Xây dựng cơ sở dữ liệu không gian các hằng số điều hòa thủy triều cho vùng biển vịnh Bắc bộ

N hững kết qua chính: - Tổng quan, thu thập quỹ số liệu phong phú về mực nước quan trắc ờ các trạm ven bò' và hai đào, đặc khu trên biển trong đó 128 trạm mực nước từng giờ trong nhiều

DẠI Ỉ-IỌC QUỐC GIA\ HÀ MỘI TRƯỜNG 1>ẠI HỌC KHOA\ HỌC rự NHIÊN

- TS Nguyễn Minh Huấn, Trường Đại học Khoa học T ự nhiê n

- ThS Phạm Văn Vy Trường Đại học Khoa học T ự nhiên

- PGS TS Nguyền Thọ Sáo Trường Đại học Khoa học T ự nhiên

- NCS Hoàng Trung Thành, Trung tâm Hài văn

ĐAI HỌC QUÔC GIA HÁ NỘI

HÀ NỘI, T H Á N G 1 - 2 0 1 0

MỤC LỤC

Chưong 1 Thu thập số liệu m ực nước và hoàn thiện p hư ơng pháp phân tích thủy 11

triều ở biển Đ ông

1.2 Xây dưng sơ đồ chi tiết phân tích điều hòa và dự tính thủy triều 16

1.2.2 Chương trình phân tích và một số kết quà thử nghiệm 21

Chưong 2 Tính phân bố không gian của thủy triều vịnh Bắc Bộ 27

2.3 Úng dụng A D C IR C tính lan truyền triều vịnh Bắc Bộ 31

Chương 3 C ơ sở dữ liệu hằng số điều hòa thủy triều vịnh Bắc Bộ 34

3.3 Đánh giá độ tin cậy cùa cơ sở dữ liệu hằng số điều hòa thủy triều vịnh Bắc Bộ 34

P h ụ lục 1 Hằng số điều hòa thủy triều theo dữ liệu lịch sử 47

P hụ lục 2 Hằng số điều hòa thủy triều tại biên lỏng Quỳnh Châu và cửa vịnh Bắc Bộ 48

8

THÔNG TIN CHUNG VÈ ĐÈ TÀI

1 TH Ô N G T IN C H U N G VÈ ĐÈ TÀI

1.1 Tên đề tài: X ây dự ng cơ sở dữ liệu không gian các hằng số điều hòa thủy triêu cho vùng biển vịnh B ắc Bộ

Mã số: ỌG-Ỏ8-11

1.2 Chù nhiệm đề tài: PGS TS Phạm Văn Huân

1.3 Đơn vị chù trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

1.4 Danh sách cán bộ tham gia chính (tên, học vị, chức danh, đơn vị công tác):

- TS Nguyễn Minh Huấn, Trường Đại học Khoa học T ự nhiên

- ThS Phạm Văn Vỵ, Trường Đại học Khoa học T ự nhiên

- PGS TS N guyễn Thọ Sáo, Trường Đại học Khoa học T ự nhiên

- NCS Hoàng Trung Thành, Trung tâm Hài văn

1.5 Thời gian thực hiện đã được phê duyệt: 1/2008-1/2010

1.6 Thời gian kết thúc thực tế (thời điêm nộp báo cáo kêt quà): 1 -2010

II KÉT Q UẢ T H Ự C H IỆN Đ È TÀI

1 Kết quả nghiên cứu:

Đ ề tài đ ã hoàn thành m ục tiêu: Có được cơ sở dữ liệu không gian về các hằng số điều

hòa cùa các sóng thủy triều cho vùng biển vịnh Bắc Bộ với độ phân giải 2 'x 2 ' kinh, vĩ độ phục vụ cho nhiều bài toán nghiên cứu và thực tế Yêu câu dữ liệu đó phải tưong đôi dày đặc tối đa có thê và đù tin cậy đề phục các bài toán mô hình hóa sô cho các phụ vùng kích thước khác nhau thuộc vịnh Bắc Bộ

N hững kết qua chính:

- Tổng quan, thu thập quỹ số liệu phong phú về mực nước quan trắc ờ các trạm ven bò'

và hai đào, đặc khu trên biển (trong đó 128 trạm mực nước từng giờ trong nhiều năm), các bộ hằng số điều hòa thủy triều vùng biển Đông (tổng cộng 148 trạm);

- Khai thác được mô hình số mô phỏng thủy triều để nội suy thủy động lực phân bô thùy triều (các hàng số điều hòa) trên toàn vùng biển vịnh Bắc Bộ T ừ đó lập cơ sở dữ liệu về hàng

số điều hòa đầy đù cho vùng biển này phục vụ các bài toán thực tế;

- Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp phân tích điều hòa và dự tính mực nước thủy triều chi tiết, xây dựng các chương trình máy tính tương ứng, các thủ tục truy vấn thông tin về hàng số điều hòa thủy triều, dự tính ra mực nước thùy triều theo định hướng phục vụ thực tế

Ý nghĩa khoa học: Các phương pháp và chương trình đã xây dựng góp phần hoàn thiện lĩnh vực nghiên cứu thủy triều ở nước ta

