Ứng dụng mô hình MIKE 21-SW để xác định các thông số sóng thiết kế ở khu vực ven bờ trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận

Trong bài viết này, tác giả đã ứng dụng mô hình MIKE 21-SW tính toán lan truyền sóng nước sâu, để từ đó xác định các thông số sóng thiết kế ở khu vực ven bờ trên đảo Phú Quý, phục vụ tính toán thiết kế các công trình bảo vệ bờ trên đảo.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MIKE 21-SW ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ SĨNG THIẾT KẾ Ở KHU VỰC VEN BỜ TRÊN ĐẢO PHÚ QUÝ, TỈNH BÌNH THUẬN Kiều Xuân Tuyển, Nguyễn Đình Quang Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung Tây Nguyên Phan Thị Tường Vi Trường Cao đẳng Công nghệ - Kinh tế Thủy lợi miền Trung Tóm tắt: Đảo Phú Quý huyện đảo tỉnh Bình thuận, cách Trường Sa khoảng 400km Từ vị trí đảo Phú Quý, với trạm đa quan sát biển kiểm sốt tồn tuyến đường hàng hải quốc tế từ Thái Bình Dương qua Ấn Độ Dương Vì vậy, Phú Q có vị trí quan trọng an ninh quốc phòng, hậu phương nơi trung chuyển nhu yếu phẩm cho quần đảo Trường Sa, Hoàng Sa khơi xa Hiện đảo Phú Quý bị xâm thực nghiêm trọng Trong báo này, tác giả ứng dụng mơ hình MIKE 21-SW tính tốn lan truyền sóng nước sâu, để từ xác định thơng số sóng thiết kế khu vực ven bờ đảo Phú Q, phục vụ tính tốn thiết kế cơng trình bảo vệ bờ đảo Từ khóa: Lan truyền sóng, thơng số sóng thiết kế, đảo Phú Quý Summary: Phu Quy is an island district of Binh Thuan province, it is about 400km from Truong Sa With the marine radar station located on Phu Quy island, we can control the entire international maritime route from the Pacific to the Indian Ocean Therefore, Phu Quy has an extremely important position in terms of security and defense, as well as the rear and transit center for the Truong Sa and Hoang Sa islands Currently, Phu Quy is seriously eroded In this paper, the author has applied the MIKE 21-SW wave model to calculate the wave propagation to determine the design wave parameters in the coastal areas of Phu Quy island, serving for calculate and design of coastal protection works on the island Keywords: wave propagation, design wave parameters, Phu Quy island ĐẶT VẤN ĐỀ* Huyện đảo Phú Quý quần thể gồm 10 đảo lớn nhỏ, đảo Phú Q có diện tích lớn (16,4 km²) đảo có dân cư với xã, 10 thôn khoảng 27.500 người Trong 10 đảo có đảo Hòn Hải nằm đường sở (A6) để tính vùng lãnh hải Việt Nam nằm tọa độ 9058’- 10033’N 109005’E, đồng thời mỏm nhô xa đường viền nội thủy Việt Nam phần Đông Nam Biển Đông độ từ 10029’-10033’ Vĩ độ Bắc 108055’108058’ Kinh độ Đơng, cách thành phố Phan Thiết 125km phía Đông Nam Huyện đảo Phú Quý án ngữ tuyến giao thơng đường biển quan trọng từ thành phố Hồ Chí Minh Hải Phòng, Hồng Kơng, Đài Loan, Trung Quốc, Nhật Bản Hơn 35 năm trở lại đảo Phú Quý bị biển xâm thực nghiêm trọng Trước năm 1975 diện tích đảo 22 km2, đến năm 2010 diện tích đảo khoảng 18 km2 Diện tích đảo Phú Huyện đảo Phú Quý phân bố phạm vi tọa Ngày nhận bài: 01/10/2018 Ngày thông qua phản biện: 12/11/2018 Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Quý bị biển