Do trên thực tế tính tốn nhiều khi gặp những trường hợp tồn tại các gradient mực nước lớn, thí dụ như các front nước tràn lên các vùng đất thấp (sự dâng nước ở các bài triều, sóng nước dâng do bão, v.v.), nên việc kiểm tra xem khả năng mơ phỏng của mơ hình tốn mơ tả trong chương 2 có sử dụng phương pháp CIP đối với các trường hợp có gradient lớn của mực nước là rất cần thiết. Để thực hiện điều này bài tốn sóng vỡ đập được sử dụng làm điều kiện kiểm tra thứ nhất.
Mục tiêu của nghiên cứu là mơ phỏng nước dâng do bão do đó việc kiểm tra khả năng mơ phỏng sóng dài của mơ hình cũng là vấn đề đặt ra. Yêu cầu quan trọng của mơ hình là phải mơ tả được tương tác phi tuyến của sóng dài và hơn nữa phải bảo tồn năng lượng của các sóng dài này ở mức độ chấp nhận được. Để thực hiện kiểm nghiệm cho mục tiêu trên thì bài tốn sóng truyền trong kênh thẳng khơng ma sát, khơng có lực coriolis, kín một đầu, tạo ra hệ sóng đứng trong kênh được sử dụng làm bài toán kiểm tra thứ hai.
Bài toán thứ 3 dùng để kiểm nghiệm khả năng mô phỏng thủy triều Biển Đơng. Tính tốn sẽ được thực hiện cho truyền triều trên Biển Đơng và so sánh kết quả tính với một số số liệu mực nước thực đo ở một số trạm hải văn ven biển.
3.2 Kiểm nghiệm với bài tốn vỡ đập
Mơ tả bài tốn: Bài tốn được giả thiết là có hai vùng nước ở thời điểm ban đầu có độ cao cột nước là h1 ở phía trái và h2 ở phía phải (h1 >h2), dưới tác dụng của trọng
trường sinh ra sóng tràn nước từ phía trái sang phía phải. Bài tốn này có nghiệm giải tích cho sự biến dạng và di chuyển của cột nước. Việc mơ phỏng q trình này là khá khó đối với mơ hình nước nơng khi sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn do tồn tại gradient lớn tại điểm ngăn cách hai vùng nước.
Để kiểm tra sơ đồ số tốn trong mơ hình số ở đây đã sử dụng vùng nước hình chữ nhật có độ dài 1000m, độ cao h1 =6m ở phía trài và h2 =3m ở phía phải, hai vùng nước có độ rộng bằng nhau là 500m (xem hình 3.1). Kết quả mơ phỏng số và nghiệm giải tích cho thời điểm 30s sau khi đập ngăn giữa hai vùng nước bị vỡ, được trình bày trên hình 3.2. Hình 3.2 cho thấy các nghiệm số sử dụng các sơ đồ khác nhau cho các kết quả khác nhau và khác với nghiệm giải tích, trong đó nghiệm số CIP cho kết quả gần trùng với phân bố nghiệm giải tích hơn. Hơn nữa các nhiễu giả do sơ đồ số không xuất hiện tại các điểm front của cột nước. Điều này chứng tỏ có cơ sở để tin tưởng vào sự ổn định và khả năng ứng dụng của mơ hình cho các bài tốn thực tế.
Hình 3.1: Phân bố cột nước tại thời điểm ban đầu
Hình 3.2: So sánh kết quả mơ phỏng số và nghiệm giải tích trường hợp bài tốn vỡ đập sau khoảng thời gian 30s.
3.3 Kiểm nghiệm với bài tốn truyền sóng trong kênh
Chúng ta biết rằng bài tốn thủy triều là một bài tốn mơ tả sóng dài nên cần phải kiểm nghiệm mơ hình bài tốn đối với trường hợp sóng đứng. Đây là một trong những bài toán kiểm nghiệm đơn giản nhưng lại rất có hiệu ích trong việc kiểm tra tính bảo tồn năng lượng của sơ đồ số. Bài tốn đặt ra là khi có một sóng dài truyền vào trong kênh thẳng có độ sâu khơng đổi và kín một đầu. Giả thiết sóng phản xạ hồn tồn và khơng có tác dụng của lực Coriolis thì do kết hợp của sóng tới và sóng phản xạ, trường sóng đứng sẽ xuất hiện trong kênh với các điểm nút và điểm bụng phân bố theo quy luật. Nếu suy giảm số của mơ hình số là nhỏ thì tại các điểm bụng ta phải thu được các dao động có biên độ ít nhất là gấp hai lần biên độ của sóng tới. Tại các điểm nút có các dao động nhỏ. Nếu tính phi tuyến được mơ phỏng tốt thì các dao động tại điểm nút không bị triệt tiêu mà sẽ xuất hiện sóng thứ cấp có tần số gấp hai lần tần số của sóng tới.
