Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Xây Dựng: Mô Phỏng Nước Dâng Ở Vùng Ven Biển Việt Nam

• Tác giả: Trương Ngọc Thanh Nam
• Người hướng dẫn: Trương Ngọc Tường
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Xây Dựng
• Đề tài: Mô Phỏng Nước Dâng Ở Vùng Ven Biển Việt Nam
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
• 2.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 2.2. Các nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Mô hình thuỷ động lực Mike 21 Flow Model FM
• 3.2. Mô hình sóng Mike 21 SW
• 3.3. Mô hình tạo trường gió bão Mike 21 Cyclone Wind Generation Tool
• 3.3.1. Mô hình thông số gió
• 3.4. Một số công thức kinh nghiệm tính nước dâng
• 3.4.1. Nước dâng do gió
• 3.4.2. Nước dâng do áp thấp
• 3.4.3. Nước dâng tổng do gió và áp thấp
• 3.4.4. Nước dâng do sóng
• 3.5. Lý thuyết thống kê chiều cao sóng lớn nhất theo phân bố Weibull
• 3.5.1. Đặc trưng tần suất phân bố
• 3.5.2. Chu kỳ lặp lại
• 3.5.3. Khoảng tin cậy
• 3.5.4. Lựa chọn hàm phân bố
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH SỐ
• 4.1. Mô hình thủy động lực Mike 21 Flow Model FM
• 4.1.1. Rời rạc không gian (Space Discretization)
• 4.1.2. Phương trình nước nông
• 4.1.3. Tích phân theo thời gian
• 4.1.4. Điều kiện biên
• 4.2. Mô hình sóng Mike 21 SW
• 4.2.1. Rời rạc không gian (Space Discretization)
• 4.2.2. Tích phân theo thời gian (Time Integration)
• 4.2.3. Điều kiện biên
• 5. CHƯƠNG 5: HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH
• 5.1. Hiệu chỉnh mô hình thủy động lực Mike 21 Flow Model FM
• 5.1.1. Phạm vi mô phỏng
• 5.1.2. Thời gian mô phỏng
• 5.1.3. Thông số mô hình
• 5.1.4. Kết quả mô phỏng
• 5.1.5. Đánh giá kết quả hiệu chỉnh
• 5.2. Hiệu chỉnh mô hình sóng Mike 21 SW
• 5.2.1. Thông số mô hình
• 5.2.2. Hiệu chỉnh mô hình
• 5.2.3. Hiệu chỉnh mô hình kết hợp Mike 21 Flow Model FM và Mike 21 SW tính toán nước dâng do bão
• 5.2.3.1. Thông số mô hình
• 5.2.3.2. Hiệu chỉnh mô hình
• 5.2.3.3. So sánh với Mô hình 1 chiều - Luận văn cao học Phan Trung Quân 2005
• 6. CHƯƠNG 6: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN
• 6.1. Phạm vi tính toán
• 6.2. Mô hình áp dụng
• 6.2.1. Thông số mô hình
• 6.3. Kết quả mô phỏng
• 6.3.1. Phân tích kết quả chiều cao sóng bão
• 6.3.1.1. Thống kê kết quả
• 6.3.1.2. Tính toán chu kỳ lặp lại theo phân bố Weibull
• 6.3.2. Phân tích kết quả nước dâng trong bão
• 6.3.2.1. Phân tích kết quả nước dâng do gió và áp thấp
• 6.3.2.2. Phân tích kết quả nước dâng do sóng
• 6.3.2.3. Phân tích kết quả nước dâng tổng
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Tổng quan

Việt Nam nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề của bão, đặc biệt là ở vùng ven biển Việt Nam. Mỗi năm, trung bình có khoảng 10 cơn bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động trên biển Đông, gây ra hiện tượng nước dâng nghiêm trọng. Nước dâng do bão kết hợp với triều cường có thể làm tăng mực nước lên mức nguy hiểm, ảnh hưởng đến an toàn của các công trình ven biển. Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu chế độ thủy triều và nước dâng do bão, nhằm cung cấp dữ liệu cho việc phòng chống thiên tai và thiết kế công trình. Các số liệu bão từ năm 1951 đến 2012 được thu thập từ Cơ Quan Khí tượng Nhật Bản, và kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với số liệu quan trắc thực tế.

