Ứng dụng mô hình toán để tính toán sự xuất hiện dòng RIP tại bãi biển Mỹ Khê Đà Nẵng

Bài viết Ứng dụng mô hình toán để tính toán sự xuất hiện dòng RIP tại bãi biển Mỹ Khê Đà Nẵng 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.

Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 ỨNG DỤNG M HÌNH TỐN ĐỂ TÍNH TỐN 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 Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TP HCM Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TP HCM Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP HCM TĨM TẮT RIP-là dịng chảy từ xa hướng vào bờ, xoáy ngược xa dọc theo rãnh hẹp khu vực sóng vỡ vùng bờ có địa hình tương thích Sự hình thành, phát triển độ lớn dịng Rip liên quan mật thiết đến hình thái bãi biển, trường sóng ven bờ dao động thủy triều Thông thường RIP hay xảy vùng bãi biển có rãnh sâu nằm hai bãi cát Hàng năm bãi biển Việt Nam, Dòng RIP lấy sinh mạng nhiều người, nhiên nghiên cứu chưa nhiều Trong báo cáo này, tác giả ứng dụng mơ hình MIKE 21 SW HD để tính tốn dịng Rip vùng ven biển Đà Nẵng phân tích xuất dịng RIP Từ khóa: dịng RIP, MIKE, Mỹ Khê - Đà Nẵng GIỚI THIỆU Khu vực bãi biển từ đường Phạm Văn Đồng đến đường Nguyễn Văn Thoại, thành phố Đà Nẵng bao gồm bãi Biển Mỹ Khê, bãi biển tiếng đẹp Đà Nẵng, nơi Tạp chí kinh tế hàng đầu Mỹ Forbes bình chọn bãi biển quyến rũ hành tinh vào năm 2005 tờ Sunday Herald Sun Australia nhận xét số 10 bãi biển châu Á yêu thích giới Mỹ Khê bãi biển thuộc loại nhộn nhịp quen thuộc với người dân thành phố du khách quốc tế Vị trí bãi biển Mỹ Khê mơ tả Hình Hình Vị trí bãi biển Mỹ Khê 499 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Qua kết thống kê lượng khách du lịch đến bãi tắm Đà Nẵng cho thấy tháng mùa hè có lượng khách tập trung đơng năm Vì thế, để phục vụ du lịch biển Đà Nẵng tốt hơn, an toàn cho du khách tắm biển việc nghiên cứu dự báo thử nghiệm dòng RIP vào thời kỳ cần thiết Bước đầu nghiên cứu dự báo thử nghiệm bãi biển từ Phạm Văn Đồng đến Nguyễn Văn Thoại nhằm đưa cảnh báo cần thiết tháng du lịch để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho du khách tắm biển, qua góp phần thúc đẩy việc phát triển du lịch biển thành phố Đà Nẵng MƠ HÌNH ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU Như trình bày trên, nghiên cứu chúng tơi ứng dụng mơ hình MIKE 21 Gói phần mềm mơ dịng chảy mặt thống hai chiều, mơ chuyển tải trầm tích, hình thái vùng ben biển q trình mơi trường ảnh hưởng sóng, gió, triều Giao diện thân thiện mức độ tin cậy làm cho MIKE 21 đóng vai trị quan trọng thực mơ hình đất liền, vùng bờ biển ngồi khơi Trong đó, chúng tơi sử dụng hai mơ hình MIKE 21 SW, MIKE 21 HD, kết từ mô hình tính sóng MIKE 21 SW đầu vào cho mơ hình MIKE 21 HD 2.1 Cơ sở l thuyết m h nh MIKE 21 SW: Phương trình chủ đạo phương trình cân sóng hoạt động hệ tọa độ Đêcac (Komen et al (1994) Young (1999)) Theo hướng tọa độ ngang, phương trình bảo tồn động lượng sóng viết sau: N t S vN (1) Trong đó, N (x, σ, θ, t) mật độ ảnh hưởng, t thời gian, x (x, y) hệ tọa độ Cartesian, v (cx, cy, cυ, cθ) vận tốc truyền nhóm