ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
....................................

Nguyễn Minh Hải

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRƢỜNG GIÓ
VÀ ÁP SUẤT KHÔNG KHÍ TỚI QUÁ TRÌNH DAO ĐỘNG
DÂNG, RÚT MỰC NƢỚC PHI TUẦN HOÀN TẠI KHU VỰC
BỜ TÂY VỊNH BẮC BỘ
Chuyên ngành: Hải dƣơng học
Mã số: 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Hồng Lam

Hà Nội - 2012
1


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ………………………………………………………….....................

1

Chƣơng 1: TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG DAO ĐỘNG
DÂNG, RÚT MỰC NƢỚC BIỂN……………………………………………...

3

3.2. Tính toán ảnh hƣởng của điều kiện khí tƣợng đến độ dâng, rút mực
nƣớc phi điều hòa bằng phƣơng pháp thống kê

57

3.3. Tính toán ảnh hƣởng của điều kiện của trƣờng bão đến chế độ dâng rút
nƣớc phi tuần hoàn tại bờ tây Vịnh bắc bộ bằng mô hình Mike21 FM

65

KẾT LUẬN ………………………………………….........................................

76

PHỤ LỤC ………………………………………………………………………

80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………...

82

2


MỞ ĐẦU

Vịnh Bắc Bộ ở vào khoảng vĩ độ 18o20’ N - 21o40’ N, kinh độ 106o08’ E 110o00’ E là vịnh lớn thứ hai của biển Đông với diện tích khoảng 150.000 km2, với
chiều rộng khoảng 200 - 320 km và chiều dài khoảng 600 km. Độ sâu trung bình
toàn vịnh khoảng 50 - 60 m, nơi sâu nhất tại vùng cửa vịnh khoảng 110 m. Vịnh

vụ cho việc kiểm tra các kết quả dự báo về trƣờng gió và trƣờng khí áp so với sự
dâng rút của mực nƣớc phi tuần hoàn, xây dựng các công trình ven biển nhƣ cầu
cảng, đê… qua việc xác định đƣợc sự dâng rút mực nƣớc phi tuần hoàn tại khu vực
xây dựng.
Nội dung luận văn bao gổm 03 chƣơng, phần kết luận và phần các bảng phụ
lục:
- Chƣơng 1: Tổng quan về các yếu tố ảnh hƣởng tới dao động dâng, rút mực
nƣớc biển và tình hình nghiên cứu
- Chƣơng 2: Cơ sở l thuyết và các phƣơng pháp nghiên cứu
- Chƣơng 3: Các kết quả tính toán
- Kết luận
- Phụ lục

4


Chƣơng 1
TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG DAO ĐỘNG
DÂNG, RÚT MỰC NƢỚC BIỂN

1.1. Khái niệm dao động dâng, rút của mực nƣớc biển
Dao động dâng rút của mực nƣớc biển là các dao động dâng, rút mực nƣớc
dƣới tác động của trƣờng gió ổn định và biến động của gió và áp suất khí quyển
trong bão, dòng nƣớc sông... dao động mực nƣớc biển là tổ hợp dao động của thủy
triều và các dao động dâng, rút mực nƣớc do các nhiễu động khí quyển và các quá
trình khác. Vì vậy, để có đƣợc bức tranh tổng thể, chi tiết về dao động của mực
nƣớc biển phục vụ cho các nhu cầu kinh tế, kỹ thuật khác nhau còn cần phải tìm
hiểu, nghiên cứu kỹ lƣ ng các thành phần dao động phi tuần hoàn - nƣớc dâng,
nƣớc rút.
Dao động dâng rút của mực nƣớc biển là do các hoạt động của khí quyển và

thay thế bằng nƣớc sâu n ng hơn tại đây;
- Dao động dâng rút do hiệu ứng bơm Ekman. Sự hội tụ khối nƣớc lớp
Ekman do gió địa phƣơng đồng thời với sự chìm xuống của các khối nƣớc từ dòng
địa chuyển tải vào đẩy lớp nƣớc ấm hơn lên cao dồn vào bờ bề m t biển vùng gần
bờ bị dâng cao;
- Dao động dâng rút mực nƣớc biển do ảnh hƣởng của bão và áp thấp nhiệt
đới. (“Nghiên cứu đặc điểm biến thiên mực nước biển ven bờ Việt Nam” – TS.
Hoàng Trung Thành)
1.2. Tình hình nghiên cứu mực nƣớc biển trong và ngoài nƣớc
Tình hình nghiên cứu mực nước biển ở nước ngoài
Các phƣơng pháp phân tích thống kê nghiên cứu mực nƣớc biển thông qua
các công trình tổng quan của các tác giả ngƣời Nga tiêu biểu nhƣ Mariutin,
Peresipkin, Levikov, German v.v... Một số công trình đi sâu nghiên cứu xác định
các cực trị mực nƣớc với các tần suất hiếm và sự tổ hợp của các dao động mực nƣớc

