Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

NGHIÊN CỨU TRƯỜNG DỊNG CHẢY RỐI CĨ CẤU TRÚC
TRONG HỆ SINH THÁI THẢM THỰC VẬT
Trương Hồng Sơn1, Phan Khánh Linh1
1
Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Trong những năm gần đây, giá trị và vai
trò của hệ sinh thái rừng, cây cối và thảm
thực vật (gọi tắt là hệ sinh thái thảm thực vật)
ở khu vực sông, cửa sơng và bờ biển trong
cơng tác phịng chống xói lở và biến đổi khí
hậu đã được nhận ra và quan tâm (Trương và
cộng sự, 2019; Linh và cộng sự, 2019; Nepf,
2012). Từ góc nhìn thủy động lực học, hệ
thống rễ, lá và tán lá của các thảm thực vật có
tác dụng cản trở, làm chậm và chuyển hướng
dịng chảy, qua đó có khả năng hấp thụ năng
lượng dịng chảy, năng lượng sóng, bão và
sóng thần (Alongi, 2008). Sự có mặt của hệ
thảm thực vật kích thích q trình trao đổi
động lượng và khối lượng, tạo điều kiện
thuận lợi cho bùn cát được khoắng động và
vận chuyển về phía thảm thực vật. Do đó,
khu vực bờ sơng, bờ biển phía sau thảm thực
vật được che chắn, bảo vệ có khả năng ổn
định cao hơn so với các vùng không được
che phủ bởi cây cối trong những điều kiện tự

nhiên, thiên tai bất lợi (Trương và Wim.,
2019). Hiện nay, việc sử dụng các biện pháp
cơng trình và phi cơng trình có tính thân thiện
với mơi trường sinh thái để phịng chống xói
lở, chỉnh trị và chống thiên tai đã và đang trở
thành xu hướng chung trong công tác xây
dựng thủy lợi trong nước cũng như trên thế
giới (Trương và Wim, 2019). Về mặt lý
thuyết, để thiết kế và áp dụng được các
phương pháp thân thiện với môi trường được
hiệu quả, điểm mấu chốt là phải nắm được cơ
chế trao đổi động lượng và vận chuyển bùn
cát giữa hệ sinh thái thảm thực vật với mơi
trường xung quanh. Những q trình trao đổi
và vận chuyển này được quyết định bởi chế

độ thủy động lực học ở khu vực ven rìa hệ
sinh thái, hình thành bởi sự tương tác giữa
sóng và dịng chảy với cây cối (Trương và
cộng sự, 2019). Hiểu được trường dịng chảy
ở khu vực rìa hệ sinh thái là một trong những
yếu tố tiên quyết để có thể đề xuất các giải
pháp bảo vệ tổ hợp rừng và bờ một cách hợp
lý. Trong bối cảnh này, rất nhiều nghiên cứu
đã tập trung phân tích trường dịng chảy
trong sơng, kênh với sự có mặt của hệ sinh
thái thảm thực vật (Trương và cộng sự, 2019;
Nepf, 2012). Các kết quả nghiên cứu đều
thống nhất về sự tồn tại của một trường dòng
chảy rối có cấu trúc hai chiều hình thành và

phát triển ở khu vực ven thảm thực vật, là
khu vực chuyển đổi giữa vùng dịng chảy
khơng bị giới hạn và vùng dòng chảy chịu
lực cản của cây cối. Trong bài báo này,
những kết quả nghiên cứu thí nghiệm mới
nhất của nhóm tác giả liên quan đến dạng
dịng chảy rối có tính cấu trúc này, cũng như
khả năng mô phỏng chúng sẽ được giới thiệu.
Nghiên cứu thí nghiệm này được thực hiện
năm 2018 tại phịng thí nghiệm thủy lực mơi
trường của trường đại học TU Delft, Hà Lan
trong khuôn khổ dự án nghiên cứu các biện
pháp bảo vệ bờ thân thiện với mơi trường.
2. THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH

Để nghiên cứu trường dịng chảy rối có
cấu trúc hai chiều, có kích thước lớn, mơ
hình vật lý mơ phỏng kênh dẫn có hệ sinh thái
thảm thực vật phát triển trên bãi bồi được xây
dựng trong phịng thí nghiệm (Hình 1). Hệ
sinh thái thảm thực vật được mơ phỏng bởi hệ
hơn 2000 cọc gỗ có đường kính 10 mm, cắm
sole, cách nhau khoảng cách s = 6 cm. Vận

