PHỤ LỤC AĐường tần suất đảm bảo độ cao mực nước biển ven bờ từ Quảng Ninh đếnQuảng Nam phục vụ thiết kế đê biển

PHỤ LỤC A ĐƯỜNG TẦN SUẤT MỰC NƯỚC TỔNG HỢP PHỤ LỤC A Đường tần suất đảm bảo độ cao mực nước biển ven bờ từ Quảng Ninh đến Quảng Nam phục vụ thiết kế đê biển I CƠ SỞ KHOA HỌC I.1 Cơ sở số liệu Các số liệu sử dụng trình xây dựng đường tần suất đảm bảo độ cao mực nước biển ven bờ từ Quảng Ninh đến Quảng Nam gồm: - Các đồ địa hình chi tiết tỷ lệ 1:25.000 cho toàn đoạn bờ đến độ sâu 20 m nước; đồ địa hình tỷ lệ 1:500.000 1:1.000.000 cho vùng Biển Đông - Các tham số bão hoạt động Biển Đơng có ảnh hưởng đến Việt Nam từ năm 1951 đến 2007, gồm 349 (nguồn từ: Cục Dự báo Khí tượng, Nha khí tượng Nhật Bản (JMA), Viện Nghiên cứu Viễn Đông, Nga) - Số liệu đo đạc liên tục nhiều năm mực nước 29 trạm thủy văn cửa sông (Bến Triều, Đị Tranh, Mũi Chùa, Cửa Cấm, Đơng Xun, Ba Lạt, Định Cư, Ngô Xá, Hành Thiện, Phú Lễ, Như Tân, Cửa Hội, Hoàng Tân, Lạch Sung, Lèn, Vạn Thắng, Bến Thủy, Cửa Hội, Hộ Độ, Lương Yên, Thanh Khê, Cửa Việt, Hiền Lương, Thạch Hãn, Huế, Sông Hàn, Câu Lâu, Cẩm Nhượng, Hội An) trạm hải văn ven bờ (Cửa Ơng, Hịn Gai, Hịn Dáu, Cửa Hội, Cửa Gianh, Cửa Việt, Đà Nẵng, Quy Nhơn) (nguồn từ: Trung Tâm Khí tượng Thủy văn Biển) - Số liệu mực nước thời gian có bão hoạt động (5 ngày ngày) trạm (nguồn từ: Trung Tâm Khí tượng Thủy văn Biển) - Số liệu khảo sát nước dâng bão sau bão đổ (15 cơn) (nguồn từ: Trung Tâm Khí tượng Thủy văn Biển Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu Tư vấn Môi trường Biển) Các số liệu địa hình đáy biển số hóa thiết lập đồ độ sâu biển đường bờ cho mơ hình số trị Các số liệu tham số bão tổng hợp thành thống Ngoài việc sử dụng số liệu việc hiệu chỉnh, kiểm tra mơ hình số trị (bài tốn nước dâng bão), cịn tiến hành phân tích thống kê, tìm quy luật phân tham số bão tốc độ di chuyển, cường độ, vị trí đổ bão… để xây dựng bão giả định Số liệu đo đạc mực nước nhiều năm trạm thủy, hải văn ven bờ phân tich để xá định số điều hịa (biên độ pha) sóng triều thành phần Các giá trị phân tích sử dụng việc hiệu chỉnh mơ hình số trị (bài tốn thủy triều), sử dụng để mô tả giá trị độ cao thủy triều chu kỳ 19 năm Số liệu đo đạc thời kỳ có bão khảo sát sau bão sử dụng việc hiệu chỉnh, kiểm tra mơ hình số trị (bài tốn nước dâng bão) Hình I.1 349 bão lịch sử hoạt động Biển Đơng I.2 Phân tích xử lý số liệu I.2.1 Hằng số điều hòa thủy triều Theo lý thuyết thủy triều điều hòa, mực nước thủy triều thiên văn xác định tổ hợp mực nước sóng triều thành phần gây lên, theo công thức: n z t = A0 + ∑ f i H i cos[ qi t + (Vo + u ) i − g i ] (1) i =1 Trong đó, Zt độ cao thủy triều so với mực chuẩn đó, n – số lượng sóng triều thành phần, A0- số tham chiếu đến mực biển trung bình, fi – hệ số suy giảm biên độ, (V0+u)i – pha ban đầu kinh tuyến Greenwich, Hi, qi gi tương ứng biên độ, vận tốc góc pha sóng triều thành phần thứ i Trên sở số liệu mực nước nhiều năm, sử dụng công thức (1) phương pháp phân tích điều hịa [4] ta thu nhận giá trị số điều hòa Hi gi sóng triều trạm Thực tế kết phân tích cho thấy khu vực biển nước ta, 10 sóng triều có biên độ đáng kể sóng M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1, Sa Ssa Từ số điều hòa dễ dàng tính tốn mực triều thiên văn trạm, thời điểm Ngoài ra, số điều hòa sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình số trị (mơ đun tính thủy triều) I.2.2 Nước dâng bão Mực nước dâng bão tách từ số liệu đo đạc mực nước thời gian có bão hoạt động công thức: Znd = Zdo - Zt, với Znd nước dâng bão, Zt - mực nước đo đạc Tại trạm có giá trị số điều hòa, độ cao thủy triều Zt dễ dàng xác định qua công thức (1); Tại trạm chưa có giá trị số điều hịa sử dụng phương pháp phục hồi [1] Từ số liệu mực nước thời gian có bão hoạt động, phân tích thu nhận 2.200 chuỗi số liệu nước dâng 23 trạm đo bão từ 1960 đến 2006 gây Các kết dùng để hiệu chỉnh kiểm chứng mơ hình số trị (mơ đun tính nước dâng bão) I.2.3 Các tham số bão Trên sở số liệu bão lịch sử Cục dự báo khí tượng Việt Nam cung cấp, bổ sung thêm bão thiếu thời điểm bão ngồi khơi chưa có số liệu từ nguồn khác Tiếp theo, tính tốn bổ sung tham số bão cịn thiếu chưa có vận tốc gió cực đại Wmax, hướng di chuyển bão θ, vận tốc di chuyển Vc cấp bão thời điểm quan trắc (OBS), vị trí bão đổ ( ϕ vĩ độ, quỹ đạo bão cắt bờ) cho bão hệ thống thông tin địa lý (GIS) Xác định phạm vi ảnh hưởng khác bão tới vùng nghiên cứu: vùng 1, bão cách xa, cách bờ biển khoảng 500Km, vùng bão chưa gây nước dâng vùng nghiên cứu; vùng 2, đến bão cách bờ khoảng 200Km, lúc bão gây nước dâng đáng kể đến vùng ven bờ; vùng 3, đến bão đổ bộ, lúc bão gây nước dâng lớn đến vùng ven bờ; vùng 4, sau bão đổ bộ, bão thường tan thay đổi lớn cường độ (xem Hình I.2) Vùng Vùng Vùng Vùng Hình I.2 Vùng nghiên cứu phân vùng gây ảnh hưởng bão Xác định phân bố thông kê tham số bão bản: Po, Vf, θ, ϕ cho vùng theo công thức: Q= N N ∑Q i =1 i (2) đó, Q đại lượng Po (áp suất tâm bão), Vf hoặcθ, giá trị trung bình, số i OBS thứ i; N - số lượng OBS tương ứng Kết phân tích tương quan tham số bão Bảng thông số bão hầu hết độc lập với Đáng ý tương quan trung bình yếu (-0.32) vị trí bão đổ ϕ tháng đổ Điều phù hợp với nhận định: đầu mùa, bão thường đổ vào phía Bắc chuyển dần vào phía Nam vào cuối mùa (Đào, 2002) Bảng Hệ số tương quan (R) thông số bão (Vùng 3) Huớng di chuyển (θ) Vận tốc di chuyển (Vf) Áp suất Vị trí đổ tâm (ϕ) (Pmin) Thời gian đổ Giờ Ngày Vf 0.15 Pmin -0.01 -0.20 λ 0.01 0.10 -0.17 Giờ 0.08 -0.07 0.01 0.05 Ngày 0.07 -0.09 0.06 0.02 0.00 Tháng 0.24 0.01 0.06 -0.32 -0.05 -0.22 Năm -0.12 -0.09 -0.08 -0.05 0.09 0.06 Tháng -0.05 I.3 Xây dựng bão giả định Xây dựng hàm thống kê (phân phối xác suất) cho tham số bão (vị trí bão đổ - λ, áp suất tâm bão - Po, hướng di chuyển - θ vận tốc di chuyển - V f) 313/349 bão lịch sử đổ vào vùng bờ từ 14°N đến 22°N (Hình I.3) Mỗi bão giả định gồm đoạn tương ứng với vùng (vùng 1, vùng vùng 3+4); vùng có tham số (tọa độ (vĩ độ) đổ bộ, hướng di chuyển (θ), vận tốc di chuyển (Vf) áp suất tâm (Po)) tham số có giá trị đoạn; xây dựng cách ngẫu nhiên dựa hàm phân phối xác suất hệ số tương quan tham số (Hình I.3) Kết xây dựng 5.490 bão giả định (tương ứng với 1.000 năm bão, trung bình 5,49 cơn/năm) Trong số bao gồm bão xảy Hình I.3 Hàm phân phối xác suất tham số bão vùng Hình I.4 5490 bão giả định tạo đổ vào khu vực 14°N-22°N (thể GIS) I.4 Xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp I.4.1 Mơ hình số trị tính tốn thủy triều nước dâng bão Với số liệu thực đo có rõ ràng khơng đủ để xây dựng đường tần suất mực nước cho toàn điểm ven bờ khu vực, để khắc phục tình trạng này, áp dụng mơ hình số trị Ở đay sử dụng mơ hình số trị xây dựng sở: - Hệ phương trình nước nơng phi tuyến chiều viết hệ tọa độ cầu, - Phương pháp sai phân hữu hạn, sơ đồ sai phân xen kẽ qt ln hướng, - Mơ hình trường gió, trường áp giải tích, - Lưới tính bao phủ tồn Biển Đơng với độ phân giải 1/12 độ kinh, vĩ Mơ hình số trị phát triển hồn thiện chương trình tính toán thủy triều, nước dâng bão cho vùng biển Việt Nam trước [1] I.4.2 Tính tốn thủy