Tính nước dâng do bão phục vụ quy hoạch phát triển không gian biển khu vực Phú Quốc - Côn Đảo sử dụng mô hình Deflt3D

Kết quả tính và đánh giá nước dâng do bão vùng biển Phú Quốc - Côn Đảo sử dụng mô hình thủy động lực Deflt3D được trình bày trong bài viết. Các số liệu về các cơn bão được thu thập từ các số liệu mới nhất và cơn bão kịch bản được xây dựng dựa trên các mô hình cơn bão đặc trưng.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển; Tập 16, Số 3; 2016: 275-282 DOI: 10.15625/1859-3097/16/3/8656 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst TÍNH NƯỚC DÂNG DO BÃO PHỤC VỤ QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN KHÔNG GIAN BIỂN KHU VỰC PHÚ QUỐC - CÔN ĐẢO SỬ DỤNG MƠ HÌNH DELFT3D Nguyễn Hồng Lân*, Vũ Văn Lân Khoa Khoa học biển Hải đảo-Trường đại học Tài nguyên Môi Trường Hà Nội * E-mail: nhlan@hunre.edu.vn Ngày nhận bài: 11-10-2015 TĨM TẮT: Kết tính đánh giá nước dâng bão vùng biển Phú Quốc - Côn Đảo sử dụng mơ hình thủy động lực Deflt3D trình bày báo Các số liệu bão thu thập từ số liệu bão kịch xây dựng dựa mơ hình bão đặc trưng Kết tính tốn thể sơ đồ phân vùng nước dâng cho khu vực nghiên cứu, phục vụ công tác quy hoạch phát triển không gian biển Phú Quốc - Cơn Đảo Từ khóa: Nước dâng bão, sóng dài MỞ ĐẦU Vùng biển Tây Nam Việt Nam từ mũi Cà Mau đến biên giới Campuchia bao gồm đảo Phú Quốc Thổ Chu có tầm quan trọng đặc biệt phát triển kinh tế - xã hội an ninh quốc phòng nước ta Trong việc quy hoạch phát triển không gian biển khu vực Phú Quốc - Cơn Đảo việc đánh giá mức độ tai biến thiên nhiên, có tượng nước dâng bão khu vực nghiên cứu cần thiết Mặc dù khu vực nghiên cứu nằm vùng bị ảnh hưởng bão Biển Đông vịnh Bengal, nhiên công tác quy hoạch không gian biển cần thiết đưa đánh giá mức độ ảnh hưởng tai biến thiên nhiên cho dù chúng có khả xảy Nước dâng bão coi thảm họa vùng ven bờ, cửa sơng tính chất gây ngập lụt với khối lượng nước lớn, tàn phá nguy hiểm làm chết người sức gió mạnh Nước dâng bão xẩy vào kỳ triều cường, kỳ lũ lớn, tính nguy hiểm gây ngập lụt gia tăng vùng ven bờ, cửa sơng Hình Tần suất xuất bão theo độ lớn Biển Đông [1] Khu vực bờ biển Việt Nam nằm thống kê chung bờ Đông Nam Á hàng năm với số lượng bão lớn khoảng 33% thường xuyên gây nước dâng đáng kể kèm theo ngập lụt Theo số lượng trung bình bão Biển Đông khoảng từ 10 trở lên đạt độ mạnh từ cấp 10 trở lên Ngoài theo thống kê độ mạnh bão nhận thấy số 275 Nguyễn Hồng Lân, Vũ Văn Lân bão có độ lớn trung bình chiếm khoảng 30% bão có độ lớn mạnh chiếm khoảng 5% theo hình Cũng theo thống kê bão phân tích dựa theo đặc trưng đường hướng đổ vào đất liền, theo sơ đồ hình số lượng bão có đường đổ vào tỉnh miền Bắc miền Trung ước tính khoảng 60% số lượng bão năm chiếm ưu vào mùa hè hàng năm hình bão với đặc điểm: Cơn bão hệ thống đường đẳng áp có dạng hình tròn khép kín đồng tâm khơng thay đổi, hệ thống chuyển động theo quỹ đạo bão giả định [2] Giá trị vận tốc gió điểm tính theo cơng thức:  2 R    10  Wx  K wWgx  WT cos   exp    2 R    10  Wy  K wWgy  WT sin   exp   Ở đây: R - khoảng cách từ điểm cần tính đến tâm bão theo km; Kw = 0,7 W ,W