GIỚI THIỆU CHUNG
Tổng quan về sóng
Trường sóng trên biển đóng vai trò quan trọng trong việc tác động đến tàu thuyền, công trình và hoạt động ven biển Nó là nguyên nhân chính gây xói lở bờ biển và biến đổi đáy biển, ảnh hưởng đến các công trình bảo vệ bờ và luồng ra vào cảng Sóng và dòng chảy sóng còn góp phần vào quá trình lan truyền ô nhiễm vùng ven bờ Việt Nam nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng của bão và gió mùa, với sóng trong gió mùa và bão là những yếu tố hải văn nguy hiểm trên biển.
1.1.1 Tình hình nghiên cứu sóng vùng biển khơi:
Trước những năm 70, các phương pháp tính sóng chủ yếu dựa vào các toán đồ và tương quan thực nghiệm giữa các tham số sóng Đến những năm 1970-1980, mô hình tính sóng thế hệ I theo phương trình CBNL sử dụng giả định các thành phần phổ sóng độc lập trong quá trình lan truyền, như mô hình MRI của Cục Khí tượng Nhật Bản Từ những năm 1980, mô hình thế hệ II ra đời, tính đến sự tương tác giữa các sóng, ví dụ như mô hình CH (Couple Discret) và MRI-II Hiện nay, mô hình thế hệ III cho phép tính toán năng lượng phổ bằng cách tích phân trực tiếp phương trình CBNL, không phụ thuộc vào điều kiện trước đó, áp dụng cho cả vùng nước sâu và ven bờ, như mô hình WAM và SWAN Tại Mỹ, số liệu sóng được cung cấp dưới dạng các tham số như độ cao, chu kỳ, và hướng sóng cho hệ sóng gió và sóng lừng, với dữ liệu lịch sử từ 10-20 năm cho các điểm dọc bờ biển.
+ Số liệu khôi phục của hệ thống tƣ liệu ven bờ (CEDRS), + Số liệu khôi phục của hệ thống phân tích trạng thái mặt biển (SEAS) [4]
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trường sóng vùng ven bờ:
Trước những năm 70, tính toán sóng ven bờ chủ yếu được thực hiện thủ công thông qua các phương pháp như toán đồ khúc xạ và hệ số biến dạng G.M Griswold là một trong những người tiên phong trong việc áp dụng máy tính để lập bản đồ tia sóng khúc xạ bằng cách giải phương trình vi phân Hiện nay, hầu hết các tính toán lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào khu vực ven bờ dựa vào việc giải số trị phương trình lan truyền sóng trên vùng biển ven bờ có độ dốc thoải theo mô hình Berkhof.
Mô hình lan truyền sóng vùng ven bờ RCPWAVE, được phát triển dựa trên phương trình của Trung tâm Công nghệ Ven bờ thuộc Hải quân Mỹ (CERC), đã được áp dụng rộng rãi từ năm 1972 để mô phỏng hiệu ứng nhiễu xạ giữa các sóng trong khu vực ven bờ Mô hình này đóng vai trò quan trọng trong các tính toán phục vụ xây dựng công trình ven biển và bảo vệ bờ biển.
Mô hình SWAN thế hệ III, phát triển bởi Viện Thủy lực Hà Lan, được áp dụng để tính toán sóng trên biển và phân tích sự lan truyền của các thành phần phổ sóng vào khu vực ven bờ.
1.1.3.Tình hình nghiên cứu sóng ở Việt Nam a) Thời kỳ trước năm 1975
Từ năm 1975 đến nay, việc quan trắc sóng chủ yếu được thực hiện bằng máy ngắm sóng Ivannov, trong khi các nghiên cứu về các yếu tố sóng ở vùng nước sâu vẫn còn hạn chế Nhiều công trình nghiên cứu do các tác giả trong và ngoài nước thực hiện chủ yếu dựa vào phương pháp thống kê thủ công để tính toán chế độ sóng.
Thời kỳ hiện tại đánh dấu sự bùng nổ trong nghiên cứu khoa học công nghệ biển tại Việt Nam Các nghiên cứu về sóng đã được mở rộng với hai phương diện chính: đo đạc và khảo sát cơ bản trường sóng ở vùng nước sâu ven bờ, cùng với việc phát triển các phương pháp tính toán và dự báo sóng hiệu quả.
Gió lớn liên quan đến bão có khả năng tạo ra sóng lớn, khi nước dâng từ mắt bão kết hợp với gió, dòng chảy và thủy triều, dẫn đến hiện tượng nước dâng bão Sự gia tăng mực nước ở bờ biển, thường lên tới hàng chục mét, gây ra nguy hiểm và phá hủy vùng ven bờ Kể từ năm 1981, các thử nghiệm tính toán số trị trường sóng trên biển Đông đã được thực hiện theo phương pháp Abuziarov, và đến năm 1989, phương pháp dự báo số trị trường sóng đã được xây dựng dựa trên giải phương trình CBNL sóng dạng phổ Nhiều chương trình nghiên cứu biển như 48B, KT03, và KHCN06 đã đề cập đến tính sóng trong bão và gió mùa Bên cạnh đó, tính sóng vùng ven bờ cũng được chú trọng phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu thiết kế công trình ven biển, bảo vệ bờ chống sạt lở và xói lở, cũng như quản lý khai thác vùng bờ biển Các thiết bị đo đạc trường sóng cũng đã được phát triển mạnh mẽ từ năm 1975 đến nay.
Từ năm 1980, Việt Nam đã sử dụng các loại máy tự ghi sóng ven bờ và máy tự ghi sóng vùng nước sâu GM16 của Liên Xô Nhờ vào các dự án tài trợ từ nước ngoài, nhiều cơ quan nghiên cứu biển trong nước đã được trang bị máy tự ghi sóng từ Anh, Hà Lan, Na Uy, Mỹ, Nhật Bản, và các thiết bị đo sóng hiện đại khác Tuy nhiên, phần lớn dữ liệu thu thập được chỉ là khảo sát ngắn hạn, chưa phản ánh đầy đủ đặc điểm khốc liệt của trường sóng ở vùng biển Việt Nam, đặc biệt là trong bão và gió mùa.
Dự báo sóng biển ở Việt Nam đã được nghiên cứu từ lâu nhưng tiến độ phát triển còn chậm so với thế giới Gần đây, nhờ vào việc tiếp thu công nghệ và khai thác các mô hình dự báo sóng mã nguồn mở, đã có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực này Các mô hình số trị dự báo sóng thế hệ thứ 3 đã được áp dụng bởi một số tác giả, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và ứng dụng dự báo sóng biển tại Việt Nam.
Tại Trung tâm Hải văn, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam, đề tài cấp bộ "Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tác nghiệp khí tượng thuỷ văn biển" đã được triển khai, tập trung vào dự báo dòng chảy, sóng và nước dâng do bão tại vùng Biển Đông và ven biển Việt Nam Hệ thống này áp dụng mô hình WAM để dự báo sóng ngoài khơi và mô hình SWAN cho dự báo sóng ven bờ.
Tại Viện Cơ học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đề tài cấp nhà nước KT-03-04 đã phát triển quy trình tính toán sóng ven bờ bằng cách sử dụng các mô hình RCPWAVE và STWAVE Tuy nhiên, đề tài này không bao gồm việc dự báo sóng cho khu vực Biển Đông.
Một số cơ quan như Đại học Xây dựng Hà Nội và Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã áp dụng các mô hình tính toán lan truyền sóng như RCPWAVE, STWAVE, MIKE21 và CEDAS để phục vụ cho việc tính toán sóng công trình.
Tại Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu ứng dụng, xây dựng mô hình dự báo sóng tác nghiệp cho vùng biển vịnh Bắc Bộ” đã được triển khai, sử dụng số liệu viễn thám và số liệu ra đa biển Nghiên cứu này đã xây dựng quy trình dự báo sóng tác nghiệp cho khu vực Vịnh Bắc Bộ, góp phần nâng cao khả năng dự báo và quản lý tài nguyên biển.
