ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN




Lê Quốc Huy


ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DELFT3D TÍNH NƯỚC DÂNG TRONG BÃO
VÙNG BIỂN VEN BỜ VIỆT NAM
Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thọ Sáo




Hà Nội - 2010
1
Mục lục

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1. Giới thiệu 3
1.2. Các phương pháp nghiên cứu 5
1.2.1. Phương pháp thống kê và đo đạc 5
1.2.2. Phương pháp sử dụng các công thức thực nghiệm 6
1.2.3. Phương pháp mô hình toán 7
1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 8
1.4. Nội dung nghiên cứu trong luận văn 20
1.4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu 20
1.4.2. Nội dung nghiên cứu 20
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21
2.1. Các phương trình cơ bản 22
2.2. Các điều kiện biên 27
2.3. Phương pháp giải số trong Delft3D-Flow 30
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MÔ ĐUN DELFT3D FLOW VÀ KẾT QUẢ TÍNH.36
3.1. Miền tính, lưới tính 36
3.2. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu 37
3.3. Hiệu chỉnh mô hình 38
3.4. Số liệu đầu vào của mô hình 40
3.5. Kết quả ứng dụng mô hình tính toán nước dâng 40
3.6. Các kết quả tính toán 51
3.6.1. Kết quả tính cơn bão Damrey 51
3.6.2. Kết quả tính cơn bão Parma 64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66
Tài liệu tham khảo
69

PHỤ LỤC 71


2
MỞ ĐẦU
Những thiệt hại mà các cơn bão gây ra cho vùng ven bờ biển chủ yếu
do sóng và nước dâng. Lịch sử đã ghi nhận nhiều thiệt hại to lớn về người và
tài sản trên thế giới và cả ở Việt Nam. Việc tính toán và dự báo nước dâng do
bão nhằm giảm nhẹ những thiệt hại và thiết kế an toàn các công trình hạ tầng
ven biển, các tuyến đê biển là một nhiệm vụ quan trọng đối với các nhà khoa
học. Trên thực tế các nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng nước dâng được bắt
đầu một cách có hệ thống từ nửa đầu thế kỷ 20. Các phương pháp tính toán từ
đơn giản đến phức tạp đã xuất hiện. Ngày nay với sự phát triển của khoa học
máy tính, hiện tượng nước dâng do bão đã được mô hình hóa. Các mô hình
tính toán nước dâng hiện đại đang dần trở thành công cụ dự báo cho các vùng
biển trên thế giới.
Luận văn này cũng góp phần nghiên cứu hiện tượng nước dâng do bão
cho một vùng biển ở Việt Nam. Luận văn là kết quả của quá trình tìm hiểu và
ứng dụng mô hình Delft3D của Viện Thủy lực Delft Hà Lan để tính toán nước
dâng của một số cơn bão lịch sử.
Nội dung luận văn tốt nghiệp gồm 3 chương và phần kết luận:
- Chương 1: Tổng quan
Trình bày khái niệm, cơ chế, các phương pháp nghiên cứu, lịch sử và
các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về nước dâng do bão.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày cơ sở lý thuyết của mô đun Delft3D Flow
- Chương 3: Ứng dụng mô đun Delft3D Flow và kết quả tính
Chuẩn bị số liệu đầu vào, hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình, kết quả
ứng dụng mô đun Delft3D Flow tính nước dâng cho vùng biển ven bờ vịnh
Bắc bộ trong cơn bão Damrey (2005) và Parma (2009).
- Kết luận: Tóm tắt nội dung và kết quả nghiên cứu, một số nhận xét.
3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Nước dâng do bão (NDDB) là thiên tai chủ yếu ở vùng ven biển, chúng
thường gây ra những tổn thất lớn về người và tài sản. Dọc theo bờ biển
Bangladesh, những cơn bão và nước dâng kèm theo vào các năm 1876, 1891,
1970, 1991 đã cướp đi sinh mạng của hàng trăm nghìn người và chúng được
so sánh tương đương với thảm họa sóng thần năm 2004. Cơn bão Katrina đổ
bộ vào thành phố New Orleans bang Lousiana - Mỹ 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, khoảng 1000 người chết và mất tích chủ yếu là vì NDDB,
thiệt hại khoảng 81.2 tỷ USD. 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. Các khu vực
khác trên thế giới như khu vực Đông - Bắc Á, vùng biển Caribe cũng chịu
nhiều thiệt hại bởi NDDB gây ra, trong đó nước dâng cao nhất đo được tại
Triều Tiên cũng tới 5,2 m.
Ở nước ta, NDDB cũng gây ra nhiều tổn thất to lớn. Theo thống kê,
NDDB lớn nhất tại Việt Nam ghi được là 3,6 m trong cơn bão DAN tại Hải
Phòng năm 1989. Trong lịch sử cũng đã ghi nhận nước dâng bão năm 1881 tại
Hải Phòng làm rất nhiều người dân thiệt mạng. Trong năm 2005 có 4 cơn bão
gây nước dâng cao thì 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 các tỉnh Hải
Phòng và Nam Định rất lớn.
Hầu hết những bờ biển trên thế giới bị ảnh hưởng của NDDB - những
nơi thỉnh thoảng hoặc thường xuyên có các cơn bão mạnh đi qua. Bão gây ra
nước dâng dọc theo bờ biển phía Đông của Bắc Mỹ, Vịnh Mexico, Hawai,
4
Mexico, biển Ca ri bê, vịnh Bengal, biển Ả rập, phía Đông và Tây Nam Ấn
Độ dương, phía Tây Thái Bình dương, bờ biển Australia, Nhật Bản, Trung

