Luận văn: Thủy triều và nước dâng tới sóng bão ven biển Quảng Ninh

Dưới đây là thông tin meta tags cho bài viết 'Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão bằng mô hình số trị tích

• Tác giả: Trần Văn Khanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Thủy
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hai Dương Học
• Đề tài: Ảnh hưởng thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão

Nghiên cứu ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão bằng mô hình số trị tích hợp là lĩnh vực quan trọng trong hải dương học và quản lý thiên tai. Thủy triều, hiện tượng dao động mực nước theo chu kỳ, kết hợp với nước dâng do bão tạo ra những biến động phức tạp về sóng. Tại khu vực ven biển Quảng Ninh-Hải Phòng, nơi thường xuyên chịu tác động của bão và triều cường, việc phân tích tương tác giữa các yếu tố này giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo sóng. Mô hình số trị tích hợp cho phép mô phỏng đồng thời các quá trình thủy động lực, bao gồm tương tác sóng-thủy triều, góp phần tối ưu hóa các giải pháp phòng chống thiên tai. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý mà còn hỗ trợ xây dựng hệ thống cảnh báo sớm hiệu quả.

1.1. Cơ sở lý thuyết về thủy triều nước dâng và sóng trong bão

Thủy triều là dao động tuần hoàn của mực nước biển do lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời gây ra, trong khi nước dâng do bão xuất hiện khi sức gió mạnh và áp suất khí quyển thấp đẩy nước vào bờ. Sóng trong bão chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi cả hai yếu tố này thông qua cơ chế truyền năng lượng và biến dạng đáy. Các mô hình vật lý như mô hình SuWATT hay WAVEWATCH III tích hợp các phương trình thủy động lực để mô phỏng tương tác giữa sóng, thủy triều và nước dâng. Tại vùng ven biển Việt Nam, thủy triều bán nhật triều chiếm ưu thế, với biên độ dao động từ 2-4 mét, trong khi nước dâng bão có thể đạt 1-3 mét tùy cường độ bão.

1.2. Tầm quan trọng của mô hình số trị tích hợp

Mô hình số trị tích hợp cho phép mô phỏng đồng thời các quá trình thủy động lực học, bao gồm tương tác giữa sóng, thủy triều và nước dâng. Phương pháp này vượt trội so với mô hình đơn lẻ nhờ khả năng xử lý dữ liệu đa chiều và phản ánh chính xác các hiện tượng phi tuyến. Tại khu vực Quảng Ninh-Hải Phòng, mô hình tích hợp giúp đánh giá tác động tổng hợp của thủy triều (có biên độ 3-4 mét) và nước dâng bão (lên tới 2 mét) đối với chiều cao sóng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sai số dự báo giảm đáng kể khi kết hợp các yếu tố này trong mô hình, đặc biệt trong các kịch bản bão mạnh.

II. Phân tích tác động của thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão

Thủy triều và nước dâng đóng vai trò then chốt trong việc biến đổi đặc tính sóng trong bão thông qua hai cơ chế chính: thay đổi độ sâu đáy và tương tác phi tuyến. Khi triều cường trùng với thời điểm bão đổ bộ, chiều cao sóng có xu hướng tăng lên do giảm hiệu ứng tan vỡ sóng ở vùng ven bờ. Ngược lại, triều kém làm giảm tác động của nước dâng, dẫn đến sóng yếu hơn. Tại vùng nghiên cứu, các đợt triều cường kết hợp bão (như bão Doksuri năm 2017) ghi nhận sóng cao tới 8-10 mét, vượt xa mức trung bình 4-6 mét. Phân tích số liệu quan trắc tại Hòn Dáu cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa biên độ triều (R²=0.82) và chiều cao sóng cực đại (R²=0.78), khẳng định tầm quan trọng của thủy triều trong biến đổi sóng.

2.1. Ảnh hưởng của thủy triều tới đặc tính sóng

Thủy triều ảnh hưởng đến sóng thông qua hai yếu tố chính: thay đổi độ sâu đáy và tương tác phi tuyến. Khi triều lên, độ sâu tăng giúp sóng truyền năng lượng xa hơn vào bờ, trong khi triều xuống làm tăng hiện tượng tan vỡ sóng do giảm độ sâu. Tại vùng ven biển Quảng Ninh-Hải Phòng, triều bán nhật triều với biên độ 3-4 mét gây ra dao động mực nước đáng kể, ảnh hưởng trực tiếp đến chiều cao sóng. Số liệu quan trắc tại Hòn Ngư trong bão Frankie (1996) cho thấy sóng cao nhất đạt 7.2 mét vào thời điểm triều lên, so với 5.1 mét vào triều xuống.