Giới thiệu về khu vực
a)Vị trí địa lý, địa hình, địa mạo
Quảng Ninh nằm ở địa đầu phía đông bắc Việt Nam Toạ độ địa lý khoảng
Tỉnh có tọa độ từ 106°26' đến 108°31' kinh độ đông và từ 20°40' đến 21°40' vĩ độ bắc, với bề ngang rộng nhất khoảng 102 km theo hướng đông sang tây và chiều dọc khoảng 195 km từ bắc xuống nam Phía đông bắc tỉnh giáp với Trung Quốc, phía nam giáp vịnh Bắc Bộ, phía tây nam giáp tỉnh Hải Dương và thành phố Hải Phòng, trong khi phía tây bắc giáp các tỉnh Lạng Sơn, Bắc Giang và Hải Dương.
Hình 1.1 Bản đồ hành chính tỉnh Quảng Ninh
Vùng biển và hải đảo Quảng Ninh sở hữu hơn 2.000 hòn đảo, chiếm hơn 2/3 tổng số đảo của cả nước (2078/2779), trải dài ven biển hơn 250 km và chiếm 11,5% diện tích đất tự nhiên Hai huyện Vân Đồn và Cô Tô hoàn toàn là đảo Khu vực ven biển không chỉ có bãi bồi phù sa mà còn có những bãi cát trắng, nơi cung cấp nguyên liệu cho công nghệ thuỷ tinh (như Vân Hải) và những bãi tắm tuyệt vời như Trà Cổ, Quan Lạn, Minh Châu, Ngọc Vừng Địa hình đáy biển Quảng Ninh không bằng phẳng, với độ sâu trung bình khoảng 20m.
Các lạch sâu là di tích của các dòng chảy cổ, trong khi các dải đá ngầm cung cấp môi trường sống cho các rặng san hô đa dạng Hiện nay, các dòng chảy này kết nối với lạch sâu dưới đáy biển, tạo ra nhiều luồng lạch và hải cảng dọc theo bờ biển khúc khuỷu, được bảo vệ bởi các hành lang đảo Điều này tạo nên tiềm năng lớn cho cảng biển và giao thông đường thủy.
Quảng Ninh sở hữu tiềm năng lớn trong phát triển kinh tế biển với bờ biển dài 250 km và ngư trường rộng 6.100 km², là môi trường sống của nhiều loài sinh vật biển quý hiếm Các bãi cá chính có sản lượng cao và ổn định thường nằm gần bờ và quanh các đảo, tạo điều kiện thuận lợi cho khai thác Ngoài ra, vùng biển Quảng Ninh còn có nhiều khu vực nước sâu, kín gió, là lợi thế quan trọng cho việc xây dựng và phát triển hệ thống cảng biển, đặc biệt là cảng nước sâu có khả năng tiếp nhận tàu lớn, cùng với các cảng thủy nội địa tại Hạ Long, Cẩm Phả, Tiên Yên, Móng Cái và Hải Hà.
Hà đáp ứng cho việc giao lưu hàng hóa với các tỉnh trong vùng c) Khí hậu
Quảng Ninh có khí hậu cận nhiệt đới ẩm, với mùa hè nóng ẩm và nhiều mưa, mùa đông lạnh khô và ít mưa Vị trí địa lý và địa hình của tỉnh khiến Quảng Ninh chịu ảnh hưởng mạnh từ gió mùa Đông Bắc và yếu từ gió mùa Tây Nam Nằm trong vành đai nhiệt đới, tỉnh có tiềm năng bức xạ và nhiệt độ phong phú, với hai lần mặt trời qua thiên đỉnh mỗi năm Các quần đảo như Cô Tô, Vân Đồn có khí hậu đại dương đặc trưng Khí hậu được phân hóa thành hai mùa: mùa hè nóng ẩm và mùa đông lạnh khô, với độ ẩm trung bình từ 82-85% Mùa lạnh bắt đầu từ cuối tháng 11 đến hết tháng 3 năm sau, trong khi mùa nóng kéo dài từ tháng 5 đến đầu tháng 8.
Từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, Quảng Ninh trải qua mùa khô, trong khi mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 và kết thúc vào đầu tháng 10 Giữa mùa lạnh và mùa nóng, cũng như giữa hai mùa khô và mưa, có hai thời kỳ chuyển tiếp khí hậu vào tháng 4 và tháng 10 Nhờ ảnh hưởng của biển, khí hậu ở Quảng Ninh thường mát mẻ và ấm áp, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển nông nghiệp, lâm nghiệp và nhiều hoạt động kinh tế khác.
Về nhiệt độ: là tỉnh có nền nhiệt độ cao, nhiệt độ trung bình trong năm từ 21 –
Nhiệt độ trung bình tại khu vực này là 23 độ C, với sự chênh lệch rõ rệt giữa các mùa và giữa vùng đồi núi và ven biển Trong mùa đông (tháng 1), nhiệt độ trung bình thấp hơn 12 độ C so với mùa hè (tháng 7) và thấp hơn 5,1 độ C so với tiêu chuẩn nhiệt độ cùng vĩ tuyến Đặc biệt, vào tháng 12 và tháng 1, một số khu vực như Bình Liêu, Ba Chẽ và miền núi huyện Hoành Bồ thường xuất hiện hiện tượng sương muối.
Mƣa: là tỉnh có lƣợng mƣa nhiều, tập trung chủ yếu vào mùa hạ (chiếm tới
Mùa mưa ở khu vực này chiếm 85% tổng lượng mưa hàng năm, với lượng mưa trung bình đạt 1.995mm Lượng mưa phân bố không đồng đều giữa các vùng: khu vực có lượng mưa cao nhất là sườn nam và đông nam cánh cung Đông Triều cùng với đồng bằng duyên hải của Móng Cái, Tiên Yên, Hải Hà, nơi có lượng mưa trung bình lên tới 2.400mm Ngược lại, sườn bắc của cánh cung Đông Triều và Ba Chẽ là những khu vực có lượng mưa thấp nhất, chỉ đạt 1.400mm Các vùng hải đảo nhận lượng mưa từ 1.700 đến 1.800mm mỗi năm.
Quảng Ninh chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của chế độ gió mùa, với gió mùa hạ từ tháng 5 đến tháng 10, chủ yếu thổi từ hướng đông nam, đạt tần suất cao nhất vào tháng 7 (49,52%) và vận tốc gió trung bình 7,14 m/s, cực đại lên đến 35 m/s, gây mưa lớn cho nhiều khu vực Gió mùa đông từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, thổi từ hướng đông bắc, mang lại thời tiết lạnh và khô Phân tích số liệu gió tại trạm Cô Tô từ 1961 đến 2017 cho thấy gió Đông Bắc chiếm ưu thế với tần suất 43,09% vào tháng 1, vận tốc gió trung bình 7,4 m/s và cực đại hơn 27 m/s.
Hình 1.2 Hoa gió thời kỳ 1961 – 2017
Hình 1.3 Hoa gió tháng 1 thời kỳ 1961 – 2017 Hình 1.4 Hoa gió tháng 7 thời kỳ 1961 – 2017
Chế độ dòng chảy của sông ngòi có hai mùa rõ rệt: mùa lũ từ tháng 5 đến tháng 10, tập trung nhất từ tháng 6 đến tháng 8, và mùa cạn từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, với tháng 3 là tháng cạn nhất Lưu lượng nước dao động lớn giữa các mùa, với lưu lượng mùa khô chỉ đạt 1,45 m³/s, trong khi mùa mưa có thể tăng lên đáng kể Vào mùa đông, nhiều sông cạn nước, để lộ ghềnh đá, nhưng mùa hè lại chứng kiến cảnh nước dâng cao nhanh chóng, tạo ra những thác lũ ồ ạt.
