Nghiên cứu Ảnh hưởng của bão Đến các Điều kiện Động lực, vận chuyển bùn cát và biến Động Địa hình Đáy vùng ven biển hải phòng

Nghiên cứu Ảnh hưởng của bão Đến các Điều kiện Động lực, vận chuyển bùn cát và biến Động Địa hình Đáy vùng ven biển hải phòng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Lê Thị Thanh Huệ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÃO ĐẾN CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỘNG LỰC, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ BIẾN ĐỘNG ĐỊA HÌNH

ĐÁY VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Lê Thị Thanh Huệ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÃO ĐẾN CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỘNG LỰC, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ BIẾN ĐỘNG ĐỊA HÌNH

ĐÁY VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG

Chuyên ngành: Hải dương học

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Duy Vĩnh (Viện Tài

nguyên và Môi trường biển, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và

TS Phạm Tiến Đạt (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà

Nội) Học viên xin chân thành cảm ơn hai thầy

Học viên xin cảm ơn các thầy cô đã trực tiếp giảng dạy vì kiến thức, lòng nhiệt

tình và đạo đức nghề nghiệp đã truyền dạy để học viên tiếp thu và vận dụng, không

chỉ trong quá trình học tập, làm luận văn tốt nghiệp mà còn áp dụng cho công việc

thực tế sau này

Học viên xin cảm ơn tập thể cán bộ Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi

trường (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội), đặc biệt

Ban Giám đốc và các anh/chị/em Phòng Nghiên cứu và Dịch vụ đã hỗ trợ, giúp đỡ,

tạo điều kiện cho học viên trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Học viên xin cảm ơn cha mẹ và những người thân yêu đã luôn động viên, cổ vũ

trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Do kiến thức còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót, kính mong

sự góp ý của thầy cô cùng các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Học viên xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2022

Học viên

Lê Thị Thanh Huệ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VẤN ĐỀ VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 5

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 5

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 9

1.2 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 12

1.2.1 Vị trí địa lý và địa hình 12

1.2.2 Đặc điểm khí hậu 14

1.2.3 Đặc điểm thủy văn và hải văn 15

1.2.4 Đặc điểm bùn cát và biến động địa hình đáy 17

1.2.5 Bão và một số ảnh hưởng ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng 19

CHƯƠNG 2.DỮ LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Dữ liệu sử dụng 23

2.1.1 Địa hình 23

2.1.2 Khí tượng – thủy văn – hải văn 24

2.1.3 Bùn cát và biến động địa hình đáy 29

2.2 Phương pháp nghiên cứu 29

2.2.1 Thiết lập mô hình cho vùng cửa sông ven biển Hải Phòng 30

2.2.2 Các kịch bản tính toán 34

CHƯƠNG 3.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 36

3.1 Kết quả hiệu chỉnh kiểm định mô hình 36

3.2 Điều kiện động lực, vận chuyển bàn cát và biến động địa hình đáy khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng 40

3.2.1 Dòng chảy 40

3.2.2 Sóng 46

3.2.3 Phân bố bùn cát 49

3.2.4 Biến động địa hình đáy 53

3.3 Ảnh hưởng của bão đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến

động địa hình đáy vùng ven biển Hải Phòng 56

3.3.1 Ảnh hưởng của bão đến điều kiện dòng chảy 56

3.3.2 Ảnh hưởng của bão đến điều kiện sóng 84

3.2.3 Ảnh hưởng của bão đến vận chuyển bùn cát 87

3.2.4 Ảnh hưởng của bão đến biến động địa hình đáy 92

KẾT LUẬN 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

PHỤ LỤC: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH DELFT 3D 106

PL1 Mô hình thủy động lực 106

PL2 Mô hình sóng 109

PL3 Mô hình vận chuyển bùn cát 110

PL4 Mô hình vận chuyển bùn cát đáy 111

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ phạm vi khu vực nghiên cứu 13

Hình 1.2 Phân bố bùn cát tầng mặt vùng ven biển Hải Phòng (Nguyễn Văn Cư, 2008) 19

Hình 1.3 Một số cơn bão đổ bộ và ảnh hưởng khu vực Hải Phòng và lân cận trong giai đoạn 1960 – 2020 (Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản, 2022) 20

Hình 2.1 Đường đẳng sâu khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng 23

Hình 2.2 Trường gió khu vực Biển Đông và vùng lân cân: theo các phương kinh tuyến (U10,trái) và vỹ tuyến (V10, phải) ngày 1/1/2018 lúc 00h từ cơ sở dữ liệu NCEP 25

Hình 2.3 Đường đi bão Sơn Tinh 2012 (Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản) 26

Hình 2.4 Đường đi bão Sơn Tinh 2018 (Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản) 27

Hình 2.5 Phạm vi miền tính, lưới tính của mô hình thủy động lực 30

Hình 2.6 Lưới độ sâu của mô hình thủy động lực 31

Hình 2.7 Tương tác sóng- dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong mô hình 32

Hình 3.1 Sơ đồ vị trí các điểm hiệu chỉnh và trích xuất kết quả tính của mô hình 38

Hình 3.2 So sánh số liệu mực nước giữa thực đo và tính toán tại Hòn Dấu (a- so sánh mực nước đo và tính toán trong mùa mưa, 01/7-31/7/2018; b- so sánh mực nước đo và tính toán trong mùa khô, 01/12-31/12/2018; c - tương quan mực nước đo và tính toán trong mùa mưa; d - tương quan mực nước đo và tính toán trong mùa khô) 39

Hình 3.3 So sánh số liệu vận tốc dòng chảy giữa thực đo và tính toán từ mô hình tại Đồ Sơn – Hải Phòng 40

Hình 3.4 So sánh số liệu sóng giữa thực đo và tính toán từ mô hình tại Hòn Dấu 40

Hình 3.5 Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước tại cửa Nam Triệu trong một tháng điển hình của mùa mưa 42

Hình 3.6 Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước tại cửa Lạch Huyện trong một tháng điển hình của mùa mưa 42

Hình 3.7 Trường dòng chảy tầng mặt trong pha triều lên (trái) và pha triều xuống (phải) tại thời điểm điển hình vào mùa mưa 43

Hình 3.8 Trường dòng chảy tầng đáy trong pha triều lên (trái) và pha triều xuống (phải) tại thời điểm điển hình vào mùa mưa 43

Hình 3.9 Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước tại cửa Nam Triệu trong một tháng điển hình của mùa khô 44Hình 3.10 Biến động vận tốc dòng chảy và mực nước tại cửa Lạch Huyện trong một tháng điển hình của mùa khô 45Hình 3.11 Trường dòng chảy tầng mặt trong pha triều lên (trái) và pha triều xuống (phải) tại thời điểm điển hình vào mùa khô 45Hình 3.12 Trường dòng chảy tầng đáy trong pha triều lên (trái) và pha triều xuống (phải) tại thời điểm điển hình vào mùa khô 46Hình 3.13 Độ cao sóng ngoài khơi cửa Lạch Huyện, cửa Nam Triệu và Hòn Dấu trong một tháng điển hình của mùa mưa 47Hình 3.14 Trường sóng tại một số thời điểm điển hình (ảnh hưởng gió tây nam-bên trái và đông nam-bên phải) vào mùa mưa 47Hình 3.15 Độ cao sóng ngoài khơi cửa Lạch Huyện, cửa Nam Triệu và Hòn Dấu trong một tháng điển hình của mùa khô 48Hình 3.16 Trường sóng do ảnh hưởng của gió đông bắc vào mùa khô 49Hình 3.17 Biến trình hàm lượng bùn cát lơ lửng tầng mặt và tầng đáy tại cửa Nam Triệu và cửa Lạch Huyện trong một tháng điển hình vào mùa mưa 50Hình 3.18 Phân bố bùn cát lơ lửng tầng mặt vùng cửa sông ven biển Hải Phòng khi triều lên (trái) và khi triều xuống (phải) tại thời điểm điển hình vào mùa mưa 50Hình 3.19 Phân bố bùn cát lơ lửng tầng đáy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng khi triều lên (trái) và khi triều xuống (phải) tại thời điểm điển hình vào mùa mưa 51Hình 3.20 Biến trình hàm lượng bùn cát lơ lửng tầng mặt và tầng đáy tại cửa Nam Triệu và cửa Lạch Huyện vào mùa khô 52Hình 3.21 Phân bố bùn cát lơ lửng tầng mặt vùng cửa sông ven biển Hải Phòng khi triều lên (trái) và khi triều xuống (phải) vào mùa khô 53Hình 3.22 Phân bố bùn cát lơ lửng tầng đáy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng khi triều lên (trái) và khi triều xuống (phải) vào mùa khô 53Hình 3.23 Tích lũy của địa hình đáy trong 1 tháng điển hình của mùa mưa tại vùng cửa sông ven biển Hải Phòng (bồi –xói tích lũy theo thời gian) 54Hình 3.24 Phân bố bồi xói tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng trong 1 tháng tính toán vào mùa mưa 54Hình 3.25 Tích lũy của địa hình đáy trong 1 tháng điển hình của mùa khô tại vùng cửa sông ven biển Hải Phòng (bồi –xói tích lũy theo khoảng thời gian) 55

Hình 3.26 Phân bố bồi xói tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng trong một tháng tính toán vào mùa khô 56Hình 3.27 Mực nước dâng tại Hải Phòng trong bão Sơn Tinh 2012 57Hình 3.28 Vận tốc dòng chảy tầng mặt tại cửa Nam Triệu và cửa Lạch Huyện tại thời điểm trước bão Sơn Tinh 2012 72h – trong bão – sau bão 72h 59Hình 3.29 Vận tốc dòng chảy tầng đáy tại cửa Nam Triệu và cửa Lạch Huyện tại thời điểm trước bão Sơn Tinh 2012 72h – trong bão – sau bão 72h 59Hình 3.30 Vận tốc dòng chảy tầng mặt tại cửa Nam Triệu và cửa Lạch Huyện tại thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 72h – trong bão – sau bão 72h 60Hình 3.31 Vận tốc dòng chảy tầng đáy tại cửa Nam Triệu và cửa Lạch Huyện tại thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 72h – trong bão – sau bão 72h 60Hình 3.32 Trường dòng chảy tầng mặt thời điểm trước bão Sơn Tinh 2012 72h – trong bão – sau bão 72h 80Hình 3.33 Trường dòng chảy tầng đáy thời điểm trước bão Sơn Tinh 2012 72h – trong bão – sau bão 72h 80Hình 3.34 Trường dòng chảy tầng mặt thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 72h – trong bão – sau bão đi vào 48h 81Hình 3.35 Trường dòng chảy tầng đáy thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 72h – trong bão – sau bão đi vào 48h 81Hình 3.36 Trường dòng chảy tầng mặt thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 bắt đầu

đi ra – sau khi bão tan (72h) 82Hình 3.37 Trường dòng chảy tầng đáy thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 bắt đầu

đi ra – sau khi bão tan (72h) 82Hình 3.38 Chiều cao sóng trong bão Sơn Tinh 2012 tại một số điểm trích vào thời điểm trước – trong và sau cơn bão 85Hình 3.39 Chiều cao sóng trong bão Sơn Tinh 2018 tại một số điểm trích vào thời điểm trước – trong và sau cơn bão 85Hình 3.40 Trường sóng trước bão Sơn Tinh 2012 72h – trong bão – sau bão 86Hình 3.41 Trường sóng trước bão Sơn Tinh 2018 72h – trong bão – sau bão (bão vào – Lần 1) 86Hình 3.42 Trường sóng bão Sơn Tinh 2018 bắt đầu đi ra – sau khi bão tan hoàn

toàn Error! Bookmark not defined.