6


với các điều kiện sóng phát sinh do các nhiễu động dị thƣờng của khí quyển. Trong
số tác giả này phải kể đến Kite, Lopatoukin, Boukhanovsky.
Tại các nƣớc phát triển nhƣ Nhật, Mỹ, Anh... đã có một hệ thống các trạm
mực nƣớc ven bờ biển hiện đại, đo đạc nhiều năm và mật độ trạm đủ dày để tính
toán các đ c trƣng mực nƣớc bằng phƣơng pháp thống kê cho toàn bộ dải ven biển
đảm bảo độ chính xác rất cao phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân.
Các mô hình tính toán hải dƣơng đƣợc biết đến nhƣ Delf3D, Mike21… cũng
đều có những mô - đun tính toán liên quan đến dao động mực nƣớc. Trong Luận
văn này, học viên sử dụng mô hình Mike21 để tính toán sự ảnh hƣởng của gió và
bão tới quá trình dao động dâng, rút của mực nƣớc phi tuần hoàn.
Tình hình nghiên cứu mực nước biển ở trong nước
Việt Nam là một quốc gia biển, vì vậy ngay từ khi mới thành lập các nhà

hậu ở Việt Nam, trong dự án do chính phủ Hà Lan tài trợ, Nguyễn Tài Hợi, đã tổng
hợp một khối lƣợng lớn số liệu từ 32 trạm đo mực nƣớc của cả hai hệ thống trạm
hải văn và thuỷ văn dọc ven bờ, hải đảo Việt Nam. Phần lớn các đ c trƣng thống kê
mực nƣớc của các trạm này đã đƣợc mô tả cùng với hệ thông các đƣờng cong phân
bố với các suất bảo đảm xác định. Từ năm 1983, trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu
của Tổng cục Khí tƣợng Thuỷ văn, các tác giả Nguyễn Thuyết, Nguyễn Ngọc Thụy
đã áp dụng phƣơng pháp phổ để phân tích dao động mực nƣớc. Kết quả phân tích
phổ mực nƣớc cho thấy ngoài các dao động có chu kỳ khá rõ tƣơng ứng với các
thành phần triều, còn chứa rất nhiều các sóng khác tiềm ẩn với chu kỳ dài. Trong
quy mô của biển Đông, tác giả Phạm Văn Huấn đã có những kết luận về các trƣờng
dao động riêng trong quan hệ tổ hợp thủy triều và mực nƣớc biển nói chung và đánh
giá dao động dâng rút mực nƣớc biển Đông trong hai trƣờng gió mùa vào khoảng
vài chục cm. Năm 2009, tác giả Đinh Văn Ƣu và Nguyễn Nguyệt Minh tiến hành
phân tích thống kê mực nƣớc nhiều năm và áp dụng kỹ thuật wavelet đã bƣớc đầu
xác định đƣợc vai trò của các dao động chu kỳ 1 năm, từ 2 đến 7-8 năm. Trong đó
biên độ dao động năm là đáng kể có thể chiếm tới 20-30

độ lớn thủy triều. Những

kết quả phân tích này cũng cho thấy xu thế biến đổi mực nƣớc do tác động của biến
đổi khí hậu và các nguyên nhân khác cũng không giống nhau đối với các vùng biển.

8


Đã thiết lập một hệ thống các trạm quan trắc mực nƣớc nhằm đo đạc liên tục
dao động mực nƣớc biển theo các khoảng thời gian kéo dài khác nhau từ hàng tháng
đến hàng năm và thậm chí nhiều năm dọc theo ven bờ biển Việt Nam . Trên cơ sở
các chuỗi số liệu này đã tiến hành phân tích tính toán ra các tham số đ c trƣng cho
chế độ thủy triều nhƣ mực nƣớc trung bình, mực nƣớc cực trị, thời gian triều dâng,


Đỗ Ngọc Quỳnh, Phạm Văn Ninh, Nguyễn Thị Việt Liên và Trần Thị Ngọc Duyệt
(1998). Trong đề tài “Nghiên cứu đề cập, chi tiết toàn 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” năm 2007 do Viên Cơ học chủ trì, TS. Đinh Văn Mạnh
đã thiết lập mô hình số trị tính toán thủy triều và nƣớc dâng do bão cho vùng ven
bờ, xây dựng bộ thông số cơ bản về mực nƣớc tổng hợp (nƣớc dâng do bão và thủy
triều) khu vực ven bờ và xây dựng đƣợc cơ sở dữ liệu cơ bản về thủy triều, nƣớc
dâng, mực nƣớc tổng hợp dọc bờ.

