MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NGẬP LỤT VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU TẠI VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG THEO CÁC KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG

CORE Metadata, citation and similar papers at core.ac.uk Provided by Vietnam Academy of Science and Technology: Journals Online Tạp chí Khoa học Công nghệ biển T10 (2010) Số Tr 45 - 62 MƠ HÌNH TÍNH TỐN NGẬP LỤT VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ BƯỚC ðẦU TẠI VÙNG VEN BIỂN HẢI PHỊNG THEO CÁC KỊCH BẢN BIẾN ðỔI KHÍ HẬU VÀ NƯỚC BIỂN DÂNG VŨ THANH CA, DƯ VĂN TỐN, NGUYỄN VĂN TIẾN, NGUYỄN HỒNG ANH, NGUYỄN HẢI ANH, TRẦN THẾ ANH, VŨ THỊ HIỀN Viện Nghiên cứu quản lý biển hải đảo Tóm tắt: Bài báo giới thiệu mơ hình tính tốn ngập lụt cho vùng ven biển Việt Nam ñiều kiện nước biển dâng biến đổi khí hậu Trong giới thiệu số kết tính tốn thí điểm q trình ngập lụt cho xã Vinh Quang, huyện Tiên Lãng, Hải Phòng với ñiều kiện bão nước biển dâng Với giả thuyết vỡ đê, độ sâu ngập lụt 1,5m kịch (SLR 30 cm) gây ngập lụt 6% diện tích, kịch (SLR 75 cm) gây ngập lụt 48% diện tích, kịch (SLR 100 cm) gây ngập lụt 63% diện tích Các diện tích chủ yếu phía ngồi đê, khu đất trũng đầm ni trồng thủy sản Chính quyền địa phương xã Vinh Quang tham khảo thơng tin xây dựng lồng ghép quy hoạch diện tích sử dụng đất xã, đặc biệt phía ngồi đê biển tương lai I MỞ ðẦU Mực nước biển dâng hậu lớn biến đổi khí hậu Với bờ biển dài 3.260 km có đồng sơng Hồng sơng Cửu Long rộng lớn bị ảnh hưởng mạnh biến đổi khí hậu nước biển dâng Biến đổi khí hậu nước biển dâng gây tổn hại nhiều đến diện tích đất canh tác, mùa vụ nơng ngư nghiệp, xói lở, bồi tụ khu vực ven biển cửa sông, rừng ngập mặn, ñất ngập nước hệ sinh thái ven biển quan trọng khác Mối nguy lớn mực nước biển dâng lên gia tăng tình trạng ngập lụt mùa mưa bão hệ thống ñê biển, hồ chứa nước bị phá vỡ, có nguy nhấn chìm cánh đồng lúa khu vực đồng ven biển, gây thiệt hại lớn ñến kinh tế-xã hội-môi trường an ninh lương thực, an ninh Quốc phịng Bài báo giới thiệu việc xây dựng mơ hình thử nghiệm tính tốn ngập lụt cho vùng ven biển Việt Nam ñiều kiện nước biển dâng số kết bước ñầu áp dụng vùng ven biển đặc trưng có rừng ngập mặn xã Vinh Quang, Tiên Lãng, Hải Phòng 45 II XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN NGẬP LỤT Mơ hình tính tốn ngập lụt xã Vinh Quang nước biền dâng (NBD) kết hợp với bão triều cường ñược xây dựng tính tốn dựa sở mơ hình tính tốn ngập lụt [1, 2] Sau lý thuyết mơ hình tính Mơ hình tính tốn ngập lụt sóng dài gây 1.1 Các phương trình mơ hình tính Từ kết phép lấy trung bình khơng gian, rút phương trình sau [1, 2] ∂f x q x ∂f y q y ∂Sη + + =0 ∂x ∂y ∂t ∂q x ∂  Sq x2  ∂  Sq x q y  +  + ∂t S ∂x  d  S ∂y  d (1)  ∂ (q x / d )  ∂η ∂   + gd − d S ν t ∂x S ∂x  ∂x   ∂ (q x / d )  f c ∂  − dν t S + Qq x =  ∂y  d S ∂y  ∂ (q y / d )  ∂  Sq y     + gd ∂η − ∂ dν t S  +    ∂y S ∂x  ∂x   S ∂y  d  ∂ (q y / d ) f c ∂  − Qq y =  dν t S + S ∂y  ∂y  d (2) ∂q y ∂  Sq y q x  + ∂t S ∂x  d (3) q x q y lưu lượng nước chảy qua ñơn vị