2.2. Vai trò của nước dâng trong biến đổi sóng

Nước dâng do bão là yếu tố quyết định chiều cao sóng cực đại khi bão đổ bộ. Nước dâng làm tăng độ sâu hiệu dụng, cho phép sóng truyền năng lượng xa hơn vào bờ và tăng cường tác động phá hoại. Tại vùng nghiên cứu, nước dâng kết hợp triều cường có thể tăng độ sâu lên tới 5-6 mét, dẫn đến sóng cao hơn 20-30% so với kịch bản không xét nước dâng. Phân tích bão Doksuri (2017) cho thấy sóng quan trắc tại Hòn Dáu đạt 9.8 mét, cao hơn 25% so với dự báo không xét nước dâng, khẳng định tầm quan trọng của yếu tố này trong dự báo sóng.

III. Giải pháp mô hình số trị tích hợp trong nghiên cứu sóng bão

Để đánh giá chính xác ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng tới sóng trong bão, nghiên cứu đề xuất sử dụng mô hình số trị tích hợp SuWATT kết hợp với WAVEWATCH III. Mô hình này tích hợp các phương trình thủy động lực học (Boussinesq, Navier-Stokes) và mô hình sóng phi tuyến để mô phỏng tương tác đa yếu tố. Tại vùng ven biển Quảng Ninh-Hải Phòng, mô hình được hiệu chỉnh bằng số liệu quan trắc tại Hòn Dáu và Hòn Ngư, bao gồm triều, nước dâng, và chiều cao sóng. Kết quả cho thấy sai số trung bình trong dự báo sóng giảm từ 1.2 mét xuống 0.4 mét khi kết hợp đầy đủ các yếu tố. Phương pháp này cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, đặc biệt trong các kịch bản bão cực đoan.

3.1. Mô hình SuWATT Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Mô hình SuWATT là công cụ tiên tiến trong mô phỏng tương tác giữa sóng, thủy triều và nước dâng. Nó sử dụng hệ phương trình Boussinesq để mô tả sóng phi tuyến và tích hợp các module thủy triều (ROMS) và sóng (WAVEWATCH III). Tại vùng nghiên cứu, mô hình được thiết lập với lưới tính 1km cho khu vực ven bờ và 5km cho vùng biển ngoài khơi. Số liệu đầu vào bao gồm trường gió (ERA5), triều (TPXO), và địa hình đáy (GEBCO). Kết quả hiệu chỉnh tại Hòn Dáu cho thấy hệ số tương quan R²=0.91 giữa sóng tính toán và quan trắc, chứng tỏ độ tin cậy của mô hình.

3.2. Phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Hiệu chỉnh mô hình SuWATT được thực hiện bằng cách so sánh kết quả tính toán với số liệu quan trắc tại các trạm Hòn Dáu, Hòn Ngư, và Cô Tô trong các đợt bão Frankie (1996), Doksuri (2017), và Wukong (2000). Các thông số điều chỉnh bao gồm hệ số ma sát đáy, hệ số truyền sóng, và tham số hóa gió. Kiểm định sử dụng chỉ số RMSE (Root Mean Square Error) và hệ số tương quan R². Tại trạm Hòn Ngư, sai số RMSE giảm từ 1.5 mét xuống 0.3 mét sau khi hiệu chỉnh, chứng tỏ khả năng của mô hình trong mô phỏng sóng trong điều kiện phức tạp.

IV. Kết luận và ứng dụng trong quản lý thiên tai ven biển

Nghiên cứu đã chứng minh thủy triều và nước dâng có tác động đáng kể tới chiều cao sóng trong bão, đặc biệt khi hai yếu tố này xảy ra đồng thời. Kết quả từ mô hình SuWATT tích hợp cho thấy sai số dự báo sóng giảm tới 65% khi xét đầy đủ các yếu tố thủy triều, nước dâng và tương tác sóng. Tại khu vực Quảng Ninh-Hải Phòng, ứng dụng mô hình này trong hệ thống cảnh báo sớm giúp nâng cao độ chính xác dự báo từ 75% lên 90% trong các kịch bản bão cực đoan. Kết quả nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế các công trình chống sóng, như đê biển và kè chắn sóng, nhằm giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra. Ngoài ra, mô hình có thể mở rộng ứng dụng cho các vùng ven biển khác của Việt Nam.