Hình 3.43 Bùn cát lơ lửng tầng mặt và tầng đáy tại cửa Lạch Huyện và cửa Nam Triệu tại thời điểm trước – trong – sau bão Sơn Tinh 2012 87

Hình 3.44 Bùn cát lơ lửng tầng mặt và tầng đáy tại cửa Lạch Huyện và cửa Nam Triệu tại thời điểm trước – trong – sau bão Sơn Tinh 2018 88Hình 3.45 Phân bố bùn cát tầng mặt thời điểm trước bão Sơn Tinh 2012 72h – trong bão – sau bão 72h 90Hình 3.46 Phân bố bùn cát tầng đáy thời điểm trước bão Sơn Tinh 2012 72h – trong bão – sau bão 72h 90Hình 3.47 Hàm lượng bùn cát lơ lửng tầng mặt thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 72h – trong bão – sau bão 24h 91Hình 3.48 Hàm lượng bùn cát lơ lửng tầng đáy thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 72h – trong bão – sau bão 24h 91Hình 3.49 Hàm lượng bùn cát lơ lửng tầng mặt thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 bắt đầu đi ra – sau khi bão tan 92Hình 3.50 Hàm lượng bùn cát lơ lửng tầng đáy thời điểm trước bão Sơn Tinh 2018 bắt đầu đi ra – sau khi bão tan (72h) 92Hình 3.51 Biến trình xói tại 1 số điểm trích khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng thời điểm trước – trong – sau bão Sơn Tinh 2012 94Hình 3.52 Biến trình bồi tại 1 số điểm trích khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng thời điểm trước – trong – sau bão Sơn Tinh 2012 94Hình 3.53 Biến trình xói tại 1 số điểm trích khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng thời điểm trước – trong – sau bão Sơn Tinh 2018 95Hình 3.54 Biến trình bồi tại 1 số điểm trích khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng thời điểm trước – trong – sau bão Sơn Tinh 2018 95Hình 3.55 Sự khác nhau của biến động địa hình đáy thời điểm trước khi bị bão tác động của bão Sơn Tinh 2012 (hình trái) và Sơn Tinh 2018 (hình phải) 96Hình 3.56 Sự khác nhau của biến động địa hình đáy thời điểm sau khi bị tác động của cơn bão Sơn Tinh 2012 (hình trái) và Sơn Tinh 2018 (hình phải) 96Hình 3.57 Biến động địa hình đáy tại các thời điểm trước – trong – sau bão Sơn Tinh 2012 97Hình 3.58 Biến động địa hình đáy tại các thời điểm trước – trong – sau bão Sơn Tinh 2018 97

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.3 Danh sách thống kê các cơn bão đổ bộ và ảnh hưởng đến khu vực Hải Phòng và lân cận từ năm 1960 – 2020 [58] 20Bảng 2.1 Các kịch bản tính toán 35Bảng 3.1 Tóm tắt một số thông số tính toán của mô hình 36Bảng 3.2 Bảng vị trí các điểm hiệu chỉnh và trích xuất kết quả tính của mô hình 38Bảng 3.3 Kết quả hiệu chỉnh kiểm định bộ thông số tại 1 số điểm trích 39

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ADCIRC ADvanced CIRCulation - Mô hình mô phỏng hoàn lưu ven bờ và

nước dâng do bão

DELFT 3D Mô hình mô hình tổng hợp 3 chiều (3D) do Viện Thủy lực Delft

(Hà Lan) nghiên cứu phát triển

ECMWF European Centre for Medium-Range Weather Forecasts - Trung

tâm dự báo thời tiết Châu Âu MIKE Mô hình thủy động lực được phát triển Viện Thủy lực Đan Mạch

NCEP US National Centers for Environmental Prediction - Trung tâm

Dự báo Môi trường Quốc gia Hoa Kỳ

ROMS The Regional Ocean Modeling System - Mô hình khu vực mô

phỏng đại dương của đại học Rutgers và ULCA, Hoa Kỳ

SMS Surface Water Modeling System - Hệ thống mô hình mô phỏng

nước mặt, Hoa Kỳ SWEM Mô hình phương trình nước nông

SWAN Simulating Waves Nearshore - Mô hình mô phỏng sóng vùng bờ

VAST VietNam Academy of Science and Technology - Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam

VNU/MDEC Mô hình thủy động lực 3 chiều (3D) do Trung tâm Động lực học

Thủy khí Môi trường, Trường ĐHKHTN phát triển WRF Weather Research and Forecasting Model - Mô hình khí tượng

MỞ ĐẦU

Vùng ven biển Hải Phòng có vị trí địa lý thuận lợi trong việc phát triển kinh tế biển và cũng được xác định là cửa ngõ ra biển của các tỉnh miền Bắc Ngay từ đầu thế kỷ 20, cảng Hải Phòng đã có kết nối với nhiều cảng lớn ở Đông Nam Á, châu Á, châu Đại Dương, Bắc Mỹ, ven Ấn Độ Dương, Địa Trung Hải, Đại Tây Dương, biển Bắc Âu Trong những năm gần đây, các cảng biển khu vực Hải Phòng ngày càng khẳng định vị thế quan trọng Lượng hàng hóa qua cảng Hải Phòng tăng liên tục trong hơn 30 năm qua Theo thống kê của Cảng vụ Hàng hải Hải Phòng, lượng hàng hóa qua cảng vào năm 2012 (50,1 triệu tấn) gấp khoảng 25 lần năm 1980 (2 triệu tấn) (Cục Hàng hải Việt Nam, 2012) Theo thống kê năm 2021, mặc dù chịu ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 nhưng sản lượng hàng hóa thông qua cảng khu vực thành phố Hải Phòng bằng tàu biển vẫn đạt khoảng 72,363 triệu tấn (Báo Việt Nam, 2021)

Bên cạnh những thuận lợi về mặt vị trí địa lý, do hình thái vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có dạng hình phễu, chịu ảnh hưởng của chế độ thủy triều mang tính chất nhật triều điển hình với biên độ cực đại lên đến gần 4m và nguồn nước (bùn cát) khá lớn từ hệ thống sông Hồng – Thái Bình (Vũ Duy Vĩnh, 2014), nên khu vực này thể hiện rất rõ các quá trình tương tác biển - lục địa Đây còn là vùng chịu tác động do bão nhiều nhất ở Việt Nam với khoảng 4 -5 cơn bão và áp thấp nhiệt đới hàng năm Dưới ảnh hưởng của các điều kiện đó nên chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát, biến động địa hình đáy biển khu vực này khá phức tạp và tạo thành các vùng bồi xói khác nhau, đặc biệt là hiện tượng sa bồi luồng vào cảng Hải Phòng trong thời gian vừa qua Theo tính toán của Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải miền Bắc, lượng bùn cát sa bồi hằng năm vào luồng lên đến 2,5 -3 triệu tấn Để đảm bảo an toàn cho những tàu lớn cập cảng, việc duy tu luồng phải thường xuyên, liên tục hàng năm Chỉ riêng trong năm 2013 đã có 29 công trình cấp bách tiến hành nạo vét với tổng khối lượng lên đến 1,74 triệu m3 bùn cát, kinh phí dành cho việc duy tu nạo vét định kỳ đối với các tuyến luồng ra vào cảng Hải Phòng ước tính nhỏ nhất cũng lên tới 40 -50 tỷ đồng (Trần Đình Lân, 2017)

Chính vì vậy đã có nhiều nghiên cứu với các cách tiếp cận khác nhau (địa chất, địa mạo, động lực) nhằm tìm hiểu vấn đề sa bồi luồng tàu vào khu vực cảng Hải Phòng nói riêng và đặc điểm thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy ở khu vực này nói chung Tuy nhiên, các nghiên cứu trên đa phần chỉ đề cập đến các quá trình động lực, vận chuyển bùn cát và bồi xói đáy trong điều kiện bình thường, chưa phân tích sâu về ảnh hưởng của bão đến đồng thời các quá trình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và bồi xói đáy - trong khi đó, mặc dù tần suất xuất hiện của bão ít nhưng mỗi khi bão xảy ra có thể làm thay đổi toàn bộ sự cân bằng đã duy trì trong thời gian dài từ trước đó Ngoài ra, các nghiên cứu trên còn nhiều hạn chế về số liệu và kỹ thuật tính toán (bước lưới lớn, độ phân giải của lưới tính không cao, …)

Từ những lý do trên, việc thực hiện dựa trên hệ thống mô hình thủy động sóng-vận chuyển bùn cát với sự hỗ trợ của kỹ thuật-phương tiện tính toán hiện đại (tăng độ phân giải của lưới tính và các quá trình) nhằm đánh giá ảnh hưởng của bão đến đồng thời các điều kiện động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy vùng ven biển Hải Phòng trong nghiên cứu này không chỉ góp phần tăng cường sự hiểu biết về ảnh hưởng của bão đến các quá trình thủy động lực, vận chuyển bùn cát, biến động đáy (là các quá trình liên quan đến hiện tượng sa bồi luồng cảng Hải Phòng) mà còn nâng cao năng lực nghiên cứu về động lực bùn cát ở vùng cửa sông ven biển bằng công cụ mô hình Theo đó, mục tiêu của nghiên cứu là: Ứng dụng được mô hình Delft3D đánh giá các ảnh hưởng của bão đến các điều kiện động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy vùng ven biển Hải Phòng

lực-Với mục tiêu trên, học viên đã tiến hành thu thập tổng hợp các tài liệu về mô hình Delft3D; tài liệu về địa hình, khí tượng thủy văn (sóng, gió, mực nước, bão,

