Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu và đánh giá tiềm năng năng lượng sóng vùng ven biển khu vực Hải Phòng thông qua chuỗi số liệu sóng 20 năm được lấy từ Cục quản lý Đại dương và Khí quyển Quốc gia Hoa Kỳ sử dụng làm đầu vào cho mô hình sóng Mike 21 SW để tính toán trường năng lượng sóng biển.
BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG SĨNG VÙNG VEN BIỂN KHU VỰC HẢI PHỊNG Trần Đức Trứ1, Lê Đức Dũng1, Nguyễn Hoàng Anh1, Đỗ Thị Thu Hà2 Tóm tắt: Việt Nam quốc gia có bờ biển dài 3260 km với 3000 đảo lớn nhỏ Trong đó, vùng bờ có vai trò quan trọng phát triển kinh tế biển, bảo vệ an ninh, quốc phòng chủ quyền quốc gia Đây khu vực có tiềm lượng tái tạo sóng, gió, thủy triều Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu đánh giá tiềm năng lượng sóng vùng ven biển khu vực Hải Phòng thơng qua chuỗi số liệu sóng 20 năm lấy từ Cục quản lý Đại dương Khí Quốc gia Hoa Kỳ sử dụng làm đầu vào cho mơ hình sóng Mike 21 SW để tính tốn trường lượng sóng biển Năng lượng sóng vùng ven biển khu vực Hải Phòng tính tốn cho hai hướng chủ đạo hướng đông bắc hướng nam Kết nghiên cứu cho thấy hai hướng chủ đạo tiềm năng lượng sóng biển khu vực ven biển Hải Phòng có mức kW/m Từ khóa: Hải Phòng, lượng sóng, Mike 21 SW TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU* Vùng biển Hải Phòng nằm sâu Vịnh Bắc Bộ, nơi có nhiều đảo ven bờ cửa lạch Hải Phòng địa phương có cảng biển lớn so với nước, góp phần phát triển du lịch đóng góp lớn lao cho phát triển kinh tế nước Năng lượng truyền thống dầu, than, khí đốt ngày cạn kiệt nhu cầu sử dụng lượng người giới Vì vậy, nhà nghiên cứu nghiên cứu dạng lượng tái tạo lượng gió, lượng thủy triều, lượng sóng,… phục vụ cho nhu cầu thiết yếu người, tiến tới thay cho loại lượng truyền thống Trên giới, nghiên cứu lượng sóng biển tiến hành từ năm 1970 kỷ trước Các nghiên cứu tập trung vào vùng biển khác Trong nước có nghiên cứu định lượng sóng biển Biển Đơng Nguyễn Mạnh Hùng (2010) nghiên cứu đánh giá tiềm năng lượng sóng biển Việt Nam đề xuất giải pháp khai thác lượng sóng biển Trần Thanh Tùng Lê Đức Dũng (2012) nghiên cứu xác định lượng sóng ven bờ cho dải ven biển miền trung Việt Viện Nghiên cứu biển hải đảo Viện Cơ học Nam mơ hình tính sóng Mike 21 SW Năng lượng sóng biển Đơng nhiều học giả nước quan tâm Gang Lin nnk (2017) sử dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý kết hợp với mơ hình WW3 để đánh giá lượng sóng biển cho Biển Đơng Việt Nam quốc gia có bờ biển dài 3260 km với 3000 đảo lớn nhỏ nằm rải rác ngồi khơi (Nguyen Thi Huong Tran Quoc Quan, 2007), nhiều địa phương có khả phát triển lượng tái tạo điện gió lượng sóng biển Nghiên cứu trình bày kết tiềm năng lượng sóng biển vùng biển ven bờ khu vực Hải Phòng mơ hình sóng Mike 21 SW viện thủy lực Đan Mạch phát triển (DHI, 2008) Số liệu sóng lấy từ nguồn số liệu Cục quản lý Đại dương Khí Quốc