Nguyễn Thọ Sáo* Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam. Nhận ngày 15 tháng 7 năm 2012

Transcription

1 Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) ế ảy Nguyễn Thọ Sáo* Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 15 tháng 7 năm 2012 Tóm tắt. Quần đảo Trườ ủa nước ta, cần được bảo vệ và củng cố. Thông tin chi tiết về các yếu tố thủy động lực như sóng, dòng chảy và thủy triều đặc biệt cần thiết đối với việc thiết kế các công trình bảo vệ biển đảo, và tiếp cận đảo. Khi không có số liệu quan trắc hoặc có rất ít, các mô hình toán học là giải pháp hữu ích trong trường hợp này. Với nỗ lực chi tiết hóa khu vực và áp dụng kỹ thuật lưới lồng của mô hình DELFT-3D, bức tranh thủy động lực quần đảo Trường Sa phần nào được sáng tỏ. Kết quả tính toán sẽ cung cấp các thông tin tham khảo cho các mục đích khác nhau. Từ khóa: mô hình DELFT3D, lưới lồng, bão, gió mùa, Trường Sa. 1. Mở đầu Quần đảo Trường Sa mà các bản đồ hàng hải quốc tế ghi là Spratly Islands là của Việt Nam. Huyện Trường Sa là một đơn vị hành chính trong số 15 huyện, thị xã, thành phố của tỉnh Khánh Hòa, gồm trên 100 đảo, bãi đá, bãi cạn, bãi ngầm, gốc san hô (trong đó có đến 23 đến 25 đảo thường xuyên nổi trên mặt nước), nằm rải rác trong khu vực có diện tích khoảng đến km 2, với chiều dài từ tây sang đông khoảng 300km và từ bắc xuống nam khoảng 600km. Đảo lớn nhất là Ba Bình rộng 0,65km 2. Bãi lớn nhất là bãi Thuyền Chài, khi thủy triều xuống có chiều dài hơn 30km, chiều rộng khoảng 5km. Tổng diện tích các đảo, đá, bãi cạn thường xuyên nổi lên mặt nước khoảng ĐT: saont@vnu.edu.vn 108 trên 10km 2, điểm phía tây nhất quần đảo cách vịnh Cam Ranh khoảng 250 hải lý. Đất đai Trường Sa là tập hợp nhiều ngọn của những bãi san hô ngầm nằm dưới biển có độ sâu từ 1000 đến 2000m. Hầu hết các đảo trơ trọi, ít cây cối và nước ngọt; chỉ có một số đảo có vài loại cây sống được như cây phong ba, muống biển. Khí hậu ở vùng đảo thuộc vùng nhiệt đới gió mùa, khắc nghiệt, nắng lắm mưa nhiều, bão tố và có thể có sóng thần, chia làm hai mùa rõ rệt. Mùa mưa từ tháng 2 đến tháng 7 âm lịch, có gió mùa tây nam, oi bức, nhiệt độ có ngày lên tới 33.5 o C, sóng trung bình cấp 1-5. Mùa mưa từ tháng 8 đến tháng 3 âm lịch, có gió mùa đông bắc, nhiệt độ trung bình từ 21 đến 26 o C, lượng mưa trung bình từ mm, thường xảy ra bão lốc, gió xoáy và giật nhiều lúc đến cấp Thủy triều ở khu vực này thuộc loại nhật triều không đều [1].

2 N.T. Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) Quần đảo Trườ ủa nướ được bảo vệ và củng cố ệ. Nhằm có thêm thông tin phục vụ mục tiêu trên, công cụ thực hiện tốt nhất có thể là các mô hình toán. Việc ần 3. Miền tính và các đặc điểm 3.1. Thiết lập miền tính Khu vực nghiên cứu không có số liệu quan trắc trên biên, vì vậy cần xây dựng các điều kiện biên. Điều đó chỉ có thể thực hiện tính toán trên miền lớn hơn (toàn bộ biển Đông), sau đó trích xuất số liệu tại ranh giới khu vực nghiên cứu. DK1 đã trình bày trong [2], phần này tiếp tục thử nghiệm tính toán chi tiết đối với trường dòng chảy. 2. Phương pháp tính toán Mô hình Delft-3D là tổ hợp của nhiều mô đun có thể tích hợp với nhau: thủy động lực, sóng, lan truyền chất và vận chuyển trầm tích. để đưa ra những kết quả phù hợp với thực tế. Trong khuôn khổ nghiên cứu này chỉ sử dụng mô đun dòng chảy Delft3D-FLOW 2 chiều với kỹ thuật lưới lồng để tính toán trường mực nước và dòng chảy cho Biển Đông và quần đảo Trường Sa. Hệ các phương trình bao gồm các phương trình chuyển động, phương trình liên tục và phương trình tải - khuếch tán. Các phương trình được xây dựng trong hệ toạ độ cong trực giao hoặc trong hệ toạ độ cầu [3]. Dòng chảy chịu tác động bởi thủy triều ở biên hở, gió và áp suất khí quyển trên mặt thoáng cũng như biến thiên mật độ. Mô hình này được sử dụng cho dự báo nghiệp vụ tại TT DB KTTV Trung ương, được kiểm nghiệm về tính năng trong một số đề tài cấp Nhà nước. Hình 1. Các mảnh ghép bản đồ (N. Q. Trinh). Hình 2. Miền tính vùng DKI và Trường Sa.

