Nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán và đánh giá quy mô nước dâng bão ở vùng biển từ quảng bình đến quảng nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỖ ĐÌNH CHIẾN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ QUY MÔ NƯỚC DÂNG BÃO Ở VÙNG BIỂN TỪ QUẢNG BÌNH ĐẾN QUẢNG NAM LUẬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐỖ ĐÌNH CHIẾN

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN

VÀ ĐÁNH GIÁ QUY MÔ NƯỚC DÂNG BÃO

Ở VÙNG BIỂN TỪ QUẢNG BÌNH ĐẾN QUẢNG NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC

Hà Nội, 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐỖ ĐÌNH CHIẾN

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN

VÀ ĐÁNH GIÁ QUY MÔ NƯỚC DÂNG BÃO

Ở VÙNG BIỂN TỪ QUẢNG BÌNH ĐẾN QUẢNG NAM

Chuyên ngành: Hải dương học

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Thọ Sáo

2 PGS.TS Trần Hồng Thái

Hà Nội, 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Đỗ Đình Chiến

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Thọ Sáo và PGS.TS Trần Hồng Thái

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới hai Thầy đã tận tình giúp đỡ

và hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô Bộ môn Khoa học và Công nghệ biển, Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp

đỡ, ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập

và thực hiện luận án

Xin chân thành cám ơn PGS.TS Đinh Văn Mạnh đã hỗ trợ, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án

Nhân dịp này, tác giả cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới các nhà khoa học, các thầy cô và đồng nghiệp với tình cảm và lòng chân thành đã động viên, giành nhiều thời gian và công sức giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ, vợ con và gia đình đã quan tâm, động viên, khích lệ, ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả yên tâm thực hiện và hoàn thành luận án

Tác giả luận án

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN 3

DANH MỤC HÌNH 4

DANH MỤC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 8

2 Mục tiêu nghiên cứu 15

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 15

4 Điểm mới của luận án 15

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 16

6 Cấu trúc của luận án 16

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 18

1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 18

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 24

1.3 Kết luận Chương I 28

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ NƯỚC DÂNG BÃO 30

2.1 Mô hình tích hợp tính toán thủy triều, sóng biển và nước dâng bão (SuWAT) 30

2.1.1 Mô hình nước dâng có tính đến ảnh hưởng của thủy triều 30

2.1.2 Mô hình sóng, ứng suất bức xạ sóng và ứng suất bề mặt 32

2.1.3 Kết nối mô hình thủy triều nước dâng bão và mô hình sóng 36

2.2 Mô hình bão giải tích 39

2.3 Phương pháp xây dựng tập hợp bão phát sinh thống kê (phương pháp Monte-Carlo) 41

2

2.4 Kết luận Chương II 44

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ NƯỚC DÂNG BÃO Ở VÙNG BIỂN TỪ QUẢNG BÌNH ĐẾN QUẢNG NAM 45

3.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu 45

3.1.1 Vị trí địa lý và địa hình 45

3.1.2 Đặc điểm khí tượng, thủy văn và hải văn 48

3.1.3 Đặc điểm bão và nước dâng bão 52

3.2 Tương tác thủy triều, sóng biển và nước dâng bão 57

3.2.1 Số liệu đầu vào cho mô hình 57

3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 60

3.2.3 Đề xuất yêu cầu về công nghệ tính toán, dự báo nước dâng và sóng trong bão ở vùng biển Quảng Bình - Quảng Nam 82

3.3 Phân tích đánh giá nước dâng bão 83

3.4 Nguy cơ bão và nước dâng bão 89

3.5 Kết luận Chương III 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

A Kết luận 104

B Kiến nghị 106

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

3

CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

1 Nước dâng bão

Nước dâng tổng cộng trong bão trên nền thủy triều do tác động của gió, áp suất khí quyển và sóng trong bão