gia Hoa Kỳ (NOAA) cung cấp, số liệu đủ dài, đảm bảo độ tin cậy cho đầu vào mơ hình CƠ SỞ DỮ LIỆU 2.1 Khu vực nghiên cứu Khu vực ven biển Hải Phòng lựa chọn làm khu vực nghiên cứu Hải Phòng phía bắc giáp Quảng Ninh, phía nam giáp Thái Bình, phía tây tỉnh Hải Dương Vùng biển Hải Phòng bao bọc đảo Quảng Ninh Hải Phòng, ngồi khơi có đảo Bạch Long Vỹ bị che chắn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) 45 đảo Hải Nam Sóng vùng biển Hải Phòng chịu ảnh hưởng chế độ gió sóng truyền từ ngồi khơi biển vào thơng qua eo biển Hai Kou cửa ngõ Vịnh Bắc Bộ Hình sóng chu kỳ sóng Tp Đây nguồn số liệu đủ dài đặc trưng cho trường sóng vùng để phân tích bảng tần suất hoa sóng khu vực biển Hải Phòng Dựa vào nguồn số liệu, nhóm nghiên cứu phân tích bảng tần suất sóng theo tám hướng với thang cấp độ sóng trình bày Hình Bảng đây: 45 315 0.25 - 0.75 >0.75 - 1.25 >1.25 - >2 - 3.5 >3.5 - >6 270 90 0% 10% 20% 30% 40% 50% Hình Vùng ven biển Hải Phòng 2.2 Số liệu sóng Số liệu sóng biển vùng biển ngồi khơi Hải Phòng lấy từ nhà cung cấp NOAA thời gian từ 1999-2018, với khoảng thời gian cho số liệu Số liệu sóng từ NOAA lưu dạng file nc chuyển sang dạng ASCII với cột năm, tháng, ngày, giờ, độ cao sóng, hướng 225 135 180 Hình Hoa sóng tổng hợp theo hướng Bảng Bảng tần suất độ cao sóng theo tám hướng (1999-2018) Khoảng độ cao (m) N NE 9.715 10.885 11.486 7.210 0.240 - E 8.332 4.072 1.159 0.147 0.033 0.002 Hướng sóng SE S Lặng 1.437 13.782 0.123 10.743 0.036 7.180 0.007 0.640 0.003 0.027 0.002 SW W NW Lặng P(%) 6.823 - 0.25 - 0.75 0.75 - 1.25 1.25 - 2.00 2.00 - 3.50 3.50 - 6.00 > 6.00 0.562 0.324 0.185 0.120 0.021 - 1.519 1.157 0.901 0.286 0.010 - 0.289 0.104 0.096 0.036 - 0.195 0.058 0.038 0.012 0.003 - Tổng Hmed(m) Hmax(m) 1.44 40.77 15.33 2.43 34.67 4.19 0.92 1.30 0.68 0.11 0.90 0.98 5.41 5.89 6.76 5.78 6.08 4.49 0.74 0.69 3.50 0.43 6.823 0.63 4.23 N0 F(%) 6.823 35.831 27.467 21.080 8.459 0.337 0.003 3985 20926 16041 12311 4940 197 100 93.177 57.346 29.879 8.799 0.341 0.003 100 58402 Ghi chú: N0 số số liệu; P tần suất xuất (%); F tần suất tích lũy; Hmed độ cao sóng trung bình Hmax độ cao sóng cực đại Kết phân tích thống kê cho thấy, vùng biển Hải Phòng chịu ảnh hưởng sóng đơng bắc vào 46 mùa đơng sóng hướng nam vào mùa hè Sóng đơng bắc chiếm 40.77% sóng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) hướng nam chiếm 34.67% Độ cao sóng lớn 6.76 m theo hướng đơng, nhiên sóng hướng đơng chiếm 15.33% đứng thứ ba so với hướng sóng Chính vậy, đánh giá lượng sóng biển vùng biển Hải Phòng xây dựng cho kịch với hai hướng sóng hướng đơng bắc hướng nam đại diện cho mùa hè mùa đơng MƠ TẢ MƠ HÌNH Mơ hình Mike 21 SW mơ hình phổ sóng gió hệ thứ ba viện thủy lực Đan Mạch phát triển Mike 21 SW sử dụng lưới tính phi cấu trúc sử dụng lưới có độ phân giải thơ ngồi khơi độ phân giải mịn vùng ven bờ (Jadidoleslam nnk, 2016) Mike 21 SW giải