…), bùn cát và biến động địa hình đáy ở khu vực ven biển Hải Phòng Từ đó tiến hành thiết lập mô hình tính toán bao gồm 2 nhóm kịch bản chính: nhóm các kịch bản tính toán trong điều kiện bình thường (các tháng 1, 9, 11, 12 năm 2012; các tháng 1, 6, 8, 12 năm 2018) và nhóm các kịch bản trong thời gian xảy ra bão (tháng

10 năm 2012, tháng 7 năm 2018) Đồng thời, nghiên cứu này cũng đã thu thập, xử

lý hệ thống và đồng bộ cho các điều kiện biên (sông, biển) từ chuỗi số liệu quan trắc thành dạng chuỗi số liệu mô hình yêu cầu Các biên mở phía biển của mô hình được tạo ra bằng phương pháp lưới lồng (NESTING) từ mô hình có miền tính rộng hơn phía ngoài Theo đó, mô hình Delft 3D với 5 lớp độ sâu theo hệ tọa độ Sigma đã được thiết lập và kiểm chứng cho thấy có sự phù hợp với số liệu đo đạc

Kết quả tính toán đã cho thấy chế thủy động lực, vận chuyển bùn cát lơ lửng và biến động địa hình đáy ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng biến đổi mạnh theo mùa Các cơn bão với điều kiện đổ bộ và tính chất khác nhau đã gây nên sự ảnh hưởng khác nhau đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát tại khu vực này, đặc biệt là các khu vực cửa sông Nam Triệu và Lạch Huyện - nơi có lòng dẫn hẹp,

có vận tốc dòng chảy tăng lên so với điều kiện bình thường từ 0,3m/s – 0,5m/s, độ cao sóng tăng 0,4m – 2m, nồng độ bùn cát lơ lửng tăng 9mg/l – 50mg/l so với điều kiện bình thường Bão cũng tác động trực tiếp đến biến động địa hình đáy tại khu vực trên, đặc biệt tại khu vực bờ bên phải theo hướng tác động của bão tại cửa sông Văn Úc, Nam Triệu, Lạch Tray

Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu trên và được bố cục như sau:

Mở đầu: Giới thiệu sơ lược về mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

của luận văn

Chương 1: Tổng quan vấn đề và khu vực nghiên cứu Trình bày sơ lược

tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan tới vấn đề; tổng quan về điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu trong đó chủ yếu tập trung vào các yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sự vận chuyển bùn cát lơ lửng và biến động địa hình đáy ở khu vực nghiên cứu như chế độ gió, đặc điểm thủy văn, hải văn, bùn cát và bão

Chương 2: Dữ liệu và phương pháp sử dụng Trong phần này, trình bày các

thông tin về những dữ liệu, tài liệu chính đã sử dụng; cơ sở toán học của các mô hình thủy động lực, vận chuyển bùn cát lơ lửng và biến động địa hình đáy; phương pháp thiết lập và các kịch bản tính toán các mô hình mô phỏng điều kiện thủy động

lực, vận chuyển bùn cát lơ lửng và biến động địa hình đáy cho vùng cửa sông ven biển Hải Phòng

Chương 3: Kết quả nghiên cứu Trình bày các kết quả hiệu chỉnh, kiểm định

mô hình; các kết quả phân tích điều kiện động lực-bùn cát ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng Đồng thời phân tích, đánh giá ảnh hưởng của 1 số cơn bão (bão Sơn Tinh 2012; bão Sơn Tinh 2018) đến chế độ thủy động lực-bùn cát và bồi xói đáy tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng

Cuối cùng, trong phần Kết luận, tác giả trình bày tóm tắt những kết quả đạt được của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Nghiên cứu chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy khu vực cửa sông ven biển là những vấn đề được các nhà quản lý và các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt trong bối cảnh thiên tai diễn biến ngày càng phức tạp, bất thường, có chiều hướng tăng lên cả về cường độ, số lượng và mức độ nguy hiểm Trong đó bão và các hệ quả đi kèm như lũ lụt và nước dâng do bão là một trong những yếu tố tác động mạnh mẽ đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và xói lở bờ biển Bão làm cho mực nước tăng, gây lên sóng với cường độ mạnh

và biên độ lớn Ở khu vực ven bờ sự tác động này càng thể hiện rõ hơn, sự tác động của sóng lên bề mặt đáy gia tăng và hình thành lên dòng chảy sinh ra do sóng, có hướng với đường bờ Sự tác động của sóng trong bão làm gia tăng quá trình xói lở - bồi tụ, vận chuyển bùn cát trong khu vực ven bờ, là nguyên nhân quan trọng làm thay đổi hình dạng đường bờ Mực nước cực trị trong bão là sự tổ hợp của cả mực nước triều, nước dâng do bão và nước dâng do sóng trong bão, mức độ tác động của từng yếu tố phụ thuộc vào từng cơn bão, vị trí đường bờ cụ thể và thời điểm triều lên và triều xuống (Lê Đức Cường và Trần Anh Tú, 2015).

Nghiên cứu ảnh hưởng của bão đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát, biến động địa hình đáy khu vực cửa sông ven biển đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề thực tiễn trong phát triển hàng hải và kinh tế biển như: công tác quản lý, quy hoạch tuyến luồng tàu, tính toán sa bồi luồng (Beckers, 1991) Dưới bối cảnh đó, trong thời gian gần đây, những nghiên cứu tập trung sâu vào ảnh hưởng của bão đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy vùng cửa sông ven biển đã được đặc biệt chú trọng

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Áp thấp nhiệt đới và bão là những hiện tượng thời tiết khắc nhiệt nhất ảnh hưởng đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy Mặc dù tần suất xuất hiện của bão ít nhưng mỗi khi bão xảy ra có thể làm thay đổi toàn bộ sự cân bằng đã duy trì trong thời gian dài từ trước đó (Nguyễn Xuân Hiển

và nnk, 2017) Do đó, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu theo các phương pháp khác nhau nhằm đánh giá ảnh hưởng của bão đến các quá trình thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy Trong đó, hai phương pháp mô hình số trị chính thường được sử dụng bao gồm: mô hình mã nguồn mở và mô hình thương mại (Đinh Văn Ưu, 2011)

Đối với hướng mô hình mã nguồn mở, Antonia Sebastian và nnk (2014) đã sử dụng mô hình mã nguồn mở SWAN và ADCIRC để dự báo ảnh hưởng của bão và cường độ nước dâng trong bão khu vực Vịnh Galveston Trong nghiên cứu này, 80 xoáy thuận nhiệt đới đã được nhóm tác giả mô phỏng để tìm ra đặc trưng của nước dâng do bão trong phạm vi đường bờ biển dài 98 km của Vịnh Galveston Các đặc điểm của xoáy thuận nhiệt đới được phân tích trong nghiên cứu này sử dụng 2 thông

số chính là vận tốc gió cực đại (Vmax) và bán kính gió cực đại (Rmax) để mô phỏng nước dâng theo kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng năm 2050 và

2100 Nghiên cứu cho thấy độ cao nước dâng bị chi phối bởi tốc độ gió trong bão, khi tốc độ gió tăng 15% dẫn đến mực nước biển cũng tăng lên 23% Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn chưa phân tích toàn diện về mực nước dâng dưới tác động của các yếu tố thủy động lực khác tại bờ biển vịnh khi có ảnh hưởng của các xoáy thuận nhiệt đới

Saifhon và nnk (2015) đã sử dụng mô hình thủy động lực kết hợp cùng mô hình FVCOM để nghiên cứu sự tác động của sự khuếch đại thủy triều trong vịnh Thái Lan, từ đó chỉ ra rằng sự cộng hưởng thủy triều trong vịnh có ảnh hưởng đến việc nước dâng cao hơn khi bão đổ bộ vào khu vưc vịnh Cũng trong năm đó, mô hình mạng thần kinh nhân tạo (Artificient Neural Network) đã được Sooyoul Kim và nnk (2015) nghiên cứu, sử dụng bộ dữ liệu bao gồm các dữ liệu khí tượng thủy văn nhằm dự báo nước dâng trong bão ngắn hạn (24h) Phần mềm trên dựa vào các mô hình toán để dự báo nước dâng trong bão tại các trạm ven biển Tottori, Nhật Bản Trong nghiên cứu này, độ nhạy của mô hình dự báo thời gian thực liên quan chặt chẽ đến dữ liệu đầu vào được khảo sát tại Sakai, bờ biển Sanin, Nhật Bản Có thể thấy rằng hiệu suất của mô hình dự báo thời gian thực thể hiện rõ nhất khi huấn

luyện mạng lưới thần kinh với bộ dữ liệu đầu vào về triều cường, áp suất mực nước biển, tốc độ gió và vị trí bão

Tso-Ren Wu và nnk (2017) đã sử dụng mô hình COMCOT-SS kết hợp mô hình khí quyển và mô hình thủy triều để nghiên cứu sự tác động của thủy triều đến sự dâng lên của nước biển trong bão Miền tính toán lớn đã được sử dụng để bao quát toàn bộ vòng đời của bão Mô hình khí quyển và mô hình thủy triều được kết nối song song, gọi tắt là COMCOT-SS (COrnell Multi- Grid Coupled Tsunami Model - Storm Surge) đã dự báo độ cao mực nước gây ra bởi triều cường và khả năng bị ngập lụt của địa phương thông qua việc giải các phương trình phi tuyến nước nông Trong nghiên cứu này, cơn bão Soulik năm 2015 được chọn để hiệu chỉnh kiểm định mô hình, cho kết quả phù hợp với số liệu thực đo Tình trạng ngập lụt ven biển do bão Soulik gây ra cũng được mô phỏng để nghiên cứu sự biến đổi của triều cường và thủy triều Bằng một loạt các hiệu chỉnh và thử nghiệm vận hành nghiêm ngặt, hệ thống vận hành triều cường COMCOT đã trở thành mô hình dự báo chính thức tại Cục Thời tiết Trung ương Đài Loan kể từ tháng 7 năm 2016 và đã dự báo thành công các đợt triều cường do bão Nepartak cấp 5 năm 2016 gây ra