Hình 3.3: Kênh dùng để thử nghiệm
Với bài toán kiểm tra thứ hai này, kênh được chọn có độ dài l =1000m, độ rộng
m
b=50 , độ sâu h=10m, sóng tới có chu kỳ T =30s, biên độ A=20cm. Lưới tính trong kênh được chia thành các lưới hình chữ nhật 2.5m×2.5m. Biên tại cuối kênh được chọn là biên khơng thấm (phản xạ tồn phần). Thời gian tích phân được chọn là 250s đủ để sóng truyền hết hai lần chiều dài kênh (xem hình 3.3). Các kết quả mô phỏng dao động mực nước tại các điểm bụng và điểm nút (cách nhau xen kẽ bằng một phần tư độ dài sóng L≈T gh) được trình bày trên các hình 3.4 và 3.5:
Hình 3.4: Dao động mực nước tại điểm bụng và dao động sóng tới
Hình vẽ 3.4 trình bày mực nước ngay tại điểm bụng ngay phía trước tường đứng và dao động của sóng tới tại biên vào đầu kênh. Trên hình vẽ ta thấy, sau một khoảng thời gian khoảng 100s sóng truyền tới tường và hiện tượng phản xạ xuất hiện. Dao động tại điểm sát tường có biên độ gấp hai lần biên độ sóng tới và ổn định sau một khoảng thời gian rất ngắn. Sau khoảng 200s, sóng phản xạ từ tường kết hợp với sóng tới tại biên tạo thành một sóng kết hợp, lúc này dao động của sóng tại biên khơng cịn là dao động của riêng sóng tới nữa, ta có thể thấy rõ sự biến đổi của đường đứt nét trên hình sau của dao động tại biên.
Hình 3.5: Dao động mực nước tại điểm nút và dao động tại biên
Hình vẽ 3.5 trình bày dao động của mực nước tại điểm cách tường một khoảng 5/4 độ dài sóng tới L, tương ứng với điểm gần điểm nút. Ta thấy sau khi sóng tới đi
qua một khoảng thời gian ngắn cỡ 130s thì sóng phản xạ từ tường quay lại gặp sóng tới tại điểm này và tạo thành sóng kết hợp có dao động nhỏ hơn rất nhiều dao động của sóng tới. Đặc biệt ta có thể quan sát thấy dao động có tần số cao tại điểm này do sự kết hợp phi tuyến giữa sóng tới và sóng phản xạ chính vì vậy các dao động mực nước vấn tồn tại ở điểm nút.
3.4 Kiểm nghiệm với bài tốn thủy triều trong Biển Đơng
Mơ hình số đã kiểm nghiệm ở trên được áp dụng tính tốn thử cho truyền triều trong Biển Đông. Vùng biển được chia thành các lưới hình vng với ∆x=1/5 độ
5 / 1
=
∆y độ, các trục được chọn xấp xỉ hướng theo kinh tuyến và vĩ tuyến trên hệ tọa
độ Đề Các. Biên cứng được xấp xỉ với điều kiện thông lượng bằng không. Các biên lỏng được cho các dao động mực nước theo các hằng số điều hòa của 4 sóng. Có ba biên lỏng được sử dụng cho mơ hình là eo Đài Loan, eo Basi và eo Malaca. Các hằng số điều hòa trên các eo biển được lấy theo bảng thủy triều Admiralty Tidal Tables.
Hình 3.6: Dao động mực nước tại khu vực Hòn Dấu (bắt đầu từ 22h ngày 4/4/2004)
Kết quả mơ phỏng dao động mực nước tại Hịn Dấu được so sánh với số liệu thực đo tại trạm Hòn Dấu trong tháng 4 năm 2004. Hình 3.6 trình bày dao động mực nước triều tại khu vực Hòn Dấu trong tháng 4 năm 2004. Trên hình vẽ ta thấy dao động mực nước tính tốn khá phù hợp với số liệu thực đo. Dao động mực nước thể hiện rõ tính nhật triều thuần nhất và xu thế thay đổi của dao động mực nước tính tốn rất phù hợp với thực tế. Trên hình vẽ so sánh ta cũng thấy có sự sai khác nhỏ về biên độ triều giữa mô phỏng số và số liệu thực đo, ngun nhân có thể giải thích do vị trí lấy kết quả mơ phỏng sai lệch khá lớn so với vị trí có số liệu vì lưới là 1/5 độ và hơn nữa do lưới mơ phỏng cịn khá thô nên chưa mô tả hết được những ảnh hưởng phi tuyến của vùng nước nơng và sự thay đổi địa hình phức tạp lên dao động mực nước triều.
