Miền tính của mơ hình thuỷ động lực cho khu vực cửa sông ven biển ven bờ Lý Sơn sử dụng hệ lưới cong trực giao. Phạm vi vùng lấy đảo Lý Sơn làm trung tâm, mở rộng lên phía bắc gần tới Cù Lao Chàm và mở rộng xuống phía nam tới khu vực cửa Lại Giang. Miền tính của mơ hình cũng được mở rộng ra phía biển, từ đảo Lý Sơn ra phía Đơng khoảng 91,5 km. Miền tính có kích thước khoảng 136 km theo chiều Đông Bắc - Tây Nam và 186 km theo chiều Tây Bắc - Đơng Nam, với diện tích mặt nước khoảng 21.689 km2 được chia thành 244 × 246 điểm tính, kích thước các ơ lưới biến đổi từ 39,4 m đến 4.167 m (Hình 10), trong đó lưới chi tiết tập trung ở vùng nước quanh đảo Lý Sơn và vùng ven bờ. Kích thước lưới thơ hơn ở vùng nước phía ngồi khơi. Lưới độ sâu được thiết lập trên cơ sở lưới tính và bản đồ địa
hình của khu vực đã được số hóa bằng module Delft3D-QUICKIN trong hệ thống mơ hình Delft3D.
Hình 11. Lưới tính của mơ hình cho Biển Đơng
Để tạo các điều kiện biên của mơ hình thủy động lực, sóng cho mơ hình khu vực đảo Lý Sơn, một mơ hình tính với phạm vi cho tồn bộ vùng Biển Đơng. Mơ hình này lưới thơ hơn, có kích thước 403 × 937 điểm tính, các ơ lưới cong trực giao biến đổi trong khoảng 46–20.551 m, chi tiết hơn ở gần bờ và thơ hơn ở phía ngồi (hình 11).
b. Các q trình cơ bản được tính đến trong mơ hình
Mơ hình tính được lựa chọn kiểu liên kết đồng thời của các quá trình cơ bản thủy động lực - sóng. Trong đó các yếu tố chính được tính đến bao gồm: Độ muối, nhiệt độ; ảnh hưởng của gió bề mặt và áp suất khí quyển.
Điều kiện ban đầu của mơ hình
Trong mơ hình Delft3D, điều kiện ban đầu của mơ hình có thể sử dụng từ kết quả tính tốn của các lần chạy trước đó thơng qua các restart file. Đối với trường
hợp áp dụng cho vùng ven bờ Quảng Ngãi - Lý Sơn, điều kiện ban đầu của các kịch bản các kết quả tính tốn từ trước đó 1 tháng.
Điều kiện biên
Đối với mơ hình cho tồn biển đơng, các điều kiện biên mở của mơ hình này là các hằng số điều hòa thủy triều của 13 sóng chính (M2, S2, K2, N2, O1, K1, P1,Q1, MF, MM, M4, MS4, MN4), đây là dữ liệu trong TPXO8-atlas. Các biên mở của mô hình này cũng sử dụng điều kiện độ, độ muối từ CSDL WOA13. Số liệu khí tượng (bao gồm gió, áp suất, nhiệt độ khơng khí) từ dữ liệu NCEP (National Centers for Environmental Prediction NCEP), độ phân giải 0,2 độ, tần suất 3 h.
Đối với mơ hình chi tiết cho vùng Lý Sơn - Quảng Ngãi, các biên mở của mơ hình này được sử dụng từ kết quả của mơ hình tính cho Biển Đơng theo phương pháp lưới lồng (NESTHD) trong mơ hình Delft3D.
Điều kiện bão
Trong nghiên cứu này, các điều kiện khí tượng trong bão như vân tốc gió, áp suất khí quyển để đưa vào mơ hình tính được sử dụng từ CSDL NCEP với dữ liệu cho toàn bộ vùng Biển Đơng (tương ứng với miền tính của mơ hình thủy động lực). Dữ liệu này được đưa vào mơ hình ở dạng ma trận đều với độ phân giải theo không gian khoảng 0,2 độ, tần suất 3 h.
