Phân tích và dự báo tràn dầu vùng biển Vịnh Bắc Bộ bằng mô hình số trị ứng dụng số liệu radar biển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Trần Mạnh Cường PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO TRÀN DẦU VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ BẰNG MÔ HÌNH SỐ TRỊ ỨNG DỤNG SỐ LIỆU RADAR BIỂN LUẬN VĂ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trần Mạnh Cường

PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO TRÀN DẦU VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ BẰNG MÔ HÌNH SỐ TRỊ ỨNG DỤNG SỐ LIỆU RADAR BIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Trần Mạnh Cường

PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO TRÀN DẦU VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ BẰNG MÔ HÌNH SỐ TRỊ ỨNG DỤNG SỐ LIỆU RADAR BIỂN

Chuyên ngành: Hải dương học

Mã số: 60440228

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS Nguyễn Kim Cương

Hà Nội - 2016

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Giới thiệu về hệ thống radar biển và các ứng dụng 3

1.2 Tổng quan về khu vực vịnh Bắc Bộ và chế độ dòng chảy tại khu vực này 5 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu về dự báo tràn dầu trên biển 8

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

2.1 Hiện trạng các trạm radar và phương pháp phân tích dòng chảy 11

2.2 Cơ sở lý thuyết về mô hình ROMS 15

2.3 Cơ sở lý thuyết về mô hình GNOME dự báo tràn dầu 17

CHƯƠNG III ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU THU THẬP TỪ RADAR BIỂN VÀ ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY TẦNG MẶT KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ 21 3.1 Đánh giá, phân tích số liệu thu thập từ radar biển 21

3.1.1 Đánh giá nguồn số liệu thu thập từ các trạm radar biển 21

3.1.2 Đánh giá sai số quan trắc từ radar biển 24

3.2 Ứng dụng số liệu radar biển phân tích trường dòng chảy tầng mặt khu vực vịnh Bắc Bộ 31

CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO THỬ NGHIỆM LAN TRUYỀN DẦU TRÊN KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ 39

4.1 Xác định các nguồn gây ô nhiễm dầu trên biển 39

4.2 Phân tích quỹ đạo lan truyền dầu từ số liệu radar biển 39

4.3 Dự báo lan truyền dầu khi có sự cố 49

4.3.1 Thiết lập miền tính cho khu vực bằng mô hình thủy lực ROMS 49

4.3.2 So sánh giữa số liệu tính toán từ mô hình với số liệu quan trắc từ radar biển và số liệu thu thập từ các đợt khảo sát 51

4.3.3 Dự báo thử nghiệm tràn dầu từ các nguồn số liệu thu thập 53

4.4 Thiết lập quy trình dự báo trong sự cố tràn dầu trên biển 58

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

2

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Cấu hình của hệ thống Radar biển hiện đang vận hành 11

Bảng 2: Các loại dầu được tham số hóa trong mô hình được sắp xếp từ nhẹ đến nặng [13] 19

Bảng 3 So sánh giữa dòng chảy quan trắc bằng Radar và AWAC 30

Bảng 4 Thống kê trạng thái của dầu và hướng di chuyển chủ yếu tại từng vị trí sau 30 ngày xảy ra sự cố (đơn vị: %) 43

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Mô tả phương pháp phân tích vận tốc dòng chảy bằng Radar biển 4

Hình 2: Phạm vi quan trắc của 3 trạm radar hiện đang hoạt động tại khu vực vịnh Bắc Bộ và phân bố số liệu của chúng 4

Hình 3: Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa đông theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ (1964) 6

Hình 4: Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa hè theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ (1964) 7

Hình 5: Sơ đồ hoàn lưu mùa vùng Vịnh Bắc Bộ 1960 -1962 [6] 8

Hình 6: Sơ đồ lưới tính phân tích dòng chảy mặt tổng cộng 13

Hình 6: Mô tả phương pháp phân tích dòng chảy mặt tổng cộng 14

Hình 7: Giới hạn góc θ1 và θ2 giữa các đường xuyên tâm từ điểm lưới đối với các trạm radar 15

Hình 8: Hiện trạng số liệu Radar thu thập được từ năm 2012 đến nay 21

Hình 9: Các tham số đặc trưng trong quá trình vận hành của Radar 23

Hình 10: Phạm vi quan trắc của Radar biển đối với từng trạm 24

Hình 11: Phương pháp xác định sai số từ quan trắc bằng radar 25

Hình 12: Sai số GDOP trung bình từ quan trắc radar đối với vùng Vịnh Bắc Bộ 26

Hình 13: Vị trí các trạm radar và hai trạm C001 và C002 27

Hình 14: Biến trình theo thời gian của dòng chảy đo đạc bằng Radar biển và máy AWAC tại trạm tương ứng, trong đó dấu dương (+) thế hiện hướng dòng chảy đi vào radar, dấu âm (-) thể hiện hướng dòng chảy ra khỏi radar 31

