đại học quốc gia hà nội
trờng đại khoa học Tự Nhiên
* * * * *

Nguyễn Quốc Trinh
Nghiên cứu chế độ động lực v
môi trờng vùng biển đông nam bộ luận văn thạc sĩ khoa học

Hà nội - 2007

đại học quốc gia hà nội
trờng đại khoa học Tự Nhiên
* * * * *

Nguyễn Quốc Trinh

Nghiên cứu chế độ động lực v
môi trờng vùng biển đông nam bộ

3. Nội dung chính của luận văn
- 1 -

4. Phơng pháp nghiên cứu
- 1 -

5. Phạm vi nghiên cứu
- 2 -

6.
ý
nghĩa khoa học và thực tiễn
- 2 -

Chơng 1 - Đặc điểm điều kiện tự nhiên vùng biển Đông Nam Bộ
- 3 -

1.1. Đặc điểm chung
- 3 -

1.2. Đặc điểm hình thái địa hình
- 3 -

1.3. Đặc điểm khí hậu
- 4 -

1.3.1. Chế độ khí tợng
- 4 -

1.3.2. Chế độ thuỷ văn

- 13 -

2.3.2. Mô hình số cho dòng chảy gần bờ
- 14 -

2.3.3. Mô hình số cho tính tràn dầu trong vùng cửa sông và ven bờ
- 15 -

2.3.4 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
- 16 -

2.3.5. Sơ đồ sai phân và lời giải số trị
- 16 -

2.3.6. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 3D
- 17 -

Chơng 3 - Kết quả thu thập dữ liệu và nghiên cứu chế độ
động lực và môi trờng vùng biển Đông Nam bộ
. - 19 -

3.1. Cơ sở dữ liệu
- 19 -

3.1.1. Địa hình
- 19 -

3.1.2. Khí tợng
- 20 -


Danh mục Bảng

Bảng 2.1a. Hệ số và đối số của một số phân triều chính - 10 -

Bảng 2.1b. Hệ số và đối số của một số phân triều chính (tiếp) - 10 -
Bảng 2.2. Phân loại tính chất triều - 13 -
Bảng 3. 1 Thông tin dữ liệu khí tợng tại các trạm cố định - 21 -
Bảng 3.2 Thông tin dữ liệu khi tợng quan trắc ngoài khơi bằng obs_ship - 21 -
Bảng 3.3. Thông tin dữ liệu hải văn tại các trạm cố định - 22 -
Bảng 3.4. Thông tin dữ liệu mực nớc trạm nghiệm triều - 23 -
Bảng 3.5. Thông tin các chuỗi số liệu dòng chảy - 24 -
Bảng 3.6. Đặc trng gió tại các trạm theo hớng trong năm - 26 -
Bảng 3.8. áp suất (mb) không khí mặt biển - 29 -
Bảng 3.9. Nhiệt độ (
0
C) không khí - 32 -
Bảng 3.10. Số lần và tần suất sóng theo hớng theo số liệu trạm Phú Quý (1986-
2005) - 33 -

Bảng 3.11. Độ cao sóng trung bình (m) và độ cao sóng cực đại (m) theo hớng
theo số liệu trạm Phú Quý (1986-2005) - 35 -

Bảng 3.12. Số lần và tần suất sóng theo hớng theo số liệu trạm Côn Đảo (1978-
2005) - 36 -

Bảng 3.13. Độ cao sóng trung bình (m) và độ cao sóng cực đại (m)theo hớng
theo số liệu trạm Côn Đảo (1978-2005) - 37 -

Bảng 3.14. Hằng số điều hoà mực nớc tai các vị trí trạm đo - 39 -
Bảng 3.15. Số lần và tần suất xuất hiện dòng chảy theo hớng - 43 -