Quốc, Hàn Quốc, Philippines, Myanmar, Việt Nam và Thái Lan. Nước dâng
được gây nên bởi hoạt động của siêu bão thường ở dọc bờ Đông của Canada,
vùng Hồ lớn, biển Địa Trung Hải và vùng biển Bắc. Như vậy, nguy cơ do
NDDB mang tính toàn cầu, mặc dù nó không xuất hiện trên toàn bộ thế giới
nhưng tác động của nó ảnh hưởng đến một tỷ lệ lớn dân số và các trung tâm
đô thị và thương mại lớn.
Hiện tượng NDDB được gây nên khi một cơn bão di chuyển hướng vào
bờ tạo ra dồn nước tại bờ biển. NDDB là sự dâng cao của bề mặt nước biển
trên mực nước nền do tác động của gió và áp suất của bão. NDDB thường xảy
ra trên một đoạn bờ biển khoảng 100 dặm hoặc hơn. Ngoài khơi, mực nước
tại tâm bão dâng do sự giảm áp suất tại tâm. Mực nước tại tâm bão dâng theo
quy luật khi áp suất giảm 1 mb thì mực nước dâng 1 cm. Khi bão đổ bộ vào
bờ thì thủy triều, địa hình bờ, địa hình đáy, sự quay của trái đất, bán kính gió
cực đại, tốc độ di chuyển của bão, mưa, dòng chảy sông đều là những yếu tố
quan trọng quyết định độ dâng của mực nước. Quá trình nước dâng thuộc
dạng thời đoạn ngắn, nhưng bản chất của nó là sự truyền sóng dài.
Một số cơ chế gây nên hiện tượng nước dâng trong bão:
Gió thổi trên bề mặt biển gây nên ứng suất gió theo phương ngang tạo
ra dòng chảy mặt theo hướng chung của gió. Dòng chảy trên mặt cũng tạo nên
cả dòng chảy ở lớp nước dưới mặt. Độ sâu của lớp dòng chảy này được xác
định tùy thuộc vào địa hình và cường độ di chuyển về phía trước của bão. Ví
dụ một cơn bão có cường độ vừa phải di chuyển với tốc độ nhanh thì chỉ tạo
được dòng chảy có chiều dày khoảng hơn 30 m, trong khi cũng một cơn bão
như vậy nhưng di chuyển với tốc độ chậm có thể tạo ra dòng chảy sâu tới gần
100 m. Dòng chảy khi cơn bão tiếp cận gần bờ sẽ làm cho mực nước gần bờ
5
tăng. Một thềm lục địa rộng có độ dốc vừa phải sẽ là điều kiện thuận lợi cho
sự hình thành NDDB mức độ lớn.
Sóng vỡ gần bờ cũng vận chuyển một lượng nước về phía bờ. Trong
cơn bão khi có sự gia tăng chiều cao và độ dốc của sóng ở gần bờ thì lượng

nước được vận chuyển vào bờ có tốc độ nhanh hơn khi nó chảy ra phía biển,
đây cũng là yếu tố làm gia tăng hơn nữa mực nước dọc bờ biển.
Như đã đề cập ở trên, độ lớn của mực nước dâng trong một vùng biển
tùy thuộc vào các tham số khí tượng của cơn bão cũng như các đặc trưng của
vùng biển. Các thông số của bão bao gồm cường độ bão được đo bằng áp suất
tại tâm bão và tốc độ gió lớn nhất của bão, đường đi của bão, tốc độ di chuyển
và bán kính gió cực đại (kích cỡ của bão). Bán kính gió cực đại là khoảng
cách tính từ tâm bão đến vị trí có tốc độ gió lớn nhất, bán kính này có thể biến
đổi từ 10 km đến 80 km. Do trường gió có chiều quay ngược kim đồng hồ ở
bán cầu Bắc nên mực nước dâng cao nhất đo được thường xuất hiện ở phía
bên phải so với hướng di chuyển của bão tại vị trí xấp xỉ bằng bán kính gió
cực đại.
1.2. Các phương pháp nghiên cứu
1.2.1. Phương pháp thống kê và đo đạc
Phương pháp này dựa trên những số liệu thống kê mực nước đo tại khu
vực nghiên cứu và số liệu các cơn bão đổ bộ vào cùng thời điểm. Từ những số
liệu thống kê đó tìm ra được quy luật hay xây dựng mối liên hệ tương quan
giữa số liệu bão và mực nước dâng tại vùng nghiên cứu. Số liệu khảo sát tại
hiện trường là rất cần thiết. Nó được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định độ
chính xác của phương pháp. Tuy nhiên phương pháp này chỉ có thể áp dụng
cho từng khu vực nghiên cứu, vì mỗi vùng có những điều kiện tự nhiên khác
nhau.
6
Đây là phương pháp truyền thống cho kết quả tương đối khả quan.
Những kết quả của phương pháp này rất quan trọng, nó xây dựng được bộ cơ
sở dữ liệu phục vụ cho các đánh giá tổng hợp về mực nước dâng trong các
vùng biển nghiên cứu và phục vụ các các phương pháp khác.
1.2.2. Phương pháp sử dụng các công thức thực nghiệm
Trong phương pháp này, người ta tính toán độ cao nước dâng trên nền
mực nước trung bình theo vận tốc gió, mực nước nền trung bình có thể là mực

nước trung bình nhiều năm của vùng biển có thủy triều hoặc không có thủy
triều. Công thức tính toán có dạng:
gh
XW
kS

