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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực ven biển Quảng Ninh và Hải Phòng sở hữu chiều dài bờ biển hơn 375 km với hệ thống hơn 2.078 hòn đảo lớn nhỏ, đóng vai trò là cửa ngõ giao thương đường thủy trọng điểm phía Bắc. Tuy nhiên, vùng biển vịnh Bắc Bộ hàng năm phải gánh chịu tác động trung bình từ 8 đến 10 cơn bão và áp thấp nhiệt đới, tạo ra những biến động hải văn vô cùng phức tạp. Trong thực tế, các phương pháp dự báo sóng biển truyền thống thường chỉ được thực hiện trên nền mực nước tĩnh trung bình, hoàn toàn bỏ qua tương tác phi tuyến của thủy triều và nước dâng do bão. Tại khu vực có biên độ triều lớn từ 3,0 m đến 4,5 m như ven biển Đông Bắc, sự kết hợp giữa triều cường cực đại lên tới 4,59 m và nước dâng bão vượt ngưỡng 1,3 m làm thay đổi sâu sắc trường độ sâu cục bộ và cấu trúc sóng ven bờ.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là ứng dụng mô hình số trị hải dương tích hợp ba thành phần sóng, thủy triều và nước dâng do bão để đánh giá định lượng tác động của dao động mực nước đến trường sóng trong bão tại ven biển Quảng Ninh - Hải Phòng. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ vùng biển Bắc Bộ trong giới hạn tọa độ từ 16,5 độ Bắc đến 22 độ Bắc, phân tích chuỗi dữ liệu bão lịch sử kéo dài 65 năm từ năm 1952 đến năm 2017. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, giúp tối ưu hóa công tác cảnh báo thiên tai với sai số đỉnh sóng dưới 0,5 m và sai số nước dâng dưới 0,2 m, tạo nền tảng vững chắc để bảo vệ hệ thống công trình cảng biển và giảm thiểu thiệt hại kinh tế hàng tỷ đồng mỗi năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết thủy động lực học biển hiện đại, kết hợp giữa hệ phương trình nước nông phi tuyến hai chiều và phương trình cân bằng tác động sóng phổ hai chiều. Mô hình nghiên cứu trung tâm là mô hình số trị tích hợp SuWAT do Đại học Kyoto phát triển, thực hiện ghép nối tương tác hai chiều đồng thời giữa mô-đun thủy động lực học tính dòng chảy, thủy triều, nước dâng và mô-đun sóng phổ thế hệ thứ ba SWAN.

Khung lý thuyết vận dụng các khái niệm then chốt gồm: ứng suất bức xạ sóng theo lý thuyết của Longuet-Higgins và Stewart nhằm mô phỏng hiện tượng nước dâng do sóng vỡ; hệ số kéo bề mặt động phụ thuộc sóng biển theo lý thuyết Janssen với vận tốc gió tham chiếu ở độ cao 10 m; chỉ số phân triều Vandestock đạt giá trị 8,1 tại Cô Tô khẳng định tính chất nhật triều đều thuần nhất với hơn 25 ngày trong tháng chỉ có một lần nước lớn và một lần nước ròng; cùng mô hình bão giải tích Fujita năm 1952 dùng để tái lập trường áp suất khí quyển và vận tốc gió gradient trong bão.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập đồng bộ từ các cơ quan khí tượng hải văn uy tín: chuỗi số liệu quan trắc gió, sóng, mực nước liên tục 56 năm từ năm 1961 đến 2017 tại các trạm hải văn Cô Tô, Hòn Dáu, Phù Liễn; dữ liệu bão từ Trung tâm Cảnh báo Bão Liên hợp Hoa Kỳ (JTWC), Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) và Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia; cùng số liệu phao đo sóng ngoài khơi theo giờ tại tọa độ 17,1 độ Bắc và 107,1 độ Đông từ dự án hợp tác Việt Nam - Na Uy.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 86 cơn bão đổ bộ và ảnh hưởng đến dải ven biển từ Quảng Ninh đến Hà Tĩnh trong giai đoạn 65 năm từ năm 1952 đến 2017. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu có chủ đích kết hợp thống kê lịch sử, trích xuất các cơn bão điển hình có cấp gió từ cấp 11 đến cấp 14 như bão Frankie năm 1996, bão Wukong năm 2000, bão Washi năm 2005 và bão Doksuri năm 2017 để kiểm định mô hình.

