Thiết lập mô hình tính toán nước dâng do bão cho bờ biển Việt Nam

ThiÕt lËp M« h×nh tÝnh to¸n n­íc d©ng do b·o cho bê biÓn ViÖt Nam Ths. Vò ThÞ Thu Thuû - Khoa C«ng tr×nh, Tr­êng §HTL Ths. Nghiªm TiÕn Lam - Khoa Kü thuËt Bê biÓn Tãm t¾t ViÖc tÝnh to¸n n­íc d©ng do b·o cïng víi viÖc x¸c ®Þnh quan hÖ gi÷a ®é lín n­íc d©ng do b·o vµ x¸c suÊt xuÊt hiÖn cña nã cho c¸c vïng ven biÓn n­íc ta cã mét nghÜa quan träng vµ thiÕt thùc cho c¸c c«ng t¸c thiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh ven biÓn còng nh­ c¸c c«ng t¸c quy ho¹ch vµ qu¶n lý d¶i ven bê mét c¸ch hiÖu qu¶ nh»m phßng chèng vµ gi¶m nhÑ thiªn tai g©y ra bëi n­íc d©ng do b·o. Trong bµi b¸o [1] tr­íc ®©y ®· tr×nh bµy vÒ m« h×nh thÝch hîp cho c¸c c¬n b·o ®æ bé vµo bê biÓn ViÖt Nam víi m« h×nh Fujita ®Ó m« t¶ tr­êng khÝ ¸p vµ m« h×nh xo¸y c¶i tiÕn Rankine ®Ó m« pháng tr­êng giã trong c¬n b·o. Trong bµi viÕt nµy tiÕp theo sÏ tr×nh bµy viÖc øng dông m« h×nh thuû ®éng lùc häc Delft3D-FLOW ®Ó m« pháng n­íc d©ng do b·o cho bê biÓn phÝa b¾c ViÖt Nam víi viÖc hiÖu chØnh vµ kiÓm ®Þnh trong tÝnh to¸n n­íc d©ng do b·o cho hai trËn b·o ®iÓn h×nh Frankie (1996) vµ Wukong (2000). 1. Giíi thiÖu N­íc d©ng do b·o lµ sù chªnh lÖch t¹m thêi cña mùc n­íc biÓn ë ven bê so víi mùc n­íc triÒu thiªn v¨n g©y ra do ¸p thÊp vµ giã m¹nh trong c¬n b·o. Nã lµ mét lo¹i sãng träng lùc dµi víi chu kú cã thÓ tõ vµi giê ®Õn vµi ngµy phô thuéc vµo thêi gian cña c¬n b·o. §é lín cña n­íc d©ng do b·o phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè nh­: tèc ®é vµ h­íng di chuyÓn cña c¬n b·o, ®é gi¶m ¸p vµ søc giã trong c¬n b·o. Ngoµi ra ®é s©u vµ h×nh th¸i ®­êng bê cïng víi chÕ ®é thuû triÒu còng ¶nh h­ëng kh«ng nhá tíi trÞ sè n­íc d©ng do b·o. N­íc d©ng do b·o lµ hiÖn t­îng hay x¶y ra trªn ë vïng ven biÓn n­íc ta lµ n¬i tËp trung nhiÒu khu d©n c­ ®«ng ®óc vµ c¸c khu vùc ph¸t triÓn kinh tÕ quan träng. D¶i ven biÓn n­íc ta th­êng ph¶i chÞu nhiÒu thiÖt h¹i do b·o vµ n­íc d©ng do b·o g©y ra nh­ lµ xãi lë bê biÓn, ph¸ ho¹i ®ª ®iÒu vµ c¸c c«ng tr×nh ven biÓn, g©y ngËp lôt vïng ven biÓn lµm thiÖt h¹i vÒ nh©n m¹ng, tµi s¶n vµ hoa mµu v.v... Do ®ã, viÖc tÝnh to¸n x¸c ®Þnh ®­îc quan hÖ gi÷a ®é lín cña n­íc d©ng do b·o vµ tÇn suÊt xuÊt hiÖn cña nã däc theo d¶i bê biÓn n­íc ta lµ rÊt quan träng vµ cÇn thiÕt cho thiÕt kÕ c¸c c«ng