cos
2


trong đó: S(m)- độ cao nước dâng,
k = 2.10
-6
- hệ số, có thể xê dịch quanh giá trị này
W(m/s) - vận tốc gió
X(m) - chiều dài đà gió
 - góc giữa hướng gió và trục vuông góc với đường bờ
h(m) - độ sâu.
Nếu vận tốc gió khoảng 20 m/s, đà gió 100 km, gió thổi vuông góc với
bờ, độ sâu 20 m, ta có S vào khoảng 0.4 m. Trong cùng điều kiện gió, độ cao
nước dâng lớn hơn ở khu vực có độ sâu nhỏ hơn.
Công thức trên cho độ cao nước dâng lớn nhất có thể xảy ra, vì các
tham số xác định cho những điều kiện ổn định. Do đó công thức này được sử
dụng cho thiết kế vì kết quả thiên lớn sẽ đảm bảo an toàn cho công trình.
Ngoài ra, NDDB bao gồm tác động của gió và giảm khí áp trong bão
cũng được tính theo công thức của JMA (Cục khí tượng Nhật Bản).
7
H = a(1010-p
0
) + bW

2
cosθ
H- độ lớn nước dâng
p
0
- áp suất tại tâm bão
W- vận tốc gió ở độ cao 10 m so với bề mặt biển
θ - góc giữa hướng gió thổi và đường vuông góc với bờ (đơn vị radian)
Các hằng số a, b tính toán cho nhiều vùng khác nhau của Nhật Bản thu được
giá trị a trong khoảng 0.02167-0.04304, trung bình là 0.03; giá trị b trong
khoảng -0.00167-0.00181, trung bình là 0.2x10
-6

1.2.3. Phương pháp mô hình toán
Mô hình toán là một trong những phương pháp tiếp cận tối ưu trong
nghiên cứu các quá trình thủy động lực. Đặc trưng thứ nhất của mô hình là
các đối tượng nghiên cứu như các vùng địa lý, quy mô thời gian, các quá trình
cần mô phỏng. Đặc trưng thứ hai là quy mô không gian và các biến trạng thái.
Đặc trưng thứ ba là độ phân giải của mô hình và đặc trưng cuối cùng là độ
chính xác.
Các quá trình động lực gây nên độ dâng cao của mực nước như đã nói
trên đều được mô tả trong hệ phương trình nước nông 2 chiều sau đây:
)(
1






















hx
g
x
p
fv
y
u
v
x
u
u
t
u
b
x

s
xa

)(
1





















hy
g
y
p

fu
y
v
v
x
v
u
t
v
b
y
s
y
a

0
)()(











y
vh

x
uh
t




trong đó :
u,v - các thành phần vận tốc trung bình độ sâu theo các trục x,y tương ứng:






h
dzzU
h
u )(
1







h
dzzV
h

v )(
1

8
U(z), V(z) - cỏc thnh phn vn tc bin i theo sõu theo hng x,y
tng ng
- dao ng mt nc so vi mc trung bỡnh
h - sõu k t mc trung bỡnh
p
a
- ỏp sut khụng khớ
s
y
s
x

,
- cỏc thnh phn ng sut giú trờn mt nc theo trc x, y tng ng
22
yxx
s
x
WWW


22
yxy
s
y
WWW



- hệ số ma sát gió
W
x
, W
y
- các thành phần vận tốc gió theo trục x, y tơng ứng
b
y
b
x

,
- các thành phần ứng suất ma sát tại đáy theo trục x, y tơng ứng
22
vuku
b
x



22
vukv
b
y



k - hệ số ma sát đáy

f =2sin - tham số Coriolis
- vĩ độ địa lý
= 0.729.10
-4
s
-1
- vận tốc góc quay trái đất.
1.3. Tỡnh hỡnh nghiờn cu trờn th gii v trong nc
"Mụ hỡnh húa hin tng nc dõng l mt ngh thut" (Jelesnianski v
nnk, 1992). Mụ hỡnh húa NDDB vn ang c ci tin trong th k 21 v
mang tớnh ton cu. Nhng cn bóo gõy nờn hin tng nc dõng c
nghiờn cu nhng khu vc trờn th gii vi nhng tờn gi khỏc nhau nh:
Bc M, bóo xut hin vnh Mờ xi cụ v b ụng nc M c gi l
Hurricanes; Chõu u, bóo cú thut ng l Tropical Storms; Chõu v
Chõu i Dng, bóo c gi l Typhoons. Trong na u th k 20, cỏc
nh khoa hc ó nghiờn cu NDDB bng cỏc cụng c tn ti theo thi gian: t
9
những phương pháp thực nghiệm đơn giản dựa trên những quan trắc thưa thớt
(Conner và nnk, 1957; Harris, 1959) đến những dẫn xuất được phân tích phức
tạp hơn đối với những cơn bão và lưu vực biển đơn giản nhưng giá trị thực
tiễn còn hạn chế (Proudman, 1954; Doodson, 1956; Heaps, 1965). Ở Mỹ,
Quốc hội đã chỉ đạo các cơ quan nghiên cứu của quân đội và Cục thời tiết tiến
hành nghiên cứu chuyên sâu về bão và các phương pháp dự báo bão sau
những thiệt hại to lớn ở vùng duyên hải phía Đông năm 1954. Đây được xem
như là sự khởi đầu của nghiên cứu có hệ thống về NDDB tại Bắc Mỹ (Murty,
1984). Trước khi mô hình số được phát triển thì các toán đồ đã được thiết kế
để dự báo nước dâng bất cứ khi nào một cơn bão đổ bộ vào một bờ biển.
Conner và nnk (1957) đã xây dựng một mô hình kinh nghiệm đơn giản để tính
gần đúng đỉnh nước dâng ven bờ, sau đó vẽ lên các mực nước quan trắc lớn
nhất dựa vào dữ liệu áp suất quan trắc được tại tâm bão để xác định đường

bao nước dâng tốt nhất.
Nhiều phương pháp và mô hình số đã được sử dụng để định lượng mực
nước dâng được gây ra bởi các cơn bão. Một trong những hướng dẫn sớm
nhất được phát triển cho mục đích đó là thang tỷ lệ bão Saffir/Simpson.










