Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đồng bằng châu thổ rộng lớn, có diện tích đất liền khoảng 39.712 km², dân số khoảng 17,2 triệu người, đóng góp hơn 50% sản lượng nông nghiệp quốc gia và là khu vực có tiềm năng kinh tế biển quan trọng. Tuy nhiên, vùng này cũng đối mặt với nhiều rủi ro thiên tai, trong đó sóng thần do động đất ngoài khơi Biển Đông là một hiểm họa tiềm ẩn với khả năng gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Trận động đất và sóng thần tại Nhật Bản năm 2011 đã làm nổi bật tính cấp thiết của việc nghiên cứu và dự báo sóng thần nhằm giảm thiểu thiệt hại.

Luận văn thạc sĩ này tập trung ứng dụng mô hình thủy lực TELEMAC-2D để mô phỏng hiện tượng sóng thần xâm nhập vào vùng ĐBSCL khi xảy ra động đất ngoài khơi vùng Nam Biển Đông. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá quy mô, thời gian lan truyền, cao độ mực nước và phạm vi ảnh hưởng của sóng thần tại các cửa sông và ven bờ các tỉnh trong vùng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm bảy cửa sông chính của sông Mekong và các khu vực ven sông thuộc các tỉnh như An Giang, Vĩnh Long, Bạc Liêu, Trà Vinh, Mỹ Tho, Cần Thơ và Sóc Trăng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng bản đồ cảnh báo sóng thần, hỗ trợ công tác phòng tránh và ứng phó thiên tai tại khu vực ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên cơ sở lý thuyết dòng chảy mặt hai chiều trong vùng nước nông, được mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant. Sóng thần được xem là sóng nước nông với bước sóng dài trên 100 km, do đó các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng được sử dụng để mô phỏng sự lan truyền sóng. Mô hình TELEMAC-2D giải hệ phương trình Saint-Venant bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc thể tích khối hữu hạn không cấu trúc, cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng sóng dài, ảnh hưởng của lực Coriolis, ma sát đáy, và các điều kiện biên phức tạp.

TELEMAC-2D là phần mềm mã nguồn mở, miễn phí, được phát triển bởi Phòng Thí Nghiệm Thủy Lực và Môi Trường Quốc Gia của Pháp, có khả năng xử lý các bài toán thủy lực phức tạp như sóng thần, vỡ đập, và dòng chảy ven bờ. Mô hình này hỗ trợ tính toán trên lưới tam giác không cấu trúc với kích thước phần tử từ 40 m đến 4000 m, phù hợp với việc mô phỏng chi tiết vùng cửa sông và biển Đông.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Sóng thần và đặc điểm sóng nước nông
  • Phương trình Saint-Venant cho dòng chảy mặt hai chiều
  • Ma sát đáy và hệ số nhám Manning
  • Phương pháp phần tử hữu hạn và thể tích khối hữu hạn trong mô hình thủy lực
  • Ảnh hưởng của triều thiên văn và điều kiện biên trong mô phỏng

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm số liệu địa hình bờ và đáy biển, số liệu triều thiên văn, và số liệu quan trắc mực nước tại các trạm Mỹ Thuận, Cửa Tiểu trong tháng 3 năm 2013. Địa hình được tổng hợp từ dữ liệu DEM 25x25 m trên bờ, chuyển đổi từ dạng 1D sang 2D cho đáy sông, và dữ liệu địa hình biển Đông với độ phân giải 1800x1800 m.