2 Nước dâng bão lớn nhất Giá trị lớn nhất của nước dâng bão trong

suốt thời gian ảnh hưởng của bão

3 Nước dâng do sóng

Nước dâng tạo bởi ứng suất bức xạ sóng

do quá trình chuyển đổi động năng sóng thành thế năng cột nước và ảnh hưởng của ứng suất bề mặt do sóng trong bão

4

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Bản đồ nguy cơ nước dâng bão tại các nước trong khu vực [60] 10

Hình 2 Sóng lớn và ngập lụt do triều cường kết hợp với nước dâng sau bão số 3 (9/2014) tại Đồ Sơn - Hải Phòng 11

Hình 3 Hình ảnh ngập lụt do bão Ketsana tháng 9/2009 tại Đà Nẵng 12

Hình 4 (a) Hiện tượng nước dâng do sóng ven bờ (b) Dao động theo thời gian của các thành phần nước dâng trong mực nước tổng cộng trong bão 13

Hình 1.1 So sánh kết quả tính toán đỉnh, chân và độ cao sóng của mô hình Boussinesq 1D với số liệu thí nghiệm của Bowen (1968) [63] 22

Hình 2.1 Hệ số CD (a) và ứng suất bề mặt tại vận tốc gió U10=18.45m/s cho trường hợp mô hình có và không xét ảnh hưởng của sóng 36

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán các thành phần trong mô hình kết nối 37

Hình 2.3 Sơ đồ tích hợp của mô hình SuWAT 39

Hình 2.4 Minh họa các thành phần trong công thức tính vận tốc gió 40

Hình 2.5 Các bước xây dựng tập hợp bão phát sinh thống kê 44

Hình 3.1 Khu vực nghiên cứu của Luận án 45

Hình 3.2 Mặt cắt đáy biển đến sâu độ -20m (a) khu vực Quảng Bình - Quảng Trị (b) khu vực Huế - Quảng Nam 47

Hình 3.3 Hoa gió tại một số trạm thuộc vùng nghiên cứu và lân cận 50

Hình 3.4 Xu thế biến động số lượng bão đổ bộ vào khu vực Quảng Bình - Quảng Nam: (a) ATNĐ và bão sức gió cấp 8-9; (b) cấp 10 trở lên; (c) cấp 12 trở lên và (d) tất cả bão và ATNĐ 54

Hình 3.5 Thống kê số lượng bão trên khu vực Biển Đông và đổ bộ vào ven biển Quảng Bình - Quảng Nam giai đoạn 1994 - 2014 54

Hình 3.6 Quỹ đạo bão Bofa, 2000 (a), KaiTak, 2005 (b) 56

Hình 3.7 Miền tính và độ sâu của lưới tính biển Đông - D1 58

Hình 3.8 Miền tính và độ sâu của lưới tính khu vực - D2 59

Hình 3.9 Minh họa lưới lồng 3 lớp của mô hình 59

Hình 3.10 Quỹ đạo của bão Usagi tháng 8/2001 (a), Xangsane tháng 9/2006 (b) và Ketsana tháng 9/2009 (c) 61

Hình 3.11 So sánh áp suất khí quyển và vận tốc gió tính toán và quan trắc tại trạm Sơn Trà (a) và trạm Huế (b) trong bão Xangsane (9/2006) 62