10
Bảng 1.1: Nước dâng do bão theo
SAFFIR/SIMPSON

Áp suất tại tâm bão Gió
Độ cao
nước dâng

TT

mb inch mph ft
Mức độ
1 >980 >28.94 74-95 4-5 Nhỏ
2 965-979 28.50-28.91 96-110 6-8 Vừa phải
3 945-964 27.91-28.47 111-130 9-12 Mạnh
4 920-944 27.17-27.88 131-155 13-18 Cực đoan

5 <920 <27.17 >155 >18 Thảm khốc

Bảng 1.1 mô tả thang tỷ lệ được phân chia dựa theo cường độ bão và
mức độ thiệt hại mà nó gây ra. Thang tỷ lệ bão Saffir/Simpson được định
hướng như là một hướng dẫn tổng hợp cho các cơ quan cứu hộ khẩn cấp sử
dụng trong các trường hợp có bão. Tuy nhiên phương pháp này không phản
ánh được những tác động của những yếu tố mang tính địa phương như biến
đổi địa hình đáy, hình dạng đường bờ, các vật cản hay những yếu tố khác đến
độ cao nước dâng tại những địa điểm khác nhau khi cơn bão đổ bộ vào.
Harris (1959) đã tìm ra sự biến thiên có hệ thống của nước dâng với hai
tham số: áp suất nhỏ nhất ở tâm bão và khoảng cách 91.44 m từ tâm bão vào
bờ, nhưng kết luận rằng độ dốc của thềm lục địa ảnh hưởng không lớn đến
mực nước dâng (Harris, 1959; Harris, 1963).
Harris và Jelesnianski (1964) đã đưa ra một hệ phương trình thủy động
lực hai chiều dạng tuyến tính để tính toán thủy động lực thủy triều cho chất
lỏng đồng nhất với áp suất được tính bằng phương trình thủy tĩnh và bỏ qua
sóng bề mặt. Jelesnianski (1966) đã sử dụng hệ phương trình chuyển động
tuyến tính đó bỏ qua ma sát đáy để tính toán và kết luận rằng gió có tác động
11
gấp 4 lần đến mực NDDB so với áp suất, đỉnh mực nước dâng lớn nhất xuất
hiện đối với tốc độ bão khoảng 37 mph và góc giữa hướng di chuyển của bão
và đường vuông góc với bờ là 65
o
.
Jelesnianski (1972) đã sử dụng kích cỡ của bão như là một tham số
trong toán đồ của ông. Toán đồ sử dụng các kết quả quan trắc và từ mô hình
số SPLASH (Special Program to List the Amplitude of Surges from
Hurricanes). Hai phiên bản của mô hình này là SPLASH 1, SPLASH 2 được
phát triển cho các khu vực lựa chọn ở các vịnh và bờ biển Đại Tây Dương.
Mặc dù mô hình Splash đưa ra được những độ cao mực nước dâng đáng tin

cậy nhưng hạn chế của mô hình này là chỉ tính mực nước dâng cho những
đoạn bờ biển có đường bờ thẳng và địa hình ít biến đổi. Jelesnianski đã đưa ra
kết luận rằng độ dốc của thềm lục địa thực sự là yếu tố chính tác động đến
mực nước dâng. Ông vẫn giữ nguyên kết luận sai của Harris (1959) vào trong
tham số "khoảng cách của đoạn thẳng 91.44 m tính từ bờ", nên yếu tố này
không giải quyết được sự biến đổi của địa hình đáy. Jelesnianski đã đưa ra kết
luận sai lầm giống như các nghiên cứu khác từ 1950 đến 1970 rằng ảnh hưởng
của kích cỡ bão lên mực nước dâng là tương đối nhỏ. Tuy nhiên gần đây việc
phân tích dữ liệu lịch sử của các cơn bão cùng với sự mô phỏng bằng mô hình
đã chứng minh rằng kích cỡ của bão có vai trò quan trọng trong sự phát sinh
nước dâng bão ở các vùng ven bờ, đặc biệt là những cơn bão siêu mạnh di
chuyển trên vùng nước rất nông (Irish và nnk, 2008).
Trong các năm từ 1950 đến 1960, tính toán NDDB chỉ áp dụng cho
những vùng có đường bờ thẳng với địa hình ít biến đổi. Chúng là cơ sở cho
việc thiết kế hạ tầng cơ sở tránh nguy cơ bị phá hủy bởi NDDB cho đến
những năm 1970 và nhiều nơi vẫn đang sử dụng đến nay. Từ cuối những năm
1960, khi máy tính tốc độ cao xuất hiện cho phép sai phân hóa các hệ phương
trình cơ bản trên cơ sở sử dụng các lưới tính có cấu trúc (thường là lưới
12
vuông) trong các mô hình 2D (tích phân theo chiều thẳng đứng) và sau đó là
mô hình 3D. Khả năng này đã loại bỏ được giả thiết về một sự cân bằng lực
ổn định trong mô hình (không thích hợp với sự biến đổi quá nhanh của gió
trong bão), đồng thời mô phỏng được sự cân bằng giữa thông lượng nước và
sự thay đổi của mực nước trong lưu vực. Trong những năm 1980, mô hình
SLOSH (the Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes) của NOAA
được thiết lập và Jelesnianski (1992) hoàn thiện để tính toán và đưa ra các bản
đồ đánh giá mức độ bảo hiểm do ngập lụt của FEMA (Federal Emergency
Management Agency) và vẫn đang được cơ quan dự báo thời tiết Mỹ sử dụng
để dự báo NDDB. Đây là mô hình hai chiều được phát triển để dự báo mực
nước dâng tức thời bởi các cơn bão đang hoạt động tại những vùng biển ven