Hình 3.7: Dao động mực nước tại khu vực Hịn Ngư (bắt đầu từ 00h ngày 7/1/2001)
Kết quả mô phỏng dao động mực nước tại Hòn Ngư được so sánh với số liệu thực đo tại trạm Hịn Ngư trong tháng 1 năm 2001. Hình 3.7 trình bày dao động mực nước triều tại khu vực Hòn Ngư trong tháng 1 năm 2001. Trên hình vẽ ta thấy dao động mực nước tính tốn khi triều lên khá phù hợp với số liệu thực đo. Trên hình vẽ so sánh ta
cũng thấy có sự sai khác về biên độ triều giữa mô phỏng số và số liệu thực đo, nguyên nhân có thể giải thích do chưa hiệu chỉnh đúng được tham số ma sát và ảnh hưởng do địa hình chưa đúng. Tuy nhiên triều lên mơ phỏng khá đúng, pha triều cũng khá chính xác.
Hình 3.8: Dao động mực nước tại khu vực Vũng Tàu (bắt đầu từ 22h ngày 7/1/2000)
Kết quả mô phỏng dao động mực nước tại Vũng Tàu được so sánh với số liệu thực đo tại trạm Vũng Tàu trong tháng 1 năm 2000. Hình 3.8 trình bày dao động mực nước triều tại khu vực Vũng Tàu trong tháng 1 năm 2000. Trên hình vẽ ta thấy dao động mực nước tính tốn khá phù hợp với số liệu thực đo. Dao động mực nước thể hiện rõ tính bán nhật triều khơng đều và xu thế thay đổi của dao động mực nước tính tốn rất phù hợp với thực tế. Trên hình vẽ so sánh ta cũng thấy có sự sai khác nhỏ về biên độ triều giữa mô phỏng số và số liệu thực đo, ngun nhân có thể giải thích do những yếu tố đã nêu ở phần trên.
Hình 3.9: Dao động mực nước tại khu vực Qui Nhơn (bắt đầu từ 22h ngày 23/5/2002)
Kết quả mô phỏng dao động mực nước tại Qui Nhơn được so sánh với số liệu thực đo tại trạm Qui Nhơn trong tháng 5 năm 2002. Hình 3.9 trình bày dao động mực nước triều tại khu vực Qui Nhơn trong tháng 5 năm 2002. Trên hình vẽ ta thấy dao động mực nước tính tốn khá phù hợp với số liệu thực đo. Dao động mực nước thể hiện rõ tính nhật triều khơng đều và xu thế thay đổi của dao động mực nước tính tốn rất phù hợp với thực tế. Trên hình vẽ so sánh ta cũng thấy có sự sai khác nhỏ về biên độ triều giữa mô phỏng số và số liệu thực đo.
3.5 Kết luận tóm lược
Kết quả của việc kiểm chứng cho ba bài tốn nói trên, bài tốn vỡ đập và bài toán truyền triều trong kênh và bài tốn truyền triều Biển Đơng cho thấy: Mơ hình số có thể mơ phỏng tốt trường hợp lan truyền sóng dài và mơ phỏng được các tương tác giữa các sóng với sự suy giảm số khơng đáng kể. Do đó ta có cơ sở tin tưởng vào việc sử dụng phương pháp CIP cho bài tốn sóng dài thực tế bao gồm cả bài tốn truyền triều và bài toán nước dâng do bão.
Chương 4 - TÍNH TỐN NƯỚC DÂNG DO BÃO
4.1 Khái quát vùng nghiên cứu4.1.1 Vị trí địa lí 4.1.1 Vị trí địa lí
Vịnh Bắc Bộ nằm ở phía tây bắc Biển Đơng, là một vịnh nửa kín nước nơng. Ba mặt vịnh được bao bọc bởi lục địa Việt Nam ở phía tây, Trung Quốc ở phía bắc và đảo Hải Nam ở phía đơng. Vịnh ăn thơng ra Biển Đơng qua hai cửa, cửa chính nằm giữa bờ phía nam đảo Hải Nam và bờ biển Trung Bộ, Việt Nam và cửa thứ hai qua eo biển Quỳnh Châu nằm giữa bán đảo Lôi Châu, Trung Quốc và mũi Oanh Ca, đảo Hải Nam. Diện tích vịnh Bắc Bộ vào khoảng 126.250 km2; Chiều dài khoảng trên 500 km; chiều rộng nơi rộng nhất khoảng 310 km, nơi hẹp nhất khoảng 220 km. Hình 4.1 trình bày sơ lược độ sâu vùng nghiên cứu.