Phương pháp phân tích số trị sử dụng kỹ thuật lưới lồng hai cấp qua giao diện truyền thông song song MPI: lưới D1 bao phủ Biển Đông với độ phân giải 4 phút (khoảng 7.400 m, kích thước 226 x 211 điểm) và lưới chi tiết D2 ven biển Bắc Bộ với độ phân giải 1 phút (khoảng 1.850 m, kích thước 271 x 211 điểm). Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm đảm bảo mô phỏng liên tục quá trình truyền sóng từ vùng nước sâu ngoài khơi vào vùng nước nông ven bờ, với bước thời gian tính toán 4 giây cho mô hình thủy triều - nước dâng và 900 giây cho mô hình sóng SWAN, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn ổn định Courant. Timeline nghiên cứu và mô phỏng được thực hiện tập trung trong chuỗi quan trắc 1952 - 2017 và hoàn thiện năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc xét đến ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng do bão làm gia tăng rõ rệt độ cao sóng có nghĩa tại vùng nước nông ven bờ. Trong cơn bão Frankie năm 1996 đổ bộ vào Hải Phòng - Thái Bình, nước dâng do bão thực đo đạt 1,3 m kết hợp thủy triều đẩy mực nước tổng cộng tại trạm Hòn Dáu lên tới 3,28 m, làm độ cao sóng tính toán tăng thêm từ 15% đến 25% so với phương án tính trên nền mực nước trung bình cố định.

Thứ hai, mô hình tích hợp SuWAT thể hiện độ tin cậy và độ chính xác xuất sắc khi kiểm định với số liệu thực đo. Sai số đỉnh nước dâng bão tại trạm Hòn Dáu trong bão Frankie chỉ là 0,2 m và tại trạm Hòn Ngư trong bão Doksuri năm 2017 chỉ đạt 0,15 m. Khi kiểm định sóng ngoài khơi trong bão Wukong năm 2000, sai số căn bậc hai trung bình (RMSE) chỉ là 0,85 m và sai số tuyệt đối độ cao sóng lớn nhất là 1,1 m trên nền sóng thực đo vượt 5,5 m.

Thứ ba, sự tương tác hai chiều thông qua ứng suất bức xạ sóng và hệ số kéo bề mặt động làm tăng trị số nước dâng bão tổng cộng thêm 8% đến 12% so với mô hình chỉ tính riêng gió và áp suất khí quyển. Tại Cô Tô, mực nước biển cực đại ghi nhận đạt 4,59 m và tại Hòn Dáu đạt 4,21 m trong các kỳ bão trùng pha triều cường.

Thứ tư, phân tích thống kê 86 cơn bão trong 65 năm chỉ ra rằng 44% số cơn bão di chuyển theo hướng Tây - Tây Bắc đổ bộ trực tiếp vào khu vực, sinh ra trường sóng bão cực đại lên tới 6,0 m tại Cô Tô và 5,6 m tại Hòn Dáu với chu kỳ sóng kéo dài từ 8 đến 12 giây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự biến đổi mạnh mẽ của trường sóng ven bờ là do hiện tượng triều cường và nước dâng bão làm gia tăng tức thời độ sâu mực nước cục bộ từ 1,0 m đến hơn 4,0 m. Khi độ sâu tăng lên, ma sát đáy biển suy giảm mạnh, làm chậm quá trình tiêu tán năng lượng và hạn chế hiện tượng sóng vỡ sớm ở ngoài xa bờ, cho phép các thành phần sóng lừng mang năng lượng lớn truyền thẳng vào sát bờ kè.