Hình 15: Phân bố số liệu dòng chảy mặt quan trắc từ hệ thống radar (đơn vị: %) 32

Hình 16: Ứng suất gió trung bình trên biển Đông tháng 2 (trái) và tháng 8 (phải) dựa trên số liệu QuickSCAT [N/m2] [11] 33

Hình 17: Dòng chảy mặt trung bình khu vực vịnh Bắc Bộ trong mùa gió Đông Bắc (trái) và mùa gió Tây Nam (phải) (cm s-1) 33

Hình 18: Trường dòng chảy trung bình năm tầng mặt khu vực vịnh Bắc Bộ trong năm 2014 (trái) và độ lệch chuẩn của thành phần kinh hướng u (giữa) và thành phần vỹ hướng v (phải) (cm s-1) 34

Hình 19: Dòng chảy mặt trung bình khu vực vịnh Bắc Bộ trong tháng 10 (cm s -1) và trường gió trung bình trong tháng (m s-1) 36

3

Hình 20: Thành phần vỹ hướng của dòng chảy trích tại điểm S2 trong thời kỳ

gió mùa Đông bắc 36

-1) và trường gió trung bình trong tháng (m s-1) 37

Hình 22: Thành phần vỹ hướng của dòng chảy trích tại điểm S2 trong thời kỳ

gió mùa Tây Nam 38

Hình 23: Vị trí các điểm tính toán lan truyền dầu 40 Hình 24: Trường gió trung bình trong mùa gió Đông Bắc và mùa gió Tây Nam

từ số liệu gió tái phân tích ECMWF 41

Hình 25: Biến đổi trạng thái của dầu sau sự cố xảy ra tại điểm 1 (trục hoành

tương ứng với thời gian sau sự cố tính bằng giờ) 42

Hình 26: Hướng lan truyền của nhóm dầu FO theo từng tháng 45 Hình 27: Phân tích quỹ đạo của hạt dầu trên vịnh Bắc Bộ trong thời kỳ gió mùa

Đông Bắc 47

Hình 28: Phân tích quỹ đạo của hạt dầu trên vịnh Bắc Bộ trong thời kỳ gió mùa

Tây Nam 48

Hình 29: Lưới tính của mô hình ROMS trên biển Đông 50 Hình 30: So sánh số liệu từ mô hình và số liệu thu thập từ các đợt khảo sát CTD

cho tháng 9 và tháng 10 tại mặt cắt dọc vĩ tuyến 18.5oN 52

Hình 31: So sánh số liệu từ mô hình và số liệu thu thập từ radar biển 53 Hình 32: Biến đổi trạng thái của dầu sau sự cố xảy ra tại vị trí 1 (trục hoành

tương ứng với thời gian sau sự cố tính bằng giờ) 55

Hình 33: Đường đi của dầu sau sự cố tràn dầu trên khu vực vịnh Bắc Bộ sau 7

ngày tại vị trí 1 55

Hình 34: Biến đổi trạng thái của dầu sau sự cố xảy ra tại vị trí 3 (trục hoành

tương ứng với thời gian sau sự cố tính bằng giờ) 56

Hình 35: Đường đi của dầu sau sự cố tràn dầu trên khu vực vịnh Bắc Bộ sau 7

ngày tại vị trí 3 57

Hình 36: Sơ đồ quy trình dự báo sự cố tràn dầu trên biển 58

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, em đã nhận được sự tận tình hướng dẫn, gợi ý và cho những lời khuyên hết sức bổ ích của TS Nguyễn Kim Cương trong suốt quá trình tìm hiểu lý thuyết để có những kinh nghiệm quý báu khi tiếp cận và giải quyết vấn đề Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy

Nhân dịp này, em xin được bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, cô giáo trong khóa Khí tượng Thủy văn – Hải dương học cũng như Bộ môn Khoa học và Công nghệ biển, những người trong suốt những năm qua đã dạy dỗ và giúp đỡ em rất nhiều trong học tập cũng như trong các hoạt động

Cuối cùng, em xin gửi những lời tốt đẹp nhất đến cho gia đình và bạn bè, những người đã động viên, khích lệ và giúp đỡ em trong suốt quá học tập và hoàn thành luận văn này

Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo cũng như các bạn đồng nghiệp để được tiếp tục hoàn thiện và phát triển hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2016