‎

10


Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Phƣơng pháp thống kê
2.1.1. Phương pháp phân tích điều hòa thủy triều (“Lý thuyết thủy triều” –
PGS. TS. Phạm Văn Huấn)
Độ cao mực nƣớc thủy triều z tại thời gian bất kỳ t là tổng của các dao động
triều thành phần (gọi là các phân triều hay các sóng triều):
r

z t  A0   f i H i cos [qi t  (V0  u ) i  g i ]

(2.1)

i 1

c p ẩn Ai và Bi tìm đƣợc s tính ra
Hi 

Ai2  Bi2
fi

,

g i  arctg

Bi
 (V0  u ) i .
Ai

(2.4)

Chuỗi quan trắc càng dài, số phƣơng trình dạng (2.2) càng nhiều, thì A0 và
số c p hằng số điều hòa H và g nhận đƣợc càng nhiều, càng chính xác. Với một
năm quan trắc ta có 8760 phƣơng trình dạng (2.2) và có thể xác định đƣợc khoảng
60-68 c p hằng số điều hòa H và g của điểm quan trắc.
Nhƣợc điểm cơ bản của các phƣơng trình dạng (2.2) là những đại lƣợng thiên
văn biến thiên với thời gian f và (V0  u ) của mỗi dao động thành phần i đã bị
xem là không đổi suốt trong thời gian quan trắc và bị đƣa vào trong các ẩn số Ai và
Bi của các phƣơng trình (2.2), do đó từng phƣơng trình ở dạng (2.2) trở thành

không chính xác, bởi vì trong thực tế mỗi dao động phân triều ở công thức (2.1) là
một dao động điều biến biên độ, f biến đổi với thời gian và phần phụ pha (V0  u )
cũng biến đổi với thời gian một cách đáng kể.
Khi tính H i và g i theo các công thức (2.4) ngƣời ta phải dùng giá trị trung
bình của f i tại thời điểm giữa thời kỳ quan trắc và giá trị của (V0  u) i tại thời điểm

khác. Đối với mục tiêu đ t ra của Luận văn học viên xác định mối quan hệ giữa
trƣờng gió (hƣớng gió, tốc độ gió) lên dao động mực nƣớc phi tuần hoàn bằng các
phƣơng trình tƣơng quan.
Những mối phụ thuộc dự báo giữa các hiện tƣợng cần dự báo và những nhân

13


tố quyết định có thể nhận đƣợc bằng những phƣơng pháp khác nhau. Thông thƣờng
ngƣời ta tìm những mối phụ thuộc đó bằng cách dựng và phân tích các đồ thị dựa
trên số liệu quan trắc. Những biểu thức liên hệ nhận đƣợc s đƣợc biểu thị dƣới
dạng những phƣơng trình tƣơng ứng. Những phƣơng trình kiểu nhƣ vậy đã từng
đƣợc nhiều tác giả nghiên cứu để dự báo nhiệt độ nƣớc biển, nhiệt độ không khí,
lƣợng mƣa, độ dày băng, dao động mực nƣớc biển và nhiều yếu tố thủy văn biển
khác.
Sau khi đã phân tích bƣớc đầu những dữ liệu quan trắc, tức trên cơ sở phân
tích định tính những đ c điểm của hiện tƣợng đƣợc nghiên cứu và những hiểu biết
về các quy luật chung của nó đã thiết lập đƣợc các yếu tố chính quyết định sự biến
đổi của hiện tƣợng, ngƣời ta tiến tới nghiên cứu mối liên hệ định lƣợng giữa hiện
tƣợng và các yếu tố: xác định dạng của mối liên hệ đó và tìm biểu thức giải tích mà
sau này dùng làm biểu thức để tính toán dự báo.
Muốn vậy ngƣời ta lập các chuỗi số liệu quan trắc về hiện tƣợng dự báo và
các yếu tố mà nó phụ thuộc. Hiện tƣợng dự báo s đƣợc coi là biến số phụ thuộc,
gọi là hàm, còn các yếu tố s là biến độc lập, gọi là các đối số. Khi xây dựng các
mối liên hệ dự báo độ dài chuỗi quan trắc có

nghĩa quan trọng. Trong thống kê

toán học đã xác nhận rằng khi tìm mối liên hệ giữa hai biến thì độ dài chuỗi quan
trắc cần phải chứa không ít hơn 100 quan trắc. Nếu nhƣ số biến tăng lên thì độ dài

