Nghiên cứu mô hình triều cường cho bờ biển Bắc Trung Bộ Việt Nam

• Tác giả: Tran Manh Linh
• Người hướng dẫn: A/Prof. Nghiem Tien Lam
• Trường học: Thuy Loi University
• Chuyên ngành: Coastal Engineering and Management
• Đề tài: Mô Hình Dự Báo Triều Cường Cho Bờ Biển Bắc Trung Bộ Việt Nam
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Ha Noi

• Declaration
• Acknowledgements
• 1. CHAPTER 1: PHYSICAL SETTINGS
• 1.1. Geographic conditions
• 1.2. Topographic conditions
• 1.3. Observation stations and hydrologic conditions
• 1.4. Historical disasters of typhoons and storm surges
• 1.5. Conclusions
• 2. CHAPTER 2: MODELLING OF NON-TYPHOON CONDITION
• 2.1. Introduction model MIKE 21
• 2.2. Module Mike21 EM
• 2.3. Model setup and boundary conditions
• 2.3.1. Basic input data
• 2.3.2. The digitalized area
• 2.4. Model calibration
• 2.4.1. Boundary condition and initial condition
• 2.4.2. The model parameters
• 2.4.3. Result of model calibration
• 2.5. Model verification
• 2.5.1. The parameter for verification
• 2.5.2. The result of verification model
• 2.6. Model results
• 2.7. Conclusions
• 3. CHAPTER 3: MODELING OF STORM SURGE
• 3.1. Model setup and boundary conditions
• 3.2. Model calibration
• 3.2.1. The input data
• 3.2.2. Result of calibration
• 3.3. Model verification
• 3.3.1. The result of verification
• 3.4. Model results
• 3.4.1. The result calculation of storm surge
• 3.5. Sensitivity analysis model
• 3.6. Conclusions
• Conclusion
• Recommendation
• REFERENCES
• APPENDIXES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• ABSTRACT

I. Giới thiệu chung về mô hình dự báo triều cường

Mô hình dự báo triều cường cho bờ biển Bắc Trung Bộ Việt Nam là một nghiên cứu quan trọng nhằm đánh giá và dự đoán các hiện tượng triều cường, một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn đến đời sống và kinh tế của khu vực này. Mô hình thùy văn được áp dụng để phân tích các yếu tố như biến đổi khí hậu, nguy cơ ngập lụt, và tác động của triều cường đến các khu vực ven biển. Việc sử dụng các công nghệ tiên tiến như công nghệ dự báo và phân tích số liệu sẽ giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán các hiện tượng này.

1.1. Tình hình triều cường tại Bắc Trung Bộ

Bắc Trung Bộ Việt Nam là một trong những khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề của triều cường và bão. Các số liệu cho thấy, trong những năm gần đây, tần suất và cường độ của các cơn bão đã gia tăng, dẫn đến tình trạng ngập lụt nghiêm trọng. Nguy cơ ngập lụt không chỉ ảnh hưởng đến đời sống người dân mà còn gây thiệt hại lớn cho cơ sở hạ tầng và kinh tế địa phương. Đặc biệt, các cơn bão như bão Damrey (2005) đã để lại hậu quả nặng nề, cho thấy sự cần thiết phải có một mô hình dự báo triều cường hiệu quả.

II. Phương pháp nghiên cứu và mô hình hóa

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp mô hình hóa số để dự báo triều cường, bao gồm việc sử dụng mô hình toán học như MIKE 21 để mô phỏng các điều kiện biên và điều kiện ban đầu. Các số liệu lịch sử về thời tiết và triều cường được thu thập và phân tích để xác định các thông số chính của mô hình. Dữ liệu khí tượng và thủy văn được sử dụng để cải thiện độ chính xác của mô hình, từ đó đưa ra các dự báo đáng tin cậy về triều cường tại khu vực Bắc Trung Bộ.

2.1. Thiết lập mô hình

Thiết lập mô hình bao gồm việc xác định các điều kiện biên và điều kiện khởi đầu. Mô hình MIKE 21 được sử dụng để mô phỏng các hiện tượng triều cường, với các thông số đầu vào như tốc độ gió, áp suất không khí và độ sâu nước. Quá trình hiệu chỉnh mô hình được thực hiện dựa trên các số liệu quan sát từ các trạm thủy văn tại khu vực. Kết quả hiệu chỉnh cho thấy mô hình có khả năng dự đoán chính xác các biến động của triều cường trong các điều kiện khác nhau.

