Giáo trình Đánh giá sự ảnh hưởng của hệ số ma sát đáy tới mực nước dâng do bão bằng mô hình ADCIRC khu vực Vịnh Bắc Bộ - Trần Thị Thảo

Nội dung text: Giáo trình Đánh giá sự ảnh hưởng của hệ số ma sát đáy tới mực nước dâng do bão bằng mô hình ADCIRC khu vực Vịnh Bắc Bộ - Trần Thị Thảo

1. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 202-209 Đánh giá sự ảnh hưởng của hệ số ma sát đáy tới mực nước dâng do bão bằng mô hình ADCIRC khu vực Vịnh Bắc Bộ Trần Thị Thảo, Hà Thanh Hương* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 08 tháng 8 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 26 tháng 8 năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Các tính toán nước dâng do bão cho thấy ảnh hưởng của ma sát đáy là vô cùng quan trọng trong việc hiệu chỉnh thủy triều và là một trong những yếu tố quyết định sự chính xác của mô phỏng nước dâng do bão của mô hình. Bài báo này sử dụng modun ADCIRC thuộc hệ thống mô hình SMS để mô phỏng nước dâng do bão, trong đó khảo sát đến ảnh hưởng của hệ số ma sát đáy đến kết quả tính toán nước dâng thông qua việc biểu diễn hệ số ma sát đáy ứng với các trường hợp cho là hằng số tại các nút và trường hợp hệ số ma sát thay đổi tại các nút.Từ đó đưa ra việc xác định hệ số ma sát tối ưu áp dụng cho khu vực Vịnh Bắc Bộ để kết quả tính toán nước dâng do bão hiệu quả và nhanh nhất. Từ khóa: Nước dâng do bão, ma sát đáy, ADCIRC. 1. Đặt vấn đề* nước với thực đo từ đó đưa ra hệ số ma sát phù hợp cho khu vực tính toán. Hệ số ma sát sử dụng trong mô hình ADCIRC thường là hằng số không đổi trên toàn miền tính. Việc sử dụng hệ số ma sát sẽ đạt 2. Mô hình ADCIRC được kết quả mực nước có độ chính xác cao khi tính toán cho một khu vực nhỏ có cùng chế độ Mô hình ADCIRC được xây dựng và phát thủy triều. Để tính toán cho kết quả tốt nhất triển bởi các trường đại học bang Carolina bao người thường tìm các hệ số ma sát tương ứng gồm đại học Notre Dame, đại học Oklahoma và tại các nút lưới. Tuy nhiên việc xây dựng một đại học Texas nước Mỹ. Mô hình ADCIRC file hệ số ma sát tại các nút của miền tính lớn là (Advanced Circulation Model for Oceanic) là rất khó khăn và tốn nhiều thời gian. Trong bài một hệ thống những mô hình giải các phương báo này tác giả đã tiến hành xác định độ nhạy trình thủy động lực mô phỏng hoàn lưu tầng của hệ số ma sát với các trường hợp tính toán mặt và bài toán thủy động lực hai hoặc ba chiều khác nhau và so sánh kết quả tính toán mực [1]. Những chương trình này dùng phương pháp phần tử hữu hạn cho phép sử dụng các lưới phi ___ cấu trúc có tính linh hoạt cao, đặc biệt có thể * ứng dụng rất tốt cho các khu vực cửa sông ven Tác giả liên hệ. ĐT.: 84-912726027 biển có địa hình và đường bờ phức tạp. Mô Email: huonghat@vnu.edu.vn 202
