Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG BẰNG MÔ HÌNH DELFT 3D TẠI KHU VỰC BIỂN CẦN GIỜ Bảo Thạnh, Ngô Nam Thịnh, Trần Tuấn Hoàng Phân viện Khí tượng Thủy văn Môi trường Phía Nam Khu vực biển Cần Giờ có nhiều cửa sông nơi xảy trình tương tác biển sông mạnh mẽ. Tương tác sóng – dòng chảy cửa sông yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dao động mực nước cửa sông. Trong báo trọng tính toán lan truyền sóng khu vực biển Cần Giờ làm sở đầu vào cho việc mô tương tác sóng – dòng chảy. Có nhiều mô hình tính toán sóng hành DELFT, RCPWAVE, REFDIF, WAVEWATCH,…tuy nhiên, lựa chọn mô hình DELFT 3D khả tích hợp tính toán tương tác sóng – dòng chảy sử dụng hệ thống lưới cong thích hợp cho vùng cửa sông phức tạp. 1. Cơ sở lý thuyết Trong nghiên cứu này, modul sóng mô hình DELFT sử dụng để tính toán phổ sóng, sóng diễn tả với phổ mật độ tác động sóng chiều, trường hợp tượng phi tuyến lấn át (ví dụ vùng sóng vỡ). Việc sử dụng phổ trường hợp điều kiện phi tuyến mạnh hợp lý, số điều kiện sóng dự báo với độ xác vừa phải cho phân bố phổ moment bậc hai sóng (mặc dù không đầy đủ để mô tả sóng theo phương pháp thống kê). Phổ sóng xem xét modul phổ mật độ tác động N ( , ) phổ mật độ lượng E ( , ) có mặt dòng chảy, phổ mật độ tác động bao phủ toàn bộ, khí đó, phổ mật độ lượng không (Whitham, 1974) [4][6]. Các biến độc lập tần số tương đối  (như quan sát khung chuyển động tham chiếu với vận tốc dòng) phổ mật độ tác động phổ mật độ lượng chia cho tần số tương đối: E ( , ) N ( , ) =  Phổ biến đổi theo không gian thời gian. Hassemann đồng (1973)[4][6] mô tả tiến triển phổ sóng phương trình phổ tác động hệ tọa độ Cartesian là: ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ S N + cx N + c y N + c N + c N = ¶t ¶x ¶y ¶ ¶  (1) Số hạng thứ bên tay trái phương trình biểu diễn tốc độ thay đổi phổ mật độ tác động theo thời gian, số hạng thứ thứ biểu diễn trình lan truyền tác động không gian địa lý (với vận tốc lan truyền c x cy không gian x y). Số hạng thứ biểu diễn độ di chuyển tần số tương đối biến đổi độ sâu dòng (với vận tốc lan truyền c không gian  ). Số hạng thứ biểu diễn khúc xạ độ sâu dòng (với tốc độ lan truyền c không gian  ). Biểu thức cho tốc độ lan truyền dẫn từ lý thuyết sóng tuyến tính (Whitham, 1974; Mei 1983; Dingemens, 1997)[4][6]. Số hạng 282 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI S (= S ( , )) bên tay phải phương trình cân tác động số hạng nguồn phổ mật độ lượng biểu diễn ảnh hưởng phát sinh, tiêu tán tương tác phi tuyển sóng có tần số khác nhau. Các trình tính đến modul bao gồm: + Sự phát sinh gió + Sự tiêu tán sóng bạc đầu, ma sát đáy vỡ sóng độ sâu. + Tương tác phi tuyến sóng có tần số khác nhau. Thêm vào trình truyền sóng qua vật cản thiết lập ảnh hưởng sóng bề mặt biển trung bình tính. 2. Dữ liệu đầu vào 2.1 Lưới tính địa hình Hệ thống sông Cần Giờ phức tạp với nhiều nhánh sông với nhiều đoạn uốn cong, thiết lập lưới tính cho khu vực cần phải chia nhỏ lưới sông, kênh đồng thời lưới tính phải lượn theo địa hình phức tạp khu vực. Mô hình DELFT3D sử dụng hệ tọa độ Sigma giúp việc chia lưới bám sát địa hình biên sông hơn. Tính toán sóng khu vực biển Cần Giờ sở đầu vào cho mô hình dòng chảy, lưới tính chia mịn hình sau: Hình 1. Lưới tính khu vực tính toán Số liệu địa hình đáy khu vực biển Cần Giờ số sông số liệu trích từ hải đồ tỉ lệ 1:200.000 Hải quân Nhân dân Việt Nam tái lần thứ năm 1993 [2] hiệu chỉnh dựa ảnh vệ tinh GoogleEarth ETOPO2. Đồng thời kết hợp với liệu địa hình thực năm 2009 thu thập từ Viện Kỹ Thuật biển Công ty cổ phần Tư vấn Thiết kế cảng - Kỹ thuật biển Portcoast. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 283 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Hình 2. Địa hình khu vực nghiên cứu 2.2 Số liệu gió sóng - Số liệu gió: Vùng nghiên cứu nằm khu vực nhiệt đới gió mùa, năm chịu tác dụng hai trường gió chính: Đông Bắc Tây Nam. Qua số liệu đo đạc vào tháng (Hình 3) cho thấy vận tốc gió lớn khoảng 6.2 m/s với hướng gió Đông Bắc. Số liệu gió sử dụng mô hình DELFT 3D lấy từ liệu thực đo trạm Vũng Tàu đợt khảo sát. Hình 3. Hoa gió cửa Soài Rạp từ ngày 10 đến 25/01/2013 - Số liệu biên sóng: số liệu biên sóng khơi lấy trung bình nhiều năm dựa sở tính toán sóng khu vực nước sâu ven bờ biển Đông Tây Nam Bộ thuộc đề tài cấp nhà nước KC.09/06-10 [2] đợt khảo sát “Nghiên cứu trình tương tác biển - lục địa ảnh hưởng chúng đến hệ sinh thái ven bờ Đông bờ Tây Nam Bộ”. Các biên sông lấy không. 284 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 3. Kiểm định mô hình Dữ liệu sóng dùng kiểm định liệu khảo sát đo đạc Phân viện Khí tượng Thủy văn Môi trường phía Nam, gồm 10 vị trí Cửa sông Soài Rạp vào ngày 16/01/2013. Kết kiểm định cho thấy (Bảng 1): - Về độ cao sóng: sai số tính toán thực đo tương đối nhỏ, có vị trí có sai số 10% có vị trí có sai số lên đến khoảng 30% điểm 1, 3. - Về hướng sóng (hướng sóng so với hướng Bắc): sai số tính toán thực đo nhỏ, tất 6%, có vị trí khoảng 11%. Như vậy, kết tính toán thực đo có sai số tương đối nhỏ hướng độ cao sóng. Kết cho thấy mô hình chạy ổn định gần sát với thực tế. Vì vậy, thông số sử dụng cho việc tính toán trường sóng khu vực biển Cần Giờ. Bảng 1. Sai số tính toán thực đo 10 vị trí cửa sông Soài Rạp Vị trí Điểm Tính toán Thực đo Sai số (%) Hướng sóng(độ) Độ cao sóng(m) Hướng sóng(độ) Độ cao sóng Hướng Vĩ độ Kinh độ Độ cao sóng(m) 10024'13 106047'14 0.57 89.53 0.40 90.00 30.12 0.52 10023'54 106047'32 0.59 90.25 0.40 94.00 32.22 4.16 10023'37 106047'51 0.60 90.30 0.40 94.00 33.76 4.10 10023'27 106048'03 0.61 90.82 0.60 92.00 1.83 1.30 10023'16 106048'14 0.62 90.96 0.60 86.00 3.54 5.45 10023'06 106048'23 0.63 90.68 0.60 80.00 5.30 11.77 10022'50 106048'34 0.65 90.27 0.60 80.00 7.41 11.38 10022'34 106048'46 0.67 89.93 0.70 90.00 4.84 0.08 10022'19 106049'01 0.68 89.69 0.70 94.00 2.21 4.81 10 10022'09 106049'11 0.69 89.19 0.70 90.00 0.83 0.90 4. Kết tính toán Phần trình bày kết tính toán mô trường sóng khu vực hai mùa gió Đông Bắc Tây Nam, giới hạn báo, mùa trình bày hình đặc trưng. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 285 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Hình 4. Kết tính toán trường sóng mùa gió Đông Bắc ngày 16.01.2013 Hình 5. Kết tính toán trường sóng mùa gió Tây Nam ngày 14.7.2013 Kết tính toán sóng vào mùa gió Đông Bắc Tây Nam cho thấy hướng sóng thay đổi theo địa hình có khuynh hướng vuông góc với đường bờ. Độ cao sóng vào mùa gió Đông Bắc cao vào mùa gió Tây Nam. Độ cao sóng có nghĩa lớn vào mùa gió Đông Bắc khoảng 1.8m, với hướng sóng hướng Đông Đông Bắc. Độ cao sóng có nghĩa lớn vào mùa gió Tây Nam khoảng 1.2m với hướng sóng hướng Nam Tây Nam chủ yếu, vào vịnh Gành Rái hướng