1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ HẢI DƯƠNG HỌC *** BÁO CÁO KHOA HỌC TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG DO BÃO WUKONG Người hướng dẫn: Th.S Hà Thanh Hương Sinh viên thực hiện: Trần Thị Thảo Lớp:K57 Hải Dương Học MSV:12001682 Hà Nội - 2016ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI MỤC LỤC Mở Đầu Nước dâng bão tượng mực nước biển dâng cao mức bình thường (mực nước thủy triều) tác động tổng hợp nhiều nhân tố có bão Mặc dù khả xuất không nhiều lại nguy hiểm mực nước thường dâng cao bất ngờ Đặc biệt, thời kỳ triều cường, nước dâng bão trở lên nguy hiểm Các yếu tố gây nước dâng bão sóng, gió, áp suất khí mưa… Ngoài ra, địa hình đáy biển hình dạng đường bờ, nước lũ vùng cửa sông bão đổ vào ảnh hưởng đáng kể đến nước dâng bão Nước dâng bão tượng tự nhiên nguy hiểm nước vùng ven biển, gây nhiều thiệt hại người cải, làm cản trở hoạt động người ảnh hưởng tới môi trường Ở Việt Nam, nước dâng bão gây nhiều thiệt hại người của, nước dâng lớn ghi nhận bão DAN Hải Phòng năm 1989 3,6m Trong lịch sử ghi nhận nhiều thiệt hại nước dâng bão gây Tháng năm 1904 bão đổ Nam Bộ, gây nước dâng sóng lớn trôi nhiều người cải Cơn bão số năm 1981 đổ vào Quỳnh Lưu – Nghệ An gây nước dâng lớn, nhiều nơi nước dâng cao 2,8 – 3,2 m, nơi cao Lạch Ghép 3,3 m Năm 1985 bão Andy gây nước dâng cao cửa Dĩnh (Quảng Bình) 1,7 m bão Cecil gay nước dâng lớn Mỹ Thủy (Thừa Thiên Huế) 2,5 m Cơn bão Wayne năm 1986 gây nước dâng lớn Trà Lý (Thái Bình) 2,3 m Năm 1987, bão Betty gay nước dâng lớn Quỳnh Phượng (Nghệ An) 2,5m Năm 1989, nước dâng lớn bão Dot gây Đồ Sơn (Hải Phòng) 2,2m, bão Irving gây Sầm Sơn (Thanh Hóa) 2,9 m Năm 1996, bão số gây nước dâng cao 3,14 m đê Đông Minh (Tiền Hải – Thái Bình), bão số gây nước dâng cao 3,11 m Thịnh Long (Hải Hậu – Nam Định) Nghiên cứu dự báo nước dâng bão quan tâm cách đặc biệt Trên giới, có phần mềm dự báo nước dâng đưa toán đồ để dự báo sở so sánh với bão chuẩn, Hiện nay, có phần mềm thương mại dự báo nước dâng giới Tại Việt Nam, năm gần ảnh hưởng biến đổi khí hậu toàn cầu, thiên tai ngày gia tăng, đặc biệt bão, kèm theo lũ lụt nước dâng bão Các thiên tai này, gây thiệt hại lớn người Vì vậy, vấn đề tính toán dự báo nước dâng bão xẩy cho khu vực biện pháp tích cực nhằm phòng tránh, đề giải pháp cần thiết để giảm tối thiểu thiệt hại 5 Chương I: Nước dâng bão 1.1 Khái niệm Nước dâng bão tượng nước biển dâng cao mực nước triều ảnh hưởng bão Nước dâng xảy phía bên phải tâm bão theo hướng đổ vào đất liền, nước dâng cao thường cách tâm bão từ 30 đến 70km Phạm vi nước dâng phụ thuộc phạm vi bão Hiện tượng nước dâng bão gây nên