bờ Đại Tây Dương, nhưng cũng được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới.
Ngoài việc tính nước dâng cho vùng biển hở, mô hình này còn mở rộng khả
năng tính nước dâng trong vịnh, cửa sông, lưu vực sông ven biển và cả các vị
trí trên đất liền. Những "barrier" thiên nhiên hay nhân tạo trong vùng nghiên
cứu cũng được thể hiện trong mô hình đồng thời những ảnh hưởng của chúng
đến độ cao mực nước dâng cũng được mô phỏng trong quá trình tính toán.
Kết quả dự báo của SLOSH có độ sai lệch là 20%. Ví dụ nếu mô hình tính
đỉnh của mực NDDB là 5 m thì đỉnh của mực nước dâng quan trắc được nằm
trong khoảng từ 4 đến 6 m (National Hurrcane Center, 2007).
Thực nghiệm số cũng đã góp phần tìm hiểu sâu cơ chế của hiện tượng
nước dâng và cải tiến lý thuyết về NDDB. Một số cuốn sách quan trọng về
NDDB bao gồm cả phân tích lý thuyết, dữ liệu quan trắc và kết quả số đã
được xuất bản trong những năm 1980 (như của Simpson, 1981; Murty, 1984;
Pugh, 1987). Gần đây nhiều sự cải tiến đã được áp dụng trong việc mô hình
hóa NDDB. Các kỹ thuật sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và lưới tính
phi cấu trúc đã được phát triển trong các mô hình tính NDDB. Hệ lưới phi cấu
13
trúc này có thể biểu diễn được các đối tượng phức tạp của địa hình đáy và trên
bờ như đường bờ biển khúc khuỷu, các cửa sông, các lạch triều và các đảo
chắn. Hơn nữa nó còn nâng cấp độ phân giải lên rất cao cho vùng nghiên cứu.
Với các trường gió có độ chính xác cao thì các mô hình này có thể có độ
chính xác đến vài chục centimet khi tính toán cho các cơn bão trong quá khứ.
Sự kết hợp các mô hình nước dâng và thủy triều có khả năng mô phỏng đầy
đủ tác động của dao động thủy triều lên mực nước tổng cộng và khả năng
ngập lụt trong một cơn bão. Trong số đó có các mô hình nổi tiếng như
ACCIRD (Advanced Circulation Model for Oceanic, Coastal, and Estuarine
Waters), DELFT3D, POM (Princeton Ocean Model) Ở các nước khác như
Anh, Đan Mạch, Nhật, Nga, Trung Quốc cũng đã xây dựng những mô hình
tính nước dâng của riêng mình.
Ở nước ta, hiện tượng NDDB đã được nghiên cứu từ những năm 1970

của thế kỷ trước. Một số tác giả và công trình nổi bật có thể liệt kê ra sau đây:
Lê Phước Trình và Trần Kỳ (1969 - 1970), Nguyễn Văn Cư (1979), Phạm
Văn Ninh (1982), Đỗ Ngọc Quỳnh (1982), Vũ Như Hoán (1988), Nguyễn
Ngọc Thuỵ (1989), Tạ Đăng Minh (1989), Lê Trọng Đào (1989), Bùi Xuân
Thông (1995), Nguyễn Thị Việt Liên (1996), Nguyễn Vũ Thắng (1999), Bùi
Hồng Long (2005), Nguyễn Kỳ Phùng (2006)
Tuy nhiên nghiên cứu một cách có hệ thống nước dâng bão ở Việt Nam
chỉ được đặt ra từ 1984 đến nay, trong khuôn khổ 3 đề tài cấp nhà nước:
- Nghiên cứu thăm dò (1984-1985, đề tài 48.06.15, Phạm Văn Ninh chủ
trì), sau khi khẳng định rằng hiện tượng nước dâng bão ở Việt Nam có thể
nghiên cứu được đến kết quả ứng dụng trong thực tế, đã chia quá trình nghiên
cứu NDDB làm 2 phần và thực hiện chúng trong khuôn khổ 2 đề tài cấp nhà
nước khác.
14
- Nghiên cứu các đặc trưng chế độ của hiện tượng tức là phân bố theo
thời gian, không gian, dáng điệu quá trình nước dâng, vị trí và thời gian xảy ra
nước dâng cực đại, quan hệ về thời gian xảy ra nước dâng với các pha triều,
nhằm xác định cao trình của các công trình biển, hoạch định các quy hoạch
kinh tế xã hội biển (1986-1990, đề tài 48B.02.02, Phạm Văn Ninh chủ trì).
- Nghiên cứu dự báo nước dâng cho các cơn bão cụ thể (1991-1995, đề
tài KT.03.06, Đỗ Ngọc Quỳnh chủ trì).
Ngoài ra, năm 1996-2000 đề tài cấp nhà nước “Cơ sở khoa học và các
đặc trưng kỹ thuật đới bờ, ” do Phạm Văn Ninh và từ 1998 Đỗ Ngọc Quỳnh
làm chủ nhiệm đã xem xét lại việc tính toán các đặc trưng chế độ bão ở miền
Nam do có thêm số liệu.
Gần đây, 2000-2001, Đỗ Ngọc Quỳnh đã phối hợp với Trung tâm Dự
báo Quốc gia Khí tượng Thủy văn nghiên cứu thử nghiệm tiếp tục và đã
chuyển giao cho Trung tâm đó để dự báo nghiệp vụ.
Phần mềm dự báo NDDB Delft3D-Flow của Hà Lan đã được nghiên
cứu cho toàn vùng Biển Đông và được chuyển giao cho Trung tâm Hải văn