sóng, S số hạng gốc phương trình cân lượng MIKE 21 HD: Phương tr nh iên tục h t hu x hv y (2) hS Phương tr nh vận chuyển Reyo ds cho v ng nước nông hu x hu t sx bx 0 hv t 500 huv y hv y huv x sy by 0 h fvh gh x S xy S xx x y x fuh gh S yx S yy x y x hTxx h y hTxy pa y y pa x y gh 2 x hTxy gh 2 y hTyy hvs S (3) hus S (4) Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 Trong đó: t: thời gian (s) x, y: không gian (m) : dao động mực nước (m) d : mực nước trung bình (m) h=d+ : mực nước tổng cộng (m) u , v : vận tốc trung bình độ sâu, theo hướng x, y (m/s) với : hu udz, hv d f trời vdz d sin : lực Coriolis ( : góc theo vĩ tuyến) : góc mặt g: gia tốc trọng trường (m/s2) : mật độ nước biển (g/m3) S xx , S xy , S yx , S yy : ứng suất xạ sóng P: áp suất thủy tĩnh mực nước biển (mb) S: lưu lượng gia nhập vào hệ thống (m3/s) (us, vs): vận tốc nguồn gia nhập (m/s) Các ứng suất tiếp tuyến với vận tốc trung bình theo độ sâu: u u v v Txx A , Txy A , Tyy A x y x y 2.2 Các số liệu sử dụng tính tốn mơ hình Dữ iệu địa h nhkhu vực b i biển Mỹ Khê Một liệu đầu vào quan trọng MIKE 21 liệu địa hình đáy Dữ liệu đo đạc Trung tâm nghiên cứu Tài nguyên Nước thuộc trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng kiểm nghiệm liệu có độ tin cậy cao [1] Dữ liệu địa hình thu thập dạng số, chuyển sang định dạng file.xyz đưa vào chương trình Mike Zero để nội suy giá trị độ sâu tọa độ Trong mơ hình MIKE, liệu địa hình nhập vào mơ hình lưu dạng file chiều Khu vực quan tâm khu vực bãi biển từ đường Phạm Văn Đồng đến đường Nguyễn Văn Thoại chia lưới mịn với khoảng cách nút lưới - 5m để thấy rõ chế độ sóng khu vực ven bờ tính tốn dịng RIP Cịn khu vực khác lưới tính chia thưa với tổng số phần tử tính tốn 29.065 phần tử Trên Hình Hình trình bày địa hình đáy lưới tính khu vực tính tốn bãi biển Mỹ Khê Hình Địa hình khu vực bãi biển Mỹ Khê Đà Nẵng Hình Lưới tính bãi biển Mỹ Khê Đà Nẵng 501 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Đi u kiện biên cho khu vực tính tốn - Đối với mơ hình sóng MIKE 21 SW: Tại biên khu vực tính tốn, tác giả sử dụng liệu độ cao sóng, chu kỳ sóng hướng sóng thời kỳ gió mùa Đơng Bắc (tháng 12/2015) gió mùa Tây Nam (tháng 7/2016) (Hình 4b) Các liệu trích xuất từ kết mơ mơ hình tính sóng SWAN quy mô lớn vùng biển từ Quảng Trị - Quảng Ngãi [1] vào tháng 12/2015 tháng 7/2016 Các số liệu đáng tin cậy đánh giá kiểm nghiệm với số liệu thực đo đề tài thực số liệu trạm hải văn khu vực Đây phần kết đề tài “Nghiên cứu lập đồ khoanh vùng dòng RIP, phục vụ quy hoạch phát triển du lịch biển thành phố Đà Nẵng” Trên Hình trình bày trường sóng tính từ mơ hình SWAN lúc 10 ngày 10/12/2015 vùng biển Đà Nẵng độ cao sóng biên ngồi khu vực Mỹ Khê - Đà Nẵng, thang màu Hs chiều cao sóng có nghĩa với vec-tơ hướng sóng a) b) Hình Trường sóng (a) tính từ mơ hình SWAN lúc 10 ngày 10/12/2015 vùng Đà Nẵng (b) độ cao sóng biên ngồi khơi xuất từ SWAN, thang màu Hs chiều cao sóng có nghĩa, vec-tơ hướng sóng - Đối với mơ hình thủy động lực MIKE 21 HD FM: Số liệu mực nước biên lỏng vào tháng 12/2015 tháng 7/2016 trích xuất từ kết mơ mơ hình