Ý nghĩa thực tiễn và khả năng ứng dụng kết quà khoa học: phục vụ trực tiếp cho các đề tài dự án thực tế trong tương lai

2 Các sản phấm khoa học:

Các bài báo đ ã cô n g bo trên các tạp chí khoa h ọ c :

- Phạm Văn Huấn, Hoàng Trung Thành S ơ đ ồ chi tiế t ph ân tích điều hòa thủy triều Tạp chí

BÁO CÁO TÓNG KÉT IfflO A HỌC CÔNG NGHỆ

ĐÈ TÀI

XÁY DỰNG C ơ SỞ Dữ LIỆU KHÔNG GIAN CÁC HẰNGì SÓ ĐIỀU HÒA THỦY TRIỀU CHO VÙNG BIỀN VỊNH BẮC Bộ

M ở đầu

Dữ liệu về hàng số điều hòa thủy triều là thông tin cơ bán cúa nhiều tính toán khoa học và thực

tiễn Các mỏ hình số để mô phòng hoàn lưu vùng biến, truyền triều và lũ trong sông đòi hói thông tin

về hằng số điều hòa tại các điểm ven bờ và cừa sông như là đầu vào.

Từ nhiều năm nay, dọc theo bờ biển nước ta đã thiết lập một hệ thống các trạm khí tượng thủy

vãn ven bờ, trong đó có trạm đo mực nước liên tục theo các khoáng thời gian kéo dài từ nhiều tháng

đến nhiều năm Trên cơ sờ các chuỗi số liệu này người ta phân tích, tính toán các đặc trưng của chế độ thuy triều như mực nước trung bình, mực nước cực trị, thời gian triều dâng, triều rút, các hang số điều

hòa thuy triều cho từng trạm đo đạc Một trong những thành quả theo hướng này là việc lập ra các

báng thủy triều hàng năm cho các càng chính ven bờ và một số giá trị nội suy cho các điểm phụ ớ ven

biến và hạ lưu các sông, số trạm như vậy không nhiều

Hướng nghiên cứu sử dụng mô hình số trị giải hệ phương trình thủy động lực hai chiều được

bat đầu muộn hơn so với hướng thứ nhất, nhưng phát triến mạnh mẽ, đặc biệt trong những năm gần

Những thành tựu đáng kế nhất theo hướng này đối với biến Đ ông là các công trình của Sergeev (1964), Nguyễn N g ọ c Thụy (1969), Đặng Công Minh (1975) Các công trình này sứ dụng hệ phương trình tuyến tính dạng eliptic, loại bỏ biến thời gian, bài toán có nghiệm duy nhất khi biết điều kiện dao dộng mực nước trên biên bao quanh miền nghiên cứu Phương pháp số trị khác đế giái bài toán phân

bố không gian cùa thúy triều là dựa trên hệ phương trinh thủy động lực phi tuyến hypecbolic với điều kiện biên hỗn hợp: dao động mực nước trên biên lỏng và điều kiện không thấm ớ biên cứng Theo hướng này có thế kê tên hàng loạt các công trình của các tác già như Ye và Robinxon (1983), Li và Chen (1987), nhóm tác giá mô hình triều thuộc đề tài nhà nước K.T.03.03 (1991-1995) (Đỗ Ngọc Quỳnh, Nguyễn Thị Việt Liên, Đặng Công Minh, Nguyễn Hữu Nhân, Bùi Hồng Long, Lê Trọng Đào, Nguyễn Thọ Sáo) [5]

Một hướng phát triên trong thời gian gần đây là việc sử dụng các kết quả đo đạc cao độ từ vệ

tinh theo các tuyến bao phú toàn bộ diện tích vùng biến để phân tích các hằng số điều hòa kết hợp với các tài liệu quan trẩc tại các trạm ven bờ đê hiệu chinh và đã nhận được các bán đồ phân bố hằng số điều hòa cho toàn khu vực biên Đ ông (Yanagi và nnk, 1997).

Tuy nhiên cho đến nay, cơ sớ dữ liệu và bán đồ số cúa các hàng số điều hòa thúy triều phân bố trong không gian ca vùng ven bờ và ngoài khơi cho các khu vực trong biển Đ ông thuộc lãnh hải nước

ta và các nước lân cận trong đó có vịnh Bắc Bộ chưa được xây dựng, đặc biệt là các công cụ truy vấn ứng dụng thuận tiện chưa có.

Vì vậy việc chọn đê tài "Xày d im e c ơ s ơ dữ liệu không %ian các hằrtọ, so điều hòa rluiy triều cho vi/nạ biên vịnh Bắc Bộ" mang tính ứng dụng thực tiễn cao phục vụ thiết thực cho các hoạt động về

hàng hái, khai thác nguồn lợi, xây dựng và bảo vệ các công trình bờ Yêu cầu dũ' liệu đó phai tương đối dày đặc tối đa có thế và đú tin cậy đế phục các bài toán mô hình hóa số cho các phụ vùng kích thước khác nhau thuộc vịnh Bắc Bộ.

