Tiến tới hoàn thiện và triển khai hệ thống mô hình giám sát, dự báo và cảnh báo biển Việt Nam

Transcription

1 Tuyển tập Công trình Hội nghị khoa học 7 Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 9 Tiến tới hoàn thiện và triển khai hệ thống mô hình giám sát, dự báo và cảnh báo biển Việt Nam Đinh Văn Ưu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQH Hà Nội, 334, Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Tóm tắt: Trong báo cáo này, chúng tôi giới thiệu hệ thống mô hình giám sát, dự báo và cảnh báo biển được phát triển tại Trung tâm động lực học thủy khí môi trường, Trường ĐHKH Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội (MDEC-HUS/VNU) đã được ứng dụng cho các khu vực biển như Biển Đông, Vịnh Bắc Bộ, Hải Phòng và Nha Trang sau năm thử nghiệm. Mô hình ba chiều (3D) hệ các phương trình thủy nhiệt động lực ngyên thủy đã được ứng dụng để nghiên cứu các đặc trưng hoàn lưu, mực nước, vật chất lơ lửng, các chất ô nhiễm và chất lượng môi trường biển. Một bộ các thuật toán riêng kết nối mô hình (MCT model_coupling_toolkit) đã được ứng dụng trong kết nối các modul khác nhau của hệ thống. Các kết quả ứng dụng mô hình MDEC-HUS/VNU cho phép giám sát, dự báo các đặc trưng thủy động lực và môi trường nước góp phần giải quyết các yêu cầu ngày càng lớn liên quan đến tai biến môi trường biển: bồi tụ và xói lở bờ biển, khắc phục các sự cố tràn dầu, ô nhiễm hóa chất, vv. Abstract:After years experiences in research and development, the system of the MDEC-HUS/VNU models had been applied to simulate the three-dimensional thermohaline and circulation structure of the Bien Dong/South China Sea. This system was applied also to simulate the hydrodynamics, suspended matter and environmental components included oil in the Gulf of Tonkin and coastal estuarine areas as Quang Ninh, Hai Phong, etc. The MDEC-HUS/VNU modeling system has been developed and completed by coupling the ocean-atmospheric, eco-hydrodynamic modules and it is useful tool for marine environmental prediction and monitoring. This modelling system was developed and tested with original model_coupling_toolkit (MTC). Keywords:MDEC-HUS/VNU Model System, Monitoring, warning and Prediction, Model coupling toolkit. Đặt vấn đề Dự báo các trường nhiệt muối và hoàn lưu trong biển luôn là một thách thức đối với các nhà hải dương học. Hiện nay nhu cầu dự báo, cảnh báo và kiểm soát môi trường biển đã trở nên cần thiết tương tự dự báo thời tiết.các thông tin này không những cần thiết cho các quá trình vận hành sản xuất và còn có vai trò chủ chốt trong công tác sẵn sàng ứng phó và khắc phục các sự cố môi trường biển như tràn dầu, tìm kiếm cứu nạn, ô nhiễm môi trường, suy thoái hệ sinh thái, v.v.. Với đặc thù là một biển ven, hệ thống mô hình dự báo và giám sát môi trường biển cần bao gồm các tiểu hệ thống sau: Thiết bị và cơ sở hạ tầng quan trắc Hệ thống quan trắc đảm bảo yêu cầu bao quát các quá trình khí quyển và hải dương và tác động của chúng trạng thái biển và thời tiết; cần trang bị các cơ sở hạ tầng truyền tin cập nhật và công nghệ quan trắc đảm bảo yêu cầu phân tích, đồng hóa số liệu và cập nhật đầu vào cho dự báo. Cơ sở hạ tầng truyền và quản lý thông tin Yêu cầu đảm bảo thu nhận, quản lý và chuyển giao số liệu quan trắc; đảm bảo chất lượng sản phẩm và dễ sử dụng và trao đổi.