chiều dài theo phương vng góc với trục x y; g gia tốc trọng trường; d ñộ sâu nước; ν t hệ số nhớt rối theo phương nằm ngang; f c hệ số trở kháng dòng chảy gây ma sát ñáy chướng ngại vật nhà cửa, cối, khu ñất cao; Q lưu lượng toàn phần Cần ý phương trình từ (1) đến (3) tự động trở thành phương trình dịng chảy hai chiều theo phương ngang (phương trình Saint - Vernant) mà tồn miền nghiên cứu phủ nước Hệ số trở kháng dịng chảy tính tốn dựa theo kết thí nghiệm mơ hình vật lý Viện Nghiên cứu cơng trình cơng cộng Nhật [5] sau: fc = gn h1 / hệ số nhám n xác định sau: 46 (4) n = n02 + 0.020 θ 100 − θ d 4/3 (5) với θ ñại diện cho cơng trình xây dựng hay khu đất cao nút lưới ñược ñịnh nghĩa tỷ số diện tích phần có cơng trình nút lưới tổng diện tích nút lưới n0 đại diện cho trở kháng dịng chảy đất nơng nghiệp, ñường xá ñất sử dụng với mục ñích khác tính sau: n12 A1 + n 22 A2 + n32 A3 n = A1 + A2 + A3 (6) với n1=0.06, n2=0.047 n3=0.05 A1 , A2 A3 tỷ lệ diện tích đất nơng nghiệp, đất làm đường đất sử dụng với mục đích khác tồn diện tích nút lưới Các phương trình từ (1) tới (3) phương trình áp dụng đươc cho khu vực mặt đất có độ dốc khơng lớn dịng chảy có vận tốc khơng vượt q vận tốc lan truyền sóng dài (dịng chảy êm) Khi có chướng ngại vật đường cao, có đê vùng đất cao thay đổi ñộ cao ñột ngột, giới hạn áp dụng phương trình từ (1) tới (3) bị vi phạm để đảm bảo có kết tính tốn với độ xác cao, dịng chảy qua cần ñược xử lý theo công thức thực nghiệm Giả sử ta có dịng chảy tràn qua chướng ngại vật vẽ hình (1) Ký hiệu mực nước thượng lưu chướng ngại vật Wu , mực nước hạ lưu chướng ngại vật Wd cao ñộ mặt ñê Wb , lưu lượng chảy tràn qua chướng ngại vật tính theo cơng thức từ (7) ñến (10) Homma ñề nghị [4] Rõ ràng ta áp dụng cơng thức (9) để tính lưu lượng nước chảy tràn qua vùng đất có độ dốc lớn mà dịng chảy khơng thể tính tốn cách giải phương trình (2) (3) d u = Wu − Wb (7) d d = Wd − Wb (8) dd / du ≤ / Q = 0.35d u gd u dd / du > / Q = 0.91d d g (d u − d d ) (9) (10) Các cơng thức từ (7) tới (10) sử dụng để tính dịng chảy tràn qua đê tạo trao đổi nước lưới tính sơng lớn trường hợp có đê 47 Wu du dd Wb Wd Hình 1: Dịng chảy vượt chướng ngại vật ðể mơ tượng lan truyền sóng dài qua kênh rạch nhỏ, mơ hình tính dịng chảy kênh riêng biệt với dòng chảy tràn bề mặt cách giải phương trình chuyển động tuyến tính hố sau cho kênh ∂H r n r Vr Vr ∂Vr =− − 4/3 g ∂t ∂l d rm (11) đó, Vr vận tốc trung bình dịng chảy kênh, H r mực nước bình kênh, khác với mực nước lưới, l khoảng cách dọc theo kênh từ lưới tới lưới cạnh đó, nr hệ số nhám trung bình kênh d rm độ sâu dịng chảy trung bình kênh Mực nước kênh tính cách giải phương trình cân nước cho đoạn kênh nằm lưới sau ∂H r = ∂t [∑ Q − ∑ Q ]/ A in out (12) đó, Qin Qout lưu lượng nước chảy vào chảy khỏi ñoạn kênh, bao gồm dịng chảy tràn qua đê (nếu có); A diện tích bề mặt đoạn kênh Dịng chảy tràn qua ñê tạo trao ñổi nước kênh lưới tính theo cơng thức Homma Tuy nhiên, cần phải nhấn mạnh sóng dài lan truyền bãi, động lực mạnh sóng dài làm cho vận tốc lan truyền dọc theo kênh khơng sai khác đáng kể