10

Chương 1 T H U T H Ậ P SÓ LIỆU Mực NƯ Ớ C VÀ H O À N T H IỆ N PH Ư Ơ N G PHÁP

PH Â N T ÍC H T H ỦY TRIÈU Ở BIÊN Đ Ô N G

T ừ sự phân tích khái quát những công trình cơ bàn về thủy triều của các tác giả nghiên cứu tình hình dao động mực nước ở biển Đông, chúng tôi rút ra những vấn đề sau có thể cần được phát triển hơn nữa trong đề tài này:

- Vấn đề về chế độ biến động mực nước biển ở vùng ven biển và thềm lục địa, chủ yếu ó' các càng chính và vùng hoạt động kinh tế kỹ thuật sôi động, bao gồm việc tính toán các đặc trưng thống kê tin cậy cùa chế độ dao động mực nước Muốn giải quyết tốt vấn đề này cần thu thập đầy đù các số liệu quan trắc mực nước biển, phân tích bằng phương tiện hoàn thiện và chi tiết Mục tiêu cuối cùng là cung cấp thông tin thủy triều cho các nhiệm vụ nghiên cứu và các dự án thực tế liên quan tói thủy triều trong vùng biến

- Hoàn thiện các phương pháp phân tích và dự tính mực nước thủy triều, tăng độ chính

xác cua các hằng số điều hòa thúy triều, tăng số lượng các sóng điều hòa thùy triều trong các phương trình dự báo mực nước thủy triều Với việc tăng độ chính xác và số lưọng các sóng phân tích, có thể giải quyết tốt hơn những tính toán thực tiễn như tính mực nước cực trị, mực nước thâp nhất lý thuyết cùa trạm, những bài toán nội ngoại suy mực nước cựac trị giữa các

- Chính xác hóa và chi tiết hóa các bán đồ triều, ke cà các bản đồ dòng triều, bàng con đường tận dụng khả năng ngày càng lớn cùa máy tính, các mô hình số mói cùa thế giói để tăng giói hạn miền tính, làm chi tiết lưới tính, xấp xỉ biên sát thực hơn và cụ thể hóa các phép

tham số hóa.

Trong chương này giới thiệu những nghiên cứu cùa đề tài góp phần vào những vấn đề

nói trên.

1.1 Ket quả thu thập số liệu mực nước quan trắc

Trong 2 năm thực hiện đề tài đã thu thập đưẹrc quỹ số liệu khá phong phú về mực nước quan trắc tại các trạm dọc bờ và hài đảo thuộc vịnh Bắc Bộ nói riêng và toàn biên Đông nói chung Bảng 1.1 thống kê những trạm chính đã thu thập số liệu quan trắc mực nuủc (trung bình, tối cao, tối thấp tháng và năm) (bàng 1.1.a) và từng giò' (bàng 1.1.b) trong thòi gian dài nhiều nãm gồm 128 điếm ven bò' biền Việt Nam và hải đào

Quỹ số liệu này rất quý giá đối với nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng Đặc biệt trong thời kỳ đất nưóc ta triền khai nhiều nhiệm vụ khảo sát, thiết kê xây dựng các công trình ven biển, trên biển và các hoạt động sàn xuất nông nghiệp, thủy lợi, khai thác tài nguyên thềm

lục địa, nuôi tròng thủ y sàn v e n biển và du lịch.

Các chuồi mực nưóc từng giò’ trong nhiều năm đã được sử dụng đế phân tích điều hòa

thúy triều tạo ra n h ữ n g bộ hằng số điều hòa đầy đù tới từ 11 đ ến 114 phân triều theo SO' đồ do

chúng tôi xây dựng sẽ giói thiệu ơ mục 1.2 (xem báng 1.1.b) Trong khi trưóc đây phần lớn

những trạm chì có bộ hàng số điều hòa nghèo nàn gồm 4 phân triều (phụ lục 1).

Trong đề tài này đã thực hiện phân tích điều hòa thủy triều theo sơ đồ chi tiết giới thiệu

ở mục 1.2 để nhận được những bộ hằng số điều hòa đầy đủ và tin cậy tới 114 phân triều đối với các chuỗi quan trắc nhiều năm và 11 phân triều đối với các chuồi ngắn một số ngày để phục vụ cho chính đề tài và sừ dụng trong tương lai

Banẹ 1.1 a - Các trạm thu thập số liệu mực nước biến (giá trị tháng và năm)

Bàng 1.1 b - Các trạm thu thập số liệu mực nưóc biến (giá trị từng giò)

và đã phân tích điều hòa thủy triều

13

B àng 1.1 b (tiếp)

14

Bảng 1.1 b (tiếp)

15

B àng 1.1 b (tiếp)

1.2 Xây dựng sơ đồ chi tiết phân tích điều hòa và dự tính thủy triều

Đến nay ở nước ta có nhiều khả năng thu thập những chuỗi quan trắc mực nước biến có