5

Hình 3.12 So sánh áp suất khí quyển và vận tốc gió tính toán và quan trắc tại trạm Sơn Trà (a) và trạm Tam Kỳ (b) trong bão Ketsana (9/2009) 62 Hình 3.13 So sánh vận tốc gió tính toán và quan trắc tại trạm phao Cồn Cỏ trong bão Usagi (8/2001) 63 Hình 3.14 So sánh kết quả tính thủy triều bằng mô hình SuWAT (với một số giá trị hệ số nhám) và tính theo hằng số điều hòa tại Sơn Trà 64 Hình 3.15 So sánh kết quả tính thủy triều bằng mô hình SuWAT và hằng số điều hòa tại Hòn Dấu (a), Sơn Trà (b), Quy Nhơn (c), Nha Trang (d) và Vũng Tầu (e) tháng 4/2014 66 Hình 3.16 So sánh kết quả tính thủy triều bằng mô hình SuWAT và phân tích điều hòa tại Hòn Dáu (a), Sơn Trà (b), Quy Nhơn (c), Nha Trang (d) và Vũng Tàu (e) tháng 11/2014 68 Hình 3.17 Quỹ đạo của bãoWukong, Usagi và vị trí các trạm phao đo sóng 69 Hình 3.18 Dao động theo thời gian độ cao sóng có nghĩa tại trạm phao P1 trong bão Wukong tháng 9/2000 (a) và trạm phao P2 trong bão Usagi tháng 8/2001 (b) 70 Hình 3.19 Dao động theo thời gian của thủy triều (Thủy triều), thủy triều kết hợp với nước dâng do gió và áp (Thủy triều+NDGA), thủy triều kết hợp với nước dâng do gió, áp và do sóng (Thủy triều+NDGA+NDDS) và mực nước quan trắc (Quan trắc) tại trạm Sơn Trà (a) và Cửa Việt (b) 72 Hình 3.20 So sánh kết quả tính toán nước dâng do bão với số liệu quan trắc tại trạm Sơn Trà: (a) trường hợp có và không xét đến ảnh hưởng của thủy triều, (b) trường hợp có và không xét đến ảnh hưởng của sóng 73 Hình 3.21 Nước dâng lớn nhất trong bão Xangsane 9/2006 tại các vị trí 73 Hình 3.22 Phân bố nước dâng bão lớn nhất trong trường hợp không (a) và có (b) tính đến nước dâng do sóng 74 Hình 3.23 Phân bố phần trăm đóng góp nước dâng do sóng trong nước dâng tổng cộng (a) và phân bố ứng suất bức xạ sóng (b) trong bão Xangsane tháng 9/2006 75 Hình 3.24 Biến trình theo thời gian của độ cao sóng có nghĩa, ứng suất bức

xạ sóng và nước dâng do sóng trong bão Xangsane 9/2006 tại Sơn Trà 76 Hình 3.25 Dao động của nước dâng tại trạm Sơn Trà trong bão Ketsana 9/2009 (a) và bão Nari 10/2013 (b) - trường hợp mô hình có và không xét đến ảnh hưởng của sóng 76

6

Hình 3.26 Biến trình theo thời gian của nước dâng do ứng suất bức xạ sóng

và ứng suất bề mặt do sóng trong bão Xangsane (9/2006) tại Sơn Trà 77 Hình 3.27 Nước dâng bão lớn nhất ứng với các mực triều cho trường hợp có

và không xét đến ảnh hưởng của sóng tại Cửa Gianh (a) và Tam Kỳ (b) 79 Hình 3.28 Phân bố độ cao lớn nhất của sóng có nghĩa (Hsig.) trường hợp mô hình có (a) và không (b) tính đến tương tác với thủy triều và nước dâng bão 81 Hình 3.29 Dao động theo thời gian của độ cao sóng có nghĩa, mực nước tổng cộng trong bão tại Sơn Trà, (a) vị trí gần bờ, (b) vị trí xa bờ 81 Hình 3.30 Chênh lệch độ cao (m) lớn nhất của sóng có nghĩa (Hsig.) trong trường hợp mô hình tính sóng có và không xét đến ảnh hưởng của thủy triều

