CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới "Mô hình hóa hiện tượng nước dâng là một nghệ thuật" (Jelesnianski và nnk, 1992). Mô hình hóa nước dâng do bão (NDDB) vẫn đang được cải tiến trong thế kỷ 21 và mang tính toàn cầu. Những cơn bão gây nên hiện tượng nước dâng được nghiên cứu ở những khu vực trên thế giới với những tên gọi khác nhau như: ở Bắc Mỹ, bão xuất hiện ở vịnh Mê xi cô và bờ Đông nước Mỹ được gọi là Hurricanes; ở Châu Âu, bão có thuật ngữ là Tropical Storms; ở Châu Á và Châu Đại Dương, bão được gọi là Typhoons.
Trong nửa đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã nghiên cứu NDDB bằng các công cụ tồn tại theo thời gian: từ những phương pháp thực nghiệm đơn giản dựa trên những quan trắc thưa thớt (Conner và nnk, 1957; Harris, 1959) đến những dẫn xuất được phân tích phức tạp hơn đối với những cơn bão và lưu vực biển đơn giản nhưng giá trị thực tiễn còn hạn chế (Proudman, 1954; Doodson, 1956; Heaps, 1965). Ớ Mỹ, Quốc hội đã chỉ đạo các cơ quan nghiên cứu của quân đội và Cục thời tiết tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về bão và các phương pháp dự báo bão sau những thiệt hại to lớn ở vùng duyên hải phía Đông năm 1954. Đây được xem như là sự khởi đầu của nghiên cứu có hệ thống về NDDB tại Bắc Mỹ (Murty, 1984). Trước khi mô hình số được phát triển thì các toán đồ đã được thiết kế để dự báo nước dâng bất cứ khi nào một cơn bão đo bộ vào một bờ biển.
Conner và nnk (1957) đã xây dựng một mô hình kinh nghiệm đơn giản để tính gần đúng đỉnh nước dâng ven bờ, sau đó vẽ lên các mực nước quan trắc lớn nhất dựa vào dữ liệu áp suất quan trắc được tại tâm bão để xác định đường bao nước dâng. Nhiều phương pháp và mô hình số đã được sử dụng để định lượng mực nước dâng được gây ra bởi các cơn bão. Một trong những hướng dẫn sớm nhất được phát triển cho mục đích đó là thang tỷ lệ bão Saffir/Simpson. Thang tỷ lệ bão Saffir/Simpson được định hướng như là một hướng dẫn tổng hợp cho các cơ quan cứu hộ khẩn cấp sử dụng trong các trường hợp có bão.
Tuy nhiên phương pháp này không phản ánh được những tác động của những yếu tố mang tính địa phương như biến đổi địa hình đáy, hình dạng đường bờ, các vật cản hay những yếu tố khác đến độ cao nước dâng tại những địa điểm khác nhau khi cơn bão đổ bộ vào. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong nửa đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã nghiên cứu NDDB bằng các công cụ tồn tại theo thời gian: từ những phương pháp thực nghiệm đơn giản dựa trên những quan trắc thưa thớt (Conner và nnk, 1957; Harris, 1959) đến những dẫn xuất được phân tích phức tạp hơn đối với những cơn bão và lưu vực biển đơn giản nhưng giá trị thực tiễn còn hạn chế (Proudman, 1954; Doodson, 1956). Harris và Jelesnianski (1964) đã đưa ra một hệ phương trình thủy động lực hai chiều dạng tuyến tính để tính toán thủy động lực thủy triều cho chất lỏng đồng nhất với áp suất được tính bằng phương trình thủy tĩnh và bỏ qua sóng bề mặt. Jelesnianski (1966) đã sử dụng hệ phương trình chuyển động tuyến tính đó bỏ qua ma sát đáy để tính toán và kết luận rằng gió có tác động gấp 4 lần đến mực NDDB so với áp suất, đỉnh mực nước dâng lớn nhất xuất hiện đối với tốc độ bão khoảng 37 dặm/giờ và góc giữa hướng di chuyển của bão so với đường vuông góc với bờ là 65o.
Trong những năm 1980, mô hình SLOSH (the Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes) của NOAA được thiết lập và Jelesnianski (1992) hoàn thiện để tính toán và đưa ra các bản đồ đánh giá mức độ bảo hiểm do ngập lụt của FEMA (Federal Emergency Management Agency) và vẫn đang được cơ quan dự báo thời tiết Mỹ sử dụng để dự báo NDDB. Đây là mô hình hai chiều được phát triển để dự báo mực nước dâng tức thời bởi các cơn bão đang hoạt động tại những vùng biển ven bờ Đại Tây Dương, nhưng cũng được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Ngoài việc tính nước dâng cho vùng biển hở, mô hình này còn mở rộng khả năng tính nước dâng trong vịnh, cửa sông, lưu vực sông ven biển và cả các vị trí trên đất liền. Những rào chắn thiên nhiên hay nhân tạo trong vùng nghiên cứu cũng được thể hiện trong mô hình đồng thời những ảnh hưởng của chúng đến độ cao mực nước dâng cũng được mô phỏng trong quá trình tính toán.