xâm thực khoảng 18% vòng 35 năm qua [1] Miền Trung, có đảo Phú Quý nơi bị tàn phá thiên tai nhiều nước Hàng năm bão lốc, sóng, gió, sạt lở cướp nhiều sinh mạng, tàu thuyền ngư dân đảo, trơi nhiều nhà cửa nhiều diện tích đất canh tác hoi đảo làm ảnh hưởng lớn tới đời sống hoạt động kinh tế đảo triển kinh tế đảo, góp phần vào cơng bảo vệ an ninh quốc phòng, giữ vững chủ quyền biển Đông tổ quốc Quy trình chung để xây dựng cơng trình ven biển, bao gồm thiết kế đê biển cần tính sóng vùng nước sâu, sau tính sóng lan truyền vào vùng xây dựng cơng trình Đối với khu vực có địa hình đơn giản, đường bờ thẳng, đường đẳng sâu song song với đường bờ, không bị che chắn mũi đá, cồn ngầm tính tốn truyền sóng cơng cụ đơn giản mơđun tính sóng Wadibi, mơđun tính sóng Mike 21, Đối với khu vực đảo Phú Quý, địa hình khu vực phức tạp bị chen chắn mũi đá, đường bờ cong nên để tính sóng lan truyền vào vùng xây dựng cơng trình, tác giả sử dụng mơ hình tốn Mike 21-SW [2] GIỚI THIỆU MƠ HÌNH MIKE 21-SW Hình Địa hình đảo Phú Quý Với vị trí chiến lược tầm quan trọng vấn đề an ninh quốc phòng nêu trên, việc giữ ổn định bền vững đảo trước tác động thiên nhiên, giữ ổn định sống nhân dân đảo nhiệm vụ cần thiết Việc nghiên cứu xác định thơng số sóng ven bờ phục vụ cho việc quy hoạch, thiết kế cơng trình ven bờ, cơng trình bảo vệ bờ đảo Phú Quý vừa có ý nghĩa thực tế có ý nghĩa khoa học sâu sắc phục vụ dân sinh phát Mike21-SW mơ đun tính phổ sóng gió tính tốn dựa lưới phi cấu trúc Mơ đun tính tốn phát triển, suy giảm truyền sóng tạo gió sóng lừng khơi khu vực ven bờ Động lực học sóng trọng lực mơ dựa phương trình mật độ tác động sóng Phổ mật độ tác động sóng thay đổi theo khơng gian thời gian hàm tham số pha sóng Hai tham số pha sóng vector sóng K với độ lớn K hướng θ Ngoài ra, tham số pha sóng hướng sóng θ tần suất góc tương đối Trong mơ hình hướng sóng θ tần suất góc tương đối chọn để tính tốn Tác động mật độ N thay mật độ lượng E thông qua công thức: m   max với m=5 (1) E ,   E max, .r      Mike21-SW bao gồm hai công thức khác nhau: Công thức tham số tách hướng công thức phổ tồn phần - Cơng thức tham số tách hướng dựa việc tham số hố phương trình bảo tồn hoạt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ động sóng - Giới hạn miền tính khu vực Phú Quý: - Cơng thức phổ tồn phần dựa phương trình bảo tồn hoạt động sóng + Giới hạn điểm đầu: Kinh độ: 925000; Vĩ độ: 1156800 Mike21-SW bao gồm tượng vật lý sau: Sóng phát triển tác động gió; tương tác sóng-sóng phi tuyến; tiêu tán sóng bạc đầu; tiêu tán sóng ma sát đáy; tiêu tán sóng sóng vỡ; khúc xạ hiệu ứng nước nông thay đổi độ sâu; tương tác sóng - dòng chảy; ảnh hưởng thay đổi độ sâu theo thời gian + Giới hạn điểm cuối: Kinh độ: 945000; Vĩ độ: 1176800 - Lưới tính thiết lập mơ hình lưới phi cấu trúc với 3450 lưới tính tốn + Diện tích lưới lớn 400.000 m2 + Số mắt lưới tối đa vùng tính 200.000 + Góc nhỏ ô lưới 260 3.2 Điều kiện biên ban đầu để tính tốn, kiểm định mơ hình - Biên mực nước: Biên mực nước thiết lập cho biên với dao động mực nước biên lấy từ số điều hòa tồn cầu mơ hình Mike 