1500 m 3 /s, chênh nhau 1.000 lần Sông Tiên Yên ở Bình Liêu lưu lượng nhỏ nhất là
Lưu lượng nước sông có thể dao động từ 1,45m³/s đến 1500m³/s Tại các khu vực miền núi, do địa hình chủ yếu được cấu tạo từ nham cứng, nên lưu lượng phù sa thường rất thấp.
Nước ngập mặn đã xâm nhập sâu vào vùng cửa sông, trong khi lớp thực vật che phủ ở các lưu vực lại chiếm tỷ lệ thấp, dẫn đến tình trạng xói lở và rửa trôi Điều này làm tăng lượng phù sa và đất đá trôi xuống trong mùa lũ, khiến nhiều sông suối bị bồi lấp nhanh chóng, đặc biệt ở những khu vực có hoạt động khai khoáng như suối Vàng Danh và sông Mông Dương.
Biển Quảng Ninh, nằm giáp vịnh Bắc Bộ, là một vùng vịnh lớn và kín với nhiều đảo che chắn, giúp giảm sóng gió so với vùng biển Trung Bộ Chế độ thuỷ triều ở đây là nhật triều điển hình, với biên độ dao động từ 3–4 m Đặc điểm nổi bật là hiện tượng "con nước", với thuỷ triều lên cao nhất vào buổi chiều mùa hè và buổi sáng mùa đông trong những ngày có con nước cường Vịnh Bắc Bộ có dòng hải lưu chảy theo hướng bắc nam, mang theo nước lạnh và chịu ảnh hưởng của gió mùa đông bắc, khiến đây trở thành vùng biển lạnh nhất Việt Nam, với nhiệt độ có thể giảm xuống tới 13°C.
Lưu vực sông có lượng nước phong phú, ước tính đạt 8.777 tỷ m³ Dòng chảy có thể lên tới 118 l/s/km² ở những khu vực có lượng mưa lớn, đặc biệt vào mùa mưa trong tháng.
5 - tháng 9), chiếm 75-80% tổng lượng nước trong năm; mùa khô (tháng 10 - tháng 4), chiếm 20-25% tổng lượng nước trong năm
Bảng 1.1 Bảng tần suất phân bố theo hướng và tốc độ gió Cô Tô thời kỳ 1961 -2017
Khoảng vận tốc (m/s) Tổng cộng 0.3 - (%)
Ven biển Quảng Ninh với biên độ của các sóng: O1, K1, M2 và chỉ số phân triều
Chỉ số Vandestock (V) qua phân tích thủy triều tại trạm Cô Tô cho thấy giá trị V lớn hơn 4, cho thấy đặc điểm thủy triều tại vùng biển này chủ yếu là nhật triều đều Hầu hết các ngày trong tháng, mực nước chỉ lên một lần và xuống một lần, chỉ có khoảng 1-3 ngày mực nước có thể lên xuống hai lần, được gọi là ngày nước sinh hoặc nước kém Biên độ thủy triều tại khu vực này rất cao, có thể đạt từ 4,2 - 4,5 m, với giá trị trung bình khoảng 2 m.
Bảng 1.2 Biên độ các sóng triều O1, K1, M2 và chỉ số phân triều V
SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Số liệu phục vụ nghiên cứu
- Để phục vụ cho nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão, luận văn thu thập những số liệu sau:
Số liệu về những cơn bão ảnh hưởng đến ven biển Quảng Ninh - Hải Phòng được thu thập từ trang web của Cơ quan khí tượng Nhật Bản và Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Quốc gia Những thông tin này giúp hiểu rõ hơn về tác động của bão đối với khu vực ven biển này.
- Số liệu quan trắc độ cao sóng và mực nước để phục vụ kiểm định mô hình tính sóng và nước dâng do bão.
Mô hình tích hợp tính toán thủy triều, sóng biển và nước dâng bão (SuWAT)
SuWAT (Surge Wave and Tide) là mô hình tích hợp thủy triều, sóng biển và nước dâng bão, được phát triển tại đại học Kyoto, Nhật Bản Mô hình này bao gồm hai thành phần chính: mô hình thủy triều và nước dâng dựa trên hệ phương trình nước nông phi tuyến hai chiều, tính đến nước dâng do ứng suất bức xạ sóng và ứng suất bề mặt trong bão, cùng với mô hình SWAN để tính toán sóng SuWAT cho phép thiết lập nhiều miền tính lồng nhau qua giao diện MPI (Message Passing Interface) Mô hình này đã được áp dụng trong nghiên cứu nước dâng bão tại Việt Nam bởi các tác giả như Đỗ Đình Chiến (2014), Nguyễn Bá Thủy (2014), Vũ Hải Đăng (2017) và Nguyễn Văn Hưởng cùng Nguyễn Bá Thủy (2017).
2.2.1 Mô hình nước dâng có tính đến ảnh hưởng của thủy triều
Hệ phương trình nước nông phi tuyến 2 chiều mô phỏng thủy triều và nước dâng bão, đồng thời xem xét thành phần ứng suất bức xạ do sóng gây ra, được trình bày như sau:
Trong đó: η: dao động mực nước bề mặt (m);
M, N: lưu lượng trung bình theo độ sâu hướng x và y (m 3 /s); f : tham số Coriolis;
P: áp suất khí quyển (hPa); g : gia tốc trọng trường (m/s 2 ); d : độ sâu tổng cộng d=+h (m);
A h : khuếch tán rối theo phương ngang;
F x , F y : áp lực do ứng suất bức xạ sóng (kg/ms 2 ) (chi tiết trong mục 2.2.3.2);
b là ứng suất đáy (kg/ms 2 ), đƣợc tính toán bởi công thức:
s : ứng suất bề mặt (kg/ms 2 ) (chi tiết trong mục 2.2.3.3)
Hệ phương trình được sai phân theo sơ đồ so le Arakawa C cho không gian và sơ đồ leap-frog cho thời gian, với sơ đồ upwind cho các thành phần phi tuyến Sơ đồ semi-Crank-Nicholson được áp dụng cho ứng suất đáy, ứng suất gió và ứng suất sóng Điều kiện biên phản xạ được sử dụng cho biên cứng, trong khi biên lỏng áp dụng điều kiện phát xạ Chi tiết về biên lỏng ngoài khơi và biên cho lưới lồng sẽ được trình bày trong Chương III Độ ổn định của mô hình được xác định theo chỉ tiêu Courant, liên quan đến bước thời gian (Δt) và không gian (Δx, Δy) Tất cả các trường hợp tính toán trong luận văn sử dụng bước thời gian tính (Δt) là 4 giây cho mô hình thủy triều và nước dâng bão, 900 giây cho mô hình sóng, và thời gian trao đổi dữ liệu của hai mô hình cũng là 900 giây.
2.2.3 Mô hình sóng, ứng suất bức xạ sóng và ứng suất bề mặt 2.2.3.1 Mô hình SWAN
Trong mô hình SuWAT, mô hình sóng SWAN (Simulating Waves Nearshore) được tích hợp với mô hình thủy triều và nước dâng bão, được phát triển tại Viện Thủy lực Delft, Hà Lan SWAN, một mô hình sóng thế hệ thứ ba, tính toán phổ sóng hai chiều bằng cách giải phương trình cân bằng tác động sóng, xem xét sự trao đổi năng lượng với gió và quá trình lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nông ven bờ Mô hình này có khả năng mô phỏng hầu hết các quá trình liên quan đến sóng trên biển, vùng ven bờ và cửa sông, bao gồm sóng phát sinh do gió, khúc xạ, phản xạ, suy giảm năng lượng do ma sát đáy và vật cản, cũng như tương tác giữa sóng và dòng chảy SWAN được xây dựng dựa trên phương trình cân bằng tác động sóng với các nguồn cấp năng lượng trong hệ tọa độ Đề các.