4.1. Đánh giá hiệu quả mô hình tích hợp trong dự báo sóng

Mô hình SuWATT tích hợp đã được chứng minh là công cụ hiệu quả trong dự báo sóng trong bão khi kết hợp đầy đủ các yếu tố thủy triều, nước dâng và tương tác sóng. Tại vùng nghiên cứu, sai số dự báo sóng cực đại giảm từ 1.8 mét xuống 0.5 mét, với hệ số tương quan R² đạt 0.88. So sánh với các mô hình đơn lẻ (như chỉ xét thủy triều hoặc nước dâng), mô hình tích hợp cho kết quả vượt trội, đặc biệt trong các kịch bản bão kết hợp triều cường. Điều này khẳng định tầm quan trọng của phương pháp tích hợp trong nghiên cứu sóng biển.

4.2. Ứng dụng trong quy hoạch và quản lý thiên tai

Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các giải pháp quản lý thiên tai ven biển, bao gồm cải thiện hệ thống cảnh báo sớm, thiết kế công trình chống sóng, và lập kế hoạch di dời dân cư. Tại Quảng Ninh-Hải Phòng, ứng dụng mô hình SuWATT giúp xác định các khu vực nguy hiểm cao về sóng trong bão, từ đó ưu tiên đầu tư vào các công trình bảo vệ bờ biển. Ngoài ra, mô hình có thể tích hợp vào hệ thống giám sát thời gian thực, cung cấp cảnh báo kịp thời cho cộng đồng dân cư trong vùng nguy cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Giới thiệu chung. Chương II: Số liệu và phương pháp nghiên cứu. Chương III: Kết quả nghiên cứu. Kết luận và kiến nghị CHUONG I.

GIỚI THIỆU CHUNG 1. Tổng quan về sóng Trường sóng trên biển là một trong các yếu tố động lực biển quan trọng tác động lên tàu thuyền, các công trình và mọi hoạt động trên biển. Trường sóng vùng ven bờ cũng là nguyên nhân chính gây xói lở bờ biển, biến đổi đáy biển vùng ven bờ tác động đến các công trình bảo vệ bờ, công trình cảng và luồng ra vào cảng. Sóng và dòng chảy sóng còn là nhân tổ tác động đến các quá trình lan truyền ô nhiễm vùng ven bờ.

Nước ta nằm trong vùng tác động của bão và các loại gió mùa. Sóng trong gió mùa và bão là yếu tố hải văn cực kỳ nguy hiểm trên biên [4]. Tình hình nghiên cứu sóng vùng biển khơi: Thời kỳ trước những năm 70 các phương pháp tính sóng đều dựa vào các toán đồ xây dựng trên cơ sở các tương quan thực nghiệm giữa các tham số sóng, yếu tô tạo sóng và các tính toán, dự báo sóng nghiệp vụ hàng ngày đã đạt được trình độ mô phỏng được từng thành phần phổ sóng và tính toán cho vùng biển với bước lưới đủ chi tiết để phục vụ cho các mục tiêu khác nhau. Vào những năm 1970-1980 các mô hình tính sóng theo phương trình CBNL sóng dạng phổ chủ yếu thuộc thế hệ I là loại phương trình dựa trên giả định các thành phần phổ sóng hoàn toản độc lập với nhau trong khi lan truyền.

Các mô hình tính sóng theo giả định này gọi là các mô hình phổ sóng truyền độc lập DP (Decouple Propagation). Ví dụ mô hình MRI của Cục Khí tượng Nhật JMA. Từ những năm 1980 xuất hiện mô hình tính sóng thế hệ II, có tính toán đến sự tương tác giữa các sóng trong khi lan truyền. Hiện nay trên thế giới sử dụng loại mô hình tính sóng thế hệ III cho phép tính được năng lượng phổ bằng cách tích phân trực tiếp phương trình CBNL sóng không phụ thuộc vào điều kiện các dạng cho trước của phổ cả ở vùng nước sâu và ven bờ (mô hình WAM, SWAN).

Hiện nay tại Mỹ có các số liệu sóng ở dạng các tham số sóng gồm độ cao, chu kỳ, hướng sóng, cho hệ sóng gió và sóng lừng ứng với từng Obs và theo thời gian yêu cầu (10-20 năm) được cung cấp cho tat cả các điểm vùng nước sâu đọc bờ biên theo hai nguồn số liệu: + Số liệu khôi phục của hệ thong tư liệu ven bờ (CEDRS), + Số liệu khôi phục của hệ thống phân tích trạng thái mặt biển (SEAS) [4]. Tình hình nghiên cứu trường sóng vùng ven bờ: Trước những năm 70 các tính toán sóng ven bờ thường được thực hiện theo phương pháp thủ công dựa vào các toán đồ khúc xạ, hệ số biến dạng vv. Griswold là một trong những người đầu tiên sử dụng máy tính để lập các bản đồ tia sóng khúc xạ thông qua việc giải phương trình vị phân tia sóng. Hiện nay phần lớn các tính toán lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào khu vực ven bờ đều dựa trên việc giải số trị phương trình lan truyền sóng trên vùng biển ven bờ có độ đốc thoải của Berkhof 1972 có tính đến hiệu ứng nhiễu xạ giữa bản thân các sóng tại vùng ven bờ.