so với vận tốc lan truyền bờ kênh nhỏ Vì vậy, phép 48 xấp xỉ nêu việc tính tốn lan truyền sóng dài lưới có tính đến ảnh hưởng kênh nâng cao độ xác lưới tính lớn (có bậc vài chục mét) kênh có chiều rộng đáng kể (khoảng từ m trở lên) Vì lưới tính mơ hình lớn nên để nâng cao độ xác tính tốn, cần phải mơ di chuyển ñường mặt, tức ñường phân chia khu vực có nước tới vùng nước chưa tới nút lưới ðể làm điều này, chúng tơi sử dụng giả thiết sau Như trình bày lý thuyết sóng nói chung, sóng vỡ mà vận tốc chuyển động hạt nước mặt sóng với vận tốc lan truyền sóng Khi sóng dài lan truyền bờ, mặt phía trước sóng dài hồn tồn tương tự với mặt sóng vỡ ðiều có nghĩa tốc ñộ chuyển ñộng hạt nước mặt phía trước sóng dài vận tốc lan truyền sóng dài Do vậy, giả thiết mặt sóng dài lưới tính V f chuyển động với vận tốc lan truyền sóng dài mặt sóng dài, tức là: V f = gd (13) 1.2 ðiều kiện biên ñiều kiện ban ñầu Các biên miền tính phân loại thành biên cứng biên hở a- ðiều kiện biên biên cứng ñược giả thiết trượt tự b- Có hai loại biên hở sử dụng tính tốn Loại biên hở thứ biên hở phía ngồi biển Như trình bày trên, kích thước lưới tính q trình ngập lụt q nhỏ nên việc tính tốn thực miền tính nhỏ Mơ hình số trị tính tốn thành tạo lan truyền sóng phạm vi tồn Biển ðơng sử dụng để tính tốn, cung cấp điều kiện biên cho miền tính nhỏ biên hở phía ngồi biển c- ðiều kiện ban đầu mực nước cho trước tồn miền tính vận tốc dịng chảy khơng 1.3 Sơ đồ sai phân hữu hạn lời giải số trị Các phương trình liên tục phương trình chuyển động từ (1) ñến (3) ñược sai phân hoá lưới sai phân vng góc Một lưới tính so le sử dụng lưu lượng nước vận tốc dịng chảy tính cạnh lưới mực nước tính trung tâm lưới Thành phần phi tuyến (thành phần bình lưu) phương trình chuyển ñộng ñược sai phân hoá theo sơ ñồ cho - nhận [4] 49 x ∆x ∆x Bờ i+1,j+1 v ij i,j+1 i+1,j-1 i+1,j Onshore u i+1j D II C I i,j vij-1 B i,j-1 ∆x A u ij i-1,j+1 i-1,j i-1,j-1 Offshore Biển ∆y y ∆y Hình 2: Hệ toạ độ phương pháp đánh giá biên ướt khô nút lưới Theo sơ đồ vào hướng dịng chảy hai nút lưới lân cận mà ñịnh nút lưới nút lưới cho, nút lưới nút lưới nhận sơ đồ đón gió áp dụng để sai phân hố thành phần bình lưu phương trình chuyển động hai nút lưới Tuy sơ đồ đón gió đảm bảo với độ xác cao điều kiện bảo tồn khối lượng, tạo độ nhớt số trị lớn sai số làm tròn ðể giảm ảnh hưởng sai số làm trịn, đồng thời đảm bảo điều kiện ổn định sơ đồ tính, mơ hình ñã lấy trung bình sơ ñồ sai phân trung tâm (có độ xác bậc 2) sơ đồ ñón gió Sơ ñồ sai phân trung tâm Crank-Nicholson có độ xác bậc dùng ñể sai phân thời gian Vì ñây sơ ñồ sai phân ẩn nên q trình tính lặp áp dụng Thứ tự tính tốn sau: trước hết, lưu lượng dòng chảy qua cạnh lưới ñược giả ñịnh mực nước trung tâm lưới tính cách giải phương trình liên tục (1) Sau có mực nước, mực nước vào phương trình động lượng (2) (3), kết hợp với phương trình chảy tràn từ (7) đến (10), để giải tính lưu lượng Các giá trị lưu lượng lại ñược thay vào phương trình (1) để tính mực nước Q trình tiếp diễn có nghiệm hội tụ Sau đó, diện tích ướt, độ dài ướt thơng số khác tính sở mực