Mật độ tác động phổ (N) liên quan đến vận tốc truyền năng lượng sóng trong không gian (Cx, Cy) và vận tốc lan truyền trong không gian phổ (Cσ, Cθ) Tổng năng lượng nguồn và tiêu tán (S) cũng được xem xét, cùng với hướng sóng (θ).
Hàm nguồn S là tổng của các thành phần phát sinh và tiêu tán tham gia vào quá trình đƣợc xác định nhƣ sau: br ds b ds nl nl in S S S S
Các số hạng vế phải của (2.7) bao gồm thành phần phát triển sóng do gió, tương tác sóng phi tuyến bậc ba và bậc bốn, suy giảm sóng do sóng bạc đầu, tiêu tán do ma sát, và sóng vỡ trong nước nông Mô hình SWAN đã được trình bày chi tiết trong nhiều nghiên cứu liên quan.
2.2.3.2 Ứng suất bức xạ sóng
Trong 2 phương trình chuyển động của hệ phương trình nước nông phi tuyến 2 chiều (phương trình 2.2 và 2.3) có chứa hai thành phần F
Bức xạ sóng ảnh hưởng đến độ lớn của nước dâng và nước rút, với ứng suất sóng là yếu tố quyết định Áp lực từ sóng phụ thuộc vào gradient không gian của ứng suất bức xạ sóng, thể hiện mối quan hệ quan trọng giữa chúng.
trong đó ứng suất bức xạ sóng đƣợc xác định theo lý thuyết của Longuet- Higgins và Stewart (1962, 1964) nhƣ sau:
S xx g cos 2 g 2 1 (2.11) với C là vận tốc truyền sóng và C g là vận tốc nhóm sóng, E là năng lƣợng sóng,
Tần số sóng và hướng sóng là yếu tố quan trọng trong việc phân tích ứng suất bức xạ sóng, ảnh hưởng đến nhiều quá trình tại vùng nước nông ven bờ như hiện tượng nước dâng và nước rút, cũng như sự tương tác giữa sóng và dòng chảy Các thành phần F x và F y, phụ thuộc vào gradient của ứng suất bức xạ sóng, có thể nhận giá trị âm hoặc dương Mô hình nước nông phi tuyến hai chiều sẽ sử dụng F x và F y được tính toán từ mô hình SWAN theo từng bước thời gian.
2.2.3.3 Ứng suất trên mặt biển Ứng suất bề mặt đƣợc xác định theo mối liên hệ sau:
a : mật độ không khí (kg/m 3 );
W 10: Vận tốc gió trung bình tại độ cao 10m trên bề mặt biển (m/s);
Trong trường hợp mô hình không xét đến sóng biển, hệ số kéo được tính theo mối liên hệ với vận tốc gió của Honda và Mitsuyasu (1980) nhƣ sau [14]:
Khi mô hình xem xét ảnh hưởng của sóng, ứng suất bề mặt sẽ bao gồm cả ứng suất do gió và ứng suất sóng, dẫn đến việc xác định hệ số C D trở nên phức tạp hơn, như được trình bày trong tài liệu lý thuyết của mô hình SWAN.
Theo Janssen (1991), ứng suất bề mặt được xác định là tổng của ứng suất rối và ứng suất do sóng gây ra, được biểu diễn bằng công thức τ = τ turb + τ w Ứng suất rối được mô hình hóa theo lý thuyết xáo trộn theo phương thẳng đứng với công thức τ turb = ρ a (κ z)²(∂ U (z) / ∂ z)², trong đó κ là hằng số von Karman với giá trị 0,4 và U (z) là tốc độ gió tại độ cao z Vận tốc gió được giả định theo một mô hình nhất định.
Vận tốc ma sát u* và độ dài nhám z0 được xác định bởi công thức z0 = α u² / g (với α = 0,01) Độ dài nhám hiệu dụng ze phụ thuộc vào z0, vectơ ứng suất do sóng gây ra và tổng ứng suất bề mặt τ.
S in (σ, θ) là hàm nguồn trường gió đầu vào, k là số sóng và ⃗ là véc tơ số sóng
Hệ số kéo (drag coefficient) đƣợc xác định nhƣ sau:
Theo lý thuyết của Janssen, hệ số kéo bị ảnh hưởng bởi sóng sẽ lớn hơn trong giai đoạn đầu phát triển sóng khi vận tốc gió đạt 10m, như thể hiện trong Hình 2.1 với vận tốc gió U 10 là 0.45m/s Khi xem xét ảnh hưởng của sóng, hệ số kéo C D đã thay đổi so với trường hợp không tính đến sóng Hệ số kéo này được tính từ mô hình SWAN và được áp dụng vào mô hình nước nông phi tuyến 2 chiều, tương tự như ứng suất bức xạ sóng Sự khác biệt giữa hệ số kéo và ứng suất bức xạ sóng được bổ sung vào phương trình nước nông phi tuyến 2 chiều, dẫn đến việc gia tăng trị số nước dâng bão khi có ảnh hưởng của sóng.
Kết nối mô hình thủy triều nước dâng bão và mô hình sóng
Trong mô hình tích hợp SuWAT, lưới tính thủy triều, nước dâng bão và lưới tính sóng được minh họa tại Hình 2.2 Tại điểm D trên lưới, các thành phần sóng được xác định, với dòng chảy theo hướng x và y tương ứng với các điểm U và V, trong khi dao động mực nước được xác định tại η Các thành phần tại (i, j) của lưới nước dâng cũng tương ứng với các tham số sóng tại (i, j) trên lưới mô hình sóng Trong quá trình tính toán, mực nước η được chuyển trực tiếp đến D i,j trên lưới mô hình SWAN, trong khi vận tốc dòng chảy trung bình U i-1,ji j và U i,j theo hướng x được nội suy tuyến tính.
Hệ thống SWAN nội suy tuyến tính hệ số kéo và áp lực do ứng suất bức xạ sóng tại các điểm D i,j và D i+1,j tới điểm U i,j trong mô hình nước dâng Quá trình này cũng tương tự được áp dụng theo hướng y Cuối cùng, vận tốc gió theo hai hướng x và y được xác định tại các điểm η và D trên lưới tính của mô hình nước dâng và sóng tương ứng.
Trong lưới tính lồng, việc kết nối diễn ra qua các chương trình con của các mô hình thành phần tương ứng với số miền tính toán Chẳng hạn, nếu có ba miền từ ngoài khơi vào vùng ven bờ, khung mô hình chính sẽ được xây dựng từ ba chương trình con kết nối Mỗi chương trình con sẽ chạy liên tiếp từ lưới thô đến lưới tinh hơn thông qua giao diện MPI (Message Passing Interface) Kết quả đầu ra như mực nước, dòng chảy hoặc phổ sóng của lưới thô sẽ được sử dụng làm điều kiện biên cho lưới tính tiếp theo, và quy trình này sẽ tiếp tục cho đến lưới tính cuối cùng.
Miền tính thủy triều và nước dâng bão
Hình 2.2 Sơ đồ tính toán các thành phần trong mô hình kết nối
Hình 2.1 Hệ số CD (a) và ứng suất bề mặt tại vận tốc gió U10.45m/s cho trường hợp mô hình có và không xét ảnh hưởng của sóng (Jannsen 1992) [10]
Quá trình truyền các tham số trong mô hình tích hợp và giữa lưới lồng được minh họa trong Hình 2.3, không xét đến sóng hợp tính cuối cùng.
(1) Ban đầu hóa mô hình nước dâng/ thủy triều tính toán thủy triều từ miền 1 tới
Trong miền tính 1, quá trình tính toán các tham số sóng diễn ra sau khi đã xác định dòng chảy và mực nước Giá trị của mực nước và dòng chảy, cùng với ứng suất gió, sẽ được chuyển vào mô đun sóng Sau khi tính toán ứng suất bức xạ sóng và hệ số kéo, mô đun sóng sẽ truyền thông tin đến mô đun nước dâng bão.