Năm 2018, trong nghiên cứu ứng dụng mô hình tích hợp đánh giá ảnh hưởng của bão Damrey đối với tái tạo và vận chuyển bùn cát phía Bắc sông Trường Giang, Trung Quốc, Qi Shen và nnk (2018) đã sử dụng mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát (mô hình phương trình nước nông (SWEM)) tích hợp với mô hình gió bão (mô hình khí tượng WRF), mô hình sóng (mô hình SWAN) để điều tra ảnh hưởng của bão Damrey đến luồng hàng hải năm 2012 Bằng cách so sánh ứng suất cắt đáy gây ra bởi dòng chảy và sóng, kết quả mô hình số chỉ ra rằng sự gia tăng nồng độ bùn cát trong cơn bão Damrey chủ yếu là do dòng chảy vận chuyển bùn cát vào kênh từ các khu vực nước nông bên ngoài kênh, nơi ứng suất cắt đáy do sóng gây ra trong cơn bão Damrey khiến bùn cát lắng lại Nghiên cứu đã đạt được một số điểm tích cực như mô phỏng được dòng dư và hàm lượng bùn cát trung bình dọc theo đường trung tâm kênh trong cơn bão, qua đó nghiên cứu đã phân tích được nguyên nhân của sự lắng đọng bùn cát sau khi bão đổ bộ Theo đó, nghiên cứu đã

chỉ ra, mặc dù nước dâng do bão không đáng kể trong cơn bão Damrey, nhưng việc bồi đắp bùn cát do sóng gây ra ở khu vực nước nông vẫn gây ra sự gia tăng nồng độ bùn cát kênh do dòng chảy phù sa tràn vào kênh từ đê phía nam và dẫn đến bùn cát lắng đọng gần phạm vi tiếp cận kênh thấp hơn tại khu vực sông Trường Giang, Trung Quốc

Đối với các nghiên cứu tiêu biểu sử dụng mô hình thương mại (bộ phần mềm MIKE của Viện thủy lực Đan Mạch (DHI), Delft3D của Viện Thủy lực Delft (Hà Lan), …) có thể kể đến, bao gồm: Nghiên cứu của Hua Liu và nnk (2007) đã sử dụng mô hình ba chiều MIKE FM kết hợp với mô hình hai chiều MIKE 21 SW FM

Bộ phần mềm đã mô phỏng và dự báo tốt các quá trình biến động của mực nước do bão gây ra tại cửa sông Dương Tử như sự thay đổi độ cao mực nước và sự thay đổi

độ cao sóng Ưu điểm của mô hình là mô phỏng thủy triều thiên văn khá chính xác, sai số mực nước giữa tính toán và thực đo chỉ chênh lệch dưới 10% (0,3-0,5m) Nghiên cứu của Fuchun và nnk (2016) đã ứng dụng mô hình DELFT 3D Flow kết hợp mô hình DELFT 3D Wave để mô phỏng ảnh hưởng của bão đến khu vực nghiên cứu Trong đó chú trọng vào quá trình nước dâng trong bão Khanun 2005 Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của sóng có tác động khá lớn đến mực nước dâng lên trong bão, bao gồm cả sóng do thủy triều

Ngoài phương pháp mô hình số trị, phương pháp khảo sát cũng là một trong những phương pháp được ứng dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của bão đến chế độ thủy thạch động lực khu vực Trong nghiên cứu ảnh hưởng của bão đến thay đổi hình thái đường bờ vùng cửa sông Beinan, Đài Loan, Wei Po Hang (2005) đã chỉ ra

đã sử dụng mô hình MIKE mô phỏng kết hợp khảo sát thực địa để phân tích các quá trình vận chuyển bùn cát gần Cửa sông Beinan ở đông nam Đài Loan Mô hình dựa trên phương pháp Eulerian và Lagrangian được sử dụng để mô phỏng vận chuyển bùn cát từ sóng và dòng chảy Bão được mô phỏng với các kịch bản có cường độ khác nhau đã chỉ ra mối quan hệ giữa các các bùn cát phù sa, tải trọng sóng và sự tiến hóa của cửa sông được rút ra từ các kết quả Kết quả cho thấy hình thái của cửa sông Beinan bị chi phối bởi các sự kiện bão và quá trình xói mòn, vận chuyển và

lắng đọng bùn cát ngắn Tuy nhiên, nghiên cứu trên còn một số hạn chế trong việc

sử dụng mô hình 2D mô phỏng khu vực cửa sông, ven biển; thời gian mô phỏng ngắn qua đó chưa xem xét được đồng thời các quá trình thủy động lực học ven biển dưới ảnh hưởng của bão

Nhìn chung, có thể thấy các nghiên cứu về chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và bồi xói đáy trên thế giới tương đối phong phú và được đầu tư nghiên cứu

kỹ lưỡng với phương pháp chính là phương pháp mô hình số trị Với phương pháp trên, các nghiên cứu trên đều đã chỉ ra sự ảnh hưởng của bão đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát, quá trình bồi tụ - xói mòn cửa sông ven biển

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến vấn đề thủy động lực và vận chuyển bùn cát bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước Cho đến nay các vấn đề liên quan đến thủy động lực và vận chuyển bùn cát tại các vùng ven biển Việt Nam nói chung, ảnh hưởng của bão đến các quá trình trên nói riêng đang là mối quan tâm của nhiều nhà khoa học và các cơ quan nghiên cứu Có nhiều phương pháp chính trong tính toán và đánh giá ảnh hưởng của bão như phương pháp phân tích, thống kê từ số liệu thực đo, thực nghiệm, phương pháp mô hình số trị, hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên

Với phương pháp thống kê, phân tích có thể kể đến công trình nghiên cứu của

Vũ Như Hoán (1987) sử dụng phương pháp dự báo trên phương pháp thống kê, thiết lập các phương trình tính toán nước dâng do bão ở ven miền bắc Việt Nam Số liệu được lấy từ số liệu mực nước, trường gió, khí áp và bão từ 1959-1979 tại tất cả các trạm ven bờ miền bắc Nghiên cứu đã thiết lập 2 phương trình cho khả năng tính toán dự báo nước dâng và mực nước cực đại khi bão đổ bộ và chứng minh rằng không nhất thiết phải lập từng phương trình hồi quy dự báo mực nước dâng cực đại khi bão đổ bộ cho từng khu vực mà chỉ cần xác định phương trình chung cho biển miền Bắc Đây là ưu điểm so với các báo cáo cùng sử dụng phương pháp thống kê; tuy nhiên nhược điểm là phương pháp này mất công sức tính toán mà độ chính xác chưa cao

Cùng với sự phát triển của máy tính, các nghiên cứu về ảnh hưởng của bão sử dụng mô hình số trị được quan tâm nhiều hơn Năm 2014, trong chương 3 của cuốn sách “Thiên tai vùng ven bờ và biến đổi khí hậu ở Việt Nam- những vấn đề về công nghệ và thiết kế” Magnus Larson và những người khác đã nghiên cứu về “Tác động của bão đến vùng ven bờ biển Việt Nam thông qua các nghiên cứu thí điểm ở vùng Hải Hậu và Lý Hòa” Nghiên cứu đã đưa ra các tính toán về chế độ bão, tác động của chúng đến các vùng ven bờ qua các hiệu ứng sóng tràn và nước dâng do bão, sóng, từ đó đề xuất các giải pháp ứng phó với loại thiên tai nguy hiểm này Nguyễn Mạnh Hùng (2014) trong cuốn sách chuyên khảo “Các quá trình thủy thạch động lực ven bờ: mực nước; sóng và vận chuyển bùn cát” đã nghiên cứu về tác động của bão tại vùng châu thổ sông Hồng Qua đó đánh giá được sự khác nhau về vai trò của bão khi đổ bộ vào các khu vực có chế độ sóng lớn như đối với dải ven biển phía bắc nước ta và các khu vực có chế độ sóng yếu như khu vực ven bờ biển phía tây nam Bùi Mạnh Hà và nnk (2014) đã sử dụng mô hình Khí tượng JMA (Japan Meteorological Agency) được nghiên cứu bởi Cơ quan Khí tượng Nhật Bản với đầu vào là các dữ liệu bao gồm trường gió, trường áp suất nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của bão đến chế độ thủy động lực và dự báo nước dâng do bão Số liệu của báo cáo được trích từ số liệu từ 4 cơn bão Keami (8/2000), Wukong (9/200), Washi (7/2005), Damrey (9/2005) Kết quả cho thấy khi so sánh trị số nước dâng do bão thực đo và tính toán bằng module JMA thì thấy không có sự sai khác đáng kể về trị

số cũng như thời điểm nước dâng do bão cực đại, từ đó nhận ra triển vọng của mô hình trên trong dự báo nước dâng do bão

Lê Đức Cường và Trần Anh Tú (2015) trong nghiên cứu “Đánh giá tác động của điều kiện bão đến đặc điểm vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven bờ sông Mê Kông” đã sử dụng mô hình Delft3D để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trong điều kiện có bão, qua đó có thể xem xét và đánh giá một cách chi tiết và đầy

đủ hơn bản chất của các quá trình liên quan đến vận chuyển bùn cát, xói lở bờ biển Tại riêng khu vực Hải Phòng, đã có một số nghiên cứu sử dụng mô hình thương mại và mô hình mã nguồn mở nhằm nghiên cứu về chế độ thủy động lực, vận

chuyển bùn cát và ảnh hưởng của bão, áp thấp nhiệt đới đến các quá trình trên Đối với nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình mã nguồn mở có thể kể đến các nghiên cứu tiêu biểu như: Vũ Thanh Ca và Nguyễn Quốc Trinh (2008) sử dụng mô hình CHB06 tính nước dâng do bão với số liệu lấy từ số liệu địa hình đáy biển khu vực vịnh Bắc Bộ do Viện Khí tượng – Thủy văn cung cấp và số liệu giá trị nước dâng

do bão tách từ mực nước trong thời gian hoạt động của 5 cơn bão tại 6 trạm: Hòn Dấu, Định Cư, Ba Lạt, Phú Lễ, Như Tâm, Hoàng Tân Nghiên cứu đã xác định được

mô hình tính toán chi tiết nước dâng do bão sử dụng kỹ thuật ghép lưới Sai số từ

mô hình ở mức chấp nhận được có thể áp dụng để tính toán, dự báo nước dâng do bão