So sánh với các nghiên cứu đơn lẻ trước đây vốn chỉ chạy mô hình sóng SWAN độc lập với mực nước tĩnh, phương pháp tích hợp trong SuWAT đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng ước tính thấp độ cao sóng ven bờ trong bão. Dữ liệu nghiên cứu này có thể được biểu diễn trực quan và sinh động thông qua biểu đồ biến thiên mực nước ba đường gồm triều dự tính, nước dâng và mực nước tổng cộng theo trục thời gian, kết hợp cùng bản đồ phân bố trường sóng cực đại hai chiều dạng lưới đẳng trị và bảng đối chiếu sai số kiểm định giữa số liệu tính toán mô hình và số liệu quan trắc trạm phao hải văn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp hệ thống dự báo sóng tác nghiệp thời gian thực bằng việc ứng dụng mô hình số trị tích hợp SuWAT tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, hướng tới mục tiêu giảm sai số dự báo sóng ven bờ xuống dưới 0,3 m và sai số nước dâng dưới 0,15 m trước năm 2028.

Thứ hai, cập nhật và điều chỉnh tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển do Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn ban hành, quy định bắt buộc tính toán độ cao sóng thiết kế trên nền mực nước dâng bão kết hợp triều cường cực đại 4,5 m, nâng cao trình an toàn đỉnh đê thêm 0,5 m đến 1,2 m cho toàn bộ 125 km đê biển Hải Phòng và Quảng Ninh trước năm 2030.

Thứ ba, đầu tư mở rộng mạng lưới quan trắc hải văn tự động ngoài khơi vịnh Bắc Bộ do Bộ Tài nguyên và Môi trường chủ trì, triển khai lắp đặt bổ sung 3 đến 5 trạm phao đo sóng chuyên dụng truyền dữ liệu vệ tinh với tần suất 1 giờ một lần nhằm phục vụ hiệu chỉnh mô hình số trị trước năm 2027.

Thứ tư, xây dựng bản đồ số hóa cảnh báo nguy cơ ngập lụt và sóng tràn do Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Ninh và thành phố Hải Phòng phối hợp thực hiện, hoàn thành phủ kín bản đồ phân vùng rủi ro chi tiết tỷ lệ 1:10.000 cho 100% các xã phường ven biển trọng điểm trước năm 2029.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các chuyên viên và nhà nghiên cứu tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia và Viện Hải dương học, những người cần khai thác thuật toán ghép nối mô hình SWAN và phương trình nước nông 2D để xây dựng các bản tin cảnh báo bão, triều cường và sóng lớn đạt độ chính xác cao.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư công trình biển và chuyên gia quy hoạch tại Tổng công ty Tư vấn Thiết kế Giao thông Vận tải và Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, có thể ứng dụng trực tiếp các số liệu sóng cực đại từ 4,6 m đến 6,0 m để tính toán ổn định kết cấu đê kè, cầu cảng nước sâu và luồng hàng hải Lạch Huyện, Cái Lân.

Nhóm thứ ba là Ban Chỉ huy Phòng thủ dân sự và Phòng chống thiên tai các tỉnh Quảng Ninh, Hải Phòng, Thái Bình và Nam Định, sử dụng kịch bản mô phỏng bão Frankie và bão Doksuri để chủ động xây dựng phương án sơ tán dân cư và bảo vệ tài sản ven bờ khi bão đổ bộ trong kỳ triều cường.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các trường đại học chuyên ngành Khí tượng, Thủy văn, Hải dương học và Kỹ thuật Bờ biển, dùng toàn bộ cấu trúc nghiên cứu và bộ tham số lưới tính lồng 7.400 m và 1.850 m làm tài liệu học thuật và phát triển đề tài nghiên cứu mở rộng.

