Nghiên cứu này tập trung phân tích hằng số triều tại các trạm Vũng Tàu, Vàm Kênh, An Thuận, Gành Hào, Sông Đốc, Rạch Giá dựa trên số liệu mực nước giờ thực đo từ năm 2010 đến 2019, UTide đã phân tích được 68 phân triều và số phân triều này được sử dụng để dự tính mực nước triều.
TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Bài báo khoa học Ứng dụng phần mềm UTIDE dự báo mực nước triều khu vực ven Nam Bộ Nguyễn Văn Tín1*, Trần Thị Ngọc Diệu1, Bùi Kiến Quốc1, Nguyễn Kỳ Phùng2 Khoa Quản lý Tài nguyên Biển Hải đảo, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TPHCM; nvtin@hcmunre.edu.vn; dieutran1731@gmail.com; kienquoc24092000@gmail.com; Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn; kyphungng@gmail.com *Tác giả liên hệ: nvtin@hcmunre.edu.vn; Tel: +84–909537565 Ban Biên tập nhận bài: 01/11/2021; Ngày phản biện xong: 20/12/2021; Ngày đăng bài: 25/2/2022 Tóm tắt: Trong năm gần ảnh hưởng Biến đổi khí hậu (BĐKH) nước biển dâng (NBD) làm cho xu biến đổi mực nước trạm ven biển có xu hướng gia tăng nhanh Bài báo nhằm mục đích đánh giá xu biến đổi mực nước triều ứng dụng phần mềm Utide tính tốn, dự báo thủy triều trạm đo mực nước ven biển khu Nam Bộ UTide chương trình phân tích dự báo thủy triều phương pháp phân tích điều hịa, điểm bật UTide so với mơ hình dự báo mực nước triều khác trội khả phân tích chuỗi số liệu nhiều năm, số liệu bị lỗi, thiếu Nghiên cứu tập trung phân tích số triều trạm Vũng Tàu, Vàm Kênh, An Thuận, Gành Hào, Sông Đốc, Rạch Giá dựa số liệu mực nước thực đo từ năm 2010 đến 2019, UTide phân tích 68 phân triều số phân triều sử dụng để dự tính mực nước triều Kết kiểm định mực nước triều năm 2020 cho thấy dao động mực nước tính toán phù hợp với dao động mực nước thực đo với hệ số tương quan trạm: Vũng Tàu: 0,964, Vàm Kênh; 0,97, An Thuận; 0,97, Gành Hào; 0,959, Sơng Đốc; 0,85, Rạch Giá; 0,79 Vì vậy, Utide dùng để dự báo mực nước trạm chịu ảnh hưởng triều cho khu vực Nam Bộ Từ khóa: Biến đổi khí hậu; Xu thế; Utide; Nước biển dâng Đặt vấn đề Trong bối cảnh loài người phải đối mặt nỗ lực ứng phó với tác động khơn lường biến đổi khí hậu, biển đại dương lần lại chứng tỏ vai trị quan trọng tồn cầu Hiện nay, đại dương biển có khả thu lưu giữ 30% lượng CO2 thừa nhóm khí nhà kính từ bầu khí Trái đất làm cho đại dương lành mạnh khả tiếp tục tăng lên Tuy nhiên biển tìm ẩn nguy gây nên thảm họa thiên tai nguy hiểm: Bão, nước dâng bão, sóng lớn Theo kịch BĐKH cho Việt Nam năm 2016 [1], tính trung bình cho tồn dải ven biển Việt Nam, mực nước biển tăng khoảng 3,50±0,7 mm/năm Khu vực ven biển Trung Bộ tăng mạnh với tốc độ tăng khoảng mm/năm, lớn khu vực ven biển Nam Trung Bộ với tốc độ tăng đến 5,6 mm/năm; khu vực ven biển vịnh Bắc Bộ có mức tăng thấp hơn, khoảng 2,5 mm/năm Kết tính tốn cho thấy, ngoại trừ trạm Cồn Cỏ trạm Quy Nhơn có xu khơng rõ ràng, không thỏa mãn tiêu chuẩn kiểm nghiệm, số liệu hầu hết trạm thỏa mãn tiêu chuẩn Tại hầu hết trạm, mực nước biển có xu tăng, với Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 734, 50-63; doi:10.36335/VNJHM.2022(734).50-63 http://tapchikttv.vn/ Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 734, 50-62; doi:10.36335/VNJHM.2022(734).50-62 51 tốc độ mạnh vào khoảng 5,58 mm/năm Phú Quý 5,28 mm Thổ Chu