Sau khi hoàn tất tính toán ở miền tính 1, dữ liệu về mực nước, dòng chảy của mô đun thủy triều và nước dâng, cùng với số liệu phổ sóng của mô đun sóng tại các điểm biên của miền tính 2 sẽ được sử dụng làm điều kiện biên cho miền tính thứ 2.
Quy trình trên đƣợc lập lại cho đến miền tính cuối cùng
Trong quá trình nghiên cứu, trường gió và áp suất trong bão đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu cho mô đun nước dâng theo từng thời điểm Ngược lại, mô đun sóng chỉ truyền dữ liệu tại các thời điểm chuyển giao với mô đun nước dâng Tại một vị trí nhất định, kết quả tính toán có thể được thu thập từ nhiều lưới tính độc lập, miễn là vị trí đó nằm trong phạm vi của lưới tính đó.
Mô hình tích hợp có khả năng tính toán theo 6 phương án như sau:
- Chỉ tính thủy triều (H tide );
- Chỉ tính nước dâng do gió và áp (H wind+pressure);
- Nước dâng do gió và áp kết hợp thủy triều (H tide & H wind+pressure);
- Nước dâng do gió và áp kết hợp với sóng (H wind+pressure & H wave );
- Thủy triều kết hợp với nước dâng do gió, áp và sóng (H tide &
Mô hình bão giải tích
Mô hình SuWAT có khả năng nhận diện trường gió và áp suất từ các mô hình dự báo khí tượng số trị hoặc các mô hình bão giải tích, nhằm tái tạo lại trường gió và áp suất dựa trên các tham số dự báo như Fujita, Mayer, và Mitsuda - Fujii Thông thường, các tham số bão được xác định theo khoảng thời gian 3 hoặc 6 giờ Trong luận văn này, mô hình bão giải tích của Fujita được sử dụng để phân tích và dự đoán các hiện tượng khí tượng.
1952 [8] được lựa chọn để mô phỏng trường gió, áp cho cả các cơn bão thực tế và tập hợp bão phát sinh thống kê
Hình 2.3 Sơ đồ tích hợp của mô hình SuWAT
Trường áp suất khí quyển được tính theo công thức:
Trong đó: Pc là áp suất ở tâm bão;
P∞ là áp suất ở rìa bão; r 0 là bán kính gió cực đại; r là khoảng cách từ tâm bão tới điểm tính
Vận tốc gió là tổng hợp thành phần gió gradient và thành phần theo mối liên hệ với tốc độ di chuyển của tâm bão
Vận tốc gió gradient (vg) được xác định dựa trên phân bố áp suất khí quyển, theo công thức (2.21), trong khi vận tốc gió liên quan đến tốc độ di chuyển của tâm bão (vF) được tính theo công thức (2.22).
Mô hình tích hợp thủy triều - sóng - nước dâng (SuWAT)
Mực nước và dòng chảy Đầu ra Đầu ra
Modul nước dâng thủy triều
Mực nước và dòng chảy
Hệ số kéo và ứng suất phát xạ
Mực nước và dòng chảy Đầu ra Đầu ra
Modul nước dâng thủy triều
Mực nước và dòng chảy
Hệ số kéo và ứng suất phát xạ
Modul nước dâng thủy triều
Mực nước và dòng chảy
Hệ số kéo và ứng suất phát xạ
Trong đó vt là tốc độ di chuyển của tâm bão Tổng hợp 2 thành phần này ta có vận tốc gió tổng hợp nhƣ sau:
Trong đó các hệ số nằm trong các khoảng giá trị nhƣ sau: c1 =0.60.8, c2 0.50 0.8, các góc , đƣợc xác định nhƣ trên Hình 2.4
Hình 2.4 Minh họa các thành phần trong công thức tính vận tốc gió r fv P r v g g
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Miền tính, lưới tính cho mô hình
Để nghiên cứu sự tương tác giữa thủy triều, nước dâng và sóng trong bão tại khu vực ven biển, mô hình SuWAT đã được thiết kế với lưới vuông và lồng 2 lớp Các thông số về miền tính và độ phân giải của lưới được trình bày chi tiết trong Bảng 3.1 và Hình 3.1.
- Lưới tính Biển Đông (lưới D1): đây là miền tính lớn nhất được xây dựng với độ phân giải ngang 4 phút (khoảng 7400m), bao phủ từ vĩ độ 6 -22 N, kinh độ 103 -
120 E Miền tính, trường độ sâu của lưới D1 được thể hiện trên Hình 3.1a
- Lưới lồng kế tiếp (lưới tính khu vực - D2): Được thiết lập cho ven biển Bắc
Bộ với cùng độ phân giải 1 phút (khoảng 1850m) trong phạm vi 16.0 -22.5 N, 106.0 - 110.5 E (Hình 3.1b)
Bảng 3.1 Miền tính và độ phân giải lưới tính ven biển Bắc Bộ
Số điểm tính theo kinh & vĩ tuyến Độ phân giải (x x y)
Kiểm định mô hình SuWAT cho khu vực nghiên cứu
Trước khi đánh giá tác động của thủy triều và nước dâng đối với sóng trong bão, việc kiểm định mô hình trong khu vực nghiên cứu là rất quan trọng Mô hình SuWAT đã được kiểm định và hiệu chỉnh cho việc tính toán thủy triều, sóng và nước dâng do bão trong nhiều nghiên cứu trước đây, bao gồm các công trình của Đỗ Đình Chiến (2016) và Nguyễn Bá Thủy.
Nghiên cứu của Nguyễn Văn Hưởng (2017) nhấn mạnh rằng cần kiểm định thêm một số trường hợp bão đổ bộ vào khu vực nghiên cứu Hai cơn bão mạnh, gây ra hiện tượng nước dâng và sóng lớn, đã được thu thập để phục vụ cho việc kiểm định mô hình.
Hình 3.1 Miền tính và trường độ sâu của lưới tính Biển Đông (a) và khu vực nghiên cứu (b)
Bão Frankie (7/1996) đã đổ bộ vào Hải Phòng-Thái Bình, trong khi bão Doksuri (9/2017) ảnh hưởng đến Nghệ An-Hà Tĩnh Lý do chọn bão Doksuri cho luận văn là mặc dù cơn bão này đổ bộ xa khu vực nghiên cứu (Quảng Ninh-Hải Phòng), nhưng nó vẫn gây ra sóng lớn và nước dâng tới Hải Phòng Hơn nữa, ven biển Nghệ An có trạm quan trắc hải văn cung cấp số liệu chi tiết và đáng tin cậy về sóng và mực nước.
Bão Frankie đã đổ bộ vào ven biển Hải Phòng-Thái Bình vào ngày 25/7/1996, gây ra nước dâng lên tới hơn 1.3m, mặc dù xảy ra trong thời điểm thủy triều thấp Điều này đã làm tăng mực nước tổng cộng tại trạm Hòn Dáu lên 3.28m, dẫn đến tình trạng ngập lụt nghiêm trọng tại khu vực ven biển Thái Bình và Hải Phòng Bên cạnh đó, bão Doksuri cũng có quỹ đạo di chuyển đáng chú ý, ảnh hưởng đến khu vực ven biển Nghệ An.
Bão Doksuri đã đổ bộ vào khu vực An - Hà Tĩnh vào thời điểm triều cường, gây ra tình trạng nước dâng cao trên 1 mét cùng với sóng lớn, dẫn đến tràn và sạt lở nhiều tuyến đê biển từ Hà Tĩnh đến Hải Phòng Hình ảnh ngập lụt tại ven biển Nghệ An và Nam Định cho thấy hậu quả nghiêm trọng của bão Theo dữ liệu quan trắc tại Hòn Ngư và Hòn Dáu, mực nước đạt mức cao, lần lượt là 3.74m và 4.11m, với độ cao nước dâng tương ứng là 1,0m và 0,8m, cho thấy tác động lớn của bão Doksuri trong thời điểm triều cường.