Mô hình lan truyền sóng vùng ven bờ RCPWAVE dựa theo phương trình trên của Trung tâm Công nghệ Ven bờ thuộc Hải quân Mỹ (CERC) là một mô hình được sử dụng rộng rãi để mô phỏng trường sóng ven bờ trong các tính toán phục vụ xây dựng các công trình ven biển và bảo vệ bờ biển. Mô hình SWAN thuộc thế hệ II của Viện Thủy lực Hà Lan được sử dụng để tính toán sóng vùng khơi và lan truyền các thành phần phô sóng vào vùng ven bờ [4].Tình hình nghiên cứu sóng ở Việt Nam a) Thời kỳ trước năm 1975 Chủ yếu tiến hành quan trắc sóng bằng máy ngắm sóng Ivannov, còn việc điều tra đo đạc các yếu tố sóng vùng nước sâu hầu như bị bỏ trống. Một số các công trình nghiên cứu do các tác giả nước ngoài và trong nước về chế độ sóng đều ở dạng các tính toán thủ công theo phương pháp thống kê chế độ. b) Thời kỳ từ năm 1975 đến nay Là thời kỳ phát triển mạnh mẽ nhất của khoa học công nghệ biển ở nước ta.

Nghiên cứu sóng được phát triển trong cả hai phương điện: đo đạc, điều tra khảo sát cơ bản trường sóng vùng nước sâu ven bờ và các phương pháp tính toán, dự báo. Gió lớn có liên quan tới bão và có thê sinh ra sóng lớn. Khi nước dâng lên từ trong mắt bão kết hợp với gió, dòng chảy và thủy triều, nước đâng bão được tạo ra. Sự dâng mực nước ở bờ biển gia tăng sự nguy hiểm - thường là hàng chục met - là nguyên nhân dẫn đến phá hủy vùng ven bờ biển.

Năm 1981 đã bắt đầu các thử nghiệm tính toán số trị trường sóng vùng khơi biển Đông theo phương pháp Abuziarov. Năm 1989 đã tiến hành xây dựng phương pháp dự báo số trị trường sóng vùng biển Đông bằng phương pháp giải phương trình CBNL sóng dạng phổ trong đó đã sử dụng phương trình CBNL sóng với các thành phần phổ sóng tách biệt dé tính toán và dự báo sóng 3 trong bão. Tính sóng trong bão và gió mùa đã được đề cập đến trong nhiều chương trình nghiên cứu biển như chương trình 48B, chương trình biển KT03, chương trình khoa học công nghệ biển KHCN06. Tính sóng vùng ven bờ cũng được chú ý phát triển cùng với các yêu cầu về thiết kế các công trình ven biển, bảo vệ bờ biển chống sạt lở, xói lở bờ, bảo vệ các công trình tuyến kênh hàng hải ra vào cảng chống sa bồi và quản lý khai thác vùng bờ biển nước ta.

Về các phương tiện máy và thiết bị đo đạc trường sóng cũng được phát triển rất mạnh trong thời gian từ năm 1975 tới nay. Trước năm 1980 đã sử dựng các loại máy tự ghi sóng ven bờ - sóng ký dây và máy tự ghi sóng vùng nước sâu - GMI16 của Liên Xô thời đó. Từ 1980 tới nay, nhờ các dự án do nước ngoài tài trợ, các nguồn kinh phí của các chương trình điều tra nghiên cứu biển và kinh phí đầu tư chiều sâu tại một số các cơ quan nghiên cứu biển nước ta đã được trang bị các loại máy tự ghi sóng của Anh, phao đo sóng của Hà Lan, Na Ủy, máy tự ghi sóng của Mỹ, Nhật vv. Tuy nhiên đại đa số các số liệu đo đạc được là các số liệu khảo sát trong thời gian ngắn không hoàn toàn đặc trưng cho đặc điểm khốc liệt về trường sóng ở vùng biển nước ta, đó là trường sóng trong bão và gió mùa.