Phương pháp phân tích là mô phỏng số bằng mô hình TELEMAC-2D với lưới tính toán gồm 616.670 phần tử tam giác, kích thước phần tử nhỏ nhất khoảng 40 m tại các nhánh sông và lớn nhất 4000 m ngoài biển. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ miền nghiên cứu từ Krong Kracheh (Campuchia) đến các cửa sông chính của ĐBSCL, nhằm đảm bảo tính toàn diện và chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014, bao gồm xây dựng mô hình, kiểm định với số liệu thực đo, và mô phỏng các kịch bản động đất với cấp độ từ 7.0 đến 8.5 độ Richter. Các kịch bản giả định vị trí tâm động đất cách cửa biển Cổ Chiên khoảng 326 km.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng mô phỏng chính xác của mô hình TELEMAC-2D: So sánh kết quả mô phỏng mực nước tại trạm Mỹ Thuận và Cửa Tiểu trong 10 ngày cho thấy sai số nhỏ, với mực nước cực đại mô phỏng tại Mỹ Thuận là 1.045 m, gần với số liệu thực đo. Mô hình phản ánh tốt dao động mực nước và pha triều, chứng tỏ độ tin cậy trong mô phỏng thủy lực vùng ĐBSCL.

  2. Ảnh hưởng của động đất cấp 7.5 độ Richter: Mô phỏng cho thấy sóng thần bắt đầu xuất hiện tại các cửa sông sau khoảng 3 giờ 45 phút, với mực nước cực đại tại cửa Tiểu đạt 2.69 m, các cửa khác dao động từ 1.0 đến 2.0 m. Sóng thần lan truyền vào ven bờ các tỉnh Mỹ Tho, Vĩnh Long, An Giang sau 1 giờ 50 phút đến 4 giờ, với mực nước cao nhất tại Bạc Liêu đạt khoảng 3 m.

  3. Tác động theo cấp độ động đất: Các kịch bản động đất với cấp độ từ 7.0 đến 8.5 độ Richter tương ứng với năng lượng phát sinh từ 85 megatons đến cao hơn, làm tăng đáng kể mực nước sóng thần và phạm vi lan truyền. Động đất cấp 8.5 có thể gây mực nước dâng lên đến 5 m tại ven bờ Bạc Liêu.

  4. Thời gian lan truyền sóng thần: Sóng thần có thể lan truyền từ tâm động đất ngoài khơi đến các cửa sông trong khoảng 3 đến 4 giờ, tạo cơ hội cảnh báo sớm cho các khu vực ven biển và đồng bằng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước về sóng thần do động đất, đồng thời phản ánh đặc điểm địa hình và thủy triều phức tạp của ĐBSCL. Sự khác biệt nhỏ giữa mô phỏng và thực đo có thể do biến động địa hình lòng sông và các hoạt động con người chưa được cập nhật đầy đủ trong mô hình.

Mô hình TELEMAC-2D thể hiện ưu thế vượt trội trong việc mô phỏng dòng chảy hai chiều và sóng dài, phù hợp với đặc điểm sóng thần vùng nước nông. Việc sử dụng lưới tam giác không cấu trúc giúp mô hình hóa chi tiết các cửa sông và vùng ven biển, tăng độ chính xác dự báo.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ dao động mực nước tại các trạm, bảng so sánh mực nước cực đại theo từng kịch bản động đất, và bản đồ phân bố mực nước dâng trên vùng biển Đông và ĐBSCL. Những biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng quá trình lan truyền và tác động của sóng thần.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống cảnh báo sóng thần tại ĐBSCL: Áp dụng kết quả mô phỏng để thiết lập bản đồ nguy cơ và hệ thống cảnh báo sớm, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là các cơ quan quản lý thiên tai và khoa học công nghệ.

  2. Cập nhật và duy trì dữ liệu địa hình, thủy văn: Tăng cường thu thập số liệu địa hình lòng sông, triều và dòng chảy để nâng cao độ chính xác mô hình. Thực hiện định kỳ hàng năm bởi các viện nghiên cứu và cơ quan thủy lợi.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực sử dụng mô hình TELEMAC-2D: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật và nhà khoa học nhằm phát triển kỹ năng mô phỏng và phân tích dữ liệu thủy lực. Thời gian 6-12 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu đảm nhiệm.

  4. Phối hợp nghiên cứu liên ngành và quốc tế: Tăng cường hợp tác với các trung tâm cảnh báo sóng thần trong khu vực và thế giới để trao đổi dữ liệu, kinh nghiệm và công nghệ. Chủ thể là các cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức nghiên cứu, thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý thiên tai và chính quyền địa phương: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phòng chống và ứng phó sóng thần, nâng cao hiệu quả quản lý rủi ro thiên tai.

  2. Các nhà khoa học và kỹ sư thủy lợi, thủy văn: Áp dụng mô hình TELEMAC-2D trong nghiên cứu và thiết kế các công trình thủy lợi, đê điều, và hệ thống cảnh báo thiên tai.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp mô phỏng thủy lực hiện đại, ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu sóng thần và dòng chảy ven biển.

  4. Các tổ chức quốc tế và cơ quan hợp tác phát triển: Sử dụng dữ liệu và kết quả nghiên cứu để hỗ trợ các dự án phát triển bền vững, giảm thiểu rủi ro thiên tai tại khu vực ĐBSCL.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình TELEMAC-2D có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    TELEMAC-2D là mô hình mã nguồn mở, miễn phí, có khả năng mô phỏng dòng chảy hai chiều với độ chính xác cao, phù hợp với các bài toán phức tạp như sóng thần và vỡ đập. Nó hỗ trợ lưới tam giác không cấu trúc giúp mô phỏng chi tiết vùng cửa sông và ven biển.

  2. Sóng thần do động đất ngoài khơi Biển Đông có thể ảnh hưởng đến ĐBSCL như thế nào?
    Theo mô phỏng, sóng thần có thể lan truyền vào các cửa sông và ven bờ ĐBSCL trong vòng 3-4 giờ, với mực nước dâng lên đến 3-5 m tùy cấp độ động đất, gây ngập lụt và thiệt hại nghiêm trọng cho khu vực.

  3. Thời gian cảnh báo sóng thần có đủ để người dân chuẩn bị không?
    Với thời gian lan truyền khoảng 3-4 giờ từ tâm động đất đến bờ, hệ thống cảnh báo sớm có thể cung cấp đủ thời gian để sơ tán và chuẩn bị ứng phó, nếu được triển khai hiệu quả.

  4. Dữ liệu nào được sử dụng để kiểm định mô hình?
    Mô hình được kiểm định bằng số liệu quan trắc mực nước tại các trạm Mỹ Thuận và Cửa Tiểu trong tháng 3 năm 2013, cho thấy kết quả mô phỏng phù hợp với thực tế.

  5. Có thể áp dụng mô hình này cho các vùng khác không?
    TELEMAC-2D có tính linh hoạt cao, có thể áp dụng cho nhiều vùng khác nhau với điều kiện địa hình và thủy văn đa dạng, miễn là có đủ dữ liệu đầu vào phù hợp.

Kết luận

  • Ứng dụng mô hình thủy lực TELEMAC-2D cho phép mô phỏng chính xác hiện tượng sóng thần xâm nhập vùng ĐBSCL do động đất ngoài khơi Biển Đông.
  • Mô hình phản ánh tốt dao động mực nước và thời gian lan truyền sóng thần tại các cửa sông và ven bờ các tỉnh trong vùng.
  • Sóng thần có thể gây mực nước dâng lên đến 5 m tại một số khu vực ven biển như Bạc Liêu, với thời gian lan truyền khoảng 3-4 giờ.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng hệ thống cảnh báo sớm và các biện pháp phòng tránh thiên tai tại ĐBSCL.
  • Đề xuất triển khai hệ thống cảnh báo sóng thần, cập nhật dữ liệu địa hình và đào tạo chuyên môn để nâng cao năng lực ứng phó thiên tai trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo là phối hợp các cơ quan liên quan để phát triển hệ thống cảnh báo sóng thần dựa trên mô hình này, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các vùng ven biển khác của Việt Nam.