Download miễn phí Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng và biến động trầm tích đáy cho vùng biển Vịnh Hạ Long
Kết quả mô phỏng vệt loang do nguồn điểm đối với chất lơ lửng, áp dụng cho hai
trường gió đối lập nhau trong 2 mùa,cho thấy vai trò của hoàn lưu dưcó ý nghĩa rất
quan trọng đối với khả năng lan truyền chất vào dải ven bờ và thoát khỏi vịnh (Đinh
Văn Ưu và ctv, 2005). Với một đặc trưng thuỷ động lực nhấtđịnh, khả năng duy trì các
chất lơ lửng tại các tầngsâu vàlắng đọng xuốngđáy là đáng kể.
Cùng với dòng dự, các kết quả mô hình hoá dòngchảy tổng hợp cho thấysự biến
động của trường hoàn lưu hết sức mạnh mẽ, có thể thấy điều này trênhình 3 dẫnra
dòng chảy tổng hợp mùahè trong2 pha triều ngược nhau(hình 2).
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Tạp chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxII, Số 1PT., 2006Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển
chất lơ lửng và biến động trầm tích đáy
cho vùng biển vịnh Hạ Long
Đinh Văn Ưu
Trung tâm Động lực và Môi tr−ờng Biển
Tóm tắt. Đã phát triển và ứng dụng hệ thống mô hình thuỷ động lực và vận
chuyển vật chất lơ lửng đối với vùng biển vịnh Hạ Long. Hệ thống này bao gồm
các mô hình 3 chiều (3D) thuỷ-nhiệt động lực và vận chuyển vật chất lơ lửng, mô
hình lớp biên đáy.
Những kết quả ban đầu cho thấy hệ thống các mô hình có thể ứng dụng cho
các khu vực biển có điều kiện địa hình và thuỷ động lực phức tạp nh− vịnh
Hạ Long cũng nh− các vùng cửa sông ven biển nhằm mục đích xây dựng hệ
thống mô hình monitoring và dự báo môi tr−ờng biển.
Từ khoá: hệ thống mô hình 3D,vật chất lơ lửng, Vịnh Hạ Long
1. Đặt vấn đề
Sự hiện diện của các chất lơ lửng trong n−ớc đ−ợc nghiên cứu thông qua phân
tách toàn bộ lớp n−ớc thành hai phần: phần n−ớc nằm trên có nồng độ t−ơng đối thấp
và phần sát đáy có nồng độ cao (lớp đáy lỏng). Đối với phần trên, chúng ta có thể sử
dụng hệ các ph−ơng trình bình l−u - khuếch tán vật chất áp dụng cho nồng độ chất lơ
lửng, còn đối với phần sát đáy thì sử dụng ph−ơng trình biến đổi độ dày của toàn lớp
trầm tích. Mô hình này có thể áp dụng đồng thời cũng nh− tách biệt vì vậy dễ dàng
phát triển cho các loại bài toán khác nhau từ nghiên cứu vận chuyển phù sa, xác định
nguồn gốc trầm tích đáy, bồi xói đáy sông, biển đến các bài toán lan truyền ô nhiễm.
Trong khuôn khổ của bài báo này, chúng tui giới thiệu các kết quả b−ớc đầu giải
bài toán tính biến động lớp trầm tích đáy, và chất lơ lửng là phù sa. Các kết quả thu
đ−ợc là cơ sở để phát triển ứng dụng cho bài toán vận chuyển các chất lơ lửng trong
n−ớc biển và khả năng ảnh h−ởng của chúng lên chất l−ợng môi tr−ờng n−ớc và trầm
tích đáy.
Việc ứng dụng mô hình 3D ph−ơng trình bình l−u - khuếch tán nghiên cứu lan
truyền vật chất cho phép giải quyết bài toán một cách chính xác hơn so với lớp các mô
hình 2D và tựa 3D tr−ớc đây. Việc áp dụng ph−ơng pháp thể tích hữu hạn trong mô
hình số cũng góp phần nâng cao khả năng ứng dụng của mô hình.
1.1. Mô hình vận chuyển chất lơ lửng trong lớp n−ớc
Sử dụng ph−ơng trình bình l−u - khuếch tán đầy đủ đối với nồng độ chất lơ lửng:
11
Đinh Văn Ưu 12
z
c
zy
c
yx
c
xzyx
cw
z
cv
y
cu
xt
c
zyx
zyx
∂
∂
∂
∂+∂
∂
∂
∂+∂
∂
∂
∂+=∂
∂+∂
∂+∂
∂−=
=∂
∂+∂
∂+∂
∂+∂
∂
λλλφϕϕϕφ ][
)()()(
(1)
với hàm nguồn bao gồm suất nhập (sản sinh), xuất (tiêu hủy) và lắng đọng:
).( mcIS r∇−+=φ . (2)
Đối với chất lơ lửng là phù sa - một hợp phần tựa bền vững với các nguồn xuất -
nhập hầu nh− chỉ xẩy ra trên biên, vì vậy chỉ cần chú ý duy nhất đến quá trình lắng
đọng.
Tr−ớc mắt các điều kiện biên đối với các biên biển hở có thể cho giá trị không đổi
về nồng độ hay l−u l−ợng phù sa dựa theo đánh giá thực tế thông th−ờng có giá trị
không đáng kể. Các điều kiện t−ơng tự cũng có thể áp dụng đối với các biên cửa sông
với những giá trị nhất định. Đối với mặt phân cách giữa lớp n−ớc và lớp đáy, các thông
l−ợng trao đổi đ−ợc tính thông qua quá trình bứt xói và lắng đọng trầm tích.
