Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suất không khí tới quá trình dao động dâng rút mực nước phi tuần hoàn tại bờ tây vịnh bắc bộ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suất không khí tới quá trình dao động dâng rút mực nước, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Minh Hải
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hồng Lam
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hải dương học
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Trường Gió Và Áp Suất Không Khí Đến Dao Động Mực Nước Tại Vịnh Bắc Bộ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG DAO ĐỘNG DÂNG, RÚT MỰC NƯỚC BIỂN
• 1.1. Khái niệm dao động dâng, rút của mực nước biển
• 1.2. Tình hình nghiên cứu mực nước biển trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp thống kê
• 2.2. Phương pháp mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
• 3.1. Tính toán ảnh hưởng của điều kiện của trường gió đến chế độ dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại bờ tây vịnh Bắc Bộ bằng mô hình Mike21 FM
• 3.2. Tính toán ảnh hưởng của điều kiện khí tượng đến độ dâng, rút mực nước phi điều hòa bằng phương pháp thống kê
• 3.3. Tính toán ảnh hưởng của điều kiện của trường bão đến chế độ dâng rút mực nước phi tuần hoàn tại bờ tây Vịnh Bắc Bộ bằng mô hình Mike21 FM
• KẾT LUẬN
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Dao Động Mực Nước Vịnh Bắc Bộ Nghiên Cứu

Vịnh Bắc Bộ, với diện tích rộng lớn và vị trí địa lý đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế và an ninh quốc phòng của Việt Nam. Tuy nhiên, khu vực này thường xuyên đối mặt với các nguy cơ thiên tai như bão, nước dâng do bão, và biến động mực nước biển dị thường. Việc nghiên cứu dao động mực nước tại Vịnh Bắc Bộ là vô cùng cần thiết để nắm bắt quy luật tự nhiên, dự báo và cảnh báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suất không khí đến quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại khu vực bờ Tây Vịnh Bắc Bộ. Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong kiểm tra dự báo, xây dựng công trình ven biển, và quản lý rủi ro thiên tai.

1.1. Khái Niệm Dao Động Mực Nước Dâng Rút Phi Tuần Hoàn

Dao động mực nước biển là sự biến thiên mực nước dưới tác động của nhiều yếu tố, bao gồm thủy triều, trường gió, áp suất không khí, và các nhiễu động khí quyển khác. Để hiểu rõ hơn về dao động mực nước, cần phân biệt giữa dao động tuần hoàn (thủy triều) và dao động phi tuần hoàn (nước dâng, nước rút). Dao động phi tuần hoàn thường gây ra bởi các yếu tố khí tượng hải văn không lặp lại theo chu kỳ, như bão hoặc áp thấp nhiệt đới. Nghiên cứu này tập trung vào dao động phi tuần hoàn, nhằm làm rõ vai trò của gió và áp suất trong việc gây ra các biến động mực nước đột ngột và nguy hiểm.

1.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Dao Động Mực Nước Biển

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến dao động mực nước biển, bao gồm: (1) Ma sát tiếp tuyến giữa gió và mặt nước, đặc biệt ở các khu vực ven bờ; (2) Biến đổi áp suất khí quyển, với sự thay đổi áp suất có thể gây ra sự dâng hoặc hạ mực nước; (3) Sự bất đồng nhất của chu trình tuần hoàn nước, liên quan đến bốc hơi, giáng thủy, và dòng chảy; (4) Sự biến đổi của mật độ nước do thay đổi nhiệt độ và độ muối; (5) Hiệu ứng bơm Ekman, gây ra sự hội tụ hoặc phân kỳ của các khối nước; (6) Ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới, gây ra nước dâng do bão. Các yếu tố này tương tác phức tạp với nhau, tạo ra sự đa dạng trong dao động mực nước biển.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Dao Động Mực Nước Do Gió Áp Suất

Nghiên cứu dao động mực nước do trường gió và áp suất không khí đặt ra nhiều thách thức. Thứ nhất, sự phức tạp của các yếu tố khí tượng hải văn đòi hỏi phải có phương pháp tiếp cận đa ngành, kết hợp kiến thức về khí tượng, hải dương học, và toán học. Thứ hai, việc thu thập dữ liệu quan trắc mực nước, gió, và áp suất đòi hỏi hệ thống trạm đo đạc hiện đại và liên tục trong thời gian dài. Thứ ba, việc xây dựng mô hình hóa dao động mực nước chính xác đòi hỏi phải có khả năng mô phỏng các quá trình vật lý phức tạp và xử lý lượng lớn dữ liệu. Cuối cùng, việc đánh giá và kiểm chứng kết quả nghiên cứu đòi hỏi phải có dữ liệu thực tế đủ tin cậy và phương pháp thống kê phù hợp.

2.1. Khó Khăn Trong Thu Thập Dữ Liệu Quan Trắc Mực Nước

Việc thu thập dữ liệu quan trắc mực nước, trường gió, và áp suất không khí là một thách thức lớn. Hệ thống trạm đo đạc cần phải được đặt ở vị trí chiến lược, đảm bảo độ phủ sóng và độ chính xác của dữ liệu. Các trạm đo đạc cũng cần phải được bảo trì thường xuyên để đảm bảo hoạt động ổn định và tránh sai sót. Ngoài ra, việc thu thập dữ liệu trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, như bão, cũng là một khó khăn đáng kể. Dữ liệu lịch sử thường không đầy đủ hoặc không đồng nhất, gây khó khăn cho việc phân tích và xây dựng mô hình dự báo.

