Tổng quan nghiên cứu

Khu vực ven biển miền Trung Việt Nam nằm trong vùng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các cơn bão nhiệt đới từ Biển Đông, trung bình mỗi năm có khoảng 2 cơn bão đổ bộ gây thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình ven biển và hoạt động kinh tế. Đặc trưng sóng trong bão như độ cao sóng, chu kỳ sóng là các yếu tố quan trọng để thiết kế và quy hoạch các công trình biển nhằm đảm bảo an toàn và bền vững. Tuy nhiên, việc thu thập số liệu thực tế về sóng bão trong thời gian dài gặp nhiều khó khăn do chi phí và rủi ro cao.

Luận văn thạc sĩ này nhằm mục tiêu sử dụng mô hình toán để mô phỏng trường gió và trường sóng do bão tại khu vực ven biển miền Trung, từ đó tạo ra chuỗi số liệu đặc trưng sóng đủ dài để áp dụng phương pháp thống kê dài hạn, xác định quy luật phân bố xác suất và tính toán các thông số sóng thiết kế với các tần suất vượt khác nhau. Phạm vi nghiên cứu bao gồm vùng biển miền Trung Việt Nam từ vĩ tuyến 10°N đến 16.5°N và kinh tuyến 106°E, khu vực có bờ biển dài và tiềm năng phát triển công nghiệp biển như cảng biển nước sâu, lọc hóa dầu, du lịch biển.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc cung cấp cơ sở dữ liệu mô phỏng sóng bão phục vụ thiết kế công trình biển, đồng thời góp phần nâng cao khả năng dự báo và quản lý rủi ro thiên tai do bão gây ra tại khu vực này. Kết quả nghiên cứu cũng giúp xác định các hướng sóng nguy hiểm, hỗ trợ trong công tác quy hoạch và bảo vệ bờ biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai nhóm lý thuyết chính:

  1. Mô hình trường gió bão tham số: Sử dụng mô hình SLOSH của Jelesnianski (1992) để mô phỏng trường gió bão, kết hợp với hiệu chỉnh vận tốc gió gradient theo góc lệch vào tâm bão. Mô hình này dựa trên các phương trình động lực học đơn giản hóa, cho phép mô phỏng trường gió xoáy thuận nhiệt đới với các tham số như vận tốc gió cực đại, bán kính vùng gió mạnh, vận tốc di chuyển tâm bão. Các mô hình tham số khác như mô hình xoáy Rankine, Holland, Fujita cũng được tham khảo để so sánh và lựa chọn mô hình phù hợp.

  2. Mô hình sóng SWAN (Simulating WAves Nearshore): Là mô hình dạng phổ sóng thế hệ thứ ba, sử dụng phương trình cân bằng tác động sóng để mô phỏng sự phát triển, lan truyền, khúc xạ, tiêu tán và tương tác sóng trong vùng ven biển. SWAN cho phép tính toán các đặc trưng sóng như độ cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng trong điều kiện gió bão phức tạp. Mô hình này được tích hợp trong phần mềm Delft3D-Wave, hỗ trợ mô phỏng trường sóng 2D với độ phân giải cao.

Các khái niệm chính bao gồm: vận tốc gió gradient, vận tốc gió do chuyển động tâm bão, hàm phân bố xác suất Burr và Johnson SB dùng để mô hình hóa phân bố xác suất của độ cao sóng và chu kỳ sóng, tần suất vượt sóng thiết kế, và các hướng sóng nguy hiểm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu track bão lịch sử đổ bộ vào khu vực miền Trung Việt Nam trong nhiều năm, bao gồm tọa độ tâm bão, vận tốc gió cực đại, áp suất tâm bão. Số liệu địa hình đáy biển được lấy từ bộ dữ liệu GEBCO_08 Grid với độ phân giải khoảng 1 km ngoài khơi và số hóa từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 và 1/100.000 cho khu vực gần bờ với độ phân giải cao hơn.

  • Phương pháp phân tích:

    • Mô phỏng trường gió bão theo mô hình SLOSH với hiệu chỉnh vận tốc gió gradient và tính toán vận tốc gió tổng hợp tại từng điểm lưới.
    • Dùng trường gió mô phỏng làm dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAN trong phần mềm Delft3D để tính toán trường sóng trong bão.
    • Thực hiện mô phỏng cho nhiều cơn bão lịch sử, thu thập các đặc trưng sóng tại các vị trí tiêu biểu dọc ven biển miền Trung.
    • Áp dụng phương pháp thống kê dài hạn để xác định hàm phân bố xác suất phù hợp cho độ cao sóng và chu kỳ sóng, từ đó tính toán các thông số sóng thiết kế với các tần suất vượt khác nhau.
    • Xác định các hướng sóng nguy hiểm dựa trên tần suất xuất hiện độ cao sóng lớn theo các hướng khác nhau.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6/2012 đến tháng 7/2013, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích thống kê và tổng hợp kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lựa chọn các cơn bão có ảnh hưởng đáng kể đến khu vực miền Trung trong lịch sử để mô phỏng, đảm bảo chuỗi số liệu sóng đủ dài và đại diện cho điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình trường gió bão SLOSH hiệu chỉnh cho kết quả phù hợp với thực tế: Mô phỏng trường gió bão cơn bão Frizt (1997) cho thấy vector vận tốc gió xoáy vào tâm bão, có sự biến dạng do chuyển động tâm bão, phản ánh đúng đặc trưng gió bão thực tế. Việc xét đến thành phần vận tốc do chuyển động tâm bão làm mô hình sát thực hơn.

  2. Ảnh hưởng của kích thước lưới tính đến kết quả mô phỏng sóng: So sánh kết quả mô phỏng độ cao sóng với các lưới tính có độ rộng từ 200 km đến 700 km cho thấy lưới tính 400 km đã cho kết quả gần với các lưới rộng hơn, sai số độ cao sóng tại điểm Khánh Hòa trong trường hợp lưới 200 km thấp hơn khoảng 30% so với lưới 700 km. Điều này chứng tỏ năng lượng sóng từ ngoài khơi có ảnh hưởng đáng kể đến trường sóng ven bờ.

  3. Hàm phân bố xác suất Burr và Johnson SB phù hợp với đặc trưng sóng bão: Kết quả thống kê cho thấy hàm phân bố Burr phù hợp nhất để mô hình hóa phân bố xác suất độ cao sóng, trong khi hàm Johnson SB phù hợp với phân bố chu kỳ sóng tại khu vực nghiên cứu. Các hàm này cho phép tính toán chính xác các thông số sóng thiết kế với các tần suất vượt khác nhau.

  4. Xác định các hướng sóng nguy hiểm trong bão: Thống kê tần suất xuất hiện độ cao sóng lớn theo các hướng cho thấy các hướng sóng nguy hiểm tập trung tại một số hướng nhất định, có thể dùng để thiết kế và bảo vệ công trình ven biển hiệu quả hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng trường gió bão và trường sóng cho thấy mô hình tham số SLOSH kết hợp với mô hình SWAN là công cụ hiệu quả để mô phỏng đặc trưng sóng bão tại khu vực miền Trung Việt Nam. Việc lựa chọn lưới tính phù hợp giúp cân bằng giữa độ chính xác và thời gian tính toán, đảm bảo mô phỏng được năng lượng sóng từ ngoài khơi lan truyền vào ven bờ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy hàm phân bố Burr và Johnson SB được xác định trong luận văn phù hợp với đặc trưng sóng bão tại khu vực, đồng thời cải thiện độ chính xác so với các hàm phân bố truyền thống như Weibull. Việc xác định hướng sóng nguy hiểm cung cấp thông tin quan trọng cho công tác thiết kế công trình biển, giúp giảm thiểu rủi ro do sóng bão gây ra.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố xác suất, biểu đồ tần suất sóng theo hướng và bảng so sánh sai số RMSE giữa các hàm phân bố, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả mô hình và tính ứng dụng của kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình mô phỏng trường gió và sóng bão trong thiết kế công trình biển: Các cơ quan quản lý và đơn vị thiết kế công trình ven biển nên sử dụng mô hình SLOSH kết hợp SWAN để tính toán đặc trưng sóng bão, nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả thiết kế. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án hiện tại và tương lai.

  2. Xây dựng cơ sở dữ liệu mô phỏng sóng bão dài hạn cho khu vực miền Trung: Cần tiếp tục thu thập và mô phỏng các cơn bão lịch sử để mở rộng chuỗi số liệu đặc trưng sóng, phục vụ cho thống kê dài hạn và dự báo rủi ro thiên tai. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học, cơ quan khí tượng thủy văn.

  3. Phát triển hệ thống cảnh báo và quản lý rủi ro thiên tai dựa trên mô hình sóng bão: Kết quả mô phỏng và phân tích thống kê nên được tích hợp vào hệ thống cảnh báo sớm, giúp các địa phương ven biển miền Trung chủ động ứng phó với bão lụt. Thời gian thực hiện: trong vòng 1-2 năm tới.

  4. Nâng cao độ phân giải số liệu địa hình và lưới tính mô hình: Để tăng độ chính xác mô phỏng, cần cập nhật số liệu địa hình đáy biển với độ phân giải cao hơn, đặc biệt khu vực gần bờ, đồng thời tối ưu lưới tính để cân bằng giữa độ chính xác và thời gian tính toán. Chủ thể thực hiện: các đơn vị nghiên cứu và quản lý biển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình biển, thủy văn: Luận văn cung cấp phương pháp mô phỏng trường gió và sóng bão, cùng các kết quả thống kê đặc trưng sóng, là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu và học tập.

  2. Các kỹ sư thiết kế công trình ven biển và cảng biển: Thông tin về đặc trưng sóng bão và hàm phân bố xác suất giúp thiết kế công trình đạt độ an toàn cao, giảm thiểu rủi ro do sóng bão gây ra.

  3. Cơ quan quản lý và dự báo khí tượng thủy văn: Kết quả mô phỏng và phân tích có thể hỗ trợ trong công tác dự báo, cảnh báo bão và sóng lớn, nâng cao hiệu quả quản lý thiên tai.

  4. Các nhà hoạch định chính sách và phát triển kinh tế biển: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chiến lược phát triển bền vững vùng ven biển miền Trung, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình SLOSH có ưu điểm gì trong mô phỏng trường gió bão?
    Mô hình SLOSH đơn giản, tính toán nhanh, cho phép mô phỏng trường gió xoáy thuận nhiệt đới với các tham số thực nghiệm, phù hợp làm dữ liệu đầu vào cho mô hình sóng. Ví dụ, mô hình đã mô phỏng thành công trường gió cơn bão Frizt với sự biến dạng do chuyển động tâm bão.

  2. Tại sao chọn mô hình SWAN để mô phỏng sóng bão?
    SWAN là mô hình dạng phổ sóng thế hệ thứ ba, có khả năng mô phỏng các quá trình lan truyền, khúc xạ, tiêu tán và tương tác sóng trong vùng ven biển, phù hợp với điều kiện phức tạp của sóng bão. Nó cũng tích hợp tốt với dữ liệu trường gió mô phỏng.

  3. Hàm phân bố Burr và Johnson SB có ý nghĩa gì trong nghiên cứu?
    Hai hàm phân bố này được xác định là phù hợp nhất để mô hình hóa phân bố xác suất độ cao sóng và chu kỳ sóng trong bão tại khu vực miền Trung, giúp tính toán chính xác các thông số sóng thiết kế với các tần suất vượt khác nhau.

  4. Lưới tính có ảnh hưởng thế nào đến kết quả mô phỏng?
    Lưới tính với độ rộng lớn hơn (ví dụ 400 km so với 200 km) cho kết quả độ cao sóng gần với thực tế hơn do bao phủ được năng lượng sóng từ ngoài khơi lan truyền vào ven bờ. Lưới quá nhỏ có thể làm giảm sai số nhưng bỏ sót năng lượng sóng quan trọng.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng như thế nào trong thực tế?
    Kết quả mô phỏng và thống kê đặc trưng sóng bão có thể dùng để thiết kế công trình biển, xây dựng hệ thống cảnh báo thiên tai, quy hoạch phát triển ven biển và nâng cao khả năng chống chịu thiên tai cho khu vực miền Trung.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng trường gió bão sử dụng mô hình SLOSH hiệu chỉnh, kết hợp mô hình SWAN để mô phỏng trường sóng bão tại khu vực ven biển miền Trung Việt Nam.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy hàm phân bố Burr và Johnson SB phù hợp để mô hình hóa phân bố xác suất độ cao sóng và chu kỳ sóng trong bão, phục vụ tính toán sóng thiết kế với các tần suất vượt khác nhau.
  • Đã xác định được các hướng sóng nguy hiểm trong bão, cung cấp thông tin quan trọng cho thiết kế và bảo vệ công trình ven biển.
  • Nghiên cứu đề xuất áp dụng mô hình mô phỏng trong thiết kế công trình, xây dựng cơ sở dữ liệu sóng bão dài hạn và phát triển hệ thống cảnh báo thiên tai.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô phỏng cho nhiều cơn bão hơn, nâng cao độ phân giải số liệu địa hình và tích hợp kết quả vào hệ thống quản lý rủi ro thiên tai.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và cơ quan quản lý nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả thiết kế và quản lý công trình biển, đồng thời phát triển các giải pháp ứng phó thiên tai bền vững cho khu vực miền Trung Việt Nam.