2. T.T. Thảo, H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 202-209 203 hình được xây dựng dựa trên các phương trình khi đó biểu thức này giảm nhanh khi độ sâu cơ bản, bao gồm: nước trở nên nhỏ. Ma sát tuyến tính chủ yếu sử Phương trình liên tục: dụng cho thử nghiệm mô hình hoặc khi mô hình  UH  VH tuyến tính được chạy theo yêu cầu. Trong 0 trường hợp này, độ lớn của  phải phù hợp (ít t  x  y * Các phương trình bảo toàn động lượng: nhất là về độ lớn) với giá trị được sử dụng tính toán biểu thức ma sát toàn phương và không UUUP      U V fV g g()   sx bx D B x x phải với giá trị của C f thông thường được sử t  x  y  x P0 PH 0 PH 0 dụng trong biểu thức toàn phương [1].   VVVP    sy by Trong trường hợp sử dụng hàm tuyến tính: U V fU g g()   Dy B y t  x  y  y P PH PH 0 0 0 * C f trong đó: trong đó C f = không đổi theo thời gian (có  là dao động mực nước U, V là các vận tốc thể thay đổi theo không gian), đơn vị là s-1 được lấy tích phân theo độ sâu theo hướng x và y Trong trường hợp sử dụng hàm toàn P là áp suất, H là độ sâu mực nước CUV()2 2 1/2 phương: f Dx, Dy là các thành phần khuếch tán theo * H các phương trong đó C = không đổi theo thời gian (có Bx, By là các thành phần gradient áp suất f theo các phương, ( ): thế thuỷ triều Newton, thể thay đổi theo không gian), không thứ thuỷ triều trái đất và các lực mang bản chất lực nguyên. thuỷ triều CUV()2 2 1/2  f   * H bx , by là ứng suất đáy theo các hướng x Hàm tổ hợp: và y Hbreak  /  trong đó CCf f min (1 ( ) ) và   H sx , sy là ứng suất mặt theo các hướng x C , H , ,  : không đổi theo thời và y f min break (?) (?) gian. 0 là mật độ tham chiếu của nước Trong quan hệ ma sát tổ hợp, tiệm cận trong 2.1. Hệ số ma sát trong ADCIRC vùng nước sâu (H > Hbreak) và tiệm cận với H C ()break  trong vùng nước nông (H < Ứng suất đáy trong phiên bản 2DDI của f min H ADCIRC được biểu diễn như sau: Hbreak). Số mũ  xác định mức độ Cf tiến đến  U   V  bx * và by * giới hạn tiệm cận và  xác định mức tăng hệ số ma sát khi độ sâu giảm. Nếu Tùy thuộc vào cách sử dụng, kết quả có thể 2  là hàm tuyến tính, toàn phương hay tổ hợp của Cfmin gn/ H break và =1/3, trong đó g là gia vận tốc trung bình theo độ sâu. Đối với hầu hết tốc trọng trường và n là hệ số Meaning, ma sát những ứng dụng cho vùng ven bờ, hàm ma sát tổ hợp sẽ có một phương trình Meaning xử lý toàn phương nên được sử dụng với hệ số ma sát ma sát cho trường hợp H <Hbreak. Ví dụ về mối C ~0.0025. Trong vùng nước rất nông, ma sát f quan hệ giữa C f min và n khi  1/ 3 được đưa tổ hợp có hiệu quả hơn, với C ~ 0.0025, đặc fmin ra dưới đây. biệt khi các tham số khô và ướt được tính đến,
3. 204 T.T. Thảo, H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 202-209 C C gn2 / H  Bảng 1. So sánh giữa f min và n thì fmin break C n n n N f min H H H H break =1m break =5m break =10m break =20m 0.0015 0.012 0.016 0.018 0.02 0.002 0.014 0.019 0.021 0.024 0.0025 0.016 0.021 0.023 0.026 0.003 0.017 0.023 0.025 0.029 0.004 0.02 0.026 0.03 0.033 0.005 0.023 0.03 0.033 0.037 0.01 0.032 0.042 0.047 0.053 2.2. Điều kiện ban đầu và và điều kiện biên áp U 0 dụng trong mô hình N tại các nút trên biên. V 0 Điều kiện biên mực nước N Điều kiện biên mực nước có thể được xác Điều kiện biên vận tốc phát xạ - ADCIRC định thông qua 2 cách: 2DDI - Thứ nhất: mô hình tự nội suy các hằng số Điều kiện biên phát xạ với mực nước được điều hòa tại mỗi nút biên từ bộ hằng số điều hòa thực hiện bằng việc xác định mối liên hệ giữa vận toàn cầu và