Tổng quan nghiên cứu
Khu vực Biển Đông hàng năm đón nhận trung bình từ 10 đến 12 cơn bão nhiệt đới, trong đó có hơn 60% số lượng các cơn bão di chuyển và đổ bộ trực tiếp vào dải ven biển miền Bắc và miền Trung Việt Nam. Lịch sử khí tượng hải văn đã từng ghi nhận những đợt thiên tai tàn khốc với mực nước dâng do bão vượt ngưỡng 3,6 m trong cơn bão Dan năm 1989 tại miền Trung và đạt 3,14 m trong cơn bão Frankie năm 1996. Hiện tượng nước dâng do bão kết hợp cùng triều cường và sóng lớn luôn là mối hiểm họa thường trực, đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người cũng như làm hư hỏng kết cấu hạ tầng ven bờ.
Huyện đảo Lý Sơn thuộc tỉnh Quảng Ngãi giữ vị trí tiền tiêu đặc biệt quan trọng về quốc phòng và kinh tế biển, có diện tích tự nhiên khoảng 10,7 km2 với mật độ dân số trên 2.009 người/km2. Nằm cách đất liền khoảng 24 km (tương đương 15 hải lý), đảo Lý Sơn thường xuyên nằm trên đường quét của các cơn bão mạnh từ Biển Đông tràn vào. Tuy nhiên, các bản tin dự báo khí tượng thủy văn truyền thống hiện nay chủ yếu tập trung vào quỹ đạo và cấp gió bão, thường thiếu thông tin chi tiết về trường mực nước dâng cục bộ tại vùng bờ có địa hình phức tạp.
Xuất phát từ thực tiễn cấp bách đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hải dương học đã tập trung ứng dụng mô hình số trị Delft3D nhằm mô phỏng phân bố trường nước dâng bão và xác định mực nước dâng cực đại tại vùng đảo Lý Sơn cùng dải ven biển lân cận tỉnh Quảng Ngãi. Không gian tính toán bao phủ diện tích mặt nước lên tới 21.689 km2, khai thác chuỗi dữ liệu bão trong 30 năm (giai đoạn 1967–2017) với 3 cơn bão điển hình là Xangsane (2006), Ketsana (2009) và Nari (2013). Kết quả nghiên cứu cung cấp luận cứ khoa học tin cậy giúp nâng cao độ an toàn cho quy hoạch không gian biển, phục vụ thiết kế công trình kè biển và giảm thiểu thiệt hại kinh tế hàng chục tỷ đồng cho địa phương.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thủy động lực học biển hiện đại, trọng tâm là hệ phương trình nước nông hai chiều (2D Shallow Water Equations) tích hợp phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng phi tuyến theo hai phương ngang. Cơ chế hình thành nước dâng bão được xác định bởi sự kết hợp của hai lực tác động chủ đạo: hiệu ứng ứng suất tiếp tuyến của gió bão trên bề mặt biển và hiệu ứng tăng mực nước do sự suy giảm khí áp tại tâm bão. Sự tương tác đáy biển được mô tả thông qua hệ số nhám Manning và phương trình ma sát đáy Chezy.
Luận văn tiếp cận các khái niệm cốt lõi trong hải văn công trình bao gồm: nước dâng do bão, tương tác phi tuyến giữa triều và nước dâng, ứng suất bức xạ sóng ven bờ (radiation stress) và đường bao nước dâng cực đại (Maximum Envelope of Water - MEOW). Mô hình lý thuyết của Holland và Jelesnianski được ứng dụng để tái lập trường gió và phân bố khí áp xoáy thuận nhiệt đới. Trong vùng sóng đổ ven bờ đảo, hiệu ứng sóng vỡ tạo ra ứng suất bức xạ làm gia tăng mực nước từ 10% đến 15% so với vùng biển khơi, khẳng định tính tất yếu của việc mô phỏng đồng thời cả sóng và dòng chảy trong bão.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập toàn diện từ các cơ quan khí tượng hải văn uy tín. Dữ liệu địa hình bao gồm hải đồ tỷ lệ 1/50.000 cho vùng ngoài khơi, bản đồ địa hình ven bờ tỷ lệ 1/10.000 do Viện Hải văn và Môi trường biển cung cấp, kết hợp cơ sở dữ liệu độ sâu toàn cầu GEBCO 2019 với độ phân giải khoảng 500 m. Số liệu khí tượng bề mặt (gió, khí áp, độ ẩm, nhiệt độ) được trích xuất từ cơ sở dữ liệu NCEP với độ phân giải 0,2 độ và tần suất cập nhật 3 giờ/lần. Dữ liệu mực nước thực đo tại trạm hải văn Lý Sơn với tần suất quan trắc 6 giờ/lần trong năm 2018 cùng các trạm Quy Nhơn, Sơn Trà (tần suất 1 giờ/lần) được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Điều kiện biên mở sử dụng 13 hằng số điều hòa thủy triều chính từ mô hình TPXO8-atlas và dữ liệu nhiệt muối từ cơ sở dữ liệu WOA13.
Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu đã tổng hợp bộ dữ liệu lịch sử gồm 30 cơn bão tiêu biểu hoạt động tại khu vực biển miền Trung từ năm 1967 đến 2017. Bằng phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích, 30 cơn bão được phân nhóm theo 3 góc tiếp cận chính đối với đảo Lý Sơn (góc 45 độ, góc 90 độ và góc 135 độ). Ba cơn bão có sức gió mạnh từ 18 m/s đến hơn 43 m/s được chọn làm đại diện mô phỏng chi tiết gồm: bão Xangsane tháng 9/2006 (góc 45 độ), bão Ketsana tháng 9/2009 (góc 90 độ) và bão Nari tháng 10/2013 (góc 135 độ).
Lý do lựa chọn phần mềm Delft3D (kết hợp hai mô-đun Delft3D-Flow và Delft3D-Wave) là vì bộ công cụ này hỗ trợ kỹ thuật lưới lồng cong trực giao (nested grid). Hệ thống lưới tính được thiết lập gồm hai cấp: lưới lớn bao trùm toàn bộ Biển Đông (kích thước 403 x 937 điểm tính, bước lưới từ 46 m đến 20.551 m) và lưới chi tiết cho vùng đảo Lý Sơn - ven bờ Quảng Ngãi (kích thước 244 x 246 điểm tính, bước lưới mịn từ 39,4 m đến 4.167 m). Mô hình cho phép ghép nối động lực thời gian thực giữa sóng và dòng chảy với bước thời gian tính toán 0,5 phút, giải quyết triệt để bài toán biến dạng sóng và dồn nước tại vùng bờ có đường bờ khúc khuỷu.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Quá trình hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình thủy động lực bằng chuỗi số liệu quan trắc năm 2018 tại trạm hải văn Lý Sơn mang lại độ tin cậy vượt bậc. Hệ số tương quan giữa mực nước tính toán và số liệu thực đo đạt từ 0,77 (thời điểm tháng 2) đến 0,94 (thời điểm tháng 8). Sai số bình phương trung bình (RMSE) dao động ở mức rất thấp, từ 11 cm trong tháng 8 đến 20 cm trong tháng 2. Chỉ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe đạt giá trị ấn tượng từ 60% đến 85%, chứng minh mô hình mô phỏng chân thực dao động mực nước tại khu vực nghiên cứu.
Mô phỏng trường nước dâng trong 3 cơn bão đại diện cho thấy sự phân hóa rõ rệt về cường độ và không gian ngập lụt:
Cơn bão Xangsane (2006) với vận tốc gió cực đại 43,35 m/s và khí áp tâm bão giảm sâu xuống 940 hPa đã gây ra trường sóng cao trên 6,0 m ngoài khơi và nước dâng lớn tập trung ở phía Bắc và Đông Bắc đảo Lý Sơn khi tâm bão đổ bộ vào Đà Nẵng - Quảng Nam.
Cơn bão Ketsana (2009) có sức gió bão cực đại đạt 75,58 m/s và khí áp 960 hPa đã tạo ra đợt dồn nước mãnh liệt tại dải ven bờ Quảng Ngãi, khiến mực nước dâng tổng hợp tại các trạm Ba Làng An và An Thành đạt đỉnh điểm ngay trước khi bão đổ bộ vào đất liền.
Cơn bão Nari (2013) duy trì vận tốc gió mạnh từ 33,44 m/s đến 38,58 m/s, gây nước dâng đáng kể tại vùng bờ phía Tây và Nam đảo Lý Sơn.
Khi so sánh giữa kịch bản chỉ có thủy triều đơn thuần và kịch bản thực tế tích hợp đầy đủ sóng, gió bão và áp suất khí quyển, kết quả cho thấy các yếu tố khí tượng bão đã làm gia tăng mực nước tổng cộng từ 25% đến 45% tại các vị trí ven bờ và quanh đảo.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng nước dâng cực đại tại Lý Sơn là sự hội tụ đồng thời giữa thành phần ứng suất gió dồn nước vào bờ và độ sâu địa hình dốc quanh đảo. Khi tâm bão di chuyển qua, khu vực nằm ở bán nguyệt nguy hiểm bên phải đường đi của bão luôn hứng chịu sức gió tiếp tuyến mạnh nhất, đẩy khối nước biển dâng cao đột ngột. Tại các vùng nước nông ven bờ, hiệu ứng sóng vỡ tạo ra gradien ứng suất bức xạ sóng ngang, đóng góp thêm một lượng nước dâng cục bộ đáng kể.
So sánh với các nghiên cứu quốc tế tại Vịnh Mexico hay Biển Bắc, quy luật phân bố nước dâng cực đại lệch về phía bên phải quỹ đạo bão trong nghiên cứu này hoàn toàn tương đồng với các kết luận lý thuyết kinh điển của Jelesnianski. Tuy nhiên, do đặc thù đảo Lý Sơn là đảo núi lửa tiền tiêu với thềm san hô bao quanh, biên độ nước dâng do sóng tại đây có xu hướng tập trung mạnh ở các rạn đá ngầm phía ngoài trước khi truyền vào âu thuyền.
Các kết quả nghiên cứu trên có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua hệ thống bảng biểu và bản đồ chuyên đề. Cụ thể, một bảng tổng hợp chỉ số thống kê (Nash-Sutcliffe, sai số RMSE, hệ số tương quan R) theo từng tháng kiểm định sẽ làm nổi bật tính chính xác của mô hình. Đồng thời, chuỗi dữ liệu biến thiên theo thời gian có thể biểu diễn qua đồ thị đường so sánh mực nước quan trắc và tính toán tại các trạm kiểm tra: trạm đảo Lý Sơn, trạm Bình Thuận (QN1), An Thành (QN2) và Ba Làng An (QN3). Đặc biệt, bản đồ hai chiều thể hiện đường bao nước dâng bão cực đại MEOW và trường độ cao sóng có thể minh họa trực quan các vùng trũng ngập nguy hiểm quanh 3 xã An Vĩnh, An Hải và An Bình.
Đề xuất và khuyến nghị
Dựa trên các phát hiện định lượng từ mô hình số trị Delft3D, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình trọng tâm:
Thứ nhất, xây dựng và số hóa bản đồ phân vùng rủi ro ngập lụt ven biển tỷ lệ 1/10.000 dựa trên tập kịch bản đường bao nước dâng cực đại MEOW. Mục tiêu nâng cao độ an toàn trong quy hoạch không gian biển lên 95%, hoàn thành trong giai đoạn 2024–2025 do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ngãi chủ trì phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành.
Thứ hai, điều chỉnh cao trình thiết kế và kiên cố hóa hệ thống đê kè bảo vệ bờ biển đảo Lý Sơn. Căn cứ vào mực nước tổng hợp bão cực trị tính toán (bao gồm triều cường, nước dâng và sóng leo), các đơn vị chức năng cần nâng cao trình đỉnh kè thêm từ 0,8 m đến 1,2 m tại các đoạn bờ xung yếu thuộc xã An Hải và An Vĩnh. Giải pháp này cần được Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng các công trình giao thông và nông nghiệp tỉnh Quảng Ngãi triển khai thực hiện trong giai đoạn 2025–2027.
Thứ ba, nâng cấp mạng lưới trạm quan trắc hải văn tự động tại huyện đảo. Hiện đại hóa trạm đo mực nước Lý Sơn với tần suất ghi nhận tự động 10 phút/lần (thay vì phương pháp đo thủ công 6 giờ/lần hiện nay), tích hợp cảm biến đo sóng và truyền dữ liệu thời gian thực về Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia trước quý 4 năm 2025.
Thứ tư, hoàn thiện quy chế phối hợp ứng phó thiên tai biển cấp huyện. Ủy ban nhân dân huyện Lý Sơn cần ban hành kịch bản sơ tán dân cư vùng trũng thấp trước khi bão đổ bộ từ 12 đến 24 giờ, phấn đấu giảm thiểu 100% rủi ro thương vong về người và cắt giảm tối thiểu 30% thiệt hại vật chất đối với tàu thuyền neo đậu tại âu bão khi đối mặt với bão cấp 12 trở lên.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng:
Cơ quan quản lý nhà nước và cơ quan phòng chống thiên tai: Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Ngãi, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn các cấp có thể sử dụng trực tiếp các kịch bản nước dâng để xây dựng phương án di dời dân cư, phân bổ nguồn lực ứng phó khẩn cấp và hoạch định chiến lược phát triển kinh tế xã hội biển bền vững.
Kỹ sư tư vấn và các công ty thiết kế công trình thủy: Các đơn vị quy hoạch cảng biển, âu thuyền và công trình bảo vệ bờ biển có thể trích xuất số liệu mực nước cực trị và độ cao sóng trong các kịch bản bão để tính toán kích thước kết cấu kè, xác định cao độ đỉnh công trình, đảm bảo an toàn tuyệt đối trước biến đổi khí hậu.
Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Khí tượng, Thủy văn, Hải dương học: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về kỹ thuật thiết lập mô hình Delft3D lưới lồng, phương pháp xử lý dữ liệu địa hình GEBCO, dữ liệu khí tượng NCEP và kỹ thuật đánh giá sai số mô hình theo tiêu chuẩn quốc tế.
Doanh nghiệp du lịch và cộng đồng ngư dân nuôi trồng thủy sản tại Lý Sơn: Doanh nghiệp lữ hành và các hộ nuôi cá lồng bè có thể nắm bắt quy luật dâng nước và hướng sóng tràn để chủ động gia cố lồng bè, lựa chọn vị trí neo đậu an toàn, giảm thiểu thiệt hại tài sản trong mùa mưa bão từ tháng 9 đến tháng 12 hàng năm.
Câu hỏi thường gặp
Mô hình Delft3D có ưu điểm gì vượt trội trong bài toán mô phỏng nước dâng bão tại đảo Lý Sơn?
Delft3D cho phép tích hợp đồng thời mô-đun thủy động lực Flow và mô-đun sóng Wave trên hệ lưới cong trực giao 244 x 246 điểm tính. Mô hình tái hiện chi tiết đường bờ phức tạp của huyện đảo rộng 10,7 km2, mô phỏng chính xác sự tương tác phi tuyến giữa triều, sóng và gió bão với hệ số tương quan thực nghiệm đạt mức 0,94.
Tại sao phải tính toán kết hợp cả 4 yếu tố thủy triều, sóng, gió bão và áp suất khí quyển?
Trong điều kiện thiên tai thực tế, mực nước tổng cộng là kết quả giao thoa của toàn bộ các lực động lực học. Kết quả mô phỏng các cơn bão Xangsane và Ketsana chứng minh rằng nếu chỉ tính riêng thủy triều, mực nước dâng sẽ bị đánh giá thấp hơn từ 25% đến 45%, dẫn đến nguy cơ ngập lụt bất ngờ và tràn vỡ đê kè biển.