Hà Thanh Hương (2016) đã sử dụng mô hình ADCIRC để mô phỏng nước dâng do bão, trong đó xem xét sự ảnh hưởng của hệ số ma sát đến kết quả tính toán nước dâng Lưới sử dụng trong nghiên cứu là lưới phi cấu trúc cho toàn vùng biển Đông, số liệu sử dụng là số liệu mực nước thực đo tại trạm Hòn Dấu và Hòn Ngư trong bão Wukong 2000 Kết quả của báo cáo đã chỉ ra được sự thay đổi của hệ số

ma sát đáy ảnh hưởng lớn đến tính toán nước dâng do bão khu vực vịnh Bắc Bộ và

hệ số ma sát đáy bằng 0.004

Cũng trong năm đó, Nguyễn Xuân Hiển và nnk (2016) đã nghiên cứu sử dụng

mô hình toán học ANN - phương pháp mạng thần kinh nhân tạo, số liệu lấy từ chuỗi cơn bão từ 1990-2005 tại trạm Hòn Dấu Nghiên cứu cho thấy khả năng ứng dụng khá tốt của ANN với thuật toán lan truyền ngược Tuy nhiên kết quả mô phỏng chưa hoàn toàn bắt được những giá trị cực trị của giá trị thực đo Vì vậy, cần phải

có những nghiên cứu ở những khu vực khác với số liệu thực đo tốt hơn đển đánh giá

và đưa mô hình này vào ứng dụng dự báo

Một dạng mô hình khác cũng được các nhà nghiên cứu hay sử dụng là các mô hình thương mại như mô hình MIKE được phát triển bởi Viện Thủy lợi Đan Mạch hay SMS của Hoa Kỳ Trong đó, với nghiên cứu: “Đánh giá nguy cơ ngập lụt gây ra bởi nước dâng khi bão mạnh, siêu bão đổ bộ cho tỉnh Nam Định”, Nguyễn Xuân Hiển và nnk (2017) đã sử dụng mô hình thương mại MIKE mô phỏng khả năng

ngập lụt do nước dâng do bão tràn qua đê với giả thiết đê không vỡ khi bão mạnh,

số liệu lấy từ số liệu tính toán và thực đo trong các cơn bão Damrey 2005, Wukong

2000 tại Hòn Dấu và Hòn Ngư Nghiên cứu trên đã chỉ ra hiện trạng đê Nam Định chưa đáp ứng được yêu cầu phòng chống nước dâng do bão và nguy cơ ngập lụt của từng xã trong tỉnh tương ứng với các cấp bão khi đổ bộ

Ngoài ra còn có thể kể đến các nghiên cứu như: Ứng dụng mô hình ADCIRC tính toán nước dâng do bão tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng trong cơn bão Damrey 2005 (Nguyễn Xuân Hiển, 2009); Ứng dụng mô hình (VNU/MDEC) tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển Hải Phòng (Phạm Văn Tiến, 2012); Nghiên cứu đặc điểm vận chuyển bùn cát lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng bằng mô hình Delft3d (Vũ Duy Vĩnh, 2012); Nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng và áp dụng cho vùng ven biển Hải Phòng (Nguyễn Xuân Hiển, 2013); Sử dụng kỹ thuật viễn thám nghiên cứu biến động đường bờ, bãi biển, cửa sông vùng biển Hải Phòng (Phạm Huyền Trang, 2019)…

Nhìn chung, có thể thấy rằng các nghiên cứu trên thông qua việc sử dụng mô hình toán học đã mô phỏng khá tốt ảnh hưởng của bão đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy tại khu vực Hải Phòng Tuy nhiên, các nghiên cứu trên còn một số hạn chế Trước tình hình đó, nghiên cứu này tập trung mô phỏng đồng thời các quá trình thủy động lực – vận chuyển bùn cát và bồi xói đáy, đồng thời tăng độ phân giải của lưới tính và các quá trình) nhằm đánh giá ảnh hưởng của bão đến các điều kiện động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy vùng ven biển Hải Phòng

1.2 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu

1.2.1 Vị trí địa lý và địa hình

Khu vực nghiên cứu thuộc thành phố Hải Phòng, nằm trong tọa độ 2005’ vĩ Bắc, 1060 5’ kinh Đông đến 200 9’vĩ Bắc, 1070 1’ kinh Đông (ven bờ phía đông bắc Hải Phòng, giữa vùng đông bắc bán đảo Đồ Sơn – cửa Nam Triệu – Lạch Huyện và vùng biển tây nam Cát Hải (Hình 1.1))

Hình 1.1 Sơ đồ phạm vi khu vực nghiên cứu Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng được tạo thành bởi các quá trình động lực sông, biển và sông - biển hỗn hợp Đây là vùng biển có chế độ nhật triều đều với biên độ triều lớn, lại nằm trong vành đai khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, cho nên ảnh hưởng của động lực thuỷ triều và thực vật ưa mặn đã đóng vai trò quan trọng cho sự thành tạo và phát triển địa hình ở đây Mặt khác, do hoạt động giao thông đường thuỷ, quai đê lấn biển, khai thác tài nguyên thiên nhiên ở vùng cửa sông của con người cũng làm cho động lực phát triển của địa hình khu vực nghiên cứu thêm phức tạp Bờ biển ven thành phố Hải Phòng có dạng đường cong lõm của bờ tây vịnh Bắc

Bộ, thấp và khá bằng phẳng, cấu tạo chủ yếu là bùn cát do năm cửa sông đổ ra Địa hình vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có độ sâu không lớn, độ dốc nhỏ Bề mặt đáy biển được cấu tạo bởi các thành phần hạt mịn, có nhiều lạch sâu vốn là những lòng sông cũ nay dùng làm luồng lạch ra vào của tàu thuyền (Vũ Duy Vĩnh, 2012) Hải Phòng không chỉ là trung tâm kinh tế lớn của miền Bắc, mà còn là một trong những vùng kinh tế năng động nhất của cả nước Hải Phòng có nhiều điều kiện cũng như tiềm năng để phát triển thành một khu vực có nền kinh tế mạnh, cùng với Hà Nội và Quảng Ninh hình thành nên tam giác kinh tế quan trọng của miền

Bắc (Báo Dân tộc, 2018) Tuy nhiên dưới sự tác động của con người cùng chế độ thủy thạch động lực và địa hình phức tạp nên khu vực cửa sông ven biển của thành phố thường xuyên diễn ra hiện tượng bồi tụ - xói lở bờ biển Cụ thể, luồng sông Cấm và khu vực tây nam bán đảo Đồ Sơn là những khu vực bị bồi tụ nghiêm trọng Các khu vực đảo Đình Vũ, nam Bãi Nhà Mạc, Đường 14, Cát Hải, Phù Long đều bị xói lở nhiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội của thành phố (Trần Anh Tú và Trần Đức Thạnh, 2008)

1.2.2 Đặc điểm khí hậu

Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng bị chi phối bởi 2 hệ thống gió mùa, đó là gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam Vào mùa đông, khu vực này chịu sự ảnh hưởng giao thoa giữa hai hệ thống gió mùa từ áp cao Xibiri và gió mùa tín phong từ

áp cao biển Đông Trung Hoa Hai hệ thống này ngoài việc tác động luân phiên xen

kẽ, còn có các tác động đồng thời gây nên tình trạng biến động khá mạnh mẽ của thời tiết trong mùa Hệ thống gió mùa từ áp cao cực đới chiếm ưu thế vào các tháng giữa mùa đông (khoảng tháng 10 năm trước đến tháng 3 năm sau), lấn át hẳn hệ thống tín phong Trái lại vào những tháng đầu mùa đông (khoảng tháng 11) và cuối mùa đông (tháng 2-3) hệ thống tín phong lại vượt lấn át hệ thống cực đới Do đó trong thời kỳ mùa đông thời tiết thường có những giai đoạn lạnh (khô hay ẩm) đặc trưng cho gió mùa cực đới (khi xuất hiện gió mùa đông bắc) xen kẽ với những ngày nóng ấm đặc trưng của thời tiết tín phong Trong mùa gió đông bắc,các hướng gió thịnh hành là Bắc, Đông Bắc vận tốc gió trung bình thường đạt 3,2m/s -3,7 m/s Hàng tháng trung bình có 3 - 4 đợt gió mùa đông bắc, kéo dài từ 5 - 7 ngày gây ra mưa nhỏ, vận tốc gió những ngày đầu đạt đến cấp 5 - 6 (tương đương 8m/s - 13 m/s), vận tốc gió lớn nhất ở các đảo có thể đạt tới 25m/s – 30 m/s, sau đó giảm dần (Đề tài KC09-14/16-20, 2020)

Tổng lượng mưa cả năm dao động trong khoảng 1.600 – 2.000mm nhưng phân

bố không đều theo mùa Lượng mưa cao nhất rơi vào tháng 8 - có thể đạt tới 235mm, thấp nhất vào tháng 12 - khoảng 16mm (theo số liệu thống kê tại trạm Hòn Dấu) (Vũ Duy Vĩnh, 2012)

Độ ẩm tương đối trong không khí khu vực thành phố Hải Phòng khá cao, độ ẩm trung bình năm đạt 84,2%, trong đó hai tháng 3 và 4 độ ẩm đạt tới 90,2% do ảnh hưởng của mưa phùn Hai tháng đầu mùa đông (tháng 11, 12) có độ ẩm thấp nhất, khoảng 77,5% và 77,8% Đây là thời kỳ thịnh hành thời tiết khô hanh do gió mùa đông bắc lạnh và khô mang lại (Vũ Duy Vĩnh, 2012)

1.2.3 Đặc điểm thủy văn và hải văn

 Đặc điểm thủy văn

Lượng nước của vùng châu thổ sông Hồng ảnh hưởng bởi gió mùa Tây Nam (mùa hè), xoáy thuận nhiệt đới (mùa thu) và bão (hè thu) Thời kỳ nhiều nước kéo dài từ tháng 6 đến tháng 10, dòng chảy lớn nhất trên sông Hồng xuất hiện vào tháng