4.1.2 Lưới tính
Vùng nghiên cứu được chia thành các lưới tính tốn hình chữ nhật, có kích thước 30
/ 1
= =dy
dx độ. Trục oy theo chiều dọc theo kinh tuyến được chia thành 181 điểm tính (từ vĩ độ 16 đến vĩ độ 22), trục ox theo chiều ngang song song với vĩ tuyến được chia thành 151 điểm tính (từ kinh độ 105 đến kinh độ 110). Tọa độ gốc có kinh độ
0 0 =104.97
x , vĩ độ 0
0 =15.97
y .
4.1.3 Đặc điểm nước dâng do bão vùng Vịnh Bắc Bộ
Dọc theo ven biển Việt Nam thì nước dâng do bão có xu hướng giảm dần từ bắc vào nam. Mực nước dâng cao nhất có thể xẩy ra là lớn nhất chỉ xuất hiện ở vùng Vịnh Bắc Bộ. Hơn nữa đây là vùng mà có số liệu đo nước dâng do bão cụ thể. Trong lịch sử đã đo được mực nước dâng lớn nhất là 3.5m.
4.2 Số liệu tính tốn mơ hình
Trong những năm gần đây, một số cơ quan bộ ngành đã tiến hành đo đạc khảo sát nước dâng do bão khi bão xẩy ra và sau khi đổ bộ. Dựa vào những kết quả khảo sát số liệu thực tế của hai cơn bão số 6 và 7 năm 2005. Chúng tơi lựa chọn hai cơn bão này để tính nước dâng do bão. Mục đích là nhằm có số liệu để so sánh. Đồng thời cũng sử dụng để so sánh với kết quả của mơ hình Delft 3D của Viện thủy lực Hà Lan.
Cơn bão số 6
Bão số 6 có tên quốc tế là Vicente hình thành tại phía nam quần đảo Hồng Sa từ một áp thấp nhiệt đới. Bão số 6 có quỹ đạo di chuyển rất phức tạp, lúc đầu tưởng chừng bão đổ bộ vào các tỉnh Nam Bộ nhưng sau đó bão đi theo đường vịng cung và chuyển hướng lên phía bắc, lúc vào gần đến bờ tưởng chừng bão đổ bộ vào giữa tỉnh Quảng Bình và Hà Tĩnh nhưng sau đó lại đi dọc bờ trước khi đổ bộ vào thành phố Vinh - Nghệ An. Bão số 6 là cơn bão mạnh có tốc độ di chuyển tương đối chậm, độ giảm áp ở tâm tại thời điểm bão gần bờ có lúc đến 985 mlb (bảng 4.1), tốc độ gió giật 25 m/s.
Bảng 4.1: Các tham số cơn bão Vicente 2005 (cơn bão số 6). Ngày/giờ Kinh độ (độ) Vĩ độ (độ) Rmax (km) Vmax (m/s) Pmin (mlb) P∞ (mlb) 15/09/05 00:18 113.6 12.9 35 30 1004 1013 16/09/05 00:00 112.7 12.2 35 30 1004 1013 16/09/05 00:06 112.9 11.1 35 30 1000 1013 16/09/05 00:12 113.2 10.7 35 30 992 1013 16/09/05 00:18 114.1 12.1 35 30 990 1013 17/09/05 00:00 114.4 13.6 35 35 990 1013 17/09/05 00:06 113.8 15.2 35 35 990 1013 17/09/05 00:12 111.7 16.4 35 35 990 1013 17/09/05 00:18 110.2 16.8 35 35 990 1013 18/09/05 00:00 108.3 16.8 35 40 985 1013 18/09/05 00:06 106.9 17.4 35 40 992 1013 18/09/05 00:12 105.1 18.7 35 30 994 1013 18/09/05 00:18 102.4 19.3 35 30 998 1013 19/09/05 00:00 100 20 35 30 1004 1013 Cơn bão số 7
Cơn bão số 7 có tên quốc tế là Damrey được coi là mạnh nhất trong vòng 9 năm qua. Bão số 7 được hình thành tại vùng biển phía bắc của Philippin từ một áp thấp nhiệt đới. Bão số 7 có quỹ đạo di chuyển tương đối giống bão số 2, tức là tây và tây - tây bắc, một hướng di chuyển rất thông thường của các cơn bão đổ bộ vào Việt Nam. Bão số 7 được những trung tâm dự báo bão trên thế giới có những dự báo xa rất chính xác cả về quỹ đạo di chuyển và cường độ bão. Ngay sau khi hình thành bão số 7 đã di chuyển nhanh và cường độ tăng mạnh, có thời điểm khi đổ vào Vịnh Bắc Bộ, độ giảm áp ở tâm tụt xuống tới 955 mlb, tốc độ gió giật 42 m/s, lúc vào gần bờ Việt Nam bão