Chuyên về Vật lý Hải dương, nghiên cứu, đánh giá sự biến dạng của các yếu tố thủy thực động lực học vùng ven biển, cửa sông tỉnh cà mau do tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng. Vấn đề nghiên cứu của nước biển dâng đến các yếu tố tác động thủy động lực học đã được các chuyên gia đặt vấn đề nghiên cứu tuy nhiên chưa được giải quyết triệt để. Vì vậy, luận văn này sẽ nghiên cứu, đánh giá sự biến dạng của yếu tố thủy động lực học vùng biển ven bờ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA T Ố TRƯỜ G ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN QUÁ ĐÌ NGHIÊN CỨU, ĐÁ Ù G G Á SỰ BIẾN DẠNG CỦA CÁC YẾU TỐ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÙNG VEN BIỂN, CỬA SÔNG TỈNH CÀ MAU DO TÁ ĐỘNG CỦA BIẾ ĐỔI KHÍ HẬU - ƯỚC BIỂN DÂNG LUẬ VĂ T Ạ SĨ TP H Ả DƯƠ G CHÍ MINH, 2014 ỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ H CHÍ MINH TRƯỜ G ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN QUÁ ĐÌ NGHIÊN CỨU, ĐÁ Ù G G Á SỰ BIẾN DẠNG CỦA CÁC YẾU TỐ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÙNG VEN BIỂN, CỬA SÔNG TỈNH CÀ MAU DO TÁ ĐỘNG CỦA BIẾ ĐỔI KHÍ HẬU - ƯỚC BIỂN DÂNG Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60 44 97 LUẬ VĂ T Ạ SĨ GƯỜ ƯỚNG DẪ Ả DƯƠ G O Ọ : PGS.TS NGUYỄN HỮU NHÂN TP H CHÍ MINH, 2014 ỌC LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất số liệu, hình vẽ, bảng biểu kết tính tốn luận văn hồn tồn trung thực có nguồn tham khảo đáng tin cậy Đồng thời, kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình trước Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 Tác giả Quách Đình Hùng LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành bày tỏ lời tri ân sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Nhân, người tận tình bảo, truyền đạt cho tơi kiến thức kinh nghiệm q báu để tơi hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy Xin cảm ơn ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật Biển, anh chị đồng nghiệp Bộ mơn Mơ hình Tốn & GIS động viên, góp ý tạo điều kiện tốt q trình tơi thực luận văn Cũng xin gửi lời cám ơn tri ân đến q thầy Bộ mơn Hải dương, Khí tượng Thủy văn, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQG TPHCM truyền đạt cho kiến thức bổ ích suốt khóa học Xin cảm ơn ba mẹ, ơng bà gia đình ln bên cạnh động viên thời điểm khó khăn Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 Tác giả Qch Đình Hùng TĨM TẮT Luận văn ứng dụng module thủy lực mơ hình MIKE 21/3 Coupled FM nhằm mô biến dạng yếu tố thủy động lực học vùng biển ven bờ - cửa sông Cà Mau ứng với kịch Biến đổi khí hậu – Nước biển dâng khác hình thái thời tiết: gió mùa Đơng Bắc, gió mùa Tây Nam, bão nhiệt đới cấp 11 Kết nghiên cứu cho thấy, nước biển dâng có tác động đáng kể, làm biến dạng đặc trưng thủy động lực vùng nghiên cứu, vùng nước nông cửa sông Cụ thể, mùa gió mùa: độ lớn dao động mực nước tăng lên theo kịch khác nhau, tốc độ gia tăng đỉnh triều lớn chân triều; pha triều sớm hơn; dịng chảy khơng thay đổi hướng mà biến dạng trị số tốc độ dòng chảy Khi xuất bão nhiệt đới cấp 11: độ dâng mực nước bão có tăng khơng nhiều, dịng chảy bão yếu tố nhạy với ảnh hưởng nước biển dâng ABSTRACT The thesis applied Hydrodynamic module of MIKE 21/3 Coupled FM Model in