Mô Hình Dự Báo Lũ Lụt Cho Khu Vực Duyên Hải Nam Trung Bộ Việt Nam

• Tác giả: Ninh Duy Quynh
• Người hướng dẫn: Dr. Vu Thi Thu Thuy
• Trường học: Thuy Loi University
• Chuyên ngành: Department of Marine and Coastal Engineering
• Đề tài: Mô Hình Dự Báo Lũ Lụt Cho Khu Vực Duyên Hải Nam Trung Bộ Việt Nam
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• Declaration
• Acknowledgements
• 1. INTRODUCTION
• 1.1. Problem identification and the necessity of the study
• 1.2. International researches on storm surge
• 1.3. Past studies on storm surges in Vietnam
• 1.4. The scope of research
• 1.5. Approach and methodology
• 1.6. Thesis structure
• 2. CHAPTER 1: PHYSICAL SETTINGS
• 2.1. Observation stations and hydrologic conditions
• 2.2. Oceanographic conditions
• 2.3. Historical disasters of typhoons and storm surges
• 3. CHAPTER 2: MODELLING OF NON-TYPHOON CONDITION
• 3.1. Introduction model MIKE 21
• 3.2. Module MIKE 21 Flow Model (MIKE 21 FM)
• 3.3. Model setup and boundary conditions
• 3.4. Analysis data and choose scope of model
• 3.5. Building mesh model two-way
• 3.6. Analysis and choice of time and calibration data model
• 3.7. The parameters and model calibration process
• 3.8. Results of model calibration
• 3.9. The parameter for verification
• 3.10. The result of verification model
• 3.11. Conclusions
• 4. CHAPTER 3: MODELING OF STORM SURGE
• 4.1. Theoretical basis of establishing patterns of wind and barometric pressure in the storm
• 4.2. Modeling of typhoon
• 4.3. Wind field model in the storm
• 4.4. Modelling of pressure in storm
• 4.5. Model setup and boundary conditions
• 4.6. Set of hydraulic parameters
• 4.7. Analyze and choose the time and calibration data model
• 4.8. Parameters and model calibration process
• 4.9. Model verification
• 4.10. Set up model verification
• 4.11. The result of verification
• 4.12. Conclusions
• 5. CHAPTER 4: SENSITIVITY ANALYSIS
• 5.1. Role of pressure center in the storm
• 5.2. Set of hydraulic parameters
• 5.3. Role of parameters model (B)
• 5.4. Results model
• 5.5. Results analysis
• 5.6. Role of maximum wind speed in the storm
• 5.7. Role of radius maximum in the storm
• 5.8. Role of wind friction (Ca)
• 5.9. Role of trajectory of storm
• 5.10. Results model
• 6. CHAPTER 5: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• 6.1. Recommendations
• REFERENCES
• APPENDIX

I. Giới thiệu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng tần suất của các hiện tượng thiên tai, nghiên cứu về dự báo lũ lụt tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Khu vực này không chỉ có địa hình phức tạp mà còn chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các cơn bão và sóng thần. Theo thống kê, từ năm 1951 đến 2006, khu vực này đã trải qua nhiều cơn bão lớn, gây thiệt hại nặng nề cho cộng đồng và kinh tế địa phương. Việc xây dựng mô hình dự báo chính xác sẽ giúp nâng cao khả năng ứng phó với thiên tai, từ đó bảo vệ tính mạng và tài sản của người dân.

1.1. Tình hình thiên tai tại khu vực

Khu vực duyên hải Nam Trung Bộ thường xuyên phải đối mặt với các hiện tượng thiên tai như bão, lũ lụt và xói mòn bờ biển. Những cơn bão mạnh, kết hợp với triều cường, đã dẫn đến những trận lũ lụt lớn, gây thiệt hại về người và của. Theo nghiên cứu, có ít nhất 8 loại thiên tai xảy ra tại khu vực này, trong đó nguy cơ lũ lụt là nghiêm trọng nhất. Việc hiểu rõ về đặc điểm và quy luật của các hiện tượng này là rất cần thiết để phát triển các giải pháp phòng ngừa hiệu quả.