phương trình vận chuyển mật độ tác động sóng theo biến thời gian (t ) không gian ( x, y ) hai tham số pha sóng Hai tham số pha sóng hướng sóng tần số góc quan hệ 2f r Quan hệ phổ mật độ tác động sóng N ( , ) mật độ lượng E ( , ) biểu diễn theo công thức (1): E N (1) Mối quan hệ tần số góc quan hệ tần số góc tuyệt đối 2f a biểu diễn dạng phân tán tuyến tính: gk tan k (kd ) k U (2) Trong đó: g gia tốc trọng trường; d độ 2 sâu mực nước; k số sóng ( k , L bước L sóng); U véc tơ vận tốc dòng chảy Trong hệ tọa độ Đề Các, phương trình bảo tồn tác động sóng viết dạng: N S .(v N ) (3) t Trong đó: N ( x , , , t ) mật độ tác động; x ( x, y ) tọa độ Đề Các, v (cx , c y , c , c ) vận tốc sóng tiến; S thành phần nguồn phương trình cân lượng; tốn tử chiều theo khơng gian x , , Đặc trưng vận tốc sóng tiến viết dạng tuyến tính động : 1 dx 2kd (4) (cx , c y ) c g U 1 U dt sinh(2kd ) k U d d c U x d c g k dt d t s d d U c k dt k d m m (5) (6) Trong đó: s tọa độ khơng gian theo hướng sóng m tọa độ vng góc với s x tốn tử hai chiều khác theo khơng gian x Hàm nguồn S phương trình bảo tồn tác động sóng viết dạng: S Sin S nl S ds Sbot S surf (7) Trong đó: Sin mơ men chuyển đổi lượng gió sang lượng sóng; S nl lượng chuyển đổi tương tác phi tuyến sóng - sóng; S ds phân tán sóng sóng bạc đầu; Sbot phân tán hệ số ma sát đáy; S surf phân tán lượng sóng độ sâu vùng sóng đổ Các hàm nguồn Sin , S nl S ds Mike 21 SW tương tự hàm nguồn mơ hình WAM (Komen nnk, 1994) Hệ phương trình mơ men phổ viết dạng: (m0 ) (cx m0 ) N(cym0 ) (c m0 ) T0 (8) t x y (m1 ) (cxm1) N(cym1) (c m1) T1 (9) t x y Trong đó: m0 ( x , ) m1 ( x , ) mô men số phổ tác động N ( x , , ) T0 ( x , ) T1 ( x , ) hàm nguồn dựa theo phổ tác động Mô men mn ( x , ) định nghĩa : mn ( x , ) n N ( x , , )d (10) Hàm nguồn T0 T1 lấy từ ảnh hưởng gió địa phương phân tán lượng ma sát đáy sóng đổ Hàm nguồn gió địa phương suy từ quan hệ tăng trưởng kinh nghiệm (Johnson, 1998) Năng lượng sóng tính theo cơng thức (Viola nnk, 2016): g 2 P H s Te 0.49 H s2Te (kW/m) (11) 64 Trong đó: H s độ cao sóng ý nghĩa, mật độ nước, Te chu kỳ lượng sóng tính theo cơng thức (Behrens nnk, 2012) Te 0.86Tp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) 47 THIẾT LẬP MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN Mơ hình Mike 21 SW thiết lập cho vùng biển Hải Phòng mở rộng theo hướng bắc, nam đông nhằm giảm sai số nhiễu động biên Mô hình có biên lỏng ngồi khơi theo hướng bắc, đơng nam Phía tây biên cứng thuộc đất liền Hình Số liệu địa hình lấy từ nguồn số liệu thực đo Hải Quân Việt Nam quy đổi hệ tọa độ UTM 48 Hình Lưới tính địa hình khu vực nghiên cứu Khu vực ven biển Hải Phòng chia lưới với diện tích nhỏ nhiều so với khu vực ngồi khơi, vùng ven bờ có độ sâu chủ yếu nhỏ 25 m nước, phía ngồi khơi đảo Bạch Long Vỹ có độ sâu lớn 50 m nước Biên lỏng cung cấp đầu vào từ kết phân tích độ cao sóng ý