ế ảy Nguyễn Thọ Sáo* Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 15 tháng năm 2012 Tóm tắt Quần đảo Trườ nước ta, cần bảo vệ củng cố Thông tin chi tiết yếu tố thủy động lực sóng, dịng chảy thủy triều đặc biệt cần thiết việc thiết kế cơng trình bảo vệ biển đảo, tiếp cận đảo Khi khơng có số liệu quan trắc có ít, mơ hình tốn học giải pháp hữu ích trường hợp Với nỗ lực chi tiết hóa khu vực áp dụng kỹ thuật lưới lồng mơ hình DELFT-3D, tranh thủy động lực quần đảo Trường Sa phần sáng tỏ Kết tính tốn cung cấp thơng tin tham khảo cho mục đích khác Từ khóa: mơ hình DELFT3D, lưới lồng, bão, gió mùa, Trường Sa Mở đầu 10km2, điểm phía tây quần đảo cách vịnh Cam Ranh khoảng 250 hải lý Đất đai Trường Sa tập hợp nhiều bãi san hơ ngầm nằm biển có độ sâu từ 1000 đến 2000m Hầu hết đảo trơ trọi, cối nước ngọt; có số đảo có vài loại sống phong ba, muống biển Quần đảo Trường Sa mà đồ hàng hải quốc tế ghi Spratly Islands Việt Nam Huyện Trường Sa đơn vị hành số 15 huyện, thị xã, thành phố tỉnh Khánh Hòa, gồm 100 đảo, bãi đá, bãi cạn, bãi ngầm, gốc san hơ (trong có đến 23 đến 25 đảo thường xuyên mặt nước), nằm rải rác khu vực có diện tích khoảng Khí hậu vùng đảo thuộc vùng nhiệt đới gió mùa, khắc nghiệt, nắng mưa nhiều, bão tố có sóng thần, chia làm hai mùa rõ rệt Mùa mưa từ tháng đến tháng âm lịch, có gió mùa tây nam, oi bức, nhiệt độ có ngày lên tới 33.5oC, sóng trung bình cấp 1-5 Mùa mưa từ tháng đến tháng âm lịch, có gió mùa đơng bắc, nhiệt độ trung bình từ 21 đến 26 oC, lượng mưa trung bình từ 1000-1500mm, thường xảy bão lốc, gió xốy giật nhiều lúc đến cấp 10-11 Thủy triều khu vực thuộc loại nhật triều không [1] 160.000 đến 180.000km2, với chiều dài từ tây sang đông khoảng 300km từ bắc xuống nam khoảng 600km Đảo lớn Ba Bình rộng 0,65km2 Bãi lớn bãi Thuyền Chài, thủy triều xuống có chiều dài 30km, chiều rộng khoảng 5km Tổng diện tích đảo, đá, bãi cạn thường xuyên lên mặt nước khoảng _ ĐT: 84-912008553 E-mail: saont@vnu.edu.vn 108 N.T Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 28, Số 3S (2012) 108-114 109 Miền tính đặc điểm Quần đảo Trườ 3.1 Thiết lập miền tính nướ ần bảo vệ củng cố ệ Nhằm có thêm thơng tin phục vụ mục tiêu trên, công cụ thực tốt mơ hình tốn Việc Khu vực nghiên cứu khơng có số liệu quan trắc biên, cần xây dựng điều kiện biên Điều thực tính tốn miền lớn (tồn biển Đơng), sau trích xuất số liệu ranh giới khu vực nghiên cứu DK1 trình bày [2], phần tiếp tục thử nghiệm tính tốn chi tiết trường dịng chảy Phương pháp tính tốn Mơ hình Delft-3D tổ hợp nhiều mơ đun tích hợp với nhau: thủy động lực, sóng, lan truyền chất vận chuyển trầm tích để đưa kết phù hợp với thực tế Trong khuôn khổ nghiên cứu sử dụng mơ đun dịng chảy Delft3D-FLOW chiều với kỹ thuật lưới lồng để tính tốn trường mực nước dịng chảy cho Biển Đơng quần đảo Trường Sa Hệ phương trình bao gồm phương trình chuyển động, phương trình liên tục phương trình tải - khuếch tán Các phương trình xây dựng hệ toạ độ cong trực giao hệ toạ độ cầu [3] Dòng chảy chịu tác động thủy triều biên hở, gió áp suất khí mặt thống biến thiên mật độ Mơ hình sử dụng cho dự báo nghiệp vụ TT DB KTTV Trung ương, kiểm nghiệm tính số đề tài cấp Nhà nước Hình Các mảnh ghép đồ (N Q Trinh) Hình Miền tính vùng DKI Trường Sa 110 N.T Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 28, Số 3S (2012) 108-114 Miền tính bao gồm hai khu vực: a) Khu vực Biển Đơng nhiều trường hợp tính tốn thường giới hạn khoảng tọa độ: 99 E đến 121 E N đến 24 N Các biên mực