tr×nh ven biÓn, qui ho¹ch vµ qu¶n lý tæng hîp d¶i ven bê mét c¸ch cã hiÖu qu¶ nh»m gi¶m nhÑ thiªn tai do n­íc d©ng do b·o g©y ra. §Ó phôc vô cho môc tiªu nµy, c¸ch tiÕp cËn sau ®· ®­îc dïng cho nghiªn cøu: 1. Lùa chän mét m« h×nh thÝch hîp cho viÖc m« pháng c¸c c¬n b·o ®æ bé vµo bê biÓn ViÖt Nam. KÕt qu¶ cña phÇn nµy ®· ®­îc tr×nh bµy trong bµi b¸o [1] víi viÖc khuyÕn 1 nghÞ chän m« h×nh Fujita ®Ó m« t¶ tr­êng khÝ ¸p vµ m« h×nh xo¸y c¶i tiÕn Rankine ®Ó m« pháng tr­êng giã trong c¸c c¬n b·o. 2. ThiÕt lËp mét m« h×nh thuû ®éng lùc häc ®Ó tÝnh to¸n n­íc d©ng trong c¸c c¬n b·o víi ®Çu vµo lµ tr­êng giã vµ khÝ ¸p tõ c¸c m« h×nh ®· chän vµ c¸c biªn thuû triÒu. 3. TÝnh to¸n n­íc d©ng do b·o cho nhiÒu c¬n b·o ®æ bé vµo n­íc ta dùa trªn th«ng tin vÒ ®­êng ®i cña c¸c c¬n b·o trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y. 4. X¸c ®Þnh ph©n bè x¸c suÊt vµ tÇn suÊt xuÊt hiÖn cña c¸c gi¸ trÞ n­íc d©ng do b·o cho c¸c ®iÓm ven bê biÓn n­íc ta dùa trªn kÕt qu¶ tÝnh to¸n n­íc d©ng cho nhiÒu c¬n b·o. TiÕp theo bµi b¸o [1], bµi viÕt nµy tr×nh bµy néi dung 2 cña tiÕp cËn trªn víi viÖc tr×nh bµy vÒ viÖc ¸p dông m« h×nh Delft3D cho viÖc gi¶i quyÕt bµi to¸n thuû ®éng lùc häc cña n­íc d©ng do b¸o ven bê biÓn n­íc ta. 2. C¬ së m« h×nh to¸n n­íc d©ng do b·o 2.1. C¸c ph­¬ng tr×nh c¬ b¶n HiÖn t­îng n­íc d©ng do b·o cã thÓ ®­îc m« t¶ bëi hÖ ph­¬ng tr×nh thuû ®éng lùc häc hai chiÒu thiÕt lËp cho chuyÓn ®éng cña sãng n­íc n«ng bao gåm Ph­¬ng tr×nh liªn tôc  (d +) (d +) t x y (1) Ph­¬ng tr×nh ®éng l­îng theo ph­¬ng ngang (x, y) t + u x + v y + g x − fv + 1 pa + C2 (d +) − w (d +) −( 22 +  22 ) = 0 (2a) 2 2 t + u x + v y + g y + fu +  y + C2 (d +) − w (d +) −(x2 + y2 ) = 0 (2b) Trong ®ã: t lµ biÕn thêi gian (gi©y); x vµ y lµ c¸c biÕn kh«ng gian theo ph­¬ng ngang (m);  lµ cao tr×nh mÆt n­íc so víi mÆt chuÈn (m); d lµ ®é s©u ®¸y tÝnh tõ mÆt chuÈn (m); u, v lµ c¸c thµnh phÇn vËn tèc trung b×nh theo c¸c ph­¬ng x, y (m/s); U lµ trÞ tuyÖt ®èi cña vÐc-t¬ vËn tèc tæng, U=(u2+v2)1/2 (m/s); wx,wy lµ c¸c thµnh phÇn øng suÊt giã theo ph­¬ng x, y (N/m2); w lµ khèi l­îng riªng cña n­íc biÓn (kg/m3);  lµ hÖ sè khuÕch t¸n rèi (m2/s); C lµ hÖ sè nh¸m Chezy; g lµ gia tèc träng tr­êng (m/s2); f lµ tham sè Coriolis (s-1); pa lµ ¸p 2 suÊt khÝ quyÓn trªn mÆt n­íc (mbar). Trong sè c¸c ngo¹i lùc t¸c dông, ngoµi ma s¸t ®¸y, lùc Coriolis ... th× cã thµnh phÇn ngo¹i lùc quan träng g©y ra do b·o ph¶i kÓ ®Õn lµ ¸p suÊt kh«ng khÝ (sè h¹ng thø 6 trong c¸c ph­¬ng tr×nh 2a vµ 2b) vµ giã bÒ mÆt (sè h¹ng thø 8 trong c¸c ph­¬ng tr×nh 2a vµ 2b). 