trung bình (tìm ngay trên đồ thị ho c tính các giá trị trung bình của x và y ). Sau đó
v đƣờng liên hệ theo các điểm trung bình. Độ chính xác của đƣờng liên hệ dự báo
tìm đƣợc có thể đánh giá bằng cách so sánh các giá trị của đại lƣợng y tính theo mối
liên hệ này với các giá trị quan trắc của y . Việc này thực hiện bằng cách dựng một
đồ thị trên đó theo trục tung đ t các các số liệu quan trắc thực tế, còn theo trục
hoành − là các giá trị tính đƣợc từ mối liên hệ dự báo. Nếu đƣờng nhận đƣợc là một
đƣờng thảng đi qua gốc tọa độ, nghiêng một góc khoảng 45° với trục tọa độ, thì đồ
thị dự báo đƣợc dựng đúng, trong trƣờng hợp ngƣợc lại cần phải xem xét và chỉnh
lại. Thông thƣờng sự kiểm tra các mối phụ thuộc dự báo không thực hiện theo chính
chuỗi số liệu quan trắc mà từ đó mối phụ thuộc dự báo đƣợc xây dựng, mà theo một
chuỗi số liệu độc lập khác. Vì vậy khi xây dựng các mối phụ thuộc dự báo nếu
chuỗi số liệu quan trắc ta có khá dài, thì nên bớt lại một phần để dùng vào việc kiểm

15


tra dự báo.
Nếu nhƣ các điểm tập trung gần một đƣờng thẳng thì mối liên hệ là tốt, ch t
ch . Nếu nhƣ mối liên hệ nhận đƣợc không đủ ch t ch , thì ngƣời ta dần dần đƣa
thêm các đối số khác, ít quan trọng hơn so với đối số thứ nhất, vào mối liên hệ và
xây dựng các đồ thị liên hệ mới.
Khi mối phụ thuộc nhận đƣợc thoả mãn yêu cầu về mọi m t, ngƣời ta tiến tới
tìm biểu thức định lƣợng (hay biểu thức giải tích) của mối phụ thuộc đó, xác định
các đ c trƣng của mối liên hệ nhƣ hệ số tƣơng quan, phƣơng trình tƣơng quan. Vì
đ c điểm tản mạn của các điểm quan trắc trên đồ thị tƣơng quan thƣờng khác nhau
và theo hình dạng bên ngoài khó đánh giá mức độ ch t ch của mối liên hệ, nên
trong thực hành dự báo đã thảo ra các tiêu chuẩn đ c biệt để đánh giá những liên hệ
dự báo. Nhƣ trên đã nêu, nếu mối liên hệ giữa các đại lƣợng rất ch t ch , tức các
điểm quan trắc tập trung ở gần đƣờng thẳng, thì đồ thị này có thể dùng đƣợc ngay
để dự báo. Muốn vậy chỉ cần theo mỗi giá trị cho trƣớc của đối số x trên đồ thị này

trong đó − r hệ số tƣơng quan (0  rxy  1) ; − E độ lệch xác suất của r.
Sử dụng những trị số nhận đƣợc của các tham số cơ bản có thể quyết định
vấn đề về đột in cậy của mối liên hệ. Mối liên hệ đƣợc xem là đáng tin cậy khi trị số

17


của hệ số tƣơng quan khá lớn (r ≥ 80,0) và đồng thời phải lớn hơn độ lệch xác suất
của nó không ít hơn 6−10 lần. (r/E ≥ 6).
Sự cần thiết phải tính chỉ tiêu tin cậy là do không phải hệ số tƣơng quan cao
luôn luôn là chỉ tiêu của mối liên hệ tin cậy. Thí dụ, đối với những chuỗi quan trắc
ngắn, thì hệ số tƣơng quan cao nhận đƣợc có khi chỉ là do ngẫu nhiên. Chuỗi quan
trắc đƣợc xem là đủ dài nếu nhƣ độ lệch xác suất E là hàm của số lƣợng quan trắc
đủ nhỏ, tức r/E > 10.
Trong khi tính toán, nếu bất đẳng thức này không thoả mãn thì phải tăng độ
dài chuỗi quan trắc. Ngoài ra có trƣờng hợp hệ số tƣơng quan có thể khá cao khi
tính toán với chuỗi quan trắc ở một thời kỳ quan trắc này, song lại rất thấp nếu tính
toán với chuỗi quan trắc ở thời kỳ khác. Rõ ràng điều này xảy ra do biến đổi mối
liên hệ từ thời kỳ này đến thời kỳ kia, nói cách khác mối liên hệ giữa hiện tƣợng dự
báo và nhân tố ảnh hƣởng không ổn định. Vì vậy phải kiểm tra xem hệ số tƣơng
quan nhận đƣợc có biến đổi không khi tăng ho c giảm độ dài chuỗi.
Có hai cách kiểm tra thực tế về độ ổn định của mối liên hệ. Cách thứ nhất
thực hiện nhƣ sau: Chia toàn bộ chuỗi quan trắc thành hai phần, tính các hệ số
tƣơng quan r1 và r2 và các độ lệch xác suất tƣơng ứng E1 và E2 riêng biệt cho mỗi
phần. Nếu bất đẳng thức:
r1 - r2

