Ứng dụng Telemac2D nghiên cứu hiện tượng sóng thần do động đất ở biển đông gây ra cho vùng ven bờ & trong sông Sài Gòn - Đồng Nai

Nội dung bài báo giới thiệu kết quả bước đầu ứng dụng phần m ềm thủy lực Telemac2D để nghiên cứu hiện tượng lan truyền của sóng thần vào vùng ven bờ biển và bên trong hệ thống sông Sài Gòn Đồng Nai do hiện tượng dịch chuyển đáy biển Đông với các tình huống giả định. Đặc biệt có xem xét đến sự lan truyền sóng vào sâu trong nội thành tại một số khu vực điển hình trong thành phố Hồ Chí Minh trên lưu vực của kênh Nhiêu Lộc-Thị Nghè.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG TELEMAC2D NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG SĨNG THẦN DO ĐỘNG ĐẤT Ở BIỂN ĐƠNG GÂY RA CHO VÙNG VEN BỜ & TRONG SƠNG SÀI GỊN-ĐỒNG NAI PGS.TS Nguyễn Thống, H Long Phi , Châu Nguyễn Xuân Q uang, Lưu Xuân Lộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Nội dung báo giới thiệu kết bước đầu ứng dụng phần m ềm thủy lực Telem ac2D để nghiên cứu tượng lan truyền sóng thần vào vùng ven bờ biển bên hệ thống sơng Sài Gịn Đồng Nai tượng dịch chuyển đáy biển Đông với tình giả định Đặc biệt có xem xét đến lan truyền sóng vào sâu nội thành m ột số khu vực điển hình thành phố Hồ Chí Minh lưu vực kênh Nhiêu Lộc-Thị Nghè Kết tính cho thấy với trận động đất mạnh 8.35 độ Richter, cao trình mực nước số điểm đường phố lưu vực tính đạt đến 3m Miền nghiên cứu chiều theo phương nằm ngang (2D) m ô tả 1045000 phần tử tam giác phi cấu trúc Thống kê thời gian m ô tượng cho thấy khả xử lý toán lớn phần mềm Telem ac2D tốt tốc độ tính tốn m Từ khố: Telemac2D; Sóng thần; Động đất; Sơng Sài Gịn-Đồng Nai; Biển Đông Summary: This paper presents the application of Telemac2D software to calculate the propagation and the effect of tsunami due to the earthquake in East Sea on the coastal and Sai Gon-Dong Nai river network Especially, we consider this effect on certain particular zone in Ho Chi Minh City at Nhieu Loc-Thi Nghe sub basin for example The result shows that which a earthquake of 8.35 Richter magnitude scale at the position about 240km from offshore of Vung Tau, the maximum water level will be above 3m in certain zone in city The research domain 2D was described by 1045000 unstructured triangle elements The statistics of simulation time of the phenomenon shows that the Telem ac2D is a interesting software to simulate large num erical problems in the point of view of com putational speed Keywords: Telem ac2D; Tsunam i; Earthquake; Sai Gon-Dong Nai River; East Sea I ĐẶT VẤN ĐỀ1 Do cấu trúc địa tầng, khu vực Biển Đơng vùng địa chất có khả xảy động đất Nghiên cứu đánh giá quy mơ sóng thần sinh tác động đến vùng bờ biển phía Nam Việt Nam đánh giá đến dâng cao mực nước hệ thống sông khu vực thấp lưu vực sông Sài Gòn Đồng Nai cần thiết Kết nghiên cứu cho phép xác định cách định lượng đặc trưng sóng thần theo khơng gian thời gian Với kết tính tốn dự báo giúp quan chức đưa Người phản biện: Ngày nhận bài: Ngày thông qua phản biện: Ngày duyệt đăng: cảnh báo sớm m ột cách có sở khoa học nhằm giảm thiểu tổn thất lớn gây cộng đồng Đây nghiên cứu bước đầu, nội dung giới hạn giả thiết sóng thần xảy m ột vị trí giả định vùng biển Đơng với quy mơ động đất có cấp khác Miền tính tốn m rộng đến khu vực nội thành thành phố Hồ Chí Minh với khu vực điển hình lưu vực kênh Nhiêu Lộc-Thị Nghè Với biên biển, hạn chế số liệu địa hình để giảm ảnh hưởng điều kiện biên hở miền tính ngồi biển lên lời giải tốn, m iền tính lấy đủ rộng để