2 Đinh Văn Ưu 7 Các mô hình Có khả năng áp dụng với điều kiện đường bờ, địa hình và gradient mật độ nước biển phức tạp. Có tính đến đặc thù của các lớp biên mặt và đáy cho phép tích hợp bài toán vận chuyển trầm tích. Có tính đến đặc thù của điều kiện biên hở (cửa sông và biển hở). Ứng dụng và tiếp cận cộng đồng Những thông tin về mực nước và dòng chảy cần thiết cho bài toán vận chuyển trầm tích và các nhu cầu hang hải, tìm kiếm cứu nạn, khắc phục sự cố môi trường, v.v.. Trường nhiệt muối và hoàn lưu còn có ý nghĩa quan trọng trong phân bố các đặc trưng sinh học, hóa học liên quan đến nghề cá. Hệ thống các mô hình này được kết nối thông qua những công cụ kết nối (MCT) đã được phát triển tại HUS. Bên cạnh các ứng dụng vừa nếu, có thể phát triển các mô hình đánh giá tác động và hiệu quả kinh tế của thông tin dự báo và giám sát biển. Sau đây chúng tôi giới thiệu các mô hình hợp phần trong hệ thống mô hình MDEC-HUS/VNU.. Mô hình thủy động lực ba chiều (3D) MDEC-HUS/VNU Mô hình này được phát triển trên cơ sở mô hình quy mô biển ven của GHER- Đại học Liege. So với mô hình GHER, mô hình MDEC đã được hoàn thiện cho phép mô phỏng các quá trình quy mô nhỏ và vừa với việc tính đến tương tác sóng-lớp biên, quá trình trao đổi đối ngang [-5]. Hệ các phương trình động lực biển nguyên thủy bao gồm:. v u v. u fe 3 u h q. t T v. T. F T t S v. S. F S t k u ~ b k v k b ~ k. ~ t x3 x3 x x q x 3 Trong đó: b e b g e e ; 3 x x x3 h e x e k ; f = cos ; ~ - hệ số khuếch tán động năng rối, ; v u u 3 e3 ; x p q gx3 ; ~ - hệ số nhớt rối (theo phương thẳng đứng), - lực thế triều, - mật độ nước ( mật độ

3 Tiến tới hoàn thiện và triển khai hệ thống mô hình giám sát, dự báo 7 và cảnh báo biển Việt Nam quy chiếu),, F, F : thông lượng rối riêng phần của động lượng, nhiệt lượng và lượng T S muối; hạng thức năng lượng bổ sung từ các quy mô vừa và nhỏ sẽ bị triệt tiêu khi mô phỏng hoàn lưu tổng hợp với quy mô thời gian hàng giờ trở lên. Sơ đồ tham số hóa hệ số nhớt rối được triển khai khác nhau theo phương ngang và phương thẳng đứng. Đối với phương thẳng đứng z (x 3 ) có thể sử dụng công thức kinh điển của Kolmogorov: ~ k ~ / 4 3 klm ; Trong đó mật độ động năng rối k thu được từ phương trình (5), quãng đường xáo trộn rối l m được xác định theo lý thuyết lớp biên chất lỏng phân tầng l m = ( -R f )l n (x 3 ),với l n (x 3 ) là một hàm của khoảng cách tính từ biên đáy (x 3 ). Số Richardson thông lượng phụ thuộc vào mức độ phân tầng mật độ và phân lớp vận tốc (độ trượt-shear) Vaisailia và Prandtl. R f ~ ~ u x b N M u x M., trong đó N và M tương ứng là các tần số Brunt- ~ ~ Đối với hệ số nhớt rối ngang ta sử dụng hệ thức thông thường: l M. l Hệ số khuếch tán rối được đánh giá thông qua các hệ số phi thứ nguyên i có bậc đại lượng O(). Đối với hệ số khuếch tán theo phương thẳng đứng cần phải tính đến mối phụ thuộc vào độ phân tầng thông qua số Richardson thông lượng R f. Mô hình tương tác sóng-gió trong lớp biên khí quyển sát mặt phục vụ tính toán các đặc trưng sóng cũng như ứng suất gió trong điều kiện có sóng, theo đó ứng suất gió bao gồm hai thành phần: do rối thuần túy C u a D a u a at và do tác động sóng aw : at aw Mô hình lớp biên đáy cho phép tính toán ứng suất tổng cộng của dòng nước lên đáy. Giá trị của ứng suất này cũng bao gồm hai thành phần: rối thuần túy do hiệu ứng trượt vận tốc dòng chảy và do chuyển động sóng (Grant và Madsen, 979, WAMDI,988 [6,7]): b C bv c w Ccv Cwu w u cw u * c u * w Đối với ứng suất dòng chảy thuần túy, có thể sử dụng công thức sau:

4 Đinh Văn Ưu 73 c C c v, C c f c ln(3z / k ) trong đó k bc là tham số nhám thực tế được tính từ kết quả tổng hợp các tác động của cả bc dòng lẫn sóng trong lớp biên đáy, trong điều kiện không có sóng: Đối với ứng suất do sóng, ta có thế sử dụng công thức: k bc z kb. 3 w Cwv f wu w. với các hệ thức tính hệ số ma sát sóng f w, biên độ dao động A b và vận tốc u w rút ra từ lý thuyết sóng tuyến tính. Trong hệ thống MDEC-HUS/VNU đã tích hợp mô hình tính sóng lan truyền vùng ven bờ bằng cách giải phương trình cân bằng năng lượng sóng có tính đến hiệu ứng nhiễu xạ sóng EBALDIF.Mô hình tính toán sự lan truyền sóng ngẫu nhiên trong vùng gần bờ được viết bởi T. Takayama và H. Mase (998). Mô hình được xây dựng dựa trên việc giải phương trình cân bằng năng lượng sóng ngẫu nhiên đa hướng, 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. Phương trình cân bằng năng lượng sóng ngẫu nhiên được viết như sau: v S v S v S CC S x y cos CC cos S S g y g x y yy b Trong đó: S là hàm mật độ phổ năng lượng sóng, C là vận tốc truyền sóng, Cg là vận tốc nhóm sóng, là hướng truyền sóng, là tần số góc, k là thông số tính tới sự nhiễu xạ sóng (k=.5 theo Mase và nnk, 998), b là hệ số tiêu tán năng lượng sóng do sóng bạc đầu và sóng vỡ. Vận tốc đặc trưng (vận tốc lan truyền năng lượng sóng) gồm các thành phần v x, v y và v được tính theo các công thức sau: v v s C cos, C sin v x, y g g k k Cg k k n C C C sin cos x y trong đó: s là véc tơ đơn vị theo hướng lan truyền của sóng, n là véc tơ đơn vị theo hướng pháp tuyến với hướng lan truyền của sóng, k là số sóng.

5 Tiến tới hoàn thiện và triển khai hệ thống mô hình giám sát, dự báo 74 và cảnh báo biển Việt Nam Mối liên hệ phân tán tuyến tính cho phép xác định số sóng tại một độ sâu gk tanh kh, với là tần số góc, g là gia tốc trọng trường và h là độ sâu. Trong hệ thống mô hình MDEC-HUS/VNU, bên cạnh các phương trình thủy động lực, các mô hình biến đổi và lan truyền vật chất đã được phát triển cho nồng độ các hợp phần môi trường sinh thái biển và các pha dầu tích hợp với mô hình thủy động lực 3D. Mô hình các hợp phần môi trường, sinh thái (y j ) có thể bao gồm các chất dinh dưỡng, các hoá chất bền vững, các hợp phần hữu cơ và vô cơ (bùn cát), sinh vật phù du và các vi sinh vật: y j ~ y yj j. v m y Q j yj t x x i i Trong đó công thức tính suất sản sinh và tiêu huỷ của hợp phần vật chất được xây dựng trên nguyên lý động lực học các quá trình chuyển hóa trong môi trường nước: Qyj q yj q j... f j..., j,,..., N Các hàm này được xác định bởi chính yếu tố đó (q yj, f yj ) hay do tương tác của nó với các yếu tố khác (q j..., f j... ). Các quá trình làm tăng và giảm nồng độ (đối với các hợp phần lý-hoá) hoặc sinh khối (đối với các hợp phần sinh học) có thể được xác định bởi một hàm nhiều biến: thời gian, nồng độ các hợp phần khác và một số đặc trưng môi trường. Đối với ô nhiễm dầu, có thể xem xét 4 pha dầu khác nhau trong môi trường biển: váng dầu, nhũ tương, kết tủa và hoà tan, trong đó pha váng dầu chỉ tồn tại trên mặt biển, cả 3 pha còn lại có sự hiện diện trong môi trường nước biển, còn trong lớp trầm tích chỉ còn lại pha và dầu hoà tan và đầu kết tủa thành các phần tử [5,6]. Trong toàn bộ lớp nước, dầu nhũ tương (nước trong dầu hoặc dầu trong nước) cũng như dầu hòa tan đều có xu thế chuyển hóa sang pha kết tủa do sự hiện diện của các chất lơ lửng trong nước. Quá trình này phụ thuộc trước hết vào mức độ chênh lệch nồng độ của các pha dầu, tiếp đến là nồng độ của các chất lơ lửng S w, trong đó các chất lơ lửng có thể có nguồn gốc tự nhiên cũng như nhân tạo do sử dụng các hóa chất xử lý dầu. Điều này dẫn tới yêu cầu giải đồng thời bài toán đối với chất lơ lửng S w cùng với bài toán các pha dầu trong môi trường biển. Các điều kiện biên trên và dưới của lớp nước được xác định thông qua các thông lượng trao đổi đối của các hợp phần môi trường qua các lớp biên đáy và mặt. Các thông lượng này được tính toán thông qua những mô hình lớp biên hai chiều (D), v.d đối với váng dầu trên mặt biển và lớp trầm tích đáy. Các công cụ kết nối các mô hình sẽ đảm báo sự liên kết giữa các mô hình thành phần thông qua các điều kiện biên, các tác động và các chu trình chuyển hóa vật chất, năng lượng, Một số kết quả ứng dụng Hệ thống mô hình MDEC-HUS/VNU đã được ứng dụng trong mô phỏng cấu trúc 3D hoàn lưu và nhiệt-muối Biển Đông.Những kết quả này được sử dụng trong quá trình xây dựng các bản đồ hoàn lưu nước Biển Đông đã được công bố [6]. Hệ thống mô hinh MDEC-HUS/VNU đã được ứng dụng trong mô phỏng các trường thủy động lực, nhiệt độ, độ muối và các hợp phần môi trường bao gồm ô nhiễm dầu trong vịnh Bắc Bộ. Các trường hoàn lưu và nhiệt độ, độ muối thu được cho thấy mô hình MDEC- HUS/VNU mô phỏng tốt các đặc trưng chế độ mùa trong các điều kiện phức tạp của địa hình tương tác sông-biển. -