Câu hỏi thường gặp

Việc tính toán sóng trong bão có bắt buộc phải kết hợp với thủy triều và nước dâng không? Bắt buộc phải tích hợp vì tại vùng biển có biên độ triều cao từ 3,0 m đến 4,5 m như ven biển Bắc Bộ, sự thay đổi độ sâu do triều và nước dâng sẽ làm biến đổi sâu sắc quá trình sóng vỡ, khiến độ cao sóng ven bờ có thể tăng thêm từ 15% đến 25% so với tính toán tĩnh.

Mô hình SuWAT có điểm gì vượt trội hơn các mô hình tính sóng truyền thống? Mô hình SuWAT tích hợp đồng thời tương tác hai chiều giữa mô hình sóng phổ SWAN và hệ phương trình nước nông phi tuyến 2D, cho phép truyền dữ liệu dòng chảy, ứng suất bức xạ sóng và hệ số kéo bề mặt liên tục sau mỗi bước thời gian 900 giây, loại bỏ sai số tách rời giữa các thành phần động lực học.

Độ chính xác của mô hình tích hợp khi kiểm định qua các cơn bão thực tế đạt mức nào? Kết quả kiểm định qua các cơn bão mạnh như Frankie năm 1996, Wukong năm 2000 và Doksuri năm 2017 cho thấy mô hình đạt độ chính xác cao với sai số đỉnh nước dâng chỉ từ 0,15 m đến 0,2 m và sai số căn bậc hai trung bình của độ cao sóng ngoài khơi chỉ đạt 0,85 m.

Biên độ thủy triều tại trạm Cô Tô và Hòn Dáu được ghi nhận ở mức bao nhiêu? Theo chuỗi số liệu quan trắc 56 năm từ năm 1961 đến 2017, mực nước biển lớn nhất ghi nhận tại Cô Tô đạt 4,59 m với biên độ triều từ 4,2 m đến 4,5 m mang tính chất nhật triều đều; trong khi tại trạm Hòn Dáu mực nước cao nhất từng quan sát được là 4,21 m.

Luận văn đã sử dụng bao nhiêu trường hợp bão để phân tích và kiểm định mô hình? Nghiên cứu đã thu thập và phân tích dữ liệu tổng thể của 86 cơn bão ảnh hưởng đến khu vực từ Quảng Ninh đến Hà Tĩnh trong 65 năm từ năm 1952 đến năm 2017, trong đó 44% số cơn bão có quỹ đạo di chuyển theo hướng Tây - Tây Bắc gây ra sóng biển và nước dâng nguy hiểm nhất.

Kết luận

• Ứng dụng thành công mô hình số trị tích hợp ba thành phần SuWAT trên hệ thống lưới lồng hai cấp độ phân giải 7.400 m và 1.850 m cho dải ven biển Quảng Ninh - Hải Phòng.
• Chứng minh định lượng rằng tương tác giữa thủy triều và nước dâng do bão làm gia tăng từ 15% đến 25% độ cao sóng có nghĩa ở khu vực ven bờ trong điều kiện triều cường.
• Hoàn thành kiểm định mô hình qua tập hợp 86 cơn bão lịch sử giai đoạn 1952 - 2017, khẳng định sai số đỉnh nước dâng cực kỳ tối ưu chỉ từ 0,15 m đến 0,2 m.
• Cung cấp luận cứ khoa học chính xác để điều chỉnh cao trình thiết kế an toàn cho 125 km đê biển và các công trình cảng biển trọng điểm vùng Đông Bắc.
• Đóng góp giải pháp công nghệ hiện đại giúp nâng cao năng lực dự báo nghiệp vụ khí tượng hải văn và phòng chống thiên tai đa thiên tai ven bờ.

Lộ trình triển khai các bước tiếp theo hướng tới mục tiêu tích hợp mô hình SuWAT vào hệ thống dự báo tác nghiệp quốc gia trong giai đoạn 2026 - 2028. Các cơ quan quản lý ven biển, viện nghiên cứu và doanh nghiệp hạ tầng hàng hải hãy chủ động liên hệ để tiếp nhận chuyển giao công nghệ và khai thác bộ cơ sở dữ liệu động lực học biển chuyên sâu này ngay hôm nay!

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.