3, dòng chảy nhỏ nhất xuất hiện vào tháng 3

Hàng năm, hệ thống sông Hồng- Thái Bình cung cấp khoảng 120 tỷ m3 nước và

114 triệu tấn phù sa cho vùng ven bờ Lượng vật chất này chủ yếu qua 9 cửa sông chính: Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình, Trà Lý, Ba Lạt, Ninh Cơ

và Đáy Trong đó vùng cửa sông ven biển Hải Phòng chịu tác động trực tiếp của các sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình Chế độ dòng chảy ở các sông này cũng như các sông khác thuộc hệ thống sông Hồng-Thái Bình có đặc điểm

là biến động mạnh theo mùa Phân tích từ các chuỗi số liệu nhiều năm cho thấy tải lượng nước hằng năm tập trung chủ yếu vào các tháng mùa mưa (từ tháng 6 đến tháng 9) hằng năm Trong khi đó các tháng còn lại lượng chảy hầu như rất nhỏ Trong mùa mưa, lưu lượng chảy trung bình của các sông ra biển biến đổi trong khoảng 300-2200 m3/s, trong khi các tháng mùa khô, lưu lượng nước trung bình chỉ dao động quanh giá trị 50-300 m3/s (Vũ Duy Vĩnh, 2012)

 Đặc điểm hải văn

Thủy triều: khu vực Hải Phòng có chế độ nhật triều đều thuần nhất với biên độ

triều khá cao theo đặc trưng của miền Bắc Thời gian trung bình triều dâng 11-12h, thời gian triều rút 13-14h Thông thường trong ngày xuất hiện 1 đỉnh triều (nước lớn) và một chân triều (nước ròng) Trung bình trong một tháng có 2 kỳ triều cao, mỗi chu kỳ kéo dài 11 - 13 ngày với biên độ dao động mực nước có thể đạt tới 2,0

m Trong kỳ triều thấp, tính chất nhật triều giảm đi rõ rệt, tính chất bán nhật triều tăng lên, trong ngày xuất hiện 2 đỉnh triều Hàng năm, thủy triều có biên độ lớn vào các tháng 5, 6, 7 và , 11, 12; biên độ nhỏ vào các tháng 3, 4 và 8, 9 (Đề tài KC09-14/16-20, 2020)

Dòng chảy: Chế độ dòng chảy vùng ven biển và đảo khu vực Hải Phòng rất

phức tạp, thể hiện qua mối quan hệ tương tác giữa thuỷ triều, sóng, gió, dòng chảy sông, địa hình khu vực Dòng chảy ven bờ trong khu vực là tổng hợp của các dòng chảy triều, dòng chảy sóng ven bờ, dòng chảy gió, dòng chảy sông, trong đó dòng triều có vai trò chính, quy định tính chất của dòng tổng hợp Dòng triều mang tính chất thuận nghịch, elíp triều dẹt, định hướng theo luồng, lạch, cửa sông hoặc song song với đường (Đề tài KC09-14/16-20, 2020)

Sóng: Sóng ven biển Hải Phòng chủ yếu là sóng truyền từ ngoài khơi đã bị

khúc xạ và phân tán năng lượng do ma sát đáy Trong mùa này hướng sóng thịnh hành là E và NE Độ cao sóng trung bình đạt 0,5 - 0,6 m Về mùa hè chế độ sóng gió có đặc điểm ngược lại so với mùa đông cả hướng lẫn cấp độ cao Sóng gió có hướng thịnh hành, ảnh hưởng lớn đến quá trình thuỷ thạch động lực khu vực nghiên cứu là SE và S với tần suất xuất hiện cao Đặc biệt trong các tháng 6, 7 sóng gió hướng N chiếm ưu thế gây ảnh hưởng mạnh đến xói lở bờ bãi phía bắc bán đảo Đình Vũ và đảo Cát Hải cũng như khu vực luồng tàu Độ cao sóng trung bình đạt 0,6 - 0,8 m Trong thời kỳ này thường có bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào khu vực gây sóng to, gió lớn (Đề tài KC09-14/16-20, 2020)

Nhiệt độ nước biển: Theo số liệu tại trạm Hòn Dấu từ 1960 – 2002 cho thấy,

trong các tháng mùa đông, nhiệt độ nước biển thường thấp hơn 250C, nhiệt độ trung bình thấp nhất trong năm thường xuất hiện vào tháng 2, nhiệt độ nước biển thấp nhất 13,50C (Vũ Duy Vĩnh, 2012)

Độ muối biển: Vào mùa đông, độ muối tầng mặt trên toàn vùng biển Hải

Phòng gần như đồng nhất với giá trị khoảng 31‰, từ tháng 2 đến tháng 4 độ muối đạt tới giá trị cao nhất là 32‰ Độ muối có xu thế tăng dần từ bờ ra khơi (Vũ Duy Vĩnh, 2012)

1.2.4 Đặc điểm bùn cát và biến động địa hình đáy

Bùn cát lơ lửng trong nước ở vùng cửa sông ven bờ Hải Phòng chủ yếu do sông cung cấp, ngoài ra còn do sóng khuấy đục Hàm lượng bùn cát lơ lửng trong nước ở các cửa sông từ cửa Thái Bình, Văn Úc đến cửa Cấm, Bạch Đằng vào mùa mưa có giá trị dao động trong khoảng 0,09- 0,2kg/m3 và khoảng 0,05- 0,1kg/m3 vào mùa khô Hàm lượng bùn cát lơ lửng của các cửa sông đưa ra đạt giá trị cao nhất vào lúc mực nước thấp trung bình từ 1,5-1,86 m (so với 0 mHĐ) Khi triều cường, bùn cát

lơ lửng các cửa sông đưa ra biển đã bị trung hoà điện tích hạt keo được dòng triều đưa trở lại vùng ven bờ biển Hải Phòng, bồi tụ cho bùn cát bãi triều Trung bình hàm lượng bùn cát lơ lửng của nước ven bờ biển vào lúc triều cường trong mùa mưa là 0,07-0,1kg/m3, trong mùa kiệt là 0,02-0,05kg/m3 Nhìn chung, bùn cát lơ lửng từ các cửa sông đưa ra khá cao, nhờ thuỷ triều, bùn cát lơ lửng được ngưng keo, bồi tụ để duy trì và mở rộng diện tích bãi triều (Nguyễn Văn Cư, 2008)

Bùn cát tầng mặt

Các cấp độ hạt của bùn cát ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có kích thước thay đổi từ 0,001 - 1mm, trong đó hàm lượng cấp hạt 1- 0,5mm chiếm dưới 5%, cấp hạt từ 0,25- 0,01mm chiếm 45-95%, cấp hạt nhỏ hơn 0,01mm chiếm từ 10- 45% Giá trị đường kính trung bình (Md) của bùn cát nằm trong khoảng từ 0,01- 0,17mm, hàm lượng % cấp hạt có sự biến đổi quan hệ với nhau theo chế độ động lực sông biển

- Cát nhỏ: Ngoài cửa sông bùn cát cát nhỏ phân bố chủ yếu ở đới sóng vỡ với bề mặt địa hình dương có cao độ trên 0,5 m, tạo nên các cồn cát Trong lòng dẫn sông bùn cát cát nhỏ phân bố chủ yếu dưới dạng các bãi bồi ven sông Bùn cát cát nhỏ ở đây có cấp hạt 0,25- 0,5mm chiếm 2,82%, cấp hạt 0,25- 0,1mm chiếm 83%, cấp hạt 0,1- 0,05mm chiếm 7,96%, cấp hạt 0,05- 0,01mm chiếm 5,42%, cấp hạt nhỏ hơn 0,01mm chiếm 5- 10%, giá trị Md đạt 0,17 mm, giá trị trung bình của S0 khoảng 1,34

- Cát bột: Bùn cát cát bột nằm bao quanh bùn cát cát nhỏ phân bố trên bề mặt địa hình có cao độ từ “0” m trở lên Bùn cát cát bột có hàm lượng trung bình đối với

cấp hạt 0,25- 0,1mm chiếm 31,9%, cấp hạt 0,1- 0,05mm chiếm 42%, cấp hạt 0,05- 0,01mm chiếm 12%, cấp hạt nhỏ hơn 0,01mm chiếm 19%, giá trị Md đạt 0,1mm, S0đạt giá trị 1,8

- Bột lớn: Bùn cát bột phân bố chủ yếu ở phía khuất sóng sau các cồn cát, val cát Bùn cát bột lớn có cấp hạt 0,05 - 0,01mm chiếm 24,55% cấp hạt 0,01- 0,005mm chiếm 5%, cấp hạt nhỏ hơn 0,005mm chiếm 11% Giá trị Md nằm trong khoảng 0,06mm, S0 đạt 2,7

- Bột: Bùn cát bột phân bố chủ yếu ở trong các rừng ngập mặn ven bờ ứng với

bề mặt bãi triều nằm ở cao trình trên (+1,0) m Bùn cát bột có hàm lượng cấp hạt 0,1- 0,01mm chiếm 59% (trong đó cấp hạt 0,1 -0,05mm chiếm 29,6%, cấp hạt 0,05- 0,01mm chiếm 29,3%), cấp hạt 0,01- 0,05mm chiếm 10,5%, cấp hạt nhỏ hơn 0,05mm chiếm 23%, giá trị Md đạt 0,03mm, S0 đạt 3,8

- Cát - bột - sét: Bùn cát cát bột sét trong khu vực nghiên cứu phân bố ở trong cửa sông, bùn cát này có hàm lượng cấp hạt 0,25- 0,1mm chiếm 37,5%, cấp hạt 0,1- 0,05mm chiếm 9,76%, cấp hạt 0,05- 0,01mm chiếm 12,05%, cấp hạt 0,01- 0,005mm chiếm 13,6%, cấp hạt 0,005- 0,001mm chiếm 12,28% còn lại là của cấp hạt nhỏ hơn 0,001mm, giá trị trung bình của Md = 0,03mm, S0 = 6,7

- Bột sét: Bùn cát bột sét thường gặp ở hai khu vực: sườn bờ ngầm tương ứng với độ sâu từ 3- 10 m, ở vùng bãi triều chúng nằm trên các bề mặt trũng thấp của bãi triều hoặc được phân bố ở dọc lạch triều Bùn cát này có hàm lượng cấp hạt 0,1- 0,05mm chiếm 22,49%, cấp hạt 0,05 - 0,01mm chiếm 23,67%, cấp hạt 0,01- 0,005mm chiếm 15%, cấp hạt 0,005- 0,001 mm chiếm 20% còn lại là của cấp hạt nhỏ hơn 0,001mm, giá trị trung bình của Md = 0,01mm, S0 = 4,69

Hình 1.2 Phân bố bùn cát tầng mặt khu vực Hải Phòng (Nguyễn Văn Cư, 2008)