Hình 3.10. Biến thiên mực nớc (cm) trung bình năm trạm Vũng Tàu - 38 -
Hình 3.11. Dao động thuỷ triều tại một số trạm trong vùng nghiên cứu - 41 -
Hình 3.12. Biến trình véc tơ dòng chảy theo thời gian tại trạm số 2 - 46 -
Hình 3.13. Biến trình véc tơ dòng chảy theo thgời gian tại trạm số 3 - 47 -
Hình 3.14. Profile nhiệt độ và độ muối theo độ sâu vùng nghiên cứu (mùa đông) . - 48 -
Hình 3.15. Profile nhiệt độ và độ muối theo độ sâu vùng nghiên cứu (mùa hè) - 49 -
Hình 3.16. Dao động thủy triều tại trạm Vũng Tàu - 51 - Lời cảm ơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn Khoa Khí tợng Thuỷ văn và Hải dơng
học, Phòng đào tạo Sau đại học thuộc Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại
học Quốc gia Hà nội; Trung tâm Khí tợng Thuỷ văn biển, Trung tâm T liệu
Khí tợng Thuỷ văn, Trung tâm ứng dụng Công nghệ Khí tợng Thuỷ văn
thuộc Trung tâm Khí tợng Thuỷ văn Quốc gia; Viện Khí tợng Thuỷ văn và
Môi trờng; Tạp chí biển.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Giáo viên hớng dẫn GS. TS Đinh Văn
Ưu và toàn thể các thầy cô giáo trong và ngoài trờng; và các bạn đồng
nghiệp trong và ngoài cơ quan đã giúp đỡ và động viên tác gải đã hoàn thành
công trình nghiên cứu này.

Tác giả
- 1 -
- 2 -
9 Phơng pháp thống kê;
9 Phơng pháp phân tích điều hoà;
9 Phơng pháp số trị;
5. Phạm vi nghiên cứu
Giới hạn về không gian: Khu vực vùng biển Đông Nam bộ từ 7
0
N đến 11
0
N vĩ
độ Bắc và từ 105
0
E đến 109
0
E kinh độ Đông.
Giới hạn về khoa học: Luận văn nghiên cứu chế độ động lực và môi trờng
vùng biển Đông Nam bộ. Cơ sở toán học và các yếu tố cơ bản của địa lý tự nhiên
nh hình thái địa hình, một số trờng khí tợng (gió, áp và nhiệt), các yếu tố hải văn
(mực nớc, dòng chảy, sóng và nhiệt muối) và áp dụng mô hình tính toán tràn dầu
và hiện tợng dâng - rút nớc do gió mùa.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn
ý nghĩa khoa học: Làm rõ chi tiết đợc chế độ thuỷ động lực vùng biển Đông
Nam bộ. Mô phỏng đợc sự biến đổi của trờng động lực và môi trờng khi có sự cố
tràn dầu vùng cửa sông và ven biển.
ý nghĩa thực tiễn: Góp phần giải thích chế độ động lực, cảnh báo ngăn ngừa
các ảnh hởng xấu đến môi trờng sinh thái khi có sự cố tràn dầu và giải thích hiện
tợng dâng rút nớc vùng cửa sông ven biển Đông Nam bộ.


vực ven bờ và cửa sông, vai trò của các cửa sông, sóng, thuỷ triều và dòng chảy tạo
nên địa hình biến đổi thờng xuyên phức tạp và đa dạng. Khu vực Bình Thuận và Bà
Rịa-Vũng Tàu thì bờ biển tơng đối dốc, không có nhiều cửa sông và nhiều bãi cát
đẹp, bờ đá gốc có nhiều dốc. Đờng đẳng sâu 10 m phân bố phức tạp. Khu vực từ Bà
Rịa - Vũng Tàu đến mũi Cà Mau thì mang đặc tính bờ của châu thổ sông Đồng Nai
và sông Cửu Long, địa hình thấp, phẳng, bị chia cắt bởi các cửa sông. Ven các cửa
sông phát triển các bãi triều rộng lớn, đờng đẳng sâu 10 mét thờng chạy song
song với bờ và cách bờ khoảng 12-15 km. Phân bố các cồn cát ở vùng cửa sông
thờng xuyên biến động. Các bồi tụ và xói lở bờ biển diễn ra mạnh mẽ, rất phức tạp.
Khu vực có độ sâu từ 10 đến 15m có dải rất hẹp chạy song song hình dạng bờ, dạng
bờ dốc, vòng cung. Khu vực có độ sâu từ 15 đến 50m là trải rộng, thoải và độ dốc
tơng đối đều. Khu vực có độ sâu lớn hơn từ 50m trở lên có độ dốc tơng đối lớn và
có cấu tạo địa hình đấy trên nền đá gốc.
- 4 -