độ dài nhiều chục năm tại những trạm khí tượng hải văn ven bờ và hải đào Từ những chuồi mực nước đó có thể phân tích để thu được bộ các hằng số điều hòa thúy triều với nhiều phân triều hơn đồng thòi tăng độ chính xác cùa các hằng số điều hòa để phục vụ dự tính thúy triều tốt hơn và nhiều bài toán nghiên cứu và tính toán ứng dụng khác về mực nước và dòng chảy trong biền Ngược lại, thực tể điều tra khảo sát tìm kiếm tại các đ iể m ngoài khơi và ven bò' thường cho những chuỗi quan trắc mực nước và dòng chảy ngắn một số ngày do điều kiện quan trắc khó khăn và tốn kém hoặc những gián đoạn bất thường trong công việc kháo sát trên biên Được biết, những p h ư ơ n g pháp phân tích truyền thống và phô biến hiện nay thường kèm theo những quy định khắt khe về độ dài chuỗi, tính liên tục cúa chuồi và độ phân giải về thòi gian cùa quan trắc, đôi khi làm cho số liệu quan trẳc trở thành vô dụng Chúng tôi thử nghiệm xây dựng một chương trình máy tính phân tích điều hòa bằng phương pháp bình phưong nhỏ nhất với một sơ đồ phân tích chi tiết, mềm dẻo, phân tích được những chuỗi quan

trắc liên tục dài cỡ nhiều chục năm với mục đích thu được nhiều phân triều chính xác, tin cậy, đồng thòi phân tích đưọc những chuỗi ngắn, không liên tục về thời gian quan trắc, độ phân giai (bước gián đoạn thòi gian) khác nhau Trong mục 1.2.1 sẽ tóm tắt về bản chất lý thuyết của phương pháp, phân tích các chi tiết chứng tỏ những ưu việt cùa sơ đồ phân tích cùa chương trình Mục 1.2.2 giới thiệu về chưong trình máy tính xây dựng trên sơ đồ này và kết quả thừ nghiệm phân tích để chứng minh tính hiệu quà cùa chưong trinh thông qua so sánh kết quá phân tích các chuỗi dòng chảy độ dài khác nhau, thông báo về bộ hàng số điều hòa thúy triều phân tích được cho các càng chính cùa Việt Nam với chuỗi số liệu đầy đủ nhất

1.2.1 G iói thiệu tóm tắt về phương pháp

Phân tích điều hòa thủy triều dựa trên những phương pháp truyền thống do các nhà hái dương học kinh điển thế giới đề xuất có tính đến đặc điếm về chu kỳ cùa các dao động thùy triều và tập quán quan trắc mực nước liên tục từng giò' một trong ngày tại các cảng biển (xem [3]) Các phần mềm phân tích thúy triều hiện đại trên thế giới, kể cả những phầm mềm chính thức dùng tại các trung tâm mực nước đại dưong quốc tế (xem tổng quan trong [7]) hiện nay đều dựa trên phương pháp bình phương nhỏ nhất, cho phép phân tích ra bộ hằng số điều hòa đến nhiều chục phân triều tùy thuộc vào độ dài chuỗi mực nước quan trắc liên tục từng giờ trong thòi kỳ một hoặc hai năm Bài báo [1] có thể xem là một trong nhũng thông báo sớm nhất về áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất vào phân tích điều hòa thuy triều ở Việt

N am T u y nhiên, SO' đ ồ tính toán nằm trong CO' sở cùa tất c ả c á c c h ư o n g trình phân tích nói

trên không có gì đổi mới về nguyên tắc so với các phương pháp phân tích truyền thống

16

Độ cao mực nước thủy triều z tại thời điểm bất kỳ I là tồng cùa các dao động triều

thành phần (gọi là các phân triều hay các sóng triều):

/ = l

trong đó: -Au- đ ộ c a o m ự c n ư ớc trung bình, / - hệ số su y biến biên đ ộ cù a phân triều i , H, -

hàng số điều hòa biên độ cùa phân triều i , q ,- tốc độ góc không đổi của phân triều /,

(/;,+«) - những phần pha thiên văn cùa phân triều ; biểu diễn các góc giò' cúa những tinh tú

giả định tại thời điểm t , g , - hằng số điều hòa về pha cùa phân triều /■, r - số lượng các phân

triều / và + u) phụ thuộc thời gian t Khi có n độ cao mực nước quan trắc - , nhiệm vụ

cùa phân tích thủy triều là xác định bộ gồm r cặp hằng số điều hòa không đổi H và g cho

từng phân triều cùa trạm nghiên cứu

Để thuận tiện áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất, người ta thường biến đối phương trình (1.1) thành

/= l

trong đó

ị = / , / y , c os [g , - ( ! ' „ + « ) , ] , 5 , = J',H, s i n [ g , - ( / ; , + ! / ) , ] ( 1 3 )

Biết mực nước tại n giờ, người ta có n phương trình đại số dạng (2) đối với các ẩn số

.4 và B để giải bàng p h ư ơ n g pháp bình p hư ơn g nhỏ nhất T ừ m ỗi cặ p ẩn A và B, tìm được

Nhược điểm cơ bản cua các phương trình dạng (1.2) là những đại lượng thiên văn biến

thiên với thòi gian / và (('„ +11 ) cùa mỗi dao động thành phần i đã bị xem là không đổi trong

thời gian quan trắc và bị đưa vào trong các ẩn số của các phưong trình, do đó tùng phương

trình ờ dạng ( 1 2 ) trỏ' thành k h ôn g chính xác, bỏ'i vì trong thực tế m ỗ i dao đ ộ n g phân triều ở

công thức (1.1) là một dao động điều biến biên độ, / biến đồi vói thời gian và phần phụ pha