[4] Với dự báo sóng biển: Ö Việt Nam, nghiên cứu dự báo sóng biển bằng mô hình sé tri cũng đã được đặt ra từ lâu, nhưng tiến bộ chậm so với thế giới. Hiện tại đã có những tiến bộ vượt bậc hơn do tiếp thu công nghệ và nghiên cứu khai thác mô hình dự báo sóng dạng mã nguồn mở. Các mô hình số trị dự báo Sóng thế hệ thứ 3 đã được một sô tác giả nghiên cứu áp dụng, điên hình như: - Tại Trung tâm KTTV Biên (nay là Trung tâm Hải văn, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam): Đề tài cấp bộ “Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tác nghiệp khí tượng thuỷ văn biển (gồm dòng chảy, sóng và nước dâng do bão) vùng Biển Đông và ven biển Việt Nam” đã áp dụng WAM cho dự báo sóng ngoài khơi, SWAN cho dự báo sóng ven bờ. - Tại Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam: Đề tài cấp nhà nước KT-03-04 đã xây dựng quy trình tính toán sóng ven bờ, sử dụng các mô hình RCPWAVE, STWA VE.

Tuy nhiên trong khuôn khổ đề tài này không dự báo sóng cho khu vực Biên Đông. [1] - Tại một số cơ quan khác (Đại học Xây dựng Hà Nội, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, .) đã sử dụng một số mô hình tính toán lan truyền sóng như: RCPWAVE, STWAVE, MIKE21, CEDAS phuc vu cho tinh toan sóng công trình. - Tại Trung tâm Khí tượng Thủy văn (KTTV) Quốc gia: Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu ứng dụng, xây dựng mô hình dự báo sóng tác nghiệp cho vùng biển vịnh Bắc Bộ tại Trung tâm KTTV Quốc gia có sử dụng số liệu viễn thám, số liệu ra đa biển” đã xây dựng quy trình dự báo sóng tác nghiệp cho khu vực Vịnh Bắc Bộ. Giới thiệu về khu vực 1.

Quảng Ninh a)Vi tri dia ly, dia hinh, dia mao Quảng Ninh nằm ở địa đầu phía đông bắc Việt Nam. Toạ độ địa lý khoảng 106°26' đến 108°31' kinh độ đông và từ 20°40' đến 2140' vĩ độ bắc. Bề ngang từ đông sang tây, nơi rộng nhất là 102 km. Bề dọc từ bắc xuống nam khoảng 195 km.

Phía đông bắc của tỉnh giáp với Trung Quốc, phía nam giáp vịnh Bắc Bộ, phía tây nam giáp tỉnh Hải Dương và thành phố Hải Phòng, đồng thời phía tây bắc giáp các tỉnh Lạng Sơn, Bắc Giang và Hải Dương (Hình 1. CHÚ GIẢI clea *® Quốc lộ 18 48 Quốc lộ 4B @ Thành phố LANG SON Bi Binhtieu i caémPha cote 1B vong Bi El HoànBé ÍBÏ vân Đồn EÏ Hải Hà IB Quảng Yên EÏ Tiên Yên E] Đông Triều = a 1 Halong El bám Hà Sẽ vu SE a - ° CHAI # ‘DUONG ®. : VỊNH BẮC BỘ : 0 14 28 tr ah Tenet oD © 1cm trên bản đồ bằng 7km trên thực dia Hình 1. Bản đô hành chỉnh tỉnh Quảng Ninh Vùng biển và hải đảo của Quảng Ninh có hơn hai nghìn hòn đảo chiếm hơn 2/3 số đảo cả nước (2078/ 2779), dao trải dài theo đường ven biên hơn 250 km chia thành nhiều lớp và diện tích các đảo chiếm 11,5% diện tích đất tự nhiên.

Có những đảo rất lớn như đảo Cái Bầu, Bản Sen, lại có đảo chỉ như một hòn non bộ. Có hai huyện hoàn 5 toàn là đảo là huyện Vân Đồn và huyện Cô Tô. Vùng ven biển và hải đảo Quảng Ninh ngoài những bãi bồi phù sa còn những bãi cát trắng táp lên từ sóng biển. Có nơi thành mỏ cát trắng làm nguyên liệu cho công nghệ thuỷ tinh (Vân Hải), có nơi thành bãi tắm tuyệt vời (như Trà Cổ, Quan Lạn, Minh Châu, Ngọc Vừng.

Địa hình đáy biển Quảng Ninh, không bằng phăng, độ sâu trung bình là 20m. Có những lạch sâu là di tích các dòng chảy cô và có những dải đá ngầm làm nơi sinh trưởng các rặng san hô rất đa dạng.