CHƯƠNG I GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vẫn đề Khu vực biến Đông nằm ở phía Tây Thái Bình Dương, là nơi thường xuyên chịu tác động của các cơn bão nhiệt đới được hình thành từ 6 bão Tây Thái Binh Duong, một trong năm 6 bão chính của thế giới. Trung bình hang năm có khoảng năm đến sáu cơn bão và hai áp thấp nhiệt đới đồ bộ vào biển Đông gây nên những thiệt hại, ảnh hưởng đáng kế đến các công trình ven biến, ngoài khơi. Các đặc trưng sóng trong bão (độ cao sóng, chu kỳ sóng .) là yếu tố cần thiết để sử dụng cho việc tính toán quy hoạch, thiết kế các công trình biển nhằm đạt được độ an toàn cao nhất. Các yếu tô này mang tính chất ngẫu nhiên và cục bộ địa phương, do đó cần có các số liệu thực tế, đo đạc dài hạn dé xác định xác suất xuất hiện của nó bằng phương pháp thống kê.
Da số các thiết kế công trình biển đều dựa trên phương pháp thống kê dài hạn với số liệu đo đạc trong nhiều năm, từ đó có thé xác định được quy luật phân bồ các đặc trưng và tính toán độ cao sóng thiết kế ứng với các tần suất vượt khác nhau. Việc thu thập số liệu các đặc trưng sóng trong bão trong một thời gian dài là rất khó khăn do tốn kém trong việc đo đạc, an toàn cho người đo. Luận văn đặt ra vấn đề sử dụng mô hình toán để mô phỏng các cơn bão và tính toán các đặc trưng sóng trong bão, tạo ra chuỗi số liệu đặc trưng sóng trong bão đủ dài để áp dụng trong thống kê dài hạn nhằm xác định quy luật phân bố xác suất, từ đó tính toán độ cao sóng thiết kế ứng với tần suất vượt khác nhau.2 Mục đích và phạm vỉ nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài: - Sử dụng m6 hình toán mô phỏng lại các cơn bão lịch sử dé tạo ra sô liệu các đặc trưng sóng trong bão - Sử dụng sô liệu các đặc trưng sóng bão trong nhiêu năm đê thực hiện các thông kê dài hạn, nhăm xác định quy luật phân bô xác suât của các đặc trưng sóng bão tại khu vực nghiên cứu, xác định độ cao sóng và chu kỳ sóng ứng với các tân suât vượt khác nhau - Sử dụng kết quả mô phỏng sóng để xác định các hướng có tác động sóng nguy hiém cho công trình Phạm vi nghiên cứu của dé tài: Khu vực miễn Trung Việt Nam có bờ biển khá dài, là nơi có rất nhiều tiềm năng và đang trên đường phát triển các nền đại công nghiệp như cảng biển nước sâu, lọc hóa dầu, luyện gan thép, vật liệu xây dựng, phát triển du lịch và nguồn lợi biển. Với những bước trở mình khá mạnh mẽ trong hiện tại và tương lai, khu vực này dang trên đường xây dựng các cảng biến, công trình biển, các khu du lịch nghỉ dưỡng.
Tuy nhiên, nơi đây thường xuyên phải hứng chịu nhiều thiên tai nhất là bão lụt, gây ảnh hưởng lớn đến các công trình biển. Do đó, khu vực này rất cần được tập trung nghiên cứu nhiều hơn nữa. Luận văn nghiên cứu các đặc trưng sóng trong bão ở khu vực này tạo cơ sở để có những nghiên cứu xa hơn trong tương lai. Phạm vi nghiên cứu được chọn là khu vực vùng biển miền Trung Việt Nam trải dài từ vĩ tuyến 107 N đến 16.5°N và kinh tuyến 106.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung chính sẽ được thực hiện trong luận văn bao gồm: - Tu sô liệu các cơn bão lịch sử đã đô bộ vào biên Đông, luận văn sẽ tông hợp lại, phân tích và lựa chọn các cơn bão có ảnh hưởng nhất định.
- Từ số liệu bão đã được tong hợp, luận văn sẽ sử dụng mô hình kinh nghiệm trường gió bão dé tính toán trường gió trong bão. - Từ số liệu trường gió tính được sẽ đưa vào mô hình tính sóng DELFT 3D để tính toán trường sóng. Xác định độ cao sóng tại một số vị trí (chọn bay vị trí tiêu biểu). - Với mỗi vi trí, tập hợp tat cả các độ cao sóng trong nhiêu con bão từ đó tim ra quy luật phân bô xác suat (dài hạn) của chiêu cao sóng bão tại vi trí đó.
Từ các sô liệu tính ra, xác định các hướng có tác động sóng nguy hiém và độ cao sóng ứng với tan suất vượt khác nhau.4 Các nghiên cứu trước đây: 1.1 Các nghiên cứu yếu tố sóng, gió khu vực vùng biển miền Trung Việt nam Các chuyến khảo sát ở khu vực phía tây biển Đông phan lớn tập trung ở khu vực thêm lục địa phía Nam (đặc biệt khu vực khai thác dầu khí hiện tại) và khu vực vịnh Bac Bộ ở phía bắc Việt Nam. Khu vực biến miền Trung thuộc vùng được khảo sát nghiên cứu ít hơn so với hai khu vực đã nêu ở trên. Vì vậy có thể đánh giá khu vực ven bờ biển miền Trung là khu vực nghèo số liệu. Vào các năm từ 1992 đến 1995, các nghiên cứu đầu tiên ở dải ven biển ở khu vực miền Trung được tiễn hành nghiên cứu một cách chi tiết trên các lĩnh vực, mực nước, thủy triều, dòng chảy, sóng bién,.
bởi chương trình nghiên cứu về các quá trình động lực học thủy văn biến và các điều kiện xây dựng cảng biển nước sâu miễn trung của Trương Đình Hiến,Trần Văn Sâm, Bùi Quốc Nghĩa (1994). Các công trình trên đã tính toán, phân tích một cách chi tiết các yếu tố khí tượng, động lực học và thủy văn trong dải ven bờ, cũng như trong vùng sóng đồ, các thông số kỹ thuật tính toán theo các suất bảo đảm (P%) cho khu vực ven biến và cửa sông, bao gồm toàn bộ dải ven bờ các tỉnh miền Trung.2 Các nghiên cứu và ứng dụng mồ hình gió bão kinh nghiệm Mô hình trường gió bão kinh nghiệm được sử dụng để mô phỏng trường gió bão một cách đơn giản làm điều kiện đầu vào cho các bài toán tính sóng, nước dâng. Các nghiên cứu về mô hình trường gió bão kinh nghiệm đã được quan tâm nghiên cứu từ khá lâu có thể kế đến như: Mô hình xoáy của Rankine (1947), mô hình của Holland (1980), mô hình của Fujita (1992), mồ hình cua DeMaria và các cộng sự (1992), mô hình SLOSH của Jelesnianski (1992), các mô hình này sẽ được giới thiệu trong chương II. Mô hình trường gió bão được Trần Thu Tâm (2011) cải tiễn từ mô hình SLOSH có thé tính nhanh và 6n định vector gió tại mỗi điểm của lưới tính dùng trong mô phỏng sóng hoặc nước dâng và được áp dụng để tính toán trong bài báo: “Tính toán trường sóng do bão đỗ bộ vào bờ biển Việt Nam”.
Vũ Thị Thu Thủy và Nghiêm Tiến Lam (2005) đã sử dụng mô hình trường gió bão của Fujita để mô phỏng trường khí áp và mô hình xoáy cải tiến của Rankine để mô phỏng trường gió bão và áp dụng mô hình Delft3D để giải quyết bài toán thủy động lực học trong bài báo: “Thiết lập mô hình tính toán nước dâng do bão cho bờ biển Việt Nam”. CH ONGII MO HINH GIO BAO 2.1 Tổng quan về bão Xoáy thuận nhiệt đới là những hệ thống áp thấp được hình thành trên các vùng đại dương nhiệt đới, có hoàn lưu xoáy thuận (gió thối xoáy vào trung tâm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc Bán Cau và thuận chiều kim đồng hỗ ở Nam Bán Cau). Đường kính vùng gió xoáy có thé tới hàng trăm km. Trong một con bão, vận tốc gid tại tâm bão băng 0, khi ra xa tâm bão vận tốc gió tăng đến cực đại sau đó giảm dan.
Áp suất thấp nhất tai tâm bão va tăng dan khi ra xa tâm bão cho tới khi áp suất băng với áp suất của vùng không bị ảnh hưởng bão. Đường kính từ tâm bão tới vùng có áp suất bình thường đó gọi là kích thước cơn bão R„ax. Khoảng cách từ tâm bão dén vùng có van toc gió cực đại được ký hiệu là RWmax- 2.2 Mô phóng trường gió bão Đề mô phỏng chính xác trường gió trong bão là một việc hết sức phức tạp và hiện nay vẫn chưa có một mô hình nào có thể đáp ứng được điều này. Tuy nhiên, trong tính toán các đặc trưng do bão gây ra ví dụ như mô phỏng trường sóng trong bão, với yêu cầu cần một trường gió đơn giản phục vụ cho việc mô hình hóa thì người ta có thể mô phỏng trường gió trong một cơn bão theo cách đơn giản nhưng vẫn đem lại hiệu quả cao bang việc sử dụng các mô hình tham số.
Các mô hình loại này được xây dựng trên các phương trình động lực đã được đơn giản hóa, hoặc trên các công thức kinh nghiệm nhằm tạo ra một trường gió, trường áp đơn giản, phục vụ cho các tính toán sóng, cần số liệu đầu vào là gió và đã đem lại những kết quả khá chính xác với thực tê. Trường gió trong bão là sự tổng hợp bởi hai thành phần. Thành phần thứ nhất F được tạo ra bởi vận tốc di chuyển của tâm bão V, và thành phân thứ hai là vận tốc gió gradient W, do gradient áp suất gây ra.3: Các thành phan vận tốc trong một cơn bão Vector vận tốc gió theo công thức của Miyazaki M (1961) bang tong của hai vector thành phần như sau: Trong đó W,; W,: là thành phan theo phương Đông - Tây và Nam — Bắc của vận tốc gió trong bão ứng với cao độ 10m so với mực nước biển. F: Thanh phan vận tốc liên quan đến sự di chuyển của tâm bão tại khoảng cách r tính từ tâm bão.
Fx, Fy: thành phần theo phương Đông - Tây và Nam — Bắc của vector vận tốc liên quan đến sự di chuyển của tâm bão. W,: vận tốc gió gradient tại khoảng cách r tính từ tâm bão. Wox, Wey : vận tốc gió gradient theo phương x và y. C¡, Cạ: là hệ số kinh nghiệm.
Trong nghiên cứu của Tatsuo K, Yoshinobu T (1994) đã lây C¡ bang 0. Trong tính toán trường gid, luận van đã chọn C¡ bằng 1 và Cạ bang 6/7. Jelesnianski đã đề nghị công thức tính F trong mô hình SLOSH như sau: — R r— F aoe y, (2.2) W max F sé bang 0 tại tam va tăng đến 1/2V; tại R. và sau đó giảm dần về băng 0 khi r tiên vê vô cực.
Số hạng thứ hai trong công thức (2.1) là thành phân vận tốc gió gradient, được xác định từ sự cân bằng giữa lực li tâm của khôi không khí xoay tròn và gradient áp suất va lực Coriolis.