Ứng dụng mô hình ADCIRC vào tính toán mực nước thủy triều khu vực từ Quảng Bình tới Bình Định

LỜI CẢM ƠNTrước khi bắt đầu bài báo cáo tôi xin được phép cảm ơn tới giám đốc Vũ Đình Chiến Trung tâm Tư vấn, Dịch vụ Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu cùng các chú, các anh, chị đã

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNKHOA: KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ HẢI DƯƠNG HỌC

Hà Nội, 2016

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU CHUNG 6

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC TẬP 7

2.1 Tìm hiểu cơ cấu- tổ chức, chức năng, nhiệm vụ của trung tâm 7

2.1.1 Chức năng hoạt động của trung tâm 7

2.1.2 Cơ cấu tổ chức trung tâm 8

2.1.3 Các đề tài dự án của trung tâm 8

2.2 Sử dụng mô hình ADCIRC vào tính mực nước thủy triều khu vực miền Trung Việt Nam 11

2.2.1 Giới thiệu chung 11

2.2.2 Cơ sở lý thuyết 12

2.2.3 Sử dụng mô hình ADCIRIC để tính mực nước và vận tốc thủy triều 14

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ 18

KẾT LUẬN 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Vùng biển từ Quảng Bình đến Bình Định…….……… 12

Hình 3: Xây dựng lưới tính 17

Hình 4: Dòng chảy lúc 1h00 ngày 27/2 năm 2016 18

Hình 5: Dòng chảy mặt lúc 7h00 ngày 27/2 19

Hình 6: Dòng chảy lúc 13h00 ngày 27/2 20

Hình 8: Dòng chảy lúc 19h00 ngày 27/2 21

Hình 9: Dòng chảy lúc 0h00 ngày 28/2 22

LỜI CẢM ƠN

Trước khi bắt đầu bài báo cáo tôi xin được phép cảm ơn tới giám đốc Vũ Đình Chiến

Trung tâm Tư vấn, Dịch vụ Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu cùng các chú, các

anh, chị đã nhiệt tình chỉ dẫn và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực tập từngày 1/8-30/8/2016 Đặc biệt tôi xin được phép gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS.Nguyễn Anh Ngọc người đã trực tiếp hướng dẫn, cung cấp số liệu và giúp tôi hoàn thànhbài báo cáo này Ngoài những kiến thức được chỉ dạy trên lớp, ở đây tôi đã được học hỏirất nhiều kinh nghiệm học tập, và có cơ hội biết thêm được một vài mô hình và được trựctiếp tìm hiểu sử dụng mô hình SMS

Do trình độ lý luận, kiến thức thực tiễn và hiểu biết còn kém nên khó tránh khỏinhững mệt mỏi và sai sót vì vậy tôi hi vọng các chú, các anh, chị bỏ qua những sai sóttrong suốt thời gian thực tập Rất mong nhận được thêm ý kiến đóng góp từ thầy, cô vàmọi người để giúp tôi có thêm những kinh nghiệm quí báu để hoàn thiện thêm bài báocáo này và làm tốt hơn trong những bài viết tiếp theo

Hà Nội, ngày 25 tháng 8 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Phương

MỞ ĐẦU

Thực tập nghiệp vụ là môn học quan trọng, giúp sinh viên tìm hiểu rõ thêm vềnghề nghiệp, công việc mà mình đang theo đuổi Ngoài ra với sự giúp đỡ của các thầy,cô

và các cô, chú, anh, chị hướng dẫn còn giúp sinh viên rèn luyện khả năng tìm hiểu vấn đề

và viết báo cáo một cách khoa học Được sự giới thiệu và giúp đỡ của giảng viên bộ mônKhoa học công nghệ biển khoa Khí tượng- Thủy văn và Hải dương học đã tạo điều kiệncho tôi được thực tập tại Trung tâm Tư vấn, Dịch vụ Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khíhậu trực thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ Tài nguyên

và Môi trường

Bên cạnh tìm hiểu về cơ cấu tổ chức, chức năng và nhiệm vụ của trung tâm bài báo cáo này còn tìm hiểu dòng chảy ven bờ miền Trung Việt Nam, vùng biển từ Quảng Bình tới Bình Định bằng cách sử dụng mô hìnhADCIRC của hệ thống mô hình SMS10.0.để tìm hiểu dòng chảy triều ven bờ

Nội dung bài báo cáo gồm có:

Chương 1: Mục tiêu chung

Chương 2: Nội dung thực tập

Chương 3: Một số kết quả và kết luận

CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU CHUNG

1.1 Thời gian và địa điểm thực tập

Thời gian thực tập nghiệp vụ kéo dài trong 1 tháng bắt đầu từ ngày 1/8-31/8 tại Trungtâm Tư vấn, Dịch vụ Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu Tại 23/62 Nguyễn ChíThanh, Đống Đa, Hà Nội

1.2 Mục tiêu thực tập

Tìm hiểu cơ cấu chức năng của một cơ quan tổ chức

Hiểu rõ hơn về công việc của ngành nghề đang theo học

Vận dụng được kiến thức chuyên ngành đã được học từ trên lớp để xử lí, áp dụng vàonhững công việc thực tiễn

Tìm hiểu được một loại mô hình

Học tập và rèn luyện kĩ năng viết một bài báo cáo khoa học kĩ thuật

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC TẬP

2.1 Tìm hiểu cơ cấu- tổ chức, chức năng, nhiệm vụ của trung tâm

2.1.1 Chức năng hoạt động của trung tâm

Trung tâm Tư vấn, Dịch vụ Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, có tên quốc tế

là center for hydromet and climate change consultancy viết tắt là HMC trực thuộc ViệnKhoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ Tài nguyên và Môi trường

- Vị trí và chức năng: Trung tâm Tư vấn, Dịch vụ Khí tượng Thủy văn và Biến đổikhí hậu là tổ chức khoa học và công nghệ công lập tự trang trải phí hoạt động thườngxuyên trực thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ Tài nguyên

và Môi trường, có chức năng nghiên cứu, phát triển, tư vấn, dịch vụ và chuyển giao khoahọc và công nghệ; sản xuất, kinh doanh, xuất khẩu, nhập khẩu trực tiếp công nghệ vàhàng hóa; tham gia đào tạo, tập huấn về khí tượng thủy văn, biến đổi khí hậu và phát triểnbền vững

- Nhiệm vụ và quyền hạn Tham gia nghiên cứu cơ sở khoa học phục vụ xây dựngchính sách, pháp luật, tiêu chuẩn, quy định kĩ thuật, định mức kinh tế- kĩ thuật về khítượng thủy văn, biến đổi khí hậu và phát triển bền vững Nghiên cứu thực nghiệm vàphát triển công nghệ phục vụ quy hoạch phát triển tự động hóa mạng lưới quan trắc khítượng thủy văn và giám sát biến đổi khí hậu, chuyển giao tiến bộ khoa học, công nghệ

về khí tượng thủy văn, môi trường, biến đổi khí hậu và phát triển bền vững

Thực hiện các hoạt động tư vấn, dịch vụ điều tra, khảo sát, sản xuất, kinh doanh;liên doanh, liên kết sản xuất với các tổ chức và cá nhân trong và ngoài nước, xuất khẩu,nhập khẩu trực tiếp công nghệ và sản phẩm; tham gia đấu thầu trực tiếp các hợp đồngsản xuất,cung ứng hàng hóa thuộc kĩnh vực khí tượng thủy văn, môi trường không khí

và nước, công nghệ môi trường, đánh giá tác động và rủi ro môi trường, sinh thái, phòngtránh giảm nhẹ thiên tai, biến đội khí hậu, sinh kế và phát triển bền vững Tham gia đàotạo trình độ tiến sỹ, chuyên môn, nghiệp vụ về khí tượng thủy văn, môi trường, biến đổikhí hậu và phát triển bền vững Cung cấp các bản tin dự báo, cảnh báo, thông báo về khítượng thủy văn và biến đổi khí hậu Phát triển và ứng dụng phền mềm, cơ sở dữ liệu vềkhí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu

2.1.2 Cơ cấu tổ chức trung tâm

Trung tâm Tư vấn, Dịch vụ khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu có 01 Giám đốc vàkhông quá 02 Phó Giám đốc;

Giám đốc chịu trách nhiệm trước pháp luật và trước Viện trưởng về các nhiệm vụđược phân công và toàn bộ hoạt động của Trung tâm; quy định chức năng, nhiệm vụ củacác đơn vị trực thuộc Trung tâm; xây dựng điều lệ tổ chức và hoạt động, các quy chế củaTrung tâm theo quy định;