sóng Tây Nam. Vào mùa gió Đông Bắc, khu vực chịu tác động mạnh vùng ven bờ Cần Giờ cửa sông Vàm Kênh tỉnh Tiền Giang. Vào mùa gió Tây Nam, trường sóng sâu vào khu vực tính toán. Vì thế, khu vực cửa sông Cần Giờ chịu tác động mạnh, đặc biệt khu vực bãi biển Cần Giờ, cửa sông Soài Rạp vào Vịnh Gành Rái. 286 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 5. Kết luận Kết tính toán lan truyền sóng khu vực cho nhìn tổng quan trường sóng khu vực. Trường sóng vào mùa gió Đông Bắc lớn trường sóng vào mùa gió Tây Nam. - Trường sóng vào mùa Đông Bắc, độ cao sóng có nghĩa lớn vào khoảng 1.8 m, hướng sóng chủ yếu hướng Đông Đông Bắc. Lúc sóng tác động mạnh vào khu vực ven bờ cửa sông Vàm Kênh – Tiền Giang. - Trường sóng vào mùa gió Tây Nam, độ cao sóng có nghĩa nhỏ vào khoảng 1.2m, hướng sóng chủ yếu hướng Nam Tây Nam. - Qua kết tính toán lan truyền sóng khu vực cho thấy khu vực chịu tác động mạnh chế độ sóng khu vực bãi biển Cần Giờ cửa sông khu vực. Khu vực Vịnh Gành Rái chịu tác động mạnh sóng vào mùa gió Tây Nam vào mùa gió Đông Bắc. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. CERC (1984). Shore protection manual. Vol. I&II. US Army Corps of Egineers, Coastal Egineering Research Center, US Govt. Priting Office. 2. E. van Meerendonk (ed.) (1990). Coastal Engineering, DELFT Hydraulics. 3. Holthuijsen (2007): Waves in oceanic and coastal waters. Cambridge University Press. 4. Nguyễn Kỳ Phùng, La Thị Cang, Huỳnh Công Hoài, Đăng Văn Tỏ (2009). “Nghiên cứu trình tương tác biển - lục địa ảnh hưởng chúng đến hệ sinh thái ven bờ Đông bờ Tây Nam Bộ”. Đề tài cấp nhà nước. 5. Nguyễn Thị Thụy Hằng (2012). Nghiên cứu thay đổi chế độ thủy động lực học hình thái sông Soài Rạp nạo vét. Luận văn thạc sĩ. Trường Địa học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM. 6. WL/Hydraulics (2003). Simulation of short-crested waves with HISWA or SWAN (SWAN user manual). WAVE STUDY IN THE CAN GIO ESTUARY AREA BY DELFT 3D MODEL Bao Thanh, Ngo Nam Thinh, Tran Tuan Hoang Sub – Institute of HydroMeteorology and Environment of South Viet Nam Can Gio coastal area has many estuaries where occur the strong interaction between the sea wave and the river flow. This is one of the important factors affecting the fluctuation of the water levels in the estuaries. In this paper the study focuses only on the modelling of the sea wave propagation into Can Gio coastal area, which is input of the modelling simulation of the interaction mentioned. There are many computational simulation models such as: DELFT, RCPWAVE, REFDIF, WAVEWATCH,…However, the Delft 3D model is chosen because it integrate, both the wave – flow interaction and curve grid network that are suitable for the complex estuaries. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 287 . Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 282 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG BẰNG MÔ HÌNH DELFT 3D TẠI KHU VỰC BIỂN CẦN GIỜ Bảo. lưới tính phải lượn theo địa hình phức tạp tại khu vực. Mô hình DELFT3 D sử dụng hệ tọa độ Sigma giúp việc chia lưới bám sát địa hình và các biên sông hơn. Tính toán sóng tại khu vực biển Cần Giờ. - Qua kết quả tính toán lan truyền sóng tại khu vực đã cho thấy khu vực chịu tác động mạnh của chế độ sóng là khu vực bãi biển Cần Giờ và các cửa sông trong khu vực. Khu vực Vịnh Gành Rái