thành phần vận tốc gió địa chuyển: W   W cos  , W   W sin  với độ lớn vectơ vận tốc gió địa chuyển tính theo cơng thức: gx gx g Wg   gy Như theo thống kê trung bình có 18% số bão có ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến khu vực Phú Quốc - Côn Đảo Dựa theo số liệu thống kê kết hợp với việc mô bão dựa theo tham số đường đi, áp suất tâm, bán kính gió cực đại hoạt động, tốc độ gió lớn sử dụng mơ hình tính tốn nước dâng bão vùng biển nghiên cứu Các đặc điểm tham số bão đề cập lại xem xét lựa chọn mơ hình gió bão cho mơ hình mơ nước dâng bão g fR  Hình Tần suất bão xuất đổ vào bờ theo vùng (Loại 1: 37%, Loại 2: 30%, Loại 3: 15%, Loại 4: 18%) [2, 3] gy  R2  f R 2  P  Pc  R    exp    a R0  R0  Ở đây: P - áp suất không khí điểm vơ cực; Pc - áp suất khơng khí tâm bão; R0 - bán kính vùng có tốc độ gió lớn nhất; WT - tốc độ dịch chuyển bão theo quỹ đạo; Wmax - tốc độ gió lớn bão Các giá trị vận tốc gió, áp suất tính sử dụng mơ hình để mơ bão kịch làm số liệu đầu vào tính tốn nước dâng cho khu vực nghiên cứu [3] Hệ phương trình xuất phát hệ phương trình phi tuyến mơ tả chuyển động sóng dài: u u u  u  v  fu  t x y Pa   g  ( a   xb )  x x  (h   ) x (1) v v v  u  v  fv  t x y Pa   g  ( a   yb )  y y  ( h   ) y (2)     ( h   )u  (h   )v  t x y (3) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp mô bão Để mô bão cho kịch bão khác nhau, nghiên cứu sử dụng mô 276 Điều kiện biên: Tính nước dâng bão phục vụ quy hoạch … Biên cứng: Un=0, điều kiện không thấm Biên lỏng: =(x,y,t)=  Fi H i cos[ it  (   ) i  gi ] độ), sóng, nhiễu loạn khơng khí (từ số đơn giản theo mơ hình k-ε, hạn hán lũ lụt) nước dâng bão Tham số đầu vào Ở đây:  - độ dâng mực nước tính từ mặt biển trung bình ; i thường lấy sóng thành phần M2, S2, K1, O1; Hi, gi số điều hòa phụ thuộc vào vị trí điểm tính; Fi ( + )i tham số thiên văn phụ thuộc thời gian, i vận tốc góc sóng triều thứ i; u, v thành phần tốc độ theo trục x, y lấy trung bình theo phương thẳng đứng; h độ sâu biển; a - ứng suất gió mặt biển, tỷ lệ với bình phương tốc độ gió; b - ứng suất ma sát đáy tỷ lệ với bình phương tốc độ dòng nước; Pa áp suất khí mặt biển xác định mơ hình Fujita:   r 2  Pa (r )  Pn  P 1      R  Thiết lập lưới tính tốn Miền tính tốn chọn vùng bờ biển Việt Nam từ Vũng Tàu đến Hà Tiên bao gồm hai quần đảo lớn Phú Quốc Côn Đảo, nơi chịu ảnh hưởng 18% số bão đổ vào bờ biển Việt Nam Do lưới tính tốn mơ hình lập bao trùm vùng biển Tây Nam Bộ Đông Nam Bộ với diện tích khoảng 250.000 km2 Lưới tính tốn mơ hình lưới vng tọa độ cartesian bao gồm 214 × 167 điểm nút (hình 3) 1/ (4) P : độ giảm áp tâm bão; R bán kính từ tâm bão đến vùng xuất gió lớn nhất; r bán kính điểm tính tốn tính từ tâm bão; Pn áp suất khơng khí vùng ngoại vi khơng ảnh hưởng bão [4] ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY LỰC DEFLT3D MÔ PHỎNG NƯỚC DÂNG BÃO Delft3D phần mềm tích hợp mơ hình cách linh hoạt, mơ khơng gian hai chiều (theo chiều ngang chiều dọc mặt phẳng) mô theo khơng gian ba chiều cho flow (dòng chảy), sediment transport (vận chuyển trầm tích), morphology (hình thái học), waves (sóng), water quality (chất lượng nước), ecology (sinh thái) Delft3D có khả xử lý tương tác trình Các tác giả sử dụng modul tính tốn thủy động lực Deflt3D Flow (Viện Thủy lực Deflt Hydraulic, Hà Lan) mô chuyển đổi dòng chảy trường hợp nước tương đối cạn Nó kết hợp ảnh hưởng thủy triều, gió, áp suất khơng khí, khác biệt mật độ (do độ mặn nhiệt Hình Cấu trúc lưới tính tốn Địa hình Số liệu địa hình đáy biển lấy từ số liệu địa hình đề tài KC09.16/11-15 nghiên cứu xác lập luận khoa học đề xuất định hướng quy hoạch không gian biển Phú Quốc Côn Đảo phục vụ phát triển bền vững Điều kiện biên Các điều kiện biên mô hình thủy lực tác nhân định chuyển động nước biển Tại biên cứng, thành phần vận tốc lấy không Các biên lỏng biển tác giả lựa chọn điểm khép góc Dao động mực nước thủy triều biên lỏng tạo mơ hình Delft Dashboard từ số điều hòa sóng K1, O1, M2, S2, P1, Q1, N2, K2 lấy từ số điều hòa toàn cầu [5] 277 Nguyễn Hồng Lân, Vũ Văn Lân Bảng Tọa độ khép góc biên triều Vị trí Điểm Điểm Điểm Điểm Điểm Kinh độ Vĩ độ 103,535 10,536 101,842 8,767 104,665 4.979 109,485 9,033 108,072 10,787 Bảng Thành phần triều điểm khép góc Vị trí Điểm Điểm Điểm Điểm Điểm Tên Biên độ Pha Biên độ Pha Biên độ Pha Biên độ Pha Biên độ Pha M2 S2 N2 K2 K1 O1 P1 Q1 MF MM M4 MS4 MN4 0,125 0,052 0,026 0,013 0,163 0,133 0,051 0,015 0,007 0,005 0,000 0,000 0,000 76,642 124,819 36,392 108,242 60,515 19,357 48,139 319,458 108,625 41,244 14,046 124,798 116,410 0,103 0,053 0,027 0,015 0,262 0,121 0,068 0,023 0,006 0,005 0,002 0,001 0,001 8,669 46,068 355,391 42,651 241,813 198,133 252,729 206,661 100,333 36,040 357,621 348,697 348,697 0,276 0,108 0,053 0,030 0,539 0,332 0,159 0,060 0,004 0,006 0,002 0,001 0,001 10,642 48,999 350,791 57,617 242,567 205,780 244,148 192,042 53,825 24,593 240,132 167,524 125,524 0,170 0,072 0,035 0,018 0,381 0,317 0,120 0,060 0,010 0,006 0,001 0,001 0,001 105,888 134,867 93,100 131,837 194,090 153,081 190,086 136,094 11,284 13,130 227,064 154,718 142,270 0,170 0,072 0,035 0,018 0,381 0,317 0,120 0,060 0,010 0,006 0,001 0,001 0,001 105,888 134,867 93,100 131,837 194,090 153,081 190,086 136,094 11,284 13,138 227,064 154,718 142,270 Hiệu chỉnh mơ hình Kịch bão Nam Bộ Việc hiệu chỉnh kết tính tốn mơ hình theo số liệu quan trắc nhằm xác định hợp lý tham số chọn, giai đoạn đầu thực tính tốn cho tốn thủy triều, kết tính tốn số vị trí so sánh với số liệu quan trắc trạm thủy văn tương ứng theo bảng thủy triều năm 1997 Tổng cục Khí tượng Thủy văn cung cấp Trên hình mơ tả việc so sánh mực nước thủy triều tính theo Delft3D - Flow bảng thủy triều trạm Phú Quốc Trên hình vẽ thể bảng so sánh mực nước tính tốn mực nước thủy triều, ta thấy phù hợp tương đối pha biên độ mực nước kết tính tốn số liệu thực tế Ứng dụng mơ hình thủy lực Deflt3D dùng tính tốn mơ chế độ nước dâng bão khu vực nghiên cứu Chuỗi số liệu bão đổ vào khu vực Nam Bộ với tần suất nhỏ cấp bão khơng q lớn nhóm chuyên đề sử dụng số liệu bão Linda đổ vào khu vực Phú Quốc - Côn Đảo vào thời gian từ 31/10/1997 3/11/1997 với thông số bão tọa độ đường di chuyển bão, thời gian di chuyển, áp suất tâm áp suất Vận tốc di chuyển bão, vận