Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo này sử dụng modun ADCIRC thuộc hệ thống mô hình SMS để mô phỏng nước dâng do bão, trong đó khảo sát đến ảnh hưởng của hệ số ma sát đáy đến kết quả tính toán nước dâng thông qua[r]
(1)202
Đánh giá ảnh hưởng hệ số ma sát đáy tới mực nước dâng bão mơ hình ADCIRC khu vực Vịnh Bắc Bộ
Trần Thị Thảo, Hà Thanh Hương*
Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 08 tháng năm 2016
Chỉnh sửa ngày 26 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016
Tóm tắt: Các tính tốn nước dâng bão cho thấy ảnh hưởng ma sát đáy vô quan trọng việc hiệu chỉnh thủy triều yếu tố định xác mơ nước dâng bão mơ hình Bài báo sử dụng modun ADCIRC thuộc hệ thống mơ hình SMS để mơ nước dâng bão, khảo sát đến ảnh hưởng hệ số ma sát đáy đến kết tính tốn nước dâng thơng qua việc biểu diễn hệ số ma sát đáy ứng với trường hợp cho số nút trường hợp hệ số ma sát thay đổi nút.Từ đưa việc xác định hệ số ma sát tối ưu áp dụng cho khu vực Vịnh Bắc Bộ để kết tính tốn nước dâng bão hiệu nhanh
Từ khóa: Nước dâng bão, ma sát đáy, ADCIRC
1 Đặt vấn đề*
Hệ số ma sát sử dụng mơ hình ADCIRC thường số khơng đổi tồn miền tính Việc sử dụng hệ số ma sát đạt kết mực nước có độ xác cao tính tốn cho khu vực nhỏ có chế độ thủy triều Để tính tốn cho kết tốt người thường tìm hệ số ma sát tương ứng nút lưới Tuy nhiên việc xây dựng file hệ số ma sát nút miền tính lớn khó khăn tốn nhiều thời gian Trong báo tác giả tiến hành xác định độ nhạy hệ số ma sát với trường hợp tính tốn khác so sánh kết tính tốn mực _
*
Tác giả liên hệ ĐT.: 84-912726027 Email: huonghat@vnu.edu.vn
nước với thực đo từ đưa hệ số ma sát phù hợp cho khu vực tính tốn
2 Mơ hình ADCIRC
(2)hình xây dựng dựa phương trình bản, bao gồm:
Phương trình liên tục:
0
UH VH
t x y
Các phương trình bảo tồn động lượng:
0 0
( ) sx bx
x x
U U U P
U V fV g g D B
t x y x P PH PH
0 0
( ) sy by y y
V V V P
U V fU g g D B
t x y y P PH PH
đó:
dao động mực nước U, V vận tốc lấy tích phân theo độ sâu theo hướng x y
P áp suất, H độ sâu mực nước
Dx, Dy thành phần khuếch tán theo phương
Bx, By thành phần gradient áp suất theo phương, (): thuỷ triều Newton, thuỷ triều trái đất lực mang chất lực thuỷ triều
bx
,by ứng suất đáy theo hướng x
và y sx
,sy ứng suất mặt theo hướng x
và y
0
là mật độ tham chiếu nước
2.1 Hệ số ma sát ADCIRC
Ứng suất đáy phiên 2DDI ADCIRC biểu diễn sau:
*
bx U
by V*
Tùy thuộc vào cách sử dụng, kết hàm tuyến tính, tồn phương hay tổ hợp vận tốc trung bình theo độ sâu Đối với hầu hết ứng dụng cho vùng ven bờ, hàm ma sát toàn phương nên sử dụng với hệ số ma sát
C f~0.0025 Trong vùng nước nơng, ma sát
tổ hợp có hiệu hơn, với Cfmin~ 0.0025, đặc
biệt tham số khơ ướt tính đến,
khi biểu thức giảm nhanh độ sâu nước trở nên nhỏ Ma sát tuyến tính chủ yếu sử dụng cho thử nghiệm mơ hình mơ hình tuyến tính chạy theo yêu cầu Trong trường hợp này, độ lớn * phải phù hợp (ít độ lớn) với giá trị sử dụng tính tốn biểu thức ma sát tồn phương khơng phải với giá trị Cf thông thường sử dụng biểu thức toàn phương [1]
