Mô Phỏng Sóng Thần Cho Bờ Biển Việt Nam: Phương Pháp Và Ứng Dụng

• Tác giả: Vu Thi Thu Thuy
• Người hướng dẫn: Assoc. Prof. Dr. Hassan
• Trường học: Institute for Infrastructural, Hydraulic and Environmental Engineering (IHE), Delft
• Chuyên ngành: Hydraulic and Environmental Engineering
• Đề tài: Storm Surge Modelling for Vietnam’s Coast
• Loại tài liệu: Master of Science Thesis
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Delft

• 1. CHƯƠNG 1: General description of the area
• 1.1. General description of the area
• 1.2. Threat of storms and storm surges in Vietnam
• 1.3. Problem identification
• 1.4. Objectives of the study
• 1.5. Approach and methodology of study
• 2. CHƯƠNG 2: Descriptions of the study area
• 2.4. Characteristic of storms
• 2.5. Features of storm surges
• 2.6. Previous studies on the area
• 3. CHƯƠNG 3: Typhoon pressure model
• 3.1. Typhoon wind model
• 4. CHƯƠNG 4: Hydrodynamic model
• 4.1. Description of the hydrodynamic model
• 4.2. Setup the hydrodynamic model
• 4.3. Calibration and validation of the hydrodynamic model
• 4.4. Results of storm surge simulation and probability distribution
• 5. CHƯƠNG 5: Results of storm surge simulation
• 5.1. Determination of storm surge probability distribution
• 5.1.1. Commonly used probability distributions
• 5.1.2. Statistical criteria and selection of probability distribution
• 5.1.3. Results of storm surge and water level corresponding return period
• 6. CHƯƠNG 6: Conclusions and recommendations
• Appendix A: Models of typhoon wind and atmosphere pressure
• Appendix B: Results of hydrodynamic model calibration and validation
• Appendix C: Probability distributions of storm surge
• References

I. Mô phỏng sóng thần

Mô phỏng sóng thần là một công cụ quan trọng trong việc dự đoán và đánh giá tác động của sóng thần đối với bờ biển. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết lập mô hình sóng thần cho bờ biển Việt Nam, sử dụng các công nghệ mô phỏng tiên tiến như Delft3D-FLOW. Mô hình này được thiết kế để mô phỏng các điều kiện thủy động lực học trong các cơn bão, giúp xác định mức độ tăng mực nước bất thường do sóng thần gây ra. Kết quả mô phỏng sẽ cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc lập kế hoạch và thiết kế các công trình ven biển, cũng như quản lý vùng bờ biển một cách hiệu quả.

1.1. Công nghệ mô phỏng

Công nghệ mô phỏng đóng vai trò then chốt trong việc dự đoán sóng thần. Nghiên cứu sử dụng mô hình Delft3D-FLOW, một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng thủy động lực học. Mô hình này được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên dữ liệu thực tế, đảm bảo độ chính xác cao trong việc dự đoán mực nước dâng do sóng thần. Việc sử dụng các mô hình số học giúp mở rộng chuỗi dữ liệu sóng thần, từ đó cải thiện độ tin cậy trong việc đánh giá rủi ro và lập kế hoạch phòng chống thiên tai.

1.2. Đánh giá rủi ro

Đánh giá rủi ro là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu sóng thần. Bằng cách sử dụng các mô hình mô phỏng, nghiên cứu đã xác định được phân bố xác suất của sóng thần dọc bờ biển Việt Nam. Các phân bố thống kê như log-normal, Pearson type III, và general extreme value được sử dụng để mô hình hóa dữ liệu sóng thần. Kết quả này giúp dự đoán các giá trị sóng thần với chu kỳ lặp lại dài hạn, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế các công trình ven biển và quản lý rủi ro thiên tai.

