Thiết lập mô hình.3 Cân bằng năng lượng triều cho 8 sóng.----:-2cc+cc+cccse+ 35 3. Dòng chảy vùng ven bờ tinh Sóc Trăng.4 _ Kết luận chương.---seese+ec++vsettrvxseetrrrssrrrrreesee 155 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ .--+°©CCV22vveeseetervvzvxesssrrororre 156 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÓ CÓ LIÊN QUAN ĐÉN LUẬN ÁN. TÀI LIEU THAM KHAO .---s°2s£2+esevEE2Sseevvvveseerrrxesrerrsee 162 TONG HỢP CÁC PHU LỤC.cccc5s5cc© tESEESEEEEEEEEEEvvvrvrerrsssrsee 171 Vili DANH MUC CHU VIET TAT ADCIRC : Advanced Circulation (M6 hinh tuan hoan) CSDL : Cơ sở đữ liệu ĐBSCL : Đồng Bằng Sông Cửu Long DHQG-HCM : Đại học Quốc gia Thanh phố Hồ Chi Minh DHTL : Dai hoc Thuy loi GIS : Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý) GMĐB : Gió mùa Đông Bắc GMTN : Gió mùa Tây Nam HD : Hydrodynamic Module (Mô đun thủy động lực) MOBED : Mobile Bed KBI : Kịch bản 1 KB2a : Kịch bản 2a KB2b : Kịch bản 2b KTTV : Khí tượng thủy văn NSE: : Nash — Sutcliffe coefficient (Chi số Nash — Sutcliffe) Ng.