6 Đinh Văn Ưu 75 Dựa vào các kết quả ứng dụng hệ thống cho các quá trình vậnchuyển trầm tích, lan truyền ô nhiễm dầu, v.v. có thể kết luận về khả năng của mô hình MDEC-HUS/VNU trong mô phỏng và giải thích được hiện tượng xẩy ra trên các vùng biển, trong đó có dầu loang ven bờ trong mùa đông năm 7. Hệ thống mô hình đã được áp dụng để nghiên cứu chế độ thủy động lực và môi trường cho các vùng biển và cửa sông có điều kiện địa hình phức tạp và sự tương tác biển-lục địa mạnh như Hải Phòng- Quảng Ninh, Nha Trang, v.v..[4,7]. Trên hình dẫn ra ví dụ về kết quả mô phỏng trường trầm tích lơ lửng trên vùng biển cửa sông Hải Phòng. Hình. Kết quả mô phỏng nồng độ (tương đối) trầm tích lơ lửng trong trường gió SE 7m/s với lưu lượng sông trên trung bình (trái) và ở mức trung bình (phải) 4. Kết luận Hệ thống mô hình MDEC-HUS/VNUcó triển vọng ứng dụng trong xây dựng hệ thống monitoring và dự báo môi trường cho Biển Đông và các vùng biển ven bờ cửa sông. Để tiến tới mục đích nghiệp vụ, hệ thống mô hình này cần được hoàn thiện theo hướng tích hợp với mô hình đồng hóa số liệu biển và các mô hình sinh thái, mô hình sóng và mô hình khí quyển thông qua các công cụ kết nối. Tài liệu tham khảo []. Đinh Văn Ưu. (3). Các kết quả phát triển và ứng dụng mô hình ba chiều (3D) thuỷ nhiệt động lực biển ven và nước nông ven bờ Quảng Ninh, Tạp chí Khoa học ĐHQG Hà Nội, XIX,, trang 8-7. []. Đinh Văn Ưu, Đoàn Văn Bộ, Hà Thanh Hương, Phạm Hoàng Lâm, (5). Ứng dụng mô hình dòng chảy ba chiều (3D) nghiên cứu quá trình lan truyền chất lơ lửng tại vùng biển ven bờ Quảng Ninh Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học thuỷ khí toàn quốc năm 5, Hà Nội, trang [3]. Đinh Văn Ưu, (6). Phát triển và ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển chất lơ lửng và biến động trầm tích đáy cho vùng biển Vịnh Hạ Long Tạp chí Khoa học ĐHQG Hà Nội, T. XXII, PT-6, -9 [4]. Đinh Văn Ưu, (3) Các đặc trưng thủy động lực và môi trường tại khu vực cửa sông Bạch Đằng. Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 9, số S tr. 96-

7 Tiến tới hoàn thiện và triển khai hệ thống mô hình giám sát, dự báo 76 và cảnh báo biển Việt Nam [5]. Đinh Văn Ưu, (). Tiến tới hoàn thiện mô hình ba chiều (3D) thủy động lực cửa sông ven biển. Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệtập 8, số 3S tr.8 [6]. Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang Lam, (7). Development of system of Hydrodynamic-environmental models for coastal area (Case study in Quangninh-Haiphong region), Journal of Science, Earth Sciences, T. XXIII, No., pp (7). [7]. Hà Thanh Hương, Đinh Văn Ưu, Nguyễn Trung Việt (3). Hoàn lưu ven bờ Vịnh Nha TrangTạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 9, số S tr. 65-7