(i;, + N)cũng biến đồi với thòi gian một cách đáng kề Khi tính H và g theo các công thức

(1.4) người ta phái dùng giá trị trung bình cùa /; tại thời điểm giữa thòi kỳ quan trắc và giá trị cua (I'„ + !/), tại thòi điểm đầu thòi kỳ quan trắc Điều này lại gây nên những mâu thuẫn kỹ thuật như: chuỗi quan trắc càng dài thì sai số càng tăng, chuỗi không liên tục (ví dụ 2 năm quan trắc không kế tiếp, m à cách xa nhau) thì không thể có thời điểm giữa quan trắc

Các chưong trình phân tích điều hòa thủy triều bằng phương pháp bình phương nhò

nhất hiện nay xuất phát từ c ô n g thức (1 2 ) và m ang n h ữ n g n h ư ợ c đ iể m CO' bản n hư vậy.

17

TRUNG TẦM ĨHÓNG TIN THƯ VIÊN

0 0 0 6 0 0 0 0 0 6 2 ,

Trong sơ đồ phân tích cùa chương trình do chúng tôi xây dựng, phương trình độ cao mực nước triều (1.1) đã được biến đổi theo một kiểu khác, do Peresipkin [8] đề xuất, cho

phép tính tới sự biến đổi của các đại lượng thiên văn / và {V„ + u) với thời gian Nếu nhóm

riêng biệt các đại lượng biến thiên với thời gian và không biến thiên với thời gian bằng các ký

a, = / cos[<7 ,í + ((/„ +!/),] b, =/sin[ợ,r + (K,, + !/),] ^

.V, = H ỉ COS g , }' = /y, sin g ,

phương trình độ cao mực nước (1.1) trở thành:

/ = l

Thấy rằng những đại lượng không phụ thuộc thời gian bây giờ nằm trong các ẩn số X

và ) Còn những đại lượng phụ thuộc thời gian nằm trong các hệ số a, và b, của mỗi phương

trình, do đ ó ch ú n g đ ư ợ c tính đ ến đầy đù khi lập ra hệ n p h ư ơ n g trình ứ n g v ó i n đ ộ c a o mực

nước quan trắc tại những thời điềm khác nhau Vì vậy gọi là sơ đồ chi tiết Giải những

phương trình này bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất, tìm được các ẩn số Ạ„ x„ >;, từ

Điều kiện cực tiếu này sẽ cho một hệ gồm 2/- + 1 phương trình đại số tuyến tính (hệ

phương trình ch ín h tắc), trong đó r - số các phân triều đ ư ọ c phân tích (từ phân triều A/; đến

phân triều cuối cùng được quy ước ký hiệu là w ):

K / : 1 [flA/,ứW, ] K / A / , ] [«A/; ữ.s, ] \aM,b„.] •v »; K , : -]

[bMi ] k u A / J [b,ụbh,Ạ [bMl 0.V, ] [bMlbw\ • = [**/, ]

O' dày ký hiệu [ ] dùng đề chì phép lấy tống theo thời gian từ í, đến I

Rõ ràng SO' đồ chi tiết khắc phục đưọc những nhược điểm của các phương pháp phân tích truyên thông Thực tê các đại lượng / và (l'„ + ;/), do đó các hệ số a và í , trono SO' đồ này có thê tính chi tiết, ti mi ứng với từng thời điềm quan trắc độ cao mực nưóc Độ cao

mực nước r có thể lấy tại thời điểm bất kỳ Ta có thể ghép các độ cao mực nước quan trắc lè

tè ở các năm tháng khác nhau thành một chuỗi để phân tích, do đó làm tăng số phương trình dạng (1.6), tăng độ chính xác phân tích Ưu điểm này đặc biệt quan trọng đối với quan trắc dòng chảy; dòng chảy thường khó quan trắc dài ngày, nhưng được ghi với bưóc thòi gian khác nhau, thường bé hơn một giờ, một điểm trên biển có thể có vài lần quan trắc dòng chày vào các năm khác nhau, nếu ghép tất cà các số đo lại với nhau ta được nhiều phưong trình dạng (1.6), tức tận dụng được thông tin

Khi tính các hằng số điều hòa đối với những chuỗi quá ngắn, không đù để tách những

phân triều chính, thì m ột số phân triều có thể được xác định gần đúng dựa trên CO' sở các mối

quan hệ lý thuyết giữa các phân triều có tần số (hay chu kỳ) gần bằng nhau

Trong mỗi cặp các phân triều với tần số dao động gần nhau ( K 2- S 2, Pt - K t , 0 , - 0 , ,

,v; - A/,) mà để tách được chúng đáng lẽ cần phải có chuỗi quan trắc đù dài, ta có thể biểu

diễn một phân triều (ít quan trọng hơn) theo các yếu tố cùa phân triều kia xuất phát từ những

mối quan hệ lý thuyết giữa chúng N hư vậy, tùy thuộc vào độ dài quan trắc có thề biểu diễn được từ một đến bốn phân triều và kết quả là số ẩn trong hệ các phương trình (1.6) sẽ giàm đi