thuộc Tổng cục Biển và Hải đảo sử dụng vào dự báo nghiệp vụ nước dâng
bão ở Việt Nam.
Từ kết quả đề tài KC 09-04 và tiếp tục được phát triển bằng đề tài KC
08-05 do GS. TS Trần Tân Tiến chủ trì, mô hình liên hoàn dự báo trường khí
tượng thủy văn Biển Đông cho 72 h đã được xây dựng, trong đó có phần dự
báo nước dâng do bão cho toàn vùng biển Việt Nam.
Trong khuôn khổ đề tài "Đánh giá biến động mực nước biển cực trị do
ảnh hưởng của biến đổi khí hậu phục vụ chiến lược kinh tế biển" thuộc
Chương trình "Khoa học và công nghệ biển phục vụ phát triển bền vững kinh
tế xã hội" KC 09-06/10 do GS.TS. Đinh Văn Ưu chủ trì, phần mềm ACCIRD
15
thuộc bộ phần mềm SMS (sử dụng lưới tam giác) đã được ứng dụng để tính
NDDB cho khu vực vịnh Bắc Bộ và chi tiết cho vùng biển Hải Phòng.
Một số phương pháp nghiên cứu và kết quả được ghi nhận:
Các tác giả Nguyễn Vũ Thắng, Vũ Như Hoán sử dụng phương pháp biểu
đồ, cơ sở của nó cũng xuất phát từ hệ phương trình số trị thủy động hai chiều
sau đó được tham số hóa và sơ đồ hóa, nhưng có nhược điểm là độ chính xác
bị hạn chế bởi số lượng các biểu đồ sử dụng bị giới hạn từ 3 - 4 biểu đồ.
Trong giai đoạn nghiên cứu của mình, Đỗ Ngọc Quỳnh và Phạm Văn
Ninh đã sử dụng nhiều mô hình số trị với các thuật toán khác nhau và đã xây
dựng nên 7 mô hình số theo sơ đồ sai phân hiện, xen kẽ 1 và 2, sai phân trung
tâm nửa ẩn có là trơn, sai phân ẩn xen kẽ, đường đặc trưng, sai phân lưới tam
giác nửa ẩn, sơ đồ lưới tổng hợp (trong đó đáng lưu ý về mặt phương pháp là
phương pháp lưới tam giác và mô hình lưới cong phù hợp với đường bờ). Các
mô hình này đã được xem xét tính ổn định, hội tụ, độ chính xác so với một số
nghiệm giải tích, thời gian máy và mức độ tiện dụng. Cuối cùng mô hình sai
phân ẩn xen kẽ truy đuổi luân hướng đã được chọn. Các kết quả đã cho được
một bức tranh tổng thể về khả năng nước dâng đã và có thể xảy ra cho từng vĩ
độ.
Lê Trọng Đào dùng phương pháp phần tử hữu hạn với mục đích phương

pháp này cho phép xấp xỉ đường bờ tốt hơn phương pháp sai phân hữu hạn để
tính toán thuỷ triều và NDDB cho vịnh Bắc Bộ. Các kết quả đã khẳng định sự
tương tác giữa nước dâng và thuỷ triều ở Vịnh Bắc Bộ là đáng kể và không
thể tính toán thuỷ triều và nước dâng một cách độc lập rồi sau đó lấy tổng đại
số của chúng.
Trong các công trình nghiên cứu gần đây, một số tác giả (Bùi Hồng
Long, Nguyễn Kỳ Phùng, Đinh Văn Mạnh, Nguyễn Thọ Sáo, Lê Trọng
Đào ) đã tính toán NDDB bằng các mô hình 3D tự xây dựng hoặc ứng dụng
16
các phần mềm bản quyền hiện đại. Hệ các phương trình cơ bản được viết
trong các hệ tọa độ cầu và sigma.
Trong nghiên cứu NDDB, phân bố trường gió và khí áp trong bão là yếu
tố rất quan trọng. Độ chính xác của dự báo các trường gió và khí áp quyết
định đến độ chính xác dự báo NDDB. Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều
sử dụng các công thức thực nghiệm tính phân bố trường gió và khí áp trong
bão. Kết quả tính theo các công thức này thường là các đường đồng mức đồng
tâm tính từ tâm bão nên không phản ánh được sự phân bố theo địa hình và
ảnh hưởng các hình thế khí áp bên ngoài phạm vi cơn bão. Mặt khác giá trị
tốc độ gió lớn nhất và áp suất nhỏ nhất tại tâm bão thường không đạt được
gần tới giá trị của cơn bão thực.
Thống kê nước dâng ven bờ Việt Nam
Để nghiên cứu thống kê NDDB, trước hết cần phải có số liệu các cơn
bão đổ bộ vào bờ biển Việt Nam từ trước đến nay. Theo số liệu của cơ quan
phòng chống thiên tai Disaster Management Unit, thuộc dự án UNDP
VIE/97/002 tại Việt Nam thì bão bắt đầu vào đầu tháng 6 ở khu vực phía Bắc
và dần dịch chuyển xuống phía Nam cho đến tháng 12, số lượng cơn bão cũng
giảm dần từ Bắc vào Nam.