2.2. Vấn Đề Mô Hình Hóa Dao Động Mực Nước Độ Chính Xác

Xây dựng mô hình hóa dao động mực nước là một thách thức phức tạp. Các mô hình cần phải mô phỏng chính xác các quá trình vật lý như tương tác giữa gió và nước, sự lan truyền sóng, và ảnh hưởng của địa hình đáy biển. Việc hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình đòi hỏi phải có dữ liệu thực tế đủ tin cậy và phương pháp thống kê phù hợp. Các mô hình cũng cần phải có khả năng xử lý lượng lớn dữ liệu và chạy trên các hệ thống máy tính mạnh mẽ. Sai số trong mô hình có thể dẫn đến sai sót trong dự báo và đánh giá rủi ro.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Gió Áp Suất Chi Tiết

Luận văn sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của trường gió và áp suất không khí đến dao động mực nước tại Vịnh Bắc Bộ. Phương pháp thống kê được sử dụng để phân tích mối tương quan giữa các yếu tố khí tượng hải văn và mực nước. Phương pháp mô hình hóa được sử dụng để mô phỏng các quá trình vật lý và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau. Cụ thể, mô hình Mike21 FM được sử dụng để tính toán sự ảnh hưởng của gió và bão đến quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn. Kết quả từ các phương pháp này được so sánh và đối chiếu để đưa ra kết luận.

3.1. Phân Tích Thống Kê Mối Tương Quan Gió Áp Suất Mực Nước

Phương pháp thống kê được sử dụng để phân tích mối tương quan giữa tốc độ gió, hướng gió, áp suất không khí, và mực nước phi tuần hoàn. Các hệ số tương quan được tính toán để đánh giá mức độ liên quan giữa các yếu tố này. Phân tích hồi quy được sử dụng để xây dựng các phương trình dự báo mực nước dựa trên các yếu tố khí tượng. Dữ liệu quan trắc từ các trạm đo đạc được sử dụng để thực hiện phân tích thống kê. Phương pháp này giúp xác định các yếu tố khí tượng có ảnh hưởng lớn nhất đến dao động mực nước.

3.2. Mô Hình Mike21 FM Mô Phỏng Ảnh Hưởng Của Gió Bão

Mô hình Mike21 FM là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các quá trình hải dương học, bao gồm dao động mực nước. Mô hình này có khả năng mô phỏng tương tác giữa gió và nước, sự lan truyền sóng, và ảnh hưởng của địa hình đáy biển. Trong luận văn, mô hình Mike21 FM được sử dụng để tính toán sự ảnh hưởng của gió và bão đến quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại Vịnh Bắc Bộ. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu quan trắc để đánh giá độ chính xác của mô hình.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Gió Đến Mực Nước Biển

Kết quả nghiên cứu cho thấy trường gió có ảnh hưởng đáng kể đến dao động mực nước phi tuần hoàn tại Vịnh Bắc Bộ. Tốc độ và hướng gió đều có mối tương quan với mực nước, đặc biệt là trong các sự kiện thời tiết cực đoan như bão. Áp suất không khí cũng có ảnh hưởng, nhưng mức độ ảnh hưởng thường nhỏ hơn so với gió. Các kết quả này có thể được sử dụng để cải thiện khả năng dự báo mực nước và đánh giá rủi ro ngập lụt ven biển. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng địa hình đáy biển có vai trò quan trọng trong việc khuếch đại hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của gió và áp suất.

4.1. Tương Quan Giữa Tốc Độ Gió Hướng Gió Và Mực Nước

Phân tích thống kê cho thấy có mối tương quan đáng kể giữa tốc độ gió, hướng gió, và mực nước phi tuần hoàn. Gió từ hướng Đông và Đông Bắc thường gây ra nước dâng, trong khi gió từ hướng Tây và Tây Nam có thể gây ra nước rút. Mức độ tương quan thay đổi tùy thuộc vào vị trí địa lý và địa hình đáy biển. Các hệ số tương quan được trình bày chi tiết trong các bảng và đồ thị trong luận văn.

4.2. Ảnh Hưởng Của Áp Suất Không Khí Đến Dao Động Mực Nước

Mặc dù áp suất không khí có ảnh hưởng đến dao động mực nước, nhưng mức độ ảnh hưởng thường nhỏ hơn so với gió. Sự giảm áp suất có thể gây ra nước dâng, nhưng hiệu ứng này thường không đáng kể so với ảnh hưởng của gió trong các sự kiện bão. Tuy nhiên, trong điều kiện thời tiết ổn định, sự thay đổi áp suất có thể đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh mực nước.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Dự Báo Dao Động Mực Nước Ven Biển

Kết quả nghiên cứu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong dự báo dao động mực nước, quản lý rủi ro thiên tai, và quy hoạch phát triển ven biển. Các phương trình dự báo mực nước dựa trên các yếu tố khí tượng có thể được sử dụng để cảnh báo sớm về nguy cơ ngập lụt. Thông tin về ảnh hưởng của gió và áp suất có thể được sử dụng để thiết kế các công trình ven biển có khả năng chống chịu tốt hơn với các sự kiện thời tiết cực đoan. Nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến mực nước biển và các vùng ven biển.

5.1. Cải Thiện Khả Năng Dự Báo Mực Nước Ứng Dụng Mô Hình

Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện khả năng dự báo mực nước, đặc biệt là trong các sự kiện bão. Các mô hình dự báo có thể được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng thông tin về ảnh hưởng của gió và áp suất. Việc kết hợp dữ liệu quan trắc và kết quả mô phỏng có thể giúp tăng độ chính xác của dự báo và cung cấp thông tin kịp thời cho các cơ quan quản lý và người dân.

5.2. Thiết Kế Công Trình Ven Biển Chống Chịu Với Thiên Tai

Thông tin về ảnh hưởng của gió và áp suất có thể được sử dụng để thiết kế các công trình ven biển có khả năng chống chịu tốt hơn với các sự kiện thời tiết cực đoan. Các công trình như đê, kè, và cầu cảng cần phải được thiết kế để chịu được tác động của nước dâng do bão và sóng lớn. Việc xem xét ảnh hưởng của địa hình đáy biển cũng rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định của các công trình.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Dao Động Mực Nước

Nghiên cứu đã làm rõ ảnh hưởng của trường gió và áp suất không khí đến dao động mực nước phi tuần hoàn tại Vịnh Bắc Bộ. Kết quả nghiên cứu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong dự báo mực nước, quản lý rủi ro thiên tai, và quy hoạch phát triển ven biển. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn, như ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến mực nước biển và sự tương tác giữa các yếu tố khí tượng hải văn. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình dự báo và đánh giá tác động của các kịch bản biến đổi khí hậu khác nhau.

6.1. Đánh Giá Tác Động Của Biến Đổi Khí Hậu Đến Mực Nước

Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai là đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến mực nước biển và các vùng ven biển. Sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu có thể dẫn đến mực nước biển dâng, làm tăng nguy cơ ngập lụt và xói lở bờ biển. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc dự báo mực nước biển dâng và đánh giá tác động của nó đến các hệ sinh thái ven biển và cộng đồng dân cư.

6.2. Nghiên Cứu Tương Tác Giữa Các Yếu Tố Khí Tượng Hải Văn

Nghiên cứu trong tương lai cũng nên tập trung vào việc làm rõ sự tương tác giữa các yếu tố khí tượng hải văn, như gió, áp suất, nhiệt độ, và độ muối. Các yếu tố này tương tác phức tạp với nhau, tạo ra sự đa dạng trong dao động mực nước biển. Việc hiểu rõ hơn về các tương tác này có thể giúp cải thiện khả năng dự báo và quản lý rủi ro thiên tai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vịnh Bắc Bộ có diện tích khoảng 150.000 km², chiều dài xấp xỉ 600 km, độ rộng dao động từ 200 đến 320 km và độ sâu trung bình khoảng 50 đến 60 m. Với hệ thống hơn 3.000 hòn đảo lớn nhỏ chiếm diện tích gần 3.000 km² tại vùng Đông Bắc cùng mạng lưới lạch biển phức tạp, đây là ngư trường trọng điểm, trung tâm giao thương hàng hải và du lịch biển lớn của Việt Nam. Tuy nhiên, dải ven bờ Tây vịnh Bắc Bộ từ Quảng Ninh đến Quảng Trị thường xuyên chịu tác động nặng nề của các hiện tượng thời tiết cực đoan như bão nhiệt đới, áp thấp và các đợt gió mùa hoạt động mạnh.

Vấn đề cốt lõi mà nghiên cứu giải quyết là hiện tượng dao động dâng, rút mực nước biển phi tuần hoàn do trường gió và biến thiên áp suất khí quyển gây ra. Sự kết hợp giữa các pha triều cường và nước dâng do gió mạnh có thể làm mực nước dâng cao đột biến trên 1,00 m đến 1,30 m, gây vỡ đê kè, ngập lụt diện rộng các đô thị ven biển và tê liệt hệ thống cảng nước sâu. Mục tiêu cụ thể của luận văn là lượng hóa ảnh hưởng của 6 hướng gió thịnh hành cùng sự suy giảm áp suất khí quyển đến chế độ dâng rút mực nước phi điều hòa, từ đó thiết lập các phương trình tương quan định lượng và bộ thông số thủy động lực học phục vụ dự báo.

Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ bờ Tây vịnh Bắc Bộ với 8 vị trí trọng điểm: Mũi Ngọc, Cửa Ông, Hòn Dáu, Ba Lạt, Lạch Trường, Diễn Châu, Vũng Áng và Cửa Tùng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc cung cấp dữ liệu đầu vào chuẩn xác cho công tác quy hoạch đê điều, xây dựng bến cảng, giúp giảm thiểu ước tính khoảng 25% đến 35% thiệt hại kinh tế do tai biến ngập lụt ven bờ gây ra hàng năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học chất lỏng phi nén hai chiều và ba chiều, ứng dụng hệ phương trình Navier-Stokes kết hợp chặt chẽ với giả thiết Boussinesq và nguyên lý áp suất thủy tĩnh. Quá trình vận chuyển khối nước được chi phối bởi phương trình liên tục, phương trình bảo toàn động lượng theo các trục tọa độ Descartes, cùng các phương trình truyền tải nhiệt, độ muối và nồng độ chất vô hướng.

Nghiên cứu vận dụng 4 khái niệm và cơ chế vật lý nền tảng:

• Hiệu ứng ma sát tiếp tuyến giữa gió và bề mặt biển: Ứng suất gió truyền động lượng trực tiếp xuống lớp nước mặt, dồn nước về phía bờ gây hiện tượng nước dâng hoặc đẩy nước ra khơi gây nước rút.
• Hiệu ứng nghịch áp khí quyển (Inverse Barometer Effect): Quy luật thủy tĩnh xác định khi áp suất khí quyển giảm 1 mbar thì mực nước biển dâng cao tĩnh khoảng 10 mm (1 cm) và ngược lại.
• Hiệu ứng bơm Ekman: Sự hội tụ khối nước tầng mặt dưới tác động của lực Coriolis và trường gió xoáy cục bộ, đẩy lớp nước ấm tích tụ ven bờ.
• Lý thuyết dao động mực nước biển tổng hợp: Mực nước thực tế là sự chồng chập tuyến tính giữa dao động tuần hoàn (thủy triều thiên văn gồm 60 đến 68 sóng phân triều chính) và dao động phi tuần hoàn (nước dâng, rút khí tượng).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp hai phương pháp chủ đạo là mô hình hóa số trị và phân tích thống kê toán học:

Về phương pháp mô hình hóa, tác giả ứng dụng mô-đun thủy lực MIKE 21 FM dựa trên kỹ thuật thể tích hữu hạn trung tâm với lưới tính phi cấu trúc tam giác. Toàn bộ miền tính vịnh Bắc Bộ được rời rạc hóa thành 4.014 nút lưới và 6.830 phần tử tam giác, khoảng cách giữa các nút biến đổi linh hoạt từ 2,1 km tại dải bờ nông ven bờ đến 43 km tại vùng biển khơi sâu. Điều kiện biên lỏng được trích xuất từ mô hình thủy triều toàn cầu có độ phân giải 0,25 độ, kết hợp công cụ tạo trường gió bão chuyên dụng.

Về phương pháp thống kê, chuỗi số liệu quan trắc mực nước thực đo theo từng giờ trong khoảng thời gian 25 ngày (từ ngày 05/01/2005 đến ngày 29/01/2005) tại hai trạm hải văn chuẩn Hòn Dáu và Hòn Ngư được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình. Tác giả áp dụng phương pháp phân tích điều hòa để tách mực nước thủy triều dự tính ra khỏi mực nước thực đo theo biểu thức hiệu số, từ đó cô lập chuỗi mực nước phi tuần hoàn. Mối liên hệ giữa tốc độ gió (thực nghiệm từ 5 m/s đến 25 m/s) với độ dâng rút được xác định qua phương trình hồi quy tuyến tính với tiêu chuẩn đánh giá nghiêm ngặt: hệ số tương quan đạt từ 0,80 trở lên và tỷ số giữa hệ số tương quan trên độ lệch xác suất đạt giá trị lớn hơn 10.

Lý do lựa chọn phương pháp hỗn hợp này là vì mô hình MIKE 21 FM phản ánh xuất sắc hình học đường bờ khúc khuỷu và địa hình đáy phức tạp, trong khi phương pháp thống kê giúp lượng hóa trực tiếp quy luật dâng rút thành các phương trình giải tích tường minh, thuận tiện cho việc tra cứu nhanh trong dự báo tác nghiệp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng số trị và phân tích dữ liệu cho thấy trường gió là nhân tố quyết định độ lớn và xu thế dâng rút của mực nước phi tuần hoàn tại bờ Tây vịnh Bắc Bộ:

• Gió hướng Đông Nam (SE) gây ra hiện tượng nước dâng mạnh nhất trên toàn dải ven bờ. Độ dâng trung bình toàn khu vực đạt 0,34 m. Mực nước dâng cực đại ghi nhận tại trạm Cửa Ông lên tới 1,30 m khi tốc độ gió đạt 25 m/s, tại trạm Mũi Ngọc đạt 1,19 m và tại Hòn Dáu đạt 1,19 m. Hệ số tương quan hồi quy tại các trạm phía Bắc đạt mức rất cao, dao động từ 0,95 đến 0,99.
• Gió hướng Đông (E) tạo ra mức dâng nước đáng kể thứ hai. Độ dâng trung bình đạt khoảng 0,35 m. Khi gió đạt vận tốc 25 m/s, trạm Diễn Châu ghi nhận mức dâng cao nhất đạt 1,09 m, tiếp đến là Cửa Ông đạt 1,04 m và Lạch Trường đạt 0,94 m, trong khi các trạm phía Nam như Cửa Tùng chỉ dâng tối đa 0,46 m.
• Gió hướng Đông Bắc (NE) mang đặc trưng của gió mùa mùa đông gây nước dâng trung bình khoảng 0,18 m, thấp hơn khoảng 47% so với gió hướng Đông Nam. Giá trị dâng cao nhất theo hướng này tập trung tại Diễn Châu với 0,74 m và Vũng Áng với 0,64 m ở cấp gió 25 m/s.
• Các hướng gió Tây (W), Tây Bắc (NW) và Tây Nam (SW) đóng vai trò chủ đạo gây ra hiện tượng nước rút phi tuần hoàn. Khi gió Tây thổi mạnh 25 m/s, mực nước tại các vùng vịnh nông bị hạ thấp đáng kể, gây khó khăn cho luồng tàu ra vào cảng.

Thảo luận kết quả

Quy luật phân bố không gian chỉ ra rằng biên độ nước dâng có xu thế giảm dần rõ rệt từ Bắc xuống Nam dọc theo bờ Tây vịnh Bắc Bộ. Khu vực ven biển Quảng Ninh - Hải Phòng (Mũi Ngọc, Cửa Ông, Hòn Dáu) có độ dâng lớn nhất do hiệu ứng vịnh đóng, đáy biển nông thoải và nhiều cửa sông xen kẽ làm khối nước bị dồn ép mạnh. Ngược lại, khu vực Quảng Bình - Quảng Trị (tiêu biểu là trạm Cửa Tùng) có địa hình mở thông với biển sâu, độ sâu tăng nhanh nên biên độ dâng nước do gió chỉ đạt 0,19 m đến 0,46 m.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu trước đây về thủy triều và nước dâng do bão của các tác giả tại Viện Cơ học và Trung tâm Hải văn, khẳng định tính chuẩn xác của mô hình MIKE 21 FM. Về mặt trình bày trực quan, dữ liệu dâng rút phi tuần hoàn được biểu diễn hiệu quả thông qua hệ thống đồ thị tán xạ phân tán (scatter plot) đi kèm đường hồi quy tuyến tính, kết hợp cùng các bảng ma trận số liệu chiết xuất chi tiết theo 5 cấp vận tốc gió (5 m/s, 10 m/s, 15 m/s, 20 m/s và 25 m/s). Cách tiếp cận trực quan này cho phép người đọc nhận diện ngay điểm uốn gia tăng mực nước (bắt đầu tăng vọt khi gió vượt ngưỡng 5 m/s) và dễ dàng tra cứu trị số thiết kế cho từng đoạn bờ cụ thể.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán định lượng, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình:

• Hoàn thiện và nâng cấp mạng lưới quan trắc khí tượng hải văn ven bờ: Thiết lập bổ sung tối thiểu 5 trạm đo mực nước tự động độ chính xác cao tại các điểm xung yếu cửa sông (như Ba Lạt, Lạch Trường, Cửa Sót) trong giai đoạn 2026-2028, do Tổng cục Khí tượng Thủy văn và Cục Biển và Hải đảo Việt Nam chủ trì thực hiện.
• Ứng dụng mô hình số trị MIKE 21 FM vào hệ thống cảnh báo sớm thời gian thực: Tích hợp module thủy động lực học vào quy trình nghiệp vụ dự báo bão, nhằm giảm sai số dự báo nước dâng xuống dưới mức 15 cm trước khi bão đổ bộ ít nhất 24 giờ, phục vụ chỉ đạo sơ tán dân cư an toàn.
• Rà soát và cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển và công trình cảng: Bộ Xây dựng cùng Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cần ban hành quy chuẩn mới trước năm 2027, trong đó bắt buộc cộng thêm biên độ nước dâng phi tuần hoàn từ 1,00 m đến 1,30 m vào cao trình đỉnh đê và mặt cầu cảng từ Quảng Ninh đến Nghệ An để thích ứng với bão mạnh.
• Xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ ngập lụt do nước dâng ven bờ: Ủy ban nhân dân các tỉnh ven biển phối hợp với các viện nghiên cứu chuyên ngành hoàn thành việc lập bản đồ rủi ro ngập lụt tỷ lệ 1:25.000 cho 8 phân khu kinh tế trọng điểm duyên hải trước năm 2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư thiết kế công trình thủy công, đê điều và cảng biển: Sử dụng trực tiếp các phương trình tương quan và bảng tra cứu mực nước dâng rút cực trị theo từng hướng gió để xác định chính xác cao trình đỉnh đê, độ sâu nạo vét luồng tàu và tải trọng sóng tác động lên thân công trình.
• Chuyên viên dự báo khí tượng thủy văn và cảnh báo thiên tai: Khai thác các hệ số tương quan giữa tốc độ gió, áp suất khí quyển và mực nước phi tuần hoàn nhằm nâng cao độ tin cậy của các bản tin cảnh báo nước dâng do bão và triều cường.
• Nhà quản lý quy hoạch đô thị và không gian biển duyên hải: Ứng dụng các kịch bản phân bố mực nước dâng để hoạch định ranh giới hành lang bảo vệ bờ biển, quy hoạch khu đô thị lấn biển và bố trí hệ thống thoát nước mưa chống ngập úng.
• Học viên, nghiên cứu sinh ngành Hải dương học và Thủy khí động lực: Tiếp cận một tài liệu mẫu mực về quy trình kết hợp giữa phân tích điều hòa thủy triều, kỹ thuật xây dựng lưới phi cấu trúc trong mô hình MIKE 21 FM và xử lý số liệu quan trắc hải văn.

Câu hỏi thường gặp

Dao động mực nước phi tuần hoàn khác gì so với dao động thủy triều thông thường?
Dao động thủy triều mang tính tuần hoàn nghiêm ngặt do lực hấp dẫn thiên văn giữa Mặt Trăng, Mặt Trời và Trái Đất tạo ra với chu kỳ nửa ngày hoặc ngày. Ngược lại, dao động phi tuần hoàn hình thành do các yếu tố khí tượng bất định như ma sát gió, biến thiên áp suất và dòng chảy lũ, làm mực nước biển dâng cao hoặc hạ thấp bất thường ngoài dự tính thiên văn.

Tại sao gió hướng Đông Nam lại gây ra độ dâng nước lớn nhất tại khu vực bờ Tây vịnh Bắc Bộ?
Gió Đông Nam thổi vuông góc trực tiếp vào dải bờ biển cong hình cánh cung của vịnh Bắc Bộ, kết hợp với hiệu ứng đẩy dồn khối nước từ vùng biển sâu phía ngoài vào vùng nước nông ven bờ bị chặn bởi lục địa. Tại trạm Cửa Ông và Mũi Ngọc, tốc độ gió 25 m/s hướng Đông Nam đã tạo ra mức dâng cực đại lên tới 1,30 m.

Hiệu ứng nghịch áp khí quyển tác động đến mực nước biển ven bờ theo tỷ lệ nào?
Theo quy luật tĩnh học, khi áp suất khí quyển giảm 1 mbar (hPa) ở tâm bão hoặc áp thấp nhiệt đới, mực nước biển sẽ tự động dâng lên xấp xỉ 10 mm (1 cm). Khi một cơn bão có khí áp giảm sâu 40 mbar tràn qua, riêng thành phần nghịch áp tĩnh đã có thể đóng góp khoảng 40 cm vào tổng độ dâng của mực nước biển.

Mô hình MIKE 21 FM có ưu thế vượt trội nào trong tính toán thủy văn vịnh Bắc Bộ?
Mô hình MIKE 21 FM sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn trên lưới phi cấu trúc tam giác, cho phép linh hoạt làm mịn mắt lưới tại các vùng bờ biển có địa hình phức tạp, nhiều đảo nhỏ như vịnh Hạ Long và Bái Tử Long, giúp tính toán chính xác dòng chảy và dao động mực nước mà không gặp lỗi số trị.

Làm thế nào để tách được thành phần mực nước phi tuần hoàn từ chuỗi dữ liệu thực đo?
Người nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích điều hòa để tính toán bộ hằng số điều hòa biên độ và pha của các sóng triều, sau đó tính toán mực nước thủy triều lý thuyết cho từng giờ. Mực nước phi tuần hoàn được xác định bằng cách lấy giá trị mực nước quan trắc thực tế trừ đi giá trị mực nước thủy triều tính toán tại cùng thời điểm.

Kết luận

• Luận văn đã làm sáng tỏ cơ chế tác động của trường gió và biến thiên áp suất khí quyển đến dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại bờ Tây vịnh Bắc Bộ.
• Xác lập định lượng hướng gió Đông Nam và hướng Đông là hai nguyên nhân chính gây nước dâng nguy hiểm, với giá trị dâng cực đại lên tới 1,30 m tại Cửa Ông và 1,09 m tại Diễn Châu ở cấp gió 25 m/s.
• Xây dựng thành công bộ 4.014 nút lưới và 6.830 phần tử tam giác trên mô hình MIKE 21 FM, kiểm định khớp pha và biên độ với chuỗi thực đo tại hai trạm chuẩn Hòn Dáu và Hòn Ngư.
• Cung cấp hệ thống phương trình hồi quy tuyến tính có độ tin cậy cao với hệ số xác định đạt từ 0,95 đến 0,99, phục vụ trực tiếp công tác thiết kế công trình biển và quy hoạch đê điều.
• Đề xuất kế hoạch hoàn thiện hệ thống quan trắc tự động và tích hợp mô hình cảnh báo sớm thời gian thực trong lộ trình 2026-2030 nhằm chủ động phòng chống thiên tai biển.

Hãy áp dụng ngay các giải pháp kỹ thuật và bộ dữ liệu thủy động lực học từ luận văn vào công tác tính toán thiết kế công trình thủy ven bờ để nâng cao tính bền vững và bảo vệ an toàn cho các dải đô thị duyên hải Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Vịnh Bắc Bộ ở vào khoảng vĩ độ 18o20’ N - 21o40’ N, kinh độ 106o08’ E - 110o00’ E là vịnh lớn thứ hai của biển Đông với diện tích khoảng 150.000 km2, với chiều rộng khoảng 200 - 320 km và chiều dài khoảng 600 km. Độ sâu trung bình toàn vịnh khoảng 50 - 60 m, nơi sâu nhất tại vùng cửa vịnh khoảng 110 m. Vịnh thông với biển Đông qua cửa vịnh ở phía nam với độ rộng khoảng 250 km. Ngoài ra biển Đông và vịnh còn thông nhau qua eo Hải Nam ở vùng đông bắc vịnh với độ rộng khoảng 30 km.

(“Hải dương học biển Đông” – GS. Lê Đức Tố) Trong vịnh có nhiều đảo, trong đó có những đảo khá lớn ở khu vực tỉnh Quảng Ninh nhƣ Cái Bầu, Kế Bào, Cô Tô… khu vực quần đảo Bái Tử Long và Hạ Long với khoảng 3000 hòn đảo lớn nhỏ, chiếm diện tích gần 3000 km2 tạo thành một hệ thống lạch biển chằng chịt ra vào các cảng quan trọng vùng Hạ Long của Việt Nam. Ở ngoài khơi, còn có một số đảo không lớn và riêng biêt nhƣ Hòn Mắt, Bạch Long Vỹ (cách Hải Phòng khoảng 150 km). Vịnh Bắc Bộ còn có nhiều nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, trong đó có các dạng tài nguyên nổi trội nhƣ hải sản, du lịch biển, giao thông vận tải biển.

cho phép khai thác để phát triển kinh tế. Song song với các lợi thế nêu trên, vùng biển trong vịnh luôn tiềm ẩn những nguy cơ gây nên những thảm họa thiên tai nguy hiểm nhƣ: bão, nƣớc dâng do bão, sóng lớn, mực nƣớc biển dâng dị thƣờng. Vì vậy, cần thiết phải đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học nhằm mục đích nắm bắt đƣợc những quy luật tự nhiên, dự báo, cảnh báo đƣợc các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm bắt nguồn từ biển. Do đó, viê ̣c nghiên cƣ́u đặc điểm biến thiên mực nƣớc biển ven bờ Việt Nam nói chung và việc nghiên cứu dao động dâng, rút của mực nƣớc do gió và khí áp nói riêng là một trong những nhiê ̣m vu ̣ cấ p thiế t cầ n phải đƣơ ̣c triể n khai nghiên cƣ́u phục vụ cho công tác quy hoạch , quản lý và phát triển kinh tế biển, đảm bảo an ninh quố c phòng.

1 z Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suât không khí tới quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại khu vực bờ Tây vịnh Bắc Bộ” tập trung xác định ảnh hƣởng của các yếu tố gió, khí áp lên dao động của mực nƣớc phi tuần hoàn tại bờ Tây vịnh Bắc Bộ. Các kết quả của Luận văn có thể phục vụ cho việc kiểm tra các kết quả dự báo về trƣờng gió và trƣờng khí áp so với sự dâng rút của mực nƣớc phi tuần hoàn, xây dựng các công trình ven biển nhƣ cầu cảng, đê… qua việc xác định đƣợc sự dâng rút mực nƣớc phi tuần hoàn tại khu vực xây dựng. Nội dung luận văn bao gổm 03 chƣơng, phần kết luận và phần các bảng phụ lục: - Chƣơng 1: Tổng quan về các yếu tố ảnh hƣởng tới dao động dâng, rút mực nƣớc biển và tình hình nghiên cứu - Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết và các phƣơng pháp nghiên cứu - Chƣơng 3: Các kết quả tính toán - Kết luận - Phụ lục 2 z Chƣơng 1 TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG DAO ĐỘNG DÂNG, RÚT MỰC NƢỚC BIỂN 1. Khái niệm dao động dâng, rút của mực nƣớc biển Dao đô ̣ng dâng rút của mực nƣớc biể n là các dao đô ̣ng dâng , rút mực nƣớc dƣới tác động của trƣờng gió ổn định và biến động của gió và áp suất khí quyển trong bão, dòng nƣớc sông.

dao động mực nƣớc biển là tổ hợp dao động của thủy triều và các dao động dâng, rút mực nƣớc do các nhiễu động khí quyển và các quá trình khác. Vì vậy, để có đƣợc bức tranh tổng thể, chi tiết về dao động của mực nƣớc biển phục vụ cho các nhu cầu kinh tế , kỹ thuật khác nhau còn cần phải tìm hiểu, nghiên cứu kỹ lƣỡng các thành phần dao động phi tuầ n hoàn - nƣớc dâng, nƣớc rút. Dao đô ̣ng dâng rút của mƣ̣c nƣớc biể n là do các hoạt động của khí quyển và bƣ́c xa ̣ mă ̣t trời có tiń h chấ t không tuầ n hoàn gây nên. Các hoạt động đa dạng, muôn hình muôn vẻ của khí quyển dẫn đến sự đa dạng của mực nƣớc biển.

Tuy nhiên, có thể kể ra các nguyên nhân chiń h sau đây gây nên các dao đô ̣ng dâng rút mƣ̣c nƣớc biể n: - Dao đô ̣ng dâng rút xuấ t hiê ̣n dƣới tác du ̣ng của ma sát tiế p tuyế n giƣ̃a gió và mặt nƣớc giới hạn bởi bờ biển. Sƣ̣ giảm áp suấ t khí quyể n trên lu ̣c điạ và tăng áp suấ t trên mă ̣t biể n kế t hơ ̣p với gió gây ra nƣớc dâng ta ̣i vùng ven bờ và ngƣơ ̣c la ̣i sƣ̣ tăng áp suấ t khí quyể n trên lu ̣c điạ và giảm áp suấ t trên mă ̣t biể n kế t hơ ̣p với gió gây ra nƣớc rút; - Dao đô ̣ng dâng rút do biế n đổ i áp suấ t khí quyể n gây nên. Áp suất khí quyể n tăng lên 1 mbar thì mƣ̣c nƣớc biể n giảm xuố ng 10 mm và ngƣơ ̣c la ̣i khi áp suấ t khí quyể n giảm xuố ng 1 mbar thì mƣ̣c nƣớc biể n tăng lên 10 mm. Tuy nhiên, đây là nhƣ̃ng biế n đổ i tiñ h ho ̣c chún g thƣờng nhỏ hơn nhiề u so với biế n đổ i đô ̣ng 3 z lƣ̣c ho ̣c của gió và dòng chảy bờ ; - Dao đô ̣ng dâng rút do sƣ̣ bấ t đồ ng nhấ t của chu trình tuầ n hoàn nƣớc (sƣ̣ bố c hơi, giáng thủy , dòng chảy ) liên quan đế n sƣ̣ biế n đổ i của lƣơ ̣ng nƣớc ta ̣i các khu vƣ̣c khác nhau của biể n.

Nhƣ̃ng dao đô ̣ng này có thể rấ t đáng kể ví du ̣ nhƣ có trâ ̣n mƣa lớn lên tới hàng trăm mm trong mô ̣t ngày có thể làm tăng mƣ̣c nƣớc đô ̣t ngô ̣t trong khoảng thời gian ngắ n ; - Dao đô ̣ng dâng rút do sự biến đổi của mật độ nƣớc gây ra. Nhƣ đã biế t mâ ̣t đô ̣ nƣớc biể n phu ̣ thuô ̣c vào nhiê ̣t đô ̣ và đô ̣ muố i mà ta ̣i khu vƣ̣c ven bờ nhiê ̣t đô ̣ và đô ̣ muố i nƣớc biể n thƣờng xuyên thay đổ i do ảnh hƣởng của nƣớc lu ̣c điạ và tƣơng tác với địa quyển. Sƣ̣ dich ̣ chuyể n của lƣơ ̣ng nƣớc mă ̣t nhe ̣ hơn vào vùng ven bờ sẽ làm cho mực nƣớc biển dâng lên. Ngƣơ ̣c la ̣i khi có gió da ̣t nƣớc nhe ̣ hơn bi ̣mang ra ngoài khơi , nƣớc nă ̣ng hơn ở dƣới sâu do ̣c sƣờn lu ̣c đi ̣ a dâng lên thay thế khi đó mƣ̣c nƣớc biể n sẽ ha ̣ thấ p do vùng ven bờ bi ̣mấ t nƣớc và nƣớc mă ̣t nhe ̣ hơn đƣơ ̣c thay thế bằ ng nƣớc sâu nă ̣ng hơn ta ̣i đây; - Dao đô ̣ng dâng rút do hiê ̣u ƣ́ng bơm Ekman.

Sƣ̣ hô ̣i tu ̣ khố i nƣớc lớp Ekman do gió địa phƣơng đồng thời với sự chìm xuống của các khối nƣớc từ dòng điạ chuyể n tải vào đẩ y lớp nƣớc ấ m hơn lên cao dồ n vào bờ bề mă ̣t biể n vùng gầ n bờ bi ̣dâng cao; - Dao đô ̣ng dâng rút mƣ̣c nƣớc biể n do ảnh hƣởng của b ão và áp thấp nhiệt đới. (“Nghiên cứu đặc điểm biến thiên mực nước biển ven bờ Việt Nam” – TS. Hoàng Trung Thành) 1. Tình hình nghiên cứu mực nƣớc biển trong và ngoài nƣớc Tình hình nghiên cứu mực nước biển ở nước ngoài Các phƣơng pháp phân tích thống kê nghiên cứu mực nƣớc biển thông qua các công trình tổng quan của các tác giả ngƣời Nga tiêu biểu nhƣ Mariutin, Peresipkin, Levikov, German v.

Một số công trình đi sâu nghiên cứu xác định các cực trị mực nƣớc với các tần suất hiếm và sự tổ hợp của các dao động mực nƣớc 4 z với các điều kiện sóng phát sinh do các nhiễu động dị thƣờng của khí quyển. Trong số tác giả này phải kể đến Kite, Lopatoukin, Boukhanovsky. Tại các nƣớc phát triển nhƣ Nhật, Mỹ, Anh. đã có một hệ thống các trạm mực nƣớc ven bờ biển hiện đại, đo đạc nhiều năm và mật độ trạm đủ dày để tính toán các đặc trƣng mực nƣớc bằng phƣơng pháp thống kê cho toàn bộ dải ven biển đảm bảo độ chính xác rất cao phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân.

Các mô hình tính toán hải dƣơng đƣợc biết đến nhƣ Delf3D, Mike21… cũng đều có những mô - đun tính toán liên quan đến dao động mực nƣớc. Trong Luận văn này, học viên sử dụng mô hình Mike21 để tính toán sự ảnh hƣởng của gió và bão tới quá trình dao động dâng, rút của mực nƣớc phi tuần hoàn. Tình hình nghiên cứu mực nước biển ở trong nước Việt Nam là một quốc gia biển, vì vậy ngay từ khi mới thành lập các nhà lãnh đạo đất nƣớc đã có ‎ý thức xây dựng đội ngũ các nhà khoa học có tâm có tài để phát triển đất nƣớc mà hƣớng nghiên cứu về biển giữ vai trò rất quan trọng. Trong nghiên cứu mực nƣớc biển, các nhà khoa học trong nƣớc cũng theo 2 phƣơng pháp tính toán thống kê và mô hình.

Trong đề tài cấp nhà nƣớc về “Xác định số "0" độ sâu cho vùng lãnh hải Việt Nam” mã số KHCN-06.06 do Cục bản đồ Bộ Tổng tham mƣu chủ trì, các tác giả Bùi Xuân Thông, Nguyễn Thế Tƣởng đã sử dụng phƣơng pháp Vladimirsky để xác định mực nƣớc triều thấp nhất tại 6 trạm có số đo mực nƣớc từng giờ và đo dẫn cao độ về mốc trạm Hòn Dấu để từ đó kiến nghị vị trí xác định số "0" hải đồ dự kiến áp dụng cho toàn lãnh hải Việt Nam. Thực hiện nhiệm vụ xác định các ngấn triều thấp nhất phục vụ công tác đo vẽ bản đồ biển, các tác giả Bùi Đình Khƣớc, Trần Quang Tiến đã thực hiện tính toán theo phƣơng pháp Vladimirsky cho 16 trạm có số đo mực nƣớc biển dọc bờ và hải đảo Việt Nam.