nước tính tốn 50 Chu vi ướt nút lưới, chiều dài ướt cạnh diện tích ướt nút lưới tính theo sơ ñồ thời ñiểm cách sử dụng mực nước, cao trình mặt đất độ dốc mặt ñất theo hai hướng trục x trục y Có thể trình bày thủ tục tính tốn sơ đồ hình Sai phân khơng gian phương trình (2) (3) tiến hành theo sơ ñồ tương tự sơ ñồ “thể tích lỏng” (VOF) Hirt Nichols ñề xuất [4] Trong sơ ñồ này, mực nước ñược giả thiết nằm ngang nút lưới Cao độ mặt đất góc nút lưới (thí dụ điểm A, B, C D hình giả thiết giá trị trung bình cao độ mặt đất nút lưới lân cận Thí dụ, cao độ mặt đất điểm C hình tính sau: bc = bi , j + bi , j +1 + bi +1, j +1 + bi +1, j (14) với bc cao ñộ mặt ñất ñiểm C, bi,j, bi,j+1, bi+1,j+1 bi+1,j cao ñộ mặt ñất trung tâm nút lưới (i,j), (i,j+1), (i+1,j+1) (i+1,j) Mực nước cạnh nút lưới ñược xem giá trị trung bình mực nước hai nút lưới kế bên, hai nút lưới ngập nước Thí dụ, mực nước cạnh BC nút lưới i, j hình tính sau: η bc = η i , j + η i , j +1 (15) với η bc , η i, j η i , j +1 mực nước cạnh BC, tâm nút lưới (i,j) (i,j+1) Nếu nút lưới nằm cạnh cạnh chung hồn tồn khơ (khơng có nước, tức diện tích ướt nút lưới 0), mực nước trung bình cạnh nút lưới xem mực nước nút lưới ướt Chiều dài ướt diện tích ướt nút lưới tính tốn theo cao độ mặt đất tâm nút lưới, mực nước lưới ñiểm cắt mặt nước mặt ñất cạnh nút lưới Khi mực nước trung bình nút lưới cao cao ñộ ñáy hai ñầu cạnh, cạnh xem hồn tồn bị ngập nước, chiều dài ướt tương ứng cạnh xem Trong trường hợp khác, giá trị chiều dài ướt ñược xem tỷ số chiều dài phần ướt chiều dài tổng cộng cạnh Sau ñã xác ñịnh ñược tất ñiểm ướt cạnh nút lưới, chu vi ướt diện tích ướt lưới xác ñịnh cách nối ñiểm ướt cạnh đường thẳng Trên hình đường thẳng đường đứt đoạn Diện tích ướt lưới i, j hình phần lưới tính từ ñường ñứt ñoạn phía biển Chu vi ướt diện tích ướt nút lưới giữ khơng ñổi bước thời gian 51 Kiểm chứng mơ hình ngập lụt sóng dài Việc kiểm tiến hành theo số liệu phịng thí nghiệm điều kiện thí nghiệm kiểm sốt được, nên lập ảnh hưởng riêng rẽ yếu tố khác tới kết tính tốn, sở hiệu chỉnh mơ hình số trị tốt Kiểm nghiệm độ xác mơ hình tiến hành với điều kiện thí nghiệm tốn vỡ đập Martin Moyce [5] Nguồn số liệu thứ ñược dùng ñể kiểm chứng ngập lụt sóng dài gây thí nghiệm mơ sóng tràn bãi thoải Synolakis [6] tiến hành Một thí nghiệm mơ hình vật lý nhà khoa học Thế giới coi thí nghiệm quan trọng để kiểm chứng độ xác mơ hình số trị mơ sóng dài thí nghiệm Briggs nnk [7] sóng leo xung quanh đảo hình nón Xuất phát thí nghiệm kinh nghiệm thực tế tàn phá sóng dài xung quanh số đảo Người ta thấy sóng dài cơng đảo nằm biển khơi, sóng dài gây ngập lụt lớn phía đón sóng dài Tuy vậy, phía khuất sóng nằm sườn phía bên ñảo, có hội tụ sóng từ hai bên đảo, ngập lụt sóng dài gây lớn sóng dài gây thiệt hại đáng kể tính mạng cải cho dân cư Từ kết tính tốn trên, sơ kết luận mơ hình số trị mơ q trình sóng leo điều kiện thí nghiệm khác với độ tin cậy thoả mãn Kết tính tốn mơ sóng leo trường hợp thí nghiệm mơ hình vật lý khoảng cách xâm nhập sóng dài vào đất liền trường hợp sóng dài quan trắc ngồi trường, kết luận