3 110 N.T. Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) Miền tính bao gồm hai khu vực: a) Khu vực Biển Đông trong nhiều trường hợp tính toán thường giới hạn trong khoảng tọa độ: 99 E đến 121 E và 1 N đến 24 N. Các biên là mực nước dự báo theo hằng số điều hòa thủy triều tại: eo Đài Loan, eo Bashi và eo Malaca, b) Khu vực Trường Sa và DK1 nằm trong giới hạn: vĩ độ từ 8 o N đến 12 o N và kinh độ từ 109 o E đến 116 o E Số liệu địa hình Số liệu địa hình Biển Đông với độ phân giải 30 được lấy từ GEBCO, dưới sự hỗ trợ của Tổ chức Thủy văn Quốc tế và Ủy ban Hải dương học Quốc tế, UNESCO. Địa hình khu vực Trường Sa và DK1 là các số liệu trên, kết hợp với các hải đồ có tỷ lệ khác nhau được số hóa và được chuyển đổi về hệ VN2000. Hình 1 và 2 thể hiện các mảnh ghép bản đồ đã sử dụng và miền tính. Lưới tính của khu vực Trường Sa và DK1 khá mịn, thể hiện được vị trí một số đảo tiêu biểu như: Trường Sa lớn, Sinh Tồn, Nam Yết, Song Tử Tây, Phúc Tần, Huyền Trân, Quế Đường Như được biết, có thể đây là lưới tính chi tiết nhất từ trước đến nay cho khu vực này. Hình 3. Chi tiết địa hình quần đảo Trường Sa. Tại biên lỏng: mực nước thủy triều được tính toán theo hằng số điều hòa thủy triều đã được kiểm nghiệm tại Trung tâm Hải văn và đã đưa vào dự báo nghiệp vụ nước dâng trong các cơn bão. Tại biên cứng: cho điều kiện không chảy qua (vận tốc pháp tuyến = 0). Trên bề mặt: trường gió và áp được lấy từ kết quả tính toán các mô hình khí tượng MM5 và HRM. Kết quả tính toán thủy động lực cho toàn bộ biển Đông sau đó được truy xuất làm điều kiện biên cho mô hình chi tiết đối với Trường Sa và DK1. Kỹ thuật lưới lồng trong DELFT-3D được áp dụng.

4 N.T. Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) Hiệu chỉ ử nghiệm Hiệu chỉnh mực nước được thực hiện trong kỳ nước cường từ 14-17/XII/2008 tại một số trạm điển hình trong Biển Đông, hình 4 dưới đây là tại trạm Trường Sa. Hình vẽ cho thấy kết quả tính toán và số liệu thực đo tương đối trùng khớp cả về pha và biên độ. Áp dụng chỉ tiêu Nash thu được R 2 = 0,81. Như vậy, việc hiệu chỉnh cho kết quả khá tốt, có thể sử dụng bộ các tham số hiệu chỉnh này để đưa vào các tính toán khác. Yết thấp hơn so với cụm Phúc Nguyên, Phúc Tần, Quế Đường.. ở phía Tây Nam. Dòng chảy là một bức tranh phức tạp và lý thú với hướng và độ lớn khác biệt, đặc biệt chú ý tới các vùng giữa các hòn đảo. Vận tốc tối đa có thể đạt gần 0.7m/s. Dòng chảy thường lớn ở khu vực bãi cạn giữa các đảo và quanh mép đảo. Các xoáy cục bộ có thể gây khó khăn cho tàu bè khi di chuyển, tiếp tế hậu cần Thực đo Tính toán Hình 4. So sánh mực nước tính toán với mực nước thực đo tại trạm Trường Sa. Hình 4. Đường đi của bão Ketsana Bão Ketsana Khả năng các cơn bão đi qua khu vực nghiên cứu (Trường Sa và DK1) nhỏ hơn so với khu vực phía Bắc biển Đông. Cơn bão Ketsana hình thành từ Thái Bình Dương, đi qua Phillipins và biển Đông theo hướng Tây và đổ bộ vào khu vực Quảng Nam-Quảng Ngãi của Việt Nam. Đường đi của cơn bão này ở phía Bắc khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, do đặc điểm địa hình, bức tranh dòng chảy và mực nước cũng rất đa dạng. Tại thời điểm trích dẫn, rõ ràng có sự khác biệt về mực nước, cụm đảo phía Tây Bắc như Song Tử Tây, Sinh Tồn, Nam Hình 5. Mực nước tính toán tại khu vựctrường Sa.

5 112 N.T. Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) Hình 6. Vận tốc tính toán khu vực Trường Sa Gió mùa Đông Bắc Hình 7. Vận tốc tính toán khu vực Trường Sa và DK1 trong gió mùa Đông Bắc.

