- Trang Chủ
- Môi trường
- Ứng dụng mô hình toán để tính toán sự xuất hiện dòng RIP tại bãi biển Mỹ Khê Đà Nẵng
Xem mẫu
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
ỨNG DỤNG M HÌNH TOÁN ĐỂ TÍNH TOÁN SỰ XUẤT HIỆN
DÒNG RIP TẠI BÃI BIỂN MỸ HÊ ĐÀ NẴNG
Nguyễn Thị Bảy1, Trần Thị Kim2, Trà Nguyễn Quỳnh Nga1, Ngô Nam Thịnh2,3
1
Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TP. HCM
2
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. HCM
3
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP. HCM
TÓM TẮT
RIP-là dòng chảy từ xa hướng vào bờ, rồi xoáy ngược ra xa dọc theo một rãnh hẹp trong khu vực
sóng vỡ khi vùng bờ có địa hình tương thích. Sự hình thành, phát triển và độ lớn dòng Rip liên quan
mật thiết đến hình thái bãi biển, trường sóng ven bờ và dao động thủy triều. Thông thường RIP hay
xảy ra tại những vùng bãi biển có rãnh sâu nằm giữa hai bãi cát. Hàng năm tại các bãi biển Việt Nam,
Dòng RIP đã lấy đi sinh mạng của rất nhiều người, tuy nhiên các nghiên cứu về nó là chưa nhiều. Trong
báo cáo này, các tác giả đã ứng dụng mô hình MIKE 21 SW và HD để tính toán dòng Rip vùng ven biển
Đà Nẵng và phân tích được sự xuất hiện dòng RIP tại đây.
Từ khóa: dòng RIP, MIKE, Mỹ Khê - Đà Nẵng.
1. GIỚI THIỆU
Khu vực bãi biển từ đường Phạm Văn Đồng đến đường Nguyễn Văn Thoại, thành phố Đà Nẵng
bao gồm cả bãi Biển Mỹ Khê, là bãi biển nổi tiếng và đẹp nhất của Đà Nẵng, nơi đã được Tạp chí kinh
tế hàng đầu của Mỹ là Forbes bình chọn là một trong 6 bãi biển quyến rũ nhất hành tinh vào năm 2005
và tờ Sunday Herald Sun của Australia nhận xét là một trong số 10 bãi biển ở châu Á được yêu thích
nhất thế giới. Mỹ Khê cũng là bãi biển thuộc loại nhộn nhịp nhất và rất quen thuộc với mọi người dân
thành phố cũng như du khách quốc tế. Vị trí bãi biển Mỹ Khê được mô tả trong Hình 1.
Hình 1. Vị trí bãi biển Mỹ Khê.
499
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
Qua kết quả thống kê lượng khách du lịch đến các bãi tắm của Đà Nẵng trên cho thấy các
tháng mùa hè có lượng khách tập trung đông nhất trong năm. Vì thế, để phục vụ du lịch biển tại Đà
Nẵng được tốt hơn, an toàn cho du khách tắm biển thì việc nghiên cứu dự báo thử nghiệm dòng RIP
vào thời kỳ này là rất cần thiết. Bước đầu nghiên cứu dự báo thử nghiệm tại bãi biển từ Phạm Văn
Đồng đến Nguyễn Văn Thoại nhằm đưa ra những cảnh báo cần thiết trong tháng du lịch để đảm bảo an
toàn tuyệt đối cho du khách tắm biển, qua đó góp phần thúc đẩy việc phát triển du lịch biển của thành
phố Đà Nẵng.
2. MÔ HÌNH ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
Như đã trình bày ở trên, trong nghiên cứu chúng tôi đã ứng dụng mô hình MIKE 21. Gói phần
mềm này có thể mô phỏng dòng chảy mặt thoáng hai chiều, mô phỏng chuyển tải trầm tích, hình thái
vùng ben biển và các quá trình môi trường dưới ảnh hưởng của sóng, gió, triều. Giao diện thân thiện và
mức độ tin cậy đã làm cho MIKE 21 đóng một vai trò quan trọng thực sự trong các mô hình ở đất liền,
vùng bờ biển và ngoài khơi. Trong đó, chúng tôi sử dụng hai mô hình MIKE 21 SW, MIKE 21 HD, kết
quả từ mô hình tính sóng MIKE 21 SW là đầu vào cho mô hình MIKE 21 HD.