mơ hình số trị mơ ngập lụt sóng dài gây với độ xác chấp nhận Dựa sở tính tốn lan truyền thủy lực đó, mơ hình áp dụng điều kiện xã Vinh Quang để tính tốn lan truyền mơ ngập lụt Các số liệu đầu vào phục vụ tính tốn 3.1 Các kịch nước biển dâng Trên sở kịch biến đổi khí hậu nước biển dâng (BðKH&NBD) Bộ Tài nguyên Mơi trường [3], nhóm thực dự án tiến hành tính tốn ngập lụt kết hợp với điều kiện nước dâng bão triều cường Các kịch lựa chọn bơi đen bảng 52 Bảng 1: Mực nước biển dâng (cm) Việt Nam so với thời kỳ 1980 - 1999 Kịch Các mốc thời gian kỷ 21 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Thấp (B1) 11 17 23 28 (1) 35 42 50 57 65 Trung bình (B2) 12 17 23 30 (2) 37 46 54 64 75 Cao (A1FI) 12 17 24 33 44 57 71 86 100 (3) 3.2 Số liệu bão Sử dụng số liệu bão thống kê từ năm 1951 ñến năm 2008 Trạm Khí tượng Hịn Dáu, Hải Phịng Giá trị áp suất tâm bão theo công thức [4]: U max = 5,575(∆p ) 1/ Bảng 2: Số liệu bão Hòn Dáu STT Tần suất xuất (%) Vận tốc gió bão Vmax (m/s) Áp suất tâm bão P (mb) 42.6 39.7 35.8 969.77 975.49 982.49 3.3 Số liệu mực nước Bảng giá trị mực nước cực ñại theo tần suất trạm Hòn dấu 450 Mực nước (cm) 440 430 420 410 400 390 380 370 20 40 60 80 100 Tần suất (năm) Hình 3: Mực nước cao năm Trạm Hịn Dấu tính theo tần suất Gumbell 53 Bảng 3: Giá trị mực nước cực đại tính theo tần suất Gumbell trạm Hịn Dấu Tần suất (năm) 10 15 20 50 70 100 Mực nước (cm) 405.5 412.3 417 432 437.4 443.2 3.4 ðiều kiện địa hình Hình 4: Vị trí điểm vỡ đê sơ ñồ xã Vinh Quang (Bản ñồ xã Vinh Quang, 2005) Trong q trình tính tốn, chúng tơi sử dụng điều kiện địa hình trạng năm 2005 xã Vinh Quang Trong q trình số hóa đồ chúng tơi có bổ sung thêm điều kiện 2009 vào ñồ sau ñược góp ý người dân địa phương buổi tham vấn ngày 18/9/2009 Nói chung, địa hình khu vực xã Vinh Quang ñều phẳng ðộ cao trung bình từ 1,5 - m (so với hệ cao ñộ Quốc gia) Diện tích ñất chủ yếu sản xuất nơng nghiệp, khu đất cao khu dân cư, đê đường giao thơng Xã Vinh Quang có hệ thống đê biển tốt, kết hợp với rừng ngập mặn hệ thống đê bảo đảm an tồn cho xã điều kiện bão cấp 12 ðể tính tốn mơ ngập lụt cho trường hợp xấu xảy ra, chúng tơi giả thiết trường hợp xảy vỡ ñoạn ñê xung yếu dài 80m thơn ðơng Dưới điều kiện bão cấp 12 kết hợp nước biển dâng triều cường 54 III KẾT QUẢ TÍNH TỐN NGẬP LỤT TẠI XÃ VINH QUANG Kết tính ngập lụt cho kịch Bảng 4: Mức ñộ nguy ngập lụt xã Vinh Quang theo kịch Mức ñộ ngập (m) 0.00 0.15 0.25 1.25 2.25 2.50 2.75 3.00 3.50 Tổng Diện tích ngập (ha) 407.0 84.2 266.7 1121.9 16.6 11.7 10.8 10.9 0.0 1929.8 Trên hình ta thấy hình ảnh ngập lụt xã Vinh Quang kịch ñiều kiện bão cấp 12 kết hợp với triều cường sông Văn Úc, với mực nước biển dâng 30 cm theo [3], với giả thiết xảy tình vỡ đoạn đê dài 80 m thơn ðơng Dưới Hầu hết diện tích rừng ngập mặn, đầm ni trồng thủy sản phía ngồi đê bị ngập, độ sâu ngập trung bình - 1,25 m Phía đê, khu vực đoạn đê bị vỡ thơn ðơng dưới, độ sâu ngập lụt khoảng 0,5 - m nước Các khu vực khác xã bị ngập lụt vùng ñất trũng trồng lúa thôn: Nam, Thư Sinh, Thái Ninh, ðồn Dưới, Vam Trên, Yên mức ñộ sâu ngập lụt