MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, thiên tai trở lên phức tạp hơn, đặc biệt là bão, kèm theo đó là mực nước biển dâng cao gây ra ngập lụt các vùng cửa sông ven biển. Sự dâng lên của mực nước trong bão có nguy cơ gây ngập đến khu vực ven biển và có thể gây vỡ đê, đặc biệt nếu bão xảy ra trong thời kỳ triều cường. Vì vậy, việc nghiên cứu, tính toán, dự báo mực nước tổng hợp trong bão tại các điểm ven bờ và nguy cơ ngập do bão là một trong những biện pháp tích cực giúp phòng tránh, đưa ra những giải pháp cần thiết để giảm thiểu thiệt hại. Các thành phần đóng góp vào mực nước tổng cộng trong bão bao gồm thủy triều, nước dâng do bão và nước dâng do sóng, trong đó, nước dâng do bão là thành phần quan trọng.
Nước dâng do bão đặc biệt nguy hiểm khi xuất hiện vào đúng thời kỳ triều cường, mực nước tổng cộng dâng cao, kết hợp với sóng lớn có thể tràn qua đê vào đồng ruộng, đây chính là nguyên nhân gây thiệt hại nặng nề về người và của. Ở nước ta, thí dụ trong năm 2005 có 4 cơn bão gây nước dâng cao, trong đó có 2 cơn (bão số 2 - Washi và bão số 7 - Damrey) xảy ra đúng vào lúc triều cường nên thiệt hại do 2 cơn bão này tại Hải Phòng và Nam Định rất lớn. Ngoài bão, gió mùa cũng gây ra nước dâng đáng kể, trong những đợt gió mùa mạnh (cấp 6, 7) và kéo dài 2 đến 3 ngày cũng gây ra nước dâng đáng kể, khoảng từ 30 - 40 cm và có thể cao hơn. Trên thế giới có nhiều quốc gia bị ảnh hưởng của nước dâng bão, đặc biệt là các nước thuộc khu vực vịnh Bengan.
Theo tài liệu ghi nhận, tháng 11/1970 bão đổ bộ vào Bangladesh cướp đi mạng sống của hơn 300. Độ cao nước dâng bão tại Bangladesh từng ghi nhận được lên đến 7m, Sri Lanka đạt 9m. Ở khu vực Châu Á vào năm 1962, tại Hồng Kông bão Wanda đã gây nước dâng tại Pokau là 3.2m, tại cảng Victoria là 4.0m, đây là trị số nước dâng do bão lớn trong lịch sử tại Hồng Kông đã gây ngập lụt trên diện rộng làm hàng nghìn ngôi nhà bị phá hủy, nhiều tàu thuyền ở ven biển bị phá hủy hoàn toàn hoặc hư hỏng nặng. Mới đây, cơn bão Katrina đổ bộ vào miền đông nam nước Mỹ và đã trở thành thảm họa do thiên tai.
Nước dâng do bão Kantrina lên đến 7.6 m phá vỡ hai bờ đê của New Orleans làm cho 80% thành phố bị chìm trong nước. 1 Dải ven biển nước ta ngoài điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế quan trọng như giao thông vận tải, nông nghiệp, thủy sản, dầu khí, khai khoáng và du lịch cũng là nơi chịu nhiều ảnh hưởng của thiên tai như bão, sóng biển và nước dâng do bão. Hàng năm, theo thống kê có khoảng 5-6 cơn bão đổ bộ vào Việt Nam kèm theo đó là nước dâng. Tính đa dạng của địa hình vùng bờ cùng với sự phức tạp của bão đã gây trở ngại trong công tác dự báo nước dâng tổng cộng trong bão.