Tính trung bình, mực nước trạm hải văn Việt Nam có xu hướng tăng rõ rệt với mức tăng khoảng 2,45 mm/năm Nếu tính thời kỳ 1993–2014, mực nước biển trung bình trạm hải văn có xu tăng với mức độ tăng trung bình khoảng 3,34 mm/năm Với xu tăng NBD với tượng triều mạnh gây tác động mạnh đến khu vực ven biển Hiện tượng thủy triều biển vùng ven biển ảnh hưởng lớn tới đời sống, sinh hoạt kinh tế người Do tác động lực tạo triều có tính chất tuần hồn mà biển đại dương hình thành chế độ chuyển động tuần hoàn nước gọi tượng thủy triều [2–3] Việc nắm bắt quy luật thủy triều vùng biển ven biển thiết nhằm phục vụ cho đời sống sinh hoạt phát triển kinh tế Việc nghiên cứu dự báo thủy triều giới thực từ sớm [4] phân tích dự báo thủy triều vùng nước nơng phương pháp bình phương tối thiểu để xác định số điều hòa thủy triều Đây phương pháp dự báo thủy triều thường sử dụng thời gian trước đây, độ xác phương pháp bình phương tối thiểu hồn tồn phụ thuộc vào chuỗi số liệu quan trắc mực nước phân tích, điều tương đối dễ dàng với trạm hải văn có chuỗi số liệu quan trắc đủ dài để phản ảnh đầy đủ chu kỳ thiên văn, lại khó khăn cho khu vực khơng có số liệu chuỗi số liệu ngắn Năm 1972, [5] đưa lý thuyết phân tích điều hịa, sau [6–7] mở rộng trình ứng dụng với hỗ trợ chương trình Fortran vào năm 1977 1978 Năm 2002, [8] ứng dụng phương pháp phân tích điều hịa xây dựng tích hợp vào số chương trình T_tide r_T_tide [9] Đến năm 2011, [10] phân tích dự báo thủy triều sử dụng Utide phát triển từ phẩn mềm Utide [11] nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích Harmonic thuật tốn phân chia liệu thành số hữu hạn thành phần điều hịa, sử dụng hộp cơng cụ dựa MATLAB để phân tích lượng thủy triều từ tuabin thủy triều Trong tư vấn, thiết kế cơng trình xây dựng liên quan đến vùng ảnh hưởng triều hệ thống giao thông thuỷ, cảng, sở hạ tầng vùng biển ven sông đòi hỏi việc nghiên cứu kỹ mực nước thuỷ triều nhằm đảm bảo độ an tồn tính bền vững, tránh trường hợp lãng phí sau thời gian ngắn sử dụng phải tu sửa nâng cấp [12] Năm 2000, [13] ứng dụng phương pháp bình phương nhỏ vào phân tích thủy triều dòng triều Đến năm 2009, [14] nghiên cứu sơ đồ chi tiết phân tích điều hịa thủy triều [15] sử dụng Mike 21 tính tốn thủy triều vùng ven biển Ninh Thuận nghiên cứu “Nghiên cứu mơ hình tính tốn thủy triều vùng ven biển Ninh Thuận” Hiện tượng thủy triều nghiên cứu từ sớm, dự báo xác ngồi vùng biển nước sâu, nhiên vào vùng ven bờ việc dự báo thủy triếu bắt đầu có khó khăn định Tại vùng biển Nam Bộ nơi có chế độ bán nhật triều khơng biển Đông nhật triều không biển tây, hàng năm thường xuất đợt triều cường lớn [16] xuất vào tháng 10–12 gây ngập lụt nghiêm trọng ảnh hưởng đến đời sống người dân ven biển Nam Bộ việc dự báo trước thủy triều cần thiết để ứng phó với triều cường khu vực Nam Bộ Trong báo này, nhóm nghiên cứu đánh giá xu biến đổi mực nước Vũng Tàu, Vàm Kênh, Rạch Giá từ 1980–2019 sử dụng phần mềm UTide để phân tích dao động dự báo mực nước số trạm phía khu vực Nam như: trạm hải văn Vũng Tàu, trạm thủy văn Vàm Kênh, Trần Đề, An Thuận, Gành Hào, Sông Đốc Rạch Giá phương pháp phân tích điều hịa Kết dự báo sớm mực nước triều tài liệu tham khảo cho quan quản lý liên quan ứng phó với tượng thủy triều dâng cao, từ góp