III. Kết quả và phân tích

Kết quả của mô hình cho thấy có sự tương quan chặt chẽ giữa các yếu tố khí tượng và mức độ triều cường. Phân tích số liệu cho thấy rằng tác động của triều cường đến khu vực Bắc Trung Bộ là rất lớn, đặc biệt là trong các mùa bão. Các dự báo về triều cường sẽ giúp các cơ quan chức năng có kế hoạch ứng phó kịp thời, giảm thiểu thiệt hại. Việc áp dụng công nghệ thông tin địa lý (GIS) trong việc phân tích và dự báo triều cường cũng đã mở ra nhiều cơ hội mới cho công tác quản lý tài nguyên nước.

3.1. Đánh giá rủi ro và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng đánh giá rủi ro từ triều cường là cần thiết để xây dựng các kế hoạch ứng phó hiệu quả. Các khuyến nghị bao gồm việc tăng cường quản lý tài nguyên nước, phát triển hệ thống thông tin địa lý để theo dõi tình hình triều cường và xây dựng các phương án ứng phó với nguy cơ ngập lụt. Sự phối hợp giữa các cấp chính quyền và cộng đồng là rất quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại do triều cường gây ra.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của các cơn bão mạnh nhất thế giới tại Tây Bắc Thái Bình Dương, với khoảng 6 đến 10 cơn bão hoặc áp thấp nhiệt đới mỗi năm. Khu vực Bắc Trung Bộ Việt Nam, với bờ biển dài gần 700 km, là vùng chịu tác động trực tiếp và thường xuyên của bão, gây ra hiện tượng dâng cao mực nước biển (storm surge) và ngập lụt ven biển nghiêm trọng. Từ năm 1946 đến 2015, có 69 cơn bão ảnh hưởng trực tiếp đến khu vực này, chiếm khoảng 30% tổng số bão ảnh hưởng đến toàn quốc. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng, tần suất và cường độ bão ngày càng gia tăng, làm trầm trọng thêm nguy cơ ngập lụt và thiệt hại kinh tế - xã hội.

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng mô hình số để mô phỏng hiện tượng dâng cao mực nước biển do bão tại khu vực Bắc Trung Bộ, nhằm nâng cao khả năng dự báo và phục vụ công tác phòng chống thiên tai. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 2005 đến 2010, sử dụng dữ liệu thực tế từ các trạm quan trắc như Hon Dau và Sam Son, kết hợp với các dữ liệu khí tượng thủy văn từ các cơ quan chuyên ngành. Kết quả mô hình sẽ giúp đánh giá chính xác mức độ dâng cao mực nước biển trong các tình huống bão khác nhau, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý rủi ro hiệu quả, góp phần bảo vệ cộng đồng và phát triển bền vững vùng ven biển.

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 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 áp suất và gió trong bão: Sử dụng các mô hình phân bố áp suất khí quyển và trường gió như mô hình Bierknes (1921), Takahashi (1939), Fujita (1952), Mayers (1954) và Jelesnianski (1965) để mô phỏng ảnh hưởng của bão lên mực nước biển.
• Khái niệm chính:
  • Manning’s coefficient: hệ số nhám đáy ảnh hưởng đến ma sát đáy trong mô hình thủy động lực.
  • Coriolis force: lực Coriolis tác động lên dòng chảy do chuyển động quay của Trái Đất.
  • Wind shear stress: ứng suất cắt do gió tác động lên mặt nước, ảnh hưởng đến sự dâng cao mực nước.
  • Eddy diffusion: hệ số khuếch tán ngang trong mô hình thủy động lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa số với phần mềm MIKE 21 Flow Model FM, một công cụ mô phỏng thủy động lực 2 chiều được phát triển bởi DHI Water & Environment. Các bước chính bao gồm:

• Thu thập dữ liệu: Dữ liệu địa hình, thủy văn, khí tượng (mực nước, vận tốc và hướng gió, áp suất khí quyển), và đường đi bão được lấy từ các nguồn như Cục Khí tượng Thủy văn Việt Nam, Cơ quan Khí tượng Nhật Bản, Trung tâm Cảnh báo Bão Quốc tế và các trạm quan trắc Hon Dau, Sam Son.
• Thiết lập mô hình: Xây dựng lưới tính toán với độ phân giải cao gần bờ và thưa dần ra biển khơi, tọa độ theo hệ WGS 1984 UTM Zone 48N. Thiết lập điều kiện biên thủy triều tại ba hướng Đông, Đông Bắc và Đông Nam.
• Hiệu chỉnh mô hình: Thay đổi hệ số Manning trong khoảng 20-40 m^1/3/s để hiệu chỉnh mô hình dựa trên dữ liệu thực tế từ tháng 3 và tháng 11 năm 2007, sử dụng hệ số Nash-Sutcliffe để đánh giá độ phù hợp.
• Xác nhận mô hình: So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu quan trắc thực tế tại các trạm Hon Dau và Sam Son trong các điều kiện không có bão và có bão (Damrey 2005, Lekima 2007).
• Phân tích nhạy cảm: Thực hiện các kịch bản thay đổi vận tốc gió, đường đi bão để đánh giá ảnh hưởng đến mức dâng cao mực nước.