2, 4, 6 hoặc 8 ẩn Khi thay thế tất cả bốn phân triều (gọi là “ phương án 1”) độ dài chuỗi quan

trắc theo điều kiện tách phân triều n> 360 phải không ít hơn 15 ngày, khi thay thế các phân

triều trong hai cặp K2 - S 2 và Pị - K, (“ phương án 2”) - độ dài chuỗi không ít hon 30 Trong

trường hợp đầu c ó thể phân tích c á c hằng số điều hòa củ a 10 phân triều CO' bản ( A / , , S , , K 2,

,v,, K, , ỡ , , pt , ổ , , M4, Mb), trong trường hợp thứ hai - 11 phân triều (tính thêm được phân triều MS,) Trên thực tế với những chuỗi quan trắc ngắn hơn nữa vẫn nhận được những kết

quà đù thoà mãn [8],

Những quan hệ lý thuyết giữa các hàng số điều hòa cùa các phân triều với tần số gần

nhau dựa trên n hữ n g lập luận sau [8]: Tỉ số của các biên độ trung bình cu a c á c phân triều được ch ấp nhận bằng ti số của c á c hệ số trung bình cù a c á c phân triều đ ó trong khai triền

chuỗi hàm thế vị lực tạo triều Các hằng số điều hòa về pha cùa các phân triều tần số gần nhau chấp nhận là bằng nhau:

HK , = - S k , = S s ^ h , , = \ h k g , = g ,

Họ, = T - gọ, = go, - H V; = ị H U: g V; = gA,: (1.8)Vói những quan hệ này, phương trình độ cao thủy triều dạng (1.6) gồm 11 phân triều có thẻ viết lại cụ thê như sau:

Việc giải hệ các phương trinh (9) được thực hiện theo phương pháp bình phương nhỏ

nhất Những hằng số điều hòa của các phân triều K2, pt , Q, và N 2 được tính theo các côngthức (1.8) Khi thay thế các hằng số điều hòa ít hơn bốn cặp phân triều (ví dụ khi xử lý theo

phương án 2), những hệ số a và b của các phân triều nào không sử dụng các quan hệ (8) thì

vẫn được tính bình thường theo các công thức (1.5) Các hệ số của các phân triều nước nông

( «w , bu bM ) cũng được tính bàng cách như vậy.

Đối với các hằng số điều hòa về pha, thay vì các công thức trong (1.8) còn có thể sử dụng những quan hệ kinh nghiệm sau đây:

Những quan hệ này dựa trên những già thiết xuất phát từ kinh nghiệm quan trắc thực tiễn rằng tì số giữa các hiệu các góc vị của những phân triều gần nhau về tần số xấp xỉ tương ứng với ti số các hiệu vận tốc góc cùa chúng (xem thêm [2, 3])

Ta biến đổi công thức (10) cho các phân triều N 2 và Q, :

và viết lại biểu thức độ cao thủy triều tại thời điểm t có tính tới những quan hệ biên độ (1.8)

Việc giải hệ phương trình (1.12) được thực hiện theo phương pháp bình phương nhò

nhất bằng những b ư ớc xấp xỉ liên tiếp Trong bước xấp xỉ thứ nhất c á c hiệu những g ó c vị a

có thể ch ấp nhận b ằng k h ô n g h oặc bằng trị số trung bình cù a c h ú n g ( ơ , = 4 3 ° , « : = 20°) Trong

mồi bước xấp xi tiếp theo chúng được biểu diễn qua các góc vị g U:, g S:, g K và gơi nhận

được từ phép xấp xi trước đó Thông thường có thể chỉ cần giới hạn ò’ lần xấp xỉ thư hai

Những biên độ cúa các phân triều K2, \ 2, p] và 0, được tính theo các công thức (1.8), những

góc vị - theo các c ô n g thức ( 1 1 0 ) và (1.11).

Khi sự thay thế các hằng số điều hòa thực hiện với ít hơn bốn cặp phân triều, những hệ

số a và b cùa những phân triều nào không cần sử dụng các quan hệ (1.8) và (1.10) sẽ được

tính như những hệ số cùa các phân triều nước nông bình thường theo các công thức (1.5)

1.2.2 C hư ơng trình phân tích và một số kết quả thử nghiệm

Chương trình lập theo sơ đồ đã trình bày có thể thực hiện hai chức năng phân tích

chính: tính ra bộ hằng số điều hòa thủy triều từ 30 phân triều đến 114 phân triều áp dụng cho

những trạm mực nước quan trắc từng giờ liên tục từ một năm tới nhiều chục năm; tính ra bộ hằng số điều hòa thủy triều hoặc dòng triều gồm 11 sóng áp dụng đối với các chuỗi quan trắc mực nước hoặc dòng chảy ngan hạn Ngoài ra, chương trình còn có những mô đun tiện ích khác như trợ giúp nhập lưu số liệu thành định dạng quy ước, kiểm tra dừ liệu, chuyên dữ liệu mực nước sang định dạng cùa các trung tâm mực nước quốc tể, phân tích kiểm tra, dự tính mực nước, lập bàng thủy triều, tính toán các độ cao thúy triều cực trị, quàn lý các bộ hằng số điều hòa cùa hệ thống trạm mực nước Việt Nam phân tích th ố n g kê nước dâng rút trên CO' sò'

21

sô liệu mực nước quan trăc (xem các mục chọn cùa chương trình ờ hình 1.1).

