ỨNG DỤNG mô HÌNH ROMS NGHIÊN cứu TRƯỜNG DÒNG CHẢY KHU vực BIỂN cà MAU

Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ROMS NGHIÊN CỨU TRƯỜNG DÒNG CHẢY KHU VỰC BIỂN CÀ MAU Trần Thùy Nhung, Dương Hồng Sơn, Lê Văn Quy Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường Cà Mau vùng đất thấp, ba mặt tiếp giáp biển, chịu tác động mạnh trình thủy động lực học ven biển. Các trình thủy động lực ven biển gây ảnh hưởng đến việc xói lở bờ biển, gây thiệt hại đời sống sinh hoạt người dân. Bài báo trình bày nghiên cứu trường dòng chảy khu vực Biển Cà Mau thông qua ứng dụng mô hình ROMS. Dòng chảy khu vực bị chi phối dòng triều dòng chảy gió, mang đặc tính mùa biến đổi theo không gian. Chế độ triều phức tạp ảnh hưởng khác gió vị trí gây biến động dòng chảy khu vực này. 1. Mở đầu Vận chuyển trầm tích ven biển trình tự nhiên, chịu ảnh hưởng trình thủy động lực học biển. Bên cạnh đó, tác động người gây ảnh hưởng đến trình này. Cà Mau khu vực chịu ảnh hưởng lớn trình vận chuyển trầm tích. Đây vùng đất bồi tụ, năm gần đây, vấn đề xói lở đe dọa đến việc phần vùng đất này. Các tác nhân chi phối trình vận chuyển xác định dòng chảy, mực nước sóng. Mỗi tác nhân lại gây ảnh hưởng khác cho khu vực. Tuy nhiên, để xác định nguyên nhân nguồn gốc vận chuyển trầm tích dòng chảy lại tác nhân quan trọng nhất. Dòng chảy làm vận chuyển trầm tích từ cửa sông, từ bờ xói, khuấy trầm tích từ đáy lắng đọng ngược trở lại. Trong nghiên cứu này, dòng chảy tính toán từ mô hình hoàn lưu đại dương ROMS cho khu vực Biển Cà Mau hệ lưới cong trực giao theo phương ngang thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng. Dòng chảy khu vực Biển Cà Mau mang đặc tính mùa biến đổi theo không gian. Hai mùa gió đặc trưng ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy gió mùa Đông-Bắc gió mùa Tây-Nam. Chế độ triều phức tạp ảnh hưởng khác gió vị trí gây biến động mạnh dòng chảy khu vực này. 2. Cơ sở toán học ROMS mô hình đại dương, giải phương trình thuỷ động lực thuỷ tĩnh bề mặt tự cho địa hình phức tạp hệ lưới cong trực giao theo phương ngang (ξ,η) thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng (lưới s). Hệ toạ độ thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng xấp xỉ địa hình đáy biển bề mặt tự nhằm mục đích mô trình rối gần bề mặt chất lỏng trình động lực vùng cửa sông ven biển, mô trung thực ảnh hưởng địa hình tới dòng chảy so với mô hình sai phân thông thường. Sai phân trung tâm bậc hai lưới Arakawa C áp dụng cho phương ngang (ξ,η) với điều kiện biên trượt tự (toàn phần), trượt phần, điều kiện dính. Theo phương thẳng đứng (trục s) sử dụng sai phân xen kẽ bậc hai. Hệ phương trình thủy động lực: 264 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI ¶u ¶ ¶  ¶u  + vu  fv =    u ' w '    + Fu + Du ¶t ¶x ¶z  ¶z  (1) ¶v ¶ ¶  ¶v  + vv  fu =    v ' w '    + Fv + Dv ¶t ¶y ¶z  ¶z  (2) ¶u ¶v ¶w + + =0 ¶x ¶y ¶z (3) v = (4) ρ = ρ(T,S,P) (5) ¶T ¶ ¶T  + vT =   T'w '  0  + FT + DT ¶t ¶z  ¶z  (6) ¶S ¶ ¶S  + vS =   S'w '  0  + Fs + Ds ¶t ¶z  ¶z  (7) đó: g gia tốc trọng trường; υ, υ0 tương ứng thành phần bình lưu khuếch tán; f(x,y) tham số Coriolis; ϕ (x,y,z,t) = P/ρo áp suất động lực; v (x,y,z) = (u,v,w) vecto vận tốc dòng chảy; T S tương ứng thành phần nhiệt độ độ muối; Du, Dv, DS, DT thành phần nhớt khuếch tán rối; Fu, Fv, FS, FT thành phần ngoại lực nguồn. 