Chính vì vậy việc nghiên cứu đường bao cực đại nước dâng do bão và xác suất xuất hiện nước dâng bão tại các khu vực ven bờ của Việt Nam có ý nghĩa thực tiễn. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới "Mô hình hóa hiện tượng nước dâng là một nghệ thuật" (Jelesnianski và nnk, 1992). Mô hình hóa nước dâng do bão (NDDB) vẫn đang được cải tiến trong thế kỷ 21 và mang tính toàn cầu. Những cơn bão gây nên hiện tượng nước dâng được nghiên cứu ở những khu vực trên thế giới với những tên gọi khác nhau như: ở Bắc Mỹ, bão xuất hiện ở vịnh Mê xi cô và bờ Đông nước Mỹ được gọi là Hurricanes; ở Châu Âu, bão có thuật ngữ là Tropical Storms; ở Châu Á và Châu Đại Dương, bão được gọi là Typhoons.
Trong nửa đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã nghiên cứu NDDB bằng các công cụ tồn tại theo thời gian: từ những phương pháp thực nghiệm đơn giản dựa trên những quan trắc thưa thớt (Conner và nnk, 1957; Harris, 1959) đến những dẫn xuất được phân tích phức tạp hơn đối với những cơn bão và lưu vực biển đơn giản nhưng giá trị thực tiễn còn hạn chế (Proudman, 1954; Doodson, 1956; Heaps, 1965). Ớ Mỹ, Quốc hội đã chỉ đạo các cơ quan nghiên cứu của quân đội và Cục thời tiết tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về bão và các phương pháp dự báo bão sau những thiệt hại to lớn ở vùng duyên hải phía Đông năm 1954. Đây được xem như là sự khởi đầu của nghiên cứu có hệ thống về NDDB tại Bắc Mỹ (Murty, 1984). Trước khi mô hình số được phát triển thì các toán đồ đã được thiết kế để dự báo nước dâng bất cứ khi nào một cơn bão đo bộ vào một bờ biển.
Conner và nnk (1957) đã xây dựng một mô hình kinh nghiệm đơn giản để tính gần đúng đỉnh nước dâng ven bờ, sau đó vẽ lên các mực nước quan trắc lớn nhất dựa vào dữ liệu áp suất quan trắc được tại tâm bão để xác định đường bao nước dâng. Nhiều phương pháp và mô hình số đã được sử dụng để định lượng mực nước dâng được gây ra bởi các cơn bão. Một trong những hướng dẫn sớm nhất được phát triển cho mục đích đó là thang tỷ lệ bão Saffir/Simpson. Thang tỷ lệ bão Saffir/Simpson được định hướng như là một hướng dẫn tổng hợp cho các cơ quan cứu hộ khẩn cấp sử dụng trong các trường hợp có bão.
Tuy nhiên phương pháp này không phản ánh được những tác động của những yếu tố mang tính địa phương như biến đổi địa hình đáy, hình dạng đường bờ, các vật cản hay những yếu tố khác đến độ cao nước dâng tại những địa điểm khác nhau khi cơn bão đổ bộ vào. 3 Trong nửa đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã nghiên cứu NDDB bằng các công cụ tồn tại theo thời gian: từ những phương pháp thực nghiệm đơn giản dựa trên những quan trắc thưa thớt (Conner và nnk, 1957; Harris, 1959) đến những dẫn xuất được phân tích phức tạp hơn đối với những cơn bão và lưu vực biển đơn giản nhưng giá trị thực tiễn còn hạn chế (Proudman, 1954; Doodson, 1956). Harris và Jelesnianski (1964) đã đưa ra một hệ phương trình thủy động lực hai chiều dạng tuyến tính để tính toán thủy động lực thủy triều cho chất lỏng đồng nhất với áp suất được tính bằng phương trình thủy tĩnh và bỏ qua sóng bề mặt. Jelesnianski (1966) đã sử dụng hệ phương trình chuyển động tuyến tính đó bỏ qua ma sát đáy để tính toán và kết luận rằng gió có tác động gấp 4 lần đến mực NDDB so với áp suất, đỉnh mực nước dâng lớn nhất xuất hiện đối với tốc độ bão khoảng 37 dặm/giờ và góc giữa hướng di chuyển của bão so với đường vuông góc với bờ là 65o.