order to simulate deformations as well as changes of hydrodynamic factors in Ca Mau’s coastal waters – estuaries under different scenarios of Climate change – Sea level rise and in climatic conditions: North - East monsoon, South - West monsoon, tropical storm (level 11 of the Beaufort scale) Study results show that sea level rise has a significant effect on the deformation of hydrodynamic factors in research area, especially in shallow waters and estuaries Specifically, in monsoon seasons: the magnitude of water level increases with different scenarios, in which tidal peak increases faster than tidal trough; tidal phase is earlier; current has no change in its direction but its speed When a tropical storm (level 11 of the Beaufort scale) strikes research area: water level in storm increases but it’s inconsiderable, and current in storm is a factor which has slight change under the effects of rising sea level MỤC LỤC Trang DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH .vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÙNG NGHIÊN CỨU 1.1 VỊ TRÍ ĐỊA LÝ 1.2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH – ĐỊA CHẤT – ĐẤT ĐAI 1.3 ĐẶC ĐIỂM THỦY HẢI VĂN 11 1.3.1 Chế độ thủy triều dao động mực nƣớc 11 1.3.2 Đặc điểm dòng chảy 14 1.3.3 Đặc điểm bùn cát 17 1.4 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƢỢNG 19 1.4.1 Gió 20 i 1.4.2 Mƣa 21 1.4.3 Nhiệt độ nắng 24 1.4.4 Độ ẩm, bốc 24 1.4.5 Bão áp thấp nhiệt đới 25 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍCH HỢP MIKE 21/3 COUPLED MODEL FM ĐỂ NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÙNG CỬA SÔNG & BIỂN VEN BỜ TỈNH CÀ MAU 27 2.1 ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH SỬ DỤNG 27 2.2 SƠ ĐỒ KHỐI ÁP DỤNG MƠ HÌNH MIKE 21/3 COUPLED FM 28 2.3 XÂY DỰNG CẤU HÌNH CHO MƠ HÌNH LÀM VIỆC 29 2.3.1 Tạo lƣới tính tốn 29 2.3.2 Xây dựng sở liệu đầu vào 31 2.4 HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH 37 2.4.1 Số liệu sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định 37 2.4.2 Kết hiệu chỉnh kiểm định 40 2.5 CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỂ MÔ PHỎNG BÃO VÀ NƢỚC BIỂN DÂNG 45 2.5.1 Bão 45 2.5.2 Nƣớc biển dâng 46 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49 3.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 49 3.2 ĐÁNH GIÁ SỰ BIẾN DẠNG CỦA TRƢỜNG MỰC NƢỚC 50 3.3 ĐÁNH GIÁ SỰ BIẾN DẠNG CỦA TRƢỜNG DÒNG CHẢY 73 3.4 MỘT SỐ SO SÁNH KHÁC 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 ii TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC 106 PHỤ LỤC 122 iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Diễn giải BVB - CS Biển ven bờ cửa sông NBD Nƣớc biển dâng BĐKH Biến đổi khí hậu ĐBSCL Đồng sông Cửu Long HD Hydrodynamic (thủy động lực) iv Phụ lục Tiểu vùng Tiểu vùng +28cm +28cm +30cm +30cm +33cm +33cm 112 Phụ lục Tiểu vùng +28cm +30cm +33cm 113 Phụ lục Kết biến dạng trường dòng chảy ứng với kịch nước biển dâng 28cm, 30cm 75cm hai mùa gió mùa Tiểu vùng +28cm GMĐB +28cm GMTN +30cm GMTN +30cm GMĐB +75cm GMĐB +75cm GMTN 114 Phụ lục Tiểu vùng +28cm GMĐB +28cm GMTN +30cm GMĐB +30cm GMTN +75cm GMTN +75cm GMĐB 115 Phụ lục Tiểu vùng +28cm GMĐB +28cm GMTN +30cm GMĐB +30cm GMTN +75cm GMĐB +75cm GMTN 116 Phụ lục Tiểu