Tiến Sĩ Nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng và áp dụng cho khu vực ven biển Hải Phòng

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng và áp dụng cho khu vực ven biển Hải Phòng


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . v
CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN vii
DANH MỤC HÌNH ix
DANH MỤC BẢNG xii
MỞ ĐẦU . 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án 7
3. Phạm vi nghiên cứu của luận án . 7
4. Điểm mới của luận án . 8
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 8
6. Cấu trúc của luận án . 8
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU . 11
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới . 11
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước . 18
1.3. Kết luận của Chương 1 22
CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG
DO BÃO CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG . 24
2.1. Quy trình tính toán mực nước cực trị trong bão . 24
2.2. Mô hình tính toán trường khí tượng . 28
2.3. Mô hình tính toán nước dâng do bão . 29
2.4. Mô hình tính toán trường sóng trong bão . 32
2.4.1. Mô hình WAM . 32
2.4.2. Mô hình SWAN 33
2.5. Tính toán nước dâng do sóng . 34
2.6. Kiểm nghiệm mô hình . 39
2.6.1. Kiểm nghiệm mô hình tính toán trường gió và áp trong bão . 39
2.6.2. Kiểm nghiệm mô hình thủy động lực và nước dâng do bão 41
2.6.3. Kiểm nghiệm mô hình tính toán sóng trong bão . 53
2.6.4. Kiểm nghiệm phương pháp tính mực nước cực trị trong bão 57
iv
2.7. Kết luận của Chương 2 59
CHƯƠNG III ĐÁNH GIÁ NƯỚC DÂNG DO BÃO CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH
HƯỞNG CỦA SÓNG CHO KHU VỰC VEN BIỂN HẢI PHÒNG . 60
3.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu . 60
3.1.1. Vị trí địa lý, địa hình, địa mạo 60
3.1.2. Đặc điểm khí tượng, khí hậu . 62
3.1.3. Đặc điểm các yếu tố thủy văn biển . 65
3.2. Các cơn bão ảnh hưởng đến khu vực ven biển Hải Phòng . 66
3.3. Nước dâng do bão khu vực ven biển Hải Phòng 71
3.3.1. Tương tác giữa nước dâng do bão và thủy triều khu vực Hải Phòng . 71
3.3.2. Kết quả tính toán nước dâng do bão 74
3.3.3. Nước dâng do sóng trong bão . 81
3.3.4. Mực nước cực trị trong bão 87
3.4. Đường tần suất nước dâng do bão, nước dâng do sóng và mực nước cực
trị trong bão khu vực ven biển Hải Phòng 93
3.5. Tác động của nước biển dâng do biến đổi khí hậu đến khu vực ven biển
Hải Phòng 96
3.5.1. Tác động đến chế độ thủy triều . 96
3.5.2. Tác động đến mực nước cực trị trong bão . 101
3.5.3. Đánh giá nguy cơ gây ngập khu vực ven biển Thành phố Hải Phòng 104
3.6. Kết luận của Chương 3 106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
ÁN . 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO 113


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu,
thiên tai trở lên phức tạp hơn, đặc biệt là bão, kèm theo đó là mực nước biển
dâng cao gây ra ngập lụt các vùng cửa sông ven biển. Sự dâng lên của mực
nước trong bão có nguy cơ gây ngập đến khu vực ven biển và có thể gây vỡ
đê, đặc biệt nếu bão xảy ra trong thời kỳ triều cường. Vì vậy, việc nghiên cứu,
tính toán, dự báo mực nước cực trị trong bão tại các điểm ven bờ và nguy cơ
ngập do bão là một trong những biện pháp tích cực giúp phòng tránh và đưa
ra những giải pháp cần thiết để giảm thiểu thiệt hại. Các thành phần gây ra
mực nước cực trị trong bão bao gồm thủy triều, nước dâng do bão và nước
dâng do sóng, trong đó, nước dâng do bão là thành phần quan trọng.