Trong trường hợp sử dụng hàm tuyến tính: * Cf
trong Cf = khơng đổi theo thời gian (có thể thay đổi theo khơng gian), đơn vị s-1
Trong trường hợp sử dụng hàm toàn phương:
2 1/2
*
( )
f
C U V
H
trong Cf = khơng đổi theo thời gian (có thể thay đổi theo khơng gian), khơng thứ nguyên
Hàm tổ hợp:
2 1/2 *
( )
f
C U V
H
trong /
min(1 ( ) )
break f f H C C H
min
f
C , Hbreak(?), , (?): không đổi theo thời gian
Trong quan hệ ma sát tổ hợp, tiệm cận vùng nước sâu (H > Hbreak) tiệm cận với
min( )
break f H C H
vùng nước nông (H < Hbreak) Số mũ xác định mức độ Cf tiến đến
giới hạn tiệm cận xác định mức tăng hệ số
ma sát độ sâu giảm Nếu
2
min /
f break
C gn H =1/3, g là gia tốc trọng trường n là hệ số Meaning, ma sát tổ hợp có phương trình Meaning xử lý ma sát cho trường hợp H <Hbreak Ví dụ mối
(3)Bảng So sánh Cfminvà n
2
min /
f break
C gn H
min
f
C n n n N
break H
=1m Hbreak=5m Hbreak=10m Hbreak=20m
0.0015 0.012 0.016 0.018 0.02 0.002 0.014 0.019 0.021 0.024 0.0025 0.016 0.021 0.023 0.026 0.003 0.017 0.023 0.025 0.029 0.004 0.02 0.026 0.03 0.033 0.005 0.023 0.03 0.033 0.037 0.01 0.032 0.042 0.047 0.053
2.2 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên áp dụng mơ hình
Điều kiện biên mực nước
Điều kiện biên mực nước xác định thơng qua cách:
- Thứ nhất: mơ hình tự nội suy số điều hòa nút biên từ số điều hịa tồn cầu tính tốn chuỗi mực nước nút biên
- Thứ hai: từ chuỗi mực nước theo thời gian nút biên
Điều kiện thông lượng
ADCIRC cho pháp xác định điều kiện biên bao gồm thông lượng pháp tuyến đơn vị rộng (nghĩa thông lượng vng góc khơng đoạn biên đất khác không đoạn biên sông) Quy tắc dùng ADCIRC thông lượng pháp tuyến đưa vào thơng lượng vào miền tính dương thông lượng âm Nếu thông lượng pháp tuyến áp dụng điều kiện biên tự nhiên, khơng làm thay đổi phương trình động lượng Còn điều kiện áp dụng điều kiện biên cần thiết, vận tốc pháp tuyến trung bình độ sâu UN, lực để cân với thông lượng pháp tuyến chia cho độ sâu nhân với -1 (?) (quy ước UN dương theo hướng vng góc xa miền tính)
Điều kiện gradient vận tốc pháp tuyến không biên
0 N V N U
tại nút biên
Điều kiện biên vận tốc phát xạ - ADCIRC 2DDI
Điều kiện biên phát xạ với mực nước thực việc xác định mối liên hệ vận tốc pháp tuyến trường mực nước dọc biên
Điều kiện gradient mực nước pháp tuyến không biên
0 n
Điều kiện biên phát xạ mặt - ADCIRC 2DDI
Điều kiện biên phát xạ với mực nước thực việc xác định mối liên hệ thông lượng pháp tuyến trường mực nước dọc biên
2.3 Các điều kiện triển khai cho mơ hình
(4)- Hằng số khơng đổi cho tồn miền tính lấy cho trường hợp 0.003, 0.004, 0.0045
- Hệ số thay đổi theo nút toàn miền tính xây dựng ghi định dạng theo file fort.21 Trong file fort.21 xây dựng theo cơng thức tính hệ số ma sát đáy sử dụng mơ hình Pom [2] Hệ số ma sát giới hạn cho Biển Đông khoảng [0.0025; 0.75] Dựa vào độ sâu nội suy từ file lưới tính thực tính ma sát nút lưới theo cơng thức đây:
2
2
(1 )
lo g [ ]
0
k c b c
z s h e z z D
z b
trong đó:
k số Von Karman’s 0.4 z0b độ nhám đáy (m) 0.7