vùng +28cm GMĐB +28cm GMTN +30cm GMĐB +30cm GMTN +75cm GMĐB +75cm GMTN 117 Phụ lục Tiểu vùng +28cm GMĐB +28cm GMTN +30cm GMĐB +30cm GMTN +75cm GMĐB +75cm GMTN 118 Phụ lục Kết biến dạng trường dòng chảy ứng với kịch nước biển dâng: 28cm, 30cm, 33cm có bão cấp 11 Tiểu vùng Tiểu vùng +28cm +28cm +30cm +30cm +33cm +33cm 119 Phụ lục Tiểu vùng Tiểu vùng +28cm +28cm +30cm +30cm +33cm +33cm Tiểu vùng 120 Phụ lục Tiểu vùng +28cm +30cm +33cm 121 PHỤ LỤC MODULE THỦY LỰC HD CỦA MIKE 21/3 COUPLED FM Các phương trình hệ tọa độ Decartes Các phương trình nước nơng Tích phân phương trình chuyển động phương trình liên tục theo phương thẳng đứng khoảng độ sâu h d cho ta phương trình nước nơng chiều dạng: h u hv hS t x y (1) hu hu hvu h pa gh fvh gh t x y x x x sx bx sxx sxy 0 0 0 x y hTxx hTxy hus S y x hv huv hv h pa gh fuh gh t x y y y y sy by s yx s yy hTxy hTyy hvs S x y x y (2) (3) Trong đó: t thời gian; x, y thành phần tọa độ Decartes; độ dâng mặt nước so với mốc cao độ, gọi mực nước; d độ sâu cột nước mực nước zero; h d độ sâu cột nước tổng cộng; u, v thành phần vận tốc theo phương x, y; f 2 sin tham số Coriolis ( vận tốc góc vĩ độ địa lý); g gia tốc trọng trường; khối lượng riêng; vt hệ số nhớt rối theo phương thẳng đứng; pa áp suất khí quyển; 0 mật độ tham chiếu nước S độ lớn lưu lượng nguồn nước đổ vào VNC us , vs vận tốc dòng nước theo hướng chảy từ nguồn vào VNC T: nhiệt độ, s: độ mặn Trong đó: sx , sy bx , by thành phần ứng suất ma sát gió lên mặt nước ứng suất ma sát đáy theo phương x y tương ứng 122 u v thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu định nghĩa quan hệ: hu udz , d (4) hv vdz d Các ứng suất mặt bên khối nước Tij bao gồm: (1) ma sát nhớt, (2) ma sát rối trượt vận tốc xác định qua hệ số nhớt rối gradient vận tốc trung bình độ sâu dạng: Txx A u v u v , Txy A , Tyy A x y x y (5) Các phương trình vận chuyển nhiệt muối Lấy tích phân phương trình vận chuyển nhiệt muối chiều theo phương đứng tồn độ sâu cột nước, ta có phương trình vận chuyển nhiệt muối dạng: hT huT hvT hFT hHˆ hTs S t x y (6) hs hus hvs hFs hss S t x y (7) Trong đó: T s nhiệt độ độ mặn trung bình theo độ sâu cột nước Phương trình vận chuyển vật chất hC huC hvC hFC hk p C hCs S t x y (8) Trong đó: C hàm lượng chất trung bình theo độ sâu Các phương trình phụ trợ Ngồi phương trình bản, module HD cần đến nhiều mơ hình bán kinh nghiệm để khép kín hệ thống, biên mặt đáy cột nước Công thức xác định ứng suất ma sát đáy cột nước Ứng suất ma sát đáy b bx , by xác định định luật ma sát bậc hai dạng: b c f Ub Ub 0 (9) Trong đó: c f hệ số ma sát đáy U b ub , vb vận tốc dòng gần đáy Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất ma sát đáy công thức: U b c f U b (10) 123 Trong mơ hình chiều, U b vận tốc trung bình theo độ sâu hệ số ma sát đáy xác định theo hệ số Chezy, C, hay hệ số nhám Manning, M, qua công thức: cf cf g C2 (11) g Mh1/ (12) Cơng thức tính ứng suất ma sát gió mặt cột nước Ứng suất gió tác động gió lên mặt cột nước nước b sx , sy xác định công thức thực nghiệm: (16) b a cd U w U w Trong đó: a mật độ khơng khí, cd hệ số ma sát khơng khí lên mặt nước, U w uw , vw vận tốc gió độ cao 10 m so với mặt nước,| U w|=W10 Vận tốc ma sát gió liên hệ với ứng suất ma sát gió mặt