Trong những năm 1980, mô hình SLOSH (the Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes) của NOAA được thiết lập và Jelesnianski (1992) hoàn thiện để tính toán và đưa ra các bản đồ đánh giá mức độ bảo hiểm do ngập lụt của FEMA (Federal Emergency Management Agency) và vẫn đang được cơ quan dự báo thời tiết Mỹ sử dụng để dự báo NDDB. Đây là mô hình hai chiều được phát triển để dự báo mực nước dâng tức thời bởi các cơn bão đang hoạt động tại những vùng biển ven bờ Đại Tây Dương, nhưng cũng được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Ngoài việc tính nước dâng cho vùng biển hở, mô hình này còn mở rộng khả năng tính nước dâng trong vịnh, cửa sông, lưu vực sông ven biển và cả các vị trí trên đất liền. Những rào chắn thiên nhiên hay nhân tạo trong vùng nghiên cứu cũng được thể hiện trong mô hình đồng thời những ảnh hưởng của chúng đến độ cao mực nước dâng cũng được mô phỏng trong quá trình tính toán.
Kết quả dự báo của SLOSH có độ sai lệch là 20%. Ví dụ nếu mô hình tính đỉnh của mực NDDB là 5 m thì đỉnh của mực nước dâng quan trắc được nằm trong khoảng từ 4 đến 6 m (National Hurrcane Center, 2007). Thực nghiệm số cũng đã góp phần tìm hiểu sâu cơ chế của hiện tượng nước dâng và cải tiến lý thuyết về NDDB. Một số cuốn sách quan trọng về NDDB bao gồm cả phân tích lý thuyết, dữ liệu quan trắc và kết quả số đã được xuất bản trong 4 những năm 1980 (như của Simpson, 1981; Murty, 1984; Pugh, 1987).
Gần đây nhiều sự cải tiến đã được áp dụng trong việc mô hình hóa NDDB. Các kỹ thuật sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và lưới tính phi cấu trúc đã được phát triển trong các mô hình tính NDDB. Hệ lưới phi cấu trúc này có thể biểu diễn được các đối tượng phức tạp của địa hình đáy và trên bờ như đường bờ biển khúc khuỷu, các cửa sông, các lạch triều và các đảo chắn. Hơn nữa còn có thể nâng cấp phân giải lên rất cao cho vùng nghiên cứu.
Với các trường gió có độ chính xác cao thì các mô hình này có thể có độ chính xác đến vài chục centimet khi tính toán cho các cơn bão trong quá khứ. Sự kết hợp các mô hình nước dâng và thủy triều có khả năng mô phỏng đầy đủ tác động của dao động thủy triều lên mực nước tổng cộng và khả năng ngập lụt trong một cơn bão. Trong số đó có các mô hình nổi tiếng như ADCIRD (Advanced Circulation Model for Oceanic, Coastal, and Estuarine Waters), DELFT3D, POM (Princeton Ocean Model).ở các nước khác như Anh, Đan Mạch, Nhật, Nga, Trung Quốc cũng đã xây dựng những mô hình tính nước dâng của riêng mình. Tình hình nghiên cứu trong nước Theo xu hướng chung của thế giới, tại Việt Nam, các nghiên cứu về biến động mực nước biển cũng tập trung ưu tiên đối với thủy triều và nước dâng do bão.
Những nghiên cứu về nước dâng do bão ở Việt Nam đã được thực hiện như các công trình của Lê Phước Trình và Trần Kỳ (1970), Nguyễn Văn Cư (1979). Công trình của Vũ Như Hoán (1988) tác giả này sử dụng phương pháp thống kê và biểu đồ để tính toán mực nước dâng do bão tại các vị trí cần tính. Lê Trọng Đào (1998) đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán thuỷ triều và nước dâng do bão cho vịnh Bắc Bộ.