1.1 Giới thiệu

Việt Nam có vị trí địa lý gần một trong năm vùng bão chính của thế giới, dẫn đến việc thường xuyên phải đối mặt với các cơn bão mạnh. Các cơn bão này không chỉ gây thiệt hại về người và của mà còn ảnh hưởng đến các công trình ven biển. Việc nghiên cứu mô phỏng nước dâng và chế độ triều là rất cần thiết để giảm thiểu thiệt hại do thiên tai. Chế độ triều ở Việt Nam rất đa dạng, bao gồm các chế độ nhật triều đều, nhật triều không đều và bán nhật triều không đều. Nghiên cứu này sẽ giúp xác định mực nước thiết kế cho các công trình ven biển, từ đó nâng cao khả năng phòng chống thiên tai.

II. Các nghiên cứu liên quan

Nghiên cứu về nước dâng và triều cường đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới. Các nghiên cứu như của Harris và Jelesnianski (1964) đã phát triển hệ phương trình thủy động lực hai chiều để tính toán thủy triều cho chất lỏng đồng nhất. Bodine (1971) đã đề xuất mô hình tính toán một chiều cho vùng biển hở, trong khi Das, Sinha và Balsubramanyam (1974) nghiên cứu mô phỏng nước dâng do bão. Những nghiên cứu này đã cung cấp nền tảng lý thuyết cho việc áp dụng các mô hình hiện đại như Mike 21 trong việc mô phỏng nước dâng và triều cường tại Việt Nam. Việc áp dụng các mô hình này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong dự đoán mà còn hỗ trợ trong việc quy hoạch và thiết kế các công trình ven biển.

2.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Các nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng việc mô phỏng nước dâng cần phải kết hợp nhiều yếu tố như gió, áp thấp và sóng. Các mô hình thủy động lực hiện đại như Mike 21 cho phép mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng này. Việc áp dụng các mô hình này trong nghiên cứu tại Việt Nam sẽ giúp nâng cao khả năng dự đoán và phòng chống thiên tai, đồng thời cung cấp dữ liệu quan trọng cho các dự án quy hoạch ven biển.

III. Cơ sở lý thuyết

Luận văn sử dụng các mô hình thủy động lực và sóng để mô phỏng nước dâng. Mô hình Mike 21 Flow Model FM được sử dụng để tính toán chế độ triều và nước dâng do bão. Mô hình này cho phép phân tích các yếu tố như chiều cao sóng, gió và áp thấp, từ đó đưa ra các dự đoán chính xác về mực nước dâng. Các công thức kinh nghiệm cũng được áp dụng để tính toán nước dâng do gió và áp thấp, giúp tăng cường độ tin cậy của kết quả mô phỏng. Việc sử dụng các mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành nước dâng mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế các công trình ven biển.

3.1 Mô hình thủy động lực Mike 21

Mô hình Mike 21 Flow Model FM là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng nước dâng và triều cường. Mô hình này cho phép phân tích các yếu tố thủy động lực phức tạp, từ đó đưa ra các dự đoán chính xác về mực nước dâng trong các tình huống khác nhau. Việc áp dụng mô hình này trong nghiên cứu sẽ giúp cung cấp dữ liệu quan trọng cho các dự án quy hoạch và thiết kế công trình ven biển, đồng thời nâng cao khả năng phòng chống thiên tai.

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực ven biển Việt Nam nằm trong vùng bão Tây Thái Bình Dương, một trong năm vùng bão chính của thế giới, với trung bình khoảng 10 cơn bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động hàng năm trên biển Đông. Các cơn bão thường xuất hiện từ tháng 6 đến tháng 11, tập trung nhiều nhất vào các tháng 8 đến 11, gây ra hiện tượng nước dâng cao đột ngột khi đổ bộ vào bờ, làm thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, đồng thời ảnh hưởng đến an toàn các công trình ven biển. Đặc biệt, nước dâng do bão kết hợp với triều cường có thể đẩy mực nước lên đến khoảng 4m tại khu vực Bắc Bộ, làm tăng nguy cơ phá hoại. Ví dụ điển hình là cơn bão Sơn Tinh, mạnh nhất trong 30 năm qua, đã gây thiệt hại hơn 7,500 tỉ đồng cho các tỉnh miền Trung.