bão di chuyển hướng vào bờ tạo dồn nước bờ biển Nước dâng bão dâng cao bề mặt nước biển mực nước tác động gió áp suất bão Nước dâng bão thường xảy đoạn bờ biển khoảng 160km Ngoài khơi, mực nước tâm bão dâng giảm áp suất tâm bão Mực nước tâm bão dâng theo quy luật áp suất giảm mb mực nước dâng cm Khi bão đổ vào bờ thủy triều, địa hình bờ, địa hình đáy, quay trái đất, bán kính gió cực đại, tốc độ di chuyển bão, mưa, dòng chảy sông yếu tố quan trọng định độ dâng mực nước Quá trình nước dâng xảy thời gian ngắn, chất truyền sóng dài Hình Một số mô nước dâng bão Ven biển phía Bắc Việt Nam có nước dâng từ – 3m, cá biệt dâng cao hơn; phía Nam có nước dâng từ - 2m Các mối đe dọa từ nước dâng bão đến khu vực ven biển trở nên nghiêm trọng tương lai Thứ nhất, dân số tăng cao khu vực ven biển phát triển tập trung ngành nghề du lịch, dịch vụ, nuôi trồng đánh bắt thủy hải sản Thứ hai, ảnh hưởng biến đổi khí hậu cường độ quỹ đạo bão khó dự báo hơn, không loại trừ cường độ bão mạnh nguy ngập lụt cho khu vực ven biển lớn 6 1.2 Nguyên nhân dẫn đến nước dâng bão Khi vận tốc gió vượt 74 mph (tương đương với 33 m/s, thường xảy bão lớn, cuồng phong) độ cao nước dâng đáng kể gọi nước dâng bão Nước dâng bão dâng mực nước thời đoạn ngắn để phản ứng với trường áp suất trường ứng suất gió bão mặt biển Nước dâng bão xảy thời kỳ triều cường nước cao nguyên nhân gây thiệt hại to lớn người khu vực bão đổ vùng lân cận Khi nước rút thường tạo vận tốc dòng chảy lớn gây xói lở bờ Nước dâng/ rút bão tượng tự nhiên nguy hiểm, người ta quan tâm đến nước dâng định đến quy mô công trình ven bờ - Tác động độ giảm áp Độ giảm áp xoáy thuận nhiệt đới góp phần quan trọng thay đổi mực nước biển Theo định luật thủy tĩnh thì: P − P0 = ρ w gh Trong đó: h: độ cao mực biển P: áp suất đáy, P0 : áp suất mặt yên tĩnh [N/m2] ρw : mật độ nước biển ( kg/m3) g: gia tốc trọng trường (m/s2) φP η = φh = − ρw g φP Nếu P0 giảm lượng độ dâng mực nước η = φh φP = chênh lệch mực nước so với mực nước trung bình ( ) ρw Lấy: = 1029 kg/m3 g = 9.81m/s2 η = −993*φ P[m] φP φP η 2+ Từ đó: với tính [N/m ] Nếu tính milibar [mlb], η = −993*φ P tính cm thì: Như ta thấy áp suất mặt biển giảm (hay tăng) 1mb mực biển tăng (hay giảm) xấp xỉ 1cm - Tác động gió ảnh hưởng độ sâu vùng bờ Ở biển sâu hiệu ứng áp đóng vai trò quan trọng việc hình thành nước dâng Đối với vùng nước nông, gió đóng vai trò quan trọng việc hình thành nước dâng Gió mạnh đẩy nước tràn lên bờ, nơi có độ sâu không lớn nên dòng chảy ngược lại biển bị cản trở lực ma sát dòng chảy với đáy biển Hay nói cách khác, lượng nước tràn lên bờ nhiều chảy nhanh so với lượng nước chảy ngược