và nước dâng bão 82 Hình 3.31 Quỹ đạo các cơn bão đổ bộ và gây nước dâng trong khu vực Quảng Bình - Quảng Nam giai đoạn 1951-2014 84 Hình 3.32 Biến trình theo thời gian của (a) gió và áp tại Cửa Việt, (b) nước 85 Hình 3.33 Phân bố nước dâng bão lớn nhất trong bão Harriet (7/1971) 86 Hình 3.34 Kết quả tính toán phân bố nước dâng lớn nhất ở vùng biển từ Quảng Bình đến Quảng Nam giai đoạn 1951-2014 87 Hình 3.35 Nước dâng bão lớn nhất tại các tỉnh giai đoạn 1951-2014 87 Hình 3.36 Tần suất xuất hiện các cấp nước dâng bão tại (a) Quảng Bình, (b) Quảng Trị, (c) Huế, (d) Đà Nẵng và (e) Quảng Nam giai đoạn 1951-2014 88 Hình 3.37 Vùng nghiên cứu và vùng thống kê bão 90 Hình 3.38 Sơ đồ phân bố xác suất: (a) áp suất tâm bão, (b) hướng di chuyển của bão, (c) tốc độ di chuyển tâm bão và (d) vị trí bão đổ bộ 92 Hình 3.40 Phân bố nước dâng bão theo các chu kỳ lặp 5 năm (a), 10 năm (b),

20 năm (c), 50 năm (d), 100 năm (e), 200 năm (f) ở vùng biển Quảng Bình - Quảng Nam 99 Hình 3.41 Độ lớn nước dâng bão theo suất đảm bảo năm 99 Hình 3.42 Độ lớn nước dâng bão theo suất đảm bảo năm tại vịnh Đà Nẵng và Sơn Trà 101

108

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt:

1 Bộ Tài Nguyên Môi Trường (2012), Bản đồ địa hình tỉ lệ 1:5.000 các

tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam,

Nhà xuất bản Bản đồ, Hà Nội

2 Vũ Thanh Ca, Phùng Đăng Hiếu, Nguyễn Xuân Hiển, Nguyễn Xuân Đạo (2008), “Mô hình dự báo nước dâng do bão có tính đến thủy

triều”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, (568), pp 25-33

3 Đỗ Đình Chiến, Phùng Đăng Hiếu, Dư Văn Toán, Nguyễn Thọ Sáo (2013), “Mô phỏng nước dâng do bão kết hợp với thủy triều khu vực

ven bờ Thừa Thiên - Huế”, Tạp chí khoa học ĐHQG Hà Nội Tập 29

(1S)

4 Lê Trọng Đào, Nguyễn Vũ Thắng, Trần Quang Tiến (1999), Tính toán

thủy triều, nước dâng và tương tác giữa chúng bằng mô hình số trị thủy động, Đề tài cấp Tổng cục, Tổng cục Khí tượng Thủy văn

5 Lê Trọng Đào và nnk (2009), Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tác

nghiệp khí tượng thủy văn biển (gồm dòng chảy, sóng và nước dâng do bão) vùng biển Đông và ven biển Việt Nam, Báo cáo tổng kết đề tài cấp

Bộ, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Hà Nội

6 Nguyễn Xuân Hiển (2013), Nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến

ảnh hưởng của sóng và áp dụng cho vùng ven biển Hải Phòng, Luận án

Tiến sĩ Địa lý, Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Môi trường, Hà Nội

7 Nguyễn Xuân Hiển, Trần Thục, Đinh Văn Ưu (2012), “Đánh giá sự ảnh

hưởng của thủy triều đến nước dâng do bão khu vực Hải Phòng”, Tạp

chí Khí tượng Thủy văn, (616), tr 8-14

109

8 Vũ Như Hoán (1988), Phương pháp thống kê dự báo nước dâng và mực

nước ven biển miền bắc Việt Nam khi bão tới, Luận án Tiến sĩ, Hà Nội

9 Nguyễn Minh Huấn (2011), Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công

nghệ dự báo hạn ngắn trường các yếu tố thủy văn biển khu vực Biển Đông, Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC.09.16/06-10, Đại học

