Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong – áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng Sông Cửu Long - NCS. Trần Thị Kim

Tên đề tài luận án tiến sĩ: Xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong – áp dụng tính toán cho một số trường hợp ở Đồng Bằng Sông Cửu Long
Ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
Mã ngành: 9850101
Họ và tên nghiên cứu sinh: Trần Thị Kim
Người hướng dẫn khoa học:
1.  GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng
2. GS.TS Nguyễn Văn Phước
Cơ sở đào tạo: Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP.HCM
1. Tóm tắt luận án
Luận án này tập trung vào xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển 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 thể: Mô hình thủy động lực trong tọa độ cong với ba module (dòng chảy, sóng và gió) 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 tiến 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 chuyển bùn cát và hình thái đáy được thiết lập dựa trên hệ phương trình chuyển 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). Hơn vậy, một điểm mới mà mô hình đã phát triển được là nguồn khai thác cát biến động theo thời gian để kết quả tính toán diễn biến đáy phù hợp với thực tế hơn mà hiện nay hầu hết các mô hình vẫn chưa có nguồn này.
Để thấy rõ ứng dụng nguồn khai thác cát, mô hình tọa độ cong được thiết lập sẽ áp dụng để 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 dụng để tính toán dòng chảy tổng 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 Bắc – Tây Nam có hướng ngược với dòng ven bờ chảy từ Tây Nam – Đông Bắc, dẫn đến dòng tổng hợp giảm khi triều lên và triều xuống. Dòng chảy gió ảnh hưởng đến khu vực là không đáng kể.
2. Những kết quả mới của luận án
Luận án này tập trung phát triển mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trong hệ tọa độ cong. Trong mô hình hình thái đáy, nguồn khai thác cát đã được phát triển trong phương trình liên tục bùn cát và diễn biến đáy để kết quả tính toán hình thái đáy phù hợp với thực tế hơn, mà hiện nay trong phần lớn các mô hình hiện hữu vẫn chưa có nguồn này.
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
3.1 Khả năng ứng dụng trong thực tế
Mô hình toán xây dựng được có thể triển khai ứng dụng tính toán bồi xói đáy ở các khu vực sông và vùng ven biển Việt Nam phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho quản lý rủi ro, thiên tai và tìm các giải pháp ngăn ngừa, giảm thiểu rủi ro do sạt lở cũng như quy hoạch tài nguyên môi trường và kinh tế xã hội trong khu vực.
Sự hiện diện của nguồn khai thác cát trong mô hình tính toán hình thái đáy sẽ là công cụ đắc lực cho việc mô phỏng diễn biến đáy khi có hoạt động khai thác cát cũng như hoạt động nạo vét bùn thải, từ đó, hỗ trợ tốt cho công tác quy hoạch khai thác cát, quản lý rủi ro thiên tai do sạt lở và quản lý môi trường không chỉ cho ĐBSCL mà những sông ở lưu vực khác.
3.2 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu
Đối với xây dựng mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và hình thái đáy trên hệ tọa độ cong: Do ảnh hưởng của điều kiện biên nên khi tính toán vận chuyển bùn cát vẫn còn có sai số tại các khu vực gần biên, đây là điều mà hầu hết các phần mềm tính toán đều gặp phải. Về giải quyết vấn đề này, trong tương lai, nghiên cứu sinh sự kiến sẽ sử dụng phương pháp đường đặc trưng để xử lý biên;
Đối với việc áp dụng tính toán diễn biến đáy cho khu vực Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát: nghiên cứu này chỉ mới mô phỏng cho giai đoạn từ năm 2002 đến năm 2006 khi mà mỏ cát Tân An đi vào hoạt động, do đó, việc phục hồi của mỏ cát sau khai thác vẫn chưa được mô phỏng đến. Bên cạnh đó, kết quả tính toán khi có ảnh hưởng của khai thác cát vẫn chưa so sánh với tài liệu thực đo. Hiện nay trên địa bàn khu vực An Giang và Đồng Tháp có nhiều mỏ cát được quy hoạch cho phép hoạt động, nên vấn đề mô phỏng với nhiều mỏ cát để thấy được ảnh hưởng của khai cát cát đến diễn biến đáy sông là vấn đề cân nghiên cứu chuyên sâu hơn.
Mô hình chỉ mới bước đàu tính thử nhiệm cho 2 vùng: (i) đoạn sông Tiền chảy qua thị trấn Tân Châu dưới ảnh hưởng của khai thác cát và (ii) khu vực hạ lưu: vùng ven biển Sóc Trăng dưới ảnh hưởng của sóng, gió và thủy triều. Để kiểm nghiệm độ tin cậy của mô hình hơn nữa, cần thiết phải tính toán cho nhiều vùng khác nhau.
Khi mô hình hóa bài toán thủy lực, vận chuyển bùn cát và diễn biến đáy vẫn còn tồn tại sai số. Theo đó, hướng nghiên cứu sau luận án này là tập trung tối ưu hóa các sai số để kết qủa mô phỏng được tối ưu hơn. Bên cạnh đó, khi áp dụng mô hình tính toán vào thực tế thì do ảnh hưởng của điều kiện đầu vào, sai số đo đạc, các yếu tố tự nhiên và dân sinh kinh tế…đã ảnh hưởng đến kết quả tính nên cần có những nghiên cứu chuyên sâu để xem xét các yếu tố này và tối ưu hóa sai số.