187


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

tốc dòng chảy tại các chất điểm được đo bằng

thiết bị đo đạc vận tốc dòng chảy ADV với
tần số 25 HZ. Thời gian đo tại mỗi điểm là 10
phút. Bên cạnh đó, trường dịng chảy trong
mơ hình vật lý được thu và tính tốn bằng
phương pháp LSPIV. Trong đó hệ thống
camera chuyên dụng được sử dụng với tần số
10 HZ (mỗi giây ghi nhận 10 hình ảnh) được
sử dụng để chụp lại sự dịch chuyển của hơn
10000 hạt nhựa nhỏ, có đường kính 2 - 2.5 mm
được thả đều và liên tục ở thượng lưu của mơ
hình. Trường hợp thí nghiệm được giới thiệu
trong bài báo này có các thơng số đặc trưng
như sau: lưu lượng dịng chảy Q = 45ls-1; mực
nước trong mơ hình H = 12 cm; mật độ của hệ
sinh thái thảm thực vật là 0.01; ma sát đáy
trung bình của máng thí nghiệm là 0.0027.

từ kết quả phân tích PIV ở hai thời điểm khác
nhau, cách nhau 4 giây. Kết quả chỉ ra rằng ở
khu vực ven hệ sinh thái thảm thực vật, trong
vùng chuyển đổi từ khu vực dòng chảy tự do
sang khu vực dòng chảy bị giới hạn bởi sự
xuất hiện của cây cối, vận tốc của dịng chảy
có sự dao động mạnh mẽ, cả về độ lớn và về
phương chiều.

Hình 2. Kết quả trường dòng chảy
xung quanh khu vực thảm thực vật
có độ rỗng 0.01


Hình 1. Mơ hình thí nghiệm vật lý
nghiên cứu trường dịng chảy trong sơng,
kênh có bãi bồi và sự có mặt
của hệ sinh thái thảm thực vật
Bên cạnh mơ hình vật lý, mơ hình số mơ
phỏng thí nghiệm vật lý được xây dựng. Các
thông số đầu vào của mơ hình số được khai
báo dựa trên kết quả đo đạc của mơ hình vật
lý. Mắt lưới nhỏ nhất của mơ hình số có kích
thước 1 cm  1cm; mơ hình có hơn 15000 ơ
lưới với bước thời gian chạy là 0.0005 giây.
Thời gian để mô phỏng 30 phút thí nghiệm là
khoảng 48 giờ.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Trong mục này của bài báo, kết quả trường
dòng chảy quanh khu vực cây và sự xuất hiện
của cấu trúc dòng chảy hai chiều ở khu vực
ven thảm thực vật, trích xuất từ mơ hình vật
lý và mơ hình số sẽ được giới thiệu. Hình 2
cho thấy kết quả của trường dịng chảy quanh
khu vực hệ sinh thái thảm thực vật thu được

Kết quả của sự dao động này là sự xuất
hiện của những cấu trúc dịng chảy dạng
xốy, có kích thước lớn, với chiều dài hơn
một mét và chiều rộng hơn nửa mét (chiều
dài và chiều rộng lớn hơn nhiều so với độ sâu
dòng chảy nên được coi là cấu trúc hai
chiều). Kết quả cũng cho thấy sau bốn giây,

cấu trúc xoáy này di chuyển được khoảng
0.4 m. Tức là vận tốc của cấu trúc này là
khoảng 0.1 m mỗi giây. Hình 3 minh họa kết
quả trường dịng chảy tính tốn bởi mơ hình
số, thể hiện bằng các đường dịng tức thời
(đường nét đứt màu đen) và sự hiện diện của
cấu trúc xốy 2 chiều có kích thước lớn được
quan sát thấy qua kết quả của trường xoáy
(phổ màu). Kết quả mơ phỏng cho thấy về
mặt định tính, mơ hình số có khả năng mơ
phỏng được sự hiện diện của cấu trúc dịng
chảy xốy ven hệ sinh thái thảm thực vật.
Tuy nhiên vị trí, độ lớn và kích thước cũng
như mức độ xâm nhập của cấu trúc vào thảm

188


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

thực vật trích xuất từ mơ hình nhỏ hơn nhiều
so với kết quả của mơ hình vật lý.