2.2. Ph­¬ng ph¸p gi¶i vµ yªu cÇu sè liÖu §Ó gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh trªn cho bµi to¸n n­íc d©ng do b·o, m« ®uyn Delft3D-FLOW cña bé phÇn mÒm Delft3D ®· ®­îc chän sö dông. Delft3D lµ mét bé m« h×nh ®­îc ph¸t triÓn bëi ViÖn thuû lùc WL Delft Hydraulics cña Hµ Lan ®Ó m« h×nh ho¸ c¸c vÊn ®Ò dßng ch¶y, vËn chuyÓn bïn c¸t, lan truyÒn sãng, diÔn biÕn h×nh th¸i, chÊt l­îng n­íc vµ sinh th¸i trong s«ng, cöa s«ng, vïng ven biÓn, thÒm lôc ®Þa vµ c¸c ®¹i d­¬ng. Delft3D-FLOW gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh thuû ®éng lùc häc theo ph­¬ng ph¸p sai ph©n Èn víi s¬ ®å khö lu©n h­íng (ADI) trªn hÖ l­íi cong. C¸c sè liÖu ®Çu vµo quan träng cho m« h×nh ®èi víi m« pháng n­íc d©ng do b·o lµ ®Þa h×nh ®¸y, dao ®éng mùc n­íc ë c¸c biªn, tr­êng giã vµ ¸p suÊt kh«ng khÝ trªn mÆt biÓn. Ngoµi ra khi tÝnh to¸n cho c¸c vïng chi tiÕt cßn cÇn ®Õn dßng ch¶y tõ ®Êt liÒn ra ë c¸c vïng cöa s«ng, t­¬ng t¸c víi sãng biÓn ë vïng n­íc n«ng ven bê. 3. øng dông m« h×nh Delft3D-Flow 3.1.ThiÕt lËp l­íi vµ miÒn tÝnh to¸n 111000666EEE 111000777EEE 111000888EEE 111000999EEE 111111000EEE 111111111EEE 111111222EEE 222333NNN 111111333EEE 222333NNN CHINA 222222NNN BBeiiihaiii Macao 222222NNN LLLooocccaaatttiiiooonnn---111 VIETNAM 222111NNN Hon Gai Cam Pha Naozhou Dao 222111NNN Do Son CuaaBBa L ttt BaachLLonggVViii 222000NNN Hon Ne LLLooocccaaatttiiiooonnn---222 222000NNN LLLooocccaaatttiiiooonnn---333 Hon Me Hainan 111999NNN 111999NNN Cua HoHon Nieu 111888NNN CuuaGiiiannh Nhat Le Dong Hoi LLLooocccaaatttiiiooonnn---444 111888NNN LLLooocccaaatttiiiooonnn---555 111777NNN CuuaViii ttt 111777NNN Paarrrac lllIIIslllandds LAOS Hue LLLooocccaaatttiiiooonnn---666 111666NNN 111555NNN 111444NNN Da Nang Hoi An LLLooocccaaatttiiiooonnn---777 Dung Quat Duc Pho Tam Quan LLLooocccaaatttiiiooonnn---888 LLLooocccaaatttiiiooonnn---999 Qui Nhon 111666NNN 111555NNN 111444NNN H×nh 1. L­íi tÝnh to¸n (tr¸i) vµ ®Þa h×nh ®¸y (ph¶i) cña m« h×nh 111333NNN 111000666EEE 111000777EEE 111000888EEE 111000999EEE 111111000EEE 111111111EEE 111111222EEE 