tính toán chuỗi mực nước tại mỗi tốc pháp tuyến và trường mực nước dọc biên. nút biên. Điều kiện gradient mực nước pháp tuyến - Thứ hai: từ các chuỗi mực nước theo thời bằng không tại biên gian tại mỗi nút biên.   0 Điều kiện thông lượng  n ADCIRC cho pháp xác định các điều kiện Điều kiện biên phát xạ trên mặt - ADCIRC biên bao gồm thông lượng pháp tuyến trên đơn 2DDI vị rộng (nghĩa là thông lượng vuông góc bằng Điều kiện biên phát xạ với mực nước có thể không tại các đoạn biên đất và khác không tại được thực hiện bằng việc xác định mối liên hệ các đoạn biên sông). Quy tắc được dùng trong giữa thông lượng pháp tuyến và trường mực ADCIRC là thông lượng pháp tuyến đưa vào là nước dọc biên. thông lượng đi vào miền tính là dương và thông lượng đi ra là âm. Nếu thông lượng pháp tuyến 2.3. Các điều kiện triển khai cho mô hình được áp dụng như một điều kiện biên tự nhiên, Để triển khai mô hình ADCIRC tính toán sẽ không làm thay đổi các phương trình động mực nước dâng do bão với lưới tính toàn Biển lượng. Còn nếu điều kiện này được áp dụng Đông tại biên cứng, sử dụng điều kiện dính như một điều kiện biên cần thiết, vận tốc pháp không thấm, các thành phần vận tốc lấy bằng 0, tuyến trung bình độ sâu U N , là lực để cân bằng Sử dụng điều kiện biên dao động mực nước tại với thông lượng pháp tuyến chia cho độ sâu và các biên lỏng. Dao động mực nước thủy triều nhân với -1 (?) (quy ước U N dương theo tại các biên lỏng được được tạo bằng mô đun hướng vuông góc ra xa miền tính). TIDE từ hằng số điều hòa của 4 sóng K1, O1, Điều kiện gradient vận tốc pháp tuyến bằng M2, S2. Hệ số ma sát sử dụng trong mô hình không tại biên. được lấy theo các trường hợp tính toán là:
4. T.T. Thảo, H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 202-209 205 - Hằng số không đổi cho toàn miền tính zsh là độ trượt lớp biên đáy theo hàm được lấy cho các trường hợp lần lượt là 0.003, Logarit (m) bằng 0.01 0.004, 0.0045. D là độ sâu tại nút lưới - Hệ số thay đổi theo các nút trên toàn miền tính được xây dựng và ghi định dạng theo file fort.21. Trong đó file fort.21 được xây dựng 3. Kết quả tính toán kiểm tra độ nhạy của hệ theo công thức tính hệ số ma sát đáy sử dụng số ma sát đến nước dâng do bão trong mô hình Pom [2]. Hệ số ma sát được giới hạn cho Biển Đông trong khoảng [0.0025; Lưới tính sử dụng để khảo sát là lưới phi 0.75]. Dựa vào độ sâu được nội suy từ file lưới cấu trúc cho toàn vùng Biển Đông giới hạn từ tính thực hiện tính ma sát tại từng nút lưới theo 990 E - 1210E và 10N - 250N và khoảng cách công thức dưới đây: lưới thưa ở các biên phía Đông, phía Nam và k 2 mịn dần về phía bờ biển Việt Nam. Khoảng c b c cách lưới tính nhỏ nhất ở ven bờ phía vịnh Bắc z s h (1 . e 0 z z ) D lo g [ ] 2 Bộ và Bắc Trung Bộ là 5 km. Các kết quả tính z0 b toán được trích xuất và so sánh với mực nước trong đó: thực đo tại các trạm Hòn Dáu và Hòn Ngư k là hằng số Von Karman’s bằng 0.4 trong bão Wukong (2000). z0b là độ nhám đáy (m) bằng 0.7 Hình 1. Lưới tính toàn biển Đông. Hình 2. Quỹ đạo bão Wukong (2000). Hình 3. Kết quả nghiệm triều tại Hòn Dáu (phân tích điều hòa và tính toán).