nghĩa hai hướng sóng đơng bắc sóng hướng nam Các tham số ma sát đáy (bottom friction), hệ số sóng đổ (wave breaking) hệ số sóng bạc đầu (white capping) lấy mặc định từ mơ hình Mike 21 SW Bước thời gian tính tốn nhỏ lớn tương ứng 0.01 s 30 s KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH Việc kiểm định mơ hình nhằm đánh giá đưa thơng số mơ hình phù hợp với khu vực Hải Phòng Trong nghiên cứu nhóm nghiên cứu sử dụng số liệu thực đo mực nước sóng từ kết đợt khảo sát khu vực biển Hải Phòng Trạm mực nước có tọa độ kinh độ: 106°48'09.9"E; vĩ độ: 20°41'04.6"N Trạm sóng có tọa độ kinh độ: 106°59'31.99"E; vĩ độ: 20°36'50.04"N Thời gian quan trắc từ 27/7/2017 đến 10/8/2017 Kết kiểm định mơ hình mực nước sóng thể Hình 4a 4b: a) Kết kiểm định mơ hình mực nước b) Kết kiểm định mơ hình sóng Hình Kết so sánh kiểm định mơ hình mô số liệu thực đo Kết kiểm định mơ hình cho thấy kết tính tốn kết thực đo có tương đồng độ lớn pha Để đánh giá khả tính tốn mơ hình so với số liệu thực đo, nghiên cứu sử dụng số NASH việc kiểm định mực nước 0.96 mô hình sóng 0.67 Do đó, mơ hình thiết lập với thống số sau kiểm định đảm bảo độ xác cho phép sử dụng để tính tốn cho trường hợp 48 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sử dụng số liệu sóng tái phân tích từ NOAA để phân tích bảng tần suất độ cao sóng theo tám hướng cho thấy vùng biển Hải Phòng thịnh hành hai hướng sóng đơng bắc nam Do lượng sóng chủ yếu khu vực Hải Phòng tạo từ hai hướng sóng đơng bắc nam Phân tích số liệu sóng tái phân tích từ NOAA cho thấy, độ cao sóng có ý nghĩa hướng đơng bắc Hs = 2.17 m sóng hướng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) nam Hs = 1.46 m Độ cao sóng Hs sử dụng làm đầu vào cho mơ hình tính sóng Mike 21 SW Kết tiềm năng lượng sóng mơ mơ hình tính sóng Mike 21 SW cho hai kịch thể Hình Hình Bảng Bảng phân bố độ cao sóng theo chu kỳ sóng dựa theo số liệu NOAA H T 0.25 - 0.75 >0.75 - 1.25 >1.25 - >2 - 3.5 >3.5 - >6 Tổng >=0 - >2 - >4 - 0.168 5.615 0.625 0.002 19.617 15.809 1.190 25.795 0.007 16.636 0.550 0.170 >6 - >8 - 10 >10 - 12 >12 - 14 >14 - 16 >16 - 18 Tổng 0.262 0.130 0.012 0.005 0.007 6.823 0.342 0.050 0.007 0.003 35.831 0.479 0.002 27.467 4.435 0.002 21.080 7.810 0.098 0.002 8.459 0.091 0.243 0.003 0.337 0.003 0.003 26.429 59.416 13.419 0.527 0.012 0.015 0.005 0.007 Ngồi kết phân tích độ cao sóng theo chu kỳ sóng từ số liệu sóng tái phân tích cho thấy, sóng biển ngồi khơi vùng biển Hải Phòng tập trung chủ yếu khoảng 0.75-1.25 m với khoảng chu kỳ 4-6 s (Bảng 2) Chu kỳ sóng biển vùng biển ngồi khơi Hải Phòng tập trung chủ yếu dải 4-6 s (chiếm 59.4%), dải chu kỳ 2-4 s (chiếm 26.4%) Độ cao sóng từ 0.250.75 m chiếm ưu với 35.83%, dải độ cao sóng 0.75-1.25 m 1.25-2 m 27.47% 21.08% Hình Năng lượng sóng khu vực ven biển Hải Phòng tính theo hướng đơng bắc Hình Năng lượng sóng khu vực ven biển Hải Phòng tính theo hướng nam