nước dự báo theo số điều hòa thủy triều tại: eo Đài Loan, eo Bashi eo Malaca, b) Khu vực Trường Sa DK1 nằm giới hạn: vĩ độ từ 8oN đến 12oN kinh độ từ 109oE đến 116oE 3.2 Số liệu địa hình Số liệu địa hình Biển Đơng với độ phân giải 30” lấy từ GEBCO, hỗ trợ Tổ chức Thủy văn Quốc tế Ủy ban Hải dương học Quốc tế, UNESCO Địa hình khu vực Trường Sa DK1 số liệu trên, kết hợp với hải đồ có tỷ lệ khác số hóa chuyển đổi hệ VN2000 Hình thể mảnh ghép đồ sử dụng miền tính Lưới tính khu vực Trường Sa DK1 mịn, thể vị trí số đảo tiêu biểu như: Trường Sa lớn, Sinh Tồn, Nam Yết, Song Tử Tây, Phúc Tần, Huyền Trân, Quế Đường… Như biết, lưới tính chi tiết từ trước đến cho khu vực Hình Chi tiết địa hình quần đảo Trường Sa Tại biên lỏng: mực nước thủy triều tính tốn theo số điều hịa thủy triều kiểm nghiệm Trung tâm Hải văn đưa vào dự báo nghiệp vụ nước dâng bão Tại biên cứng: cho điều kiện không chảy qua (vận tốc pháp tuyến = 0) Trên bề mặt: trường gió áp lấy từ kết tính tốn mơ hình khí tượng MM5 HRM Kết tính tốn thủy động lực cho tồn biển Đơng sau truy xuất làm điều kiện biên cho mơ hình chi tiết Trường Sa DK1 Kỹ thuật lưới lồng DELFT-3D áp dụng N.T Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 28, Số 3S (2012) 108-114 nghiệm 111 Yết thấp so với cụm Phúc Nguyên, Phúc Tần, Quế Đường phía Tây Nam 4.1 Hiệu Hiệu chỉnh mực nước thực kỳ nước cường từ 14-17/XII/2008 số trạm điển hình Biển Đơng, hình trạm Trường Sa Hình vẽ cho thấy kết tính tốn số liệu thực đo tương đối trùng khớp pha biên độ Áp dụng tiêu Dòng chảy tranh phức tạp lý thú với hướng độ lớn khác biệt, đặc biệt ý tới vùng đảo Vận tốc tối đa đạt gần 0.7m/s Dòng chảy thường lớn khu vực bãi cạn đảo quanh mép đảo Các xoáy cục gây khó khăn cho tàu bè di chuyển, tiếp tế hậu cần Nash thu R2 = 0,81 Như vậy, việc hiệu chỉnh cho kết tốt, sử dụng tham số hiệu chỉnh để đưa vào tính tốn khác 1.5 Thực đo Tính tốn 0.5 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 -0.5 -1 -1.5 Hình So sánh mực nước tính tốn với mực nước thực đo trạm Trường Sa Hình Đường bão Ketsana 4.2 Bão Ketsana Khả bão qua khu vực nghiên cứu (Trường Sa DK1) nhỏ so với khu vực phía Bắc biển Đơng Cơn bão Ketsana hình thành từ Thái Bình Dương, qua Phillipins biển Đông theo hướng Tây đổ vào khu vực Quảng Nam-Quảng Ngãi Việt Nam Đường bão phía Bắc khu vực nghiên cứu Tuy nhiên, đặc điểm địa hình, tranh dòng chảy mực nước đa dạng Tại thời điểm trích dẫn, rõ ràng có khác biệt mực nước, cụm đảo phía Tây Bắc Song Tử Tây, Sinh Tồn, Nam Hình Mực nước tính tốn khu vựcTrường Sa 112 N.T Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ 28, Số 3S (2012) 108-114 Hình Vận tốc tính tốn khu vực Trường Sa 4.3 Gió mùa Đơng Bắc Hình Vận tốc tính tốn khu vực Trường Sa DK1 gió mùa Đơng Bắc N.T Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 28, Số 3S (2012) 108-114 113 4.4 Gió mùa Tây Nam Hình Vận tốc tính tốn khu vực Trường Sa DK1 gió mùa Tây Nam Nhận xét kết luận Bảng Vận tốc quan trắc dòng chảy mặt rộng tầng (Trung tâm Hải văn, TC Biển Hải đảo) Trạm Độ sâu (m) Vmax thực đo (m/s) Vmax tính toán (m/s) Phúc Tần 120 0.97 0.45 Huyền Trân 22 0.68 0.45 Quế Đường 18 0.72 0.45 Mục trình bày kết tính tốn trường thủy động lực (mực nước dòng chảy) cho bão điều kiện gió mùa Thấy với lưới tính chi tiết, đặc điểm mực nước dòng chảy khu vực lột tả: - Kết tính tốn thủy triều: đảm bảo độ xác với nhiều lần kiểm nghiệm - Mặc dù bão qua khu vực nghiên cứu, tiếp cận khu vực nghiên cứu, chúng có ảnh hưởng rõ đến phân bố