5. 206 T.T. Thảo, H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 202-209 Hình 4. Kết quả nghiệm triều tại Hòn Ngư. Bảng 2. Sai số tuyệt đối của các trường hợp tính toán thủy triều Sai số tuyệt đối so sánh với phân tích điều hòa thủy triều [?] Trạm TT 0.0045 TT 0.004 TT 0.003 TT Fort.21 Hòn Dáu 0.206 0.252 0.316 0.246 Hòn Ngư 0.569 0.229 0.138 0.225 3.1. Hiệu chỉnh và kiểm chứng thủy triều trường hợp hệ số ma sát thay đổi giữa các nút (fort.21). Điều này chứng tỏ các thông số của Để khảo sát độ chính xác của mực nước mô hình đã được hiệu chỉnh phù hợp với khu thủy triều, thực hiện hiệu chỉnh thủy triều tại 2 vực tính toán và có thể tiến hành tính toán nước trạm Hòn Dáu, Hòn Ngư, sau đó hiệu chỉnh với dâng do bão. số liệu trích từ bảng thủy triều của Trung tâm Hải văn (Tổng cục Biển và Hải đảo). Hiệu 3.2. Kết quả tính toán kiểm tra độ nhạy của hệ chỉnh dao động mực nước thủy triều tính toán số ma sát đến nước dâng do bão bằng cách thay đổi giá trị hệ số ma sát đáy. Để tiến hành kiểm tra độ nhạy của hệ số ma Chuỗi mực nước thủy triều được tính từ 14h sát đến mực nước dâng do bão tác giả thực hiện ngày 01/04/2014 đến 23h ngày 29/04/2014. tính toán nước dâng do bão Wukong (2000) Chuỗi dao động mực nước tại các biên lỏng làm điều kiện biên của mô hình đã được hiệu chỉnh theo 3 trường hợp với hệ số ma sát đáy không từ giờ UTC về múi giờ Hà Nội. Với tất cả các đổi và trường hợp ma sát đáy thay đổi tại các trường hợp của hệ số ma sát đáyđược đưa ra ở nút của miền tính với số liệu thực đo. Chuỗi số trên kết quả hiệu chỉnh triều đều cho kết quả liệu khí tượng kéo dài 7 ngày từ 13h ngày khá tốt về pha và biên độ dao động thủy triều 04/09/2000 đến 18h ngày 10/09/2000 [3]. (Hình 3, 4). Bão Wukong bắt đầu ảnh hưởng đến dải Từ bảng tính toán sai số tuyệt đối của thủy ven bờ Việt Nam vào 0h ngày 8/9/2000.Bão bắt triều tại trạm Hòn Dáu và Hòn Ngư trong các đầu ảnh hưởng đến khu vực ven bờ với sức gió trường hợp hệ số ma sát khác nhau so sánh với 10m/s. Lúc này, nước dâng tại khu vực Bắc phân tích điều hòa thủy triều cho thấy sai số vịnh Bắc Bộ và dải ven bờ Bắc Trung Bộ cao tuyệt đối trong trường hợp hệ số ma sát là hằng khoảng 1.5m do kết hợp với pha thủy triều lên. số và bằng 0.004 cho giá trị nhỏ nhất cho cả 2 [Nên có hình vẽ minh họa]. trạm và có giá trị xấp xỉ sai số tuyệt đối trong
6. T.T. Thảo, H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 202-209 207 Có thể thấy rằng thay đổi hệ số ma sát cho từng trường hợp tính toán cho kết quả tính toán mực nước chênh lệch nhau khá lớn. Đối với trường hợp tính toán hệ số ma sát bằng 0.003 khi so sánh với mực nước thủy triều cho chênh lệch lớn (0.31m) nhưng kết quả tính toán mực nước dâng bão có sai số tuyệt đối khá nhỏ (0.18m) và chỉ lớn hơn các trường hợp tính toán khác 2-3 cm tại Hòn Dáu. Tại trạm Hòn Ngư do bão Wukong đổ bộ vào thời kỳ triều cường nên ảnh hưởng của thủy triều đến mực nước dâng do bão lớn. Việc thay đổi hệ số ma sát trong các trường hợp tính toán cho kết quả chênh lệch nhau khá lớn cả về hiểu chỉnh thủy triều và nước dâng do bão do chế độ thủy triều của khu vực này là triều hỗn hợp độ Hình 5. Thời điểm nước dâng cao nhất tại dải ven lớn 0.5 - 1m. Tuy nhiên các kết quả tính toán bờ lúc 22h ngày 09/09/2000. nước dâng lại bắt rất tốt về pha và thời gian nước dâng do bão. Sai số tuyệt đối của nước Thời điểm bão bắt đầu đổ bộ vào tỉnh Hà dâng dao động từ 0.35m đến 0.28m cao hơn rất Tĩnh lúc 22h ngày 9/9/2000. Mực nước dâng tại nhiều so với trạm Hòn Dáu. Từ bảng 2 có thể toàn bộ dải ven bờ từ Bắc Hà Tĩnh đến Quảng thấy rằng việc lựa chọn hệ số ma sát đặc trưng Ninh cao khoảng 1.5m (Hình 5). Khu vực ven cho cả vùng Vịnh Bắc Bộ là 0.004 (TT 0.004) biển từ Đà Nẵng đến phía Nam Hà Tĩnh mực cho sai số nhỏ và gần với trường hợp lựa chọn nước dâng cao khoảng 1.3m. Thời điểm bão bắt hệ số ma sát tính toán tại các nút lưới (TT đầu đổ bộ rơi vào thời điểm pha triều xuống Fort.21). Vì vậy trong trường hợp cần dự báo nên mực nước dâng toàn vùng thấp hơn thời nhanh nước dâng do bão ta có thể áp dụng hệ số điểm bão bắt đầu ảnh hưởng đến dải ven bờ ma sát là hằng số cho toàn vịnh. Hình 6. Biến trình nước dâng do bão các trường hợp Hình 7. Biến trình nước dâng do bão các trường hợp tính toán và thực đo tại trạm Hòn Dáu. tính toán và thực đo tại trạm Hòn Ngư.