Trung tâm Tư vấn, Dịch vụ Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu quy tụ đượcmột đội ngũ cán bộ khoa học và chuyên gia được đào tạo chính quy trong và ngoài nướcvới trình độ chuyên môn cao, được trải nghiệm thực tế, cũng như nắm giữ những vị tríchủ chốt của nhiều đề tài dự án các cấp

Tổng số cán bộ công nhân viên chức chính thức và đội ngũ cộng tác viên hiện naycủa HMC hơn 30 người, trong đó đội ngũ cán bộ công nhân viên chia làm 3 phòng chính:

-Giám đốc trung tâm: Đỗ Đình Chiến

-Phòng hành chính tổng hợp : 3 người

-Phòng kĩ thuật và công nghệ: 6 người

-Phòng quy hoạch và quản lí: 13 người

2.1.3 Các đề tài dự án của trung tâm.

 Một số đề tài, dự án về biến đổi khí hậu:

- Đánh giá tính dễ bị tổn thương và tác động của Biến đổi khí hậu tại thành phố ĐàNẵng và Quy Nhơn năm 2009

- Xây dựng Kế hoạch hành động ứng phó với BĐKH của tỉnh Hà Tĩnh năm 2011

 Một số đề tài, dự án về vấn đề môi trường

- Lập quy hoạch bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ-Đáy đến năm 2015 và địnhhướng đến năm 2020

- Xây dựng Kế hoạch hành động triển khai thực hiện chương trình MTQG ứngphó với BĐKH của tỉnh Hòa Bình

 Một số đề tài về vấn về cảnh báo thiên tai và phát triển kinh tế

Điều tra hiện trạng và thành lập bản đồ phân bố mưa gây nguy cơ trượt lở đất đá(nhiệm vụ 2012) thuộc Đề án: “Điều tra, đánh giá và phân vùng cảnh báo nguy cơ trượt

lở đất đá các vùng miền núi Việt Nam”

- Xác định các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội trong tương lai ở Đồng bằngsông Cửu Long thuộc dự án Xây dựng kế hoạch châu thổ sông Cửu Long

 Tiểu dự án: Điều tra, đánh giá và cảnh báo các điều kiện khí tượng thủy văn

có nguy cơ gây tổn thương môi trường vùng biển và dải ven biển Việt Nam; xây dựng các giải pháp phòng tránh và ứng phó thiên tai có nguồn gốc khí tượng thủy văn.

- Nội dung và phương pháp tiến hành dự án:

Dựa vào các nghiên cứu điều tra khảo sát thực địa, các tài liệu, số liệu đã có kết hợpvới các phương pháp phân tích, xử lí, tính toán các yếu tố khí tượng thủy văn và sự trợgiúp của các mô hình, dự án đã tiến hành các nội dung sau:

Xây dựng các bản đồ chuyên đề Khí tượng thủy văn và thiên tai biển

Xây dựng và đề xuất các giải pháp phòng chống thiên tai có nguồn gốc KTTV, gópphần phát triển kinh tế biển bền vững, đảm bảo an ninh quốc phòng, chủ quyền quốc giatrên biển

- Kết quả của dự án:

Nghiên cứu về các đặc điểm khí tượng thủy văn và các thiên tai liên quan đến khítượng thủy văn, phân tích, đánh giá biến động, xu thế và qui luật hoạt động của các yếu

tố khí tượng, thủy văn gây tổn thất trong mối liên hệ với sự biến đổi khí hậu

Xây dựng các bản đồ khí tượng – khí hậu, hải văn, bản đồ cảnh báo thiên taiKTTV, bản đồ phân bố thiệt hại, tổn thất do thiên tai KTTV

Điều tra khảo sát các yếu tố khí tượng thủy văn biển bằng cách thực thi các môhình khí tượng động lực và thủy động lực biển sự báo điều kiện khí tượng thủy văn nhằmxây dựng hệ thống mô phỏng song song tương tác khí quyển đại dương và thiết lập hệthống liên hoàn khí tượng – hải văn.