Bàng 1.2 liệt kê kết quả phân tích hằng số điều hòa thủy triều cho một số trạm quan trọng có độ dài chuỗi quan trắc mực nước khác nhau, s ố phân triều tối đa đối với trạm một năm bằng 68, đối với trạm nhiều năm bằng 114 Sai sổ bình phương trung bình thực nghiệm cùa dự tính thủy triều chi còn khoảng 10 cm, nhỏ hơn đáng kể so với dự tính theo chương trình SLPRC cùa Trung tâm nghiên cứu mực nước Hawai [3-5, 8], Kiểm tra cho thấy dự tính theo các bộ hằng số điều hòa nhận được bằng sơ đồ phân tích chi tiết luôn rất trùng họp về pha dao động Hơn nữa, xem xét tỉ mỉ những chênh lệch độ cao mực nước dự tính và mực nước thực đo cho thấy sai số rất nhò đó chỉ là do các nguyên nhân phi triều như dâng rút mực nưóc do gió trong những đợt gió mùa mạnh và ổn định, không phải do sai số cùa bộ hàng số điều hòa đã tính được

Thí nghiệm đối với những chuỗi mực nước hoặc dòng chảy ngắn cho thấy bất kể điều kiện tách phân triều về mặt lý thuyết, chương trình có thể phân tích ra những bộ hàng số điều hòa của ] 1 phân triều chính trong điều kiện độ dài quan trắc mực nước hoặc dòng chay dưới

10 ngày Có những chuỗi dòng chảy khoảng 5 ngày vẫn có thể cho bộ hằng số điều hòa khả dĩ tin cậy đưọc Trên hình 1.2 so sánh dòng chảy quan trắc và dự tính theo bộ hang số điều hòa

11 sóng triều nhận được từ chuỗi quan trắc từng giờ liên tục tại Bạch Hổ các ngày 1-9/1/1990

Create Hourly Level Data File

Harmonic Analysis o f Annual Level Series

Control Tide Prediction

Tide Prediction (Tidal Table)

Find Extremal Levels o f a Station

Plot Control-predicted Level Curves

Analysis for Short Series o f Level

Display Harmonic Constants o f a Station

Sequence Plot o f Raw Series o f Level

Analysis for Short Current Series

Tidal Current EUipeses Plots

Surges Statistical Analysis

Terminate Programme

Hình 1.1 Các mục chọn của chưong trình phân

tích điều hòa thủy triều và mực nưó'c

Chương trình phân tích điều hòa theo SO’ đồ chi tiết mó’ rộng khà năng phân tích đối vói nhiều loại chuỗi quan trắc, khẳc phục được những nhưọc điểm CO' ban của các SO' đồ truvền thống Việc tính đến sự biến thiên cùa các tham số thiên văn ứng với từng thời điểm ghi độ cao mực nước hay dòng chày làm tăng độ chính xác cùa phân tích và tận dụng thông tin quan trắc Trong thực tế có thể tận dụng các chuỗi quan trắc mực nước, dòng chảy với độ dài dưới muời ngày để nhận được những bộ hằng số điều hòa thủy triều hoặc dòng triều rút gọn với độ tin cậy và độ chính xác đáp ứng thực tiễn khảo sát tìm kiểm N hững bộ hàng số điều hòa thùy triều đầy đù nhận được từ những chuỗi mực nước nhiều năm có thể dùng tham khảo trong nghiên cứu khoa học và nhiều tính toán thực tiễn quan trọng (xem [6])

22

Bang 1.2 Hằng số điều hòa thủy triều của một sổ chuỗi mực nước năm và nhiều năm

C hương 2 T ÍN H PH ÂN BỐ K H Ô NG G IA N C Ủ A T H Ủ Y TRIÈƯ

VỊNH BẮC B ộ

Từ nhiều năm nay dọc theo bờ biển nước ta đã thiết lập một hệ thống các trạm khí tượng thủy văn ven bờ trong đó có trạm đo mực nước thủy triều với các số liệu đo đạc liên tục dao động mực nước biển theo các khoảng thời gian kéo dài từ nhiều tháng đến nhiều năm Trên CO' sở các chuỗi số liệu này nhiều tác giả đã tiến hành phân tích, tính toán các đặc trưng cùa chế độ thủy triều như mực nước trung bình, mực nước cực trị, thời gian triều dâng, triều rút, các hàng số điều hòa thùy triều cho từng trạm đo đạc

Một trong những ứng dụng quan trọng trong việc xử lý các số liệu mực nước đo đạc là việc lập ra các báng thủy triều hàng năm cho các cảng chính ven bò' và một số giá trị nội suy cho các điềm phụ ở ven biển và hạ lưu các sông Việc dự tính thủy triều dọc ven bờ biển nước

ta được thực hiện bằng phương pháp dùng hằng số điều hòa tại các trạm cố định (14 trạm)