Kết quả dự báo của SLOSH có độ sai lệch là 20%. Ví dụ nếu mô hình tính đỉnh của mực NDDB là 5 m thì đỉnh của mực nước dâng quan trắc được nằm trong khoảng từ 4 đến 6 m (National Hurrcane Center, 2007). Thực nghiệm số cũng đã góp phần tìm hiểu sâu cơ chế của hiện tượng nước dâng và cải tiến lý thuyết về NDDB. Một số cuốn sách quan trọng về NDDB bao gồm cả phân tích lý thuyết, dữ liệu quan trắc và kết quả số đã được xuất bản trong 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Gần đây nhiều sự cải tiến đã được áp dụng trong việc mô hình hóa NDDB. Các kỹ thuật sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và lưới tính phi cấu trúc đã được phát triển trong các mô hình tính NDDB. Hệ lưới phi cấu trúc này có thể biểu diễn được các đối tượng phức tạp của địa hình đáy và trên bờ như đường bờ biển khúc khuỷu, các cửa sông, các lạch triều và các đảo chắn. Hơn nữa còn có thể nâng cấp phân giải lên rất cao cho vùng nghiên cứu.
Với các trường gió có độ chính xác cao thì các mô hình này có thể có độ chính xác đến vài chục centimet khi tính toán cho các cơn bão trong quá khứ. Sự kết hợp các mô hình nước dâng và thủy triều có khả năng mô phỏng đầy đủ tác động của dao động thủy triều lên mực nước tổng cộng và khả năng ngập lụt trong một cơn bão. Trong số đó có các mô hình nổi tiếng như ADCIRD (Advanced Circulation Model for Oceanic, Coastal, and Estuarine Waters), DELFT3D, POM (Princeton Ocean Model).ở các nước khác như Anh, Đan Mạch, Nhật, Nga, Trung Quốc cũng đã xây dựng những mô hình tính nước dâng của riêng mình. Tình hình nghiên cứu trong nước Theo xu hướng chung của thế giới, tại Việt Nam, các nghiên cứu về biến động mực nước biển cũng tập trung ưu tiên đối với thủy triều và nước dâng do bão.
Những nghiên cứu về nước dâng do bão ở Việt Nam đã được thực hiện như các công trình của Lê Phước Trình và Trần Kỳ (1970), Nguyễn Văn Cư (1979). Công trình của Vũ Như Hoán (1988) tác giả này sử dụng phương pháp thống kê và biểu đồ để tính toán mực nước dâng do bão tại các vị trí cần tính. Lê Trọng Đào (1998) đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán thuỷ triều và nước dâng do bão cho vịnh Bắc Bộ. Các kết quả đã khẳng định sự tương tác giữa nước dâng và thuỷ triều ở vịnh Bắc Bộ là đáng kể và không thể tính toán thuỷ triều và nước dâng một cách độc lập.
Cách tiếp cận theo phương pháp số trị để mô phỏng và tính toán nước dâng do bão được sử dụng nhiều hơn trong các nghiên cứu sau này. Đỗ Ngọc Quỳnh và Phạm Văn Ninh (1999) đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình nước nông hai chiều trong đề tài cấp Nhà nước KT.03 để tính toán 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cả thuỷ triều và nước dâng do bão cho toàn dải ven biển Việt Nam. Các kết quả đã cho được một bức tranh tổng thể về khả năng nước dâng đã và có thể xảy ra cho từng vĩ độ và các công trình nghiên cứu này đã được sử dụng tính toán mực nước thiết kế trong thiết kế đê biển. Cũng sử dụng phương pháp này, Nguyễn Vũ Thắng (1999) đã ứng dụng mô hình, tính toán và dự báo nước dâng do bão cho khu vực ven biển Hải Phòng và đã có được những kết quả ban đầu cũng như đưa ra quy trình xây dựng sơ đồ dự báo nước dâng do bão cho khu vực.
Các kết quả nghiên cứu về nước dâng do bão trên đây đã đạt được độ chính xác khá tốt, tuy nhiên trong bối cảnh việc cập nhật số liệu địa hình cũng còn bị hạn chế do hoàn cảnh khách quan. Hơn nữa để nâng cao thêm về độ chính xác thì việc chi tiết hoá lưới tính cũng như việc mở rộng miền tính trong thời gian qua còn hạn chế do tốc độ máy tính. Để khắc phục sự hạn chế của tốc độ máy tính khi cần mô phỏng, tính toán nước dâng do bão cho các khu vực nhỏ, Bùi Xuân Thông (2000) đã ứng dụng mô hình số trị để mô phỏng nước dâng do bão cho khu vực ven biển Việt Nam bằng phương pháp lưới lồng và có được những kết quả chính xác, chi tiết hơn về nước dâng do bão cho những khu vực ven biển. Nhóm các nhà khoa học của Viện Cơ học Việt Nam xây dựng và phát triển mô hình mô phỏng nước dâng do bão TSIM và ứng dụng trong nhiều dự án, đề tài.
Bên cạnh việc phát triển mô hình số trị để mô phỏng nước dâng, một số nghiên cứu gần đây có xu hướng sử dụng các mô hình thương mại hoặc mô hình mã nguồn mở có sẵn để xây dựng và áp dụng tính toán nước dâng do bão cho khu vực ven biển Việt Nam. Các mô hình thương mại có thể kể đến như bộ phần mềm MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), bộ phần mềm SMS của Hải quân Hoa Kỳ, bộ phần mềm DELFT 3D của Học viện DELFT, Hà Lan, v. Phần lớn các công trình nghiên cứu này thuộc khuôn khổ luận án tiến sĩ và một số đề tài nghiên cứu. Các nghiên cứu thời gian sau này về nước dâng do bão tại Việt Nam tập trung hơn vào tính toán các giá trị mực nước cực trị trong bão và tính toán tần suất nước dâng do bão, mực nước cực trị với các chu kỳ lặp lại khác nhau phục vụ công tác thiết kế đê biển và đánh giá nguy cơ ngập lụt cho dải ven biển Việt Nam 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.