Hình 3.2 Quỹ đạo bão Frankie (7/1996)
Hình 3.3 Dao động theo thời gian của mực nước quan trắc, thủy triều dự tính và nước dâng tại Hòn Dáu trong bão Frankie (7/1996)
Quan trắc Thủy triều Nước dâng
Hình 3.4 Quỹ đạo bão Doksuri (9/2017)
Quan trắc Dự tính Nước dâng
Hình 3.5 trình bày sự dao động theo thời gian của mực nước quan trắc, thủy triều dự tính và nước dâng tại Hòn Ngư (a) và Hòn Dáu (b) trong bão Doksuri vào tháng 9 năm 2017 Mô hình được kiểm định với nước dâng do bão, cho thấy sự biến đổi đáng kể trong mực nước trong suốt cơn bão.
Kết quả so sánh giữa mô hình SuWAT và số liệu quan trắc nước dâng bão tại trạm Hòn Dáu trong trường hợp bão Frankie cho thấy mô hình mô phỏng diễn biến nước dâng khá chính xác, với sai số đỉnh nước dâng chỉ khoảng 0,2m Hình 3.8 tiếp tục minh họa sự so sánh giữa nước dâng tính toán bằng mô hình và dữ liệu thực tế.
(a) Tại Cửa Lò-Nghệ An (b) Tại Hải Hậu-Nam Định
Hình 3.6 Ngập lụt do nước dâng bão kết hợp với triều cường trong bão Doksuri (9/2018) tại
Cửa Lò-Nghệ An (a) và Hải Hậu-Nam Định (b)
Quan trắc Thủy triều Nước dâng
Mô hình SuWAT đã được áp dụng để quan trắc nước dâng tại Hòn Ngư và Hòn Dáu trong bão Doksuri (9/2017) tại vùng ven biển Nghệ An-Hà Tĩnh Kết quả cho thấy tại Hòn Ngư, mô hình đã xác định được cực trị nước dâng với sai số nhỏ, nhưng thời gian tồn tại của nước dâng lớn lại dài hơn so với dữ liệu quan trắc Ngược lại, tại Hòn Dáu, kết quả tính toán cho thấy sai số tại đỉnh nước dâng là 0,15m, cho thấy mô hình SuWAT đã mô phỏng khá tốt diễn biến nước dâng do bão tại khu vực nghiên cứu.
Hình 3.7 so sánh mức nước dâng tính toán và quan trắc tại Hòn Dáu trong bão Frankie vào tháng 7 năm 1996, khi bão đổ bộ vào khu vực ven biển Hải Phòng-Thái Bình, đã được điều chỉnh để tính đến ảnh hưởng của sóng.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã so sánh nước dâng tính toán và quan trắc tại Hòn Ngư và Hòn Dáu trong bão Doksuri (9/2017), với sự chú ý đến ảnh hưởng của sóng Để kiểm định mô hình SuWAT trong tính sóng bão, dữ liệu sóng quan trắc từ Hòn Dáu trong bão Frankie (7/1996) và Hòn Ngư trong bão Doksuri (9/2017) đã được thu thập Quan trắc sóng chỉ được thực hiện vào ban ngày và bằng mắt, dẫn đến độ chính xác hạn chế Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng diễn biến sóng và độ cao sóng tại Hòn Ngư trong bão Doksuri khá tốt, trong khi với bão Frankie, có sự lệch pha sau khi sóng đạt độ cao lớn nhất Dù vậy, kết quả này vẫn chấp nhận được và phản ánh khả năng của mô hình trong việc tính toán sóng bão.
Trong bão Frankie vào tháng 7 năm 1996, độ cao sóng tại Hòn Dáu đã được so sánh giữa dữ liệu tính toán và quan trắc Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong các thông số sóng mà không tính đến ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng, đặc biệt là khu vực ven biển Hải Phòng-Thái Bình.
Hình 3.10 trình bày sự so sánh giữa độ cao sóng được tính toán và độ cao sóng quan trắc thực tế tại Hòn Ngư trong bão Doksuri vào tháng 9 năm 2017, khi bão đổ bộ vào khu vực ven biển Nghệ An-Hà Tĩnh Kết quả này không tính đến ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng, giúp đánh giá chính xác hơn về tình hình sóng trong bão.
Do không có trạm quan trắc sóng ngoài khơi, số liệu tái phân tích thường thấp hơn thực tế, vì vậy luận văn đã sử dụng số liệu quan trắc từ phao trong thời gian bão Wukong tháng 9 năm 2000 đổ bộ vào Hà Tĩnh Trạm phao tọa lạc tại 17.16° N - 107.38° E, độ sâu 30m, được coi là vị trí xa bờ, và ghi nhận số liệu quan trắc sóng liên tục mỗi giờ.
Mô hình quan trắc án hợp tác giữa Chính phủ Na Uy và Trung tâm Khí tượng Thủy văn Biển, hiện nay là Trung tâm Hải văn, được thành lập vào năm 2000 Đây là nguồn số liệu quý giá với độ tin cậy cao, góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu và dự báo khí tượng.
Kết quả so sánh độ cao sóng giữa mô hình và số liệu quan trắc từ trạm phao cho thấy mô hình mô phỏng khá tốt sự biến đổi độ cao sóng theo thời gian, với sai số bình phương trung bình là 0.85m và sai số tuyệt đối của độ cao sóng lớn nhất là 1.1m Mặc dù giá trị tính toán thấp hơn so với quan trắc, kết quả này vẫn được coi là chấp nhận được, phản ánh khả năng của mô hình trong việc tính toán sóng trong bão ở khu vực xa bờ.
Hình 3.11 Quỹ đạo bão Wukong (9/2000)
Hình 3.12 So sánh độ cao sóng tính toán và quan trắc tại trạm phao ngoài khơi trong trong bão Wukong (9/2000) đổ bộ vào ven biển Hà Tĩnh
Đánh giá ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng bão tới sóng trong bão
a) Ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão
Theo nghiên cứu của Kim và các cộng sự (2010) cùng Nguyễn Văn Hưởng (2017), ảnh hưởng của thủy triều, sóng và nước dâng bão là rất quan trọng, đặc biệt trong các cơn bão mạnh và siêu bão Do đó, công nghệ dự báo truyền thống trước đây, khi không xem xét tác động lẫn nhau giữa các yếu tố này, có thể dẫn đến sự sai lệch đáng kể trong việc dự đoán độ cao nước dâng và sóng trong bão.
Các mô hình dự báo sóng trong bão hiện tại chủ yếu không tính đến ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng, dẫn đến việc sóng biển được xác định trên nền mực nước trung bình Tuy nhiên, sự tương tác giữa sóng và dòng chảy, cũng như sự thay đổi độ sâu do dao động thủy triều và nước dâng do bão, có thể ảnh hưởng đáng kể đến phân bố độ cao sóng, đặc biệt trong các cơn bão mạnh và siêu bão Để đánh giá ảnh hưởng này, mô hình SuWAT đã thực hiện tính toán sóng trong bão cho một số cơn bão cụ thể với hai phương án: một là không xét tới ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng, và một là có xét tới ảnh hưởng này Sự khác biệt giữa hai phương án sẽ giúp đánh giá rõ ràng tác động của thủy triều và nước dâng đến sóng trong bão tại khu vực.
Bài viết nghiên cứu ba cơn bão tiêu biểu: bão Frankie (7/1996), Doksuri (9/2017) và Washi (7/2005) Trong đó, bão Washi (7/2005) đổ bộ vào Hải Phòng được phân tích với hai cấp độ: cấp bão thực tế và cấp siêu bão (cấp 16), giữ nguyên quỹ đạo và thời gian đổ bộ Mục đích là để đánh giá tác động của thủy triều và nước dâng lên sóng trong bão khi chưa có siêu bão xảy ra trong khu vực nghiên cứu Để tính toán sóng trong bão, mô hình SuWAT đã thực hiện việc tính toán thủy triều trước năm ngày tại thời điểm bắt đầu sử dụng số liệu bão.