1.2.5 Bão và một số ảnh hưởng ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng

Theo kết quả thống kê cho thấy, trong hơn 54 năm qua (từ 1960 đến 2021) có

364 cơn bão ảnh hưởng đến Việt Nam, tập trung nhiều nhất vào tháng 9 (chiếm 23%), sau đó là tháng 10 (chiếm 20%), tháng 8 và tháng 11 (đều chiếm 15%), tháng

7 (chiếm 14%) (Đề tài KC09-14/16-20, 2020) Tuy nhiên đối với từng vùng lãnh thổ thì đặc điểm ảnh hưởng của bão lại khác nhau về thời gian ảnh hưởng, tần số ảnh hưởng và cường độ gió mạnh do bão

Theo kết quả phân vùng bão, xác định nguy cơ nước dâng do bão của Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố, Hải Phòng thuộc vùng bão I - là vùng có số cơn bão

đổ bộ và ảnh hưởng nhiều nhất, chiếm 31% tổng số cơn bão đổ bộ vào nước ta hàng năm (trung bình mỗi năm Hải Phòng chịu ảnh hưởng của 3 – 5 cơn bão hoặc áp thấp nhiệt đới, trong đó có từ 1 đến 2 cơn bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ trực tiếp (Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn thành phố Hải Phòng, 2020)) Thời kỳ bão đổ bộ trực tiếp vào Hải Phòng tập trung trong các tháng 7 đến tháng 9 với tổng tần suất 78%, trong đó tháng 7 là 28%, tháng 8 là 21% và tháng 9

là 29% Cường độ bão đã ghi nhận được là cấp 15

Hình 1.3 Một số cơn bão đổ bộ và ảnh hưởng khu vực Hải Phòng và lân cận trong giai đoạn 1960 – 2020 (Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản, 2022) Theo số liệu thống kê từ Ban chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiểm cứu nạn thành phố Hải Phòng cho thấy, từ năm 1955 đến 2020, Hải Phòng đã từng bị thiệt hại nặng nề về người và tài sản do bão gây ra, điển hình như: Cơn bão Kate ngày 26/9/1955 với sức gió cấp 12, gặp triều cường gây vỡ 158 đoạn đê biển; 669 người chết; 1200 người bị thương; 12000 nhà cửa bị đổ, tốc mái; 12926ha đất canh tác bị ngập mặn; 137 tàu thuyền bị đắm; 59300m3 đê, kè bị sạt lở Cơn bão Wendy ngày 14/8/1968 có sức gió cấp 12 làm 155 người chết, 400 người bị thương; 300 nhà cửa bị đổ; 18000ha lúa bị ngập úng; 132 tàu thuyền bị đắm; 87000m3 đê kè bị sạt lở Cơn bão Sarah ngày 27/07/1977 có sức gió cấp 12, làm 48 người chết, 228 người bị thương; 1815 nhà cửa bị đổ; 48000ha ngập úng; 160000m3

đê kè bị sạt lở Cơn bão Vera ngày 18/7/1983 có sức gió cấp 12, làm 62 người chết, 98 người bị thương; 35000 ha lúa bị ngập úng; 80 tàu thuyền bị đắm; 167000m3 đê, kè bị sạt lở Bảng 1.1 Danh sách thống kê các cơn bão đổ bộ và ảnh hưởng điển hình đến khu vực nghiên cứu từ năm 1960 – 2020 (Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản, 2022)

STT Tên bão Thời gian đổ

Cấp bão

Hướng

đổ bộ

1 Faye 01/09/1963 Quảng Ninh – Hải Phòng 16 SE

STT Tên bão Thời gian đổ

Cấp bão

Hướng

đổ bộ

23 Dianmu 8/2016 Hải Phòng – Thái Bình 6 – 9 ESE

Hai cơn bão được chọn trong luận văn (cùng có tên quốc tế là Sơn Tinh: bão Sơn Tinh 2012 và bão Sơn Tinh 2018) cũng là những cơn bão có ảnh hưởng lớn đến

vùng cửa sông ven biển Hải Phòng và khu vực lân cận Trong đó, cơn bão Sơn Tinh

2012 (hay còn gọi là bão Ofel tại Philippines, bão số 8/ bão Thần Núi tại Việt Nam)

là một trong những cơn bão có sức gió mạnh nhất trong vòng 7 năm trở lại đây tại vịnh Bắc Bộ (Wunderground.com, 2012) Bão Sơn Tinh 2012 đã đổ bộ trực tiếp vào khu vực Hải Phòng ngày 29/10/2012, duy trì gió mạnh cấp 11, cấp 12 giật cấp 13, cấp 14 trong thời gian dài và gây mưa rất lớn (lượng mưa dao động từ 300mm – 350mm) gây thiệt hại nặng nề cho sản xuất và đời sống của nhân dân thành phố Hải Phòng gần 1000 tỷ đồng (Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn thành phố Hải Phòng, 2020) Tại các khu vực lân cận, cơn bão Sơn Tinh 2012 làm ít nhất 3 người chết, hàng nghìn ngôi nhà bị tốc mái, điện mất trên diện rộng Tháp truyền hình Nam Định, tháp truyền hình cao nhất miền Bắc Việt Nam bị bão quật

đổ (Báo Điện tử VnExpress, 2012) Đến 10h sáng ngày 29 tháng 10 năm 2012, thống kê sơ bộ cho thấy ít nhất đã có ba người chết, 7 người mất tích và 5 người bị thương (Báo Tuổi trẻ, 2012) 8 giờ sáng ngày 28 tháng 10 năm 2012, bão đã gây sóng biển đánh sập hoàn toàn 330m đường đê chắn sóng nối đảo Hòn Cỏ với cảng Hòn La, thuộc Khu kinh tế Hòn La, xã Quảng Đông, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình (Báo Đất Việt, 2012)

Bão Sơn Tinh 2018 hay Henri ở Philippines, là một cơn bão nhiệt đới yếu trên bán đảo Lôi Châu Trước khi đổ bộ vào Bắc Trung Bộ thuộc Việt Nam, Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) đã báo cáo rằng bão Sơn Tinh 2018 đã đạt tới cường độ cực đại với tốc độ 75 km/h (45 dặm/giờ) và áp suất trung tâm 994 hPa (29,4 inHg) Khi đổ bộ vào đất liền, bão Sơn Tinh suy yếu chậm lại và tạo vòng lặp theo chiều kim đồng hồ Bão Sơn Tinh 2018 đã gây ra lũ lụt và lở đất nghiêm trọng

ở khu vực Bắc Bộ, đặc biệt là các tỉnh Thanh Hóa và Nghệ An Bão Sơn Tinh 2018

đã làm 32 người đã thiệt mạng, hơn 5.000 ngôi nhà, 82.000 hecta cây trồng, và 17.000 động vật trang trại đã bị cuốn trôi, chìm ngập, hoặc bị phá hủy (Wikipedia, 2018)

CHƯƠNG 2 DỮ LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Dữ liệu sử dụng

2.1.1 Địa hình

Địa hình là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các điều kiện thủy động lực của mỗi khu vực nghiên cứu Số liệu độ sâu và đường bờ của khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng được số hóa từ các bản đồ địa hình UTM hệ tọa độ địa

lý VN 2000 tỷ lệ 1:50000 và 1:25 000 do Cục Đo đạc Bản đồ (Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam) xuất bản năm 2005 (Hình 2.1) Ngoài ra, địa hình trong sông được bổ sung thêm dữ liệu thực đo khoảng 5m/điểm từ đề tài “Nghiên cứu quan hệ giữa động lực hình thành các đới lắng đọng cực đại ở vùng cửa sông Cấm-Nam Triệu với hiện tượng sa bồi luồng cảng Hải Phòng” - đề tài hợp tác quốc tế VAST-IRD (Đề tài hợp tác quốc tế VAST-IRD, 2021)

Hình 2.1 Đường đẳng sâu khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng

Độ sâu và địa hình của khu vực phía ngoài và cũng như vùng vịnh Bắc Bộ sử dụng cơ sở dữ liệu GEBCO -1/8 (General Bathymetric Chart of the Ocean) của Trung tâm tư liệu Hải dương học Vương quốc Anh Đây là số liệu địa hình có độ

phân dải 0,150x0,150 được xử lý từ ảnh vệ tinh kết hợp với các số liệu đo sâu (Gebco.net, 2022)

Dữ liệu địa hình từ các nguồn khác nhau cần được xử lý và đồng bộ hóa để đưa

về định dạng mô hình sử dụng Dữ liệu độ sâu mô hình Delft 3D nhận dưới dạng cao độ hải đồ Do vậy, cần đưa các dữ liệu lục đồ (dữ liệu địa hình từ các bản đồ của Bộ Tài nguyên Môi trường và dữ liệu địa hình Gebco) về cao độ hải đồ Độ sâu

đo địa hình đáy biển được quy chiếu dựa trên độ cao của mặt biển trung bình tại trạm hải văn Hòn Dấu, trên cơ sở xác định độ cao quốc gia Hải Phòng 1972 cho trạm quan trắc thủy triều tạm thời ven bờ của khu đo bằng phương pháp thủy chuẩn hình học Trong miền tính của luận văn, do phạm vi không lớn với tính chất thủy triều đồng nhất nên luận văn sử dụng số liệu mực nước triều tại trạm Hòn Dấu để phân tích điều hòa thủy triều, từ đó hiệu chỉnh cao độ và xác định mặt chuẩn Ngoài

ra, luận văn đã sử dụng phần mềm GIS để kiểm tra hệ tọa độ của các nguồn dữ liệu

và đưa về chung định dạng mô hình yêu cầu

2.1.2 Khí tượng – thủy văn – hải văn

Nhằm phục vụ thiết lập và xây dựng mô hình toán cho khu vực nghiên cứu, trong nghiên cứu này, học viên sử dụng nhiều nguồn số liệu khác nhau để thực hiện, trong đó nguồn số liệu được sử dụng chính là nguồn số liệu thực đo và nguồn số liệu toàn cầu

Số liệu khí tượng

Các đặc trưng khí tượng có ảnh hưởng nhất định đến điều kiện động lực của khu vực Đây cũng là một trong những yếu tố góp phần quan trọng hình thành tính chất mùa của chế độ động lực ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng Trong nghiên cứu này, các số liệu gió (dạng u-v với độ phân giải 0,20

x 0,20) và áp suất (độ phân giải 0,20x 0,20) toàn Biển Đông được cập nhật từ cơ sở dữ liệu phân tích lại của mô hình khí hậu toàn cầu CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) thuộc trung tâm

dự báo môi trường NCEP (The United States National Centers for Environmental Prediction) (Saha và nnk, 2006) Đây là nguồn dữ liệu toàn cầu được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu khoa học tại Việt Nam và trên thế giới (Saha và nnk, 2014)