2.1. Cơ sở l thuyết m h nh
MIKE 21 SW:
Phương trình chủ đạo là phương trình cân bằng sóng hoạt động trong hệ tọa độ Đêcac (Komen et
al. (1994) và Young (1999)). Theo hướng tọa độ ngang, phương trình bảo toàn động lượng sóng được
viết như sau:
N S
. vN (1)
t
Trong đó, N (x, σ, θ, t) là mật độ ảnh hưởng, t là thời gian, x (x, y) là hệ tọa độ Cartesian, v (cx, cy,
cυ, cθ) là vận tốc truyền của nhóm sóng, S là số hạng gốc của phương trình cân bằng năng lượng.
MIKE 21 HD:
Phương tr nh iên tục
h hu hv (2)
hS
t x y
Phương tr nh vận chuyển Reyo ds cho v ng nước nông
hu hu 2 huv h pa gh 2
fvh gh
t x y x 0 x 2 0 x (3)
sx bx 1 S xx S xy
hTxx hTxy hus S
0 0 0 x y x y
hv huv hv 2 h pa gh 2
fuh gh
t x y y 0 y 2 0 y (4)
sy by 1 S yx S yy
hTxy hTyy hvs S
0 0 0 x y x y
500
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Trong đó:
t: thời gian (s) g: gia tốc trọng trường (m/s2).
x, y: không gian (m) : mật độ nước biển (g/m3)
: dao động mực nước (m) S xx , S xy , S yx , S yy : ứng suất bức xạ sóng.
d : mực nước trung bình (m)
P: áp suất thủy tĩnh mực nước biển (mb)
h=d+ : mực nước tổng cộng (m)
S: lưu lượng gia nhập vào hệ thống (m3/s)
u , v : vận tốc trung bình độ sâu, theo
(us, vs): vận tốc nguồn gia nhập (m/s)
hướng x, y (m/s) Các ứng suất tiếp tuyến với vận tốc trung
bình theo độ sâu:
với : hu udz, hv vdz
u u v v
d d Txx 2 A , Txy A , Tyy 2 A
x y x y
f 2 sin : lực Coriolis ( : góc mặt
trời. : góc theo vĩ tuyến)
2.2. Các số liệu sử dụng trong tính toán mô hình
Dữ iệu địa h nhkhu vực b i biển Mỹ Khê
Một trong những dữ liệu đầu vào quan trọng nhất của MIKE 21 là dữ liệu địa hình đáy. Dữ liệu này
được đo đạc bởi Trung tâm nghiên cứu Tài nguyên Nước thuộc trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng và
đã được kiểm nghiệm là dữ liệu có độ tin cậy cao [1].
Dữ liệu địa hình thu thập ở dạng số, được chuyển sang định dạng file.xyz và đưa vào chương trình
Mike Zero để nội suy giá trị độ sâu trong tọa độ. Trong mô hình MIKE, dữ liệu địa hình nhập vào mô
hình được lưu ở dạng file 2 chiều.
Khu vực chúng ta quan tâm là khu vực bãi biển từ đường Phạm Văn Đồng đến đường Nguyễn Văn
Thoại sẽ được chia lưới mịn hơn với khoảng cách giữa các nút lưới là 3 - 5m để thấy rõ được chế độ
sóng khu vực ven bờ cũng như tính toán dòng RIP. Còn các khu vực khác thì lưới tính sẽ được chia thưa
hơn với tổng số phần tử tính toán là 29.065 phần tử.
Trên Hình 2 và Hình 3 trình bày địa hình đáy và lưới tính khu vực tính toán bãi biển Mỹ Khê.
Hình 2. Địa hình khu vực bãi biển Mỹ Khê - Hình 3. Lưới tính bãi biển Mỹ Khê -
Đà Nẵng. Đà Nẵng.
501
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
Đi u kiện biên cho khu vực tính toán
- Đối với mô hình sóng MIKE 21 SW: Tại các biên của khu vực tính toán, các tác giả sử dụng dữ
liệu về độ cao sóng, chu kỳ sóng và hướng sóng trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc (tháng 12/2015) và gió
mùa Tây Nam (tháng 7/2016) (Hình 4b). Các dữ liệu này được trích xuất từ kết quả mô phỏng của mô
hình tính sóng SWAN ở quy mô lớn trong vùng biển từ Quảng Trị - Quảng Ngãi [1] vào tháng 12/2015
và tháng 7/2016.