Các tham số tính tốn khác của mơ hình
Tham số nhám đáy (bottom roughness) trong nghiên cứu này lựa chọn sử dụng các hệ số Manning (n) biến đổi theo không gian với giá trị 0,018–0,023 m-1/3s. Các hệ số Manning lớn hơn ở điều kiện trầm tích đáy là vật liệu thơ và nhỏ hơn ở điều kiện trầm tích đáy là hạt mịn. Căn cứ để tính tốn các hệ số này dựa vào bản đồ phân bố trầm tích tầng mặt và tài liệu hướng dẫn lựa chọn các hệ số Manning.
Các giá trị liên quan đến điều kiện rối có thể được xác định do người dùng như là một hằng số, hoặc tham số biến đổi theo khơng gian hoặc tính tốn với cách tiếp cận HLES (mơ phỏng xốy lớn bình lưu - Horizontal Large Eddy Simulation). Mơ hình HLES gần đây đã được tích hợp trong hệ thống mô hình Delft3D theo lý
thuyết của Uittenbogaard và được thảo luận trong nghiên cứu của Van Vossen. Trong nghiên cứu này, hệ số khuyếch tán rối và nhớt rối nền theo phương ngang được lựa chọn là 10 m2
/s. Các hệ số này theo phương thẳng đứng là 10-5m2/s. Mơ hình khép kín rối 2 chiều là mơ hình HLES trong Delft3D. Mơ hình khép kín rối 3 chiều trong nghiên cứu này là mơ hình k-є.
Mơ hình sóng
Mơ hình sóng trong nghiên cứu này được thiết lập chạy đồng thời (online coupling) với mơ hình thủy động lực và mơ hình vận chuyển trầm tích lơ lửng. Tại mỗi thời điểm tính tốn (1 h), mơ hình sóng sẽ sử dụng lưới tính, trường gió, các kết quả tính độ sâu, mực nước, dịng chảy của mơ hình thủy động lực. Các điều kiện biên mở của mơ hình sóng tính cho vùng biển Lý Sơn - Quảng Ngãi được lấy từ mơ hình lưới thơ tính cho Biển Đơng theo phương pháp lưới lồng.
Kiểu ma sát đáy trong mô hình sóng ở nghiên cứu này được lựa chọn là phổ JONSWAP với hệ số ma sát đáy có giá trị 0,067. Mơ hình B&J (được lựa chọn để tính ảnh hưởng của nước nơng nơi diễn ra 0,067 q trình sóng đổ).
2.5. Thời gian tính tốn
Do các số liệu đo tại Lý Sơn được thực hiện trong năm 2018 nên, mơ hình thủy động lực của khu vực ven bờ đảo Lý Sơn - Quảng Ngãi cũng được thiết lập và chạy với điều kiện thực tế ở khu vực này.
Bước thời gian chạy là 0,5 phút.
2.6. Hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả của mơ hình
Các kết quả tính tốn của mơ hình trong năm 2018 đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng với một số chuỗi số liệu đo tại Lý Sơn. Các kết quả phân tích sau lần hiệu chỉnh cuối cho thấy có sự phù hợp tương đối giữa mực nước tính tốn và đo đạc (hình 12–14). Theo đó các hệ số tương quan giữa mực nước tính tốn và quan trắc biến động từ 0,77 (tháng 2) đến 0,94 (tháng 8). Sai số bình phương trung bình cũng biến đổi trong khoảng từ 11 cm (tháng 8) đến 20 cm (tháng 2). Hệ số Nash tính tốn được biến đổi trong khoảng 60% đến 85% (tháng 8).