Nước dâng do bão (storm surge) là một hiện tượng tự nhiên nguy
hiểm, gây nhiều thiệt hại về người và của cải. Trên thế giới, một trong những
quốc gia bị ảnh hưởng nặng nhất bởi nước dâng do bão là Băng-la-đet. Năm
1991, nước dâng do bão lên cao tới hơn 6m đã làm hơn 138.000 người thiệt
mạng [34]. Năm 2005, cơn bão Katrina đổ bộ vào thành phố New Orleans
bang Lousiana - Hoa Kỳ ngày 29/8/2005 với sức gió trên 140 dặm/giờ (~225
km/h), đã phá hỏng hệ thống đê bảo vệ và gây nước dâng 6 m. Hơn 1000
người chết và mất tích trong cơn bão này, chủ yếu là vì nước dâng do bão,
gây thiệt hại khoảng 81,2 tỷ USD [29]. Tại khu vực Đông Nam Á, cơn bão
Nargis đổ bộ vào Myanma ngày 2/5/2008 làm hơn 100.000 người chết và mất
tích, thiệt hại ước tính khoảng 10,0 tỷ USD và gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến đời sống cư dân vùng bão đổ bộ cũng như môi trường xung quanh [40].
Các khu vực khác trên thế giới như khu vực Đông - Bắc Á, vùng biển Caribe
cũng chịu nhiều thiệt hại bởi nước dâng do bão, trong đó nước dâng cao nhất
2
đo được tại Triều Tiên đạt tới 5,2 m [52].
Ở Việt Nam, nước dâng do bão cũng đã gây rất nhiều thiệt hại về người
và của, nước dâng lớn nhất ghi nhận được trong cơn bão Dan năm 1989 là
3,6m [2]. Trong lịch sử cũng đã ghi nhận nhiều thiệt hại do nước dâng do bão
gây ra. Tháng 2 năm 1904 một cơn bão đổ bộ vào Nam Bộ, gây ra nước dâng
và sóng lớn đã cuốn trôi nhiều người và của cải. Cơn bão Kelly năm 1981, đổ
bộ vào Quỳnh Lưu – Nghệ An gây ra nước dâng rất lớn, nhiều nơi nước dâng
cao 2,8 – 3,2 m, nơi cao nhất là Lạch Ghép. Năm 1985 cơn bão Andy gây ra
nước dâng cao nhất tại cửa Dĩnh (Quảng Bình) là 1,7 m và cơn bão Cecil gây
ra nước dâng lớn nhất tại Hoa Kỳ Thủy (Thừa Thiên Huế) là 2,5 m. Cơn bão
Wayne năm 1986 gây ra nước dâng lớn nhất tại Trà Lý (Thái Bình) là 2,3 m.
Năm 1987, cơn bão Betty gây ra nước dâng lớn nhất tại Quỳnh Phượng (Nghệ
An) là 2,5m. Năm 1989, nước dâng lớn nhất do cơn bão Dot gây ra tại Đồ
Sơn (Hải Phòng) là 2,2m, cơn bão Irving gây ra tại Sầm Sơn (Thanh Hóa) là
2,9 m. Năm 1996, cơn bão Frankie gây ra nước dâng cao nhất là 3,14 m ở đê
Đông Minh (Tiền Hải – Thái Bình), cơn bão Niki gây ra nước dâng cao nhất
là 3,11 m tại Thịnh Long (Hải Hậu – Nam Định) .[12], [13], [14].