giảm thiểu ảnh hưởng tượng phản xạ có vùng biên hở Mơ hình tốn số Telem ac2D TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGH Ệ TH ỦY LỢI SỐ 20 - 2014 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ dùng để giải tốn thủy lực chiều theo phương nằm ngang theo lý thuyết tốn nước nơng mơ tả hệ phương trình Saint Venant lựa chọn sử dụng ưu điểm khả giải tốn lớn tốc độ tính vượt trội mơ hình CƠ SỞ LÝ THUYẾT Telem ac2D [1], [2] m ột phần m ềm thủy lực Tập đồn Điện lực Pháp (EDF) chủ trì với tham gia nhiều tổ chức nghiên cứu giới dùng để mơ thủy lực dịng chảy chiều theo phương nằm ngang (trung bình theo phương thẳng đứng) m tả hệ phương trình Saint Venant [(1), (2), (3)] sau:  h  div h U  q t   Z u u u  u  v  g s  Fx t x y x  divh e grad(u) h (1) (2) Z v v v  u  v   g s  Fy t x y y (3)  divh e grad(v) h Trong đó: h(m) – chiều sâu, u & v(m/s) – thành phần vận tốc theo phương ngang x & y  vận tốc U , q(m/s) – lưu lượng đơn vị nguồn, Zs(m ) – cao độ mặt thoáng, Fx,y (m /s ) – ngoại lực (không kể trọng lực, ví dụ lực Coriolis, ) tác dụng m ột đơn vị khối lượng chiếu theo phương ngang x & y,  e (m /s) hệ số khuếch tán vận tốc Mơ hình Telem ac2D lập trình ngơn ngữ fortran [4] lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn thể tích hữu hạn Đây phần m ềm lập trình theo kỹ thuật song song cho phép tăng tốc độ tính tốn nhiều lần chương trình chạy trung tâm m áy tính có nhiều nhân xử lý ÁP HÌNH THẦN ĐƠNG DỤNG TELEMAC2D MƠ PHỎNG SỰ THÀNH & LAN TRUYỀN SÓNG DO MỘT KHỐI ĐỊA TẦNG Ở BIỂN DỊCH CHUYỂN GÂY RA 3.1 Miền tính Miền nghiên cứu hệ tọa độ VN2000 giới hạn phía thượng lưu đến vị trí sau hồ Trị An, Phước Hịa, Dầu Tiếng Phía hạ lưu vùng biển m iền tính lấy bao phủ vùng biển Đơng có khoảng cách từ bờ khoảng 3000km Khoảng cách lấy tương tự cho biên phía Bắc Nam miền tính (hình 1a) Tồn miền tính m hình hố 1045000 phần tử tam giác với phần tử tam giác nhỏ có cạnh khoảng 10m mơ tả đường phố lưu vực kênh Nhiêu Lộc-Thị Nghè phần tử lớn có cạnh từ 500m đến 4000m mơ tả phần tử ngồi vùng biển m iền tính [3] 1c Vùng cửa sơng Sồi Rạp Tâm động đất giả định Hình 1a: Miền tính mơ tượng sóng thần Hình 1b: Miền tính giới hạn từ vùng cửa sơng Sồi Rạp đến vị trí động đất TẠP CH Í KH OA H ỌC VÀ C ƠN G N GHỆ TH Ủ Y LỢI SỐ 20 - 2014 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Kênh Nhiêu Lộc -Thị Nghè Hình 1c: Lưới tính điển hình cho khu lưu vực kênh Nhiêu Lộc-Thị Nghè 3.2 Điều kiện biên 3.4 H iệu chỉnh mơ hình Miền nghiên cứu giới hạn với biên thượng lưu biên hạ lưu cụ thể sau: Do toán m ang tính đặc thù riêng chưa có số liệu thực đo nên số tham số mơ hình hiệu chỉnh sở tham khảo kết m ột số toán vùng [6] Quy luật thuỷ lực ma sát đáy theo Chézy V  C RJ với C  40  60  m / s Giá trị nhỏ tương ứng với miền tính nằm sâu đất liền Hệ số khuếch tán vận tốc (  e =10-4 m2/s Miền tính - Biên Q(t)=880m /s sau hồ chứa Trị An (nhà m áy chạy tổ máy với công suất thiết kế) - Biên Q(t)=0 sau hồ chứa Dầu Tiếng - Biên Z(t) ngồi biển Đơng (các đoạn biên lỏng giả thiết cao độ m ực nước không đổi 1.2m thời gian mơ tượng sóng thần xảy m iền tính) 3.3 Điều kiện ban đầu Mục đích nghiên cứu tập trung vào thời đoạn xem xét tương đối ngắn xảy lan truyền sóng thần từ ngồi khơi biển Đơng vào khu vực nội thành thành phố Hồ Chí Minh Vị trí tâm động đất gỉa định ngồi khơi biển Đơng, cách Vũng Tàu khoảng 240km Do thời gian m ước tính khoảng 10h Để đơn giản toán m đảm bảo nghiên cứu tượng điều kiện ban đầu toán khởi động với cao độ m ực nước 1.2m cho m