Hình 12. So sánh mực nước tính tốn và quan trắc tại Lý Sơn tháng 2/2018
Hình 13. So sánh mực nước tính tốn và quan trắc tại Lý Sơn tháng 5/2018
2.7. Các kịch bản mô phỏng dự báo
Luận văn đã lựa chọn các cơn bão đổ bộ vào Lý Sơn và ven bờ biển Quảng Ngãi từ 1967-2017 với khoảng 30 cơn bão đại diện cho khả năng gây nước dâng lớn nhất có thể xảy ra ở khu vực nghiên cứu. Ý nghĩa lớn nhất gây nước dâng cực đại là tốc độ gió bão cực đại khi đi qua khu vực nghiên cứu, có khả năng gắn liền với ngập lụt ở vùng nghiên cứu, tốc độ gió bão từ 18-30 m/s.
Luận văn đã nhóm các cơn bão này theo các kịch bản như sau:
- Nhóm kịch bản 1: Là nhóm các cơn bão tạo với đải Lý Sơn góc 45o. - Nhóm kịch bản 2: Là nhóm các cơn bão tạo với đải Lý Sơn góc 90o. - Nhóm kịch bản 1: Là nhóm các cơn bão tạo với đải Lý Sơn góc 135o.
Vì điều kiện thời gian nên để đánh giá ảnh hưởng của bão đến nước dâng ở khu vực nghiên cứu học viên mô phỏng các điều kiện thủy động lực - sóng trong 3 cơn bão cụ thể để đại diện cho 3 nhóm kịch bản gồm:
- Nhóm kịch bản 1: Cơn bão Xangsane (9/2006). Thời gian mơ phỏng tháng 9– 10 năm 2006.
- Nhóm kịch bản 2: Cơn bão Ketsana (9/2009). Thời gian mô phỏng, tháng 9– 10 năm 2009.
- Nhóm kịch bản 3: Cơn bão Nari (10/2013). Thời gian mô phỏng tháng 10 năm 2013.
Với mỗi nhóm kịch bản sẽ tính tốn theo 2 trường hợp riêng biệt:
- Mô phỏng nước dâng chỉ có ảnh hưởng của thủy triều, khơng tính đến ảnh hưởng của sóng gió.
- Mơ nước dâng theo thực tế bão gồm: Thủy triều + sóng + gió trong bão + áp suất. Nhằm đánh giá diễn biến của mực nước theo thời gian, các điểm kiểm tra trong miền tính của mơ hình cũng đã được thiết lập. Đó là các điểm quanh đảo Lý Sơn và một số điểm vùng ven bờ Bình Thuận (QN1), An Thành (QN2), Ba Làng An (QN3).
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NƯỚC DÂNG BÃO VÀ XÁC ĐỊNH MỰC NƯỚC DÂNG CỰC ĐẠI VÙNG ĐẢO LÝ SƠN
3.1. Nước dâng do bão Xangsane
Các kết quả tính tốn mơ phỏng trường sóng ở khu vực biển đông cùng thời điểm đã cho thấy ảnh hưởng của cơn bão Xangsane (năm 2009) đến trường sóng của khu vực này trong thời gian xuất hiện bão đến khi đi vào vùng bờ ven biển miền Trung (hình 16–20).
Hình 16. Độ cao sóng do bão Xangsane, ngày 29/9/2006
Khi bão đi vào khu vực Biển Đơng (29/9/2006) độ cao sóng lớn nhất nằm ở phía Đơng Bắc của quần đảo Hồng Sa với giá trị trên 4,0 m, phạm vi ảnh hưởng toàn bộ khu vực từ 15–20oN và 111–117oE. Tại thời điểm này ảnh hưởng của bão cũng gây ra sóng với độ cao khoảng 2–2,5 m dọc khu vực ven biển miền Trung (hình 16).