Nước dâng do bão đặc biệt nguy hiểm khi xuất hiện vào đúng thời kỳ
triều cường, mực nước tổng cộng dâng cao, kết hợp với sóng to có thể tràn
qua đê vào đồng ruộng, đây chính là nguyên nhân gây thiệt hại nặng nề về
người và của. Ở nước ta, trong năm 2005 có 4 cơn bão gây nước dâng cao,
trong đó có 2 cơn (bão số 2 - Washi và bão số 7 - Damrey) xảy ra đúng vào
lúc triều cường nên thiệt hại do 2 cơn bão này tại Hải Phòng và Nam Định rất
lớn [23], [56]. Ngoài bão, gió mùa cũng gây ra nước dâng đáng kể, tại Việt
Nam trong những đợt gió mùa mạnh (cấp 6, 7) và kéo dài 2 đến 3 ngày cũng
gây ra nước dâng đáng kể, khoảng từ 30 - 40 cm, có khi cao hơn.
3
Mực nước cực trị trong bãotại các điểm ven bờ mà thực tế là mực
nước lớn nhất trong bão gần đây nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng
khoa học. Nếu như tại các điểm xa bờ, mực nước cực trị trong bão chủ yếu
gây ra bởi ứng suất gió trong bão và áp suất khí quyển thì tại các điểm ven bờ,
động năng sóng trong bão từ ngoài khơi truyền vào bờ biển bị chuyển đổi
thành thế năng cột nước do hiệu ứng nước nông gây ra sự thay đổi của mực
nước trung bình tại các điểm ven bờ [31]. Sự dâng lên của mực nước trung
bình tại các điểm ven bờ do sóng sinh ra được gọi là nước dâng do sóngvà
các nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh sự đóng góp đáng kể của nó vào
mực nước cực trị trong bão tại các điểm ven bờ [24]. Chu kỳ của nước dâng
do sóng lớn hơn chu kỳ sóng khi đi vào bờ, diễn ra trong một khoảng thời
gian kéo dài hơn so với chu kỳ sóng. Nước dâng do sóng tạo nên bởi tác động
của tập hợp nhiều đợt sóng đi vào bờ trong một khoảng thời gian đủ dài, tạo
nên khả năng duy trì mực nước tĩnh ở mức cao. Theo các đánh giá khác nhau,
khoảng thời gian tổi thiểu để hình thành nước dâng do sóng là 1 giờ. Trong
các cơn bão, thời gian kéo dài nước dâng do sóng trùng với thời gian của sóng
bão và tồn tại trong nhiều giờ [67]. Trong những đợt gió mùa mạnh, nước
dâng do sóng có thể kéo dài đến một vài ngày [64]. Theo lý thuyết sóng tuyến
tính, nước dâng do sóng đạt khoảng 19% độ cao sóng vỡ trong trường hợp các
sóng tuyến tính lan truyền vào vùng bờ biển có độ dốc nhỏ [31]. Độ lớn của
nước dâng do sóng thay đổi phụ thuộc vào độ dốc bãi biển, hướng sóng và
đường bờ. Một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy nước dâng do sóng tại
các điểm sát bờ trong các cơn bão xấp xỉ 20% hoặc hơn độ cao sóng có nghĩa
ngoài khơi và trong nhiều trường hợp, đóng góp của nước dâng do sóng lớn
hơn so với thành phần nước dâng do gió trong mực nước cực trị trong bão
[37], [53], [54], [57]. Hình 1 trình bày các thành phần và sự biến đổi của mực
nước trong bão tại khu vực ven bờ.
4
Hình 1. Mực nước trong bão tại khu vực ven biển
Việc xác định mực nước cực trị trong bão ở khu vực ven bờ là đặc biệt
quan trọng trong đánh giá nguy cơ ngập cho khu vực ven biển trong các cơn
bão. Theo nghiên cứu của Chen et al (2008), trong cơn bão Katrina năm 2005
tại Hoa Kỳ, yếu tố động lực ven bờ, trong đó có nước dâng do sóng chiếm tới
80% trong khi các tác động của thủy triều, độ cao sóng và nước dâng ngoài
khơi chỉ đóng góp 20% vào mực nước cực trị trong bão tại các điểm ven bờ
và đây là nguyên nhân chính gây ra ngập lụt cho khu vực bang Lousiana của
Hoa Kỳ [29]. Nghiên cứu của Weaver, R.J. (2004) chỉ ra rằng, trong một số
trường hợp, nước dâng do sóng đóng góp từ 30 – 50% mực nước tổng cộng tại
khu vực ven bờ [57]. Như vậy, việc xét đến nước dâng do sóng trong mực
nước cực trị trong bão sẽ làm cho việc đánh giá khả năng ngập lụt gây ra bởi
mực nước cực trị trong bão chính xác hơn.