Suất lắng đọng qua biên này đ−ợc tính dựa vào vận tốc lắng đọng, nồng độ chất lơ
lửng tại chỗ và giá trị vận tốc động lực t−ơng đối so với giá trị tới hạn cho phép lắng
đọng xuống đáy.
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −≈⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛−=
d
bs
d
bs cwu
ucwD τ
τ11
2
*
* , (3)
với điều kiện u* < u*d hay t−ơng ứng τ < τd.
Giá trị của vận tốc lắng đọng của chất lơ lửng phụ thuộc một cách phức tạp vào
đặc tr−ng của trầm tích và yếu tố động lực học. Van Rijn (1984) đã đ−a ra một công
thức thực nghiệm sau đây tính theo kích th−ớc hạt d, tỷ lệ giữa mật độ trầm tích và
mật độ n−ớc, s, và độ nhớt động học, η:
( )
η18
12 −= sgdws . (4)
thông th−ờng giá trị s ≈ 2,65 và η ≈ 1,5.10-6 m2/s.
Giá trị d đ−ợc xác định theo công thức:
( )( )[ 50251011,01 dTd s ]−−−= σ , (5)
trong đó
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −=
16
50
50
84
2
1
d
d
d
d
sσ là độ phân tán của kích th−ớc trầm tích, 2
crb
crbcbT
,
,,'
τ
ττ −= là tham số ứng suất phi thứ nguyên với cb,'τ
Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng... 13
là ứng suất đáy do dòng chảy và crb,'τ là giá trị tới hạn đ−ợc tính theo công thức phụ
thuộc vào kích th−ớc hạt và giá trị số Shields tới hạn:
( ) crscrb gd θρρτ 50, −= (6)
Việc tính toán tham số Shields có thể sử dụng công thức của Van Rijn:
, (7) ⎪⎩
⎪⎨
⎧
≤<
≤<= −
−
10*414,0
4*124,0
64,0
*
1
*
DD
DD
crθ
với biểu thức đối với kích th−ớc hạt phi thứ nguyên đặc tr−ng:
( ) 3/1
250*
1 ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −= η
sgdD .
Nh− vậy kích th−ớc trầm tích 50dd = khi giá trị ứng suất t−ơng đối T > 25.
Nghiên cứu vận tốc lắng đọng trong điều kiện dòng triều, Portela (1997) đã dẫn
ra công thức đơn giản hơn chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất lơ lửng:
(8) ⎪⎩
⎪⎨⎧ ≥= −
−
31
31
/1,0).(02,0
/1,0).(002,0
mkgcsmc
mkgcsm
ws p
Nồng độ chất lơ lửng gần đáy cb và c đ−ợc lấy theo nồng độ tại biên d−ới cùng lớp
n−ớc hay giá trị trung bình cho lớp biên đáy. Giá trị của nồng độ này có thể tính theo
quy luật hàm số mũ (Mayer, 1995):
1
0
0
1
−
−
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −= HA
w
v
s
b
v
s
eH
A
wcc (9)
với H0 là độ dày lớp n−ớc có ảnh h−ởng, thông th−ờng độ dày này đ−ợc chọn bằng 1m và
c là nồng độ trung bình trong lớp n−ớc đó.
Hệ số khuếch tán Av đối với chất lơ lửng mịn đ−ờng kính nhỏ hơn 20 àm đ−ợc xem
là giảm tuyến tính trong lớp sát đáy từ 3.10-10 m2/s đến 3.10-11 m2/s (Pohlmann, 1994).
Cũng theo Pohlmann (1994) thì giá trị vận tốc tới hạn đối với lắng đọng có thể lấy
nh− sau:
(10) ( )
⎪⎩
⎪⎨
⎧
≤++
≤
=
−
−−−
−−
smwsm
smwsmwc
smwsm
u
s
ss
s
d
/10.5/028,0
/10.510.5).(3,4log.02,0008,0
/10.5).(008,0
4
451
51
*
f
p
Trong tr−ờng hợp đáy biển có sinh vật đáy, thì quá trình lắng đọng sinh học có
thể tính nh− sau:
bbiobio cwD = (11)
với
Đinh Văn Ưu 14
(12) smwbio /10.15,1
6−≈
Thông l−ợng bứt xói từ đáy có thể tính theo nhiều cách khác nhau đối với từng
loại trầm tích đáy.
Theo Pohlmann (1994), đối với đáy bùn thì suất bứt xói sẽ là:
( ) )/( 22*2* smtonuuCE ee −= (13)
với hệ số Ce = 10-4 ton.s/m4 lấy theo kết quả thực nghiệm của Puls (1984) và Rodger et
al (1985).
Giá trị của vận tốc động lực bứt xói tới hạn đ−ợc lấy bằng 0,028 m/s.
Nh− vậy đối với mô hình vận chuyển chất lơ lửng trong toàn lớp n−ớc, thông
l−ợng vật chất qua biên sẽ là tổng đại số của hai hợp phần lắng đọng D và bứt xói E:
FLCb = D - E (14)
1.2. Mô hình biến đổi độ ...