MIKE 21 HD FM quy mơ tồn Biển Đơng Hình thể trường mực nước trích xuất từ kết Hình Phân bố mực nước tính từ mơ hình MIKE 21 HD FM thời điểm 13h ngày 10/12/2015 tồn Biển Đơng 502 Hội nghị Khoa học Cơng nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 - Sóng: liệu sóng làm đầu vào cho mơ hình MIKE 21 Flow Model FM, kết tính tốn trường sóng từ mơ hình MIKE 21 Spectral Waves FM dạng ứng suất sóng Sxx, Sxy Syy 2.3 Lựa chọn th ng số m h nh Mơ hình dịng chảy hiệu chỉnh sở so sánh số liệu mực nước, dịng chảy tính mơ hình với số liệu thực đo từ ngày 3/6/2016 đến ngày 11/6/2016 vị trí có tọa độ 108,391 oE-16,064 oN, cách bờ biển Mỹ Khê khoảng km (Hình Hình 7) [1] Phân tích tính tốn thống kê hai chuỗi số liệu tính tốn mơ hình chuỗi số liệu quan trắc thu kết tốt Đối với mực nước sai số trung bình cm, sai số tuyệt đối 14 cm vào thời điểm chân đỉnh triều (Hình 6a), hệ số tương quan chúng 0,969 (Hình 6b) Trên hình trình bày so sánh mực nước trạm Sơn Trà tính so với kết đo đạc Nhận thấy kết tính tốn có sai số trung bình cm, sai số tuyệt đối 16 cm (vào thời điểm chân đỉnh triều - Hình 6a), với hệ số tương quan chúng 0,937 (Hình 6b) Hình Biến thiên mực nước tính toán quan trắc điểm khảo sát (a), tương quan chúng (b) So sánh kết độ lớn dòng chảy pha dòng chảy, cho thấy kết tương đối (xem Hình 7) Hình So sánh vận tốc (a) hướng (b) dịng chảy tính toán quan trắc điểm khảo sát 503 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 KẾT QUẢ T NH DÕNG RIP VÀ THẢO LUẬN Kết tính tốn dòng RIP vùng bãi tắm Mỹ Khê tháng 12/2015 tháng 7/2016 cho thấy dòng RIP chủ yếu xuất vào mùa gió Đơng Bắc, cịn vào mùa gió Tây Nam chủ yếu xuất ao xốy cục nhỏ với vận tốc không đáng kể Vì vậy, báo tập trung đánh giá kết tính tốn dịng RIP vào gió mùa Đơng Bắc Trong tháng 12/2015, khu vực nghiên cứu có xuất 14 dòng RIP Cường độ dòng Rip biến đổi theo thời gian phụ thuộc vào độ cao sóng hướng sóng tới, sóng lớn dịng RIP mạnh, lớn đạt 0,6-0,7 m/s Hầu hết dòng RIP xuất biến theo thời gian, tần suất xuất dòng RIP vào tháng 12 lớn, xuất biến (không thể rõ) chúng phụ thuộc vào biến đổi hướng sóng, độ cao sóng thay đổi địa hình Kết tính tốn cho tác động qua lại dòng RIP biến đổi địa hình đáy Để tiện cho việc phân tích, chúng tơi có phân vùng từ I đến IV bãi biển Mỹ Khê (Hình 8) Hình Các vùng phục vụ phân tích dịng RIP bãi biển Mỹ Khê Hình Kết tính trường dòng chảy vùng I (a), vùng II (b), vùng III (c) vùng IV (d) lúc ngày 16/12/2015 Nhận xét: Tại khu vực I cho thấy xuất lúc dòng RIP vào lúc ngày 18/12/2015 Có số thời điểm xuất hoặc dòng RIP Các dòng RIP xuất biển đổi theo thời gian theo biến đổi hướng sóng độ cao sóng Vận tốc dòng RIP vào khoảng 0,3-0,6 m/s, với độ rộng kênh RIP từ 5-15 m chiều dài kênh RIP (chạy dài từ khơi) khoảng 20-50 m (Hình 9a) Tại khu vực II ta thấy rõ dòng chảy ven bờ, đồng thời xuất năm dòng RIP với vận tốc khoảng 0,2-0,5 m/s, độ rộng dòng RIP hẹp, khoảng 5-10 m, chiều dài kênh RIP khoảng 10-20 m Địa hình bờ biển bị lõm sâu vào đất liền so với khu vực kế cận, độ sâu sâu so với hai bên, ngun nhân tạo dịng RIP (Hình 9b) 504 Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 Tại khu vực III xuất hai dòng RIP rõ ràng, có dịng RIP lớn với đường kính gần 100 m, dịng RIP có vận tốc khoảng 0,6 m/s Dòng RIP lại hẹp, khoảng m với vận tốc dòng khoảng 0,2 m/s chiều dài kênh Rip khoảng 25 m (Hình 9c) Tại khu vực IV xuất hai dòng RIP tương đối nhỏ, vận tốc không nhanh lắm, khoảng 0,30,4 m/s, với chiều rộng khoảng 4-8 m dài gần 100 m (Hình 9d) KẾT LUẬN Kết tính tốn cho thấy mơ hình MIKE 21 mơ tả chi tiết tính tốn cụ thể dịng chảy RIP khu vực ven bờ bãi tắm Mỹ Khê Mơ hình cho thấy rõ khu vực có khả xuất dịng RIP, khu vực xuất xốy dịng chảy dọc bờ đơn thuần, đồng thời thể cường độ dịng chảy cách xác Mơ hình MIKE 21 tổng hợp tất yếu tố cấu thành dịng chảy RIP địa hình, trường sóng vỡ gần bờ, gió, thủy triều cơng trình ven bờ Mơ hình MIKE DHI tin dùng sử dụng nhiều quốc gia giới có Việt Nam, dùng để tính tốn thủy triều, sóng, lan truyền chất, chuyển tải bùn cát,… Vào mùa gió Tây Nam, khu vực khơng có xuất dòng RIP Trong tháng 12, khu vực nghiên cứu có khả xuất đến 14 dòng RIP dọc theo bãi biển với vận tốc lớn, có lên tới 0,6-0,7 m/s, đồng thời tần suất xuất dòng RIP vào thời gian thường xun Kết tính tốn trường sóng làm đầu vào cho tính tốn dịng chảy cịn chưa đủ dày để thể thời gian tồn dịng RIP ngồi thực tế Cần phải tính tốn biến đổi trường sóng ứng với chu kỳ sóng mơ thời gian tồn dòng Rip gần với thực tế Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQGHCM) khn khổ đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn tính xuất dòng RIP ven bờ biển” mã số C2017-20-30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Khoa (2017) - Báo cáo tổng kết đề tài: “Nghiên cứu lập đồ khoanh vùng dòng RIP, phục vụ quy hoạch phát triển du lịch biển thành phố Đà Nẵng” Chi cục Phòng, chống thiên tai Miền Trung Tây Nguyên 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/s11069-0151998-x 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 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 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 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 Bowen, A J (1969) - RIP currents Theoretical investigations Journal of Geophysical Research, 74 (23), 5467-5478 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 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 VNU-HCM University of Technology HCMC University of Natural Resources and Environment 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 ... vực bãi biển Mỹ Khê Đà Nẵng Hình Lưới tính bãi biển Mỹ Khê Đà Nẵng 501 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Đi u kiện biên cho khu vực tính tốn - Đối với mơ hình sóng MIKE 21 SW: Tại. .. bờ tính tốn dịng RIP Cịn khu vực khác lưới tính chia thưa với tổng số phần tử tính tốn 29.065 phần tử Trên Hình Hình trình bày địa hình đáy lưới tính khu vực tính tốn bãi biển Mỹ Khê Hình Địa hình. .. biến đổi địa hình đáy Để tiện cho việc phân tích, chúng tơi có phân vùng từ I đến IV bãi biển Mỹ Khê (Hình 8) Hình Các vùng phục vụ phân tích dịng RIP bãi biển Mỹ Khê Hình Kết tính trường dịng chảy