phần giảm thiểu tác động thủy triều đến đời sống người dân khu vực ven biển Nam Bộ Dữ liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Dữ liệu khu vực nghiên cứu Số liệu sử dụng nghiên cứu số liệu mực nước đặc trưng (trung bình, max, min) trạm Vũng Tàu, Vàm Kênh, Rạch Giá từ 1980–2019, liệu mực nước từ năm Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 734, 50-62; doi:10.36335/VNJHM.2022(734).50-62 52 2010–2019 trạm đo mực nước ven biển như: Vũng Tàu, Vàm Kênh, Bến Trại, An Thuận, Trần Đề, Gành Hào, Sông Đốc, Rạch Giá dùng để tính tốn số triều sở dự báo mực nước thủy triều Vị trí trạm thể Hình Hình Vị trí trạm đo mực nước dùng để dự báo thủy triều Vị trí địa lý khu vực Nam Bộ: Phía tây giáp Vịnh Thái Lan, phía đơng Đơng Nam giáp biển Đơng, phía bắc Tây Bắc giáp Campuchia phía đông bắc giáp với Duyên Hải Nam Trung Bộ Tây Ngun (miền Trung, Trung Bộ) Địa hình tồn vùng Nam Bộ phẳng, Đơng Nam Bộ có độ cao từ 0–986 m Tây Nam Bộ có độ cao trung bình thấp gần m, chủ yếu miền đất phù sa Có số núi thấp khu vực miền tây tỉnh An Giang, miền Tây tỉnh Kiên Giang Campuchia Chế độ thủy triều: Tại Nam Bộ từ Bà Rịa–Vũng Tàu đến gần mũi Cà Mau: có chế độ bán nhật triều khơng Độ lớn khoảng 3,5–2,0 m, từ mũi Cà Mau đến Hà Tiên: nhật triều không với độ lớn triều khoảng m Đối với khu vực ven biển Nam Bộ, tượng ngập triều cường thường xuyên xảy vào số ngày tháng cuối đầu năm (từ tháng 10 năm trước đến tháng năm sau) Đây thời gian tập trung nhiều nhân tố kết hợp biên độ thủy triều lớn, gió mùa mạnh có hoạt động bão, áp thấp nhiệt đới nên gây triều cường kết hợp nước biển dâng cao Những năm gần đây, nhiều kỷ lục độ cao mực nước bị phá vỡ Đợt triều cường vào cuối tháng đầu tháng 10/2019 với mực nước quan trắc trạm Phú An sơng Sài Gịn (1,77 m năm 2019 so với 1,44 m năm 1999) 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Kiểm nghiệm phi tham số Mann–Kendall (M–K test) Phương pháp kiểm nghiệm Mann–Kendall phương pháp áp dụng rộng rãi giới Tại Việt Nam có số tác giả sử dụng phương pháp [17] dùng “Kiểm nghiệm phi tham số xu biến đổi số yếu tố khí tượng giai đoạn 1961–2007”; [18] “Đánh giá xu biến đổi lượng mưa thời đoạn lớn Tp Hồ Chí Minh giai đoạn 1971–2016 kiểm định phi tham số Mann–Kendall” Kiểm nghiệm Mann–Kendall so sánh độ lớn tương đối phần tử chuỗi liệu, điều tránh giá trị cực đại cực tiểu cục chuỗi số liệu Nếu giả thiết có liệu theo chuỗi trình tự thời gian (x1, x2, … xn) với xi biểu diễn số liệu thới điểm i thời điểm giá trị liệu thời điểm so sánh với giá trị tồn chuỗi Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 734, 50-62; doi:10.36335/VNJHM.2022(734).50-62 53 thời gian Giá trị ban đầu thống kê Mann–Kendall, S (nghĩa khơng có xu thế) Nếu liệu thời điểm sau lớn giá trị liệu thời điểm trước đấy, S tăng thêm 1; ngược lại Xét chuỗi x1, x2, …, xn biểu diễn n điểm liệu xj giá trị liệu thời điểm j Khi số thống kê Mann–Kendall tính = S N −1 N ∑ ∑ sign(x i = j= i +1 Trong đó: j − xi ) (1) 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑥𝑥𝑖𝑖 − 𝑥𝑥𝑗𝑗 > 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝑥𝑥𝑖𝑖 − 𝑥𝑥𝑗𝑗 ) � 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑥𝑥𝑖𝑖 − 𝑥𝑥𝑗𝑗 = (2) −1 𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖 𝑥𝑥𝑖𝑖 − 𝑥𝑥𝑗𝑗 < Giá