Ngày 30/9/2006 bão nằm trên khu vực Biển Đông đã gây ra độ cao sóng lớn nhất là 5 m ở khu vực phía Tây Bắc của quần đảo Hồng Sa quanh khu vực quần đảo Hồng Sa có thể đạt 4–5 m. Do bão tiến gần vào ven bờ nên dọc bờ biển miền
Trung, độ cao sóng lớn hơn, đạt 2,5–3 m, ở phía ngồi biển độ cao sóng có thể đạt trên 5,0 m (hình 17).
Hình 17. Độ cao sóng do bão Xangsane, ngày 30/9/2006
Hình 19. Độ cao sóng do bão Xangsane, ngày 2/10/2006
Vào ngày 1/10/2006 bão áp sát đất liền gây ra sóng lớn tầm 5 m, tuy nhiên tập trung chủ yếu khu vực ven biển từ Đà Nẵng đến Quảng Ngãi. Khu vực ven biển phía Nam Quảng Ngãi độ cao sóng chỉ khoảng 1,5–2 m. Tuy nhiên khu vực ngồi khơi, đặc biệt phía Tây Bắc của quần đảo Trường Sa, độ cao sóng có thể đạt 3–4 m với phạm vi 9–12oN và 109–119oE, khu vực phía Nam vịnh Bắc Bộ, độ cao sóng trên 5,0 m (hình 18 và hình 19).
Bên cạnh sóng lớn, bão cịn gây ra nước dâng dọc ven biển các tỉnh miền Trung (hình 20–23). Tuy nhiên, mức dộ ảnh hưởng của bão đến sự dâng cao mực nước còn phụ thuộc vào các điều kiện khác như địa hình, trạng thái của kỳ triều khi bão đổ bộ (triều cường hoặc kém) và hướng sóng gió tác động của bão.
Các kết quả tính tốn mơ phỏng cho thấy có sự chênh lệch đáng kể giữa hai trường hợp (mực nước chỉ do thủy triều và mực nước do thủy triều và các ảnh hưởng của sóng gió, áp suất trong bão). Vào lúc 17 h ngày 29/9/2006, dưới ảnh hưởng của bão, mực nước dâng (nước dâng cộng với thủy triều) ở khu vực ven biển bắt đầu tăng so với mực nước thủy triều thuần túy, với giá trị tăng lên phổ biến
trong khoảng 0,2–0,5 m. Trong đó thể hiện rất rõ rệt xu hướng tăng nhiều hơn ở vùng ven bờ và ít hơn ở khu vực đảo Lý Sơn và vùng ngồi khơi (xem các hình 20 đến hình 23).
Theo phân bố mực nước tăng theo khơng gian:
Hình 20. So sánh mực nước khu vực ven bờ Lý Sơn - Quảng Ngãi (a- mực nước do
thủy triều, b- mực nước do bão), ngày 29/9/2006
a)
Hình 21. So sánh mực nước khu vực ven bờ Lý Sơn - Quảng Ngãi (a- mực nước do
thủy triều, b- mực nước do do bão), ngày 30/9/2006 a)
Hình 22. So sánh mực nước khu vực ven bờ Lý Sơn - Quảng Ngãi (a- mực nước do
thủy triều, b- mực nước do do bão), ngày 1/10/2006 a)
Hình 23. So sánh mực nước khu vực ven bờ Lý Sơn - Quảng Ngãi (a- mực nước do
thủy triều, b- mực nước do do bão), ngày 2/10/2006
Mực nước dâng tại một số khu vực
Các kết quả mô phỏng mực nước biển theo các trường hợp khác nhau mặc dù đã cho thấy ảnh hưởng của sóng gió và các điều kiện khí tượng trong bão đến mực nước biển của khu vực. Tuy nhiên, những sự phân bố này không thể hiện rõ định lượng mực nước dâng do ảnh hưởng của bão. Vì vậy, trong nghiên cứu này đã trích xuất các kết quả mơ phỏng ở các vị trí khác nhau (hình 15) để đánh giá những ảnh hưởng của bão đến sự dâng cao mực nước của từng khu vực.
a)
Tại khu vực phía đơng đảo Lý Sơn, ảnh hưởng của bão Xangsane chỉ làm mực nước dâng cao nhất lên đến 20 cm (hình 24) và thời điểm này xảy ra vào kỳ triều cường, ở các thời điểm nước lớn.