cột nước tính theo cơng thức: U s ac f U w (17) 0 Hệ số ma sát gió số phụ thuộc vào tốc độ gió Cơng thức kinh nghiệm Wu (1980, 1994) đề xuất sử dụng để tính hệ số ma sát gió sau: ca W10 wa c c c f ca b a W10 wa wa W10 wb wb wa cb W10 wb (18) Trong đó: ca , cb , wa wb hệ số kinh nghiệm W10 trị số vận tốc gió cao độ 10 m mặt nước Trị số mặc định chúng là: ca 1.255 10 3 , cb 2.425 10 3 , wa m/s wb 25 m/s Kết tốt cho vùng biển khơi Đối với vùng biển ven bờ, cửa sông, sông hồ, trị số chúng lớn vùng biển khơi 20-30% [Xem Geerneart Plant (1990)] Điều kiện biên Tại đoạn biên đóng 124 Dọc theo đoạn biên đóng (biên mềm di động), thông lượng theo phương trực giao với đường biên cho zero cho tất biến (điều kiện biên tự nhiên) Đối với phương trình chuyển động, điều tương đương với điều kiện biên trượt hồn tồn dọc theo phương đoạn biên đóng Tại đoạn biên mở Đối với phương trình chuyển động, điều kiện biên đoạn biên mở cho lưu lượng nước hay mực nước Đối với phương trình vận chuyển, cho giá trị biến ẩn hay cho trị số gradient biến ẩn theo phương trực giao với đường biên mở Phần tử ngập, khô biên di động Sự tiếp cận tốn có biên di động dựa công sức Zhao (1994) Sleigh (1998) ưu điểm đặc biệt quan trọng mơ hình MIKE 21/3 Coupld Model FM áp dụng cho vùng nước nơng có biên độ dao động mực nước lớn (do triều, lũ nước dâng gió) Đối với phần tử, độ sâu cột nước nhỏ, toán điều chỉnh so với độ sâu cột nước lớn độ sâu nhỏ, loại khỏi lưới tính, nên đường biên đóng lưới tính xác lập lại, tức có di dộng đường biên phát sinh đường biên so với thời điểm trước Sự điều chỉnh liên quan đến dòng động lượng, cách gán thành phần pháp tuyến đoạn biên zero, giữ lại dòng khối lượng nước cân nước Theo độ sâu cột nước phần tử, xem khô, phần khô ngập Một phần tử bắt đầu bị ngập thỏa hai tiêu chuẩn sau đây: (1) độ sâu cạnh phải nhỏ ngưỡng cho trước, hdry, độ sâu nước cạnh lại lớn ngưỡng cho trước khác, hflood; (2) Tổng độ sâu nước cạnh phần tử phải lớn zero Phần tử gọi khô độ sâu cột nước nhỏ ngưỡng cho trước, hdry, khơng cạnh bị ngập phần Nó bỏ khỏi lưới tính Một phần tử khơ phần độ sâu cột nước lớn hdry nhỏ độ sâu cho phép, hwet, hay độ sâu nhỏ hdry số cạnh biên ngập Một phần tử ướt độ sâu mực nước lớn hwet Độ sâu ướt, hwet, phải lớn độ sâu khô, hdry, độ sâu lũ, hflood, phải thỏa 125 hdry h flood hwet Các giá trị mặc định hdry = 0.005 m, hflood = 0.05 m hwet = 0.1 m Tóm lại, nội dung học thuật module HD sử dụng để tính toán trường TĐLH VNC Module HD bao gồm hệ thống phương trình tốn học thuật giải hợp lý, phản ảnh đầy đủ kiến thức đại TĐLH vùng cửa sơng Nó tích hợp thành cơng kiến thức cổ điển công nhận rộng rãi với tiến khoa học cơng nghệ, đặc biệt kỹ thuật tính tốn quản trị liệu cơng nghệ thơng tin Module HD hệ thống tốn học khép kín thơng số liên quan đến phổ sóng diễn biến lòng dẫn biết Cần nhấn mạnh rằng, module HD mô tả kiểm định giải tích kiểm chứng qua ứng dụng thực tế nhiều điều kiện tự nhiên: (1) Các vùng rộng lớn với quy mô đại dương; (2) Các khu vực nhỏ nằm bên đất liền sông, hồ, cửa sông 126 ... đầu 2005) phác họa lịch sử phát triển địa chất đồng Nam Bộ Holocen qua nghiên cứu, phân tích lỗ khoan, mặt cắt địa chất, tổng hợp kết phân tích tuổi C14 Có thể xem kết có giá trị khoa học cao Đề