zsh độ trượt lớp biên đáy theo hàm Logarit (m) 0.01
D độ sâu nút lưới
3 Kết tính tốn kiểm tra độ nhạy hệ số ma sát đến nước dâng bão
Lưới tính sử dụng để khảo sát lưới phi cấu trúc cho toàn vùng Biển Đông giới hạn từ 990 E - 1210E 10N - 250N khoảng cách lưới thưa biên phía Đơng, phía Nam mịn dần phía bờ biển Việt Nam Khoảng cách lưới tính nhỏ ven bờ phía vịnh Bắc Bộ Bắc Trung Bộ km Các kết tính tốn trích xuất so sánh với mực nước thực đo trạm Hòn Dáu Hòn Ngư bão Wukong (2000)
Hình Lưới tính tồn biển Đơng Hình Quỹ đạo bão Wukong (2000)
(5)Hình Kết nghiệm triều Hòn Ngư
Bảng Sai số tuyệt đối trường hợp tính tốn thủy triều
Trạm Sai số tuyệt đối so sánh với phân tích điều hòa thủy triều [?] TT 0.0045 TT 0.004 TT 0.003 TT Fort.21 Hòn Dáu 0.206 0.252 0.316 0.246 Hòn Ngư 0.569 0.229 0.138 0.225
3.1 Hiệu chỉnh kiểm chứng thủy triều
Để khảo sát độ xác mực nước thủy triều, thực hiệu chỉnh thủy triều trạm Hòn Dáu, Hòn Ngư, sau hiệu chỉnh với số liệu trích từ bảng thủy triều Trung tâm Hải văn (Tổng cục Biển Hải đảo) Hiệu chỉnh dao động mực nước thủy triều tính tốn cách thay đổi giá trị hệ số ma sát đáy
Chuỗi mực nước thủy triều tính từ 14h ngày 01/04/2014 đến 23h ngày 29/04/2014 Chuỗi dao động mực nước biên lỏng làm điều kiện biên mơ hình hiệu chỉnh từ UTC múi Hà Nội Với tất trường hợp hệ số ma sát đáyđược đưa kết hiệu chỉnh triều cho kết tốt pha biên độ dao động thủy triều (Hình 3, 4)
Từ bảng tính tốn sai số tuyệt đối thủy triều trạm Hòn Dáu Hòn Ngư trường hợp hệ số ma sát khác so sánh với phân tích điều hịa thủy triều cho thấy sai số tuyệt đối trường hợp hệ số ma sát số 0.004 cho giá trị nhỏ cho trạm có giá trị xấp xỉ sai số tuyệt đối
trường hợp hệ số ma sát thay đổi nút (fort.21) Điều chứng tỏ thơng số mơ hình hiệu chỉnh phù hợp với khu vực tính tốn tiến hành tính tốn nước dâng bão
3.2 Kết tính tốn kiểm tra độ nhạy hệ số ma sát đến nước dâng bão
Để tiến hành kiểm tra độ nhạy hệ số ma sát đến mực nước dâng bão tác giả thực tính tốn nước dâng bão Wukong (2000) theo trường hợp với hệ số ma sát đáy không đổi trường hợp ma sát đáy thay đổi nút miền tính với số liệu thực đo Chuỗi số liệu khí tượng kéo dài ngày từ 13h ngày 04/09/2000 đến 18h ngày 10/09/2000 [3]
(6)Hình Thời điểm nước dâng cao dải ven bờ lúc 22h ngày 09/09/2000
Thời điểm bão bắt đầu đổ vào tỉnh Hà Tĩnh lúc 22h ngày 9/9/2000 Mực nước dâng toàn dải ven bờ từ Bắc Hà Tĩnh đến Quảng Ninh cao khoảng 1.5m (Hình 5) Khu vực ven biển từ Đà Nẵng đến phía Nam Hà Tĩnh mực nước dâng cao khoảng 1.3m Thời điểm bão bắt đầu đổ rơi vào thời điểm pha triều xuống nên mực nước dâng toàn vùng thấp thời điểm bão bắt đầu ảnh hưởng đến dải ven bờ
Có thể thấy thay đổi hệ số ma sát cho trường hợp tính tốn cho kết tính tốn mực nước chênh lệch lớn Đối với trường hợp tính tốn hệ số ma sát 0.003 so sánh với mực nước thủy triều cho chênh lệch lớn (0.31m) kết tính tốn mực nước dâng bão có sai số tuyệt đối nhỏ (0.18m) lớn trường hợp tính tốn khác 2-3 cm Hịn Dáu