Trong các sổ tay bảo vệ bờ biển của Hoa Kỳ, việc nghiên cứu mực
nước cực trị trong bão (gồm nước dâng do bão, nước dâng do sóng và thủy
triều) là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong tính toán, đánh giá
mực nước cực trị tại các bãi biển tự nhiên. Tương tự như vậy, đối với các
công trình ven biển, thủy triều, nước dâng do bão và nước dâng do sóng cùng
với nước biển dâng do biến đổi khí hậu cần được xem xét đưa vào trong tính
5
toán mực nước thiết kế [30].
Các mối đe dọa từ nước dâng do bão đến khu vực ven biển có thể trở
nên nghiêm trọng hơn trong tương lai. Thứ nhất, dân số tăng và sự phát triển
sẽ tiếp tục tập trung tại các khu vực ven biển. Theo nghiên cứu của Pielke và
nnk (1998), sự mất mát tài sản do nước dâng trong bão gây ra tăng gấp đôi
trong mỗi thập kỷ. Nếu giữ nguyên xu hướng này, một phép tính đơn giản cho
thấy nếu có một cơn bão tương tự như cơn bão Katrina (2005) xảy ra vào năm
2050 thì thiệt hại do nó gây ra có thể lên tới hơn 1800 tỷ USD. Thứ hai, do
biến đổi khí hậu, cường độ và quỹ đạo các cơn bão có thể sẽ khó dự báo hơn,
không loại trừ cường độ bão mạnh hơn và nguy cơ ngập lụt cho các khu vực
ven biển sẽ lớn hơn (Valle-Levinson và nnk, 2002;. Wang và nnk, 2005;
Bernier và Thompson, 2006; Kohut và nnk, 2006; Li và nnk, 2006; Weisberg
và Zheng, năm 2006; Shen và nnk, 2008).
Thành phố Hải Phòng không chỉ là trung tâm kinh tế lớn của miền Bắc,
mà còn là một trong những vùng kinh tế năng động nhất của cả nước. Hải
Phòng có rất nhiều điều kiện cũng như tiềm năng để phát triển thành một khu
vực có nền kinh tế mạnh, cùng với Hà Nội, Quảng Ninh hình thành nên khu
vực tam giác kinh tế quan trọng của miền Bắc. Thành phố Hải Phòng nằm sát
ven biển và là một trong những tỉnh/thành thường xuyên chịu những tác động
bất lợi của thiên tai trong đó có bão và nước dâng do bão. Hiện nay, toàn bộ
các hoạt động kinh tế xã hội và cơ sở hạ tầng của thành phố Hải Phòng được
bảo vệ bởi hệ thống đê sông và đê biển, bao gồm 24 tuyến đê với tổng chiều
dài khoảng 421 km, trong đó có 6 tuyến đê biển với chiều dài khoảng 106 km;
18 tuyến đê sông với chiều dài khoảng 315 km. Thềm lục địa khu vực ven
biển Hải Phòng nông và đường bờ bị chia cắt liên tục bởi nhiều cửa sông có
tiết diện lớn, địa hình đất liền thấp với nhiều khu vực có cao độ từ 1 – 2 m là
khu vực có nguy cơ cao bị ngập trong trường hợp bão đổ bộ.