Đối với kịch theo hướng đơng bắc Năng lượng sóng tập trung cao khu vực ngồi khơi vùng biển Hải Phòng Năng lượng sóng giảm dần từ ngồi khơi vào đến ven bờ theo hướng vng góc với đường nối mũi Cát Bà - Đồ Sơn Do sóng truyền theo hướng đông bắc vào kết hợp với điều kiện địa hình nhiều đảo khu vực Quảng Ninh nên vào đến khu vực ven bờ, lượng sóng giảm rõ rệt Ngồi khơi lượng sóng đạt gần 2.0 kW/m vùng ven bờ nhỏ vào khoảng 0.07 kW/m Nhiều khu vực nằm đảo lượng sóng bé Với kịch thứ hai theo hướng nam sóng từ ngồi khơi truyền vào bị đảo chắn Năng lượng sóng giảm từ ngồi khơi (khoảng 2.0 kW/m) vào vùng ven bờ (khoảng 0.04 kW/m) Năng lượng sóng ngồi mũi đảo Đồ Sơn khoảng 0.85 kW/m Mặc dù độ cao sóng Hs hướng nam thấp nhiều so với độ cao sóng Hs hướng đơng bắc lượng sóng theo hướng nam tương đồng với lượng sóng theo hướng đơng bắc Điều cho thấy sóng hướng nam lan truyền vào bờ bị che chắn đảo so với sóng đơng bắc bị che chắn đảo Hải Phòng đảo lân cận tỉnh Quảng Ninh Kết nghiên cứu phù hợp với kết học giả tính cho vùng Biển Đơng, kết tính tốn lượng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) 49 sóng biển Đơng Nguyễn Mạnh Hùng cho thấy phía Vịnh Bắc Bộ có lượng sóng kW/m KẾT LUẬN Kết mơ tiềm năng lượng sóng vùng ven biển Hải Phòng mơ hình tính sóng Mike 21 SW dựa số liệu sóng tái phân tích NOAA cung cấp cho thấy tiềm sóng biển Hải Phòng thấp, 2.0 kW/m Năng lượng sóng cực đại tính theo hai hướng sóng khơng chênh lệch nhiều, khoảng 2.0 kW/m Hải Phòng có nhiều tuyến đường hàng hải, tàu thuyền trọng tải lớn qua gây hiệu ứng cộng hưởng độ cao sóng Đồng thời vùng biển có nhiều bão đổ hàng năm có biên độ triều lớn Do đó, triển khai lắp đặt, xây dựng nhà máy lượng sóng biển cần nghiên cứu cách kỹ lưỡng Vì nhóm nghiên cứu khuyến nghị khu vực ven biển Hải Phòng phù hợp lắp đặt với máy móc thiết bị có cơng suất nhỏ kW/m nhằm khai thác có hiệu tối đa Việt Nam có bờ biển dài 3260 km có trạm quan trắc hải văn ven bờ, trạm quan trắc có số liệu ngày (quan trắc vào khung 7, 13 19 Việt Nam) Nhiều địa phương khơng có trạm hải văn Vì sử dụng sóng tái phân tích từ nguồn số liệu NOAA cung cấp để phân tích đánh giá tiềm năng lượng sóng vùng cụ thể mơ hình số Đây cách đánh giá chế độ sóng lượng sóng biển hợp lý mà lại giảm chi phí đo đạc có độ tin cậy cao TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Mạnh Hùng, (2010) “Nghiên cứu đánh giá tiềm nguồn lượng biển chủ yếu đề xuất giải pháp khai thác” KC.09.19/06-10 Bộ Khoa học Công nghệ Trần Thanh Tùng, Lê Đức Dũng, (2012) “Nghiên cứu xác định lượng sóng ven bờ cho dải ven biển miền trung Việt Nam” Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi môi trường Số 39, 46-53 Behrens, S., Hayward, J., Hemer, M and Osman, P., (2012) “Assessing the wave energy converter potential for australian coastal regions” Renewable Energy, 43, 210–217 DHI, (2008) “Mike 21 SW scientific