111333NNN 111111333EEE 3 MiÒn tÝnh to¸n ®­îc chän lµ vïng bê biÓn ViÖt Nam tõ Qu¶ng Ninh ®Õn Quy Nh¬n, n¬i ph¶i chÞu ¶nh h­ëng cña h¬n 70% sè c¬n b·o vµ còng v× vËy mµ thiÖt h¹i g©y ra bëi n­íc d©ng do b·o còng lµ nhiÒu nhÊt. Do ®ã l­íi tÝnh to¸n cña m« h×nh ®­îc lËp bao trïm c¶ vÞnh B¾c Bé vµ më réng vÒ phÝa ®¶o H¶i Nam cña Trung Quèc tõ 14o-22o B¾c vµ 105o-113o §«ng víi diÖn tÝch kho¶ng 450,000km2. L­íi tÝnh to¸n cña m« h×nh lµ l­íi cong trùc giao to¹ ®é UTM bao gåm 145x180 ®iÓm nót, trong ®ã cã 90% nót ­ít ®­îc sö dông. KÝch cì « l­íi thay ®æi dÇn tõ mÞn nhÊt lµ 2km ë vïng cÇn quan t©m ven biÓn ®Õn th« nhÊt lµ 8km ë biªn láng ngoµi kh¬i gÇn Hoµng Sa. Biªn láng cã d¹ng cong vµ ®­îc chia lµm 4 ®o¹n ®i qua 5 vÞ trÝ (gåm cã Hoµng Sa, Qui Nh¬n) ®­îc chän phô thuéc vµo ®é s©u truyÒn triÒu vµ sù biÕn ®æi tuyÕn tÝnh cña pha triÒu. L­íi tÝnh to¸n cña m« h×nh vµ ®Þa h×nh ®¸y ®­îc thÓ hiÖn nh­ trªn h×nh 1. 3.2. Sè liÖu ®Çu vµo §Þa h×nh ®¸y biÓn ®­îc lÊy theo bé sè liÖu ®Þa h×nh toµn cÇu ETOPO2 víi ®é ph©n gi¶i lµ 2 phót. §é s©u trong miÒn tÝnh to¸n hÇu hÕt nhá h¬n 100m, tuy nhiªn vïng gi÷a vÞnh B¾c Bé cã ®é s©u kho¶ng 200m vµ vïng gÇn quÇn ®¶o Hoµng Sa lµ trªn 500m. Mùc n­íc thuû triÒu t¹i biªn láng ®­îc x¸c ®Þnh tõ c¸c h»ng sè ®iÒu hoµ lÊy tõ dù ¸n quan tr¾c mÆt biÓn b»ng vÖ tinh ra-®a TOPEX/Poseidon víi sai sè nhá h¬n 5 cm. C¸c sè liÖu thùc ®o thuû v¨n vÒ giã vµ khÝ ¸p cã ®­îc tõ Trung t©m KhÝ t­îng thuû v¨n quèc gia, c¸c th«ng tin vÒ ®­êng ®i c¬n b·o (vÞ trÝ t©m b·o, tèc ®é di chuyÓn, ®é gi¶m ¸p trong t©m, vËn tèc giã lín nhÊt) sau mçi s¸u tiÕng ®­îc lÊy tõ bé sè liÖu BEST TRACK cña Trung t©m liªn hîp C¶nh b¸o b·o cña Mü (JTWC). Sè liÖu thùc ®o vÒ mùc n­íc cña c¸c tr¹m ®o ven bê dïng cho kiÓm ®Þnh m« h×nh cã ®­îc tõ dù ¸n VCM (WLDelft Hydraulics). §Ó tÝnh to¸n mùc n­íc bÊt th­êng trong c¬n b·o, kÕt qu¶ cña bµi b¸o [1] ®­îc ¸p dông ®Ó m« pháng c¬n b·o, cô thÓ lµ dïng m« h×nh Fujita ®Ó m« t¶ tr­êng khÝ ¸p vµ m« h×nh xo¸y c¶i tiÕn Rankine ®Ó m« t¶ tr­êng giã trong c¬n b·o t¹i c¸c ®iÓm l­íi trªn toµn miÒn tÝnh to¸n. Tuy nhiªn th«ng tin vÒ c¬n b·o cø mçi s¸u tiÕng, trong khi ®ã b­íc thêi gian tÝnh to¸n trong m« h×nh thuû ®éng lùc häc l¹i lµ 5 phót. NÕu chØ ®¬n gi¶n sö dông phÐp néi suy trùc tiÕp c¸c tr­êng giã vµ khÝ ¸p cã sau mçi 6 tiÕng sÏ ph¸ huû cÊu tróc thùc sù cña c¬n b·o vÒ c¶ h­íng vµ ®é lín. V× thÕ, mét ch­¬ng tr×nh phÇn mÒm m« pháng trËn b·o ®· ®­îc thiÕt lËp ®Ó tÝnh to¸n c¸c tr­êng ¸p suÊt vµ giã b»ng c¸c c«ng thøc trªn cho mçi m¾t l­íi t¹i tõng b­íc thêi gian cña m« h×nh tõ viÖc néi suy vÞ trÝ, ¸p suÊt, vËn tèc t¹i t©m, vËn tèc giã lín nhÊt t¹i c¸c thêi kho¶ng 6 giê cña Best track. 