Hình 24. So sánh mực nước tại Lý Sơn, tháng 9–10/2006
Hình 25. So sánh mực nước tại khu vực phía Bắc Lý Sơn, tháng 9–10/2006
Ảnh hưởng của bão đến mực nước tại khu vực phía bắc đảo Lý Sơn cũng có xu hướng tương tự và mức độ dâng cao mực nước cũng chỉ trong khoảng 10–20 cm (hình 25). Thời điểm nước dâng lớn nhất cũng là thời điểm nước lớn.
Trong khi đó, ảnh hưởng của cơn bão này làm nước dâng cao hơn ở khu vực phía Tây và phía Nam đảo Lý Sơn, có xu hướng cao hơn so với khu vực phía Đơng và Bắc đảo Lý Sơn, phổ biến trong khoảng 10–25 cm (hình 26 và hình 27).
Hình 26. So sánh mực nước phía Nam Lý Sơn, tháng 9–10/2006
Hình 27. So sánh mực nước tại khu vực phía Tây Lý Sơn, tháng 9–10/2006
Trong khi đó, các kết quả tính tốn cho thấy, ảnh hưởng của bão Xangsane làm cho mực nước khu vực ven bờ tăng lên rõ rệt. Mực nước tăng do sóng gió, các yếu tố khí tượng khác ở vùng ven bờ tăng lên khoảng 10–20 cm trong các điều kiện khơng có bão. Khi ảnh hưởng của bão, mực nước có thể tăng lên khoảng 20–32 cm so với điều kiện khơng có ảnh hưởnh của các yếu tố khí tượng hải văn trong bão (hình 28–30). Như vậy, rõ ràng ảnh hưởng của bão Xangsane đến nước dâng ở khu vực ven bờ lớn hơn đáng kể so với ở vùng ven đảo Lý Sơn.
Hình 28. So sánh mực nước tại khu vực ven bờ Bình Thuận (QN1), tháng 9–10/2006
Hình 29. So sánh mực nước khu vực ven bờ An Thành (QN2), tháng 9–10/2006
Hình 30. So sánh mực nước tại khu vực ven bờ Ba Lang An (QN3),
3.2. Nước dâng do bão Ketsana
Hình 31. Độ cao sóng do bão Ketsana, ngày 27/9/2009
Hình 32. Độ cao sóng do bão Ketsana, ngày 28/9/2009
Bão Ketsana gây ra những tác động đến trường sóng khu vực Biển Đơng với phạm vi lớn hơn rõ rệt so với bão Xangsane. Vùng nước có độ cao sóng lớn hơn 5 m bao phủ phần lớn khu vực giữa biển Đơng vào ngày 27/9/2009 (hình 31). Đến
ngày 28/9/2009, quy mô ảnh hưởng của cơn bão này đã mở rộng với vùng nước có độ cao sóng lớn hơn 5 m ra gần như tồn bộ vùng biển khu vực giữa Biển Đơng (hình 32). Trước khi đổ bộ vào vùng ven biển miền Trung, bão Ketsana đã gây ra sóng cao trên 5 m cho khu vực giữa Biển Đơng và gần như tồn bọi vùng biển phía Nam vịnh Bắc Bộ (hinh 34–35).
Hình 33. Độ cao sóng do bão Ketsana, ngày 29/9/2009
Theo phân bố mực nước tăng theo không gian:
Trước và trong khi đổ bộ vào khu vực đảo Lý Sơn và ven bờ Quảng Ngãi, bão Ketsana cũng gây ra nước dâng ở vùng biển của khu vực này. Các kết quả tính tốn mơ phỏng cho thấy cơn bão này đã làm nước dâng lên rõ rệt ở vùng biển ven bờ