< E1 + E2

(2.8)

thẳng đứng trong trƣờng hợp 3 chiều thì sử dụng lƣới có cấu trúc. Trong trƣờng hợp
hai chiều các phần tử có thể là phần tử tam giác ho c tứ giác. Trong trƣờng hợp ba
chiều các phần tử có thể là hình lăng trụ tam giác ho c lăng trụ tứ giác với các phần
tử trên m t có dạng tam giác ho c tứ giác.

19


Phƣơng trình cơ bản
Phương trình liên tục

(2.10)

Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng

(2.11)

(2.12)

Trong đó:
t là thời gian;
x, y và z là toạ độ Đề các;

 là dao động mực nƣớc;
d là độ sâu; h=+d là độ sâu tổng cộng;
u, v và w là thành phần vận tốc theo phƣơng x, y và z;
f=2sin là tham số coriolis;
g là gia tốc trọng trƣờng;

 là mật độ nƣớc;

Số nút lƣới: 4014
Số tam giác: 6830

21


Khoảng cách lớn nhất giữa các nút lƣới: 43 km
Khoảng cách nhỏ nhất giữa các nút lƣới: 2.5 km

Hình 2.1: Lưới tính, độ sâu và vị trí biên cho vùng biển Vịnh Bắc Bộ

Điều kiện biên và điều kiện ban đầu:
Điều kiện biên lỏng: là giá trị mực nƣớc đƣợc phân tích từ bộ hằng số điều
hòa toàn cầu độ phân giải 0.25 x 0.25 độ đƣợc tích hợp sẵn trong bộ Mike. Điều
kiện biên này đƣợc sử dụng cho 2 trƣờng hợp tính mực nƣớc triều và mực nƣớc
tổng cộng.

22


Điều kiện biên bề mặt: Là giá trị gió áp bao phủ miền tính. Điều kiện này
đƣợc sử dụng cho trƣờng hợp tính mực nƣớc tổng cộng với các kịch bản sau:
- Giá trị vận tốc, và hƣớng gió đƣợc đƣa vào đối với các trƣờng hợp tính mực
nƣớc tổng cộng dƣới tác động của gió theo các hƣớng thịnh hành.
- Giá trị gió áp đƣợc mô phỏng từ mô hình gió bão (công cụ: Cyclone Wind
Generation) trong bộ phần mềm Mike đối với các trƣờng hợp tính mực nƣớc trong
các cơn bão điển hình trong quá khứ.
Điều kiện ban đ u:
Điều kiện ban đầu mô phỏng mực nƣớc:
- Mực nƣớc ban đầu bằng “0”


2005- 1- 7- 0

2005- 1- 9- 0 2005- 1- 11- 0 2005- 1- 13- 0 2005- 1- 15- 0 2005- 1- 17- 0 2005- 1- 19- 0 2005- 1- 21- 0 2005- 1- 23- 0 2005- 1- 25- 0 2005- 1- 27- 0 2005- 1- 29- 0

Thời gian

Hình 3.1: So sánh mực nước thực đo và tính toán tại trạm Hòn Dáu (từ ngày 05 tháng 1
năm 2005 đến ngày 29 tháng 1 năm 2005)
So sánh m ục nước thực đo và tính toán tại trạm Hòn Ngư
3.500
3.000

Mực nước (m)

2.500
2.000
1.500
1.000
0.500
0.000
2005- 1- 5- 0

2005- 1- 7- 0

2005- 1- 9- 0 2005- 1- 11- 0 2005- 1- 13- 0 2005- 1- 15- 0 2005- 1- 17- 0 2005- 1- 19- 0 2005- 1- 21- 0 2005- 1- 23- 0 2005- 1- 25- 0 2005- 1- 27- 0 2005- 1- 29- 0

Thời gian

Hình 3.2: So sánh mực nước thực đo và tính toán tại trạm Hòn Ngư (từ ngày 05 tháng 1