Hình 3. Kết quả mơ phỏng trường
dịng chảy, hệ đường dịng tính tốn
và trích xuất từ mơ hình số
Sự hình thành của trường dịng xốy lớn
hai chiều này là kết quả của chênh lệch vận
tốc dòng chảy giữa vùng thảm thực vật (mô
phỏng bởi hệ thống cọc gỗ) với môi trường

xung quanh. Theo định luật Bernoulli, chênh
lệch vận tốc dòng chảy giữa hai vùng kích
hoạt sự mất ổn định của ứng suất cắt trong
dịng chảy ở khu vực rìa rừng. Sự mất ổn
định của ứng suất cắt trong dòng chảy này
được gọi là sự mất ổn định Kelvin-Helmholtz
(K-H). Đây là nguyên nhân tạo ra một cấu
trúc dịng chảy nội sinh có cấu trúc, hình
thành và phát triển trong vùng chuyển tiếp
dọc theo rìa thảm thực vật (Trương và
Uijttewaal., 2019). Sự hình thành của trường
dịng xốy này cũng được ghi nhận trong
trường hợp lòng dẫn bằng phẳng với thảm
thực vật phát triển phân bố phát triển một bên
(Nepf, 2012), nhưng độ lớn cũng như biểu
hiện của chúng không rõ ràng như trong
trường hợp thảm thực vật phát triển trên bãi
bồi (Trương và cộng sự, 2019). Trong trường
hợp cây thực vật có độ dẻo (khơng cứng như
cọc trong thí nghiệm) thì mức độ biểu hiện
của trường dịng xốy có thể tăng hoặc giảm
tùy thuộc vào mức độ dẻo của cây.
4. KẾT LUẬN

Hiểu được trường dịng chảy quanh khu
vực sinh thái thảm thực vật đóng vai trị quan
trọng trong việc hiểu được các q trình trao
đổi động lượng và khối lượng diễn ra trong
rừng và ven rừng, từ đó có thể thiết kế và áp


dụng được những giải pháp thân thiện mơi
trường có hiệu quả cao để ổn định đường bờ
đồng thời đảm bảo hệ sinh thái phát triển bền
vững. Sự xuất hiện của cấu trúc dịng chảy
xốy hai chiều có kích thước lớn (kích thước
theo chiều dài và chiều rộng lớn hơn nhiều
lần so với độ sâu dòng chảy) được quan sát
và tái hiện qua thí nghiệm mơ hình vật lý và
mơ hình số. Cấu trúc xốy này hình thành và
di chuyển dọc theo rìa của hệ sinh thái thảm
thực vật. Sự xuất hiện và dịch chuyển của nó
tạo ra các dịng chảy mạnh hướng vào và rút
ra khỏi rừng, qua đó tạo điều kiện cho các hạt
bùn cát và khoáng chất, dinh dưỡng có cơ hội
được lưu thơng trao đổi. Hướng nghiên cứu
sắp tới sẽ là tính tốn các tham số để các mơ
hình RANs có khả năng mơ phỏng hiện
thượng xốy này được chính xác hơn, cũng
như sử dụng các mơ hình học máy để tái hiện
và phỏng đoán thêm các đặc trưng của cơ chế
dòng chảy này.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Alongi, D. M. (2008). Mangrove forests:
Resilience, protection from tsunamis, and
responses to global climate change.
Estuarine, Coastal and Shelf Science,
76(1): 1 –13.
[2] Mazda, Y., Kanazawa, N., and Wolanski,
E. (1995). Tidal asymmetry in mangrove
creeks. Hydrobiologia, 295(1-3): 51-58.

[3] Nepf, H. M. (2012). Hydrodynamics of
vegetated channels. Journal of Hydraulic
Research, 50(3):262–279.
[4] Phan, L. K., Stive, M. J. F., Zijlema, M.,
Truong, H. S., and Aarninkhof, S. G. J.
(2019). The effect of wave non-linearity on
wave attenuation by vegetation. Coastal
Engineering. 147: 63-74.
[5] Truong, S. H., Uijttewaal, W. S. J., and Stive,
M. J. F. (2019). Exchange processes induced
by large horizontal coherent structures in
floodplain vegetated channels. Water
Resources Research, 55(3): 2014-2032.
[6] Truong, S. H., and Uijttewaal, W. S. J.
(2019). Transverse momentum exchange
induced by large coherent structures in a
vegetated compound channel. Water
Resources Research, 55(1): 589-612.

189