Các số liệu này là đáng tin cậy vì đã đánh giá và kiểm nghiệm với số liệu thực đo do đề tài
thực hiện và số liệu tại các trạm hải văn trong khu vực. Đây cũng là một phần kết quả của đề tài
“Nghiên cứu lập bản đồ khoanh vùng dòng RIP, phục vụ quy hoạch và phát triển du lịch biển thành
phố Đà Nẵng”.
Trên Hình 4 trình bày trường sóng tính từ mô hình SWAN lúc 10 giờ ngày 10/12/2015 của vùng
biển Đà Nẵng và độ cao sóng tại biên ngoài khu vực Mỹ Khê - Đà Nẵng, trong đó thang màu Hs là chiều
cao sóng có nghĩa với các vec-tơ là hướng sóng.
a) b)
Hình 4. Trường sóng (a) tính từ mô hình SWAN lúc 10 giờ ngày 10/12/2015 vùng Đà Nẵng
và (b) độ cao sóng biên ngoài khơi xuất từ SWAN, trong đó thang màu Hs là chiều cao sóng
có nghĩa, vec-tơ là hướng sóng.
- Đối với mô hình thủy động lực MIKE 21 HD FM: Số liệu mực nước tại các biên lỏng vào tháng
12/2015 và tháng 7/2016 được trích xuất từ kết quả mô phỏng bằng mô hình MIKE 21 HD FM ở quy
mô toàn Biển Đông. Hình 5 thể hiện trường mực nước được trích xuất từ kết quả này.
Hình 5. Phân bố mực nước tính từ mô hình MIKE 21 HD FM
thời điểm 13h ngày 10/12/2015 trên toàn Biển Đông.
502
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
- Sóng: dữ liệu sóng làm đầu vào cho mô hình MIKE 21 Flow Model FM, là kết quả tính toán
trường sóng từ mô hình MIKE 21 Spectral Waves FM dưới dạng các ứng suất sóng Sxx, Sxy và Syy.
2.3. Lựa chọn th ng số m h nh
Mô hình dòng chảy được hiệu chỉnh trên cơ sở so sánh giữa số liệu mực nước, dòng chảy tính bằng
mô hình với số liệu thực đo từ ngày 3/6/2016 đến ngày 11/6/2016 tại vị trí có tọa độ 108,391 oE-16,064 oN,
cách bờ biển Mỹ Khê khoảng 1 km (Hình 6 và Hình 7) [1].
Phân tích tính toán thống kê giữa hai chuỗi số liệu tính toán bằng mô hình và chuỗi số liệu quan
trắc thu được các kết quả khá tốt. Đối với mực nước sai số trung bình là dưới 1 cm, sai số tuyệt đối là 14
cm vào thời điểm chân và đỉnh triều (Hình 6a), hệ số tương quan giữa chúng là 0,969 (Hình 6b).
Trên hình 6 trình bày so sánh mực nước tại trạm Sơn Trà tính được so với kết quả đo đạc. Nhận
thấy kết quả tính toán có sai số trung bình dưới 1 cm, sai số tuyệt đối là 16 cm (vào thời điểm chân và
đỉnh triều - Hình 6a), với hệ số tương quan giữa chúng là 0,937 (Hình 6b).
Hình 6. Biến thiên mực nước tính toán và quan trắc tại điểm khảo sát (a),
tương quan giữa chúng (b).
So sánh kết quả độ lớn dòng chảy và pha dòng chảy, cho thấy các kết quả cũng tương đối (xem
Hình 7).
Hình 7. So sánh vận tốc (a) và hướng (b) dòng chảy tính toán và quan trắc
tại điểm khảo sát.