KHTN, Hà Nội

10 Trần Hồng Lam, Nguyễn Tài Hợi, Nguyễn Bá Thủy (2006), “Nước dâng

do bão - công tác triển khai dự báo bão nghiệp vụ tại Việt Nam”, Tạp chí

Khí tượng Thủy văn, (543), tr 32-41

11 Nguyễn Thị Việt Liên (1996), Mô hình số trị bài toán thuỷ triều Biển

Đông, Luận án PTS khoa học Toán lý, Viện Cơ học, Hà Nội

12 Đinh Văn Mạnh và nnk (2001), Phát triển và hoàn thiện mô hình dự

báo sóng bão, nước dâng do bão, thủy triều cho dải ven biển Việt Nam,

Báo cáo tổng kết đề tài, Viện Cơ học, Hà Nội

13 Đinh Văn Mạnh và nnk (2008), Nghiên cứu để cập nhật, chi tiết hóa bộ

số liệu cơ bản về triều, nước dâng dọc bờ biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam phục vụ tính toán thiết kế, củng cố nâng cấp đê biển, Báo

cáo tổng kết đề tài, Viện Cơ học, Hà Nội

14 Đinh Văn Mạnh và nnk (2014), Tính toán cao độ mực nước biển phục

vụ thiết kế công trình ven biển, Nxb Khoa học tự nhiên và Công nghệ,

Hà Nội

15 Phạm Văn Ninh, Đỗ Ngọc Quỳnh, Đinh Văn Mạnh (1991), Nước dâng

do bão và gió mùa, Báo cáo tổng kết đề tài 48B.02.02, Viện Cơ học, Hà

Nội

16 Đỗ Ngọc Quỳnh (1999), Công nghệ dự báo bão nước dâng do bão ven

bờ biển Việt Nam, Báo cáo tổng kết đề tài KT.03.06, Viện Cơ học, Hà

Nội

110

17 Nguyễn Thọ Sáo (2008), “Dự báo nước dâng do bão ven biển Việt Nam bằng mô hình Delft-3D sử dụng kết quả của mô hình khí tượng

RAMS”, Hội thảo Khoa học Kỷ niệm 5 năm thành lập Khoa Kỹ thuật

Biển, Hà Nội

18 Hoàng Trung Thành (2011), Nghiên cứu đặc điểm biến thiên mực nước

biển ven bờ Việt Nam, Luận án Tiến sĩ Địa lý, Viện Khoa học Khí tượng

Thủy văn và Môi trường, Hà Nội

19 Nguyễn Vũ Thắng (1999), Xây dựng sơ đồ dự tính dự báo nước dâng ở

vùng ven biển Hải Phòng, Luận án Tiến sĩ Địa lý, Viện Khí tượng Thủy

văn, Hà Nội

20 Trần Tân Tiến và nnk (2010), Xây dựng công nghệ dự báo liên hoàn

bão, nước dâng và sóng ở Việt Nam bằng mô hình số với thời gian dự báo trước 3 ngày, Báo cáo tổng kết đề tài KC-08.05/06-10, Đại học

Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

21 Bùi Xuân Thông (2000), “Mô hình dự báo nước dâng do bão sử dụng hệ

lưới lồng áp dụng cho các lưu vực nhỏ”, Khí tượng - Thủy văn vùng biển

Việt Nam, Nxb Thống kê, Hà Nội

22 Bùi Xuân Thông, Nguyễn Văn Lai (2008), “Phương pháp xác định mực

nước dâng cực đại có thể xảy ra do bão tại khu vực công trình đê biển”,

Tạp chí Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, (23), tr 48-57

23 Nguyễn Bá Thủy, Hoàng Đức Cường, Đỗ Đình Chiến, Dư Đức Tiến (2014), “Đánh giá diễn biến nước biển dâng do bão số 3 năm 2014 và

vấn đề dự báo”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, (647), tr 14-24

24 Nguyễn Thế Tưởng, Trần Hồng Lam và nnk (2007), Hợp tác Việt -

Trung về nghiên cứu dự báo sóng biển và nước dâng do bão bằng phương pháp số, Báo cáo tổng kết đề tài, Trung tâm Khí tượng Thủy văn

biển, Hà Nội