Mục tiêu của luận văn là mô phỏng chế độ thủy triều, trường sóng bão và nước dâng do bão tại khu vực ven biển phía Bắc Việt Nam, dựa trên số liệu bão thu thập từ năm 1951 đến 2012. Nghiên cứu tập trung phân tích chu kỳ lặp lại của các yếu tố như chiều cao sóng nước sâu, nước dâng do gió và áp thấp, nước dâng do sóng và nước dâng tổng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực biển Đông và ven biển phía Bắc Việt Nam, với dữ liệu mô phỏng được hiệu chỉnh và so sánh với số liệu quan trắc thực tế tại các trạm thủy văn như Hòn Dấu, Đà Nẵng, Nha Trang, Vũng Tàu và Hà Tiên.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác phòng chống thiên tai, giảm nhẹ thiệt hại do bão gây ra, đồng thời hỗ trợ xác định mực nước thiết kế cho các công trình ven biển, góp phần nâng cao độ an toàn và hiệu quả trong quy hoạch, thiết kế và quản lý các dự án ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các mô hình thủy động lực và mô hình sóng hiện đại để mô phỏng nước dâng và sóng bão, bao gồm:

• Mô hình thủy động lực Mike 21 Flow Model FM: Dựa trên phương trình nước nông hai chiều trong hệ tọa độ cầu, mô hình sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn với lưới phi cấu trúc, cho phép mô phỏng trường dòng chảy, mực nước triều và nước dâng do gió và áp thấp. Các thành phần ứng suất ma sát gió, ma sát đáy và ứng suất tán xạ do sóng được tính toán chi tiết.

• Mô hình sóng Mike 21 SW: Mô hình phổ sóng-gió thế hệ mới, mô phỏng quá trình hình thành, lan truyền sóng do gió và sóng lừng ở vùng nước sâu và ven bờ. Mô hình bao gồm các hiện tượng vật lý như sóng phát triển do gió, tương tác phi tuyến giữa sóng, suy giảm do sóng bạc đầu, ma sát đáy, sóng vỡ, khúc xạ và tương tác sóng-dòng chảy.

• Mô hình tạo trường gió bão Mike 21 Cyclone Wind Generation Tool: Công cụ tính toán trường gió và áp suất từ các cơn bão nhiệt đới dựa trên các thông số khí tượng như vị trí mắt bão, vận tốc gió lớn nhất, bán kính gió lớn nhất, áp suất tâm bão. Các mô hình thông số gió như Young & Sobey, Holland và các biến thể được sử dụng để mô phỏng chính xác trường gió bão.

• Các công thức kinh nghiệm tính nước dâng: Bao gồm nước dâng do gió, áp thấp, sóng và tổng hợp nước dâng do gió và áp thấp, được áp dụng để hiệu chỉnh và đánh giá kết quả mô phỏng.

• Lý thuyết thống kê chiều cao sóng lớn nhất theo phân bố Weibull: Được sử dụng để phân tích chu kỳ lặp lại và khoảng tin cậy của chiều cao sóng cực đại, giúp đánh giá xác suất và tần suất xuất hiện các hiện tượng sóng lớn trong bão.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Số liệu bão được thu thập và cập nhật từ Cơ Quan Khí tượng Nhật Bản (Japan Meteorological Agency) trong giai đoạn 1951-2012, bao gồm các thông số vận tốc gió, áp suất, bán kính gió lớn nhất và đường đi bão. Dữ liệu mực nước triều và sóng quan trắc tại các trạm thủy văn ven biển như Hòn Dấu, Đà Nẵng, Nha Trang, Vũng Tàu và Hà Tiên được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình Mike 21 Flow Model FM để mô phỏng chế độ thủy triều và nước dâng do gió, áp thấp; mô hình Mike 21 SW để mô phỏng trường sóng bão; mô hình Mike 21 Cyclone Wind Generation Tool để tạo trường gió và áp suất bão. Kết quả mô phỏng được so sánh với số liệu quan trắc để hiệu chỉnh và đánh giá độ chính xác.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7/2012 đến tháng 12/2012, với thời gian mô phỏng chi tiết cho các hiện tượng thủy triều và bão trong năm 2011-2012.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình sử dụng lưới phi cấu trúc với gần 10,000 nút và hơn 15,000 phần tử tam giác, đảm bảo độ chi tiết và chính xác trong mô phỏng khu vực biển Đông và ven biển phía Bắc Việt Nam.