II. Mô hình dự báo lũ lụt

Nghiên cứu này áp dụng công nghệ dự báo tiên tiến để xây dựng mô hình toán học cho việc dự báo lũ lụt trong khu vực. Sử dụng phần mềm MIKE 21, mô hình này cho phép mô phỏng và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt, bao gồm áp suất khí quyển, tốc độ gió và địa hình. Thông qua việc phân tích dữ liệu lịch sử và các điều kiện khí tượng hiện tại, mô hình có thể đưa ra dự báo chính xác về mức độ lũ lụt có thể xảy ra trong tương lai.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng

Các yếu tố như biến đổi khí hậu, tác động của lũ lụt và quản lý thiên tai đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ nghiêm trọng của lũ lụt. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự thay đổi trong mô hình khí hậu có thể dẫn đến sự gia tăng tần suất và cường độ của các cơn bão, từ đó làm tăng nguy cơ lũ lụt. Việc phân tích dữ liệu khí tượng và thủy văn sẽ giúp xác định các yếu tố này và cải thiện độ chính xác của mô hình dự báo.

III. Giải pháp giảm thiểu rủi ro

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng, việc áp dụng các giải pháp quản lý thiên tai và chính sách bảo vệ môi trường là rất quan trọng. Nghiên cứu đề xuất một loạt các biện pháp nhằm giảm thiểu rủi ro từ lũ lụt, bao gồm xây dựng các công trình phòng chống lũ, cải thiện hệ thống cảnh báo sớm và nâng cao nhận thức cộng đồng về nguy cơ thiên tai. Các giải pháp này không chỉ giúp bảo vệ tài sản mà còn giảm thiểu thiệt hại về người trong các tình huống khẩn cấp.

3.1. Chính sách bảo vệ môi trường

Chính sách bảo vệ môi trường cần được tích cực triển khai để giảm thiểu các tác động tiêu cực từ thiên tai. Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan chức năng và cộng đồng trong việc thực hiện các biện pháp bảo vệ môi trường, đồng thời nâng cao hiệu quả của các chương trình giáo dục về quản lý thiên tai. Việc này sẽ góp phần tạo ra một môi trường sống an toàn và bền vững cho người dân tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ.

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực ven biển Nam Trung Bộ Việt Nam có chiều dài bờ biển khoảng 735 km, với địa hình đa dạng gồm nhiều sông, cửa sông và đầm phá, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển nông nghiệp và thủy sản. Tuy nhiên, khu vực này cũng là vùng dễ bị tổn thương bởi thiên tai, đặc biệt là bão và nước dâng do bão (storm surge). Theo thống kê, từ năm 1951 đến 2010, khu vực Nam Trung Bộ đã chịu ảnh hưởng của ít nhất 35 cơn bão lớn, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Mỗi năm, Việt Nam chịu trung bình 5-7 cơn bão dọc theo bờ biển, trong đó Nam Trung Bộ là một trong những vùng chịu tác động mạnh mẽ.

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng mô hình mô phỏng nước dâng do bão cho khu vực Nam Trung Bộ bằng phần mềm MIKE 21, từ đó dự báo và cảnh báo lũ lụt ven biển, góp phần giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra. Nghiên cứu tập trung vào các tỉnh ven biển từ Phú Yên đến Bình Thuận, với phạm vi thời gian khảo sát và hiệu chỉnh mô hình chủ yếu dựa trên dữ liệu năm 2007. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ dự báo chính xác, hỗ trợ công tác phòng chống thiên tai và quản lý rủi ro trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ bão.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình sau:

• Phương trình thủy động lực học 2 chiều (2D Shallow Water Equations): Bao gồm phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình bảo toàn động lượng theo hai hướng không gian, mô tả sự biến đổi mực nước và vận tốc dòng chảy trong vùng ven biển.
• Mô hình thủy động lực MIKE 21 Flow Model (FM): Sử dụng lưới phần tử hữu hạn linh hoạt, mô phỏng các quá trình thủy động lực như thủy triều, dòng chảy, sóng và nước dâng do bão.
• Mô hình trường gió và áp suất trong bão: Dựa trên các mô hình như Modified Rankine vortex, Holland, và các mô hình áp suất khí quyển để mô phỏng phân bố gió và áp suất trong cơn bão.
• Khái niệm chính: Nước dâng do bão (storm surge), áp suất trung tâm bão, vận tốc gió tối đa, bán kính gió tối đa, hệ số ma sát đáy, hệ số kéo gió.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu thủy văn, thủy triều, địa hình đáy biển, dữ liệu gió, áp suất và đường đi của bão từ các trạm quan trắc tại Cầu Đá (Khánh Hòa) và Vũng Tàu (Bà Rịa - Vũng Tàu) năm 2007.
• Phương pháp phân tích: Thiết lập mô hình thủy động lực 2D bằng phần mềm MIKE 21, hiệu chỉnh và xác thực mô hình dựa trên dữ liệu quan trắc thực tế. Tiến hành mô phỏng điều kiện không bão và có bão, so sánh kết quả để đánh giá ảnh hưởng của bão đến mực nước ven biển.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu năm 2007; hiệu chỉnh mô hình trong khoảng thời gian từ 10/01/2007 đến 16/10/2007; mô phỏng và phân tích các trường hợp bão điển hình trong giai đoạn này.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu chỉnh mô hình thủy động lực: Mô hình MIKE 21 được hiệu chỉnh với hệ số Manning đáy là 32 (m^(1/3)/s), hệ số NASH đạt trên 0.9 tại các trạm Cầu Đá và Vũng Tàu, cho thấy mô hình mô phỏng mực nước rất sát với dữ liệu quan trắc thực tế.
2. Mô phỏng nước dâng do bão: Kết quả mô phỏng các cơn bão điển hình năm 2007 và 2009 cho thấy mực nước dâng do bão có thể lên tới 1.5-2.0 m tại các vùng ven biển như Quy Nhơn, Nha Trang và Vũng Rô, với sự khác biệt rõ rệt so với điều kiện không bão.
3. Phân tích độ nhạy: Các tham số như vận tốc gió tối đa, bán kính gió tối đa và vị trí tâm bão ảnh hưởng lớn đến mức nước dâng. Ví dụ, tăng vận tốc gió tối đa 10% có thể làm tăng mực nước dâng lên đến 15%.
4. Ảnh hưởng địa hình và thủy triều: Địa hình phức tạp với nhiều vịnh, cửa sông làm giảm cường độ nước dâng tại một số khu vực, trong khi sự kết hợp giữa bão và thủy triều cao làm tăng đáng kể mực nước dâng, gây nguy cơ ngập lụt nghiêm trọng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của nước dâng do bão là lực gió thổi dồn nước vào bờ, trong khi áp suất khí quyển thấp chỉ đóng vai trò phụ trợ. Kết quả mô hình phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hiện tượng này, đồng thời phản ánh đặc điểm địa phương như sự phân bố địa hình và thủy triều. So với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam, mô hình MIKE 21 cho phép mô phỏng chi tiết hơn với lưới phần tử hữu hạn linh hoạt, giúp dự báo chính xác hơn. Dữ liệu được trình bày qua các biểu đồ so sánh mực nước thực tế và mô phỏng tại các trạm quan trắc, cũng như bản đồ phân bố nước dâng tại các khu vực ven biển, minh họa rõ ràng ảnh hưởng của bão.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm: Áp dụng mô hình MIKE 21 để dự báo nước dâng do bão theo thời gian thực, nâng cao khả năng cảnh báo và giảm thiểu thiệt hại cho các tỉnh ven biển Nam Trung Bộ trong vòng 3 năm tới, do Sở TN&MT và Ban chỉ huy phòng chống thiên tai chủ trì.
2. Quy hoạch và xây dựng công trình phòng chống: Thiết kế và xây dựng các công trình đê biển, kè chắn sóng tại các khu vực dễ bị tổn thương như Quy Nhơn, Nha Trang trong 5 năm tới nhằm giảm thiểu tác động của nước dâng.
3. Tuyên truyền và đào tạo cộng đồng: Tổ chức các chương trình nâng cao nhận thức về rủi ro bão và nước dâng cho người dân ven biển, đặc biệt là ngư dân và các hộ dân sống gần cửa sông, thực hiện hàng năm bởi các địa phương và tổ chức xã hội.
4. Phát triển cơ sở dữ liệu và quan trắc: Mở rộng mạng lưới trạm quan trắc thủy văn, khí tượng ven biển, cập nhật dữ liệu liên tục để hiệu chỉnh và nâng cao độ chính xác của mô hình, thực hiện trong 2 năm tới do Viện Khoa học Thủy lợi và các trường đại học liên quan đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý thiên tai và phòng chống lụt bão: Sử dụng kết quả mô hình để xây dựng kế hoạch ứng phó, cảnh báo sớm và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.
2. Các nhà quy hoạch đô thị và xây dựng: Áp dụng dữ liệu mô phỏng nước dâng để thiết kế các công trình ven biển, đảm bảo an toàn và bền vững trong điều kiện biến đổi khí hậu.
3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy văn, khí tượng: Tham khảo phương pháp mô hình và kết quả nghiên cứu để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về mô phỏng thiên tai.
4. Ngư dân và cộng đồng ven biển: Nắm bắt thông tin về rủi ro nước dâng do bão để chủ động phòng tránh, bảo vệ tài sản và tính mạng trong mùa bão.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình MIKE 21 có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   MIKE 21 sử dụng lưới phần tử hữu hạn linh hoạt, cho phép mô phỏng chi tiết vùng ven biển phức tạp, tích hợp nhiều module như thủy triều, sóng và dòng chảy, giúp nâng cao độ chính xác và dễ dàng hiệu chỉnh theo dữ liệu thực tế.