triều Trước hết, mơ hình số trị cần hiệu chỉnh qua giá trị số điều hòa (biên độ, pha) 10 sóng (M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1, Sa Ssa) trạm đo khu vực Sau hiệu chỉnh tốt, mơ hình sử dụng để tính tốn số điều hịa điểm ven ven bờ, tiếp theo, số điều hòa sử dụng để tính độ cao mực triều điểm chu kỳ 19 năm, qua công thức (1) Cuối cùng, giá trị độ cao triều sử dụng để xây dựng đường tần suất đảm bảo độ cao thủy triều [2] I.4.3 Tính tốn nước dâng bão Trước sử dụng mơ hình số trị để tính giá trị nước dâng bão lớn điểm ven bờ bão (trong số 5.490 giả định) gây ra, hiệu chỉnh kiểm tra mơ hình số trị qua số liệu mực nước đo đạc 66 bão gây nước dâng đáng kể (> 50cm) Kết so sánh tính tốn thực đo cho thấy mơ hình mô tả tốt tượng nước dâng bão khu vực nghiên cứu [3] Tiến hành tính tốn nước dâng bão giả định gây ra, điểm ven bờ ta nhận 5490 giá trị nước dâng cực đại Các giá trị nước dâng sử dụng để xây dựng đường tần suất đảm bảo độ cao nước dâng bão I.4.4 Tính tốn nước dâng tổng hợp (bão thủy triều) Bão thủy triều coi hai tượng hoàn toàn độc lập với Một bão đổ vào đất liền vào pha triều: thấp nhất, cao nhất, lưng triều, Sơ đồ xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp điểm Hình I.5 Hình I.5 Sơ đồ khối xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp Tại điểm, xây dựng hàm phân phối xác suất độ lớn nước dâng bão độ cao thủy triều (Hình I.6) Hàm phân phối xác suất độ lớn nước dâng bão hàm phân bố toán học lựa chọn từ 40 hàm phân bố thông thường theo tiêu chuẩn Bestfitting Anderson Darling Hàm phân phối xác suất độ cao thủy triều hàm phân bố thực nghiệm (Experience distribution) Đối với hàm phân phối xác suất độ lớn nước dâng bão, với liệu 1.000 năm bão, hầu hết điểm tính, khó tìm hàm phân bố tốn học đơn (một hàm) mơ tả đủ tốt Do vậy, nghiên cứu sử dụng kết hợp hàm phân bố tương ứng với đoạn (Hình I.7) Hình I.6 Hàm phân phối xác suất (a) nước dâng bão, (b) mực nước thủy triều điểm (108°10', 21°30') (a) (b) Hình I.7 Đường tần suất nước dâng bão (a) sử dụng hàm phân phối xác suất, (b) sử dụng kết hợp hàm phân phối xác suất điểm (108°10', 21°30') Tại điểm, để có giá trị mực nước tổng hợp với chu kỳ lặp lại lớn (100, 200 năm) đạt độ xác cao, 54.900 giá trị mực nước tổng hợp tương ứng với 10.000 năm bão mô theo công thức (3): { H TH } i = { H B } j + { H Tr } k (3) đó, HTH giá trị mực nước tổng hợp, HB - giá trị nước dâng bão, HTr - giá trị mực nước thủy triều, i=1-54.900, j=1-5.490, k=1-55200 Giá trị nước dâng bão xác định từ hàm phân phối thống kê toán học tương ứng sau [8, 12]: H B = inv( F ( PH B )) (7) đó, F hàm phân phối xác suất, PHB - xác suất phân phối (cummulative probability) giá trị nước dâng bão, lấy ngẫu nhiên khoảng 0-1 theo phân bố (uniform distribution), Inv - hàm ngược F Giá trị mực nước thủy triều xác định trực tiếp từ đường phân phối thực nghiệm tương ứng phương pháp tuyến tính cục (Piecewise linear) với xác suất P lấy ngẫu nhiên khoảng 0-1 theo phân bố Chẳng hạn, giá trị mực nước thủy triều có xác suất 0,77 53cm (Hình I.8) Hình II.71 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 71 (105°38', 18°55') Vĩnh Kim, Vĩnh Linh, Quảng Trị Hình II.72 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 72 (105°47', 18°45') Trung Giang, Gio Linh, Quảng Trị Hình II.73 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 73 (105°50', 18°34') Gio Mỹ, Gio Linh, Thăng Bình Quảng Trị Hình II.74 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 74 (105°58', 18°24') Triệu Lăng, Triệu Phong, Quảng Trị