dòng chảy mực nước Trong gió mùa tình trạng đơn giản Phúc Nguyên 92 0.65 0.45 Trường Sa Lớn 180 1.90 0.45 Song Tử Tây 40 1.80 0.62 Sinh Tồn 21 1.69 0.13 - Nói chung tranh vận tốc phức tạp với hướng dòng chảy quay chủ yếu quanh đảo (tạm gọi hoàn lưu cục bộ) Vận tốc dòng chảy lớn thường nhận thấy khu vực cụm đảo phía Tây Bắc Song Tử Tây, Sinh Tồn, Nam Yết nhỏ khu vực DK1 - Dịng chảy thường lớn có mực nước thủy triều lớn, biểu loại sóng tiến - So với số liệu quan trắc (Bảng 1), vận tốc tính tốn mơ hình nhỏ Những lý là: lưới chưa đủ chi tiết nên chưa thể trích xuất xác vị trí đo đạc, vận tốc tính tốn trung bình độ sâu, vị trí quan trắc mặt 114 N.T Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 28, Số 3S (2012) 108-114 rộng tàu chưa đại biểu, thiết bị quan trắc khó làm việc tốt điều kiện địa hình gồm san hô đá ngầm Tuy so với kết tính tốn trước đây, hình ảnh dịng chảy khu vực tốt, phù hợp với quy luật thủy động lực vùng quần đảo có độ sâu biến đổi mạnh Tóm lại, thấy rằng: - Để ết mực nước dòng chảy 1, sử dụng mơ hình Delft - Quần đảo Trường Sa khu vực rộng lớn, lại có địa hình đáy biển phức tạp: gradien độ sâu lớn, kích thước đảo lại nhỏ, đáy biển vừa có cát, vừa xen kẽ san hô đá ngầm nên việc tính tốn xác yếu tố thủy động lực khó khăn, hồn tồn cải thiện nghiên cứu - Số liệu quan trắc yếu tố thủy động lực cần đầy đủ hơn, tốt nên thiết lập vài trạm liên tục quan trắc từ 3-5 ngày - Lưới tính tham số lựa chọn phù hợp với u cầu tính tốn, tốt có số liệu địa hình chi tiết để có lưới mịn Tuy nhiên điều phụ thuộc vào tài nguyên máy tính - Độ xác dự báo phụ thuộc nhiều vào kết qủa tính tốn từ mơ hình khí tượng MM5 HRM, để nâng cao hiệu dự báo, trước hết cần nâng cao độ xác mơ hình khí tượng kéo dài thời gian dự báo mơ hình trước nhiều ngày để mơ hình ổn định Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] Chun khảo Biển Đơng: Khí tượng Thuỷ văn Động lực biển Chương trình biển KHCN-06 Nguyễn Thọ Sáo, Bùi Mạnh Hà, Nguyễn Thanh Trang, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ Tập 27, số 3S, (2011) 44 Delft 3D-Flow User Manual, Delf Hydraulics, The Nethelands, 2003 Detail current experimental calculations for Spratly Islands Nguyen Tho Sao VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam The Spratly Islands play important role in economical development and security strategy of Vietnam and need to be protected The detail hydrodynamic information as waves, currents and tides are useful for designing protection structures and for navigating in the region When observed data are not available, the application of mathematical models is a suitable measure By using DELFT-3D model and nesting technique, current patterns of the Spratly Islands are described in more detail The results are expected to be useful for different purposes Keywords: DELFT-3D models, nesting, typhoon, monsoon, Spratly Islands ... Điều thực tính tốn miền lớn (tồn biển Đơng), sau trích xuất số liệu ranh giới khu vực nghiên cứu DK1 trình bày [2], phần tiếp tục thử nghiệm tính tốn chi tiết trường dịng chảy Phương pháp tính tốn... Mục trình bày kết tính tốn trường thủy động lực (mực nước dòng chảy) cho bão điều kiện gió mùa Thấy với lưới tính chi tiết, đặc điểm mực nước dòng chảy khu vực lột tả: - Kết tính tốn thủy triều:... với mực nước thực đo trạm Trường Sa Hình Đường bão Ketsana 4.2 Bão Ketsana Khả bão qua khu vực nghiên cứu (Trường Sa DK1) nhỏ so với khu vực phía Bắc biển Đơng Cơn bão Ketsana hình thành từ Thái