Tìm ra giải pháp tổng thể để quản lý, bảo vệ tài nguyên môi trường, phòng tránh

và giảm nhẹ thiên tai theo hướng phát triển bền vững, đảm bảo an ninh quốc phòng Xâydựng các giải pháp kỹ thuật, các mô hình dự báo nhằm phòng ngừa và ứng phó các thiêntai có nguồn gốc KTTV Xây dựng các hướng dẫn về phòng tránh và giảm nhẹ thiên taicho vùng biển Việt Nam (16 vùng)

 Một số bài báo về các yếu tố khí tượng thủy văn biển và hải văn

- Xây dựng các bản đồ cảnh báo thiên tai có nguồn gốc khí tượng thủy văn cho vùng biển Việt Nam.

Bài báo trình bày về một phương pháp xử lý thông tin và xây dựng bộ bản đồ cảnhbáo thiên tai cho các khu vực khác nhau thuộc vùng biển và ven biển Việt Nam để phục

vụ cho việc quy hoạch phát triển công tác phòng chống thiên tai một cách hiệu quả Trên

cơ sở xử lý và tổng hợp các nguồn thông tin về thiên tai hiện có, một bộ các bản đồ cảnhbáo thiên tai có nguồn gốc khí tượng thủy văn cho vùng biển và ven biển Việt Nam đượcthiết kế và xây dựng Bộ bản đồ là công cụ hữu hiệu trong công tác chỉđạo, quản lý, quyhoạch, đầu tư cho công tác phòng chống giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai, đặc biệt là thiêntai có nguồn gốc khí tượng thủy văn

- Tính toán trường sóng trong bão bằng mô hình Mile 21

Bài báo trình bày kết quả ứng dụng mô hình MIKE 21(module Spectral Wave)trong việc tính toán trường sóng cho khu vực vịnh Bắc Bộ trong hai cơn bão DAMREY

và KAITAK năm 2005 Kết quả tính toán cho thấy trong điều kiện có bão trường sóngbiến đổi rất mạnh, độ cao sóng trung bình gần tâm bão đạt từ 6-8m, rất nguy hiểm chocác tàu thuyền hoạt động ngoài khơi và các công trình ven biển Bài báo cũng đã nêu ranhững ảnh hưởng đáng kể của sóng tới các vùng biển ven bờ Việt Nam mà đặc biệt là tớicác công trình biển như cảng, đê chắn sóng Vì vậy hiện nay việc nghiên cứu các tácđộng của sóng làm ảnh hưởng tới đời sống dân cư vùng biển và nền kinh tế nước nhà nói

chung là vô cùng quan trọng.

2.2 Sử dụng mô hình ADCIRC vào tính mực nước thủy triều khu vực miền Trung Việt Nam

2.2.1 Giới thiệu chung

* Giới thiệu mô hình

Mô hình được sử dụng là mô hình ADCIRC (Advanced Circulation Model) nằmtrong hệ thống mô hình SMS 10.0 là mô hình số trị được phát triển để giải hệ phươngtrình chuyển động của chất lỏng trên trái đất quay, sử dụng xấp xỉ thủy tĩnh và xấp xỉBoussinesq, hệ phương trình được rời rạc hóa trong không gian sử dụng phương phápphần tử hữu hạn, rời rạc hóa theo thời gian sử dụngphương pháp sai phân hữu hạn Môhình có thể tính toán trong các hệ tọa độ đề các hoặc tọa độ cầu dưới dạng hai chiều tíchphân theo độ sâu (2DDI) và ba chiều (3D), trong các trường hợp cao độ mực nước đượcxác định bằng nghiệm của phương trình liên tục tích phân theo độ sâu dưới dạng phươngtrình liên tục – sóng tổng quát (GWCE), vận tốc được xác định bằng nghiệm của cácphương trình động lượng 2DDI hoặc 3D

* Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu nằm ở miền trung Việt Nam từ Quảng Bình cho tới BìnhĐịnh Ở khu vực này có địa hình khá dốc đáy Chế độ triều ở khu vực từ Quảng Bình chotới bắc Quảng Nam có chế độ bán nhật triều không đều, có độ lớn thủy triều vào khoảng0,6m-1m Ở bắc Quảng Nam trở vào trong có chế độ nhật triều không đều có độ lớn thủytriều vào khoảng 1-1,5m Miền Trung Việt Nam là khu vực có nhiều bão xảy ra trongnăm do đó việc tìm hiểu chế độ thủy triều, tính toán mực nước triều là việc rất quan trọngtrong việc tính toán được mực nước dâng tổng cộng trong bão, giúp hạn chế những thiêntai do bão gây ra

Hình 1: Vùng biển từ Quảng Bình đến Bình Định miền trung Việt Nam

(Nguồn: Maps.google.com)