6
Theo kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng do Bộ Tài nguyên và
Môi trường công bố năm 2012, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, mực nước
biển trung bình tại khu vực Hải Phòng có thể tăng từ 42 đến 86 cm tùy theo
từng kịch bản phát triển kinh tế xã hội [1]. Nước biển dâng làm tăng nguy cơ
ngập lụt cho khu vực đất ven biển, có thể gây ra sự thay đổi về pha và biên độ
của các sóng thủy triều do có sự thay đổi về đường bờ, địa hình [19]. Sự thay
đổi này sẽ làm mực nước cực trị trong bão khó lường hơn và ảnh hưởng
nghiêm trọng đến khu vực ven biển, đặc biệt là đô thị ven biển.
Trong quá khứ, nhiều cơn bão đã gây ngập cho Hải Phòng. Gần đây
nhất, trong năm 2005, cơn bão số 2 (Washi) đã gây nên mực nước cực trị
trong bão tại Hòn Dáu là 418 cm, gây ngập úng cho 3.738 ha hoa màu và
2.000 ha lúa, nhiều tuyến đê có nguy cơ bị tràn, phải cứu hộ và gia cố [24].
Trong điều kiện nước biển dâng do biến đổi khí hậu, hệ thống đê hiện tại sẽ
chịu những áp lực lớn hơn từ các cơn bão và đe dọa đến việc đảm bảo an toàn
cho Thành phố.
Tại Việt Nam nói chung cũng như Hải Phòng nói riêng, mặc dù đã có
nhiều công trình nghiên cứu về sự biến động của mực nước biển trong bão
nhưng hầu hết các công trình này đều quan tâm đến sự biến động mực nước ở
quy mô lớn [13], [16]. Sự biến động của mực nước tại các điểm ven biển, nơi
mà sự biến động của mực nước biển có đóng góp của nước dâng do sóng và
nguy cơ gây ngập lụt vẫn chưa được quan tâm đúng mức, đặc biệt khi đánh
giá nguy cơ úng ngập ven biển. Do vậy, nghiên cứu về mực nước cực trị trong
bão có xét tới thủy triều, nước dâng do bão, nước dâng do sóng và nguy cơ
gây ngập lụt đến vùng đất ven biển có ý nghĩa khoa học lớn. Việc áp dụng
cho khu vực Hải Phòng, một khu vực đông dân cư, thường xuyên chịu tác
động của bão là có ý nghĩa về thực tiễn. Kết quả của nghiên cứu sẽ góp phần
giảm nhẹ các tác động bất lợi của nước dâng do bão, phục vụ bảo trì và duy


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), Kịch bản biến đổi khí hậu và nước
biển dâng cho Việt Nam, Hà Nội;
2. Chương tình điều tra nghiên cứu biển cấp nhà nước NCKH-06 (2003), Biển
Đông, Tập II, Khí tượng Thủy văn Động lực biển, Nhà xuất bản Đại
học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
3. Lê Trọng Đào, Nguyễn Vũ Thắng, Trần Quang Tiến (1999) Tính toán thủy
triều, nước dâng và tương tác giữa chúng bằng mô hình số trị thủy
động,Đề tài cấp Tổng cục, Tổng cục KTTV.
4. Lê Trọng Đào và nnk (2009), Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tác
nghiệp khí tượng thủy văn biển (gồm dòng chảy, sóng và nước dâng do
bão) vùng biển Đông và ven biển Việt Nam”, Báo cáo tổng kết đề tài
cấp Bộ, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Hà Nội.
5. Nguyễn Xuân Hiển, Hoàng Văn Đại, Khương Văn Hải, Phạm Văn Tiến
(2009), “Tính toán và dự báo mực nước và độ mặn cho khu vực cửa
sông bằng mô hình số trị”, Tạp chí Khí tượng thủy văn, (578), tr. 22-26.