Hình 1.1. Khu vực nghiên cứu vùng biển Đông Nam bộ
1.3. Đặc điểm khí hậu
1.3.1. Chế độ khí tợng
Vùng biển Đông Nam bộ thuộc Biển Đông chịu ảnh hởng khí hậu nhiệt đới
gió mùa và hoạt động của bờ Tây Thái Bình Dơng [7], [11], [24], [35], [48], [50],
[51], [52], [53]. Hàng năm có bốn thời kỳ và chế độ mùa rõ nét là mùa khô và mùa
ma; và hai thời kỳ chuyển tiếp là từ đông sang hè và từ hè sang đông. Đặc điểm
chung của vùng khí hậu Nam Bộ là nắng nhiều, nền nhiệt độ cao quanh năm và
nhiệt độ cực đại hai lần trong năm, mùa ma là mùa hè, mùa khô chủ yếu là các
tháng giữa và cuối mùa đông, đầu mùa hè, sự thể hiện của mùa ma rõ rệt hơn nhiều
so với mùa nhiệt. Quá trình hoàn lu khí quyển (bão, gió mùa, ma, lũ) đã tạo nên
chế độ thuỷ động lực biển phức tạp, chi phối sự hình thành, phát triển các hệ sinh

Ninh Thuận - Bình Thuận thì module dòng chảy năm khoảng 5 - 10 l/s.km
2
, nhỏ
nhất nớc ta. Dòng chảy khu vực ven biển Ninh Thuận - Bình Thuận, về mùa lũ
phân bố không đều và ngắn thờng xảy từ tháng VI đến tháng X, XI. Lợng dòng
chảy mùa lũ chiếm 80-85% dòng chảy năm. Về mùa cạn tồn tại trong các tháng còn
lại, nhng thờng có xảy ra lũ tiểu mãn. Lợng dòng chảy mùa cạn chiếm 5-10%
dòng chảy năm. Hệ thống sông Đồng Nai có module dòng chảy năm khoảng 10-15
l/s/km
2
ở vùng thợng lu và tăng dần khoảng trên 50 l/s/km
2
ở vùng hạ lu, lu
lợng trung bình năm của hệ thống sông này 1150 m
3
/s. Mùa lũ thờng xuất hiện
vào tháng VII và kết thúc vào tháng IX. Lợng dòng chảy mùa lũ khoảng 65-85%
tổng lợng dòng chảy năm. Mùa cạn kéo dài trong thời gian còn lại trong năm,
nhng lợng dòng chảy chỉ khoảng 15-35% tổng lợng dòng trong năm.
1.3.3. Chế độ hải văn
Đặc điểm thuỷ văn biển khu vực nghiên cứu khá phong phú, đa dạng và phức
tạp.
Thuỷ triều khu vực nghiên cứu khá lớn và rất đa dạng [2], [5], [9], [11], [12],
[23], [25], [27], [29], [32], [34], [45], [47], [49], [50], [52], [53], [54]. Có nhiều nhà
nghiên cứu về vấn đề này nh: Phan Phùng (1974), Đặng Công Minh (1975),
Nguyễn Ngọc Thuỵ (1962, 1975, 1984), Đỗ Ngọc Quỳnh (1995), Phạm Văn Huấn
(1997), v.v Chế độ tính chất và độ lớn thuỷ triều đóng vai trò quan trọng trong
vùng nghiên cứu [32], [37], [39], [45], [46].
khác nh không khí, đất đai duyên hải, các sông và đặc biệt đến hệ sinh thái và con
ngời. Gần đây, các sự cố môi trờng biển xảy ra liên tiếp làm ảnh hởng đến hoạt
động xã hội và đời sống dân sinh. Song song với sự phát triển kinh tế - xã hội, môi
trờng sinh thái vùng biển sẽ chịu tác động mạnh mẽ bởi hoạt động của các cảng
- 7 -
biển và giao thông trên biển, các khu công nghiệp ven biển, các khu vực nuôi trồng
thủy hải sản, các khu du lịch giải trí và đặc biệt là khai thác dầu khí. Vùng nghiên
cứu này vừa qua đã bị ảnh hởng trực tiếp của sự cố tràn dầu và dầu loang trên biển.
Bên cạnh đó thờng xuyên xảy ra các vụ đụng tàu và nớc trong sông chảy ra. Đây
là nguyên nhân ô nhiễm do chất thải của các tàu thuyền, các bến cảng; từ hoạt động
khai thác, chế biến và nuôi trồng thủy sản; từ các hoạt động phát triển kinh tế xã hội
trên bờ. Ô nhiễm do dầu mỡ tới mức nghiêm trọng, sự cố tràn dầu và loang trên biển
hậu quả vô cùng nghiêm trọng [4].
- 8 -
Chơng 2 - Phơng pháp nghiên cứu