Trong trường hợp bão Frankie, hình 3.13 so sánh độ cao sóng tại trạm Hòn Dáu và vị trí ngoài khơi theo hai phương án tính có và không xét tới thủy triều và nước dâng Kết quả cho thấy, tại Hòn Dáu, phương án có xét tới thủy triều và nước dâng cho kết quả cao hơn, trong khi tại vị trí ngoài khơi, phương án không xét tới thủy triều và nước dâng lại cho kết quả cao hơn Sự khác biệt giữa hai phương án không lớn, khoảng 0,15m tại Hòn Dáu và 0,6m tại vị trí ngoài khơi Hình 3.14a-b cũng chỉ ra rằng sự khác biệt trong phân bố độ cao sóng lớn nhất trong quá trình bão đổ bộ vào ven biển Hải Phòng là không đáng kể.
Trong bão Doksuri (9/2017) đổ bộ vào Nghệ An-Hà Tĩnh, kết quả so sánh độ cao sóng tại trạm Hòn Ngư cho thấy sự khác biệt giữa hai phương án tính toán Phương án tính có xét đến thủy triều và nước dâng do bão cho kết quả độ cao sóng lớn hơn so với phương án không xét đến Tuy nhiên, chênh lệch giữa hai phương án trong bão Doksuri là lớn hơn so với bão Frankie, với sự khác biệt là 0,22m tại Hòn Ngư và 0,5m tại vị trí ngoài khơi.
Hai phương án tính toán ở khu vực ven bờ và ngoài khơi được thể hiện rõ trong hình 3.16, cho thấy sự phân bố độ cao sóng lớn nhất trong bão Sự khác biệt giữa hai phương án này có thể xuất phát từ nhiều yếu tố khác nhau.
Hai nguyên nhân chính ảnh hưởng đến sự thay đổi độ sâu ở khu vực gần bờ là sự thay đổi độ sâu và tương tác giữa sóng với dòng chảy, bao gồm dòng triều và dòng chảy do gió bão Thêm vào đó, sự khác biệt về định lượng giữa hai phương án tính toán trong hai cơn bão có thể được giải thích bởi bão Frankie đổ bộ vào thời điểm triều kiệt, trong khi bão Doksuri đổ bộ vào lúc triều cường.
Hình 3.13 so sánh độ cao sóng tính toán trong bão Frankie (7/1996) giữa hai phương án: một là tính toán không xét ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng bão, và hai là có xét đến những yếu tố này Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về độ cao sóng tại Hòn.
Dáu, (b)Vị trí ngoài khơi
Có xét tới thủy triều và nước dâng Không xét tới thủy triều và nước dâng
Không xét tới thủy triều và nước dâng
Có xét tới thủy triều và nước dâng
Trong bão Frankie vào tháng 7 năm 1996, hình 3.14 cho thấy trường sóng lớn nhất giữa hai phương án tính toán: (a) có xét tới ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng bão, và (b) không xét tới những yếu tố này.
Hình 3.15 trình bày sự so sánh độ cao sóng tính toán trong bão Doksuri vào tháng 9 năm 2017, giữa hai phương án: một là tính toán có xem xét ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng bão, và hai là không tính đến những yếu tố này Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong độ cao sóng tại Hòn, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tính toán chính xác trong các nghiên cứu về sóng biển trong bão.
Nghư, (b) Vị trí ngoài khơi
Xét tới thủy triều và nước dâng Không xét tới thủy triều và nước dâng
Xét tới thủy triều và nước dâng Không xét tới thủy triều và nước dâng
Trong bão Doksuri (9/2017), hình 3.16 cho thấy trường sóng lớn nhất giữa hai phương án tính toán có và không xét tới ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng bão Để đánh giá ảnh hưởng riêng rẽ của thủy triều và nước dâng tới độ cao sóng trong bão, hình 3.17a-b so sánh kết quả tính sóng giữa ba phương án: có xét tới thủy triều và nước dâng bão, chỉ xét tới nước dâng do bão (không xét tới thủy triều), và không xét tới cả thủy triều lẫn nước dâng do bão tại trạm Hòn Dáu và vị trí ngoài khơi trong bão Frankie Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đáng kể, đặc biệt tại vị trí ngoài khơi giữa hai phương án có xét tới thủy triều và nước dâng và phương án chỉ xét tới nước dâng, cho thấy ảnh hưởng của thủy triều tới sóng chỉ có ý nghĩa nhỏ tại khu vực ven bờ (Hình 3.17a - trạm Hòn Dáu).
Trong nghiên cứu về bão Frankie vào tháng 7 năm 1996, hình 3.17 trình bày sự so sánh độ cao sóng tính toán giữa ba phương án: bao gồm cả thủy triều và nước dâng bão, chỉ xem xét nước dâng do bão mà không tính đến thủy triều, và cuối cùng là ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng đến sóng trong các cơn bão mạnh và siêu bão Kết quả được phân tích tại Hòn Dáu và vị trí ngoài khơi, cho thấy tầm quan trọng của các yếu tố thủy triều và nước dâng trong việc xác định độ cao sóng trong điều kiện bão.
Khu vực biển Quảng Ninh - Hải Phòng chưa từng ghi nhận siêu bão mạnh cấp 15 trở lên, do đó, để đánh giá ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng đến sóng trong bão, hai trường hợp bão đã được thử nghiệm tính toán: bão Washi với thông số thực tế và bão được tăng lên cấp 16 (cấp siêu bão) Kết quả tính toán cho thấy chênh lệch độ cao sóng giữa hai phương án (có và không xét tới thủy triều và nước dâng) tại trạm Hòn Dáu là 0,22m với bão thật và 1,1m với cấp siêu bão Tại khu vực ven bờ, chênh lệch độ cao sóng lớn nhất lên tới 2,0m cho cấp siêu bão, trong khi với bão thật chỉ khoảng 0,5m Kết quả này nhấn mạnh rằng đối với những cơn bão cấp siêu bão, cần phải xem xét ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng để có dự báo chính xác hơn tại khu vực ven bờ.
Không xét tới nước dâng và thủy triều Chỉ xét tới nước dâng
Xét tới thủy triều và nước dâng
Chỉ xét tới nước dâng
Xét tới nước dâng và thủy triềuKhông xét tới nước dâng và thủy triều
Các so sánh kết quả tính toán giữa các phương án cho thấy rằng để dự báo sóng trong bão, đặc biệt là đối với những cơn bão mạnh và siêu bão, việc áp dụng công nghệ dự báo kết hợp với các yếu tố như thủy triều và nước dâng do bão là vô cùng cần thiết.
Bài viết này so sánh độ cao sóng tại Hòn Dáu trong cơn bão Washi, phân tích theo hai phương án: một là có tính đến ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng bão, và hai là không Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa cấp bão thật và cấp siêu bão, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét các yếu tố này trong các dự báo sóng bão.
Hiện trạng sóng trong bão (giai đoạn 1952-2017) tại ven biển Quảng Ninh-Hải Phòng
Do hạn chế số liệu quan trắc sóng trong bão, việc sử dụng kết quả tính toán từ mô hình số trị có độ tin cậy cao là giải pháp tối ưu cho nghiên cứu đánh giá sóng trong bão tại khu vực Nghiên cứu cho thấy thủy triều và nước dâng ảnh hưởng đáng kể đến độ cao sóng, đặc biệt là trong các cơn bão mạnh xảy ra vào thời điểm thủy triều cao Vì vậy, các kết quả tính sóng cho tất cả các cơn bão lịch sử cần được xem xét kỹ lưỡng.
Không xét đến thủy triều và nước dâng bão
Có xét đến thủy triều và nước dâng bão
Không xét đến thủy triều và nước dâng bão
Có xét đến thủy triều và nước dâng bão đều xét tới tương tác thủy triều, nước dâng và sóng
Hình 3.20 minh họa quỹ đạo các cơn bão gây ảnh hưởng và tạo ra sóng lớn trong khu vực từ năm 1952 đến 2017 Tất cả các cơn bão này đã được thu thập các tham số cần thiết để tính toán sóng trong bão.