21 - Biên sóng: Số liệu sóng để tính tốn kiểm định dòng chảy lấy từ số liệu sóng thực đo Hình Miền tính, lưới tính THIẾT LẬP MƠ HÌNH 3.1 Miền tính, lưới tính Miền tính, lưới tính khu vực Phú Quý thiết lập phục vụ tính tốn giao động mực nước, lan truyền sóng từ ngồi khơi vào vùng ven bờ trường dòng chảy tổng cộng mực nước, sóng gió phục vụ cơng tác hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Miền tính, lưới tính khu vực xây dựng dựa số liệu địa hình thực đo ven bờ năm 2012 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên số liệu khu vực khơi Hải quân Việt Nam đo đạc Các số liệu địa hình hiệu chỉnh đưa hệ cao độ quốc gia, hệ tọa độ quy UTM48 Miền tính tốn khu vực Phú Quý thiết lập gồm biên: biên biên phía Tây, biên biên phía Bắc, biên biên phía Đơng biên biên phía Nam - Biên gió: Số liệu biên sóng, gió lấy vào mơ hình tính tốn kiểm định trường dòng chảy thực đo tính tốn (vì số liệu dòng chảy thực đo dòng chảy tổng cộng triều, sóng gió) Do khơng có số liệu thực đo nên số liệu gió quy đổi từ số liệu sóng thực đo Cơng thức quy đổi sử dụng SPM 1984 tính tốn sóng dựa công thức JONSWAP sử dụng vận tốc gió hiệu chỉnh UA vận tốc gió đo đạc U 3.3 Tính tốn hiệu chỉnh kiểm định mơ hình * Số liệu: Số liệu sóng biên mơ hình làm đầu vào cho hiệu chỉnh mơ hình sóng với số liệu sóng thực đo lấy từ số liệu sóng tái phân tích tồn cầu NOAA, tương ứng với thời gian thực đo từ 01 phút ngày 18/12/2012 đến 01 phút ngày 03/01/2012 Số liệu sóng quy đổi thời gian GMT+7, theo múi Việt Nam * Bộ thông số mô hình sóng: Tiến hành thiết lập thơng số mơ hình tính tốn lan truyền sóng so sánh kết tính tốn lan truyền sóng mơ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ hình với số liệu thực đo để đưa thông số mô hình sóng phù hợp với khu vực biển Phú Q Bộ thơng số mơ hình gồm: - Số bước thời gian tính tốn: 381 - Khoảng thời gian bước tính tốn: 3600s - Thời gian tính tốn: từ 9:01 ngày 18/12/2012 đến 6:01 ngày 03/01/2013 - Hệ số sóng vỡ: 0,68 - Hệ số ma sát đáy: tính theo Nikuradse roughness: 0,28 - Điều kiện biên mực nước: biên triều - Điều kiện ban đầu: phổ sóng sử dụng tính tốn JONSWAP - Điều kiện biên sóng: biên sóng lấy từ số liệu sóng tài phân tích tồn cầu NOAA - Điều kiện biên gió: biên gió lấy theo số liệu tính tốn - Hệ số ma sát gió: 0,001855 Kết tính tốn: dạng điểm, bước thời gian xuất kết quả: giá trị Kết tính tốn, hiệu chỉnh lan truyền sóng mơ hình đo đạc thực tế sau: Hình Kết hiệu chỉnh chiều cao sóng tram Phú Quý (12/2012) Hình Kết hiệu chỉnh chu kỳ sóng tram Phú Quý (12/2012) Để đánh giá độ xác kết tính tốn kết thực đo, sử dụng số Nash- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC Sutcliffe (1970) để đánh giá F2 n n ( x i  x )  i 1 ( x 'i  x i ) i 1   n i 1 (x i  x) (2) Trong đó: F2 - hệ số Nash CÔNG NGHỆ NASH, kết cho F2 = 0,8 Với kết so sánh số NASH cho thấy kết tính tốn mơ hình đảm bảo điều kiện xác cho phép mơ hình Vì sử dụng thơng số sau kiểm định, hiệu chỉnh mơ hình để tính tốn cho bước KẾT QUẢ TÍNH SĨNG THIẾT KẾ TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ VEN BỜ TRÊN ĐẢO