• Phương pháp số: Phương pháp thể tích hữu hạn được áp dụng cho cả mô hình thủy động lực và mô hình sóng, với tích phân theo thời gian sử dụng phương pháp Euler và Runge-Kutta bậc hai, đảm bảo tính ổn định và chính xác của mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu chỉnh mô hình thủy triều: Mô hình Mike 21 Flow Model FM mô phỏng dao động mực nước triều tại 5 trạm ven biển cho kết quả phù hợp với số liệu dự báo và quan trắc, với sai số lệch pha nhỏ tại các trạm Hòn Dấu, Đà Nẵng, Nha Trang và Vũng Tàu. Tại trạm Hà Tiên, sai số lệch pha lớn hơn nhưng vẫn trong phạm vi chấp nhận được. Độ chính xác mô phỏng được thể hiện qua các biểu đồ so sánh mực nước triều, cho thấy mô hình có thể dự báo dao động triều với độ tin cậy cao.

2. Mô phỏng trường sóng bão: Mô hình Mike 21 SW được hiệu chỉnh với dữ liệu quan trắc chiều cao sóng trong các cơn bão Fritz (1997) và Ketsana (2009), cho kết quả mô phỏng chiều cao sóng phù hợp với số liệu thực tế. Chiều cao sóng lớn nhất trong các cơn bão được mô phỏng chính xác với sai số nhỏ, thể hiện qua các biểu đồ phân bố sóng và so sánh với số liệu quan trắc.

3. Phân tích nước dâng do bão: Kết quả mô phỏng nước dâng do gió và áp thấp, nước dâng do sóng và nước dâng tổng tại 13 điểm tính toán khu vực phía Bắc Việt Nam cho thấy nước dâng tổng lớn nhất có thể đạt đến khoảng 3m trong các cơn bão mạnh. Chu kỳ lặp lại của các yếu tố nước dâng được phân tích theo phân bố Weibull, với chu kỳ lặp lại nước dâng tổng lớn nhất tại các điểm dao động từ vài chục đến hàng trăm năm, cung cấp thông tin quan trọng cho thiết kế công trình ven biển.

4. Đóng góp của các yếu tố nước dâng: Nước dâng do sóng chiếm khoảng 16-18% tổng chiều cao nước dâng trong bão, đóng góp đáng kể vào nước dâng tổng cộng. Nước dâng do gió và áp thấp chiếm phần lớn còn lại, thể hiện sự cần thiết phải mô phỏng đồng thời các yếu tố này để đánh giá chính xác nước dâng bão.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân kết quả mô phỏng phù hợp là do việc sử dụng mô hình Mike 21 với lưới tính toán chi tiết, dữ liệu đầu vào được cập nhật đầy đủ và hiệu chỉnh kỹ lưỡng với số liệu quan trắc thực tế. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy kết quả tương đồng, khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp mô phỏng kết hợp thủy động lực và sóng.

Việc phân tích chu kỳ lặp lại theo phân bố Weibull giúp đánh giá xác suất xuất hiện các hiện tượng nước dâng cực đại, hỗ trợ trong việc xác định mực nước thiết kế cho các công trình ven biển nhằm giảm thiểu rủi ro thiên tai. Kết quả cũng cho thấy sự đa dạng về chế độ thủy triều và nước dâng tại các vùng ven biển Việt Nam, đòi hỏi các giải pháp thiết kế và phòng chống thiên tai phải được điều chỉnh phù hợp theo từng khu vực.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ mực nước triều, biểu đồ chiều cao sóng theo thời gian, bản đồ phân bố nước dâng và bảng thống kê chu kỳ lặp lại, giúp trực quan hóa và phân tích sâu hơn các hiện tượng thủy văn ven biển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường thu thập và cập nhật số liệu bão và thủy triều: Động viên các cơ quan khí tượng thủy văn tiếp tục thu thập dữ liệu chi tiết và cập nhật thường xuyên để nâng cao độ chính xác mô phỏng. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể: Trung tâm khí tượng thủy văn quốc gia.

2. Áp dụng mô hình Mike 21 kết hợp trong quy hoạch và thiết kế công trình ven biển: Sử dụng kết quả mô phỏng để xác định mực nước thiết kế, đảm bảo an toàn và bền vững cho các công trình ven biển. Thời gian thực hiện: trong các dự án xây dựng và quy hoạch mới. Chủ thể: Các đơn vị tư vấn thiết kế, chủ đầu tư.

3. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm nước dâng do bão: Kết hợp mô hình thủy động lực và mô hình sóng để dự báo chính xác nước dâng, hỗ trợ công tác phòng chống thiên tai. Thời gian thực hiện: trong vòng 2-3 năm. Chủ thể: Cơ quan phòng chống thiên tai, trung tâm dự báo khí tượng thủy văn.

4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo chuyên sâu về mô phỏng thủy văn ven biển: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên ngành để cập nhật công nghệ mô phỏng mới và nâng cao trình độ chuyên môn. Thời gian thực hiện: hàng năm. Chủ thể: Các trường đại học, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình ven biển và thủy văn: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng hiện đại, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

2. Cơ quan khí tượng thủy văn và phòng chống thiên tai: Tham khảo để cải thiện mô hình dự báo nước dâng, nâng cao hiệu quả cảnh báo và giảm thiểu thiệt hại do bão.

3. Các đơn vị tư vấn thiết kế và xây dựng công trình ven biển: Sử dụng kết quả mô phỏng để xác định mực nước thiết kế, đảm bảo an toàn và bền vững cho công trình.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách về phát triển ven biển: Cung cấp dữ liệu và phân tích khoa học hỗ trợ trong việc xây dựng các chính sách phòng chống thiên tai và phát triển bền vững vùng ven biển.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình Mike 21 có ưu điểm gì trong mô phỏng nước dâng bão?
   Mike 21 sử dụng lưới phi cấu trúc và phương pháp thể tích hữu hạn, cho phép mô phỏng chi tiết các hiện tượng thủy động lực và sóng trong khu vực ven biển phức tạp, đồng thời tích hợp các thành phần ứng suất gió, đáy và sóng, giúp kết quả mô phỏng chính xác và tin cậy.

2. Dữ liệu bão được sử dụng trong nghiên cứu lấy từ đâu?
   Dữ liệu bão được thu thập từ Cơ Quan Khí tượng Nhật Bản (Japan Meteorological Agency) trong giai đoạn 1951-2012, bao gồm các thông số vận tốc gió, áp suất, bán kính gió lớn nhất và đường đi bão.

3. Chu kỳ lặp lại của nước dâng có ý nghĩa gì trong thiết kế công trình?
   Chu kỳ lặp lại thể hiện khoảng thời gian trung bình giữa các lần xuất hiện nước dâng cực đại, giúp xác định mức độ rủi ro và lựa chọn mực nước thiết kế phù hợp để đảm bảo an toàn và bền vững cho công trình ven biển.

4. Nước dâng do sóng chiếm tỷ lệ bao nhiêu trong tổng nước dâng bão?
   Nước dâng do sóng chiếm khoảng 16-18% tổng chiều cao nước dâng trong các cơn bão, đóng góp quan trọng và không thể bỏ qua trong tính toán nước dâng tổng cộng.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
   Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để xác định mực nước thiết kế trong quy hoạch và xây dựng công trình ven biển, đồng thời hỗ trợ phát triển hệ thống cảnh báo sớm và các biện pháp phòng chống thiên tai hiệu quả.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc mô phỏng chế độ thủy triều, trường sóng bão và nước dâng do bão tại khu vực ven biển phía Bắc Việt Nam dựa trên dữ liệu bão từ 1951-2012.
• Mô hình Mike 21 Flow Model FM và Mike 21 SW được hiệu chỉnh với số liệu quan trắc, cho kết quả mô phỏng phù hợp và tin cậy.
• Phân tích chu kỳ lặp lại theo phân bố Weibull cung cấp thông tin quan trọng cho việc xác định mực nước thiết kế và đánh giá rủi ro thiên tai.
• Nước dâng do sóng chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng nước dâng bão, cần được tính toán chính xác trong thiết kế công trình ven biển.
• Đề xuất các giải pháp nâng cao thu thập dữ liệu, áp dụng mô hình trong quy hoạch, phát triển hệ thống cảnh báo và đào tạo chuyên sâu nhằm tăng cường hiệu quả phòng chống thiên tai.

Next steps: Tiếp tục cập nhật dữ liệu bão mới, mở rộng phạm vi mô phỏng, phát triển hệ thống cảnh báo sớm nước dâng bão và ứng dụng kết quả nghiên cứu vào các dự án ven biển thực tế.

Call to action: Các nhà nghiên cứu, cơ quan quản lý và đơn vị thiết kế công trình ven biển nên phối hợp ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai và bảo vệ an toàn cho cộng đồng ven biển.