HỌC VIÊN

Trần Mạnh Cường

1

MỞ ĐẦU

Các lĩnh vực biển trong vòng vài thập kỷ trở lại đây đã và đang trở thành một trong những vấn đề được quan tâm và phát triển Về kinh tế, biển đang trở thành mũi nhọn trong chiến lược phát triển của các quốc gia có ưu thế về biển Đối với Việt Nam là một quốc gia ven biển, có nhiều tiềm năng và điều kiện thuận lợi trong việc phát triển đa dạng các ngành kinh tế biển thì việc tận dụng lợi thế đó nhằm đưa Việt Nam từng bước "trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển" ngày càng trở nên quan trọng

Để có những thông tin và hiểu biết nhất định giúp cho việc quản lý, khai thác

và bảo vệ biển cần có những số liệu quan trắc thực tế, các nghiên cứu chuyên sâu Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị quan trắc biển ngày càng hiện đại và tiện dụng Một trong những công nghệ quan trắc biển hiện nay đang được nhiều quốc gia chú trọng đầu tư đó là quan trắc bằng công nghệ radar Đối với Việt nam, Nhà nước đã và đang có chủ trương quan tâm và có kế hoạch xây dựng nhiều mạng lưới quan trắc, giám sát các quá trình động lực và môi trường biển, trong đó có hệ thống radar biển

Năm 2011, trạm radar biển đầu tiên ở Việt nam được xây dựng tại Đồng Hới, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong quan trắc biển tại Việt Nam Đến nay, dự

án đã kết thúc giai đoạn 1 với 4 trạm trong đó 3 trạm quan trắc và 1 trạm trung tâm quan trắc hệ thống dòng chảy khu vực vịnh Bắc Bộ Các số liệu radar biển bao gồm

số liệu về sóng và dòng chảy là những nguồn dữ liệu vô cùng quý giá trong các lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng, quản lý và khai thác biển Đây là một nguồn dữ liệu mới đối với Việt Nam và cho đến nay mới chỉ có rất ít công trình nghiên cứu có sử dụng nguồn số liệu này

Mặt khác, các nghiên cứu ứng dụng của nguồn dữ liệu này rất rộng và phong phú, một trong số đó là ứng dụng dự báo vật thể trôi trên biển và dự báo tràn dầu trên biển Hiện nay, vấn đề ô nhiễm dầu trên biển là một trong những vấn đề nghiêm trọng đang được cộng đồng quốc tế quan tâm Vấn đề ô nhiễm dầu trên biển Đông nói

2

chung và ô nhiễm dầu trên biển Việt Nam nói riêng cũng không nằm ngoài tình trạng

đó Vì vậy, vấn đề nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình lan truyền dầu sau khi xảy ra các sự cố tràn dầu trên biển để đề ra các phương án ứng cứu thích hợp là rất cần thiết

Vì những lý do trên, trong khuôn khổ đề tài này tác giả đưa ra hướng nghiên cứu để ứng dụng số liệu thu thập từ radar biển để nghiên cứu chế độ dòng chảy tại vịnh Bắc Bộ và so sánh với các nghiên cứu trước đây Sau đó, sẽ thực hiện nghiên cứu ứng dụng khả năng dự báo tràn dầu trên biển bằng số liệu thu thập từ radar và từ

mô hình số trị

Nội dung luận văn bao gổm 04 chương chính, phần kết luận và phần các bảng phụ lục:

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Đánh giá số liệu thu thập từ radar biển và ứng dụng nghiên cứu chế

độ dòng chảy tầng mặt khu vực Vịnh Bắc bộ

Chương 4: Phân tích và dự báo thử nghiệm lan truyền dầu trên khu vực Vịnh Bắc bộ

Kết luận

3

CHƯƠNG I.TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu về hệ thống radar biển và các ứng dụng

Trong thời kỳ nền khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển như hiện nay thì việc nghiên cứu các quá trình tự nhiên phục vụ cho các mục đích về kinh tế, xã hội… được

hỗ trợ rất nhiều từ các trang thiết bị tiên tiến Trong nghiên cứu về các hiện tượng địa vật lý nói chung và các quá trình động lực học nói riêng thì việc quan trắc thực tế có tầm quan trọng rất lớn

Để quan trắc được các biến đổi của các quá trình này người ta sử dụng 2 phương pháp quan trắc: quan trắc trực tiếp và quan trắc gián tiếp Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên được sự hỗ trợ mạnh mẽ của khoa học hiện đại, phương pháp quan trắc gián tiếp ngày càng phát huy được những thế mạnh của

nó đó là: cập nhật và xử lý thông tin nhanh, quan trắc được cả trong những điều kiện thời tiết cực đoan