3. Kết dòng chảy tính toán từ mô hình ROMS cho khu vực Biển Cà Mau Nghiên cứu sử dụng mô hình ROMS tính toán dòng chảy cho khu vực Biển Cà Mau. Miền tính bao gồm toàn khu vực biển Cà Mau vùng biển lân cận xác định lưới cong trực giao theo phương ngang, bao gồm 150x75 nút lưới chia thành lớp theo phương thẳng đứng với hệ thích ứng địa hình. Kích thước bước lưới theo phương ngang dao động 1,343 – 3,699 km theo trục x, 1,144 – 3,340 km theo trục y 0,112 – 5,289 m theo trục z. Bước thời gian tính toán 600 giây. Mô hình sử dụng số liệu địa hình ETOPO số liệu đường bờ có độ phân giải cao (GSHHS) NOAA cung cấp. Điều kiện ban đầu xây dựng cách nội suy từ số liệu đại dương-khí nhiều năm (COADS) thành phân bố ba chiều trung bình tháng mực nước nhiệt độ độ muối. Trường vận tốc dòng chảy lấy thời điểm ban đầu. Điều kiện biên dòng chảy, nhiệt độ độ muối xác định từ số liệu hoàn lưu khí hậu đại dương (ECCO). Đối với mực nước, tham số sóng thuỷ triều M2, S2, N2, K2, K1, O1 đưa vào để tính toán mực nước triều. Các tham số lấy từ mô hình thuỷ triều toàn cầu TPXO có độ phân dải 1/4 độ. Các biên sông đưa vào gồm có: Cửa Tranh Đề, Cửa Định An, Cửa Cung Hầu, Cửa Cổ Chiên, Cửa Hàm Luông với giá trị lưu lượng, nhiệt độ. Kết tính toán dòng chảy từ mô hình ROMS cho khu vực biển Cà Mau đưa vào tháng tháng 12/2000 đại diện cho hai mùa năm. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 265 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Hình 1. Phân bố mực nước dòng chảy toàn miền tính vào thời điểm mùa đông (bên phải) mùa hè (bên trái) 266 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Kết phân bố dòng chảy mực nước Hình chọn vào thời điểm: nước dâng, nước ròng, nước lớn nước rút chu kỳ triều. Có thể nhận thấy, phân bố mực nước vào hai mùa khác không đáng kể. Biên độ dao động mực nước bờ Đông lớn bờ Tây. Dòng triều khu vực phức tạp (thể chỗ tồn hai chế độ triều khác bờ Đông bờ Tây). Sự xuất rãnh triều bờ Đông gây biến đổi mực nước dòng chảy hai bên rãnh triều này, tạo lên chuyển động phân kỳ hội tụ dòng triều. Vào thời điểm triều lên triều xuống, dòng chảy bị chi phối dòng triều, với vận tốc dòng chảy tương đối lớn (vào khoảng từ 0,2 - 0,4 m/s). Bên cạnh dòng triều, dòng chảy gió ảnh hưởng lớn đến chế độ dòng chảy, đặc biệt bờ Đông. Vào mùa đông, dòng chảy bị ảnh hưởng chế độ gió mùa Đông-Bắc, gây dòng chảy hướng Tây-Nam; vào mùa hè, dòng chảy bị ảnh hưởng gió mùa Tây-Nam, gây dòng chảy hướng Đông-Bắc. Tuy nhiên, dòng chảy khu vực biến đổi phức tạp theo không gian, khu vực, biến đổi dòng chảy theo mùa khác nhau. Nếu bờ Đông, ảnh hưởng gió mùa biểu rõ rệt bờ Tây ảnh hưởng gió mùa không làm thay đổi đáng kể dòng chảy. Để hiểu rõ vai trò dòng triều dòng gió dòng chảy tổng hợp khu vực Biển Cà Mau, tác giả phân tích dòng chảy tính toán từ mô hình ROMS hai điểm đại diện cho dòng chảy bờ Đông bờ Tây tỉnh Cà Mau (tương ứng trạm Rạch Gốc trạm Sông Đốc). a) Chú giải Vận tốc chảy (m/s) b) dòng >= 0,6 0,5 - 0,6 0,4 -0,5 0,3 - 0,4 0,2 - 0,3 0,1 - 0,2 0,0 - 0,1 Hình 2. Hoa dòng chảy Rạch Gốc tháng 7/2000 (a), tháng 12/2000 (b) a) b) Hình 3. Biến thiên dòng chảy trạm Rạch Gốc từ ngày 1/7/2000 đến ngày 8/7/2000 (a), từ ngày 1/7/2000 đến ngày 8/7/2000 (b) Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 267 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI a) b) Chú giải Vận tốc dòng chảy (m/s) >= 0,6 0,5 - 0,6 0,4 -0,5 0,3 - 0,4 0,2 - 0,3 0,1 - 0,2 0,0 - 0,1 Hình 4. Hoa dòng chảy Sông Đốc tháng 7/2000 (a), tháng 12/2000 (b) a) b) Hình 5. Biến thiên dòng chảy trạm Sông Đốc từ ngày 1/7/2000 đến ngày 8/7/2000 (a), từ ngày 1/12/2000 đến ngày 8/12/2000 (b) Kết dòng chảy biểu diễn từ Hình đến Hình cho thấy dòng chảy khu vực bị chi phối dòng triều dòng gió. Tại Rạch Gốc, dòng chảy đổi chiều hai lần ngày bị chi phối chế độ bán nhật triều không (Hình 3a 3b). Trong đó, Sông Đốc, dòng chảy đổi chiều lần ngày, phù hợp với chế độ nhật triều không khu vực (Hình 5a 5b). Mặc dù dòng chảy bị chi phối lớn dòng triều, nhiên vào tháng khác nhau, ảnh hưởng gió làm biến động dòng chảy. Tại Rạch Gốc, vào mùa hè, dòng chảy theo hướng Đông Đông-Bắc chiếm ưu (Hình 2a). Trong đó, dòng chảy theo hướng Tây Tây-Nam lại chiếm ưu mùa đông (Hình 2b). Độ lớn dòng chảy Rạch Gốc nằm khoảng từ 0,1 - 0,5m. Trong đó, dòng chảy có độ lớn từ 0,3 0,4m chiếm tỷ lệ tương đối lớn. Tại Sông Đốc, ảnh hưởng gió không rõ nét Rạch Gốc, nhiên xuất số xu thế: vào mùa hè, dòng chảy theo hướng Đông-Bắc chiếm ưu (Hình 4a); mùa đông, dòng chảy theo hướng Tây-Nam có phần nhỉnh (Hình 4b). Tuy nhiên, thấy ảnh hưởng gió đến chế độ dòng chảy trạm không lớn. Độ lớn dòng chảy Sông Đốc nhỏ, nằm khoảng từ - 0,3m. 268 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 4. Kết luận Dòng chảy khu vực Biển Cà Mau đưa báo cáo mô mô hình ROMS khoảng thời gian năm. Dòng chảy biến động theo mùa theo không gian. Nguyên nhân gây biến động xác định yếu tố triều gió. Với tác động triều, dòng chảy bờ Đông bờ Tây mang đặc tính khác biệt rõ rệt, gây dòng trái chiều hai bờ. Bên cạnh đó, dòng chảy gió tác nhân gây biến động dòng chảy theo mùa. Phía bờ Đông, với vị tiếp giáp Biển Đông, gió tác động đến vùng biển tương đối lớn, làm cho dòng chảy biến động lớn theo mùa. Trong đó, phía bờ Tây, với không gian biển hẹp, tác động gió đến khu vực không lớn, dẫn đến dòng chảy khu vực không biến động nhiều năm. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. https://www.myroms.org/wiki/index.php/Documentation_Portal 2. John C.Warner, Christopher R.Sherwood , Richard P.Signell , Courtney K. Harris, Hernan G. Arangoc (2010), “Development of a three-dimensional, regional, coupled wave, current, and sediment-transport model”, Ocean Modelling xxx (2010) xxx–xxx. 3. Shchepetkin, A.F. McWiliams, J. C (2005), “The regional oceanic modeling system (ROMS): a split-explicit, free-sureace, topography-following-coordinate oceanic model” Ocean Model 9, 347-404. 4. Zuo Xue, Ruoying He, J.Paul Liu, John C.Warner (2012) “Modeling transport and deposition of the Mekong River sediment”, Continental Shelf Research 37 (2012) 66–78. CURRENT SIMULATION USING ROMS MODEL – A CASE STUDY OF CAMAU COASTAL ZONE Tran Thuy Nhung, Duong Hong Son, Le Van Quy Institute of Meteorology Hydrology and Environment Ca Mau is a low land with three sides adjacented to the sea, strongly affected by the processes of coastal hydrodynamics. The hydrodynamics processes have caused coastal erosion, threatening to the life and activities of people surrounding. This study presents current simulation using ROMS model. The current is dominated by the tidal current and wind – include current with seasonal characteristics and spatial variation. Complex tidal regime and the different influence of wind on different places have caused the current variation in this area. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 269 . toán từ mô hình ROMS cho khu vực Biển Cà Mau Nghiên cứu này sử dụng mô hình ROMS tính toán dòng chảy cho khu vực Biển Cà Mau. Miền tính bao gồm toàn bộ khu vực biển Cà Mau và vùng biển lân. Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 264 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ROMS NGHIÊN CỨU TRƯỜNG DÒNG CHẢY KHU VỰC BIỂN CÀ MAU Trần Thùy. lở bờ biển, gây thiệt hại về đời sống và sinh hoạt của người dân. Bài báo này trình bày những nghiên cứu trường dòng chảy trong khu vực Biển Cà Mau thông qua ứng dụng mô hình ROMS. Dòng chảy