lại biển Do vậy, kết hiệu ứng gió áp cho ta thấy bão vào gần bờ, nước dâng bão phát triển mạnh đạt cực đại ven bờ Từ đây, nói vùng thường chịu ảnh hưởng nước dâng bão vùng có thềm lục địa nông, rộng, vịnh không sâu đảo bao quanh vùng biển nông 7 - Tác động mưa Những vùng bờ biển có mưa lớn trước bão đổ tạo kết hợp nước mưa nước dâng, tạo độ cao tổng cộng lớn 8 Chương Mô hình ADCIRC 2.1 Giới thiệu chung ADCIRC Mô hình ADCIRC xây dựng phát triển trường đại học bang Carolina bao gồm đại học Notre Dame, đại học Oklahoma đại học Texas nước Mỹ Mô hình ADCIRC (Advanced Circulation Model for Oceanic) hệ thống mô hình giải phương trình thủy động lực mô hoàn lưu tầng mặt toán thủy động lực hai ba chiều (http://www.adcirc.org/) Những chương trình dùng phương pháp phần tử hữu hạn cho phép sử dụng lưới phi cấu trúc có tính linh hoạt cao, đặc biệt ứng dụng tốt cho khu vực cửa sông ven biển có địa hình đường bờ phức tạp 2.2 Hệ phương trình a Các phương trình viết tọa độ Đề Các phương trình bao gồm: Phương trình liên tục: ∂ζ ∂UH ∂VH + + =0 ∂t ∂x ∂y Các phương trình bảo toàn động lượng:  τ τ ∂U ∂UH ∂U ∂ P + +V − fU = −  + gζ − g (η + γ )  + sx + bx + Dx − Bx ∂t ∂x ∂y ∂x  Po  ρo H ρo H τ  τ ∂U ∂UH ∂U ∂ P + +V − fV = −  + gζ − g (η + γ )  + sy + by + Dy − B y ∂t ∂x ∂y ∂y  Po  ρo H ρ o H Trong đó: ζ dao động mực nước U, V vận tốc lấy tích phân theo độ sâu theo hướng x y p áp suất, H độ sâu mực nước Dx, Dy thành phần khuếch tán theo phương Bx, By thành phần gradient áp suất theo phương, (η + γ): thuỷ triều Newton, thuỷ triều trái đất lực mang chất lực thuỷ triều τ bx τ by , ứng suất đáy theo hướng x y ρ0 mật độ tham chiếu nước Ứng suất đáy phiên 2DDI ADCIRC biểu diễn sau: τ bx = Uτ * Tùy thuộc vào cách sử dụng, kết hàm tuyến tính, toàn phương hay tổ hợp vận tốc trung bình theo độ sâu Đối với hầu hết ứng dụng cho vùng ven bờ, hàm ma sát toàn phương nên sử dụng với hệ số ma sát C f ~0,0025 Trong vùng nước nông, ma sát tổ hợp có hiệu hơn, với Cfmin~ 0,0025, đặc biệt tham số khô ướt tính đến, biểu thức giảm nhanh độ sâu nước trở nên nhỏ Ma sát tuyến tính chủ yếu sử dụng cho thử nghiệm mô hình mô hình τ* tuyến tính chạy theo yêu cầu Trong trường hợp này, độ lớn phải phù hợp (ít độ lớn) với giá trị sử dụng tính toán biểu thức ma sát toàn phương Cf với giá trị thông thường sử dụng biểu thức toàn phương τ* = C f Trong trường hợp sử dụng hàm tuyến tính: Cf Trong = không đổi theo thời gian (có thể thay đổi theo không gian), đơn vị -1 s C f (U + V )1/2 τ* = H Trong trường hợp sử dụng hàm toàn phương: Cf Trong = không đổi theo thời gian (có thể thay đổi theo không gian), không thứ nguyên C f (U + V )1/2 τ* = H Hàm tổ hợp: H C f = C f (1 + ( break )θ )γ /θ C f H break γ H Trong , , , : không đổi theo thời gian Trong tương quan hệ ma sát tổ hợp, tiệm cận vùng nước sâu (H > H break) tiệm H C f ( break )γ θ H cận với vùng nước nông (H < H break) Số mũ xác định mức độ Cf tiến đến giới hạn tiệm cận γ xác định mức tăng hệ số ma sát độ sâu giảm Nếu γ C f = gn / H break =1/3, g gia tốc trọng trường n hệ số Meaning, ma sát tổ hợp có phương trình Meaning xử lý ma sát cho trường hợp H < Hbreak b Các phương trình viết tọa độ cầu Phiên 2DDI ADCIRC áp dụng cho giải toán cho vùng nước nông nước sâu ADCIRC áp dụng vào hệ toạ độ cầu với đại lượng đơn vị kinh độ vĩ độ (λ,φ) Trong hệ toạ độ cầu, phương trình bao gồm phương trình liên tục: δζ ∂UH ∂VH VH tan ϕ + + − =0 δ t R cos ϕ ∂λ R ∂ϕ R Và phương trình động lượng (ở dạng biến đổi): 10 ∂U U ∂U V ∂U U tan ϕ + + −( + f )V = ∂t R cos ϕ ∂λ R ∂ϕ R  τ sλ τ ∂ P − bλ + Dλ − Bλ  + g (η + γ )  + R cos ϕ ∂λ  P0  ρ0 H ρ0 H ∂V U ∂V V ∂V U tan ϕ + + −( + f )U = ∂t R cos ϕ ∂λ R ∂ϕ R − τ  τ sφ ∂ P − bφ + Dφ − Bφ  + gζ + g (η + γ )  + R ∂λ  P0  ρ0 H ρ0 H η +γ Trong đó:( thuỷ triều; τ bλ ,τ bφ ): thuỷ triều Newton, thuỷ triều trái đất, lực có tác dụng ứng suất đáy, R bán kính trái đất 11 Chương Tính toán nước dâng bão Wukong 3.1 Cơn bão Wukong Bão Wukong (tên định quốc tế:0016, tên định JTWC: 23W, tên NCHMF: Bão số 4) bão nhiệt đới cuồng phong hình thành khu vực Biển Đông vào ngày tháng năm 2000 tan ngày 10 tháng năm 2000 địa phận Thái Lan Hình Đường bão Wukong Ngày tháng 9, JMA phát áp thấp nhiệt đới vùng biển Tây Philippines Nó đứng im khoảng 12 (UTC) ngày tháng bắt đầu di chuyển theo hướng ngược chiều kim đồng hồ Cùng ngày, Việt Nam phát tin áp thấp nhiệt đới Sau mạnh lên thành bão vào khoảng (UTC) ngày tháng năm 2000 Nó tiếp tục tăng cường để đạt cường độ bão cuồng phong lúc 18:00 (UTC) ngày 07 tháng đạt đến cường độ mạnh với sức gió tối đa 75 hải lý (140 km/h) lúc 06 (UTC) ngày 08 tháng JTWC nâng mức cảnh báo lên cấp Sau bão suy yếu dần, Wukong men dọc bờ biển phía nam đảo Hải Nam ngày 09 tháng 9, lúc Việt Nam phát tin bão khẩn cấp Sáng sớm 10/9 đến vùng biển khơi tỉnh Hà Tĩnh (cách đèo Ngang khoảng 70 km phía Đông), bão suy yếu xuống cấp 10, giật cấp 10, chuyển hướng Tây Tây Nam, trưa 10 tháng đổ vào đất liền thuộc địa phận tỉnh Hà Tĩnh (tâm bão qua huyện Kỳ Anh) Sau đổ suy yếu thành áp thấp nhiệt đới vùng thấp phía đông bắc Thái Lan lúc 12 (UTC) ngày Do ảnh hưởng bão, khu vực đồng Bắc Bộ Bắc, Trung Trung Bộ có gió cấp 6,7 Một số nơi Nghệ An, Hà Tĩnh có gió cấp Bão gây mưa lớn cho khu 12 vực Bắc Trung Bộ Việt Nam ngày 9-10-11 tháng