II. Bờ biển Việt Nam

Bờ biển Việt Nam với chiều dài hơn 3200 km là khu vực dễ bị tổn thương bởi các cơn bão và sóng thần. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các đặc điểm của bờ biển Việt Nam, bao gồm địa hình, thủy văn, và các yếu tố môi trường khác. Việc hiểu rõ các đặc điểm này là cơ sở quan trọng để thiết lập mô hình sóng thần chính xác và hiệu quả. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đề cập đến các tác động kinh tế và xã hội của sóng thần đối với các khu vực ven biển, từ đó đề xuất các giải pháp bảo vệ và phát triển bền vững.

2.1. Đặc điểm địa hình

Địa hình bờ biển Việt Nam đa dạng, từ các vùng đồng bằng ven biển đến các khu vực núi cao. Đặc điểm này ảnh hưởng lớn đến sự lan truyền và tác động của sóng thần. Nghiên cứu đã sử dụng các dữ liệu địa hình chi tiết để thiết lập mô hình thủy động lực học, giúp mô phỏng chính xác hơn các tác động của sóng thần. Việc hiểu rõ địa hình cũng giúp xác định các khu vực có nguy cơ cao, từ đó đề xuất các biện pháp bảo vệ phù hợp.

2.2. Tác động kinh tế

Sóng thần không chỉ gây thiệt hại về người mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến kinh tế. Nghiên cứu đã phân tích các tác động kinh tế của sóng thần đối với các khu vực ven biển Việt Nam, bao gồm thiệt hại về cơ sở hạ tầng, nông nghiệp, và du lịch. Các giải pháp được đề xuất nhằm giảm thiểu thiệt hại và phục hồi nhanh chóng sau thiên tai, bao gồm việc xây dựng các công trình phòng chống sóng thần và nâng cao nhận thức cộng đồng.

III. Giải pháp hiệu quả

Giải pháp hiệu quả trong việc đối phó với sóng thần bao gồm việc xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, nâng cao năng lực quản lý thiên tai, và đào tạo cộng đồng. Nghiên cứu này đề xuất các giải pháp cụ thể dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích rủi ro. Hệ thống cảnh báo sớm được coi là yếu tố then chốt trong việc giảm thiểu thiệt hại do sóng thần gây ra. Ngoài ra, việc nâng cao năng lực quản lý thiên tai và đào tạo cộng đồng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ứng phó khẩn cấp và phục hồi sau thiên tai.

3.1. Hệ thống cảnh báo

Hệ thống cảnh báo sớm là một trong những giải pháp hiệu quả nhất trong việc giảm thiểu thiệt hại do sóng thần. Nghiên cứu đề xuất việc xây dựng và triển khai hệ thống cảnh báo dựa trên các mô hình mô phỏng và dữ liệu thời gian thực. Hệ thống này sẽ cung cấp thông tin kịp thời về nguy cơ sóng thần, giúp các cơ quan chức năng và cộng đồng có thời gian chuẩn bị và ứng phó. Việc tích hợp công nghệ hiện đại và nâng cao năng lực quản lý là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống cảnh báo.

3.2. Đào tạo cộng đồng

Đào tạo cộng đồng là một phần không thể thiếu trong chiến lược ứng phó với sóng thần. Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nâng cao nhận thức và kỹ năng ứng phó của cộng đồng. Các chương trình đào tạo cần được thiết kế phù hợp với đặc điểm của từng khu vực, bao gồm các bài tập thực hành và diễn tập ứng phó khẩn cấp. Việc đào tạo cộng đồng không chỉ giúp giảm thiểu thiệt hại mà còn tăng cường khả năng phục hồi sau thiên tai.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm gần Tây Bắc Thái Bình Dương, khu vực có tần suất bão cao nhất thế giới, chiếm khoảng 30% số lượng bão toàn cầu hàng năm. Trung bình mỗi năm có khoảng 31 cơn bão hoạt động trong khu vực, trong đó khoảng 6 cơn bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp đến đất liền Việt Nam. Với hơn 3200 km bờ biển, nhiều khu kinh tế ven biển và vùng dân cư đông đúc, Việt Nam là một trong những khu vực dễ bị tổn thương nhất trước các cơn bão kèm theo hiện tượng dâng cao mực nước biển do bão (storm surge). Các hiện tượng này gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, đặc biệt là ở các tỉnh miền Bắc và miền Trung.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện độ chính xác trong mô hình hóa và dự báo hiện tượng dâng cao mực nước biển do bão nhằm nâng cao hiệu quả trong quy hoạch, thiết kế công trình ven biển và quản lý vùng bờ. Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng mô hình mô phỏng hiện tượng dâng cao mực nước biển dọc theo bờ biển Việt Nam, tính toán các mức dâng cao và xác định phân phối xác suất của hiện tượng này dựa trên dữ liệu đường đi bão từ năm 1951 đến 2001. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng bờ biển phía Bắc Việt Nam, nơi có tần suất bão cao và thiệt hại do dâng cao mực nước biển nghiêm trọng nhất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu dài hạn và chính xác hơn về hiện tượng dâng cao mực nước biển, từ đó giúp nâng cao độ an toàn và hiệu quả trong thiết kế các công trình ven biển, đồng thời hỗ trợ quản lý tích hợp vùng bờ và phòng chống thiên tai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai mô hình lý thuyết chính để mô phỏng hiện tượng dâng cao mực nước biển do bão:

1. Mô hình áp suất bão Fujita: Mô hình này mô tả trường áp suất khí quyển trong cơn bão, được lựa chọn dựa trên tiêu chí sai số trung bình bình phương gốc (RMSE) thấp nhất so với dữ liệu quan trắc thực tế. Mô hình Fujita cho kết quả phù hợp nhất với các cơn bão tại khu vực Đông Nam Á, đặc biệt là Việt Nam, với sai số áp suất trung bình khoảng 0.25% so với áp suất bình thường.

2. Mô hình xoáy Rankine biến đổi (Modified Rankine Vortex Model): Mô hình này mô phỏng trường gió bão, bao gồm thành phần gió do chuyển động tâm bão và thành phần gió do áp suất khí quyển. Mô hình được hiệu chỉnh các tham số để phù hợp với dữ liệu quan trắc, đạt sai số vận tốc gió trung bình khoảng 5 m/s, tương đương 10% vận tốc gió cực đại.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: dâng cao mực nước biển do bão (storm surge), phân phối xác suất cực trị (generalized extreme value distribution), mô hình thủy động lực học (hydrodynamic model), và các thành phần thủy triều chính (M2, S2, O1, K1).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

• Dữ liệu đường đi bão (storm track) của hơn 200 cơn bão từ năm 1950 đến 2001, thu thập từ Trung tâm Cảnh báo Bão Liên hợp (JTWC) và Trung tâm Dữ liệu Khí hậu Quốc gia Mỹ (NCDC).
• Dữ liệu quan trắc áp suất, vận tốc gió và mực nước tại các trạm khí tượng ven biển Việt Nam.
• Dữ liệu thủy triều và địa hình đáy biển từ các dự án VCM và ETOPO2.

Phương pháp phân tích gồm:

• Thiết lập mô hình thủy động lực học Delf3D-FLOW cho vùng vịnh Bắc Bộ với lưới tính toán cong, độ phân giải cao (2 km x 2 km) dọc bờ biển.
• Hiệu chỉnh và xác thực mô hình thủy triều dựa trên dữ liệu quan trắc trong điều kiện bình thường và điều kiện bão.
• Mô phỏng dâng cao mực nước biển cho các cơn bão trong giai đoạn 1951-2001.
• Phân tích phân phối xác suất dâng cao mực nước biển bằng các phân phối thống kê phổ biến như log-normal, Pearson type III, và phân phối giá trị cực đại tổng quát (GEV).
• Thực hiện phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các tham số mô hình và điều kiện biên.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 1951 đến 2001, tập trung vào vùng vịnh Bắc Bộ và bờ biển phía Bắc Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình áp suất Fujita và mô hình gió Rankine biến đổi cho kết quả mô phỏng chính xác: Sai số trung bình bình phương gốc (RMSE) của áp suất mô hình so với quan trắc chỉ khoảng 0.25% áp suất bình thường, trong khi sai số vận tốc gió trung bình khoảng 5 m/s, tương đương 10% vận tốc gió cực đại. Điều này cho thấy mô hình có khả năng mô phỏng trường áp suất và gió bão phù hợp với thực tế.