Thời gian nghiên cứu chính kéo dài từ năm 2005 đến 2010, tập trung vào các cơn bão Damrey (2005) và Lekima (2007) làm cơ sở hiệu chỉnh và xác nhận mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả mô hình MIKE 21 trong mô phỏng thủy triều và dâng cao mực nước:

   • Mô hình mô phỏng mực nước tại trạm Hon Dau và Sam Son trong điều kiện không bão đạt hệ số Nash lần lượt là 66% và 62%, cho thấy độ chính xác cao trong việc tái tạo dao động thủy triều.
   • Trong điều kiện bão Damrey 2005, mô hình dự báo mực nước dâng cao tại Hon Dau đạt sai số trung bình dưới 0.3 m so với quan trắc thực tế.

2. Ảnh hưởng của các tham số mô hình:

   • Hệ số Manning trong khoảng 20-40 m^1/3/s là phù hợp nhất để mô phỏng dòng chảy và mực nước dâng.
   • Thay đổi vận tốc gió 10-20% có thể làm thay đổi mực nước dâng tại các trạm từ 0.1 đến 0.3 m, cho thấy độ nhạy cao của mô hình với điều kiện gió.

3. Ảnh hưởng của đường đi bão đến mức dâng cao:

   • Khi đường đi bão thay đổi khoảng 50 km, mực nước dâng tại trạm Hon Dau có thể thay đổi đến 0.5 m, thể hiện sự phụ thuộc lớn vào vị trí bão so với bờ biển.
   • Mực nước dâng cao nhất thường xuất hiện khi bão đi gần bờ với hướng gió thổi vuông góc vào bờ.

4. Đặc điểm địa hình và thủy văn khu vực:

   • Độ dốc nền biển ven bờ Bắc Trung Bộ tương đối nhỏ, với đường đồng mức 10 m và 50 m cách bờ khá xa, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của hiện tượng dâng cao mực nước.
   • Các cửa sông lớn như Cam, Bạch Đằng ảnh hưởng đến dòng chảy ven bờ, làm phức tạp mô hình thủy động lực.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình cho thấy mô hình thủy động lực 2 chiều MIKE 21 có khả năng mô phỏng chính xác dao động mực nước và hiện tượng dâng cao mực nước do bão tại Bắc Trung Bộ. Việc hiệu chỉnh hệ số Manning và các tham số mô hình dựa trên dữ liệu thực tế giúp nâng cao độ tin cậy của mô hình. So sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy, việc tính đến ảnh hưởng của địa hình đáy biển và đường đi bão là yếu tố quan trọng để dự báo chính xác hiện tượng dâng cao mực nước.

Các biểu đồ so sánh mực nước mô phỏng và quan trắc tại các trạm Hon Dau và Sam Son minh họa rõ sự phù hợp giữa mô hình và thực tế, đồng thời thể hiện sự biến đổi mực nước theo từng kịch bản bão khác nhau. Bảng số liệu sai số và hệ số Nash cũng hỗ trợ đánh giá khách quan hiệu quả mô hình.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của các yếu tố khí tượng thủy văn và địa hình trong việc hình thành và phát triển hiện tượng dâng cao mực nước do bão, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho công tác dự báo và phòng chống thiên tai tại khu vực Bắc Trung Bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống dự báo sớm dâng cao mực nước bão:

   • Áp dụng mô hình MIKE 21 đã hiệu chỉnh để phát triển hệ thống dự báo thời gian thực, nâng cao độ chính xác dự báo mực nước dâng trong các cơn bão.
   • Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Cục Khí tượng Thủy văn và các viện nghiên cứu liên quan.

2. Cập nhật và hoàn thiện bản đồ rủi ro ngập lụt ven biển:

   • Sử dụng kết quả mô hình để xây dựng bản đồ chi tiết về vùng có nguy cơ ngập do dâng cao mực nước bão, phục vụ công tác quy hoạch và phòng chống thiên tai.
   • Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường, các địa phương ven biển.

3. Tăng cường công tác giám sát và thu thập dữ liệu khí tượng thủy văn:

   • Lắp đặt thêm các trạm quan trắc mực nước, gió và áp suất tại các vị trí trọng yếu để nâng cao chất lượng dữ liệu đầu vào cho mô hình.
   • Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Cục Khí tượng Thủy văn, các địa phương.