503
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
3. KẾT QUẢ T NH DÕNG RIP VÀ THẢO LUẬN
Kết quả tính toán dòng RIP tại vùng bãi tắm Mỹ Khê trong tháng 12/2015 và tháng 7/2016 cho
thấy dòng RIP chủ yếu xuất hiện vào mùa gió Đông Bắc, còn vào mùa gió Tây Nam chủ yếu xuất hiện
những ao xoáy cục bộ khá nhỏ với vận tốc không đáng kể. Vì vậy, bài báo tập trung đánh giá kết quả
tính toán dòng RIP vào gió mùa Đông Bắc. Trong tháng 12/2015, khu vực nghiên cứu có sự xuất hiện
14 dòng RIP. Cường độ của các dòng Rip biến đổi theo thời gian phụ thuộc vào độ cao sóng cũng
như hướng sóng tới, sóng càng lớn thì dòng RIP càng mạnh, lớn nhất có thể đạt 0,6-0,7 m/s. Hầu
hết các dòng RIP này xuất hiện và biến mất theo thời gian, tần suất xuất hiện dòng RIP vào tháng 12
là khá lớn, sự xuất hiện và biến mất (không thể hiện rõ) của chúng phụ thuộc vào sự biến đổi của
hướng sóng, độ cao sóng và thay đổi của địa hình. Kết quả tính toán cũng cho sự tác động qua lại
giữa dòng RIP và sự biến đổi địa hình đáy. Để tiện cho việc phân tích, chúng tôi có phân vùng từ I
đến IV trên bãi biển Mỹ Khê (Hình 8).
Hình 8. Các vùng phục vụ Hình 9. Kết quả tính trường dòng chảy tại vùng I (a), vùng II (b),
phân tích dòng RIP trên bãi vùng III (c) và vùng IV (d) lúc 0 giờ ngày 16/12/2015.
biển Mỹ Khê.
Nhận xét:
Tại khu vực I cho thấy xuất hiện cùng lúc 5 dòng RIP vào lúc 6 giờ ngày 18/12/2015. Có một số
thời điểm chỉ xuất hiện 1 hoặc 2 hoặc 3 dòng RIP. Các dòng RIP này xuất hiện và biển đổi theo thời gian
theo sự biến đổi của hướng sóng và độ cao sóng. Vận tốc của các dòng RIP này vào khoảng 0,3-0,6 m/s,
với độ rộng kênh RIP từ 5-15 m và chiều dài kênh RIP (chạy dài từ trong ra ngoài khơi) khoảng 20-50 m
(Hình 9a).
Tại khu vực II ta thấy rõ dòng chảy ven bờ, đồng thời xuất hiện năm dòng RIP với vận tốc khoảng
0,2-0,5 m/s, độ rộng dòng RIP khá hẹp, khoảng 5-10 m, chiều dài kênh RIP khoảng 10-20 m. Địa hình
bờ biển tại đây bị lõm sâu hơn vào đất liền so với khu vực kế cận, độ sâu cũng sâu hơn so với hai bên,
đây cũng là một trong những nguyên nhân tạo dòng RIP (Hình 9b).
504
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Tại khu vực III xuất hiện hai dòng RIP khá rõ ràng, trong đó có một dòng RIP khá lớn với đường
kính gần 100 m, dòng RIP này có vận tốc khoảng 0,6 m/s. Dòng RIP còn lại khá hẹp, khoảng 5 m với
vận tốc dòng khoảng 0,2 m/s và chiều dài kênh Rip khoảng 25 m (Hình 9c).
Tại khu vực IV cũng xuất hiện hai dòng RIP tương đối nhỏ, vận tốc không nhanh lắm, khoảng 0,3-
0,4 m/s, với chiều rộng khoảng 4-8 m và dài gần 100 m (Hình 9d).
4. KẾT LUẬN
Kết quả tính toán cho thấy mô hình MIKE 21 đã mô tả chi tiết và tính toán cụ thể dòng chảy RIP
tại khu vực ven bờ bãi tắm Mỹ Khê. Mô hình đã cho thấy rõ được khu vực nào có khả năng xuất hiện
dòng RIP, khu vực nào xuất hiện các xoáy hay chỉ là dòng chảy dọc bờ đơn thuần, đồng thời còn thể
hiện được cường độ của các dòng chảy một cách chính xác.
Mô hình MIKE 21 đã tổng hợp được tất cả các yếu tố có thể cấu thành dòng chảy RIP như địa
hình, trường sóng vỡ gần bờ, gió, thủy triều và cả các công trình ven bờ. Mô hình MIKE của DHI đã
được tin dùng và sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam, nó được dùng để tính
toán thủy triều, sóng, lan truyền chất, chuyển tải bùn cát,…
Vào mùa gió Tây Nam, khu vực này hầu như không có sự xuất hiện của dòng RIP. Trong
tháng 12, tại khu vực nghiên cứu có khả năng xuất hiện đến 14 dòng RIP dọc theo bãi biển với vận
tốc khá lớn, có khi lên tới 0,6-0,7 m/s, đồng thời tần suất xuất hiện dòng RIP vào thời gian này cũng
khá thường xuyên.
Kết quả tính toán trường sóng làm đầu vào cho tính toán dòng chảy còn chưa đủ dày để thể hiện
được thời gian tồn tại của dòng RIP ngoài thực tế. Cần phải tính toán sự biến đổi của trường sóng ứng
với các chu kỳ sóng thì mới mô phỏng được thời gian tồn tại của dòng Rip gần với thực tế hơn.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-
HCM) trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình toán tính sự xuất hiện dòng RIP ven bờ
biển” mã số C2017-20-30.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Văn Khoa (2017) - Báo cáo tổng kết đề tài: “Nghiên cứu lập bản đồ khoanh vùng dòng RIP,
phục vụ quy hoạch và phát triển du lịch biển thành phố Đà Nẵng”. Chi cục Phòng, chống thiên tai
Miền Trung và Tây Nguyên.
2. Barlas B., Beji S., 2016 - RIP current fatalities on the Black Sea beaches of Istanbul and effects of
cultural aspects in shaping the incidents. Nat Hazards (2016) 80:811-821. doi 10.1007/s11069-015-
1998-x.
3. Dusek G., van der Westhuysen A. J., Gibbs A., King D., Kennedy S., Padilla-Hernandez R., Seim
H., Elde D., 2014 - Coupling a RIP current forecast model to the nearshore wave prediction system.
Proc. 94th American Meteorological Society Annual Meeting
4. Ishikawa T., Komine T., Aoki S. I., Okabe T., 2014 - Characteristics of Rip Current Drowning on
the Shores of Japan. Journal of Coastal Research, suppl. 3rd International Rip Current Symposium:
1st Asian Water. SI.72: 44-49.
5. Van der Westhuysen A. J., Padilla-Hernandez R., Santos P., Gibbs A., Gaer, T. Nicolini D., Tjaden
S., Devaliere E.M., Tolman H. L., 2013 - Development and validation of the Nearshore Wave
Prediction System. Proc. 93rd AMS Annual Meeting, Am. Meteor. Soc., Austin, TX..
505
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
6. Wendy Carey, Jim Kirby, Ib Svendsen (2004) - RIP Current. Produced by the University of
Delaware Sea Grant College Program & the Center for Applied Coastal Research. 2p.
7. Bowen, A. J. (1969) - RIP currents 1. Theoretical investigations. Journal of Geophysical Research,
74 (23), 5467-5478
8. Brander, R. W. and A. D. Short (2001) - Flow kinematics of a low energy RIP current system.
Journal of Coastal Research, 17 (2), 468-481.
9. Engle, J. A. (2003) - Formulation of a RIP current forecasting technique through statistical analysis
of RIP current-related factors. M.S. thesis.
APPLICATION OF MATHEMATICAL MODEL FOR CALCULATION OF RIP
CURRENT AT MY KHE BEACH IN DA NANG
Nguyen Thi Bay1, Tran Thi Kim2, Tra Nguyen Quynh Nga1, Ngo Nam Thinh2,3
1
VNU-HCM University of Technology
2
HCMC University of Natural Resources and Environment
3
University of Science - VNU.HCM
ABSTRACT
RIP is a distinct flow directed toward the shore, and then swept backward along a narrow channel
in the breaking waves when the bottom of the shore compatible. The formation, development and
magnitude of Rip current is closely related to morphology, waves and tidal. RIP usually occurs in deep
grooves between sandbars. Every year at the beaches of Vietnam, the RIP current has taken the lives of
many people, but the research on it is not so much. In this report, the authors applied the model of Mike
21 SW and HD to calculate Rip current in Danang coastal and analyzed the occurrence of RIP current
here.
Keywords: RIP current, MIKE, My Khe - Da Nang.
506
nguon tai.lieu . vn