Hình 1.1: Biểu đồ phân bố bão trong biển Đông
(Nguồn UNDP Project VIE/97/002 Disaster Management Unit)

17
Từ năm 1954 đến năm 1999, có tổng cộng 212 cơn bão đổ bộ vào đất
liền Việt Nam. Trung bình có khoảng 30 cơn bão xuất hiện ở phía Tây Thái
Bình Dương mỗi năm, trong đó có khoảng 10 cơn phát sinh trong vùng Biển
Đông và có 4 đến 6 cơn ảnh hưởng trực tiếp đến Việt Nam. Có một số năm
mà số cơn bão đổ bộ vào Việt Nam từ 10 cơn trở lên là: năm 1964 (18 cơn),
1973 (12 cơn), 1978 (12 cơn), 1989 (10 cơn) và 1996 (10 cơn). Thông thường
các cơn bão đổ bộ vào miền Bắc và miền Trung, số cơn bão đổ bộ vào miền
Nam ít hơn.



Hình 1.2: Số lượng bão đổ bộ vào Việt Nam theo từng tháng trong 53
năm, giai đoạn (1945-1998)
(Nguồn UNDP Project VIE/97/002 Disaster Management Unit)





18





Hình 1.3: Số các cơn bão (tốc độ gió lớn hơn 16 m/s) và bão mạnh (tốc độ gió
lớn hơn 33 m/s) hướng vào bờ biển Việt Nam trong khoảng từ 7.5
o
N-22.5

o
N
và 105
o
E-115
o
E.
(Nguồn từ CD-ROM, Global Tropical/Extratropical Cyclone Climatic Atlas
Version 2.0- US Navy-Department of Commerce, Washington DC, 1996)
Đề tài nghiên cứu của Phân viện Cơ học Biển, Viện Cơ học đã đánh giá
khả năng xuất hiện (tần suất) của độ cao nước dâng dọc bờ biển Việt Nam
như sau (1954-1993):

19
Bảng 1.2: Bão và nước dâng ven bờ Việt Nam
(Nguồn từ Đề tài KT.03.06, Công nghệ dự bão nước dâng do bão ven bờ biển
Việt Nam, Viện Cơ học - Trung tâm KHTN & Công nghệ Quốc gia, Hà Nội)

Vĩ độ (N)
Số
cơn
bão
đổ bộ

P%
Số cơn
bão/tru
ng bình
năm
Nước

dâng
lớn
nhất
đã xảy
ra (m)
Nước
dâng
lớn
nhất
có thể
xảy ra
(m)
21-22 Bắc Cửa Ông 29 12.04

0.74 2.2 2.6
20-21 Cửa Ông - Cửa Đáy 39 16.19

1.00 2.2 3.0
19-20 Cửa Đáy - Cửa Vạn 34 14.11

0.87 3.0 4.0
18-19 Cửa Vạn - Đèo Ngang 29 12.04

0.74 3.4 4.0
17-18 Đèo Ngang - Cửa Tùng 16 6.64 0.41 2.2
16-17 Cửa Tùng - Đà Nẵng 9 3.73 0.23 2.6
15-16 Đà Nẵng - Quảng Ngãi 23 9.54 0.59 1.4 1.6
14-15 Quảng Ngãi - Bình Định 23 9.54 0.59 1.0 1.2
13-14 Bình Định - Phú Yên 11 4.56 0.28 0.8 1.0
12-13 Phú Yên - Khánh Hoà 9 3.73 0.23 0.8 1.0

11-12 Ninh Thuận -Bình Thuận 10 4.15 0.26 1.0 1.2
10-11 Bình Thuận - Bến Tre 4 1.66 0.10 1.8 2.0
9-10 Bến Tre - Bạc Liêu 3 1.24 0.08 2.0 2.4
8-9 Bạc Liêu - Cà Mau 2 0.83 0.06 2.0 2.4
Tổng 241 100 6.18

20
1.4. Nội dung nghiên cứu trong luận văn
1.4.1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Với những tác hại to lớn về người và vật chất do NDDB gây nên, công
tác dự báo nước dâng trở thành một nhiệm vụ quan trọng của ngành khí tượng
thủy văn. Kết quả dự báo phục vụ cho công tác quản lý từ trung ương đến địa
phương trong các trường hợp ứng phó với thiên tai. Ngoài ra kết quả dự báo
còn phục vụ các ngành giao thông, xây dựng để xây dựng các thông số chỉ
tiêu ngành đảm bảo các công trình cơ sở hạ tầng nằm trong giới hạn an toàn
trước tác động của thiên tai. Vấn đề đặt ra là làm sao phòng tránh nhằm giảm
thiểu những tác động bất lợi NDDB mang lại. Hơn nữa, vấn đề nâng cao độ
chính xác của kết quả dự báo luôn luôn được quan tâm và nghiên cứu.
Trong rất nhiều phương pháp và nhiều mô hình toán đã liệt kê ở trên,
mô hình Delft3D là một mô hình hiện đại, chuyên dụng, cho kết quả tính
nước dâng ổn định và chính xác. Đây là mô hình thương mại và đã được đề
tài KC 08.06 do GS. TS Trần Tân Tiến (Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải
dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội) chủ trì mua
bản quyền đầy đủ. Được sự giúp đỡ của đề tài, tác giả đã được sử dụng bộ
phần mềm bản quyền này trong quá trình nghiên cứu của mình.
1.4.2. Nội dung nghiên cứu
Mặc dù đã có nhiều đơn vị trong nước sử dụng mô hình Delft3D tính
NDDB tuy nhiên mỗi một đơn vị lại sử dụng số liệu trường khí tượng làm đầu
vào cho mô hình khác nhau. Hơn nữa, độ phân giải lưới tính, địa hình mà các
nghiên cứu đó sử dụng còn thô. Lưới tính được sử dụng là lưới vuông trong