PHÚ QUÝ xi - giá trị thực đo thứ i xi' - giá trị tính tốn thứ i x - giá trị thực đo trung bình Kết so sánh chiều cao sóng thực đo tính tốn, có số Nash = 0,87 Nhận xét: Kết tính tốn hiệu chỉnh sóng thực đo trạm Phú Q số liệu sóng tính tốn mơ hình thời gian từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013 thể hình hình thơng qua việc so sánh giá trị chiều cao sóng chu kỳ sóng Dựa vào hình cho thấy pha chiều cao sóng chu kỳ sóng tính tốn thực đo gần tương đồng với Về độ lớn chiều cao sóng chu kỳ sóng tính tốn thực đo có số sai khác số điểm, nhiên tổng thể kết tính tốn cho phép chấp nhận Để đánh giá mức chênh lệch chiều cao sóng thực đo tính tốn sử dụng số Trong khn khổ báo này, tác giả chọn sóng hướng Bắc hướng Tây ứng với tần suất 10% 2% để tính tốn lan truyền sóng nước sâu vào khu vực đảo - Để xác định giá trị mực nước triều trung bình thiết kế, dựa vào chuỗi số liệu thực đo trạm Phú Quý (1980-2012), tính tốn vẽ đường tần suất xác định giá trị mực nước triều (Ht) ứng với tần suất (bảng 1) - Để xác định tham số sóng cực đại vùng nước sâu lan truyền vào khu vực ven bờ, dựa vào "Kết phân vùng bão xác định nguy nước dâng bão cho khu vực ven bờ biển Việt Nam" Bộ Tài nguyên Môi trường năm 2014 [3], thấy đảo Phú Quý thuộc vùng V Từ đó, tra chiều cao sóng nước sâu thiết kế (Hs) chu kỳ phổ sóng (Tp) theo tần suất (bảng 1) Bảng Tham số sóng vùng nước sâu theo tần suất thuộc vùng V Tần suất Chu kỳ(năm) Hs (m) Tp (s) Ht (m) 10% 10 9,4 11,6 2,49 5% 20 9,9 11,9 2,52 2% 50 10,5 12,4 2,56 1% 100 11,0 12,7 2,58 * Kết tính lan truyền sóng nước sâu theo hướng Bắc vào đảo: Dựa vào chiều cao sóng nước sâu thiết kế chu kỳ phổ sóng theo tần suất bảng ta đưa vào mơ hình từ xác định chiều cao sóng thiết kế (Hsp) chu kỳ sóng thiết kế (Tsp) vị trí đảo sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Hình Kết tính truyền sóng hướng Bắc Phú Quý Bảng Chiều cao sóng chu kỳ sóng số vị trí đảo theo sóng hướng Bắc Tần suất 10% 2% Vị trí D01 D02 D03 D04 D05 D06 D07 D08 D01 D02 D03 D04 D05 D06 D07 D08 Chiều cao sóng nước sâu Hs (m) 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 Chiều cao sóng thiết kế Hsp (m) 1,82 1,36 2,41 1,63 0,87 3,06 3,16 3,91 1,88 1,41 2,57 1,84 1,05 3,37 3,48 4,09 Chu kỳ sóng thiết kế Tsp (s) 11,44 11,42 11,06 11,72 12,31 11,57 10,73 11,02 12,18 12,21 11,85 12,45 12,95 12,21 11,44 11,76 Hình Một số vị trí trích xuất kết sóng Phú Q TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC * Kết tính lan truyền sóng nước sâu theo hướng Tây vào đảo: Dựa vào chiều cao sóng nước sâu thiết kế CƠNG NGHỆ chu kỳ phổ sóng theo tần suất bảng ta đưa vào mơ hình từ xác định chiều cao sóng thiết kế (Hsp) chu kỳ sóng thiết kế (Tsp) vị trí đảo sau: Hình Kết tính truyền sóng hướng Tây Phú Quý Bảng Chiều cao sóng chu kỳ sóng số vị trí đảo theo sóng hướng Tây Tần suất Vị trí 10% D01 D02 D03 D04 D05 D06 D07 D08 Chiều cao sóng nước sâu Hs (m) 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 9,4 Chiều cao sóng thiết kế Hsp (m) 1,75 1,33 3,08 1,14 0,46 0.59 0,58 1,66 Chu kỳ sóng Tần thiết kế suất Tsp (s) 11,81 