2. Mô hình thủy động lực học Delf3D-FLOW được hiệu chỉnh thành công: Mô hình tái tạo chính xác các thành phần thủy triều chính với sai số biên độ dưới 15% và sai số pha nhỏ hơn 10 độ tại các trạm quan trắc ven biển. Thời gian bước tính toán 5 phút được xác định là phù hợp để cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán.

3. Mức dâng cao mực nước biển do bão tại vùng vịnh Bắc Bộ có thể lên tới 3.6 m: Dữ liệu mô phỏng cho thấy mức dâng cao cực đại tại các vị trí ven biển phía Bắc có thể đạt tới 3.6 m, trong khi tại vùng Trung Bộ mức dâng cao tối đa khoảng 2 m và tại Nam Bộ chỉ khoảng 1 m. Tần suất xuất hiện dâng cao mực nước biển trên 2 m chiếm khoảng 25% số lần bão ảnh hưởng vùng Bắc Bộ.

4. Phân phối xác suất dâng cao mực nước biển phù hợp với phân phối giá trị cực đại tổng quát (GEV): Việc áp dụng phân phối GEV cho phép ước lượng các giá trị dâng cao mực nước biển với chu kỳ lặp lại dài, ví dụ giá trị dâng cao tương ứng chu kỳ 100 năm được xác định rõ ràng, giúp nâng cao độ an toàn trong thiết kế công trình ven biển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của mức dâng cao mực nước biển lớn tại vùng Bắc Bộ là do đặc điểm địa hình bờ biển và thềm lục địa rộng, nông, cùng với hình dạng vịnh kín như vịnh Bắc Bộ tạo điều kiện tích tụ nước dâng cao khi có bão. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng của luận văn có độ chính xác cao hơn nhờ sử dụng mô hình thủy động lực học hiện đại và dữ liệu đường đi bão dài hạn.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa mức dâng cao mực nước biển và chu kỳ lặp lại (return period) cho thấy sự gia tăng không tuyến tính của mức dâng cao khi chu kỳ lặp lại tăng, điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng phân phối xác suất phù hợp để dự báo các hiện tượng cực đoan.

Kết quả cũng cho thấy sự khác biệt rõ rệt về mức dâng cao giữa các vùng ven biển, phù hợp với đặc điểm khí hậu và địa hình từng khu vực, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc phân vùng rủi ro và quản lý vùng bờ hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống quan trắc dâng cao mực nước biển chuyên biệt và liên tục: Cần thiết lập các trạm đo mực nước biển và gió bão dọc theo bờ biển, đặc biệt tại vùng Bắc Bộ, nhằm thu thập dữ liệu chính xác và kịp thời phục vụ cho việc hiệu chỉnh và cập nhật mô hình dự báo. Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, do Bộ Tài nguyên và Môi trường chủ trì.

2. Áp dụng mô hình mô phỏng dâng cao mực nước biển trong quy hoạch và thiết kế công trình ven biển: Các cơ quan quản lý và nhà thầu xây dựng cần sử dụng kết quả mô hình để xác định các mức dâng cao với chu kỳ lặp lại dài (ví dụ 100 năm) nhằm đảm bảo an toàn và độ bền cho các công trình. Thời gian áp dụng ngay trong các dự án mới và cải tạo công trình hiện hữu.

3. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm dâng cao mực nước biển do bão: Kết hợp mô hình thủy động lực học với dữ liệu dự báo bão để xây dựng hệ thống cảnh báo sớm, giúp giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Thời gian triển khai trong 1-2 năm, phối hợp giữa Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia và các địa phương ven biển.

4. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ quản lý vùng bờ: Tổ chức các khóa đào tạo về mô hình thủy động lực học, phân tích rủi ro thiên tai và quản lý vùng bờ nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và ứng phó với hiện tượng dâng cao mực nước biển. Thời gian thực hiện liên tục, do các trường đại học và viện nghiên cứu chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quy hoạch và thiết kế công trình ven biển: Sử dụng kết quả mô hình để xác định các mức dâng cao mực nước biển với chu kỳ lặp lại dài, từ đó thiết kế công trình có độ an toàn cao, giảm thiểu rủi ro hư hỏng do bão.

2. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về phòng chống thiên tai: Áp dụng dữ liệu và phân tích trong luận văn để xây dựng các chiến lược phòng chống, giảm nhẹ thiệt hại do dâng cao mực nước biển, đồng thời phát triển hệ thống cảnh báo sớm hiệu quả.

3. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực thủy văn, khí tượng và môi trường biển: Tham khảo phương pháp mô hình hóa, phân tích dữ liệu và kết quả nghiên cứu để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về biến đổi khí hậu và tác động của bão đến vùng ven biển.

4. Các tổ chức phát triển và hỗ trợ kỹ thuật quốc tế: Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để hỗ trợ Việt Nam trong các dự án phát triển bền vững vùng ven biển, phòng chống thiên tai và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình áp suất Fujita có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   Mô hình Fujita cho sai số áp suất trung bình thấp nhất (khoảng 0.25% áp suất bình thường) và giá trị bán kính gió tối đa phù hợp với đặc điểm bão tại khu vực Đông Nam Á, giúp mô phỏng chính xác trường áp suất bão.

2. Tại sao chọn mô hình xoáy Rankine biến đổi để mô phỏng gió bão?
   Mô hình này có khả năng mô phỏng chính xác vận tốc gió với sai số trung bình khoảng 5 m/s, đồng thời dễ hiệu chỉnh các tham số để phù hợp với dữ liệu quan trắc thực tế, giúp mô phỏng trường gió bão sát với thực tế.

3. Dữ liệu đường đi bão được sử dụng trong nghiên cứu có độ dài bao lâu?
   Dữ liệu đường đi bão được thu thập từ năm 1950 đến 2001, bao gồm hơn 200 cơn bão ảnh hưởng đến vùng biển Việt Nam, giúp mở rộng chuỗi dữ liệu dâng cao mực nước biển để phân tích xác suất.

4. Mức dâng cao mực nước biển lớn nhất được mô phỏng tại vùng nào?
   Vùng vịnh Bắc Bộ có mức dâng cao mực nước biển lớn nhất, lên tới khoảng 3.6 m, do đặc điểm địa hình thềm lục địa rộng và hình dạng vịnh kín tạo điều kiện tích tụ nước dâng cao.

5. Phân phối xác suất nào được sử dụng để mô hình hóa dâng cao mực nước biển?
   Phân phối giá trị cực đại tổng quát (GEV) được áp dụng để mô hình hóa và dự báo các mức dâng cao mực nước biển với chu kỳ lặp lại dài, giúp nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và quản lý vùng bờ.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng dâng cao mực nước biển do bão cho vùng vịnh Bắc Bộ, sử dụng mô hình áp suất Fujita và mô hình gió Rankine biến đổi, đạt độ chính xác cao với sai số áp suất dưới 0.25% và sai số vận tốc gió khoảng 5 m/s.
• Mô hình thủy động lực học Delf3D-FLOW được hiệu chỉnh và xác thực với dữ liệu thủy triều và dâng cao mực nước biển thực tế, đảm bảo độ tin cậy trong mô phỏng.
• Kết quả mô phỏng cho thấy mức dâng cao mực nước biển cực đại tại vùng Bắc Bộ có thể lên tới 3.6 m, với phân phối xác suất phù hợp để dự báo các hiện tượng cực đoan trong dài hạn.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho quy hoạch, thiết kế công trình ven biển và quản lý vùng bờ nhằm giảm thiểu thiệt hại do bão và dâng cao mực nước biển.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống quan trắc liên tục, áp dụng mô hình trong thực tiễn quản lý và đào tạo nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ quản lý vùng bờ.

Hành động ngay: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai và phát triển bền vững vùng ven biển Việt Nam.