Tại trạm Hòn Ngư bão Wukong đổ vào thời kỳ triều cường nên ảnh hưởng thủy triều đến mực nước dâng bão lớn Việc thay đổi hệ số ma sát trường hợp tính toán cho kết chênh lệch lớn hiểu chỉnh thủy triều nước dâng bão chế độ thủy triều khu vực triều hỗn hợp độ lớn 0.5 - 1m Tuy nhiên kết tính tốn nước dâng lại bắt tốt pha thời gian nước dâng bão Sai số tuyệt đối nước dâng dao động từ 0.35m đến 0.28m cao nhiều so với trạm Hịn Dáu Từ bảng thấy việc lựa chọn hệ số ma sát đặc trưng cho vùng Vịnh Bắc Bộ 0.004 (TT 0.004) cho sai số nhỏ gần với trường hợp lựa chọn hệ số ma sát tính tốn nút lưới (TT Fort.21) Vì trường hợp cần dự báo nhanh nước dâng bão ta áp dụng hệ số ma sát số cho toàn vịnh
Hình Biến trình nước dâng bão trường hợp tính tốn thực đo trạm Hòn Dáu
(7)Bảng Sai số tuyệt đối trường hợp tính tốn nước dâng
Trạm Sai số tuyệt đối so sánh với mực nước thực đo
TT 0.0045 TT 0.004 TT 0.003 TT Fort.21 Hòn Dáu 0.154 0.169 0.188 0.169 Hịn Ngư 0.349 0.287 0.226 0.285
Hình Biến trình nước dâng gió bão trường hợp tính tốn trạm Hịn Ngư (khơng xét
đến ảnh hưởng thủy triều)
Bão Wukong đổ vào thời kỳ triều cường nên ảnh hưởng thủy triều đến mực nước dâng bão lớn Mực nước dâng tổng cộng lên đến 1.5m khơng tính đến ảnh hưởng thủy triều, mực nước dâng bão vào thời điểm cao cao khoảng 0.5m Tại thời điểm bão chưa ảnh hưởng tới khu vực ven bờ, tất trường hợp tính tốn khác hệ số ma sát cho kết mực nước (các đường trùng khít nhau), bảo ảnh hưởng tới khu vực ven bờ (từ 15h ngày 08/9/2000) có thay đổi mực nước
giữa trường hợp tính tốn (hình 8) chênh lệch mực nước dâng cao trường hợp tính tốn khoảng 10 cm
4 Kết luận
Từ kết tính toán cho thấy thay đổi hệ số ma sát ảnh hưởng lớn đến kết tính tốn nước dâng bão khu vực Vịnh Bắc Bộ Tác giả kiểm nghiệm lựa chọn hệ số ma sát 0.004 áp dụng cho toàn khu vực Vịnh Bắc Bộ thay phải xác định hệ số ma sát nút lưới tính cho kết có sai số tuyệt đối hai trường hợp gần tương đương
Tài liệu tham khảo
[1] A (parallel) advanced circulation model for oceanic, coastal and estuarine waters
[2] Pom08.f - Center for Coastal Physical Oceanography
(8)Assessment the Effects of Bottom Friction Coefficient to Storm Surge Water Levels by Model ADCIRC
in the Gulf of Tonkin Region
Tran Thi Thao, Ha Thanh Huong
Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, College of Science, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam
Abstract: The storm surge calculations show that the effect of bottom friction is extremely important to calibrate the tide and is one of the determinants of the accuracy of the storm surge simulation bymodels In this paper modules ADCIRC of SMS model system is used to simulate the storm surge for assessment the effect of bottom friction coefficient to storm surges calculation results through cases with constant bottom friction coefficient and that coefficient to be calculated at every nodes of the grid.The optimum friction coefficients has selected and applied to the Tonkin Gulf region, that makes the calculated results storm surges to be more effective