6 N.T. Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) Gió mùa Tây Nam Hình 8. Vận tốc tính toán khu vực Trường Sa và DK1 trong gió mùa Tây Nam. 5. Nhận xét và kết luận Bảng 1. Vận tốc quan trắc dòng chảy mặt rộng tại tầng giữa (Trung tâm Hải văn, TC Biển và Hải đảo) Trạm Phúc Huyền Quế Phúc Trường Sa Song Tử Sinh Tồn Tần Trân Đường Nguyên Lớn Tây Độ sâu (m) Vmax thực đo (m/s) Vmax tính toán (m/s) Mục trên đã trình bày các kết quả tính toán trường thủy động lực (mực nước và dòng chảy) cho bão và điều kiện gió mùa. Thấy rằng với lưới tính chi tiết, các đặc điểm mực nước và dòng chảy trong khu vực đã được lột tả: - Kết quả tính toán về thủy triều: đảm bảo độ chính xác với nhiều lần được kiểm nghiệm. - Mặc dù các cơn bão ít đi qua khu vực nghiên cứu, hoặc thỉnh thoảng tiếp cận khu vực nghiên cứu, chúng cũng có ảnh hưởng rất rõ đến phân bố dòng chảy và mực nước. Trong gió mùa tình trạng có vẻ đơn giản hơn. - Nói chung bức tranh vận tốc rất phức tạp với hướng dòng chảy quay chủ yếu quanh các đảo (tạm gọi là hoàn lưu cục bộ). Vận tốc dòng chảy lớn nhất thường nhận thấy ở khu vực các cụm đảo phía Tây Bắc như Song Tử Tây, Sinh Tồn, Nam Yết.. và nhỏ hơn ở khu vực DK1. - Dòng chảy thường lớn khi có mực nước thủy triều lớn, một biểu hiện của loại sóng tiến. - So với số liệu quan trắc (Bảng 1), vận tốc tính toán trên mô hình nhỏ hơn. Những lý do có thể là: lưới vẫn chưa đủ chi tiết nên chưa thể trích xuất chính xác vị trí đo đạc, vận tốc tính toán là trung bình độ sâu, vị trí quan trắc mặt

7 114 N.T. Sáo / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) rộng trên tàu có thể chưa đại biểu, thiết bị quan trắc khó làm việc tốt trong điều kiện địa hình gồm san hô và đá ngầm. Tuy vậy so với các kết quả tính toán trước đây, hình ảnh dòng chảy trong khu vực là khá tốt, phù hợp với quy luật thủy động lực ở các vùng quần đảo có độ sâu biến đổi mạnh. Tóm lại, có thể thấy rằng: - Để ết mực nước và dòng chảy 1, có thể sử dụng mô hình Delft-. - Quần đảo Trường Sa là một khu vực rộng lớn, lại có địa hình đáy biển phức tạp: gradien độ sâu lớn, kích thước đảo lại nhỏ, đáy biển vừa có cát, vừa xen kẽ san hô và đá ngầm nên việc tính toán chính xác các yếu tố thủy động lực là rất khó khăn, nhưng hoàn toàn có thể cải thiện trong các nghiên cứu tiếp theo. - Số liệu quan trắc các yếu tố thủy động lực cần đầy đủ hơn, tốt nhất nên thiết lập một vài trạm liên tục quan trắc từ 3-5 ngày. - Lưới tính và các tham số đã lựa chọn có thể đã phù hợp với những yêu cầu tính toán, nhưng có thể tốt hơn nếu có số liệu địa hình chi tiết hơn để có lưới mịn hơn. Tuy nhiên điều này rất phụ thuộc vào tài nguyên máy tính. - Độ chính xác dự báo phụ thuộc nhiều vào kết qủa tính toán từ mô hình khí tượng MM5 hoặc HRM, do vậy để nâng cao hiệu quả dự báo, trước hết cần nâng cao độ chính xác của mô hình khí tượng và kéo dài thời gian dự báo của mô hình này trước đó nhiều ngày để mô hình ổn định. Tài liệu tham khảo [1] Chuyên khảo Biển Đông: Khí tượng Thuỷ văn Động lực biển. Chương trình biển KHCN-06. [2] Nguyễn Thọ Sáo, Bùi Mạnh Hà, Nguyễn Thanh Trang, 1. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 27, số 3S, (2011) 44. [3] Delft 3D-Flow User Manual, Delf Hydraulics, The Nethelands, Detail current experimental calculations for Spratly Islands Nguyen Tho Sao VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam The Spratly Islands play important role in economical development and security strategy of Vietnam and need to be protected. The detail hydrodynamic information as waves, currents and tides are useful for designing protection structures and for navigating in the region. When observed data are not available, the application of mathematical models is a suitable measure. By using DELFT-3D model and nesting technique, current patterns of the Spratly Islands are described in more detail. The results are expected to be useful for different purposes. Keywords: DELFT-3D models, nesting, typhoon, monsoon, Spratly Islands.