trị S > xu tăng, S i Q =𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 � 𝑗𝑗−𝑖𝑖 (3) Q > chuối có xu tăng ngược lại 2.2.2 Phương pháp dự báo thủy triều Hệ phương trình bản: Bước đầu phân tích triều thực sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu cho sóng thành phần nhằm tìm số điều hòa (pha biên độ) phù hợp chúng Biểu thức độ cao thủy triều (yi) phương pháp phân tích triều điều hịa viết lại sau: M M j=1 j=1 yi = C0 + � Aj cos�2π�σj t i − ∅j �� = C0 + ��Cj cos�2πσj t i � + Sj sin�2πσj t i �� (4) Trong ti thời gian chuỗi quan trắc; M số sóng cần phân tích; σj tần số góc sóng; C0 nực nước trung bình; Aj = (Cj2+Sj2)1/2 biên độ triều; Øj = (1/2π).(arctanSj/Cj) pha sóng Trong N số mực nước giờ, tổng sai số bình phương mực nước quan trắc mực nước phân tích tính sau: M ε = ∑N (5) i=1�yi − C0 − ∑j=1�Cj cos2πσj t i + Sj sin 2πσj t i �� Đạo hàm phương trình theo C0, Cj, Sj (j=1, M) Ta có 2M+1 phương trình có dạng sau: 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑀𝑀 𝑀𝑀 0= = ∑𝑁𝑁 (6) 𝑖𝑖=1�𝑦𝑦𝑖𝑖 − 𝐶𝐶0 − ∑𝑗𝑗=1 𝐶𝐶𝑗𝑗 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑗𝑗 𝑡𝑡𝑖𝑖 + ∑𝑗𝑗=1 𝑆𝑆𝑗𝑗 sin 2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑗𝑗 𝑡𝑡𝑖𝑖 � (−1) 𝜕𝜕𝐶𝐶 0= 0= ∂ε ∂Cj 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑆𝑆𝑗𝑗 M M = ∑N i=1�yi − C0 − ∑j=1 Cj cos2πσj t i + ∑j=1 Sj sin 2πσj t i � �−cos2πσj t i � (7) 𝑀𝑀 𝑀𝑀 = ∑𝑁𝑁 𝑖𝑖=1�𝑦𝑦𝑖𝑖 − 𝐶𝐶0 − ∑𝑗𝑗=1 𝐶𝐶𝑗𝑗 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑗𝑗 𝑡𝑡𝑖𝑖 + ∑𝑗𝑗=1 𝑆𝑆𝑗𝑗 sin 2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑗𝑗 𝑡𝑡𝑖𝑖 � �− sin 2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑗𝑗 𝑡𝑡𝑖𝑖 � (8) Thiết lập ma trận để giải hệ phương trình sau: (9) Giải phương trình ma trận ta xác định số điều hòa (bao gồm biên độ triều pha dao động) cần phân tích Khi có biên độ pha dao động sóng triều thành phần, ta vào phương trình (4) để tính tốn dự báo dao động mực nước theo thời gian Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, 734, 50-62; doi:10.36335/VNJHM.2022(734).50-62 54 Phần mềm phân tích dự báo mực nước triều Utide Sự phát triển phân tích triều điều hịa phát triển cần thiết để thực thi phân tích thủy triều chuỗi nhiều năm quan trắc thu thập khoảng thời gian không [10] Phần mềm UTide bao gồm hàm: ut_solv.m (để phân tích điều hịa cho dịng chảy triều mực nước); ut_reconstr.m (sử dụng kết phân tích để dự báo dòng chảy triều mực nước); ut_constants.mat chứa số tính bao gồm 146 sóng triều thành phần Phần mềm Utide chạy Matlab Hình Sơ đồ thực dự báo thủy triều U Tide Kết thảo luận 3.1 Xu biến đổi mực nước triều Nam Bộ BĐKH thách thức chung nhân loại, biểu cua3 BĐKH gia tăng nhiệt độ, lượng mưa, tượng thời tiết cực đoan mực NBD, để đánh giá xu biến đổi mực nước Nam Bộ báo sử dụng số liệu mực nước trung bình, max, Vũng Tàu, Vàm Kênh, Rạch Giá từ 1980–2019 Để đánh giá xu biển đổi mực nước đặc trưng năm, nghiên cứu sử dụng phương pháp kiểm định Mann–Kendall xu Sen Kiểm định Mann–Kendall sử dụng với mức ý nghĩa thống kê ∝ = 0,1 (xác suất phạm sai lầm loại I không 10%) Các trạm M–K test thỏa mãn mức ý nghĩa thống kê nghĩa đường xu đảm bảo mức độ tin cậy Kết kiểm định thể Bảng Tại bảng cho thấy xu biến đổi lượng mưa năm có xu tăng (trị số M–K > 0) tất trạm thỏa mãn ý nghĩa thống kê (∝