Các trạm này ờ những khoảng cách khá xa nhau (50 - 100 km) Một số trạm phụ đuợc tính

toán qua hệ số tương quan so với các trạm chính nhưng cũng rất thưa và độ chính xác không cao (khoang cách 20 - 50 km) Trong giai đoạn hiện nay, việc dự tính thuỷ triều chi cho các trạm ven bò' và sự thưa thót cùa các trạm chưa đáp ứng được đầy đù nhu cầu nghiên cứu ứng dụng trong phát triển kinh tế xã hội

Hướng nghiên cứu sử dụng mô hình số trị giải hệ phương trình thủy động lực hai chiều được phát triển mạnh mẽ đặc biệt trong những năm gần đây do sự tiến bộ cùa toán học tính toán và năng lực máy tính Để giải bài toán phân bố không gian của thủy triều phương pháp

số trị được sử dụng dựa trên hệ phưong trình thủy động lực phi tuyển hypecbolic với điều kiện biên hồn họp: dao động mực nước trên biên lỏng và điều kiện không thấm ỏ' biên cứng.Hiện nay ở trên thế giới đã phát triển áp dụng những phần mềm số trị thúy động lực hiện đại và tiên tiến đề tính toán và dự báo mực nước triều cho vùng không gian rộng lớn Từ trước đến nav ò' nưóc ta đã có một số CO' quan và tác giả nghiên cứu việc dự tính thuỷ triều bàng mô hình số [5], những kết quá đạt được khá kha quan Tuy nhiên cho đến nay co sơ dữ liệu và bán đồ số cua các hàng số điều hòa thủy triều phân bố trong không gian ca vùng ven bò' và ngoài khơi cho các khu vực trong Biển Đông thuộc lãnh hải nước ta và các nước lân cận trong đó có vịnh Bắc Bộ chưa đưọc xây dựng

Mô hình AD C IR C 2DDI [9] được áp dụng trong nghiên cứu này để tính toán lan truyền sóng triều tại vùng biển vịnh Bắc Bộ và phân tích xác định các giá trị của các hàng số điều hoà đối với 8 sóng triều (Oi, K], P|,Q |, M : , N 2, K2, s 2 ) trên không gian cùa vùng biển vịnh

Bắc Bộ và trích xuất các giá trị biên độ và pha của các sóng triều trên lưới với độ phân giai

1/30 độ kinh vĩ (3,7 km X 3,7 km ) phục vụ việc xây d ự n g c ơ sở d ữ liệu hằng số điều hòa thủy

triều sử dụng trong tính toán dự tính thủy triều cho toàn bộ vịn h B ấ c B ộ theo đ iểm hoặc trích

xuất số liệu hằng số điều hòa thủy triều phục vụ cho các mô hình toán ở quv mô địa phương.

27

2.1 Giới thiệu về mô hình ADCIRC

ADCIRC là mô hình số được phát triển để giải hệ phương trình chuyển động cùa chất lòng trên trái đất quay, các phương trình này sử dụng xấp xi thủy tĩnh và xấp xỉ Boussinesq và được rời rạc hóa trong không gian sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn rời rạc hóa theo thời gian sù' dụng phương pháp sai phân hữu hạn Mô hình có thể tính toán trong hệ tọa độ Đề các hoặc tọa độ cầu dưới dạng hai chiều tích phân theo độ sâu (2DDI) và ba chiều (3D), trong các trường hợp cao độ mực nước được xác định bằng nghiệm của phương trình liên tực tích phân theo độ sâu dưới dạng phưong trình liên tục - sóng tổng quát (GW CE), vận tốc được xác định bàng nghiệm của các phương trình động lượng 2DDI hoặc 3D

Hệ phương trình cơ bản trong hệ tọa độ Đề các bao gồm phương trình liên tục

Ri Po

Điều kiện biên cùa mô hình có thể là các dạng sau:

- M ực nước (mực nước biến đôi theo thời gian hoặc các hang số điểu hòa thủy triều)

- D ỏng cha\’ vuông góc với biên (biến đôi theo thời gian hoặc các hang so điểu hòa)

- D òng chav vuông góc với biên bằng không

- Điểu kiện trượt hoặc không trượt đối với vận tốc

- ứ n g suất bể m ặt (gió và/hoặc ứng suất p h á t xạ sóng)

- Áp suất kh í quyên

2.2 Các bước sử dụng mô hình ADC IRC trong hệ thống SM S

1 X ây d ự n g f i l e đ ư ờ n g b ờ của k h u vực tính:

- Thay đôi lớp chứa thòng tin đư m ig hờ: chọn default coverage - type - A D C IRC

- Chọn File I Open chọn ban đò Vịnh Bac BỘ

- Chọn file lint g iữ đăng ký' tọa độ cua bàn đó vịnh Bắc bộ.

- Dựa trên ban đo nền sư dụng công cụ vẽ các đường đa khúc xà y dựng đườỉig bò' cua khu vực cần tính toán, có hai loại đường bờ: đường bờ hơ và đư ờng bờ khép kín, đường bờ

28