4. Nâng cao năng lực ứng phó và truyền thông cộng đồng:

   • Đào tạo cán bộ kỹ thuật và nâng cao nhận thức cộng đồng về nguy cơ dâng cao mực nước do bão, hướng dẫn các biện pháp phòng tránh hiệu quả.
   • Thời gian thực hiện: 1-3 năm; Chủ thể: Ban chỉ huy phòng chống thiên tai các tỉnh, các tổ chức xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý thiên tai và khí tượng thủy văn:

   • Lợi ích: Sử dụng kết quả mô hình để nâng cao chất lượng dự báo, xây dựng kế hoạch ứng phó thiên tai hiệu quả.
   • Use case: Phát triển hệ thống cảnh báo sớm dâng cao mực nước bão.

2. Các nhà quy hoạch và phát triển đô thị ven biển:

   • Lợi ích: Tham khảo bản đồ rủi ro ngập lụt để thiết kế các công trình phù hợp, giảm thiểu thiệt hại do bão.
   • Use case: Lập quy hoạch phát triển bền vững vùng ven biển Bắc Trung Bộ.

3. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành kỹ thuật biển, thủy lợi:

   • Lợi ích: Nắm bắt phương pháp mô hình hóa thủy động lực, áp dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
   • Use case: Phát triển mô hình dự báo mực nước dâng cho các khu vực khác.

4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ hoạt động trong lĩnh vực phòng chống thiên tai:

   • Lợi ích: Hiểu rõ nguy cơ và biện pháp phòng tránh ngập lụt do bão, nâng cao khả năng tự bảo vệ.
   • Use case: Tổ chức các chương trình truyền thông và đào tạo cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình MIKE 21 có ưu điểm gì trong mô phỏng dâng cao mực nước bão?
   MIKE 21 sử dụng phương trình thủy động lực 2 chiều, cho phép mô phỏng chi tiết sự biến đổi mực nước và dòng chảy trong vùng ven biển với độ chính xác cao. Phần mềm có giao diện thân thiện, hỗ trợ hiệu chỉnh và phân tích kết quả dễ dàng, phù hợp với các khu vực có địa hình phức tạp như Bắc Trung Bộ.

2. Dữ liệu nào là quan trọng nhất để hiệu chỉnh mô hình?
   Dữ liệu mực nước quan trắc tại các trạm ven biển, vận tốc và hướng gió, áp suất khí quyển trong các cơn bão là những dữ liệu then chốt để hiệu chỉnh mô hình nhằm đảm bảo kết quả mô phỏng sát với thực tế.

3. Mức sai số mô hình trong nghiên cứu này là bao nhiêu?
   Sai số trung bình giữa mô hình và dữ liệu quan trắc tại các trạm Hon Dau và Sam Son trong điều kiện bão Damrey 2005 dưới 0.3 m, với hệ số Nash đạt trên 60%, cho thấy mô hình có độ chính xác cao.

4. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến hiện tượng dâng cao mực nước bão như thế nào?
   Biến đổi khí hậu làm tăng nhiệt độ biển và mực nước biển trung bình, dẫn đến tăng cường độ và tần suất bão, từ đó làm gia tăng mức dâng cao mực nước và nguy cơ ngập lụt ven biển.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào công tác phòng chống thiên tai?
   Kết quả mô hình có thể được tích hợp vào hệ thống cảnh báo sớm, xây dựng bản đồ rủi ro ngập lụt, từ đó giúp các cơ quan chức năng và cộng đồng có kế hoạch ứng phó kịp thời, giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình thủy động lực 2 chiều MIKE 21 để mô phỏng hiện tượng dâng cao mực nước do bão tại Bắc Trung Bộ Việt Nam với độ chính xác cao.
• Hệ số Manning và các tham số mô hình được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực tế từ các trạm Hon Dau và Sam Son, đảm bảo tính tin cậy của mô hình.
• Mô hình cho thấy mức độ nhạy cảm cao của mực nước dâng với vận tốc gió và đường đi bão, phản ánh đúng đặc điểm khí tượng thủy văn khu vực.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng hệ thống dự báo sớm và bản đồ rủi ro ngập lụt ven biển.
• Đề xuất các giải pháp cụ thể nhằm nâng cao năng lực phòng chống thiên tai, bảo vệ cộng đồng và phát triển bền vững vùng ven biển Bắc Trung Bộ trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Hành động tiếp theo: Triển khai ứng dụng mô hình trong hệ thống dự báo thời gian thực và mở rộng nghiên cứu cho các khu vực ven biển khác của Việt Nam. Các cơ quan quản lý và nghiên cứu được khuyến khích phối hợp để phát huy hiệu quả ứng dụng mô hình trong thực tiễn.