Khái niệm đường bao nước dâng bão MEOW mang ý nghĩa gì trong công tác dự báo phòng tránh thiên tai?
MEOW biểu thị giá trị mực nước dâng cao nhất ghi nhận được tại từng mắt lưới trong toàn bộ thời gian bão quét qua. Bản đồ MEOW từ 30 cơn bão lịch sử cung cấp bức tranh tổng thể về giới hạn ngập lụt cực đại mà không phụ thuộc vào vị trí trạm đo, hỗ trợ đắc lực cho công tác cắm mốc cảnh báo thiên tai tại 3 xã của đảo.
Độ chính xác của mô hình số trị trong luận văn được kiểm định như thế nào?
Mô hình được kiểm chứng nghiêm ngặt bằng chuỗi số liệu đo thực tế năm 2018 tại trạm hải văn Lý Sơn. Các chỉ số thống kê khẳng định độ tin cậy vượt trội với chỉ số Nash-Sutcliffe đạt 60% đến 85%, sai số bình phương trung bình RMSE chỉ từ 11 cm đến 20 cm, đủ tiêu chuẩn ứng dụng vào nghiệp vụ thực tế.
Góc tiếp cận và hướng di chuyển của cơn bão ảnh hưởng thế nào đến độ cao nước dâng tại đảo?
Các kịch bản góc bão 45 độ, 90 độ và 135 độ tạo nên trường động lực rất khác biệt. Vùng phía Bắc và Đông Bắc đảo Lý Sơn luôn ghi nhận mực nước dâng cao nhất khi tâm bão đi qua phía Nam huyện đảo, do khu vực này chịu tác động trực tiếp từ hoàn lưu gió bão mạnh nhất ở góc bán nguyệt bên phải quỹ đạo bão.
Kết luận
Nghiên cứu ứng dụng mô hình Delft3D mô phỏng nước dâng bão tại đảo Lý Sơn đã đạt được các kết quả khoa học nổi bật:
- Thiết lập thành công hệ thống mô hình số trị Delft3D hai chiều liên kết sóng và dòng chảy trên hệ lưới cong trực giao chi tiết bao phủ 21.689 km2 vùng biển Quảng Ngãi - Lý Sơn.
- Kiểm định mô hình đạt độ chuẩn xác cao với hệ số tương quan R dao động từ 0,77 đến 0,94 và sai số bình phương trung bình chỉ từ 11 cm đến 20 cm.
- Chứng minh định lượng vai trò của sóng, gió và khí áp làm gia tăng mực nước tổng hợp từ 25% đến 45% so với dao động thủy triều thuần túy.
- Phân tích trường nước dâng cực trị cho 30 cơn bão lịch sử thông qua 3 họ bão điển hình là Xangsane 2006, Ketsana 2009 và Nari 2013.
- Cung cấp cơ sở khoa học xác đáng cho việc xác định cao trình đê kè biển và xây dựng bản đồ phân vùng rủi ro ngập lụt cho huyện đảo.
Đóng góp lớn nhất của luận văn là hoàn thiện quy trình ứng dụng mô hình toán hiện đại để giải quyết bài toán thiếu hụt chuỗi số liệu quan trắc mực nước bão liên tục tại các vùng đảo tiền tiêu xa bờ. Về lộ trình tiếp theo, các viện nghiên cứu và cơ quan khí tượng cần tiếp tục tích hợp dữ liệu viễn thám vệ tinh và công nghệ dự báo thời gian thực trong giai đoạn 2025–2027 nhằm nâng cao độ phân giải mô hình. Quý độc giả, các nhà khoa học và kỹ sư công trình quan tâm được khuyến khích liên hệ khai thác toàn văn luận văn thạc sĩ để ứng dụng hiệu quả vào công cuộc phát triển bền vững và bảo vệ chủ quyền biển đảo quê hương.