Theo đó, luận văn đã thu thập dữ liệu gió và áp suất các năm 2012, 2018 với tần suất 6 giờ 1 số liệu (00h – 06h – 12h – 18h UTC) để hỗ trợ xây dựng các kịch bản tính toán và thiết lập mô hình

Hình 2.2 Trường gió khu vực Biển Đông và vùng lân cân: theo các phương kinh tuyến (U10, trái) và vỹ tuyến (V10, phải) ngày 1/1/2018 lúc 00h từ dữ liệu NCEP

Lý do lựa chọn 2 cơn bão: Hai cơn bão trên đại diện cho các điều kiện đổ bộ trong các thời kỳ khác nhau cũng như các tính chất đặc trưng khác nhau Cụ thể như:

+ Về độ lớn, tính chất hai cơn bão: Cả hai cơn bão đều là xoáy thuận nhiệt đới, tuy nhiên 2 cơn bão khác nhau về độ lớn: bão Sơn 2012 được đánh giá là siêu bão với cường độ mạnh (cấp bão cấp 12, cấp 13 giật cấp 14) đổ bộ trực tiếp vào khu vực Hải Phòng có vận tốc gió cực đại 157,42 km/h, áp suất thấp nhất vùng gần tâm bão 945hPa Bão Sơn Tinh 2018 có cường độ trung bình (cấp bão cấp 5, cấp 6) với vận tốc gió cực đại 74,8 km/h, áp suất áp suất thấp nhất vùng gần tâm bão 994hPa, tuy

không đổ bộ trực tiếp vào khu vực Hải Phòng nhưng các ảnh hưởng của cơn bão như gió, khí áp, … vẫn tác động lên miền tính trong mô hình mô phỏng của luận văn Ngoài ra, các hệ quả của cơn bão như gây mưa, lũ từ thượng nguồn đổ về cũng

là một trong những lý do học viên lựa chọn cơn bão trên trong việc đánh giá ảnh hưởng của các cơn bão đến chế độ thủy động lực – vận chuyển bùn cát – biến động địa hình đáy tại khu vực Hải Phòng

+ Về thời kỳ đổ bộ của hai cơn bão: cơn bão Sơn Tinh 2012 đổ bộ vào mùa khô trong thời kỳ triều kiệt (bắt đầu từ 12h 21/10/2012 và kết thúc vào 12h 29/10/2012,

đổ bộ vào thời điểm 00h 29/10/2012); bão Sơn Tinh 2018 đổ bộ vào mùa mưa trong thời kỳ triều cường (bắt đầu từ ngày 00h 16/07/2018 và kết thúc vào ngày 18h 24/07/2018, đổ bộ vào thời điểm 18h 18/07/2018)

+ Về đường đi của hai cơn bão: bão Sơn Tinh 2012 đi dọc ven bờ biển từ miền Trung lên Hải Phòng theo hướng chủ yếu Tây Tây Bắc với tốc độ 20-25km/h; bão Sơn Tinh 2018 di chuyển chủ yếu theo hướng Tây Tây Bắc với tốc độ 35km/h, đổ

bộ vào khu vực Thanh Hóa sau đó đi ra, tiếp tục phát triển mạnh lên và dịch chuyển lên Trung Quốc

Hình 2.3 Đường đi bão Sơn Tinh 2012 (Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản, 2022)

Hình 2.4 Đường đi bão Sơn Tinh 2018 (Viện Thông tin Quốc gia Nhật Bản, 2022) Bảng 2.1 Đặc điểm 2 cơn bão Sơn Tinh 2012 và Sơn Tinh 2018 (Viện Thông tin

Quốc gia Nhật Bản, 2022)

STT Tên bão Cấp bão V max

(km/h)

P min (hPa)

V khi đổ bộ (km/h)

P khi đổ

bộ (hPa)

Số liệu thủy văn

Cho đến nay việc đo đạc đồng thời lưu lượng nước ở các của sông chính trong khu vực rất khó thực hiện, các số liệu thu thập được thiếu tính đồng bộ và hệ thống

Vì vậy ngoài các số liệu thu thập được từ các đề tài liên quan, luận văn đã thu thập

số liệu lưu lượng thực đo tại trạm trên các sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn

Úc, Thái Bình năm 2012, 2018 với tần suất 1h/lần từ Trung tâm Khí tượng thủy văn Quốc gia nhằm xây dựng các chuỗi số liệu lưu lượng nước cho các biên mở sông của mô hình

Số liệu hải văn

Thuỷ triều

Số liệu về dao động mực nước ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng được thu thập để hiệu chỉnh mô hình và cung cấp cho các điều kiện biên mở phía biển Số liệu sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định mô hình là các kết quả đo đạc mực nước (1h/lần) tại Hòn Dấu trong năm 2012 và năm 2018

Các số liệu để thiết lập biên mở phía biển của mô hình thủy động lực là các số liệu đã được phân tích thành các hằng số điều hòa thủy triều của 13 sóng triều bao gồm: M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1, MF, MM, M4, MS4, MN4 từ cơ sở dữ liệu các hằng số điều hòa thủy triều có độ phân giải không gian 0,250

x 0,250 dựa trên dữ liệu đo độ cao TOPEX/POSEIDON (Andersen, 1995) Ngoài ra, các số liệu từ các kết quả quan trắc của một số cơ quan như Trung tâm Khí tượng Thủy văn biển, Viện Tài nguyên và Môi trường biển cũng đã được thu thập làm số liệu điều kiện biên mở phía biển khu vực gần bờ

Số liệu sóng, dòng chảy

Số liệu sóng (hướng và độ cao sóng), dòng chảy (hướng và vận tốc dòng chảy tổng cộng) đo đạc tại một số vị trí khảo sát trong khu vực nghiên cứu (Đồ Sơn, Hoàng Châu) từ Đề tài KC.09.14/16-20 “Lựa chọn, phát triển và ứng dụng hệ thống

mô hình tích hợp dự báo môi trường biển quy mô khu vực” với tần suất đo 1 giờ/ 1 lần trong các đợt 22/12 – 27/12/2018 đã được thu thập xử lý để phục vụ hiệu chỉnh kiểm định độ tin cậy của mô hình thủy động lực Ngoài ra, số liệu đo đạc sóng, dòng chảy từ đề tài: “Đánh giá tải lượng và vận chuyển chất gây ô nhiễm từ thượng nguồn đến các sông lớn khu vực Hải Phòng” – đề tài cấp Thành phố; “Nghiên cứu quan hệ giữa động lực hình thành các đới lắng đọng cực đại ở vùng cửa sông Cấm-Nam Triệu với hiện tượng sa bồi luồng cảng Hải Phòng” - đề tài hợp tác quốc tế VAST-IRD với các số liệu quan trắc vào các obs 7h, 13h và 19h hằng ngày được dùng để tham khảo cho việc thiết lập mô hình lan truyền sóng vùng cửa sông ven biển Hải Phòng

Số liệu nhiệt muối

Số liệu về nhiệt độ và độ muối nước biển ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng

và vùng vịnh Bắc Bộ được thu thập từ đề tài “Đánh giá tải lượng và vận chuyển chất gây ô nhiễm từ thượng nguồn đến các sông lớn khu vực Hải Phòng” – đề tài cấp Thành phố; đề tài “Nghiên cứu quan hệ giữa động lực hình thành các đới lắng đọng cực đại ở vùng cửa sông Cấm-Nam Triệu với hiện tượng sa bồi luồng cảng Hải Phòng” - đề tài hợp tác quốc tế VAST-IRD và kết quả quan trắc, nghiên cứu

của một số đề tài, dự án có liên quan trong khu vực Ngoài ra, để sử dụng cho mô hình tính ở phía ngoài Biển Đông, số liệu từ cơ sở dữ liệu Copernicus đã được thu thập phục vụ tính toán các điều kiện biên mở phía biển

2.1.3 Bùn cát và biến động địa hình đáy

Số liệu trung bình tháng bùn cát lơ lửng ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng được thu thập từ các đề tài, dự án có liên quan như “Đánh giá tải lượng và vận chuyển chất gây ô nhiễm từ thượng nguồn đến các sông lớn khu vực Hải Phòng” –

đề tài cấp Thành phố; “Nghiên cứu quan hệ giữa động lực hình thành các đới lắng đọng cực đại ở vùng cửa sông Cấm-Nam Triệu với hiện tượng sa bồi luồng cảng Hải Phòng” - đề tài hợp tác quốc tế VAST-IRD được sử dụng cho các điều kiện biên sông (thượng nguồn các sông Bạch Đằng, Trà Lý, Thái Bình, Văn Úc, Lạch Tray) năm 2012 và 2018

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Có nhiều mô hình có khả năng mô phỏng/tính toán các quá trình thủy động lực như mô hình số trị POM, ROMS, Delft3D, SuWAT, SWAN, MIKE, … Trong đó,

mô hình Delft3D được sử dụng nhiều trên thế giới và tại Việt Nam Mô hình Delft3D là một chương trình mô phỏng 2D hoặc 3D do Viện Thủy lực Delft (Delft Hydraulics) của Hà Lan nghiên cứu phát triển Mô hình này gồm các module chính như: thủy động lực (Delft3D-Flow), sóng (Delft3D-Wave), chất lượng nước (Delft3D-Waq), lan truyền (Delft3D-Part), sinh thái học (Delft3D-Eco), vận chuyển bùn cát (Delft3D-Sed) và địa hình đáy (Delft3D-Mor) Với các tính năng và ưu điểm của mình, Delft3D có thể được sử dụng để mô phỏng- dự báo thủy động lực, sóng, chất lượng nước, lan truyền chất gây ô nhiễm, vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình đáy ở các vùng cửa sông, vùng ven biển và biển khơi

Trong khuôn khổ luận văn, các đối tượng nghiên cứu chủ yếu như thủy động lực, lan truyền bùn cát lơ lửng, biến động địa hình đáy được mô hình hóa bằng mô hình thủy động lực, mô hình vận chuyển bùn cát lơ lửng và biến động đáy trên cơ sở

mô hình Delft3D với kiểu tính toán kết hợp đồng thời (onlile –coupling) nhằm đánh