7. 208 T.T. Thảo, H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 202-209 Bảng 3. Sai số tuyệt đối của các trường hợp tính toán nước dâng Sai số tuyệt đối so sánh với mực nước thực đo Trạm TT 0.0045 TT 0.004 TT 0.003 TT Fort.21 Hòn Dáu 0.154 0.169 0.188 0.169 Hòn Ngư 0.349 0.287 0.226 0.285 giữa các trường hợp tính toán (hình 8) chênh lệch mực nước dâng cao nhất giữa các trường hợp tính toán khoảng 10 cm. 4. Kết luận Từ các kết quả tính toán cho thấy sự thay đổi của hệ số ma sát ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán nước dâng do bão khu vực Vịnh Bắc Bộ. Tác giả đã kiểm nghiệm và lựa chọn được hệ số ma sát bằng 0.004 áp dụng cho toàn khu Hình 8. Biến trình nước dâng do gió bão trong các v ực Vịnh Bắc Bộ thay vì phải xác định hệ số trường hợp tính toán tại trạm Hòn Ngư (không xét ma sát tại các nút lưới tính và cho ra kết quả có đến ảnh hưởng của thủy triều). sai số tuyệt đối giữa hai trường hợp này là gần Bão Wukong đổ bộ vào thời kỳ triều cường tương đương. nên ảnh hưởng của thủy triều đến mực nước dâng do bão lớn. Mực nước dâng tổng cộng lên đến hơn 1.5m nhưng khi không tính đến ảnh Tài liệu tham khảo hưởng của thủy triều, mực nước dâng do bão vào thời điểm cao nhất chỉ cao khoảng 0.5m. [1] A (parallel) advanced circulation model for Tại thời điểm bão chưa ảnh hưởng tới khu vực oceanic, coastal and estuarine waters. ven bờ, tất cả các trường hợp tính toán khác [2] Pom08.f - Center for Coastal Physical nhau của hệ số ma sát đều cho một kết quả mực Oceanography. nước (các đường trùng khít nhau), chỉ khi bảo [3] Typhoon 200016 (Wukong)-General Information (Pressure and Track Charts). ảnh hưởng tới khu vực ven bờ (từ 15h ngày 08/9/2000) mới có sự thay đổi về mực nước
8. T.T. Thảo, H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 202-209 209 Assessment the Effects of Bottom Friction Coefficient to Storm Surge Water Levels by Model ADCIRC in the Gulf of Tonkin Region Tran Thi Thao, Ha Thanh Huong Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, College of Science, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: The storm surge calculations show that the effect of bottom friction is extremely important to calibrate the tide and is one of the determinants of the accuracy of the storm surge simulation bymodels. In this paper modules ADCIRC of SMS model system is used to simulate the storm surge for assessment the effect of bottom friction coefficient to storm surges calculation results through cases with constant bottom friction coefficient and that coefficient to be calculated at every nodes of the grid.The optimum friction coefficients has selected and applied to the Tonkin Gulf region, that makes the calculated results storm surges to be more effective Keywords: Storm surge water, Bottom Friction, ADCIRC.