11,55 11,22 11,46 12,11 12,03 12,10 11,82 Qua kết trích xuất chiều cao sóng số vị trí đảo theo hướng sóng khác cho thấy: Với sóng hướng Bắc khu vực phía Tây Bắc đảo có chiều cao sóng lớn (tại điểm D08 với tần suất 10%, chiều cao sóng thiết kế 3,91m; với tần suất 2%, chiều cao sóng 4,09m); 2% Vị trí Chiều cao sóng nước sâu Hs (m) Chiều cao sóng thiết kế Hsp (m) Chu kỳ sóng thiết kế Tsp (s) D01 D02 D03 D04 D05 D06 D07 D08 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 1,83 1,39 3,71 1,40 0,61 0,77 0,75 2,11 12,55 12,27 11,92 12,19 12,78 12,73 12,81 12,55 với sóng hướng Tây khu vực phía Đơng đảo sóng có chiều cao lớn (tại điểm D03 với tần suất 10%, chiều cao sóng thiết kế 3,08m; với tần suất 2%, chiều cao sóng 3,71m) Với tần suất chiều cao sóng hướng Bắc có giá trị lớn sóng hướng Tây Ở khu vực phía Bắc Đơng Bắc đảo với TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ hướng sóng hay tần suất chiều cao sóng có giá trị gần xấp xỉ với (với sóng hướng Bắc hay hướng Tây chiều cao sóng dao động từ 1,75 ÷ 1,88m) Ngun nhân khu vực có hệ dãy đá ngầm có tác dụng mỏ hàn cản sóng từ xa tác động vào đảo Như vậy, tùy theo tính chất vị trí cơng trình bảo vệ bờ mà ta lựa chọn hướng sóng bất lợi tác động vào vùng xây dựng cơng trình để từ có nhận định xác biện pháp kết cấu cơng trình KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả ứng dụng mơ hình MIKE 21-SW để tính tốn lan truyền sóng nước sâu theo tần suất hướng sóng vào khu vực ven bờ đảo Phú Quý, để từ xác định chiều cao sóng thiết kế chu kỳ sóng thiết kế số điểm ven bờ đảo ứng với hướng sóng chu kỳ lặp khác Các kết nghiên cứu làm sở cho việc lập dự án đầu tư xây dựng cơng trình bảo vệ bờ đảo Nghiên cứu dừng việc ứng dụng mô đun tính phổ sóng gió phục vụ tính tốn chiều cao sóng ven bờ mà chưa đưa đánh giá trình diễn biến xói lở bồi tụ khu vực này, để từ có hình thức biện pháp bảo vệ bờ cách hợp lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kiều Xuân Tuyển, Trần Thanh Tùng, Lê Đức Dũng "Mơ hình hóa biến động đường bờ xâm thực bãi biển, đảo Phú Q, tỉnh Bình Thuận", Tạp chí khoa học cơng nghệ thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Số 29, tr 89-96, tháng 12/2015 [2] Mike 21 Spectral Wave Module Sciemtific Documentation by DHI, 2012 [3] Bộ Tài nguyên Môi trường Phê duyệt công bố kết nghiên cứu, phân vùng bão xác định nguy bão, nước dâng bão cho khu vực ven biển Việt Nam, 2014 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 51 - 2018 ... truyền sóng nước sâu theo tần suất hướng sóng vào khu vực ven bờ đảo Phú Quý, để từ xác định chiều cao sóng thiết kế chu kỳ sóng thiết kế số điểm ven bờ đảo ứng với hướng sóng chu kỳ lặp khác Các kết... triều (Ht) ứng với tần suất (bảng 1) - Để xác định tham số sóng cực đại vùng nước sâu lan truyền vào khu vực ven bờ, dựa vào "Kết phân vùng bão xác định nguy nước dâng bão cho khu vực ven bờ biển... nhiên, giữ ổn định sống nhân dân đảo nhiệm vụ cần thiết Việc nghiên cứu xác định thơng số sóng ven bờ phục vụ cho việc quy hoạch, thiết kế cơng trình ven bờ, cơng trình bảo vệ bờ đảo Phú Q vừa có