3.3.HiÖu chØnh vµ kiÓm ®Þnh m« h×nh M« h×nh ®­îc hiÖu chØnh vµ kiÓm ®Þnh cho hai tr­êng hîp kh«ng cã b·o vµ cã b·o. ¶nh h­ëng cña c¸c tham sè cña m« h×nh nh­ b­íc thêi gian tÝnh to¸n, ®é nh¸m... tíi c¸c kÕt 4 qu¶ tÝnh còng nh­ viÖc hiÖu chØnh biªn triÒu ®­îc kh¶o s¸t b»ng ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch ®é nh¹y. Tiªu chuÈn ®Ó ®¸nh gi¸ lµ sai sè qu©n ph­¬ng (RMSE) nhá nhÊt gi÷a kÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ mùc n­íc thùc ®o t¹i c¸c tr¹m ®o ven bê. RMSE = N ( i −i )2 i=1 N Trong ®ã : mùc n­íc triÒu dù b¸o (khi kh«ng cã b·o) hoÆc mùc n­íc thùc ®o ( khi cã b·o);  lµ mùc n­íc tÝnh to¸n; N lµ sè ®iÓm thêi gian ®ång bé cña c¸c cÆp gi¸ trÞ nµy.  Tr­êng hîp kh«ng cã b·o Trong ®iÒu kiÖn b×nh th­êng khi kh«ng cã b·o, kÕt qu¶ mùc n­íc tÝnh to¸n ®­îc so s¸nh víi mùc n­íc triÒu thiªn v¨n t¹i c¸c tr¹m ®o ven biÓn. Thêi gian tÝnh ®­îc chän tõ 31/6/1996 ®Õn 1/8/1996 theo sè liÖu ®· cã. Thêi ®o¹n nµy bao gåm hai lÇn triÒu c­êng vµ hai lÇn triÒu kÐm céng thªm hai ngµy ®Ó khëi ®éng m« h×nh. §iÒu kiÖn ban ®Çu ®­îc chän víi mùc n­íc b»ng 0. B¶ng 1 thÓ hiÖn sai sè gi÷a mùc n­íc triÒu dù b¸o vµ mùc n­íc tÝnh to¸n, kÕt qu¶ cho thÊy trung b×nh sai sè mùc n­íc cña 12 tr¹m ®o ven biÓn (theo b¶ng thuû triÒu) t­¬ng ®èi nhá (kho¶ng 7cm) lµ cã thÓ chÊp nhËn ®­îc. B¶ng 1. Sai sè RMSE gi÷a mùc n­íc triÒu dù b¸o vµ mùc n­íc tÝnh to¸n STT Tr¹m 1 §å S¬n 2 B¹ch Long VÜ 3 Hßn NÐ 4 Hßn Mª 5 Hßn Ng­ 6 Cöa Tïng Sai sè lín RMSE nhÊt (m) (m) 0.24 0.10 0.22 0.10 0.28 0.11 0.26 0.10 0.30 0.17 0.15 0.08 STT Tr¹m 7 §µ N½ng 8 Héi An 9 §øc Phæ 10 Dung QuÊt 11 Tam Quan 12 Hoµng Sa Sai sè lín RMSE nhÊt (m) (m) 0.14 0.05 0.08 0.03 0.04 0.02 0.07 0.03 0.06 0.03 0.02 0.01 Sai sè lín nhÊt trung b×nh: 0.16m Trung b×nh sai sè RMSE : 0.07m 1 360 O1 0.8 320 0.6 K1 280 0.4 P1 K1 Q1 O1 0.2 2 1 Q1 0 S2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 240 S2 M2 200 200 240 280 320 360 Thực đo (m) Thực đo (độ) 5 ... - tailieumienphi.vn