Thiệt hại bão chưa rõ lớn, khoảng 1,5 triệu USD 3.2 • Số liệu đầu vào Miền tính, lưới tính Miền tính lựa chọn toàn vùng Biển Đông giới hạn từ 99 E - 1210E 10N 25 N lưới tính lưới phi cấu trúc, khoảng cách lưới thưa biên phía Đông, phía Nam mịn dần phí bờ biển Việt Nam.Lưới tính lưới phi cấu trúc với 13082 ô lưới 24624 nút lưới Khoảng cách lưới tính nhỏ ven bờ phía Tây Vịnh Bắc Bộ Bắc Trung Bộ km Hình Miền tính lưới tính • Số liệu địa hình Số liệu địa hình đáy biển lấy từ Cục quản lý đại dương khí quốc gia Mỹ: http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/gdas/gx_announce.Html có độ phân giải phút • Số liệu track bão Số liệu track bão lấy từ trang web: http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma- 13 center/rsmc-hp-pub-eg/besttrack.html Bảng 1: Số liệu track bão Wukong đổ vào tỉnh Hà Tĩnh năm 2000 ST T 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Year 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 Mont h Day Hour Lat Long 16.6 117.2 12 16.7 116.6 18 16.6 116.4 16.4 116.6 16.5 116.8 12 16.9 117.2 18 17.3 117.5 17.9 117.6 6 18.4 117.4 12 18.7 117 18 18.9 116.3 19 115.8 19 115.5 12 19 115.2 18 19 114.7 18.9 114.2 18.8 113.4 12 18.8 112.5 18 18.6 111.6 9 18.4 110.5 9 18.1 109.7 9 12 18.3 108.8 9 18 18.5 107.8 10 18.3 106.8 10 17.9 105.6 10 12 17.9 104 10 18 17.9 102.5 Pmi Vma Rma Vmov n x x e 1000 20 20 11 1000 20 20 11 1000 20 20 1000 20 20 998 20 20 996 20 20 10 994 20 20 992 21 20 11 990 24 25 10 985 30 30 985 30 35 13 980 32 40 980 32 40 975 35 50 970 38 60 960 41 70 955 44 75 15 955 44 75 16 960 41 65 17 960 41 60 20 970 35 50 16 975 32 35 17 980 30 35 19 985 30 35 19 990 27 35 23 996 27 30 29 1000 27 25 27 • Điều kiện biên điều kiện ban đầu Các điều kiện biên mô hình thuỷ động lực tác nhân định chuyển động nước biển Tại biên cứng, điều kiện dính không thấm, thành phần vận tốc lấy Sinh viên sử dụng điều kiện biên dao động mực nước biên lỏng Dao động mực nước thủy triều biên lỏng được tạo mô đun TIDE từ số điều hòa sóng K1, O1, M2, S2 3.3 Hiệu chỉnh Để hiệu chỉnh mô hình, sinh viên tính mực nước thủy triều trạm Hòn Dáu Hòn Ngư sau hiệu chỉnh với số liệu trích từ bảng thủy triều Trung tâm Hải văn (Tổng cục Biển Hải đảo) Hiệu chỉnh dao động mực nước thủy triều tính toán cách thay đổi giá trị hệ số ma sát đáy 14 Chuỗi mực nước thủy triều tính từ 00h ngày 10/01/2014 đến 23h ngày 20/01/2014 Chuỗi dao động mực nước biên lỏng làm điều kiện biên mô hình hiệu chỉnh từ UTC múi Hà Nội Các hình thể kết nghiệm triều mô hình trạm Hòn Dáu Hòn Ngư Có thể thấy công việc nghiệm triều cho kết tốt pha biên độ dao động thủy triều Điều chứng tỏ thông số mô hình đủ tin cậy để chạy bước tính toán Hình Kết nghiệm triều Hòn Dáu Hình Kết nghiệm triều Hòn Ngư 3.4 - Kết tính toán Bão Wukong bắt đầu ảnh hưởng đến dải ven bờ Việt Nam vào 0h ngày 8/9/2000 Bão bắt đầu ảnh hưởng đến khu vực ven bờ với sức gió 10m/s Nước dâng cao khu vực Bắc Vịnh Bắc Bộ Hình Thời điểm bắt đầu có nước dâng dải ven bờ Thời điểm bão bắt đầu đổ vào tỉnh Hà Tĩnh lúc 0h ngày 10/9/2000 Mực nước dâng toàn dải ven bờ từ Hà Tĩnh đến Quảng Ninh cao ~ 1m Khu vực đảo Hải Nam mực nước cao 15 Hình Mực nước dâng thời điểm bão đổ vào Hà Tĩnh Hình Thời điểm nước dâng cao dải ven bờ Nước dâng cao 1m toàn khu vực vịnh Bắc Bộ dải ven bờ Thanh Hóa- Hà Tĩnh kéo dài 3h Mực nước dâng cao Hòn Ngư 1.379m Hòn Dáu 1.5m vào 1h ngày 10/9/2000 Nước dâng cao vào lúc sau khi bão đổ Dải nước dâng nằm phía bên phải tâm bão → Bão Wukong đổ vào Tỉnh Hà Tĩnh gây nước dâng diện rộng Mực nước dâng cao 1m toàn dải ven bờ từ Hà Tĩnh đến Quảng Ninh Nước dâng kết hợp triều cường gây thiệt hại lớn người So sánh mực nước thực đo kết tính toán từ mô hình trạm Hòn Dáu Hòn Ngư • Tại trạm Hòn Dáu Hình Biểu đồ so sánh mực nước thực đo tính toán trạm Hòn Dáu - Chỉ số NASH hai chuỗi số liệu tính toán thực đo trạm Hòn Dáu thu giá trị 0.95 - Sai số tuyệt đối = 0.15m - Sai số trung bình = 0.06m • Tại trạm Hòn Ngư Hình Biểu đồ so sánh mực nước thực đo tính toán trạm Hòn Ngư - Chỉ số NASH hai chuỗi số liệu tính toán thực đo trạm Hòn Ngư thu giá trị 0.75 - Sai số tuyệt đối = 0.28m - Sai số trung bình = 0.05m → Chỉ số NASH hai chuỗi số liệu tính toán thực đo = 0.85 Kết chứng minh mô hình có khả mô tốt tượng nước dâng bão 16 Kết luận Bão Wukong đổ vào Tỉnh Hà Tĩnh gây nước dâng diện rộng Mực nước dâng cao 1m toàn dải ven bờ từ Hà Tĩnh đến Quảng Ninh Nước dâng phía bên phải tâm bão kết hợp triều cường nên nguy hiểm Bão wukong gây thiệt hại lớn người Mô hình tính nước dâng bão Wukong hiệu chỉnh kiểm nghiệm với số liệu thực đo trạm hải văn Hòn Dáu Hòn Ngư Chỉ số NASH hai chuỗi số liệu tính toán thực đo = 0.85 Kết chứng minh mô hình có khả mô tốt tượng nước dâng bão Các thông số thu trình hiệu chỉnh kiểm nghiệm áp dung vào tính toán kịch nước dâng bão khu vực 17 Tài liệu tham khảo - http://acirc.org - http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/gdas/gx_announce.Html http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/besttrack.html http://dmc.gov.vn/kien-thuc-co-ban/nuoc-dang-pt32.html?lang=vi-VN https://vi.wikipedia.org/wiki/B%C3%A3o_Wukong_(2000) Nguyễn Xuân Hiển (2013), luận án tiến sĩ “Nghiên cứu nước dâng bão có tính đến ảnh hưởng sóng áp dụng cho khu vực ven biển Hải Phòng”