6. Nguyễn Xuân Hiển, Phạm Văn Tiến, Dương Ngọc Tiến, Đinh Văn Ưu
(2009) “Ứng dụng mô hình ADCIRC tính toán nước dâng do bão tại
khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng trong cơn bão Damrey 2005”,
Tạp chí Khoa học – Khoa học Tự nhiên và công nghệ, (25-3S), tr. 431-438.
7. Nguyễn Xuân Hiển, Trần Thục, Đinh Văn Ưu (2012) “Đánh giá sự ảnh
hưởng của thủy triều đến nước dâng do bão khu vực Hải Phòng”, Tạp
chí Khí tượng thủy văn, (616), tr. 8-14.
8. Nguyễn Xuân Hiển, Trần Thục, Lê Quốc Huy (2010), “Nghiên cứu xu thế
biến đổi mực nước biển khu vực biển Đông và vùng ven bờ Việt Nam
từ số liệu vệ tinh”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, (592) tr. 9-16.
9. Vũ Như Hoán (1988), Phương pháp thống kê dự báo nước dâng và mực
nước ven biển miền bắc Việt Nam khi bão tới, Luận án Tiến sĩ, Hà Nội.
114
10. Trần Hồng Lam, Nguyễn Tài Hợi, Nguyễn Bá Thủy (2006) “Nước dâng do
bão - công tác triển khai dự báo bão nghiệp vụ tại Việt Nam”, Tạp chí
Khí tượng Thủy văn. (543), tr. 32-41.
11. Nguyễn Thị Việt Liên (1996), Mô hình số trị bài toán thuỷ triều Biển
Đông, Luận án PTS khoa học toán lí, Viện Cơ học, Hà Nội, 1996.
12. Đinh Văn Mạnh và nnk (2011), Phát triển và hoàn thiện mô hình dự bão
sóng bão, nước dâng do bão, thủy triều cho dải ven biển Việt Nam. Báo
cáo tổng kết đề tài, Viện Cơ học, Hà nội.
13. Phạm Văn Ninh, Đỗ Ngọc Quỳnh, Đinh Văn Mạnh (1991), Nước dâng do
bão và gió mùa, Báo cáo tổng kết đề tài 48B.02.02, Hà Nội.
14. Đỗ Ngọc Quỳnh (1999), Công nghệ dự báo bão nước dâng do bão ven bờ
biển Việt Nam, Báo cáo tổng kết đề tài KT.03.06, Viện Cơ học - Trung
tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Hà Nội.
15. Hoàng Trung Thành (2011), “Nghiên cứu đặc điểm biến thiên mực nước
biển ven bờ Việt Nam”, Luận án Tiến sĩ, Hà Nội, 2011.
16. Nguyễn Vũ Thắng, Xây dựng sơ đồ dự tính dự báo nước dâng ở vùng ven
biển Hải Phòng,Luận án tiến sĩ địa lí - địa chất, Viện Khí tượng Thủy
văn, Hà Nội, 1999.
17. Bùi Xuân Thông (2000), “Mô hình dự báo nước dâng do bão sử dụng hệ
lưới lồng áp dụng cho các lưu vực nhỏ”, Khí tượng – Thủy văn vùng
biển Việt Nam. NXB Thống kê, Hà Nội.
18. Bùi Xuân Thông, Nguyễn Văn Lai (2008), “Phương pháp xác định mực
nước dâng cực đại có thể xẩy ra do bão tại khu vực công trình đê biển”,
Tạp chí Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, (23), tr. 48-57.
19. Trần Thục, Dương Hồng Sơn (2012), “Tác động của nước biển dâng đến
chế độ thủy triều dọc bờ biển Việt Nam”, Tạp chí Khoa học và Công
nghệ biển, (1), tr 10 – 16.
20. Trần Thục, Nguyễn Xuân Hiển, Trần Hồng Thái (2010), “Nghiên cứu ảnh
hưởng của mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu đến xâm nhập mặn
khu vực đồng bằng sông Hồng –Thái Bình”, Tạp chí Khí tượng Thủy
văn, (583), tr. 7-14.