2.2.2 Cơ sở lý thuyết

* Các phương trình trong hệ tọa độ Đề các

Phương trình liên tục nguyên thủy

(1)Các phương trình bảo toàn động lượng nguyên thủy

(2)(3)Trong đó:  là dao động mực nước; U,V là các vận tốc được lấy tích phân theo độsâu theo phương x và y tương ứng; p là áp suất; H là độ sâu mực nước; Dx, Dy là cácthành phần khuếch tấn theo các phương x và y tương ứng; Bx , By là thành phần gradient

theo các phương; ( +  ) : thế thủy triều Newton, thủy triều trái đất và các lực mang bản

chất thủy triều; bx,by là ứng suất đáy

Tùy thuốc vào cách sử dụng kết quả có thể là hàm tuyến tính, toàn phương hay tổhợp của vận tốc trung bình theo độ sâu Đối với hầu hết những ứng dụng được sử dụngcho vùng ven bờ, hàm ma sát toàn phương được sử dụng với hệ số ma sát ~ 0.0025.Trong vùng nước rất nông, ma sát tổ hợp có hiệu quả hơn, với C~ 0,0025, đặc biệt khicác tham số khô và ướt được tính đến, khi đó biểu thức này giảm nhanh khi độ sâu nướctrở nên nhỏ Ma sát tuyến tính chủ yếu sử dụng cho thử nghiệm mô hình hoặc khi môhình tuyến tính được chạy theo yêu cầu Trong trường hợp này, độ lớn của  phải phùhợp (ít nhất là về độ lớn) với giá trị được sử dụng tính toán biểu thức ma sát toànphương và không phải với giá trị của C thông thường được sử dụng trong biểu thức toànphương.

Trong trường hợp sử dụng hàm tuyến tính:  ; Ckhông thay đổi theo thời gian tuy

nhiên có thể thay đổi theo thời gian, đơn vị s-1

Trong trường hợp sử dụng hàm toàn phương: ; Ckhông thay đổi theo thời gian, cóthể thay đổi theo không gian và không thứ nguyên

Hàm tổ hợp:

Trong đó và , ,, không đổi theo thời gian.

Trong tương quan hệ ma sát tổ hợp, tiệm cận trong vùng nước sâu (H > H ) và tiệm cận

với trong vùng nước nông (H < H) Số mũ  xác định mức độ C f tiến đến giới hạn tiệm

cận và  xác định mức tăng hệ số ma sát khi độ sâu giảm Nếu =1/3, trong đó g là giatốc trọng trường và n là hệ số Meaning, ma sát tổ hợp sẽ có một phương trình Meaning

xử lý ma sát cho trường hợp H < H

* Phương trình trong hệ tọa độ cầu.

Trong mô hình ADCIRC sử dụng các phương trình cơ bản, với các biến số (,ϕ)lần lượt là kinh độ và vĩ độ

Phương trình liên tục:

(4)

Các phương trình động lượng (dạng biến đổi): (5)

(6)

Trong đó:( ): thế thuỷ triều Newton, thuỷ triều trái đất, các lực có tác dụng như thuỷtriều; ứng suất đáy, R là bán kính trái đất

2.2.3 Sử dụng mô hình ADCIRIC để tính mực nước và vận tốc thủy triều

Input: bao gồm 2 file dữ liệu 2 chiều, bao gồm nhiều đường và được mở thành đặc tính

là các hình vòng cung, cung cấp được thuộc tính của vùng, bao gồm 2 file dữ liệu làđường bờ và độ sâu của khu vực (Toàn bộ dữ liệu được cung cấp bởi trung tâm) :

1 File đường bờ có thể hiện rõ được thuộc tính của đường bờ, chỉ ra ranh giới giữa đất

liền, đảo và nước biển Gồm có 2 cột lần lượt thể hiện kinh độ và vĩ độ của bờ biểnmiền trung Việt Nam

2 File độ sâu thể hiện được độ sâu của cột nước Gồm 3 cột bao gồm 2 cột đầu thể hiện

vị trí (kinh độ, vĩ độ) và cột thứ 3 thể hiện độ sâu của đường bờ và độ sâu luôn manggiá trị dương

Output: bao gồm 2 file mực nước fort.63 và file vận tốc dòng chảy fort.64

B1: Xác định điều kiện biên