background” Denmark: DHI Jadidoleslam, N., Özger, M., & Ağıralioğlu, N., (2016) “Wave power potential assessment of Aegean Sea with an integrated 15-year data” Renewable energy, 86, 1045-1059 Johnson, H K., (1998) “On modelling wind-waves in shallow and fetch limited areas using the method of Holthuijsen”, Booij and Herbers Journal of coastal research, 14(3) Komen, G J., Cavaleri, L., Donelan, M., Hasselmann, K., Hasselmann, S and Janssen, P A E M., (1994) “Dynamics and modelling of ocean waves” Cambridge University Press, UK, 560 pp Lin, G., Shao, L T., Zheng, C W., Chen, X B., Zeng, L F., Liu, Z H., & Shi, W L., (2017) “Assessment of Wave Energy in the South China Sea Based on GIS Technology” Advances in Meteorology Nguyen Thi Huong, Tran Quoc Quan, (2007) “Vietnam Fishery Products Annual Report 2007” GAIN Report Viola, A., Franzitta, V., Trapanese, M., Curto, D., (2016) “Nexus water & energy: A case study of wave energy converters (WECs) to desalination applications in Sicily” Int J Heat Technol 34, S379– S386 50 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) Abstract: ASSESSMENT OF WAVE ENERGY POTENTIAL AT HAI PHONG COAST BY USING MIKE 21 SW MODEL Vietnam, with a coastline of over 3260 km and more than 3000 islands and islets scattered offshore In addition, the coastal zone plays an important role in developing marine economy, protecting security, ensuring national defense and sovereignty This is also an area with potential for renewable energy such as waves, wind and tides In this study, Mike 21 SW model with unstructured mesh was used to investigates the wave energy potential along the Hai Phong coast Data from the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) was used to initialize the Mike 21 SW model The time period of the data was chosen from January 1999 to December 2018 The wave energy in the Hai Phong coastal area was calculated for two scenarios: the northeast and south incident wave directions The results showed that the wave energy both two scenarios found to be below kW/m along the coast of the whole model area Keywords: Hai Phong, wave energy, Mike 21 SW Ngày nhận bài: 15/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/8/2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) 51 ... Hình Năng lượng sóng khu vực ven biển Hải Phòng tính theo hướng đơng bắc Hình Năng lượng sóng khu vực ven biển Hải Phòng tính theo hướng nam Đối với kịch theo hướng đơng bắc Năng lượng sóng tập... nhiều đảo khu vực Quảng Ninh nên vào đến khu vực ven bờ, lượng sóng giảm rõ rệt Ngồi khơi lượng sóng đạt gần 2.0 kW/m vùng ven bờ nhỏ vào khoảng 0.07 kW/m Nhiều khu vực nằm đảo lượng sóng bé Với... (9/2019) 49 sóng biển Đơng Nguyễn Mạnh Hùng cho thấy phía Vịnh Bắc Bộ có lượng sóng kW/m KẾT LUẬN Kết mô tiềm năng lượng sóng vùng ven biển Hải Phòng mơ hình tính sóng Mike 21 SW dựa số liệu sóng tái