Radar biển là một trong những thiết bị ứng dụng công nghệ hiện đại dựa vào kỹ thuật phát sóng tần số cao để phân tích giám sát một số yếu tố hải văn như trường dòng chảy tầng mặt, giám sát sóng Công nghệ này ở nước ngoài đã và đang phát triển rất mạnh, đi kèm với nó là những công trình nghiên cứu khoa học có liên quan Tại Thái Lan, đã xây dựng hệ thống Radar biển tự động bao gồm 06 trạm phục vụ cho công tác quan trắc hải văn thuộc vùng biển Thái Lan và một phần Vịnh Thái Lan Ngoài ra đã có nhiều nước trên thế giới và trong khu vực Đông Nam Á đã và đang áp dụng công nghệ này như: Trung Quốc, Nhật Bản, Đài Loan, Hàn Quốc và Ấn Độ [5]

Hệ thống radar hiện đang hoạt động tại Việt Nam là hệ thống Seasonde do hãng Codar sản xuất dựa trên nguyên lý Doppler Tín hiệu từ ăng ten phát của radar đi tới

bề mặt biển (sóng biển chuyển động) sau đó phản hồi lại và được thu bởi ăng ten thu

(Hình 1) Trong quá trình thu sẽ có sự lệch pha tần số (Doppler shift) do sóng biển

chuyển động Sự lệch pha này tỉ lệ với tốc độ sóng/tốc độ dòng chảy biển, qua các phần mềm và thuật toán ta giải đoán được tốc độ của dòng chảy biển [5]

4

Quá trình thu tín hiệu radar và phân tích thành các đặc trưng của sóng và dòng chảy được chia thành 3 giai đoạn chính: phân tích vận tốc mục tiêu (tín hiệu radio thu được), khoảng cách đến mục tiêu và hướng của mục tiêu [5]

Hình 1: Mô tả phương pháp phân tích vận tốc dòng chảy bằng Radar biển

Hình 2: Phạm vi quan trắc của 3 trạm radar hiện đang hoạt động tại khu vực

vịnh Bắc Bộ và phân bố số liệu của chúng

5

Ở Việt Nam, công nghệ radar biển còn khá mới mẻ và chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này Năm 2011, Trung tâm Hải văn đã chủ trì thực hiện

dự án xây dựng hệ thống trạm radar biển, đến nay đã hoàn thành giai đoạn I với 3 trạm quan trắc tầm xa tại Hòn Dấu (20,6662333oN, 106,8169667oE), Nghi Xuân (18,6210500oN, 105.8156000oE) và Đồng Hới (17,4711167oN, 106.6389500oE) và 1

trạm trung tâm thu số liệu tại Hà Nội (Hình 2) Cả ba trạm đều hoạt động ở tần số

4,65 MHz với độ phân giải ngang và độ phân giải góc phương vị lần lượt là 5,825 km

và 5o

Một số ứng dụng của radar biển có thể được liệt kê ra sau đây: Dự báo các điều kiện thời tiết trên biển; Phục vụ cho công tác đánh bắt thủy sản; Phục vụ cho đánh giá ô nhiễm và lan truyền ô nhiễm biển; Ứng dụng trong cứu hộ cứu nạn trên biển; Ứng dụng trong điều hành tàu thuyền qua lại eo biển, cảng; Ứng dụng trong

phối hợp để tăng độ chính xác dự báo số trị [5]

1.2 Tổng quan về khu vực vịnh Bắc Bộ và chế độ dòng chảy tại khu vực này

Vịnh Bắc Bộ nằm ở phía Tây Bắc của biển Đông, từ 105o36’E đến 109o55’E trải dài từ vĩ tuyến 17oN đến vĩ tuyến 21o52’N, diện tích khoảng 160.000 km2, chu vi khoảng 1.950 km, trong đó phía bờ Việt Nam là 740 km, chiều dài vịnh là 496 km, nơi rộng nhất là 314 km Vịnh Bắc Bộ được bao bọc bởi bờ biển miền Bắc Việt Nam ở phía tây, bờ biển Nam Trung Quốc ở phía bắc và phía đông có bán đảo Lôi Châu và đảo Hải Nam Bờ biển khúc khuỷu với khoảng hơn 2.300 hòn đảo lớn nhỏ, tập trung chủ yếu ở phía ven bờ Việt Nam Đặc biệt đảo Bạch Long Vĩ của Việt Nam nằm khoảng giữa vịnh với diện tích 2,5 km2 cách đảo Hòn Dấu, Hải Phòng khoảng 110 km

Khối nước của Vịnh Bắc Bộ chủ yếu giao lưu với Biển Đông qua cửa phía nam của vịnh rộng chừng 230 km và sâu hơn 100 m Một phần nhỏ nước được trao đổi qua eo biển hẹp (18 km) và không sâu (20 m) Quỳnh Châu Do độ sâu của biển không lớn nên hoàn lưu trong vịnh Bắc Bộ (và vịnh Thái Lan) được hình thành chủ yếu do tác động của trường gió thịnh hành trên mặt biển Tuy nhiên với sự liên kết tương đối