iền tính hiệu chỉnh mơ hình giới hạn phạm vi thu gọn gồm có hai sơng Sài Gịn, Đồng Nai vùng cửa Sông Giá trị mực nước Trạm đo có khu vực thời kỳ sử dụng để hiệu chỉnh m hình 3.5 Kết [5] Nghiên cứu thực với trường hợp có cường độ động đất thay đổi 7.6, 7.8, 8.0 & 8.35 độ Richter Vị trí tâm động đất giả định nằm biển Đông cách Vũng Tàu hướng Đông khoảng 240km Hiện tượng động đất m ô tượng dịch chuyển đáy biển xảy 120s Bán kính TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGH Ệ TH ỦY LỢI SỐ 20 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ vùng đáy biển dịch chuyển lấy giả định R=50km Sự thay đổi (nâng cao) đáy biển mô tả cho lượng khối dịch chuyển với lượng tương đương cường độ động đất nêu Một số kết trình bày sau: Hình 2a: Mực nước biển sóng thần sau 30 phút xảy động đất Hình 2b: Mực nước biển sóng thần sau xảy động đất Hình 2c: Mực nước biển sóng thần sau 30 phút xảy động đất Hình 2d: Mực nước biển sóng thần sau 30 phút xảy động đất Các hình 2a,b,c,d trình bày tóm tắt lan truyền sóng thần kể từ tâm động đất Tốc độ lan truyền cho thấy sóng di chuyển hướng bờ (phía Tây) vùng có chiều sâu nước giảm dần, tương đối chậm so với hướng khơi xa (hướng Đông, Nam, Bắc) Điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết tốc độ truyền sóng m trường nước tỷ lệ thuận theo quan hệ gh (m / s) với h chiều sâu nước Tốc độ lan truyền trung bình đỉnh sóng thần từ tâm động đất đến cửa sơng Sồi Rạp khoảng 20.5m/s Các hình sau trình bày thay đổi mực nước theo thời gian số vị trí điển hình miền tính TẠP CH Í KH OA H ỌC VÀ C ÔN G N GHỆ TH Ủ Y LỢI SỐ 20 - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 8.35 Richter 8.0 Richter 7.8 Richter 7.6 Richter 0h 0h 2h 4h 6h 8h Hình 3: Mực nước (m ) vị trí cửa sơng Sồi Rạp theo t (h) 8.35 Richter 8.0 Richter 7.8 Richter 7.6 Richter 2h 4h 6h 8h Hình 4: Mực nước (m) vị trí ngã ba sơng Sài Gòn-Đồng Nai theo t (h) 8.35 Richter 8.0 Richter 7.8 Richter 7.6 Richter 0h 2h 4h 6h 8h Hình 5: Mực nước (m) vị trí đường Phan Đình Phùng theo t (h) TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGH Ệ TH ỦY LỢI SỐ 20 - 2014 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Kết hình cho thấy vị trí ngồi biển Đơng cách Vũng Tàu khoảng 240 km đỉnh sóng thần lan truyền đến cửa sơng Sồi Rạp sau khoảng 3h15 phút kể từ xảy động đất Mực nước cao tương ứng với cường độ động đất 8.35 độ Richter đạt đến 8.13m (ở mực nước tĩnh trước động đất giả định 1.2m) Cao trình m ực nước lớn giảm dần, tỷ lệ thuận theo cường độ động đất Ví dụ: m ực nước cao cường độ động đất 7.6 độ Richter 5.31m Kết đồ thị cho thấy thời điểm xảy m ực nước cao sóng vị trí xét gần không thay đổi theo cường độ động đất Kết hoàn toàn phù hợp với lý thuyết truyền sóng tốc độ truyền sóng không phụ thuộc vào cường độ động đất mà phụ thuộc vào chiều sâu nước vùng sóng truyền qua So sánh m ực nước cao hình 4, hình cho thấy mực nước cao sóng thần giảm sâu vào thượng nguồn sơng Sài Gịn Đồng Nai C p đ ng V trí đ t (Richter) 7.6 7.8 8.35 C a Soài R p 5.319 6.156 7.131 8.132 Ngã ba SG-ĐN 3.648 4.037 4.437 4.897 Đ ng Phan Đình Phùng 2.623 2.784 2.920 3.124 Bảng 1: Mực nước lớn vị trí điển hình tương ứng cường độ động đất khác Tại vị trí ngã ba sơng Sài Gịn-Đồng Nai mực nước cao tương ứng với cường độ động đất 8.35 độ Richter 4.89m Kết tính tốn cho thấy sóng thần lan vào sâu nội thành thành phố Hồ Chí Minh Cụ thể hình cho thấy m ực nước m ột vị trí đường Phan Đình Phùng (cách cầu Kiệu khoảng 100m hướng quận Phú Nhuận) Mực nước cao tương ứng với cường độ động đất 8.35 độ Richter 3.12m (cao độ mặt đất khoảng 1,9m ) Cửa sơng Sồi Rạp Ngã ba sơng SG-ĐN S ài R Đường Phan Đình Phùng 0h 2h25ph 4h50ph 7h15ph 9h40ph Hình 6: Mực nước (m ) vị trí khác trận động đất 8.35 độ Richter theo t (h) Bảng 2: Thời gian đạt mức nước lớn số vị trí điển hình sau xảy động đất Vị trí Cửa Sồi Rạp Ngã ba SG-ĐN Đường Phan Đình Phùng Thời gian xuất Zmax 3h15phút 4h25phút 5h TẠP CH Í KH OA H ỌC VÀ C ÔN G N GHỆ TH Ủ Y LỢI SỐ 20 - 2014 KHOA HỌC Về thời gian truyền sóng vào sâu thượng nguồn hệ thống sơng Sài Gịn-Đồng Nai trình bày hình Mực nước cao xảy vị trí cửa sơng Soài Rạp khoảng 3h15 phút sau xảy động đất Tại vị trí ngã ba sơng Sài Gịn-Đồng Nai m ực nước cao xảy sau 4h25 phút, trễ khoảng 1h10 phút so với cửa sông Soài Rạp Với khoảng cách theo đường thẳng từ vị trí cửa Sồi Rạp đến ngã ba sơng Sài Gịn Đồng Nai khoảng 47km cho thấy tốc độ trung bình sóng truyền tuyến đường khoảng 11.2 m/s Trong để đỉnh sóng truyền từ ngã ba sơng Sài Gịn-Đồng Nai vào đến nội thành vị trí đường Phan Đình Phùng 35 phút KẾT LUẬN Kết tính tốn cho thấy: thành phố Hồ Chí Minh có khả chịu ảnh hưởng lớn tượng sóng thần động đất xảy vị trí CƠNG NGHỆ giả định xem xét biển Đông Với cấp động đất từ 7.6 độ Richter trở lên, khả nước dâng cao nguy hiểm (cao độ mực nước max 3m ) xảy m ột số khu vực Để đưa cảnh báo sớm cần phải mở rộng m iền tính cho tất vùng khác nội thành xem xét với nhiều kịch cường độ vị trí xảy động đất Ngồi ra, việc ứng dụng m hình Telem ac2D cho thấy khả ứng dụng cao phần m ềm Với miền tính 2D có 1045000 phần tử tam giác phi cấu trúc kích thước cạnh phần tử nhỏ 10m phạm vi đường phố từ 500m đến 4000m cho phần tử ngồi biển, thời gian mơ tượng khoảng thời gian 10h cần 1h thực máy chủ intel cluster chạy theo chế độ song song gồm có 16 nhân xử lý so với thời gian chạy m áy khoảng 10h máy PC với cấu hình intel Core i7, Ram 8GB TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jean Michel Hervouet (2007) Hydrodynamics of Free Surface Flows modelling with the finite element method W ILEY [2] Pierre LANG and all (2010) Telem ac2d_m anuel_utilisateur_v6p0 EDF [3] NGUYỄN Thống (2008) Bài giảng Phương pháp số ứng dụng Trýờng Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh [4] Loren P MEISSNER (1995) Fortran 90 PWS Publishing Company [5] Canadian Hydraulics Centre, National Research Council 2010 Blue Kenue Reference Manual [6] Nguyễn Thống nnk Ứng dụng Telemac2d xác định mức độ giảm độ mặn vị trí lấy nước cho nhà m áy nước Tân Hiệp với kịch lưu lượng xả từ hồ Dầu Tiếng Tạp chí NNPTNT số 16/2013 Lời cám ơn: - Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh (VNU-HCM) khn khổ đề tài m ã số C2013-48-02 - Các mô thực Trung tâm tính tốn hiệu cao (HPCC) Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh TẠP C HÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGH Ệ TH ỦY LỢI SỐ 20 - 2014 ... thần sau xảy động đất Hình 2c: Mực nước biển sóng thần sau 30 phút xảy động đất Hình 2d: Mực nước biển sóng thần sau 30 phút xảy động đất Các hình 2a,b,c,d trình bày tóm tắt lan truyền sóng thần. .. Nghiên cứu thực với trường hợp có cường độ động đất thay đổi 7.6, 7.8, 8.0 & 8.35 độ Richter Vị trí tâm động đất giả định nằm biển Đông cách Vũng Tàu hướng Đông khoảng 240km Hiện tượng động đất. .. điển hình tương ứng cường độ động đất khác Tại vị trí ngã ba sơng Sài Gòn- Đồng Nai mực nước cao tương ứng với cường độ động đất 8.35 độ Richter 4.89m Kết tính tốn cho thấy sóng thần lan vào sâu