Để tiện công tác xử lý số liệu, tránh hiện tợng lặp lại nhiều trong luận văn
nên tác giả sẽ liệt kê các phơng pháp trong chơng này.
2.1. Phơng pháp thống kê
2.1.1. Phơng pháp thống kê
Sử dụng phơng pháp toán học thống kê để tính toán các giá trị đặc trng cơ
bản của chuỗi số liệu nh các giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình. Các đặc trng
này đợc xác định cho các chuỗi số liệu ngày, tháng, năm và nhiều năm.
Các giá trị trung bình đợc tính theo trung bình số học, từ chuỗi số liệu đo liên

biến độc lập
j
x
lên biến phụ thuộc y có thể mô tả bằng ảnh hởng
tuyến tính. Khi đó phơng trình cơ bản của hồi quy tuyến tính đa biến có dạng


=
+=++=
M
j
iiijijji
eyexxaay
1
0

)(
, (2.1.2)
trong đó
i
số hiệu quan trắc trong tập giá trị mẫu độ dài
N
, ( Ni , ,1= );

j
số
hiệu biến độc lập
j
x (
M

i
jij
x
N
x
1

1
;

i
y

trị số của biến phụ
thuộc thứ
i
, đợc khôi phục nhờ phơng trình hồi quy;

i
e
sai lệch giữa trị số khôi
phục
i
y

và trị số quan trắc
i
y
.
Giải bài toán xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính đa biến quy về tìm những

uV ).(Gr
0
+
xác định tới kinh tuyến địa phơng hoặc kinh tuyến
múi giờ. Các biên độ
H
và các góc vị
g
, gọi là những hằng số điều hoà. Các đại
lợng thiên văn nh
f ,
0
V và u , là những tham số thiên văn hàm thời gian.
Những hằng số điều hoà thủy triều
i
H và
i
g chính xác nhất có thể đợc xác
định từ hệ các phơng trình (2.2.1) bằng phơng pháp bình phơng nhỏ nhất. Ta
biến đổi công thức độ cao mực nớc triều (2.2.1) tới dạng thuận tiện cho sơ đồ phân
tích điều hoà bằng phơng pháp bình phơng nhỏ nhất. Nhóm những đại lợng biến
thiên với thời gian và đa ra:

];).(Grsin[
];)+.(Gr[cos
0
0
iiii
iiii
uVtqfb







nhân với phần
riêng của từng phân triều
Giá trị trung
bình
của hệ số
2
M
Mặt Trăng chính
2
cos
4
5
2
1
42
I
e















0,2120
1
K
Mặt Trăng Mặt Trời độ thiên
Xem chú thích 2 0,0576
1
O

Mặt Trăng chính
2
cossin
4
5
2
1
22
I
Ie














0,0880
2
K
Mặt Trăng Mặt Trời độ thiên
Xem chú thích 1 0,2655
Bảng 2.1b. Hệ số và đối số của một số phân triều chính (tiếp)
Ký hiệu sóng
Đối số V gồm phần (v) và (u) Tốc độ góc trong 1 giờ
(v) (u)
q

2
M

sht 222 +

22 +
28,98410
2
N
psht
+

1
Q

D
903 ++ psht


+2
13,39867
1
P

D
90 ht
14,95893
2
K

D
90++ ht



15,04107
Chú thích 1:
2
1
]2cossinsin)()(2sin)(sin)[(
2222
1

3
4
1
22
8
3
4
1
2222
1
8
3
4
1
222
8
3
4
1
1

IGeeGeIeK ++++++=
Các ký hiệu trong bảng:
2
1






cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời,

e độ lệch tâm quỹ đạo Mặt Trăng,
1
e độ lệch
tâm quỹ đạo Trái Đất,


góc nghiêng mặt phẳng hoàng đạo so với mặt phẳng xích đạo,

I
góc nghiêng của quỹ đạo Mặt Trăng so với mặt phẳng xích đạo,


kinh độ giao điểm
quỹ đạo Mặt Trăng với mặt phẳng xích đạo,


kinh độ tiết điểm lên của quỹ đạo Mặt
Trăng,
h kinh độ trung bình của Mặt Trời;

s
kinh độ trung bình của Mặt Trăng;

p
kinh
độ trung bình cận điểm quỹ đạo Mặt Trăng.
Các phơng trình độ cao mực nớc (2.2.1) ứng với thời gian t sẽ có dạng sau:


X
Y
gYXH arctg ,
22
=+= (2.2.5)
Việc giải hệ
n
phơng trình tuyến tính (2.2.4) thực hiện bằng phơng pháp
bình phơng nhỏ nhất. Phơng pháp bình phơng nhỏ nhất đảm bảo tìm các ẩn
i
XA ,
0
và
i
Y sao cho vế phải của các phơng trình (2.2.4) phù hợp tốt nhất với các
giá trị mực nớc
t
z thực đo, tức làm cho tổng các bình phơng của hiệu mực nớc
quan trắc và mực nớc mô tả bằng phơng trình (2.2.4) trong tất cả các quan trắc trở
thành cực tiểu


=






++

2
M
đến phân triều cuối
cùng đợc quy ớc ký hiệu là W ):
- 12 -
0
=

N
A
X (2.2.7)
hay dới dạng ma trận:
n

][
2
M
a

][
2
M
b ][
2
S
a


2
M
X

][
2
za
M

][
2
M
b

][
22
MM
ba

][
22
MM
bb ][
22
SM
ab

][
2
WM

WW
bb
W
Y

][ zb
W

trong đó ký hiệu
[]
dùng để chỉ phép lấy tổng theo thời gian từ
1
t đến
n
t .
Việc giải hệ các phơng trình chuẩn tắc đợc thực hiện bằng một trong các sơ
đồ của phơng pháp tính, thí dụ sơ đồ đảo ma trận

1
= NAX
(2.2.8)
hoặc sơ đồ lặp Seidel.
Khi biến đổi phơng trình độ cao mực nớc (2.2.1) thành dạng (2.2.4) các đại
lợng
f và )(
0
uV + không bị đa vào trong các ẩn số nh đã làm trong phơng pháp
Darwin và Doodson, mà đợc đa vào trong các hệ số
i
a và

M
, để phân loại thuỷ triều. Trên đại dơng có thể có bốn loại thủy triều cơ
bản ứng với những giá trị của tỷ số trên nh sau [17], [18]:

- 13 -
Bảng 2.2. Phân loại tính chất triều
Loại thủy triều: Giới hạn của tỷ số:
Bán nhật triều đều 0 ữ 0,5
Bán nhật triều không đều 0,5 ữ 2,0
Nhật triều không đều 2,0 ữ 4,0
Nhật triều đều > 4,0
2.3. Phơng pháp số trị
Sử dụng phơng pháp số trị nhằm mục đích mô phỏng một hay nhiều yếu tố
hải văn trên toàn vùng nghiên cứu. Trong luận văn này, mô phỏng trờng sóng, dòng
chảy ven bờ và đặc biệt là sự cố tràn dầu trên mặt biển và hiện tợng dâng - rút nớc
ở vùng ven bờ do các hớng gió khác nhau. Do vậy, thử nghiệm và khai thác một số
mô hình áp dụng vào vùng nghiên cứu mà đã đợc lựa chọn, đó là vùng biển Đông
Nam bộ.
2.3.1 Mô hình tính sóng vùng ven bờ
(Multi directional - spectrial wave tranformation model including diffraction effect)
Mô hình tính toán sự lan truyền sóng ngẫu nhiên trong vùng gần bờ do Mase
(1988) đa ra. Nhng quá trình xây dựng và kiểm nghiệm mô hình đến năm 1999
mới hoàn thiện. Mô hình đợc xây dựng dựa trên việc giải phơng trình cân bằng
năng lợng sóng ngẫu nhiên đa hớng, có tính tới các quá trình phản xạ và nhiễu xạ
của sóng trong vùng có điạ hình biến đổi phức tạp và có vật che chắn [59].
Phơng trình cân bằng năng lợng sóng ngẫu nhiên nh sau:




+


+


22
cos
2
1
cos
2
(2.3.1)
trong đó:
S là hàm mật độ phổ năng lợng sóng, C là vận tốc truyền sóng, Cg là
vận tốc nhóm sóng,

là hớng truyền sóng,

là tần số góc,
K
là thông số tính tới
sự nhiễu xạ sóng (
5,2=K theo Maseetal, 1998),
b

là hệ số tiêu tán năng lợng sóng
do sóng bạc đầu và sóng vỡ.