2. Nước dâng do bão khác gì so với thủy triều cao?
   Nước dâng do bão là sự tăng mực nước bất thường do gió mạnh và áp suất thấp của bão, trong khi thủy triều cao là hiện tượng tự nhiên theo chu kỳ do lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời. Khi kết hợp, nước dâng do bão có thể làm mực nước lên rất cao, gây ngập lụt nghiêm trọng.

3. Các tham số nào ảnh hưởng nhiều nhất đến mô hình nước dâng?
   Vận tốc gió tối đa, bán kính gió tối đa, vị trí tâm bão và hệ số ma sát đáy là những tham số quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến mức nước dâng và phạm vi ngập lụt.

4. Làm thế nào để mô hình được hiệu chỉnh chính xác?
   Hiệu chỉnh dựa trên so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu quan trắc thực tế tại các trạm đo mực nước, sử dụng các chỉ số như hệ số NASH để đánh giá độ phù hợp, điều chỉnh các tham số mô hình cho đến khi đạt được kết quả tốt nhất.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vùng ven biển khác không?
   Phương pháp và mô hình có thể áp dụng cho các vùng ven biển khác có điều kiện địa hình và khí hậu tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh lại các tham số mô hình phù hợp với đặc điểm địa phương.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình thủy động lực 2D bằng phần mềm MIKE 21 để mô phỏng nước dâng do bão tại khu vực Nam Trung Bộ Việt Nam.
• Mô hình được hiệu chỉnh và xác thực với dữ liệu quan trắc thực tế, đạt hệ số NASH trên 0.9, đảm bảo độ chính xác cao.
• Phân tích độ nhạy cho thấy vận tốc gió tối đa và bán kính gió tối đa là các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến mức nước dâng.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho công tác dự báo, cảnh báo và phòng chống thiên tai ven biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
• Đề xuất xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, quy hoạch công trình phòng chống, nâng cao nhận thức cộng đồng và phát triển mạng lưới quan trắc để giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

Hành động tiếp theo: Triển khai ứng dụng mô hình trong dự báo thời gian thực và mở rộng nghiên cứu sang các vùng ven biển khác. Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu được khuyến khích phối hợp để nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai.