Nghiên Cứu Nước Dâng Do Bão Có Tính Đến Ảnh Hưởng Của Sóng Tại Vùng Ven Biển Hải Phòng

Nghiên cứu nước dâng do bão Hải Phòng là vấn đề cấp thiết do tác động của biến đổi khí hậu… 134 trang · Viện Khoa Học Khí Tượng Thủy Văn Và Môi Trường · 2013.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Hiển
• Người hướng dẫn: GS. Trần Thục
• Trường học: Viện Khoa Học Khí Tượng Thủy Văn Và Môi Trường
• Chuyên ngành: Hải Dương Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Nước Dâng Do Bão Có Tính Đến Ảnh Hưởng Của Sóng Và Áp Dụng Cho Vùng Ven Biển Hải Phòng
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ Địa Lý
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG DO BÃO CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ NƯỚC DÂNG DO BÃO CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG CHO KHU VỰC VEN BIỂN HẢI PHÒNG
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Nước Dâng Do Bão Tại Hải Phòng

Nghiên cứu nước dâng do bão Hải Phòng là vấn đề cấp thiết do tác động của biến đổi khí hậu và gia tăng tần suất, cường độ bão. Mực nước biển dâng cao làm tăng nguy cơ ngập lụt, đe dọa vùng ven biển Hải Phòng, gây thiệt hại lớn về kinh tế và đời sống. Bài toán đặt ra là cần hiểu rõ cơ chế hình thành nước dâng do bão, đặc biệt là ảnh hưởng của sóng đến nước dâng, để dự báo chính xác và đưa ra giải pháp ứng phó hiệu quả. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh vai trò quan trọng của yếu tố sóng trong mực nước cực trị tại các điểm ven bờ. Việc bỏ qua yếu tố này có thể dẫn đến đánh giá sai lệch về nguy cơ ngập lụt. Nghiên cứu này tập trung vào phân tích và mô hình hóa nước dâng do bão kết hợp với ảnh hưởng của sóng tại khu vực Hải Phòng, một vùng kinh tế trọng điểm và dễ bị tổn thương bởi thiên tai.

1.1. Tầm quan trọng của Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Sóng

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của sóng đến nước dâng là rất quan trọng do sự chuyển đổi động năng sóng thành thế năng cột nước khi sóng truyền vào bờ. Theo nghiên cứu của Chen et al (2008) trong cơn bão Katrina yếu tố sóng chiếm tới 80% mực nước cực trị. Hiệu ứng này làm tăng mực nước trung bình tại các điểm ven bờ, góp phần vào mực nước cực trị trong bão. Bỏ qua ảnh hưởng của sóng sẽ dẫn đến đánh giá thấp nguy cơ ngập lụt ven biển. Do đó, mô hình hóa và dự báo chính xác yếu tố sóng là cần thiết để có các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

1.2. Đặc điểm Vùng Ven Biển Hải Phòng và Nguy Cơ Ngập Lụt

Vùng ven biển Hải Phòng có địa hình thấp, hệ thống đê điều chưa hoàn thiện, và chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiều cơn bão. Theo các nghiên cứu về biến đổi khí hậu, khu vực này sẽ phải đối mặt với tình trạng mực nước biển dâng cao và gia tăng tần suất bão tại Hải Phòng. Tình trạng ngập lụt do nước dâng do bão sẽ trở nên nghiêm trọng hơn, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, và đời sống của người dân. Cần có các giải pháp đồng bộ để giảm thiểu rủi ro và đảm bảo sự phát triển bền vững của khu vực.

II. Thách Thức Dự Báo Nước Dâng Do Bão Có Sóng ở Hải Phòng

Dự báo nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng là một thách thức lớn. Cần phải kết hợp các mô hình khí tượng, thủy văn và động lực biển để mô phỏng chính xác quá trình tương tác phức tạp giữa gió, sóng và dòng chảy. Mô hình nước dâng do bão phải có khả năng mô phỏng chính xác ảnh hưởng của sóng lên mực nước ven bờ. Các yếu tố địa hình, địa mạo phức tạp của vùng ven biển Hải Phòng cũng gây khó khăn cho việc mô hình hóa. Hơn nữa, dữ liệu quan trắc về sóng, mực nước, gió, áp suất còn hạn chế, ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình và khả năng dự báo nước dâng.

2.1. Phức tạp của Mô hình Tương tác Giữa Gió Sóng Thủy Triều

Sự tương tác giữa gió, sóng và thủy triều tạo nên một hệ thống phức tạp. Mô hình hóa sự tương tác này đòi hỏi phải sử dụng các phương trình thủy động lực học và các phương pháp số hiện đại. Ảnh hưởng của thủy triều Hải Phòng và địa hình đáy biển lên sự lan truyền của sóng cũng cần được tính đến. Các mô hình phải được kiểm định và hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực tế để đảm bảo độ tin cậy.

2.2. Hạn Chế Dữ Liệu Quan Trắc Sóng và Mực Nước

Việc xây dựng và kiểm định mô hình cần có dữ liệu quan trắc đầy đủ và chính xác. Tuy nhiên, dữ liệu về độ cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng, mực nước và các yếu tố khí tượng còn hạn chế, đặc biệt là trong các điều kiện bão. Việc thiếu dữ liệu lịch sử cũng gây khó khăn cho việc đánh giá mức độ rủi ro do nước dâng và xây dựng các kịch bản nước dâng khác nhau. Cần tăng cường đầu tư vào hệ thống quan trắc và chia sẻ dữ liệu để nâng cao chất lượng dự báo.

III. Cách Mô Hình Hóa Ảnh Hưởng Sóng Trong Nghiên Cứu Hải Phòng

Nghiên cứu nước dâng do bão tại Hải Phòng cần sử dụng các mô hình hiện đại, có khả năng mô phỏng chính xác ảnh hưởng của sóng. Mô hình cần kết hợp các thành phần: mô hình khí tượng (MM5), mô hình thủy động lực (ADCIRC) và mô hình sóng (SWAN/WAM). Mô hình khí tượng cung cấp thông tin về gió, áp suất, là đầu vào cho mô hình thủy động lực, tính toán nước dâng do bão và mô hình sóng. Mô hình sóng tính toán trường sóng, bao gồm độ cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng, từ đó xác định nước dâng do sóng. Kết quả từ các mô hình này được tích hợp để đánh giá mực nước cực trị trong bão.

3.1. Sử dụng mô hình SWAN WAM để Tính Toán Trường Sóng

Mô hình SWAN (Simulating Waves Nearshore) và WAM (Wave Modelling) là những công cụ mạnh mẽ để mô phỏng sự lan truyền và biến đổi của sóng. SWAN phù hợp cho khu vực ven biển, nơi ảnh hưởng của đáy biển và các công trình ven biển trở nên quan trọng. Mô hình cần được cấu hình với độ phân giải cao để nắm bắt chính xác các chi tiết địa hình và địa mạo. Các thông số như độ dốc đáy, loại vật liệu đáy và sự hiện diện của các công trình ven biển cần được đưa vào mô hình để có kết quả chính xác.

3.2. Kết hợp mô hình ADCIRC để Tính Toán Nước Dâng Do Bão

ADCIRC (ADvanced CIRCulation) là mô hình thủy động lực tiên tiến, có khả năng mô phỏng chính xác nước dâng do bão và thủy triều. Mô hình này giải các phương trình Saint-Venant để tính toán dòng chảy và mực nước. ADCIRC cần được kết hợp với mô hình sóng để tính toán nước dâng do sóng. Mô hình cũng cần được hiệu chỉnh với dữ liệu quan trắc mực nước để đảm bảo độ tin cậy. Các thông số như độ nhám đáy, hệ số Coriolis và ảnh hưởng của các công trình ven biển cần được điều chỉnh để có kết quả tốt nhất.

IV. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Nước Dâng Cho Hải Phòng

Kết quả nghiên cứu nước dâng do bão tại Hải Phòng có ý nghĩa thực tiễn lớn. Giúp xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết, phục vụ công tác phòng chống thiên tai. Dự báo nước dâng chính xác, cảnh báo sớm cho cộng đồng, giảm thiểu thiệt hại. Đánh giá hiệu quả của các biện pháp công trình (đê điều) và phi công trình (di dời dân cư). Cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách ứng phó biến đổi khí hậu và quy hoạch phát triển bền vững vùng ven biển Hải Phòng.

4.1. Xây dựng Bản Đồ Nguy Cơ Ngập Lụt Chi Tiết

Dựa trên kết quả mô phỏng nước dâng do bão và nước dâng do sóng, có thể xây dựng bản đồ ngập lụt cho các khu vực ven biển Hải Phòng. Bản đồ này cần thể hiện rõ các khu vực có nguy cơ ngập cao, trung bình và thấp. Thông tin về độ sâu ngập, thời gian ngập và tần suất ngập cũng cần được cung cấp. Bản đồ ngập lụt là công cụ quan trọng để lập kế hoạch sơ tán dân cư và phân bổ nguồn lực cứu trợ.

4.2. Đề xuất Giải Pháp Ứng Phó với Nước Dâng và Biến Đổi Khí Hậu

Nghiên cứu này có thể đề xuất các giải pháp ứng phó hiệu quả với nước dâng do bão và biến đổi khí hậu. Các giải pháp có thể bao gồm: nâng cấp hệ thống đê điều, xây dựng các công trình chắn sóng, trồng rừng ngập mặn, và di dời dân cư khỏi các khu vực có nguy cơ cao. Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cấp chính quyền, các nhà khoa học và cộng đồng địa phương để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp.

V. Phân Tích Ảnh Hưởng Biến Đổi Khí Hậu Lên Nước Dâng Hải Phòng

Phân tích ảnh hưởng của biến đổi khí hậu lên nước dâng do bão tại Hải Phòng là cần thiết để xây dựng kế hoạch ứng phó dài hạn. Mực nước biển dâng sẽ làm tăng tần suất và mức độ ngập lụt do nước dâng do bão. Sự thay đổi về cường độ và hướng của bão cũng có thể làm thay đổi nguy cơ xói lở bờ biển. Nghiên cứu cần sử dụng các kịch bản biến đổi khí hậu khác nhau để đánh giá rủi ro và đề xuất các biện pháp thích ứng phù hợp.

5.1. Sử dụng Kịch Bản Biến Đổi Khí Hậu để Đánh Giá Rủi Ro

Cần sử dụng các kịch bản biến đổi khí hậu do IPCC (Ban Liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu) xây dựng để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nước dâng do bão và mực nước biển. Các kịch bản này cung cấp thông tin về sự thay đổi nhiệt độ, lượng mưa và mực nước biển. Việc sử dụng nhiều kịch bản khác nhau giúp đánh giá phạm vi rủi ro và đưa ra các quyết định ứng phó linh hoạt.

5.2. Đề xuất Các Biện Pháp Thích Ứng với Biến Đổi Khí Hậu

Nghiên cứu này có thể đề xuất các biện pháp thích ứng với biến đổi khí hậu, như xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển, di dời dân cư khỏi các khu vực có nguy cơ cao, và phát triển các loại cây trồng chịu mặn. Cần có sự tham gia của cộng đồng địa phương trong việc lựa chọn và thực hiện các biện pháp thích ứng. Các biện pháp này cần được lồng ghép vào kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội của vùng ven biển Hải Phòng.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Nước Dâng Do Bão Tương Lai

Nghiên cứu nước dâng do bão tại Hải Phòng có tính đến ảnh hưởng của sóng là cần thiết để giảm thiểu rủi ro thiên tai. Các mô hình hiện đại và dữ liệu quan trắc đầy đủ sẽ giúp nâng cao độ chính xác của dự báo và cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng kế hoạch ứng phó. Hướng nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc cải thiện mô hình, tăng cường hệ thống quan trắc và phân tích ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến nước dâng do bão.

6.1. Cải thiện Mô Hình và Tăng Cường Hệ Thống Quan Trắc

Việc cải thiện mô hình và tăng cường hệ thống quan trắc là cần thiết để nâng cao độ chính xác của dự báo nước dâng do bão. Cần phát triển các mô hình tiên tiến, có khả năng mô phỏng chính xác các quá trình vật lý phức tạp. Hệ thống quan trắc cần được mở rộng và nâng cấp, bao gồm các trạm đo sóng, mực nước, gió và áp suất. Dữ liệu quan trắc cần được chia sẻ rộng rãi để phục vụ công tác nghiên cứu và dự báo.

6.2. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Thay Đổi Sử Dụng Đất Đến Nước Dâng

Nghiên cứu cần xem xét ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến nước dâng do bão. Việc phá rừng ngập mặn, xây dựng các công trình ven biển và thay đổi địa hình có thể làm tăng nguy cơ ngập lụt. Cần có các quy hoạch sử dụng đất hợp lý để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình khoa học "Nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng và áp dụng cho vùng ven biển Hải Phòng" là luận án tiến sĩ địa lý, chuyên ngành Hải dương học (mã số: 62440227), do nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Hiển thực hiện tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường (thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường và Bộ Giáo dục và Đào tạo), dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Trần Thục và GS. Đinh Văn Ưu, hoàn thành vào năm 2013 tại Hà Nội.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Dưới tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu, các hiện tượng thời tiết cực đoan và thiên tai có xu hướng gia tăng về tần suất và cường độ, đặc biệt là bão nhiệt đới kèm theo hiện tượng nước dâng. Mực nước biển dâng cao trong bão đe dọa trực tiếp đến sự an toàn của các vùng cửa sông ven biển và hệ thống đê điều, nhất là khi bão đổ bộ trùng thời điểm triều cường.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu tính toán mực nước phục vụ thiết kế công trình ven biển, quy hoạch phòng chống thiên tai và cảnh báo ngập lụt trước đây chủ yếu tập trung vào hai thành phần quy mô lớn là thủy triều và nước dâng do bão (do gió và độ giảm áp suất khí quyển gây ra). Vai trò của sóng biển hầu như chỉ được tính đến cục bộ khi xác định sóng leo (wave runup) hoặc áp lực sóng tác động trực tiếp lên kết cấu công trình. Thành phần nước dâng do sóng (wave setup) – hiện tượng mực nước tĩnh trung bình dâng cao trong đới sóng vỡ do quá trình chuyển đổi động lượng sóng thành thế năng cột nước – chưa được tích hợp đầy đủ vào quy trình xác định mực nước cực trị trên đường bờ. Khoảng trống nghiên cứu này dẫn đến việc đánh giá thấp nguy cơ ngập lụt thực tế tại dải ven bờ nông.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:

1. Đề xuất được phương pháp nghiên cứu, tính toán mực nước cực trị trong bão trên cơ sở hoàn thiện các phương pháp tính toán, đánh giá nước dâng do bão và nước dâng do sóng trên đường bờ.
2. Đề xuất được phương pháp đánh giá ảnh hưởng của nước biển dâng do biến đổi khí hậu đến sự thay đổi của đặc trưng thủy triều, mực nước cực trị trong bão và khả năng gây ngập đến khu vực ven biển.
3. Áp dụng các phương pháp để tính toán mực nước cực trị trong bão cho khu vực ven biển Hải Phòng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội và phòng chống thiên tai.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Mực nước cực trị trong bão tại đường bờ, bao gồm các thành phần: thủy triều, nước dâng do bão, nước dâng do sóng, mực nước trung bình có tính đến nước biển dâng do biến đổi khí hậu và nguy cơ ngập lụt từ biển.
• Phạm vi không gian: Dải ven bờ thành phố Hải Phòng và các vùng biển kế cận thuộc khu vực Vịnh Bắc Bộ.
• Phạm vi thời gian: Thu thập và xử lý chuỗi số liệu khí tượng - thủy văn, bao gồm 63 cơn bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp đến khu vực nghiên cứu trong giai đoạn từ năm 1950 đến năm 2010.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hiện tượng nước dâng do bão đã được cộng đồng khoa học quốc tế quan tâm nghiên cứu từ sớm do những tổn thất nặng nề trong lịch sử (điển hình như thảm họa tại Bangladesh năm 1991 làm hơn 138.000 người thiệt mạng với nước dâng trên 6 m; bão Katrina năm 2005 tại Hoa Kỳ gây nước dâng 6 m làm hơn 1.000 người chết và thiệt hại 81,2 tỷ USD; bão Nargis năm 2008 tại Myanmar làm hơn 100.000 người chết/mất tích).

Harris (1963) tổng kết 5 yếu tố gây biến đổi mực nước ven biển trong bão gồm: áp suất khí quyển, gió, lực Coriolis, sóng và mưa. Pore (1965) bổ sung thêm ảnh hưởng của thủy triều, hình dạng đường bờ và độ sâu địa hình đáy. Lịch sử nghiên cứu thế giới phát triển qua hai hướng tiếp cận chính:

• Phương pháp phân tích, thống kê: Điển hình là công trình của Wemeisfelder (1961) tại cảng Hook (Hà Lan) và Yang và nnk (1970) tại vùng ven biển Atlantic, New Jersey, Delaware (Hoa Kỳ). Hạn chế của phương pháp này là đòi hỏi chuỗi số liệu quan trắc rất dài (khoảng 100 năm) và độ chính xác suy giảm khi tính toán xa trạm quan trắc.
• Phương pháp mô hình số trị: Khởi đầu từ Hansen (1956) ở biển Bắc, Platzman (1958) ở vùng Great Lakes, Jelesnianski (1965, 1972) với mô hình SPLASH và sau đó là mô hình SLOSH (Jelesnianski và nnk, 1984, 1992) được NOAA ứng dụng rộng rãi. Giai đoạn tiếp theo, hàng loạt mô hình thủy động lực ra đời như ADCIRC (Luettich và nnk, 1992; Westerink và nnk, 1992), POM (Blumberg và Mellor, 1987), ROMS, GHER.
• Nghiên cứu tương tác triều, bão và sóng: Prandle và Wolf (1978), Horsburgh và Wilson (2007), Dean và Bender (2006) khẳng định tương tác phi tuyến giữa triều và nước dâng là đáng kể. Về nước dâng do sóng, lý thuyết nền tảng do Longuet-Higgins và Stewart (1960, 1963, 1964) xây dựng dựa trên khái niệm ứng suất bức xạ (radiation stress), được Bowen và nnk (1968) kiểm chứng thực nghiệm. Các nghiên cứu sau đó (Tanaka và Shuto, 1992; Hanslow và Nielsen, 1992; Funakoshi và nnk, 2008; Chen và nnk, 2008) chỉ ra nước dâng do sóng có thể đóng góp từ 10% đến 20%, thậm chí tới 80% vào tổng dao động mực nước ven bờ trong các trường hợp đặc biệt như bão Katrina.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu mực nước bão ban đầu sử dụng phương pháp thống kê như Vũ Như Hoán (1988), Hoàng Trung Thành (2010). Phương pháp số trị được phát triển mạnh qua các công trình giải hệ phương trình nước nông 2 chiều của Đỗ Ngọc Quỳnh và Phạm Văn Ninh (1999) trong Chương trình KT.03; Lê Trọng Đào (1998) dùng phương pháp phần tử hữu hạn tại Vịnh Bắc Bộ; Nguyễn Vũ Thắng (1999) dự báo nước dâng tại Hải Phòng; Bùi Xuân Thông (2000) áp dụng kỹ thuật lưới lồng; Viện Cơ học phát triển mô hình TSIM.

Giai đoạn sau, các mô hình thương mại và mã nguồn mở được du nhập và ứng dụng như DELFT 3D (Lê Trọng Đào và nnk), MIKE 21, SMS, POM (Vũ Thanh Ca và nnk, 2008), các mô hình JMA, CTS kết hợp DELFT 3D trong hợp tác Việt - Trung (Nguyễn Thế Tưởng, Trần Hồng Lam và nnk, 2007). Các nghiên cứu đánh giá mực nước cực trị phục vụ quy hoạch đê biển và thích ứng biến đổi khí hậu được thực hiện bởi Bùi Xuân Thông và Nguyễn Văn Lai (2008), Đinh Văn Ưu và nnk (2010), Đinh Văn Mạnh và nnk (2011).

Vị trí và giải pháp của luận án

Dù đạt nhiều thành tựu, các công trình trong nước trước đây hầu như mới dừng lại ở việc tính toán nước dâng quy mô lớn (thủy triều kết hợp nước dâng do bão) mà bỏ qua hiệu ứng nước dâng do sóng tại dải ven bờ nông. Luận án của Nguyễn Xuân Hiển định vị rõ khoảng trống này và giải quyết bằng cách thiết lập một quy trình tích hợp thành phần nước dâng do sóng (dựa trên trường sóng mô phỏng) vào tổng mực nước cực trị trên đường bờ, đồng thời tích hợp kịch bản nước biển dâng do biến đổi khí hậu để đánh giá nguy cơ ngập cho đô thị ven biển Hải Phòng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm cốt lõi

Mực nước cực trị trong bão tại dải ven bờ được xác định bởi tổ hợp các thành phần vật lý: $$\text{Mực nước cực trị} = \text{Thủy triều} + \text{Nước dâng do bão (gió, khí áp)} + \text{Nước dâng do sóng}$$

Luận án phân biệt rõ hai trạng thái tính toán:

• TWP (Tide - Wind - Pressure): Mực nước tổng cộng chịu ảnh hưởng đồng thời của thủy triều thiên văn, ứng suất gió bão và áp suất khí quyển.
• TWPR (Tide - Wind - Pressure - Radiation stress): Mực nước tổng cộng bao gồm các thành phần của TWP kết hợp với gia tăng mực nước do ứng suất bức xạ sóng (nước dâng do sóng).

Phương pháp nghiên cứu và quy trình 6 bước

Quy trình tính toán mực nước cực trị trên đường bờ được thực hiện qua 6 bước:

1. Xác định các thông số bão: Vị trí tâm, hướng di chuyển, tốc độ di chuyển ($V_f$), vận tốc gió cực đại ($V_m$), bán kính gió cực đại ($R_{mw}$).
2. Mô phỏng trường gió và trường khí áp trong bão.
3. Mô phỏng trường sóng trong bão từ ngoài khơi vào vùng bờ.
4. Tính toán nước dâng do sóng tại các điểm ven bờ.
5. Mô phỏng nước dâng do bão kết hợp thủy triều bằng mô hình thủy động lực học.
6. Xác định mực nước cực trị tổng cộng trên đường bờ.

Các công cụ và mô hình toán học sử dụng

Tên mô hình / Phương pháp	Nhà phát triển / Tài liệu gốc	Vai trò và phạm vi ứng dụng trong luận án	Đặc tính kỹ thuật chính
Mô hình Khí tượng	Boose và nnk (1994)	Tính toán phân bố trường gió và trường khí áp trong bão	Sử dụng hệ số suy giảm địa hình $F$ (đất liền 0,8; biển 1,0); tính toán riêng biệt cho vùng trong và ngoài mắt bão.
ADCIRC (2DDI)	Luettich, Westerink, Scheffner (1992)	Mô phỏng thủy động lực học, tính triều và nước dâng do bão tại Vịnh Bắc Bộ và ven biển Hải Phòng	Phương pháp phần tử hữu hạn, giải phương trình liên tục sóng tổng quát (GWCE), lưới tam giác phi cấu trúc; ma sát đáy toàn phương ($C_f \approx 0{,}0025$).
WAM	Max-Planck Institute (Đức)	Mô phỏng trường sóng bão trên toàn vùng Biển Đông	Mô hình sóng thế hệ 3, giải phương trình truyền phổ sóng 2 chiều tự do; cung cấp điều kiện biên cho mô hình sóng vùng bờ.
SWAN	Đại học Kỹ thuật Delft (Hà Lan)	Mô phỏng sóng chi tiết vùng nước nông ven bờ Hải Phòng	Giải phương trình cân bằng tác động phổ; mô phỏng khúc xạ, tiêu tán năng lượng do sóng vỡ, ma sát đáy và tương tác phi tuyến.
Lý thuyết Ứng suất bức xạ	Longuet-Higgins & Stewart (1960, 1963, 1964)	Tính toán lượng nước dâng do sóng ($\bar{\eta}$) tại đới sóng đổ và mép nước ven bờ	Dựa trên gradient thành phần tensor ứng suất bức xạ $S_{xx}, S_{yy}, S_{xy}$; tính toán theo chỉ số sóng vỡ $\gamma$ và độ sâu sóng đổ $h_b$.

Nguồn tư liệu và số liệu thực nghiệm

• Chuỗi số liệu khí tượng, khí áp, tốc độ gió và quỹ đạo của 63 cơn bão trong giai đoạn 1950 - 2010 ảnh hưởng đến Hải Phòng.
• Dữ liệu mực nước thực đo và hằng số điều hòa triều tại trạm hải văn Hòn Dáu.
• Chuỗi số liệu kiểm nghiệm từ các cơn bão thực tế: Carla (1962), Kate (1973), Frankie (1996), Niki (1996), Damrey (2005), Wukong (2006), Vicente, Washi (2005).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa các cơ sở lý luận và thực tiễn về dao động mực nước biển trong bão trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích nguồn gốc hình thành mực nước dâng gồm các thành phần khí quyển (gió, áp suất), thiên văn (triều), thủy thạch động lực (sóng, địa hình) và dòng chảy sông.

Chương này chỉ rõ hạn chế của các phương pháp thống kê truyền thống khi thiếu chuỗi số liệu đo đạc dài hạn tại các vùng cửa sông phức tạp; đồng thời đánh giá sự phát triển của các thế hệ mô hình số trị từ mô hình 2D sai phân hữu hạn đến các mô hình phần tử hữu hạn lưới phi cấu trúc hiện đại. Luận điểm then chốt được rút ra là: các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam chỉ dừng lại ở quy mô vùng khơi hoặc toàn dải bờ biển mà bỏ quên hiệu ứng nước dâng do sóng ở quy mô địa phương ven bờ – yếu tố có thể làm gia tăng đáng kể mực nước tĩnh thực tế và làm sai lệch đánh giá an toàn đê biển.

Chương II: Phương pháp nghiên cứu tính toán nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng

Chương 2 trình bày chi tiết công thức toán học và thiết lập hệ thống các mô hình thành phần:

• Công thức trường gió và áp Boose (1994): Xác định vận tốc gió $V_s$ bên trong và bên ngoài bán kính gió cực đại $R_{mw}$, áp suất mặt biển $P_s$ theo khoảng cách tâm bão $r$ và độ giảm áp $\Delta P$: $$P_s = P_0 + \Delta P \left[1 - (r / R_{mw})^2\right]^{0{,}5}$$
• Hệ phương trình thủy động lực ADCIRC: Giải hệ phương trình liên tục và phương trình động lượng 2D tích phân theo độ sâu (2DDI), tính toán dao động mực nước $\zeta$ và các thành phần vận tốc trung bình $U, V$ trên lưới phần tử hữu hạn tam giác linh hoạt, phù hợp với đường bờ khúc khuỷu tại Hải Phòng.
• Mô hình sóng lồng WAM - SWAN: WAM tính toán sóng quy mô lớn trên Biển Đông, truyền biên vào lưới chi tiết SWAN tại dải ven biển Hải Phòng để xác định chiều cao sóng có nghĩa $H_s$, chu kỳ và hướng sóng.
• Tính toán nước dâng do sóng: Thiết lập công thức xác định độ hạ nước ngoài đới sóng đổ ($\bar{\eta}_b$) và độ dâng nước sát bờ ($\bar{\eta}$) dựa trên tensor ứng suất bức xạ: $$\bar{\eta}_b = -\frac{\gamma H_b}{16(1 + 3\gamma^2/16)}$$ $$\bar{\eta} = \bar{\eta}_b + \frac{3\gamma^2 / 8}{1 + 3\gamma^2 / 8}(h_b - h)$$
• Kiểm nghiệm mô hình: Tác giả tiến hành kiểm nghiệm chặt chẽ trường gió, hằng số điều hòa sóng triều, mực nước triều, biến trình nước dâng bão và độ cao sóng với số liệu thực đo tại trạm Hòn Dáu và các trạm phao đo sóng qua hàng loạt cơn bão (Damrey 2005, Frankie 1996, Carla 1962, Kate 1973, Niki 1996, Wukong 2006). Kết quả kiểm nghiệm cho thấy pha và biên độ mô phỏng đạt độ tin cậy cao, sai số nằm trong giới hạn cho phép.

Chương III: Đánh giá nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng cho khu vực ven biển Hải Phòng

Chương 3 áp dụng quy trình tính toán cho khu vực ven biển Hải Phòng với các kết quả cụ thể:

• Đặc điểm khu vực nghiên cứu: Thành phố Hải Phòng có địa hình thấp trũng (nhiều nơi chỉ cao từ 1 đến 2 m), hệ thống bảo vệ gồm 24 tuyến đê với tổng chiều dài 421 km (trong đó có 6 tuyến đê biển dài 106 km và 18 tuyến đê sông dài 315 km). Thềm lục địa nông và đường bờ bị chia cắt mạnh bởi nhiều cửa sông lớn.
• Thống kê đặc trưng bão: Phân tích mật độ xác suất hướng đổ bộ, tốc độ di chuyển, tốc độ gió lớn nhất và độ lệch áp suất tâm bão từ chuỗi 63 cơn bão lịch sử.
• Tương tác triều và nước dâng bão: Mô phỏng các kịch bản tương tác phi tuyến; khẳng định nước dâng do bão đạt giá trị lớn nhất trong thời kỳ triều dâng.
• Tính toán trường mực nước TWP và TWPR: Thiết lập 7 điểm tính toán đặc trưng (từ P1 đến P7) dọc dải ven bờ Hải Phòng. Kết quả so sánh giữa trường hợp TWP và TWPR chứng minh nước dâng do sóng làm tăng đáng kể mực nước cực trị tại các điểm sát bờ.
• Đường tần suất mực nước cực trị: Xây dựng đường tần suất xuất hiện của nước dâng do bão, nước dâng do sóng và mực nước cực trị tổng hợp với các chu kỳ lặp lại (10 năm, 20 năm, 50 năm, 100 năm).
• Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu: Dựa trên kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường (nước biển dâng từ 42 đến 86 cm, xét kịch bản phát thải cao A1FI):
  • Nước biển dâng làm biến đổi bản đồ đẳng biên độ và đẳng pha của các sóng triều chính (sóng nhật triều K1, sóng bán nhật triều M2) trong Vịnh Bắc Bộ.
  • Làm gia tăng mực nước cực trị trong bão tại các điểm ven biển Hải Phòng.
  • Đánh giá hiện trạng cao trình đê biển Hải Phòng: chỉ ra nhiều đoạn đê hiện tại không đủ cao trình an toàn, đối mặt với nguy cơ tràn và vỡ đê nghiêm trọng khi bão mạnh kết hợp triều cường và nước dâng do sóng trong bối cảnh nước biển dâng.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học

1. Xác định định lượng vai trò của nước dâng do sóng: Luận án đã làm rõ cơ chế và lượng hóa sự đóng góp của thành phần nước dâng do sóng đối với mực nước cực trị trong bão tại dải ven bờ nông. Từ đó, tác giả đề xuất hoàn thiện quy trình tính toán mực nước cực trị bằng cách bổ sung thành phần nước dâng do sóng vào tổ hợp thủy triều và nước dâng do bão.
2. Đánh giá tác động động lực học của biến đổi khí hậu: Bước đầu đánh giá và lượng hóa sự biến đổi về pha và biên độ của các sóng thủy triều đặc trưng (K1, M2) do tác động của nước biển dâng, từ đó xác định sự dịch chuyển của các đường tần suất mực nước cực trị trong bão cho vùng biển Hải Phòng.

Ý nghĩa thực tiễn và kiến nghị

• Cơ sở thiết kế công trình: Cung cấp bộ số liệu tính toán mực nước cực trị (ứng với các chu kỳ lặp lại khác nhau) có độ chính xác cao hơn, phục vụ trực tiếp cho việc xác định cao trình thiết kế đỉnh đê biển, đê cửa sông, cầu cảng và các công trình bảo vệ bờ biển tại Hải Phòng.
• Quy hoạch và phòng tránh thiên tai: Cung cấp bản đồ nguy cơ úng ngập vùng đất ven biển Hải Phòng do bão và nước biển dâng, hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc xây dựng phương án di dân, cứu hộ đê điều và quy hoạch sử dụng đất bền vững.
• Kiến nghị: Cần tiến hành rà soát, nâng cấp các tuyến đê biển xung yếu tại Hải Phòng chưa đạt cao trình an toàn trước nguy cơ tổ hợp bất lợi: triều cường + bão mạnh + sóng lớn + nước biển dâng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Về mô hình hóa: Luận án tiếp cận theo phương pháp tính toán riêng rẽ các mô hình thành phần (khí tượng $\rightarrow$ sóng $\rightarrow$ thủy động lực $\rightarrow$ công thức thực nghiệm nước dâng sóng) rồi tổng hợp lại. Trong tương lai, khi năng lực tính toán và dữ liệu đo đạc cho phép, cần phát triển mô hình liên hoàn sóng - dòng chảy - triều tương tác hai chiều đồng thời (fully-coupled wave-current-surge models).
• Về dữ liệu địa hình và đo đạc: Độ chi tiết của số liệu địa hình đáy biển vùng ven bờ sát mép nước và rừng ngập mặn còn hạn chế. Cần bổ sung các đợt đo đạc sóng và mực nước đồng thời tại đới sóng vỡ trong các cơn bão thực tế để hiệu chỉnh chính xác hơn hệ số sóng vỡ $\gamma$ theo từng loại địa hình bờ biển cục bộ.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo dành cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Hải dương học, Khí tượng Thủy văn, Biến đổi khí hậu, Kỹ thuật Công trình biển và Quản lý tổng hợp vùng bờ.
• Kỹ sư thiết kế công trình thủy: Tham khảo phương pháp tính toán mực nước thiết kế có xét đến ứng suất bức xạ sóng và kịch bản biến đổi khí hậu.
• Cơ quan quản lý nhà nước và địa phương: (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn, UBND Thành phố Hải Phòng) sử dụng các bảng tần suất mực nước cực trị và bản đồ nguy cơ ngập để xây dựng kế hoạch ứng phó biến đổi khí hậu, duy tu và nâng cấp hệ thống đê biển.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Mực nước cực trị trong bão tại dải ven bờ gồm những thành phần nào?

Theo luận án, mực nước cực trị tại đường bờ là tổng hợp của 3 thành phần chính: (1) Thủy triều thiên văn; (2) Nước dâng do bão (do ứng suất gió và giảm áp suất khí quyển, có xét tương tác phi tuyến với triều); (3) Nước dâng do sóng (do sự tích tụ thế năng cột nước trong đới sóng vỡ dưới tác động của gradient ứng suất bức xạ sóng). Ngoài ra, trong dài hạn còn xét thêm thành phần nước biển dâng do biến đổi khí hậu.

2. Nước dâng do sóng đóng góp bao nhiêu phần trăm vào độ cao sóng biển?

Theo lý thuyết sóng tuyến tính và các quan sát thực nghiệm được luận án trích dẫn, nước dâng do sóng tại các điểm sát bờ đạt khoảng 10% đến 20% (trung bình khoảng 19% trong trường hợp sóng lan truyền vào bờ biển có độ dốc nhỏ) so với độ cao sóng vỡ hoặc độ cao sóng có nghĩa ngoài khơi.

3. Tại sao luận án lựa chọn mô hình ADCIRC thay vì mô hình lưới cấu trúc như SLOSH?

Mô hình SLOSH sử dụng lưới có cấu trúc cố định và bỏ qua thành phần bình lưu trong phương trình động lượng, gây hạn chế khi áp dụng cho vùng có đường bờ phức tạp. Trong khi đó, ADCIRC sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với lưới tam giác phi cấu trúc linh hoạt, giải phương trình liên tục sóng tổng quát (GWCE), cho phép mô tả chi tiết địa hình nông, các cửa sông và dải ven bờ khúc khuỷu của Hải Phòng mà không gây nhiễu động số học.

4. Bão kết hợp triều cường đã từng gây thiệt hại thực tế như thế nào tại Hải Phòng?

Trong lịch sử, cơn bão số 2 (Washi) năm 2005 đổ bộ vào thời kỳ triều cường đã gây mực nước cực trị tại trạm Hòn Dáu đạt 418 cm, làm ngập úng 3.738 ha hoa màu và 2.000 ha lúa, đe dọa trực tiếp nhiều tuyến đê biển phải tổ chức cứu hộ khẩn cấp. Trước đó, bão Dot (1989) cũng gây nước dâng 2,2 m tại Đồ Sơn.

5. Biến đổi khí hậu làm thay đổi các đặc trưng thủy văn tại Hải Phòng ra sao?

Theo kịch bản của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012) được luận án sử dụng, mực nước biển dâng tại Hải Phòng dự báo tăng từ 42 đến 86 cm. Nước biển dâng làm thay đổi sâu sắc bản đồ đẳng biên độ và đẳng pha của các sóng triều K1 và M2 trong Vịnh Bắc Bộ, làm gia tăng biên độ mực nước cực trị trong bão và khiến nhiều đoạn trong tổng số 106 km đê biển hiện hữu của Hải Phòng đối mặt với nguy cơ bị sóng và triều tràn qua.

---

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Xuân Hiển đã xây dựng thành công quy trình tính toán mực nước cực trị trong bão tại dải ven bờ thông qua việc tích hợp có hệ thống các mô hình khí tượng (Boose), mô hình sóng đại dương và ven bờ (WAM - SWAN), mô hình thủy động lực phần tử hữu hạn (ADCIRC) và lý thuyết nước dâng do sóng (Longuet-Higgins & Stewart). Việc áp dụng quy trình cho vùng ven biển Hải Phòng trên chuỗi dữ liệu 63 cơn bão giai đoạn 1950 - 2010 đã lượng hóa được sự đóng góp của nước dâng do sóng cũng như tác động của nước biển dâng do biến đổi khí hậu đến mực nước cực trị và chế độ thủy triều. Đây là công trình nghiên cứu có đóng góp rõ ràng về phương pháp luận và cung cấp cơ sở khoa học tin cậy phục vụ công tác quy hoạch đê biển, quản lý đới bờ và phòng giảm nhẹ thiên tai tại thành phố Hải Phòng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Phần này trình bày khái quát tính cấp thiết, lý do chọn đề tài luận án và mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu; đồng thời nêu tóm tắt đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án. Tổng quan vấn đề nghiên cứu Các nội dung chính trong chương này là tổng quan các kết quả nghiên cứu chính trong nước và trên thế giới về các hợp phần của mực nước cực trị trong bão, bao gồm: nước dâng do bão và nước dâng do sóng trong dải ven bờ. Phương pháp nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng Chương này giới thiệu phương pháp và quy trình tính toán nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng (mực nước cực trị trong bão) cho các điểm ven bờ và cơ sở lý thuyết của các mô hình và phương pháp chính để tính, bao gồm các mô hình tính toán trường khí tượng, mô hình tính toán nước dâng do bão, mô hình tính toán sóng trong bão và công thức tính nước dâng do sóng. Kết quả đánh giá mực nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng cho khu vực Hải Phòng Phần đầu của chương khái quát về khu vực nghiên cứu với những đánh giá về điều kiện địa hình, hình thái, điều kiện tự nhiên có ảnh hưởng đến mực nước nói chung và nước dâng trong bão khu vực Hải Phòng.

Phần sau của chương đưa ra các kết quả tính toán, phân tích và nhận định về nước dâng do bão tại khu vực Hải Phòng từ số liệu lịch sử, những nghiên cứu về nước dâng do bão kết hợp với thủy triều, nước dâng do sóng. Chương này cũng trình bày những đánh giá, nhận định về ảnh hưởng của 10 nước biển dâng do biến đổi khí hậu đến chế độ thủy triều, mực nước cực trị trong bão và nguy cơ ngập gây ra bởi nước dâng trong bão cho khu vực Thành phố Hải Phòng. Kết luận và kiến nghị: Trình bày tóm tắt các kết quả nghiên cứu của luận án đã đạt được và kiến nghị các vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo. Tài liệu tham khảo Phụ lục 11 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trong thực tế nghiên cứu tính toán biến động mực nước cực trị vùng ven biển, các nhà khoa học và kỹ thuật biển đã chú trọng đến biến động của mực nước tĩnh do tác động của triều thiên văn và triều khí tượng (gió và áp). Vì vậy, rất nhiều công trình liên quan đến việc xây dựng, phát triển công thức, mô hình mô phỏng thủy triều, nước dâng do bão và đưa thành các quy trình để ứng dụng và tính toán, dự báo biến động của mực nước cực trị. Nước dâng do bão là hiện tượng mực nước biển dâng cao hơn mức bình thường dưới tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khí tượng khi có bão. Mặc dù tần suất xuất hiện không nhiều nhưng nó lại rất nguy hiểm do mực nước thường dâng cao và bất ngờ, gây ngập lụt cho khu vực ven biển.

Harris (1963) [32] đã tổng kết rằng có năm yếu tố khác nhau có thể gây nên sự thay đổi mực nước ở các khu vực ven biển trong một cơn bão là: (a) ảnh hưởng của áp suất, (b) ảnh hưởng trực tiếp của gió, (c) ảnh hưởng của chuyển động quay của trái đất, (d) ảnh hưởng của sóng, và (e) ảnh hưởng của mưa. Pore (1965) [58] đã bổ sung hai thành phần là: (a) ảnh hưởng của thủy triều và (b) ảnh hưởng của hình dạng đường bờ và độ sâu biển.