Hình II.75 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 75 (106°04', 18°19') Hải Khê, Hải Lăng, Quảng Trị Hình II.76 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 76 (106°18', 18°10') Điền Hương, Phong Điền, Thừa Thiên Huế Hình II.77 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 77 (106°26', 18°03') Phong Hải, Phong Điền, Thừa Thiên Huế Hình II.78 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 78 (106°29', 17°55') Hải Dương, Hương Trà, Thừa Thiên Huế Hình II.79 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 79 (106°28', 17°45') Phú Thuận, Phú Vang, Thừa Thiên Huế Hình II.80 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 80 (106°34', 17°35') Vinh Xuân, Phú Vang, Thừa Thiên Huế Hình II.81 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 81 (106°41', 17°26') Vinh An, Phú Vang, Thừa Thiên Huế Hình II.82 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 82 (106°53', 17°15') Lộc Bình, Phú Lộc, Thừa Thiên Huế Hình II.83 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 83 (106°58', 17°11') Lộc Vĩnh, Phú Lộc, Thừa Thiên Huế Hình II.84 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 84 (107°07', 16°60') TT Lăng Cơ, Phú Lộc, Thừa Thiên Huế Hình II.85 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 85 (107°17', 16°49') Hịa hiệp Bắc, Liên Chiểu, Đà Nẵng Hình II.86 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 86 (107°24', 16°44') Hải Châu , Sơn Trà, Đà Nẵng Hình II.87 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 87 (107°36', 16°35') Hòa Hải, Ngũ Hành Sơn, Đà Nẵng Hình II.88 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 88 (107°46', 16°29') Cẩm An, Hội An, Quảng Nam Hình II.89 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 89 (107°57', 16°21') Duy Hải, Duy Xuyên, Quảng Nam Hình II.90 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 90 (108°06', 16°13') Bình Minh, Thăng Bình, Quảng Nam Hình II.91 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 91 (108°15', 16°05') Bình Nam, Thăng Bình, Quảng Nam Hình II.92 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 92 (108°21', 15°55') Tam Thanh, Tam Kỳ, Quảng Nam Hình II.93 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 93 (108°26', 15°46') Tam Tiến, Núi Thành, Quảng Nam Hình II.94 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 94 (108°32', 15°37') Tam Hải, Núi Thành, Quảng Nam Hình II.95 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 95 (108°40', 15°29') Tam Nghĩa, Núi Thành, Quảng Nam Hình II.96 Đường tần suất mực nước tổng hợp điểm 96 (108°50', 15°25') Bình Thuận, Bình Sơn, Quảng Ngãi III VÍ DỤ MINH HỌA Ví dụ tra cứu độ cao mực nước với chu kỳ lặp lại (hay tần suất) cho trước Xác định độ cao mực nước với chu kỳ lặp lại 125 năm Đồ Sơn, Hải Phòng - Bước 1: chọn điểm gần với Đồ Sơn nhất, theo bảng I.1 hình II.0, điểm 20 - Bước 2: chọn hình vẽ đường tần suất mực nước tương ứng Kết hình II.20 - Bước 3: xác định độ cao mực nước tương ứng với chu kỳ lặp lại cho Từ trục hồnh (phía dưới) giá trị 125 kẻ đường song song với trục tung, cắt đường cong tần suất điểm A Từ A kẻ đường song song với trục hoành, cắt trục tung điểm B, cho ta giá trị 435 cm (xem hình phía dưới) Lưu ý: - Nếu giá trị chu kỳ lặp cho trước trùng với giá trị liệt kê bảng phía hình vẽ (dịng thứ 2), ta biết giá trị cao độ mực nước tương ứng (ở dòng thứ 3) - Nếu cho trước giá trị tần suất năm, cách làm tương tự tham chiếu giá trị tần suất năm theo trục hồnh, phía đồ thị B A Ghi chú: Hình minh họa Copy từ hình II.20