Kết quả nghiên cứu từ giai đoạn 1952 - 2017 cho thấy khu vực ven bờ và ngoài khơi Quảng Ninh - Hải Phòng đã trải qua nhiều cơn bão mạnh gây sóng lớn Đặc biệt, bão Wayne vào tháng 9 năm 1986 đã đổ bộ vào Quảng Ninh, tạo ra sóng cao nhất lên tới 8-9m giữa Bắc vịnh Bắc Bộ Bão Damrey vào tháng 9 năm 2005 đã gây ra nước dâng và sóng lớn, dẫn đến tình trạng tràn và sạt lở đê biển từ Hải Phòng đến Nam Định.
Trong giai đoạn 1952-2017, phân bố trường sóng lớn nhất trong bão tại khu vực biển Quảng Ninh-Hải Phòng cho thấy độ cao sóng bão không lớn, với sóng ngoài khơi đạt khoảng 6m và ven bờ từ 2-3m Sự che chắn bởi đảo Hải Nam đã làm giảm quá trình lan truyền sóng từ biển khơi vào, cùng với việc nhiều cơn bão mạnh từ phía đảo Hải Nam bị giảm cấp do ma sát với đất liền Tuy nhiên, tại phía Nam khu vực, độ cao sóng trong bão lại lớn hơn, có thể đạt tới 10m ngoài khơi và 4-5m ven bờ, do ít bị che khuất hơn so với phía Bắc.
Hình 3.20 Quỹ đạo các cơn bão giai đoạn 1952-2017 ảnh hưởng và gây sóng lớn trong khu vực nghiên cứu
Hình 3.21 Phân bố độ cao sóng lớn nhất trong một số cơn bão mạnh ảnh hưởng tới khu vực nghiên cứu
Hình 3.22 Phân bố độ cao sóng lớn nhất trong bão tại khu vực nghiên cứu trong giai đoạn
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Luận văn này phân tích ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão tại khu vực biển Quảng Ninh-Hải Phòng, dựa trên mô phỏng từ mô hình SuWAT Sử dụng số liệu quan trắc từ các cơn bão Frankie (7/1996), Washi (9/2005), Doksuri (9/2017) và Wukong (9/2000), nghiên cứu kiểm định mô hình và đánh giá tác động Đặc biệt, với bão Washi, mô phỏng được thực hiện ở cấp bão thật (cấp 10) và tăng lên cấp siêu bão (cấp 16) để so sánh sự khác biệt trong kết quả tính sóng khi có và không có ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng Đồng thời, dữ liệu về quỹ đạo và tham số bão từ giai đoạn 1952-2017 cũng được thu thập để phân tích sự phân bố trường sóng trong khu vực nghiên cứu.
Những kết quả chính đạt đƣợc của luận văn này nhƣ sau:
Mô hình SuWAT đã được kiểm nghiệm trong việc tính toán sóng và nước dâng do bão tại khu vực nghiên cứu Kết quả cho thấy mô hình phản ánh khá chính xác diễn biến của nước dâng và sóng, với sai số giữa các tính toán và quan trắc về độ cao sóng cũng như nước dâng lớn nhất không đáng kể.
Kết quả tính sóng trong bão cho thấy rằng với bão có cường độ yếu như bão Frankie đổ bộ lúc thủy triều thấp, không có sự khác biệt về độ cao sóng giữa hai phương án tính Ngược lại, trong trường hợp bão mạnh và siêu bão xảy ra lúc thủy triều cao, phương án tính có xét đến thủy triều và nước dâng cho kết quả độ cao sóng lớn hơn ở vùng ven bờ nhưng nhỏ hơn ngoài khơi Phân tích cũng chỉ ra rằng nước dâng do bão ảnh hưởng đến sóng trong bão nhiều hơn so với thủy triều.
Trong giai đoạn 1952-2017, khu vực biển Quảng Ninh-Hải Phòng có độ cao sóng bão không lớn, với sóng ngoài khơi đạt tối đa khoảng 6m và ven bờ từ 2-3m Nguyên nhân chính là do khu vực này được che chắn bởi đảo Hải Nam, làm giảm quá trình lan truyền sóng từ biển khơi vào Ngoài ra, nhiều cơn bão mạnh từ phía đảo Hải Nam khi vào khu vực này thường bị giảm cấp do ma sát với đất liền.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng cần áp dụng công nghệ tiên tiến để nâng cao độ chính xác trong việc dự báo sóng trong bão tại khu vực có biên độ thủy triều lớn Điều này đặc biệt quan trọng khi khu vực này có khả năng phải đối mặt với nhiều cơn bão mạnh và siêu bão trong tương lai.
Kiến nghị
Cần thiết phải triển khai các chương trình khảo sát chi tiết để thu thập chuỗi số liệu dài và chất lượng, nhằm nghiên cứu sâu về sóng trong bão Đặc biệt, nghiên cứu này cần tập trung vào mối tác động giữa thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão tại tất cả các vùng ven biển Việt Nam, nhằm nâng cao khả năng dự báo và hỗ trợ các hoạt động ven biển hiệu quả hơn.
- Sự ảnh hưởng qua lại của thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão cần có nghiên cứu kỹ lưỡng tương tác giữa sóng và dòng chảy
Để đánh giá một cách chi tiết và đầy đủ về ảnh hưởng của thủy triều, sóng và nước dâng do bão, việc xây dựng lưới tính có độ phân giải cao khoảng vài chục mét là rất cần thiết.
1 Đinh Văn Mạnh (2011) Phát triển và hoàn thiện mô hình dự bão sóng bão, nước dâng do bão, thủy triều cho dải ven biển Việt Nam Báo cáo tổng kết đề tài, Viện
2 Đỗ Đình Chiến, Nguyễn Bá Thủy, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Hồng Thái, Sooyoul Kim (2014), Nghiên cứu tương tác sóng và nước dâng do bão bằng mô hình số trị, Tạp chí Khí tƣợng Thủy văn, (647), tr.19-24
3 Nguyễn Bá Thủy, Hoàng Đức Cường, Dư Đức Tiến, Đỗ Đình Chiến, Sooyoul Kim (2014), Đánh giá diễn biến nước biển dâng do bão số 3 năm 2014 và vấn đề dự báo, Tạp chí Khí tƣợng Thủy văn, (647), tr.14-18
4 Nguyễn Mạnh Hùng, Đỗ Thiền, Trương Trọng Xuân Phần III – Chương V Trường sóng trên Biển Đông-Biển Đông ( Tập II: Khí tượng, Thủy văn, Động lực biển)
5 Nguyễn Văn Hưởng, Nguyễn Bá Thủy (2017) Ảnh hưởng của thủy triều và sóng tới nước dâng bão tại ven biển Bắc Bộ Tạp chí khí tượng thủy văn số 676, trang 1-9
6 Nguyễn Xuân Hiển "Nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng và áp dụng cho vùng ven biển Hải Phòng"
7 Trần Quang Tiến (2015) Nghiên cứu ứng dụng, xây dựng mô hình dự báo sóng tác nghiệp cho vùng biển vịnh Bắc Bộ tại Trung tâm KTTVQG có sử dụng số liệu viễn thám, số liệu RADA biển Đề tài cấp Bộ Tài nguyên và môi trường
8 Vũ Hải Đăng, Nguyễn Bá Thủy, Đỗ Đình Chiến, Sooyoul Kim (2017) Nghiên cứu đánh giá định lượng các thành phần nước dâng trong bão bằng mô hình số trị Tạp chí khoa học công nghệ biển Tập 17, số 2, trang 132-138
9 Delft University of Technology (2014), SWAN User Manual, Delft, The Netherlands.