hệ tọa độ Decarst. Nội dung của luận văn này là tìm hiểu và ứng dụng mô đun
Delft3D Flow để tính nước dâng do bão cho một vùng biển. Xây dựng bộ
thông số cho mô hình đủ tin cậy để tính toán cho toàn vùng biển Việt Nam.
21
Tác giả sử dụng lưới cong trực giao với độ phân giải cao ở vùng biển
nghiên cứu. Sử dụng bộ hằng số điều hòa tính mực nước dao động tại biên
của 8 sóng. Số liệu trường khí tượng được tổ hợp từ các mô hình RAMS,
WRF, HRM, ETA trong khuôn khổ của đề tài KC 08-05 do GS. Trần Tân
Tiến chủ trì.























22
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô đun dòng chảy Delft3D-FLOW giải các phương trình nước nông
không ổn định 2 chiều (trung bình theo độ sâu) hoặc 3 chiều. 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. Trong mô đun Delft3D-FLOW
với lưới chữ nhật (toạ độ Đề các) được xem như dạng đơn giản nhất của lưới
cong. Trong toạ độ lưới cong thì mực nước bề mặt và độ sâu có liên quan đến
mặt phẳng nằm ngang quy chiếu, còn trong toạ độ cầu là mặt phẳng tương
ứng với đường cong của trái đất.
Dòng chảy bị tác động bởi thủy triều ở biên mở, ma sát gió ở mặt
thoáng, chênh lệch áp suất do chênh lệch mực bề mặt hoặc chênh lệch mật độ.
Các số hạng thêm vào và bớt đi (Source and Sink) cũng được đưa vào trong
các phương trình để mô hình hoá nguồn vào và nguồn ra của nước.
2.1. Các phương trình cơ bản
Mô đun Delft3D-FLOW bao gồm các công thức toán học được xây
dựng dưới các giả thiết vật lý cơ bản dưới đây:
- Có sự chênh lệch trên mặt tự do;
- Tính đến ảnh hưởng của lực quay trái đất - lực Coriolis;
- Tính đến ảnh hưởng của mật độ nước (phương trình trạng thái);
- Tính chênh lệch mật độ theo phương ngang do áp suất;
- Rối được đưa vào thông lượng khối và động lượng;
- Tính đến vận chuyển muối, nhiệt và các phần tử cố kết khác;
- Lực thuỷ triều tác động đến biên hở;
23
- Tính đến biến đổi ma sát trượt của gió theo thời gian và không gian ở
trên bề mặt nước;
- Ma sát trượt đáy biến đổi theo không gian;

- Biến đổi áp suất khí quyển trên mặt nước theo cả không gian và thời gian;
- Nguồn vào và ra thay đổi theo thời gian;
- Tính đến các điểm khô ướt trên bãi triều;
- Trao đổi nhiệt thông qua mặt thoáng;
- Bay hơi và lắng đọng;
- Các lực tạo triều;
- Ảnh hưởng của dòng chảy trên biên trong các phương trình động lượng
trung bình theo độ sâu;
- Ma sát trượt biên bên ở biên cứng;
- Trao đổi thẳng đứng của động lượng do sóng nội;
- Ảnh hưởng của các sóng đến ma sát đáy (2D và 3D);
- Sóng gây ra ma sát (ma sát bức xạ) và thông lượng khối;
- Dòng chảy qua các công trình.
Và thêm một giả thiết cho trường hợp hai chiều đó là quy mô không
gian theo phương thẳng đứng (độ sâu) được coi như nhỏ hơn rất nhiều so với
phương ngang hay giả thiết là vùng nước nông. Khi đó, gia tốc theo phương
thẳng đứng nhỏ hơn nhiều so với gia tốc trọng trường. Vì vậy, phương trình
chuyển động theo phương thẳng đứng được rút gọn thành phương trình cân
bằng thủy tĩnh.
24
Dưới các giả thiết đó ta có các phương trình trong hệ tọa độ cong trực
giao (ξ,η):
- Phương trình liên tục:









Q
GVd
GG
GUd
GG
t


















11

(3.1)
với
 




0
1
EPdqqHQ
outin


(3.2)
trong đó: q
in
và q
out
tương ứng là các nguồn nước bổ sung và lấy đi; P là lượng
nước bổ sung do mưa và E là lượng nước mất đi do bay hơi; dσ là vi phân
theo toạ độ tỉ lệ thẳng đứng; H=d+ζ là chiều cao cột nước; d và ζ tương ứng
là độ sâu đáy và mực nước so với mặt phẳng quy chiếu.
- Các phương trình động lượng:
,
)(
1
22
2
22
0
2










MF
dC
vugu
P
G
fv
G
GG
v
G
GG
uvu
G
vu
G
u
t
u
D




















(3.3

và
.
)(
1
22
2
22
0
2










MF
dC
vugv
P
G
fu
G
GG
u
G
GG
uvv
G
vv
G
u
t
v
D




















(3.4)

trong đó:

và

là các toạ độ cong trực giao trên mặt phẳng ngang; u, v là các
thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu theo các hướng

và

tương ứng; g