tốc gió, bán kính ảnh hưởng bão hướng bão tới thể bảng Hình Hiệu chỉnh mơ hình theo mực nước 278 Hình Hướng di chuyển bão Linda năm 1997 Tính nước dâng bão phục vụ quy hoạch … Đường di chuyển tâm bão Linda thể qua ảnh vệ tinh, hình ảnh thể thời gian quỹ đạo di chuyển bão khu vực nghiên cứu (hình 5) Bảng Các tham số bão Linda yy mm dd hh Lat Lon Pc(mb) Pn(mb) V(m/s) R(km) Vf(m/s) 1997 1997 1997 1997 1997 1997 1997 1997 1997 1997 1997 1997 1997 10 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 31 1 1 2 2 3 3 18 12 18 12 18 12 18 7,9 7,5 7,8 8,5 8,5 8,8 9,2 9,4 9,7 10,5 10,9 11,8 114,2 113 112,1 110,8 109 107,5 105,8 104,6 103,6 102,5 101,6 100,5 99,80 1.004 1.000 996 994 992 985 985 985 985 990 990 992 998 1.145 1.135 1.120 1.105 1.086 1.068 1.057 1.048 1.040 1.031 1.021 1.012 1.003 40,2 38,14 39,69 42,78 44,32 43,81 44,32 45,36 47,94 50 52,58 55,67 60,82 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 60,87 17,5 17,5 18,04 20,62 23,19 27,77 25,77 25,77 25,77 25,77 23,19 20,62 18,04 [Nguồn: http://weather.unisys.com/hurricane/w_pacific/1997H/index.php] KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU cho kịch bão khác giúp cho nhà quy hoạch khơng gian biển xác định vị trí ảnh hưởng mạnh mẽ nước dâng bão xác định vùng ngập lụt ảnh hưởng bão khu vực nghiên cứu Hình Hình ảnh mực nước h ngày tháng 11 năm 1997 khơng có bão Mơ hình Deflt3D thể mực nước biển dâng tượng bão vào khu vực nghiên cứu, qua ta xác định mực nước dâng tổng cộng khu vực, từ giúp có đánh giá chi tiết vị trí có mực nước dâng cực đại Từ kết mơ hình mơ chế độ nước dâng bão tính Hình Hình ảnh mực nước h ngày tháng 11 năm 1997 có bão Linda Ở vị trí bão tượng mực nước biển dâng xảy với độ chênh lệch mực nước phụ thuộc vào vị trí bão di chuyển mực nước dâng mạnh 279 Nguyễn Hồng Lân, Vũ Văn Lân thời điểm bão đổ vào đường bờ kết hợp với thời kỳ triều cường làm nước dâng mạnh qua nước dâng ảnh hưởng mạnh mẽ đến cơng trình ven biển gây tượng lũ lụt cho khu vực điểm cực đại bão đổ vào khu vực nghiên cứu Khu vực phía đơng bắc đảo Phú Quốc bờ Đông Nam Bộ chịu ảnh hưởng nước biển dâng mạnh bão Linda di chuyển vào khu vực này, mực nước biển dâng cực đại đến gần 2,5 m Để đánh giá so sánh giá trị chênh lệch mực nước trước sau có bão khu vực nghiên cứu nhóm tác giả lựa chọn vị trí trạm quan trắc mực nước ven bờ, trạm Phú Quốc, trạm Cơn Đảo, trạm Cần Giờ Hình Hình ảnh mực nước h ngày tháng 11 năm 1997 khơng có bão Hình 10 So sánh chênh lệch mực nước có bão khơng có bão trạm Phú Quốc Hình 11 So sánh chênh lệch mực nước có bão khơng có bão trạm Cần Giờ Hình Hình ảnh mực nước h ngày tháng 11 năm 1997 có bão Linda Từ số liệu mô giá trị nước dâng nước bão ta nhận thấy nhìn chung mực nước biển dâng từ 1,0 - 2,5 m số 280 Hình 12 So sánh chênh lệch mực nước có bão khơng có bão trạm Cơn Đảo Tính nước dâng bão phục vụ quy hoạch … Nhìn chung ta thấy trường nước dâng bão vị trí quan trắc khu vực nghiên cứu, vị trí quan trắc trạm thủy văn Phú Quốc độ chênh lệch mực nước lớn 1,21 m, trạm thủy văn Côn Đảo chênh lệch mực nước lớn 0,72 m trạm quan trắc Cần Giờ 1,2 m đề tài KC.09.16/11-15: “Nghiên cứu, xác lập luận khoa học đề xuất định hướng quy hoạch không gian biển Phú Quốc - Côn Đảo phục vụ phát triển bền vững” trường Đại học Tài ngun Mơi trường Hà Nội chủ trì Bảng Các vị trí quan trắc mực nước Nguyễn Hồng Lân, Plink, N L., Kasharski, 2003 Phương pháp tính dao động mực nước biển Quản lý tổng hợp vùng ven bờ - Đánh giá rủi ro ngập nước vùng ven bờ Tuyển tập cơng trình khoa học Dao động mực nước biển Trường Quốc gia KTTV LB Nga (Tiếng Nga) Trạm mực nước Kinh độ Phú Quốc Trạm quan trắc Cần Giờ Trạm quan trắc Côn Đảo 103 96 00’’ ’ Vĩ độ ’ 10 23 00’’ 10 22’54’’ 40’54’’ 106 55’32’’ 106 36’34’’ 0 Độ chênh lệch mực nước cực đại (m) 1,21 1,2 0,72 KẾT LUẬN Trên kết bước đầu sử dụng mơ hình thủy lực tính tốn dự báo nước dâng bão Delft3D - FLOW cho phép xây dựng quy trình dự báo nước dâng bão có bão chuẩn bị đổ vào khu vực đất liền bên cạnh mơ kịch bão từ đánh giá phạm vi ảnh hưởng bão làm sở xây dựng đồ ngập lụt giúp cho nhà quản lý, quy hoạch không gian biển cách hiệu Lưới tính tham số lựa chọn phù hợp với yêu cầu dự báo đạt kết cao có số liệu thực đo nước dâng bão đầy đủ Lời cám ơn: Các kết nghiên cứu báo thực hỗ trợ giúp đỡ TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hồng Lân, Plink, N L., 2005 Sử dụng mơ hình số trị hệ toạ độ cong tính nước dâng bão Biển Đông Việt Nam Tuyển tập cơng trình khoa học Dao động mực nước biển Trường Quốc gia KTTV LB Nga (Tiếng Nga) Nguyễn Hồng Lân., Plink, N L., 2005 Mơ hình số trị tính nước dâng bão sóng thần Biển Đơng Việt Nam Tạp chí cơng trình khoa học - Các khoa học lý thuyết Tập I Trường Quốc gia KTTV LB Nga (Tiếng Nga) WL Delft Hydraulics, 1999 Delft3D Use manual Delft, The Netherlands TT KTTV Biển, 2009 Sổ tay tra cứu đặc trưng KTTV thềm lục địa Việt Nam Nxb Nông Nghiệp, Hà Nội 281 Nguyễn Hồng Lân, Vũ Văn Lân CALCULATING STORM SURGES FOR MARINE SPATIAL PLANNING IN PHU QUOC - CON DAO AREA USING DELFT3D MODEL Nguyen Hong Lan, Vu Van Lan Faculty of Marine Science, Hanoi University of Natural Resources and Environment ABSTRACT: The result of evaluating and assessing storm surge in Phu Quoc - Con Dao area using a hydraulic model Delft3D is presented in this paper The data of the storms were collected from the latest data and storm scenarios were simulated based on a model of the typical storm The results were shown in the partial map of storm surge in the study area which will serve the marine spatial planning and development in Phu Quoc - Con Dao area Keywords: Storm surges, long waves 282 ... cho khu vực điểm cực đại bão đổ vào khu vực nghiên cứu Khu vực phía đơng bắc đảo Phú Quốc bờ Đông Nam Bộ chịu ảnh hưởng nước biển dâng mạnh bão Linda di chuyển vào khu vực này, mực nước biển dâng. .. Số liệu địa hình đáy biển lấy từ số liệu địa hình đề tài KC09.16/1 1-1 5 nghiên cứu xác lập luận khoa học đề xuất định hướng quy hoạch không gian biển Phú Quốc Côn Đảo phục vụ phát triển bền vững... gió lớn sử dụng mơ hình tính tốn nước dâng bão vùng biển nghiên cứu Các đặc điểm tham số bão đề cập lại xem xét lựa chọn mơ hình gió bão cho mơ hình mơ nước dâng bão g fR  Hình Tần suất bão xuất